Вольт-амперные характеристики пленок PZT

Среди средств исследования электропроводности материалов ведущее место занимает метод вольт-амперных характеристик, суть которого заключается в регистрации величины тока, протекающего через образец при приложении к нему внешнего электрического поля.

По аналогии с ВФХ и петлями гистерезиса анализ литературы начнем с рассмотрения влияния соотношения Zr/Ti на вольт-амперные характеристики пленок PZT. В работе [28] исследовано влияние состава пленок на их вольт- амперные характеристики. На рисунке 1.11 приведены ВАХ пяти пленок PZT

различного состава.

Рисунок 1.11. Вольт-амперные характеристики пленок PZT с различным составом и

величина потенциального барьера на интерфейсе металл-PZT [28].

Как видно из рисунка 1.11, практически все I-Vхарактеристики являются несимметричными, несмотря на то, что верхний и нижний электроды являются идентичными. В качестве наиболее вероятной причины

такого поведения авторы называют различные условия формирования двух электродов (в первую очередь разницу температур, действию которых подвергались электроды), что приводит к различным свойствам контактов Шоттки.

Исследование температурных зависимостей I-Vхарактеристик также представляет интерес, поскольку они дают более полное представление о механизмах транспорта заряда. В работе [44] исследована температурная

зависимость электропроводности пленочных конденсаторных структур Pt/Pb(Zr₀.₅₃Ti₀.₄₇)O₃/Au, полученных методом ВЧ магнетронного распыления с использованием при напылении пленки избыточного PbO в количестве 5%.

Рисунок 1.12. Зависимости тока проводимости как функции электрического поля при температурах: (?) 298 К, (о) 323 К, (∆) 373 К, (V) 403 К, (?) 443,

(+)463 К [44].

На рисунке 1.12 приведена зависимость Iog(J) от Iog(E) для различных температур. Из рисунка 1.12 видно, что в области малых электрических полей ( < 150 кВ-см^-1),

линейная зависимость силы тока от напряжения наблюдается в широком температурном интервале. Для температур ниже 373 К, имеется область с

отрицательным тангенсом угла наклона. Подобное поведение авторы [44] связывают с механизмом тока,

28 лимитированного границами зерен, который более детально исследован в работах [45, 46]. C ростом температуры внешний вид ВАХ, по мнению авторов [44], меняется из-за смены доминирующего механизма электропроводности.

В работе [42] анализируются вольт-амперные характеристики, полученные при температурах от 21 до 129 °C для пленок PZT толщиной 144 нм, изготовленных золь-гель методом. Рисунок 1.13 показывает, что при промежуточных температурах и при величине смещающего напряжения, большего 1 В, I-Vхарактеристики довольно симметричны.

Авторы [42] отмечают, что в то время как для низкотемпературных измерений обратный ток смещения выше, он ниже при высоких температурах; этого не ожидается, если асимметрия объясняется различиями в интерфейсах, таких как различные высоты потенциального барьера на верхнем и нижнем электродах.

При получении вольт-амперных характеристик необходимо определиться с методикой регистрации тока, протекающего через образец, что, в конечном счете, сводится к выбору интервала времени от момента изменения внешнего электрического поля до регистрации тока. Величина этой временной задержки может колебаться в очень большом интервале. Так авторы работы [47], исследуя пленки SrTiO₃, предположили, что для того, чтобы определить истинный ток утечки при комнатной температуре, может

Рисунок 1.14. I-Vхарактеристики для токов заряда (сплошные линии) и разряда (пунктирные линии),

полученные для пленки PZT, изготовленной золь-гель методом. ВАХ измерены в импульсном режиме с задержкой 10 с (∆), 100 с (о) и 1000 с (?) [48].

29 потребоваться время задержки 10⁵с. Однако, на практике, при получении ВАХ время задержки оказывается на несколько порядков меньше.

В работе [48] для того, чтобы исследовать временную зависимость токов утечки, ВАХ получались различными методиками: в

ступенчатом и импульсном режимах. При импульсном режиме напряжение подается ступенями, разделенными интервалами той же

продолжительности, во время которых образец находится в условии короткого замыкания. Величины тока для заряда и разряда пленки сняты в конце каждого этапа измерения. На рисунке 1.14 показаны I-Vхарактеристики пленки, полученной золь-гель методом, для длительностей сигнала от 10 до 1000 с.

Авторы [48] приводят два экспериментальных аргумента для того, чтобы выяснить влияние диэлектрической релаксации:

(1) Вклад диэлектрической релаксации в зарядный ток равен току разряда, измеряемого в тех же условиях. Из данных, представленных на рисунке 1.14, видно, что ток заряда и разряда даже при времени задержки

10 с отличаются на порядок. При временах задержки 100 и 1000 с различие на 2 и 3 порядка соответственно.

(2) Вклад диэлектрической релаксации также можно оценить из сравнения результатов, полученных в импульсном и ступенчатом режимах.

Переходный ток диэлектрической релаксации для последнего режима, как ожидается, будет гораздо меньше, чем в предыдущем режиме, потому что в случае ступенчатого режима образец находится под действием непрерывно приложенного напряжения. ВАХ, измеренные в двух различных режимах с длительностью шага 100 и 1000 с, представлены на рисунке 1.15.

Рисунок 1.15. I-Vхарактеристики пленки PZT, изготовленной золь-гель методом, измеренные в импульсном режиме (закрашенные символы) и ступенчатом режиме (открытые символы) с задержкой 100 с (∆) и 1000 с (?) [48].

Как видно из данного графика, кривые, полученные в разных режимах, практически совпадают для обоих измерений, по крайней мере, в случае электрического поля, большего 30-40 кВ-см^-1. Соответствующие I-t зависимости, которые очень различны для малых времен, неразличимы при временных интервалах 100 с и более.

Таким образом, авторы [48] предполагают, что при времени задержки 100 с на каждый шаг и более, наблюдается истинный ток утечки, который зависит от времени из-за эволюции полупроводниковых параметров системы под полем (в этом случае образец может рассматриваться как «полупроводниковый прибор с изменяющимися параметрами»).

В работе [42] также обсуждается временная зависимость токов утечки пленок PZT. I-tзависимости исследуемых структур при 42°С для различных величин постоянного напряжения смещения показаны на рисунке 1.16.

Рисунок 1.16. Временные зависимости тока в пленках

PZT, полученные при 42 °C для различных значений напряжения смещения [42].

Данные зависимости является типичными,

описывающими поведение токов утечки в

сегнетоэлектрических тонких пленках. Сразу после включения внешнего поля доминирует

диэлектрическая релаксация, которая часто подчиняется эмпирическому закону Кюри-фон Швейдлера (I ~ tⁿпри 0 < n < 1). Затем

следует область стационарной утечки (этот случай наиболее отчетливо виден в промежуточных полях смещения U = 7,5В), которая может и не наблюдаться в зависимости от точки, в которой ток начинает снова увеличиваться во времени в результате диэлектрического пробоя или уменьшения сопротивления. Часто при измерении ВАХ выбирается время задержки большее, чем время диэлектрической релаксации в средних значениях приложенного электрического поля для данного эксперимента. Однако, как видно из рисунка 1.16, это может привести к увеличению значений тока при высоких напряжениях смещения из-за уменьшения сопротивления и в связи с диэлектрической релаксацией в малых полях, что может приводить к «кажущемуся» отрицательному дифференциальному сопротивлению или омически-подобному поведению.

Для получения истинных стационарных показаний тока и для того, чтобы избежать деградации образца, авторы [42] проводили I-tизмерения при каждом напряжении до четкой стабилизации тока. В некоторых случаях,

32 в высоких электрических полях и при высоких температурах, когда нет четкой стабилизации, использовалось минимальное значение тока.

Авторами [49, 50] также была исследована временная зависимость токов утечки при получении вольт-амперных характеристик.

Рисунок 1.17. Вольт-амперные характеристики в полулогарифмическом масштабе, полученные при различных временах задержки для пленок PZT, изготовленных золь- гель методом [49].

Авторы выделяют четыре области ВАХ при всех значениях времени задержки. В первой области напряженности электрического поля ~10 кВ-см^-1 ВАХ носит спадающий характер, который авторы связывают с частичной деполяризацией предварительно поляризованного образца. Это явление подробно изучено в отдельной работе [51]. Во второй области, при электрическом поле от 10 до 70 - 90 кВ-см^-1 (область низкого поля), ВАХ демонстрируют близкую к линейной зависимость (ток, подобный

33 омическому), а также наблюдается существенное уменьшение тока утечки с увеличением времени задержки. В третьей области (приблизительно от 80 до 120 кВ-см^-1), наблюдается скачкообразное возрастание тока, которое авторы [49, 50] связывают с включением новых механизмов переноса носителей заряда, в качестве возможной причины называя пробой обратносмещенного барьера Шоттки [41, 38]. В результате пробоя величина тока, протекающего через образец, определяется свойствами объема пленки PZT. В четвертой области, при напряженности поля более 110 - 130 кВ-см^-1 (область высокого поля), наблюдается более сильная зависимость тока от электрического поля, что согласуется с результатами, полученными других работах [52, 53]. Также авторы [49, 50] отмечают, что в данной области наблюдается

противоположная по сравнению со второй областью картина для временной зависимости тока - с увеличением времени задержки ток через конденсатор увеличивается.

Анализируя рисунок 1.17, авторы [49] сообщают, что в области низких полей (до 70 кВ-см^-1) ток утечки, не превышающий 100 пА, при времени задержки 2 с, оказывается существенно (в несколько раз) меньше токов, измеренных при значениях времени задержки 0,5 и 0,1 с при тех же напряженностях электрического поля. В то же время токи, измеренные при номинальных временах задержки 0,5 и 0,1 с, отличаются несущественно, это обусловлено тем, что фактические значения времени задержки с учетом времени измерения равны 2 и 1,6 с, то есть так же отличаются несущественно. Учитывая, что в области высокого поля значения тока утечки растут с повышением времени задержки, а при длительном воздействии имеет место деградация пленки, приводящая к необратимому пробою [54 - 57], авторы [49] делают вывод о том, что для определения сквозного тока утечки при напряженностях электрического поля до 100 кВ-см^-1измерения необходимо выполнять при достаточно больших временах задержки (до 20 - 30 с) [58], а в области больших напряженностей поля (>120 кВ-см^-1) следует выполнять при временах задержки не более 2 с.

Таким образом, из анализа литературы по временным зависимостям токов утечки в пленках можно сделать вывод, что с увеличением времени задержки достоверность экспериментальных результатов должна возрастать, однако длительное воздействие на образец электрического поля большой напряженности может привести к необратимым изменениям в пленке, поэтому при получении токов утечки выбирается компромиссное значение времени задержки.