Разработка функциональных мембранных сегнетоэлектрических наноматериалов для микроэлектронных и электромеханических систем

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-19-00493

НазваниеРазработка функциональных мембранных сегнетоэлектрических наноматериалов для микроэлектронных и электромеханических систем

Руководитель Чучева Галина Викторовна, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова Российской академии наук , г Москва

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-703 - Перспективные технологические процессы микро- и наноэлектроники

Ключевые слова сегнетоэлектрические пленки, мембранные структуры, электрофизические свойства, тангенс диэлектрических потерь, диэлектрическая проницаемость, структуры металл-диэлектрик-металл, методы сканирующей зондовой микроскопии, пьезоотклик

Код ГРНТИ47.09.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Мировой опыт изготовления функциональных мембранных структур основан на широком использовании кремния. Это объясняется наличием на рынке достаточно дешевых кремниевых пластин с требуемыми кристаллохимическими параметрами. Выполненные на кремнии мембраны легко объединяются с электронными устройствами управления и обработки данных. Однако ясно, что в ближайшие годы не произойдет реального скачка в сфере использования кремния в мембранных устройствах, поскольку значения его электрофизических характеристик практически приблизились к теоретическому пределу, к тому же кремний обладает низкими механическими и СВЧ характеристиками. В наноразмерных сегнетоэлектрических материалах, обладающих высокой механической прочностью и химической стойкостью, наряду с определяющим их физическим явлением - переключением спонтанной поляризации, имеет место диэлектрическая нелинейность в электрических полях, пиро- и пьезоактивность, электрооптический эффект. Актуальность проекта заключается в создании нового поколения мембранных структур, выполненных с использованием комплексных технологий, многофункциональных гибридных систем, в которых наряду с кремнием используются наноразмерные сегнетоэлектрические пленки. Научная новизна проекта заключается в том, что в качестве материала мембраны используется наноразмерная сегнетоэлектрическая пленка титаната бария стронция состава Ba(x)Sr(1-x)TiO3 (x=0.7-0.8), далее BST. Выбор состава сегнетоэлектрической пленки обусловлен: А1) высокой диэлектрической проницаемостью (в тонких структурно-совершенных пленках до 1000); А2) возможностью управления диэлектрической проницаемостью при достаточно небольших напряжениях не более 15В, что обеспечивает высокую «перестраиваемость» гетероструктур (фильтров, конденсаторов переменной емкости, фазовращателей, резонаторов); А3) низкой постоянной времени переключения (поляризационная чувствительность) не более 10^(-5) с; А4) достаточно высокой напряженностью пробоя не менее 210^6 В/см, что позволяет использовать большие биполярные напряжения смещения и открывает возможность программируемого управления мощностью. Планируется выполнить исследования как на макроскопическом уровне, так и в наномасштабной области с использованием методов сканирующей зондовой микроскопии. Проект объединяет ведущих специалистов во всех предложенных направлениях исследований и молодых ученых. Проект будет выполняться в рамках научно-технического сотрудничества с РТУ МИРЭА и ЦКП “Материаловедение и металлургия» НИТУ «МИСиС».

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Афанасьев М.С. The Mechanism of a Film-Forming Medium during the RF Deposition of Ferroelectric Ceramics of the BaxSr1–xTiO3 Composition Russian Microelectronics, Vol. 51, No. 8, pp. 1–5 (год публикации - 2022)
10.1134/S106373972208011X

2. Белорусов Д.А., Гольдман Е.И., Чучева Г.В. Сверхтонкие (3.7 нм) слои окисла кремния с низкой концентрацией оборванных связей на контакте с полупроводником Сборник тезисов II международной научно-технической конференции «ОПТО-, МИКРО- И СВЧ-ЭЛЕКТРОНИКА – 2022», С. 11 (год публикации - 2022)

3. Афанасьев М.С. Белорусов Д.А. Шушарин И. А. Условия формирования сегнетоэлектрических пленок методом ВЧ напыления Сборник тезисов II международной научно-технической конференции «ОПТО-, МИКРО- И СВЧ-ЭЛЕКТРОНИКА – 2022», С. 17 (год публикации - 2022)

4. Белорусов Д.А., Гольдман Е.И., Чучева Г.В. Ultrathin (3.7 nm) Silicon Oxide Layers with a Low Concentration of Broken Bonds on the Contact with a Semiconductor Journal of Communications Technology and Electronics, Vol. 67, Suppl. 1, P. S115–S118. (год публикации - 2023)
10.1134/S1064226922130162

5. Афанасьев М.С., Белорусов Д.А., Киселев Д.А., Чучева Г.В. Influence of the upper electrode material on the electrophysical properties of MDM structures based on ferroelectric films Physics of the Solid State, Vol. 65, N. 6, P. 1015-1019 (год публикации - 2023)
10.21883/PSS.2023.06.56117.73

6. Афанасьев М.С., Белорусов Д.А., Киселев Д.А., Чучева Г.В. Влияние материала верхнего электрода на электрофизические свойства МДМ структур на основе сегнетоэлектрических пленок Физика твердого тела, Т. 65, N 6, C. 1060-1064 (год публикации - 2023)
10.21883/FTT.2023.06.55666.73

7. Киселев Д.А., Афанасьев М.С., Белорусов Д.А., Чучева Г.В. Исследования морфологии и электрофизических характеристик МДП структур на основе сегнетоэлектрических пленок состава Ba0,8Sr0,2TiO3 Сборник тезисов X International Scientific Conference «ACTUAL PROBLEMS OF SOLID STATE PHYSICS», С. 76 (год публикации - 2023)

8. Афанасьев М.С., Киселев Д.А., Сивов А.А., Чучева Г.В. Synthesis and piezoelectric properties of freestanding ferroelectric films based on barium strontium titanate Modern Electronic Materials (год публикации - 2024)

9. Афанасьев М.С. Механизм образования пленкообразующей среды при высокочастотном напылении сегнетокерамики состава BaxSr1-xTiO3 Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники, Т. 25, No 3. C. 238—244. (год публикации - 2022)
10.17073/1609-3577-2022-3-238-244

10. Афанасьев М.С., Гольдман Е.И., Стогний А.И., Чучева Г.В. Y3Fe5O12/Ba0,8Sr0,2TiO3 thin films: synthesis and integration prospects Modern Electronic Materials (год публикации - 2025)

11. Киселев Д.А., Белорусов Д.А., Афанасьев М.С., Чучева Г.В. Электрофизические свойства композитных сегнетоэлектрических гетероструктур на основе пленок ниобата лития и титаната бария стронция РЭНСИТ: Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии (год публикации - 2024)

12. Афанасьев М.С., Белорусов Д.А., Киселев Д.А., Смирнов А.В. , Чучева Г.В. Встречно-штыревые структуры на основе сегнетоэлектрических пленок РЭНСИТ: Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии (год публикации - 2025)

13. Афанасьев М.С., Белорусов Д.А., Киселев Д.А., Чучева Г.В. Создание и исследования мембран на основе сегнетоэлектрических пленок РЭНСИТ: Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии (год публикации - 2024)

14. Белорусов Д.А., Гольдман Е.И., Афанасьев М.С., Чучева Г.В. High-frequency capacitance-voltage characteristics of membrane structures based on Ba1-xSrxTiO3 Modern Electronic Materials (год публикации - 2025)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
На третьем этапе проекта были проведены измерения оптических свойств мембранных структур на основе BST плёнок. Измерения проведены в диапазоне длин волн 280 – 800 нм. Результаты проведенных исследований показали, что прозрачность BST плёнок резко снижается в ультрафиолете, а также с увеличением толщины плёнок. Возрастание поглощения с увеличением толщины обусловлено тем, что в слоях BST зарождался и в дальнейшем преобладал поликристаллический рост. Изготовлен лабораторный образец электронно-управляемого элемента в виде фазовращателя на мембране. Фазовращатель изготовлен с помощью стандартных методов магнетронного напыления и проекционной безмасочной фотолитографии. Топология фазовращателя представляет собой копланарную линию с периодическими нагруженными варакторами, выполненными в виде 4 пар встречно-штыревых структур. Габаритные размеры фазовращателя составляют 11×8,4 мм. Размеры встречно-штыревых структур составляют 550 мкм, 7 пар штырей, межэлектродный зазор составляет 12 мкм. Установлено, что, используя стандартные методы фотолитографии с оптимально подобранными технологическими условиями, возможно, сформировать заданную топологию на мембране из сегнетоэлектрической плёнки состава BST. Проведены электрофизические измерения мембранных структур на основе BST плёнок. Выполнены сравнительные измерения высокочастотных вольтфарадных характеристик (ВФХ) мембранных структур на основе BST плёнок с различной толщиной «стоп-слоя» 20 и 750 мкм. Обнаружено изменение ёмкостных свойств образцов с уменьшением толщины «стоп-слоя». У структур с толщиной «стоп-слоя» 20 мкм по сравнению со структурами с толщиной «стоп-слоя» 750 мкм ветви ВФХ сдвинуты в сторону отрицательных напряжений на 4 В, и ширина петли гистерезиса на 3÷4 В больше. Снижение «зажатости» плёнки сегнетоэлектрика при уменьшении толщины «стоп-слоя» до 20 мкм приводит к росту значения ёмкости структуры на плато ВФХ в 1,7 раза и расширению петли гистерезиса на несколько Вольт. Наблюдаемое различие значений ёмкости на плато свидетельствует о неодинаковости контактов BST с Si в случаях с тонким и толстым «стоп-слоем». Сдвиги ВФХ по оси полевых напряжений, скорее всего, связаны с разными встроенными зарядами на границах раздела BST – Si. Обнаружен и исследован новый эффект флексосегнетоэлектричества – взаимовлияние соседних мембранных структур, сформированных на общем изолирующем слое. Приложенные к полевым электродам двух таких структур разные напряжения приводят к образованию в окружающей эти элементы плёнке общих неоднородных полей деформации и поляризации, через которые и реализуется взаимовлияние. Взаимовлияние проявляется на каждой ветви гистерезиса ВФХ структуры в областях перехода между двумя плато. Ёмкость исследуемого образца увеличивается с ростом модуля и слабо зависит от полярности напряжения, приложенного к соседнему объекту. Проведённые исследования показали, что воздействие внешней деформации на мембрану с плёнкой BST оказывает влияние на электрофизические свойства структуры, а следовательно, дает предпосылки к проектированию и формированию различных МЭМС устройств в виде датчиков давления, ускорения, потока воздуха и других. Исследована надежность мембранных структур. Измерения продемонстрировали достаточную устойчивость структур, после 5∙10^5 переключений изменение значений отношения (Cmax/Cmin) не превышало 5%.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Области практического использования результатов проекта: - авиационно-космическая техника (контроль работы двигательных установок, датчики и системы управления полетом для летательных аппаратов); - измерители давления для авиационных двигателей; - измерители ускорения для особо-тяжелых внешних условий, в том числе, для проникающих на приповерхностную глубину земли; - сенсоры удара для сейсмических исследований; - тканеэквивалентный и инертный биосенсор для измерения кровяного давления in vivo (медицина, химия) и др. Полученные результаты представляют собой существенный шаг вперед в создании мембранных структур на основе сегнетоэлектрических пленок состава Ba0,8Sr0,2TiO3.