Influence of annealing on properties of barium titanate thin films

• Autorzy: Firek P. , Taube A. , Szmidt J.

Warianty tytułu

PL

Wpływ wygrzewania na właściwości cienkich warstw tytanianu baru

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Thanks to unique electrophysical properties, in particular piezoelectricity, a high dielectric constant and refractive index values, barium titanate (BaTiO₃ or BT] ceramic has been one of the most extensively investigated dielectric materials for electronic applications. This work presents barium titanate thin films, deposited on silicon substrates by means of Radio Frequency Plasma Sputtering (RF PS]. The BT samples were annealed in the presence of oxygen in the range of the temperature from 300 °C to 80O °C. We studied an influence of trie annealing process on structural and electrical properties of BT thin films. In order to obtain metal-insulator-semiconductor (MIS) structures, aluminum (Al] electrodes were evaporated on the top of both types of films (non-annealed and annealed). Electrical characterizations of MIS capacitors were investigated using current-voltage (I-V) and capacitance-voltage (C-V] measurements. The surface of both types of BT films was studied using scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM) techniques. Our results showed that annealing temperature in an oxygen atmosphere affected on crystal Unity, surface morphology and topography of BT films and also on their electrical properties.

PL

Dzięki unikatowym właściwościom elektrofizycznym. w szczególności piezoelektryczności, dużej wartości przenikalności dielektrycznej i współczynnika załamania światła, tytanian baru (BaTiO₃, BT] był jednym z najintensywniej badanych materiałów do zastosowań w elektronice. W tej pracy przedstawiono cienkie warstwy tytanianu baru wytworzone na podłożach krzemowych techniką rozpylania targetu w plazmie o częstotliwości radiowej. Próbki BT poddano procesom wygrzewania w atmosferze tlenu, w zakresie temperatur od 300 do 300°C. Na potrzeby pomiarów elektrycznych na powierzchnię warstw BT (niewygrzewanych i wygrzewanych) naparowano próżniowo glin. Powstała w ten sposób struktura MIS (metal-dielektryk-pólprzewodnik) z warstwą dielektryka z BaTiO₃. Wykonane zostały pomiary prądowo-napięciowe (I-V] i pojemnościowe-napięciowe (C-V) dla uzyskanych kondensatorów MIS Powierzchnie obu typów warstw badano przy użyciu skaningowej mikroskopii elektronowej oraz mikroskopii sił atomowych. Przeprowadzone badania pokazały, że temperaturę wygrzewania w atmosferze tlenu wpływa na krystaliczność, morfologię i topografię powierzchni warstw BT oraz na ich właściwości elektryczne.

Słowa kluczowe

EN

barium titanate; thin film; annealing in oxygen; electrical characterization; plasma sputtering

PL

tytanian baru; cienka warstwa; wygrzewanie w tlenie; charakterstyka elektryczna; rozpylanie plazmowe

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania
• Rocznik: 2011
• Tom: Vol. 52, nr 2
• Strony: 31--33
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., il., wykr.

Twórcy

autor

Firek P.

autor

Taube A.

autor

Szmidt J.

• Politechnika Warszawska, Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki

Bibliografia

• [1] McNeal M. P. et al.: The effect of grain and particle size on the microwave properties of barium titanate (BaTiO3). Journal of Applied Physics, 83, 1998, 3288.
• [2] Chen S. N. et al.: Barium titanate thin film humidity sensitive capacitor. Journal of Vacuum Science Technology A, 3, 1985, 678.
• [3] Scott J. F.: Device physics of ferroelectric thin film memories. Japan Journal of Applied Physics, 38, 1999, 2272-2274.
• [4] Ramesh R. et al.: Science and technology of ferroelectric films and heterostructures for non-volatile ferroelectric memories. Material Science and Engineering, 32, 2001, 191-236.
• [5] Thomas R. et al.: Electrical properties of sol-gel processed amorphous BaTiO3 thin films. Journal of Sol-Gel Science and Technology 16, 1999, 101-107.
• [6] Hoerman B. H., Ford G. M., Kaufmann L. D., Wessels B. W.: Dielectric properties of epitaxial BaTiO3 thin films. Applied Physics Letters, Volume 73, Number 16, 19 October 1998.
• [7] Jianming Zeng et al.: Structural and electrical characteristics of thin films of BaTiO3 prepared by atmospheric-pressure metal-organic chemical vapour deposition. Journal of Physics D: Applied Physics, 31, 1998, 2416-2420.
• [8] Yoneda Y. et al.: Structural characterization of BaTiO3 thin films grown by molecular beam epitaxy. Journal of Applied Physics, 83, 5, 1998, 2458-2461.
• [9] Chen-Feng Kao et al.: Preparation and Electrical Properties of Barium Titanate Film by Hydrothermal Metod. Journal of the European Ceramic Society, 19, 1999, 1365-1368.
• [10] Huarui Xu et al.: Hydrothermal synthesis of high-purity BaTiO3 powders: control of powder phase and size, sintering density, and dielectric properties. Materials Letters, 58, 2004, 1582-1586.
• [11] Basantakumar H. et al.: Electrical properties of sol-gel processed barium titanate films. Thin Solid Films, 330, 1998, 178-182.
• [12] Vayunandana Y. K. et al.: Structural and optical properties of BaTiO3 thin films prepared by radio-frequency magnetron sputtering at various substrate temperatures. Journal of Physics D: Applied Physics, 39, 2006, 1161-1168.
• [13] Millon E. et al.: Femtosecond pulsed-laser deposition of BaTiO3. Applied Physics A, 77, 2003, 73-80.
• [14] Thomas R. T.: Time dependence of the electrical conductivity of BaTiO, single crystals heated in oxygen. Journal of Physics D: Applied Physics, 3, 1970, 1434-1437.
• [15] Thomas R. et al.: Optical and electrical properties of BaTiO3 thin films prepared by chemical solution deposition. Thin Solid Films, 346, 1999, 212-225.
• [16] Onton A. et al.: Structure and Excitation of Amorphous Solids AIP Conf. Proc. No. 31, eds. G. Lucovsky, F. L. Galeener, AIP New York, 1976, p. 320.
• [17] Lu X. M. et al.: The energy gap of r.f.-sputtered BaTiO3 thin films with different grain size. Thin Solid Films, 274, 1996, 165-168.
• [18] Polotai A. V. et al.: Preparation and size effect in pure nanocrystalline barium titanate ceramics. Ferroelectrics, 288, 2003, 93-102.