1.4. Влияние спонтанной поляризации на свойства интерфейсных слоев в пленочных сегнетоэлектриках

Изначально сегнетоэлектрики рассматривались в качестве диэлектриков. Этот подход был успешным в объяснении основных сегнетоэлектрических свойств, таких как фазовый переход и сегнетоэлектрическое переключение, но не полностью объяснял механизмы транспорта и другие свойства, которые связаны с движением носителей заряда.

Особое внимание также уделяется контакту сегнетоэлектрика с электродом. Работа [65] является одной из наиболее ранних, где рассчитана высота барьера Шоттки, который образуются на интерфейсе Pt-PZT. В ней

35 учитывается эффект экранирования поляризационного заряда и объемный заряд в слое истощения за счет кислородных вакансий, а также обсуждаются эффекты локальных токов утечки.

Когда металлический электрод, такой как платина, нанесен на сегнетоэлектрическую тонкую пленку, формируется барьер Шоттки, если работа выхода металла больше, чем у материала, к которому он прикреплен. Общее выражение для высоты барьера получено Коули и Зи [66] на основе предположения о наличии интерфейсного слоя атомных размеров между металлом и полупроводником в тесном контакте и поверхностных состояний на интерфейсе, которые являются свойствами чисто полупроводника и не зависят от металла.

Рисунок 1.18. Зонная диаграмма для металла, полупроводника н-типа проводимости с интерфейсным слоем порядка атомного расстояния (по [66]). В то время как пленка PZT ^-типа проводимости в основном объеме, большая концентрация кислородных вакансий вблизи интерфейса выступает в качестве доноров, делая пленку н-типа [65].

φ_m- работа выхода металла, φs_n- высота барьера на интерфейсе металл­полупроводник, φ₀- уровень электронейтральности, ∆ - потенциал на интерфейсном слое, χ - электронное сродство полупроводника, δ - толщина интерфейсного слоя, Q_sc- плотность пространственного заряда в полупроводнике, Qss- поверхностная плотность заряда в полупроводнике, Q_m- поверхностная плотность заряда в металле.

Высоты потенциальных барьеров для платины, нанесенной на ряд сегнетоэлектрических материалов, были рассмотрены в работе [67]. Они

36 используют формулу Коули и Зи [66, 68], которая принимает во внимание поверхностные состояния на интерфейсе металл-полупроводник: где E_g- ширина запрещенной зоны. В предельном ионном случае S = 1 имеет место картина простого изгиба зон, и высота барьера - это просто разница между работой выхода металла (φ_m) и полупроводникового электронного сродства (χ). В другом (ковалентном) предельном случае, когда S = 0, высота барьера - это различие между краем зоны проводимости и φ0. φ0 - это уровень электронейтральности, который до нанесения металла совпадает с уровнем Ферми, и ниже которого все поверхностные состояния должны быть заполнены для выполнения условия электронейтральности.

Уравнение Коули и Зи (1.2) основано на приближении, которое, как было указано Родериком и Вильямсом [69], равносильно игнорированию пространственного заряда в области истощения.

диэлектрическая проницаемость интерфейсного слоя, к - постоянная Больцмана, T- температура. Если ε_s≈10ε₀и концентрация примеси N_d 0 [71].

Авторы [71] отмечают, что описанные выше модели предсказывают противоположный (по отношению к экспериментальным данным,

полученным в работе [73]) знак изменения высоты барьеров для той или иной ориентации вектора спонтанной поляризации. Объясняют это тем, что возникновение (или переключение) спонтанной поляризации сопровождается не перетеканием электронов на металлический электрод из внешней цепи, как это предполагается в [65], или на глубокие уровни ловушек, как это предполагается в [72], а перераспределением электронов между металлом и сегнетоэлектриком в результате обусловленного спонтанной поляризацией изменения работы выхода сегнетоэлектрика. В этом случае, например, при увеличении работы выхода сегнетоэлектрика n-типа проводимости с работой выхода меньшей, чем работа выхода металла (как это имеет место в диодах на основе восстановленного в водороде ВаТЮ₃[73]) при положительном поляризационном заряде на границе раздела металл-сегнетоэлектрик по мнению авторов [71] следует ожидать уменьшения величины встроенного потенциала V_bi, а не его увеличения, как это предполагается в [65]. В подтверждение этому авторы [71] приводят результаты исследований зависимости работы выхода для эпитаксиальной тонкой пленки ВаТЮ₃, выращенной на поверхности легированного ниобием монокристалла Sr^O₃, от ориентации вектора спонтанной поляризации, полученной в работе [74], где было показано, что наличие отрицательного поляризационного заряда на свободной поверхности пленки приводит к уменьшению работы выхода от 4.4 до 4.1 эВ, а положительного поляризационного заряда соответственно к ее увеличению.

заряде (рисунок 1.22,в) соответствующие значения φB⁺и V_bi⁺меньше. Это заключение находится в качественном согласии с найденным в работе [73] увеличением (приблизительно на 0,5 В) встроенного потенциала V_biна контакте Лд-ВаТЮ₃с барьером Шоттки, сформированным на с-пластинке ВаТЮ₃с отрицательным поляризационным зарядом, по сравнению с таким же барьером, сформированным на с-пластинке ВаТЮ₃с положительным поляризационным зарядом. При остаточной поляризации кристалла ВаТЮ₃ около 20 мкКл-см^-2[73] это соответствует изменению величины qV_biоколо 0,1 эВ при изменении значения спонтанной поляризации на 10 мкКл-см^-2. Близкое по величине (но с обратным знаком) изменение высоты барьера φB_n на контакте Pt-PZT получено в работе [65] расчетным путем для ∆P_s = 10 мкКл-см^-2при концентрации доноров N_d = 10²⁰см^-3[71].

В работе [76] также оценено влияние спонтанной поляризации на высоту барьера типа Шоттки SRO/PZT. Для значений спонтанной поляризации равной 100 мкКл-см^-2, рассматривая величину высокочастотной (оптической) диэлектрической постоянной ε_opравной 6,5, при использовании экспериментальных значений для ε_st = 80 величина потенциального барьера получается порядка 0,71 эВ, а при использовании теоретического значения ε_st = 40, взятого из работы [77], величина потенциального барьера составила 0,95 эВ.