сегнетоэлектрический элемент для запоминающего устройства с оптическим считыванием информации

Формула изобретения

1. Сегнетоэлектрический элемент для запоминающего устройства с оптическим считыванием информации, содержащий расположенную на подложке пленку на основе поляризованного сегнетоэлектрика - цирконата-титаната свинца с двухсторонним электродным покрытием, которое с внешней стороны пленки выполнено полупрозрачным, отличающийся тем, что пленка цирконата-титаната свинца выполнена поликристаллической в матрице оксида свинца.

2. Сегнетоэлектрический элемент по п.1, отличающийся тем, что используют поликристаллическую пленку цирконата-титаната свинца в матрице оксида свинца, полученную высокочастотным магнетронным распылением мишени из PbZr _xTi_1-xO₃ со сверхстехиометрическим содержанием Pb.

3. Сегнетоэлектрический элемент по п.1, отличающийся тем, что используют поликристаллическую пленку цирконата-титаната свинца в матрице оксида свинца, полученную химическим осаждением из паров металлоорганических соединений.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к микроэлектронике и микросенсорике и может быть использовано при конструировании датчиков оптического излучения видимой области спектра и преобразователей солнечной энергии. Преимущественной областью использования является конструирование и технология производства запоминающих устройств (ЗУ) с оптическим считыванием информации.

Известен сегнетоэлектрический элемент с оптической записью информации, содержащий сэндвич-структуру сегнетоэлектрических и фотопроводящих слоев, заключенных между парами электродов с образованием многослойного конденсатора (US 4041477, G11В 7/24, G11C 11/22, 1977).

Однако данная конструкция обладает низкой чувствительностью и сложна в изготовлении.

Для повышения чувствительности и возможности выбора рабочей области спектра оптического излучения сегнетоэлектрический элемент с оптической записью информации, включающий подложку с последовательно нанесенными на нее слоем металла - электродом, слоем сегнетоэлектрика, выполненного из поляризованного нелегированного материала, и полупроводниковым слоем, выполненным из униполярного материала, где знак поверхностного заряда слоя сегнетоэлектрика совпадает со знаком заряда основных носителей полупроводникового слоя, и электроды к полупроводниковому слою для подключения сегнетоэлектрической пленки и участков полупроводниковой пленки к внешней электрической цепи (RU 2281585, H01L 31/10, 2006).

Известен также энергонезависимый сегнетоэлектрический элемент для ЗУ, содержащий сегнетоэлектрик или электрет с гистерезисной характеристикой поляризации, на базе которого сформирована одна или несколько ячеек памяти в виде конденсаторов (WO 03/021601, G11C 11/22, 2003; WO 03/052762, G11C 5/02, 2003; WO 03/088041, G06F 15/00, 2003; RU 2269830, G11C 11/22, H01L 27/115, H01L 23/532, 2006).

Однако данные устройства является энергозависимыми в отношении считывания выходного сигнала.

Для обеспечения высокоскоростного оптоэлектронного считывания информации сегнетоэлектрический элемент выполнен в виде конденсатора, между пластинами которого расположена пленка цирконата-титаната свинца (Thakoor, "High speed optoelectronic response from the edges of lead zirconatettanate or titanate thin films capacitors". Applied Physics Letters, Vol.63 No.23 pages 3233-3235, Dec.6, 1993). Этот принцип реализован в конструкции ближайшего аналога - сегнетоэлектрического элемента для запоминающего устройства с оптическим считыванием информации, содержащего пленку на основе поляризованного сегнетоэлектрика - цирконата-титаната свинца (ЦТС) с двухсторонним электродным покрытием, выполненным полупрозрачным с внешней стороны пленки. При этом сегнетоэлектрическая пленка с указанным покрытием расположена на подложке, а для повышения надежности устройства его схема считывания информации оснащена амплитудным детектором, учитывающим амплитуды отклонений информационного сигнала при изменении полярности (US 6108111, G11C 11/22, H01G 7/06, 2000).

Однако выходной сигнал при освещении прототипного устройства видимой областью спектра является импульсным, что снижает точность и надежность измерений.

Техническая задача предлагаемого устройства состоит в повышении точности и надежности его работы.

Решение указанной технической задачи состоит в том, что в сегнетоэлектрическом элементе для запоминающего устройства с оптическим считыванием информации, содержащем расположенную на подложке пленку на основе поляризованного сегнетоэлектрика - ЦТС с двухсторонним электродным покрытием, которое с внешней стороны пленки является полупрозрачным, используемая пленка ЦТС выполнена поликристаллической в матрице оксида свинца.

Причинно-следственная связь внесенного изменения с достигнутым техническим результатом состоит в том, что генерируемые под действием излучения видимого диапазона в полупроводниковой матрице носители заряда разделяются полем поляризации сегнетоэлектрических кристаллитов. Поэтому в короткозамкнутой цепи конденсатора с поликристаллической пленкой ЦТС в течение времени освещения протекает стационарный фототок, статическая характеристика которого зависит от интенсивности потока светового облучения.

На чертеже приведена конструкция предлагаемого устройства.

Сегнетоэлектрический элемент для запоминающего устройства с оптическим считыванием информации содержит подложку 1, на которую нанесена пленка 2 поликристаллического поляризованного сегнетоэлектрика - ЦТС, выполненная в матрице PbO. На чертеже кристаллы ЦТС обозначены поз.2, а заполнение между ними (матрица PbO) - поз.26. Пленка 2 снабжена двухсторонним электродным покрытием (поз.3 и 4), причем внешнее покрытие 4, расположенное со стороны принимаемого светового потока, выполнено полупрозрачным. Во внешней электрической цепи установлен наноамперметр 5, подключенный к электродным покрытиям 3 и 4 с помощью выводов 6 и 7 соответственно для измерения тока в режиме короткого замыкания.

При освещении сегнетоэлектрического элемента с длиной волны в видимой области спектра, направленном со стороны электродного покрытия 4, возникает фототок, фиксируемый прибором 5. При этом значение и знак фототока изменяются в зависимости от степени и направления остаточной поляризации ЦТС соответственно. Это и обеспечивает возможность не только оптического считывания информации при использовании целевого изделия в составе запоминающих устройств, но и измерение освещенности.

Предлагаемый сегнетоэлектрический элемент может быть изготовлен, как описано в нижеследующих примерах.

ПРИМЕР 1. На кремниевую подложку 1 наносят 150-нм электродное покрытие 3 ионо-плазменным распылением платины. Далее наносят поликристаллическую пленку ЦТС высокочастотным магнетронным распылением мишени из PbZr_xTi_1-x O₃. Для разных вариантов целевого изделия данную операцию выполняют согласно описанию изобретения US 6340621, С23С 14/08, H01L 21/316, 21/02, 2002 высокочастотным магнетронным распылением мишени из PbZr_xTi _1-xO₃ со сверхстехиометрическим (1,15±0,05) содержанием Pb при температуре 350°С в течение 1 ч с последующим отжигом при 620°С в течение 30 мин, а также способом, предусматривающим низкотемпературное распыление мишени при 110÷150°С и прочих равных условиях.

По окончании операции отжига на внешнюю поверхность пленки ЦТС наносят полупрозрачное платиновое электродное покрытие 4 толщиной 20 нм с помощью установки ионо-плазменного распыления. К электродным покрытиям 3 и 4 присоединяют выводы 6 и 7 для подключения к внешней электрической цепи.

Для поляризации сегнетоэлектриков к выводам 6 и 7 прикладывают постоянное напряжение 3В.

Результаты 4-кратных испытаний полученных сегнетоэлектрических элементов в режиме короткого замыкания при освещении покрытия 4 галогенной лампой мощностью 20Вт с расстояния 20 см и различной направленности остаточной поляризации ЦТС приведены в табл.1. Как видно из табл., получение поликристаллической пленки ЦТС в матрице PbO с использованием данной технологии возможно только в режиме низкотемпературного (110÷150°С) распыления мишени. При высокотемпературном распылении мишени происходит интенсивное испарение Pb вследствие чего матрица PbO не образуется и целевое изделие оказывается нечувствительным к световому воздействию. Оптимальный вариант целевого изделия достигается при использовании пленки ЦТС, полученной высокочастотным магнетронным распылением мишени из PbZr_xTi_1-x O₃ со сверхстехиометрическим содержанием Pb при температуре подложки 130°С. В этом случае наблюдается среднее значение фототока, равное 7,8 нА. В темновом режиме фототок отсутствует.

ПРИМЕР 2. На кремниевую подложку 1 наносят электродное покрытие 3, как в примере 1. Далее для разных вариантов целевого изделия наносят пленку ЦТС химическим осаждением из паров металлоорганических соединений с последующим отжигом. Основные процессы данной операции осуществляют согласно описанию патента KR 100438809, G11C 11/22, Н01L 21/20, 41/16, 2004 при избыточном соотношении Pb/(Zr+Ti), равном 1,08, как это указано в данном патенте, а также при соотношении Pb/(Zr+Ti)=0,95±0,025 в течение 1 ч при температуре подложки 545°С с последующим отжигом в течение 1 мин при 600°С. Возможно, что указанные значения режимных параметров технологии являются уникальными, поскольку в переводе указанного патента они отсутствуют. Это, по-видимому, обеспечивает получение требуемой поликристаллической структуры пленки ЦТС в матрице PbO, тогда как задачей способа по патентному описанию KR 100438809 является получение монокристаллической пленки ЦТС в отсутствие прослойки PbO. При этом имеет место парадоксальный факт, что предлагаемый режим, где, как указано выше, соотношение свинца к цирконию и титану меньше единицы, позволяет получить пленку ЦТС в матрице PbO, тогда как в прототипном способе даже избытке свинца в предшественнике пленку ЦТС получают без прослойки PbO. Причина этого явления неизвестна.

Остальные операции выполняют, как в примере 1.

Технические характеристики полученных целевых изделий указаны в табл.2. Как видно из табл., использование поликристаллической пленки ЦТС в матрице PbO, полученной описанным в данном примере способом, обеспечивает изготовление целевых изделий, обладающих фоточувствительностью в видимой части спектра, что подтверждается значением фототока от 6,6 до 7,2 нА при освещении покрытия 4 галогенной лампой мощностью 20 Вт с расстояния 20 см. В темновом режиме фототок отсутствует.

Как проиллюстрировано приведенными примерами, использование предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом обеспечивает повышение точности и надежности работы целевого изделия, поскольку выходной сигнал является статическим, вследствие чего его значение не зависит от длительности измерений и погрешностей, вносимых в амплитудное значение, как это имело место при дифференциальном отклике на освещение изделия-прототипа.

Техническим результатом, производным от достигнутого, является расширение диапазона использования целевого изделия, поскольку оно в ключевом режиме может использоваться для оптического считывания двоичной информации в схемах запоминающих устройств, где входной сигнал управляет направлением поляризации ЦТС, а в непрерывном режиме - для измерения освещенности.

Таблица 1
Технические характеристики целевых изделий к примеру 1
Температура подложки при нанесения пленки ЦТС, °С	Микроструктура пленки ЦТС	Остаточная поляризация пленки ЦТС, мКл/см 2	Фототок, нА
350 (US 6340621)	Поликристаллическая без прослойки PbO	41	0
250	«-»	37	0
150	Поликристаллическая в матрице PbO	35	2,3
130	«-»	33	7,8
110	«-»	32	4,5

Таблица 2
Технические характеристики целевых изделий к примеру 2
Соотношение компонентов Pb/(Zr+Ti) в газе-предшественнике	Микроструктура пленки ЦТС	Остаточная поляризация пленки ЦТС, мКл/см2	Фототок, нА
>1 (KR 100438809)	Моноблочная без прослоек PbO	Данных нет	0
0,925	Поликристаллическая в матрице PbO	32	7,2
0,950	«-»	28	7,0
0,975	«-»	25	6,3