RU2338284C1 - Ferroelectric element for storage device with optical reading of information - Google Patents
Ferroelectric element for storage device with optical reading of information Download PDFInfo
- Publication number
- RU2338284C1 RU2338284C1 RU2007117471/09A RU2007117471A RU2338284C1 RU 2338284 C1 RU2338284 C1 RU 2338284C1 RU 2007117471/09 A RU2007117471/09 A RU 2007117471/09A RU 2007117471 A RU2007117471 A RU 2007117471A RU 2338284 C1 RU2338284 C1 RU 2338284C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- film
- ferroelectric
- lead
- ferroelectric element
- polycrystalline
- Prior art date
Links
Landscapes
- Semiconductor Memories (AREA)
Abstract
Description
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.The invention relates to microelectronics and microsensorics and can be used in the construction of optical radiation sensors of the visible region of the spectrum and solar energy converters. The preferred area of use is the design and production technology of storage devices (memory) with optical readout of information.
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).A known ferroelectric element with optical information recording containing the sandwich structure of ferroelectric and photoconductive layers enclosed between pairs of electrodes to form a multilayer capacitor (US 4041477, G11B 7/24, G11C 11/22, 1977).
Однако данная конструкция обладает низкой чувствительностью и сложна в изготовлении.However, this design has low sensitivity and is difficult to manufacture.
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).To increase the sensitivity and the possibility of choosing the working region of the optical radiation spectrum, a ferroelectric element with optical information recording, including a substrate with a layer of metal sequentially applied to it — an electrode, a ferroelectric layer made of polarized undoped material, and a semiconductor layer made of unipolar material, where the sign the surface charge of the ferroelectric layer coincides with the sign of the charge of the main carriers of the semiconductor layer, and the electrodes to semiconductor layer to connect the ferroelectric film and the semiconductor film portions to the external electric circuit (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).A non-volatile ferroelectric element for a memory device is also known, containing a ferroelectric or electret with a hysteretic polarization characteristic, on the basis of which one or more memory cells are formed in the form of capacitors (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.However, the device data is volatile with respect to reading the output signal.
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).To ensure high-speed optoelectronic reading of information, the ferroelectric element is made in the form of a capacitor, between the plates of which there is a film of lead zirconate titanate (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). This principle is implemented in the construction of the closest analogue, a ferroelectric element for a memory device with optical information reading, containing a film based on a polarized ferroelectric - lead zirconate titanate (DZT) with a double-sided electrode coating made translucent on the outside of the film. In this case, a ferroelectric film with the specified coating is located on the substrate, and to increase the reliability of the device, its information reading circuit is equipped with an amplitude detector that takes into account the amplitude of deviations of the information signal when the polarity changes (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.However, the output signal when illuminating the prototype device with the visible region of the spectrum is pulsed, which reduces the accuracy and reliability of the measurements.
Техническая задача предлагаемого устройства состоит в повышении точности и надежности его работы.The technical task of the proposed device is to increase the accuracy and reliability of its operation.
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.The solution of this technical problem consists in the fact that in a ferroelectric element for a memory device with optical information reading containing a film based on a polarized ferroelectric - a PZT with a double-sided electrode coating, which is translucent on the outside of the film, the used PZT film is polycrystalline in lead oxide matrix.
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.A causal relationship between the change and the technical result achieved is that charge carriers generated by the action of visible radiation in a semiconductor matrix are separated by a polarization field of ferroelectric crystallites. Therefore, a stationary photocurrent flows in a short-circuited capacitor circuit with a polycrystalline PZT film during illumination, whose static characteristic depends on the intensity of the light irradiation flux.
На чертеже приведена конструкция предлагаемого устройства.The drawing shows the design of the proposed device.
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.The ferroelectric element for a memory device with optical information reading contains a substrate 1 on which a film 2 of a polycrystalline polarized ferroelectric - PZT made in a PbO matrix is deposited. In the drawing, PZT crystals are indicated by pos. 2, and the filling between them (PbO matrix) is indicated by pos. 26. The film 2 is provided with a double-sided electrode coating (pos. 3 and 4), and the outer coating 4, located on the side of the received light flux, is translucent. A nanoammeter 5 is installed in the external electric circuit, connected to the electrode coatings 3 and 4 using the terminals 6 and 7, respectively, for measuring current in the short circuit mode.
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.When a ferroelectric element with a wavelength is illuminated in the visible spectral region directed from the electrode coating side 4, a photocurrent occurs, recorded by the device 5. In this case, the value and sign of the photocurrent change depending on the degree and direction of the residual polarization of the PZT, respectively. This provides the possibility of not only optical reading of information when using the target product as part of storage devices, but also the measurement of illumination.
Предлагаемый сегнетоэлектрический элемент может быть изготовлен, как описано в нижеследующих примерах.The proposed ferroelectric element can be manufactured as described in the following examples.
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 PbZrxTi1-xO3. 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 PbZrxTi1-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.EXAMPLE 1. On a silicon substrate 1 is applied a 150 nm electrode coating 3 by ion-plasma sputtering of platinum. Next, a polycrystalline PZT film is deposited by high-frequency magnetron sputtering of a target from PbZr x Ti 1-x O 3 . For different variants of the target product, this operation is performed according to the description of the invention US 6340621, С23С 14/08, H01L 21/316, 21/02, 2002 by high-frequency magnetron sputtering of a target from PbZr x Ti 1-x O 3 with superstoichiometric (1.15 ± 0 , 05) with a Pb content at a temperature of 350 ° C for 1 h, followed by annealing at 620 ° C for 30 min, as well as by a method involving low-temperature sputtering of a target at 110 ÷ 150 ° C and other conditions being equal.
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.At the end of the annealing operation, a translucent platinum electrode coating 4 of a thickness of 20 nm is applied to the outer surface of the PZT film using an ion-plasma spraying apparatus. To electrode coatings 3 and 4, terminals 6 and 7 are connected for connection to an external electrical circuit.
Для поляризации сегнетоэлектриков к выводам 6 и 7 прикладывают постоянное напряжение 3В.For polarization of ferroelectrics, a constant voltage of 3 V is applied to pins 6 and 7.
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 PbZrxTi1-xO3 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.The results of 4-fold tests of the obtained ferroelectric elements in the short circuit mode when the coverage is covered with a 20 W halogen lamp from a distance of 20 cm and different directivity of the residual polarization of the PZT are given in Table 1. As can be seen from the table, the preparation of a polycrystalline PZO film in a PbO matrix using this technology is possible only in the mode of low-temperature (110–150 ° С) sputtering of the target. During high-temperature sputtering of the target, intense evaporation of Pb occurs, as a result of which the PbO matrix is not formed and the target product is insensitive to light exposure. The optimal version of the target product is achieved using a PZT film obtained by high-frequency magnetron sputtering of a target from PbZr x Ti 1-x O 3 with superstoichiometric Pb content at a substrate temperature of 130 ° C. In this case, an average photocurrent of 7.8 nA is observed. In dark mode, there is no photocurrent.
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.EXAMPLE 2. An electrode coating 3 is applied to a silicon substrate 1, as in Example 1. Next, for different variants of the target product, a PZT film is deposited by chemical vapor deposition of organometallic compounds followed by annealing. The main processes of this operation are carried out according to the description of the patent KR 100438809, G11C 11/22, H01L 21/20, 41/16, 2004 with an excess ratio of Pb / (Zr + Ti) equal to 1.08, as indicated in this patent, and also at a ratio of Pb / (Zr + Ti) = 0.95 ± 0.025 for 1 h at a substrate temperature of 545 ° C, followed by annealing for 1 min at 600 ° C. It is possible that the indicated values of the operational parameters of the technology are unique, since they are not available in the translation of the indicated patent. This, apparently, provides the desired polycrystalline structure of the PZO film in the PbO matrix, while the objective of the method according to patent specification KR 100438809 is to obtain a single-crystal PZO film in the absence of a PbO interlayer. In this case, there is a paradoxical fact that the proposed mode, where, as indicated above, the ratio of lead to zirconium and titanium is less than unity, allows one to obtain a PZO film in a PbO matrix, while in the prototype method even an excess of lead in a precursor PTS film is obtained without a PbO layer . The cause of this phenomenon is unknown.
Остальные операции выполняют, как в примере 1.The remaining operations are performed as in example 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.Technical characteristics of the obtained target products are shown in table.2. As can be seen from the table, the use of a polycrystalline PZO film in the PbO matrix obtained by the method described in this example provides the production of target products with photosensitivity in the visible part of the spectrum, which is confirmed by the photocurrent value from 6.6 to 7.2 nA when the coating is illuminated 4 20 W halogen lamp from a distance of 20 cm. In dark mode, no photocurrent.
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.As illustrated by the above examples, the use of the proposed technical solution in comparison with the prototype provides an increase in the accuracy and reliability of the target product, since the output signal is static, as a result of which its value does not depend on the duration of measurements and errors introduced into the amplitude value, as was the case with differential response to lighting of the prototype product.
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.The technical result, derived from what has been achieved, is to expand the range of use of the target product, since it can be used in optical mode to read binary information optically in memory circuits, where the input signal controls the direction of polarization of the DTC, and in continuous mode, for measuring illumination.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007117471/09A RU2338284C1 (en) | 2007-05-10 | 2007-05-10 | Ferroelectric element for storage device with optical reading of information |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007117471/09A RU2338284C1 (en) | 2007-05-10 | 2007-05-10 | Ferroelectric element for storage device with optical reading of information |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2338284C1 true RU2338284C1 (en) | 2008-11-10 |
Family
ID=40230460
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007117471/09A RU2338284C1 (en) | 2007-05-10 | 2007-05-10 | Ferroelectric element for storage device with optical reading of information |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2338284C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2649622C1 (en) * | 2016-12-23 | 2018-04-04 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт молекулярной электроники" | Ferroelectric memory cell |
| RU2728256C1 (en) * | 2020-03-05 | 2020-07-28 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет) | Ferroelectric photodetector |
-
2007
- 2007-05-10 RU RU2007117471/09A patent/RU2338284C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2649622C1 (en) * | 2016-12-23 | 2018-04-04 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт молекулярной электроники" | Ferroelectric memory cell |
| RU2728256C1 (en) * | 2020-03-05 | 2020-07-28 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет) | Ferroelectric photodetector |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Ji et al. | Bulk photovoltaic effect at visible wavelength in epitaxial ferroelectric BiFeO3 thin films | |
| US20130026382A1 (en) | Photovoltaic uv detector | |
| JP2002170938A (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
| US10115456B2 (en) | Multi-states nonvolatile opto-ferroelectric memory material and process for preparing the same thereof | |
| RU2338284C1 (en) | Ferroelectric element for storage device with optical reading of information | |
| Lin et al. | Superconducting property and structure studies of YBa2Cu3O7-Ag2O composites | |
| RU71023U1 (en) | FERROELECTRIC DEVICE WITH OPTICAL READING | |
| Yu et al. | Luminescent characteristics of ZnGa2O4: Mn phosphor thin films grown by radio-frequency magnetron sputtering | |
| Wei et al. | Current distribution and vortex-vortex interaction in a superconducting film of finite thickness | |
| Heh et al. | PREPARATION OF BI0. 7PB0. 3SR1. 0CA1. 0CU1. 8OY HIGH-TC SUPERCONDUCTOR BY THE CITRATE METHOD | |
| Chao et al. | Ellipsometric measurements and its alignment-Using the intensity ratio technique | |
| Chao et al. | FOURIER-TRANSFORM INFRARED SPECTROSCOPIC STUDY OF OXIDE-FILMS GROWN IN PURE N2O | |
| Li et al. | Simulation of normal anchoring nematic droplets under electrical fields | |
| Yang et al. | Readout scheme by pulsed irradiation center aperture detection on magnetically induced super resolution magnetooptical disks | |
| Lee et al. | Comparison of N-2 and NH3 plasma passivation effects on polycrystalline silicon thin-film transistors | |
| Chao et al. | Suppression of boron penetration in P+-poly-Si gate metal-oxide-semiconductor transistor using nitrogen implantation | |
| Liu et al. | High-performance superthin oxide/nitride/oxide stacked dielectrics formed by low-pressure oxidation of ultrathin nitride | |
| Chen et al. | ELECTRICAL AND OPTICAL CHARACTERISTICS OF AN A-SI-H/C-SI HETEROJUNCTION SWITCH | |
| Tsai et al. | Fabrication and physical properties of radio frequency sputtered ZnMnSe thin films | |
| Chen et al. | Raman and X-ray studies of InN films grown at different temperatures by metalorganic vapor phase epitaxy | |
| KR0152581B1 (en) | Manufacturing method of thin film ferroelectric nonvolatile | |
| Wang et al. | EFFECT OF SN ON THE SUPERCONDUCTIVITY OF THE DYBA2CU3O7-DELTA SYSTEM | |
| Lai et al. | Improvement of reliability of metal-oxide semiconductor field-effect transistors with N2O nitrided gate oxide and N2O polysilicon gate reoxidation | |
| Boerasu et al. | Structural and photoelectrical properties of Nb-doped PZT thin films deposited by pulsed laser ablation | |
| Wang et al. | Plasma passivation effects on polycrystalline silicon thin-film transistors utilizing nitrous oxide plasma |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170511 |