Диссертация (Влияние интерфейсных напряжений на свойства наноразмерных мультислойных структур на основе сложных оксидов и полупроводников при создании устройств микро- и наноэлектроники)

МИНОБРНАУКИ РОССИИФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего образования«Московский технологический университет»МИРЭАНа правах рукописиБУРЯКОВ АРСЕНИЙ МИХАЙЛОВИЧВЛИЯНИЕИНТЕРФЕЙСНЫХНАНОРАЗМЕРНЫХСЛОЖНЫХНАПРЯЖЕНИЙМУЛЬТИСЛОЙНЫХОКСИДОВИСПОЛЬЗОВАНИЕ)ПРИИНАСТРУКТУРСВОЙСТВАНАПОЛУПРОВОДНИКОВСОЗДАНИИУСТРОЙСТВОСНОВЕ(ИМИКРО-ИХИНАНОЭЛЕКТРОНИКИСпециальность:05.27.01 – Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- инаноэлектроника, приборы на квантовых эффектахДиссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наукНаучный руководитель д.ф.-м.н., проф.

Е.Д. МишинаМОСКВА - 2017ОГЛАВЛЕНИЕГЛАВА 1. ЭПИТАКСИАЛЬНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ ИНТЕРФЕЙСОВ ВМУЛЬТИСЛОЙНЫХ СТРУКТУРАХ НА ОСНОВЕ СЛОЖНЫХ ОКСИДОВ ИПОЛУПРОВОДНИКОВДЛЯУСТРОЙСТВМИКРО-ИНАНОЭЛЕКТРОНИКИ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ) ............................................ 141.1.Изменение свойств тонких сегнетоэлектрических пленок за счетинтерфейсных деформаций............................................................................... 141.1.1.

Основные факторы, влияющие на интерфейсное взаимодействие втонких сегнетоэлектрических пленках. ........................................................ 161.1.2. Применение сегнетоэлектрических пленок с эпитаксиальныминапряжениями в устройствах микро- и наноэлектроники..........................

181.2.Изменениепространственнойсимметриивоксидныхгетероструктурах для устройств микро- и наноэлектроники. ....................... 231.2.1. Свойствасверхрешеток,возникающиеподвоздействиемэпитаксиальных напряжений. ........................................................................ 261.2.2. Магнитоэлектрические пленки и сверхрешетки как материал дляустройств микро- и наноэлектроники. ............................................................. 311.3.Эпитаксиальнонапряженныеполупроводниковыепленкиитерагерцевые генераторы/антенны на их основе. ........................................... 351.3.1.Интерфейсные напряжения границы раздела активного слояфотопроводящей антенны как способ улучшения их свойств.

..................... 361.3.2.Принципы работы ТГц фотопроводящих антенн .............................. 401.3.3.Современное состояние и развитие по созданию ТГц антенн наоснове полупроводниковых пленок. ................................................................ 451.4.Выводы по главе 1 ................................................................................. 46Глава 2.МЕТОДИКИИССЛЕДОВАНИЯТОНКИХПЛЕНОКИМУЛЬТИСЛОЙНЫХ СТРУКТУР ................................................................... 4822.1.Общее описание методики генерации второй оптической гармоники.................................................................................................................

482.1.1.Связьгенерациивторойоптическойгармоникиисегнетоэлектрической поляризации ................................................................. 49ГВГ2.1.2.Магнитоиндуцированнаявцентросимметричныхферромагнетиках ................................................................................................ 512.1.3.Поляризационные зависимости интенсивности ВГ .......................... 522.2.Общее описание методики терагерцевой спектроскопии временногоразрешения.......................................................................................................... 542.3.Описание экспериментальных установок ........................................... 562.3.1.Экспериментальная схема исследования нелинейно-оптическихсвойств методом генерации второй оптической гармоники (ГВГ) ..............

562.3.2.Методика эксперимента временной терагерцевой спектроскопии.. 572.3.3.Прочие методики структурного анализа исследуемых пленок. ....... 59Глава 3.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕИССЛЕДОВАНИЯМУЛЬТИСЛОЙНЫХИТЕОРЕТИЧЕСКИЕСЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХСТРУКТУРСВОЙСТВСЕГНЕТОЭЛЕКТРИК/МАНГАНИТBa(х)Sr(1-x)TiO3(BSTO)/La0.7Sr0.3MnO3(LSMO). ................................................. 613.1.Изготовление и исследование структурных свойств мультислойныхструктур BSTO/LSMO ....................................................................................... 613.2.Экспериментальноеисследованиеоптическиххарактеристикметодом второй оптической гармоники .......................................................... 683.2.1.

Бислойные структуры BSTO/LSMO на подложке STO с вариациейконцентрации Ba. ............................................................................................ 683.2.2. Бислойные структуры BSTO/LSMO на подложке STO с вариациейтолщины сегнетоэлектрического слоя.......................................................... 753.3.Анализ взаимодействия между слоями BSTO/LSMO ....................... 7733.4.Выводы по главе 3 ................................................................................. 78Глава 4.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕИТЕОРЕТИЧЕСКИЕИССЛЕДОВАНИЯ МУЛЬТИСЛОЙНЫХ СТРУКТУР YFeO3/LaFeO3.

...... 804.1.Описание образцов и способ их изготовления. .................................. 804.2.Генерация второй оптической гармоники в центросимметричномантиферромагнетике LaFeO3 и ферромагнетике YFeO3. ............................... 864.3.Структурные характеристики и анализ спектров генерации второйоптической гармоник в сверхрешетках YFeO3/LaFeO3.................................. 944.4.Феноменологическоеописаниенелинейныхпроцессовиэкспериментальные результаты по генерации второй гармоники всверхрешётках YFeO3/LaFeO3.

......................................................................... 964.5.Выводы по главе 4 ............................................................................... 109Глава 5. ГЕНЕРАЦИЯ И ДЕТЕКТИРОВАНИЕ ТГЦ ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИПОМОЩИ АНТЕНН НА ОСНОВЕ ПЛЕНОК LT-GaAs НА ПОДЛОЖКАХС КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКОЙ ОРИЕНТАЦИЕЙ (111)А И (100). ........ 1125.1.Генерацияидетектированиетерагерцевогоизлучениявнизкотемпературных эпитаксиальных плёнках GaAs на подложках GaAs сориентациями (100) и (111)А ..........................................................................

1135.2Генерациямультислойнымитерагерцевогоизлученияэпитаксиально-напряженныминизкотемпературнымиплёнкамиi-LT-GaAs/GaAs:Si на подложках GaAs с ориентациями (100) и (111)A ........... 1205.3. Выводы по главе 5 .................................................................................... 134ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................... 136СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ .....................................................

1424ВВЕДЕНИЕДиссертационнаяработапосвященаэкспериментальномуитеоретическому исследованию роли интерфейсных напряжений в слоистыхэпитаксиальных наноразмерных структурах, в том числе в мультислойныхструктурахсложныхоксидов(BaSrTiO3/LaSrMgO3),сверхрешеткахортоферритов (YFeO3/LaFeO3) и полупроводников (LT-GaAs 1) для управленияфункциональными свойствами этих структур и характеристик устройств на ихоснове.

Полученные результаты позволили составить рекомендации дляиспользованиянапряженныхэкспериментальныйобразецструктурсложныхтерагерцевойоксидовантеннысисоздатьулучшеннымихарактеристиками на основе эпитаксиально напряженной полупроводниковоймультислойной структуры.Актуальность работыАктуальностьпредложенногоисследованиязаключаетсявусовершенствовании характеристик компонентов устройств микро- инаноэлектроники нового поколения на основе наноразмерных мультислойныхструктур за счет управления их свойствами путем создания заданныхэпитаксиальных напряжений. Механические напряжения в тонкопленочныхэпитаксиальных слоистых структурах и вызываемые ими измененияфункциональных свойств нанослоев относятся к новому направлению физикитонкопленочных структур («инженерия напряжений»). Возникающие награницах раздела наноразмерных слоистых структур растягивающие исжимающие механические напряжения, а также анизотропия свойств покристаллографическим направлениям в низкоразмерных структурах приводяткрезкимизменениямосновныхфизическихсвойств(поляризации,намагниченности, проводимости, температуры фазового перехода и т.д.)каждого из функциональных слоев этих структур.

Эти особенности могутLT-GaAs - Low-Temperature Gallium Arsenide - плёнки арсенида галлия, выращенные методоммолекулярно-лучевой эпитаксии при пониженной температуре подложки.15быть использованы при разработке различных устройств микро- инаноэлектроники, сенсоров и датчиков различных физических величин, атакже для создания МЭМС.Цель работы – создание и исследование механических напряжений награницах раздела в тонкопленочных эпитаксиальных структурах (бислойных,мультислойных или сверхрешетках), исследование влияния этих напряженийнафункциональныесвойства(спонтаннаяполяризация,магнитоэлектрическое взаимодействие и т.д.) и использование исследованныхнапряженных структур при создании устройств микро- и наноэлектроникинового поколения.Согласно этой цели, были сформированы следующие конкретныезадачи:ВструктурахBaSrTiO3/LaSrMnO3изменениеэпитаксиальныхнапряжений путем варьирования концентрации ионов Ba и толщинысегнетоэлектрического слоя, и исследование влияния таких измененийна сегнетоэлектрические свойства структур: Рентгеноструктурный анализ изготовленных образцов с оценкоймонокристалличностислоевивеличинымеханических(эпитаксиальных) напряжений. Исследования переключения поляризации, а также фазовогосостоянияпленки методом генерациивторой оптическойгармоники (ГВГ).Всверхрешетках(YFeO3)n/(LaFeO3)nизменениеэпитаксиальныхнапряжений путем изменения числа n монослоев в каждой паре иисследование влияния таких изменений на мультиферроидные свойстваструктур:6 Исследованиепараметровструктурметодомрентгеноструктурного анализа и просвечивающей электронноймикроскопии. Нелинейно-оптические исследования с теоретической оценкойразличныхпоприродевкладоввинтенсивностьГВГ;исследование спектральных зависимости ГВГ с теоретическойинтерпретацией резонансных переходов. В фотопроводящих антеннах на основе легированного LT-GaAs имультислойныхструктуреi-LT-GaAs/n-GaAsизменениеэпитаксиальных напряжений путем изменения кристаллографическогосреза подложки и исследование влияния таких изменений наэффективностьгенерациииприемаэлектромагнитныхволнтерагерцевого диапазона Составление рекомендаций по усовершенствованию устройств микро- инаноэлектроники на основе полученных результатов и/или тестированиетаких устройств: составление рекомендаций по усовершенствованию устройствмикро- и наноэлектроники на основе мультислойных структурBaSrTiO3/LaSrMgO3 и сверхрешеток (YFeO3/LaFeO3). Разработкадизайнатерагерцовойантенны,созданиеэкспериментальных образцов антенн, оценка их эффективности.Методы исследования, достоверность и обоснованностьПриисследованииструктурныххарактеристикэпитаксиальныхнапряженных структур были использованы методики рентгеноструктурногоанализа и спектроскопии комбинационного рассеяния света.7При исследовании нелинейно-оптических свойств была использованаметодика генерации второй оптической гармоники, в том числе спектроскопияГВГ.Для определения характеристик полупроводниковых материалов наосновеиспользоваласьLT-GaAsметодикавременнойтерагерцевойрезультатовопределяетсяспектроскопии.Обоснованностьидостоверностькорреляцией полученных экспериментальных и теоретических данных.Экспериментальные результаты, полученные в диссертационной работе,расширяют научные представления по данному направлению и при этом непротиворечатужеизвестнымрезультатам,полученнымиведущимизарубежными и российскими научными группами.