Введение к работе
Актуальность темы. Открытие высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) многокомпонентных оксидов [1] привело к развитию ростовых и постростовых технологий YBa2Cu307 эпитаксиальных пленок, к проведению интенсивных исследований их структурных и электрофизических свойств в широком спектре фундаментальных и прикладных задач. На основе этих пленок были разработаны макеты практически всех известных планарных приборов микро- и СВЧ-электроники. Вскоре выяснилось, что хотя YBa2Cu307 эпитаксиальные пленки и являются весьма перспективными для прикладных задач среди других ВТСП оксидов, однако даже лучшие образцы имеют значительную концентрацию различных дефектов и являются пространственно неоднородными. (Особо контрастной ситуация выглядит по сравнению с уровнем дефектности полупроводниковых пленок.) В результате оказалось, что параметры ВТСП приборов быстро деградировали, их процент выхода годных был маленьким и они имели высокий уровень низкочастотного фликкер-шума (ФШ) [2].
Возникшая ситуация является следствием двух причин:
Многокомпонентность ВТСП оксидов, которая приводит к
О большому количеству и широкому разнообразию типов подвижных дефектов: точечных кислородных, катионных, их комплексов,
О наличию размерных образований: включений конкурирующих фаз, близких стехиометрических составов, дислокаций, их скоплений.
Напряженность эпитаксиальных ВТСП пленок, которая обусловлена
О наличием значительных рассогласований параметров решеток ВТСП пленок и используемых подложек, а также
О большим несоответствием коэффициентов их термического расширения.
Основным термодинамическим процессом, непрерывно протекающем в напряженной пленке, является частичное уменьшение упругой энергии на этапах послеростовых технологий и последующей жизни пленки по мере релаксации этого ансамбля подвижных дефектов к равновесному состоянию. Текущими признаками этой релаксации является интенсивный ФШ, а возможным конечным результатом - фазовое расслоение пленки и полная деградация ее свойств в течение нескольких месяцев и менее.
Однако практически полностью отсутствовали экспериментальные исследования по выявлению корреляций между структурными характеристиками (качеством) и электрофизическими свойствами нормальной фазы эпитаксиальных пленок YBa2Cu307 и структур на их основе. Не была установлена микроприрода очень широкого спектра времен релаксаций ансамбля дефектов: от микросекунд до десятков лет. Теоретические модели не были приспособлены для комплексного описания фликкер-шума как результата структурного беспорядка ВТСП пленок. Полностью отсутствовала экспериментальная проверка ключевых теоретических положений о дефектах флуктуаторах - дефектах с внутренней степенью свободы - и оценены параметры на основании их реальной микромодели. Невозможным было использование теоретических моделей при постановке технологических экспериментов, в частности, по улучшению качества пленок.
Актуальной проблемой физики и электроники твердого тела является исследование электрофизических свойств вблизи температуры перехода Тс при наличии пространственно-неоднородного протекания тока через исследуемый образец. Здесь анализ ситуации значительно осложняется наличием токовой нелинейности локальных свойств и появлением разнообразных аномальных явлений. Например, повышенная и гистерезисная чувствительность интенсивности ФШ к величине и направлению изменений внешнего магнитного поля.
Весьма актуальной задачей является контроль технологии роста пленок, промежуточных и завершающих этапов технологии изготовления конкретных ВТСП приборов, сопоставление эффективности различных методик картографирования технологических и неконтролируемых пространственных неоднородностей, оценка достигнутого уровня технологии, а также установление механизмов деградации свойств пленок, в частности, при наличии атмосферных воздействий, и поиск способов уменьшения скорости этой деградации.
Целью настоящей работы является исследование точечных и размерных микродефектов эпитаксиальных УВа2Сиз07 пленок как источников низкочастотного фликкер-шума путем :
проведения комплексных, взаимосвязанных исследований структурных и шумовых свойств О нормальной фазы,
О СП фазы вблизи температуры перехода Тс при наличии пространственно-неоднородного протекания тока через образцы,
разработки теоретических моделей, описывающих :
О корреляции между структурными и шумовыми свойствами пленок, О спектральные распределения источников фликкер - шума для выявления микроприроды источников шума. Эти исследования направлены также на
оценку достигнутого уровня технологии пленок и структур, контроля их качества,
прогноз деградации свойств пленок и приборов на их основе,
оценку потенциальных возможностей этих пленок при создании приборов ВТСП микроэлектроники.
Для Достижения этой цели в работе решались следующие задачи
Разработка комплекса экспериментальных методик локальных исследований, при которых получаемые результаты строго привязаны к пространственным координатам изучаемого фрагмента образца. Этот комплекс включал исследования пространственных распределений структурных свойств (рентгено-структурный и рентгено-дифракционный анализ, микроанализ, сканирующая и просвечивающая электронная микроскопия, термоэдс ) и электрофизических свойств (проводимости, интенсивности шума, величины магнитного поля, захваченного пленкой и индуцированного проходящим через нее током).
Использование разработанного комплекса для локальных исследований разнообразных YBa2Cu307 пленок, нанесенных на различные подложки и различными технологиями.
Разработка теоретических методик расчета спектральных распределений дефектов флуктуаторов путем проведения компьютерного моделирования методом Монте-Карло.
Разработка теоретических методик расчета температурных и частотных зависимостей интенсивности фликкер-шума нормальной фазы на основе использования спектральных распределений дефектов флуктуаторов.
Разработка комплекса методик исследования картины протекания тока, температурных и токовых зависимостей интенсивности ФШ вблизи Т< при наличии в образцах структурно-фазовых включений.
Разработка методики определения локальных значений критической температуры (Тс картографирования) с пространственным разрешением
2 мкм и ее использование при изучении механизмов воздействия влаги на деградацию параметров пленок.
Анализ источников погрешности рентгеноспектрального микроанализа и изучение механизмов катионного дефектообразования по распределениям состава, величин Тс, критического тока (/„) и шумового параметра Хоуге (а) на фазовой тройной диаграмме катионных состояний.
Исследование картины пространственного распределения тока и интенсивности ФШ вблизи порога протекания СП компоненты тока через образец высококачественных и гранулярных пленок и выяснение возможности использования различных теоретических моделей для описания этих свойств.
Выявление размерных микродефектов, перекрывающих путь протекания СП компоненты тока через образец, и исследование сопутствующих аномальных (гистерезисных) явлений, а также определение параметров этих дефектов и явлений.
Новое научное направление исследований, которое сформировалось в процессе выполнения диссертационной работы, - это экспериментальные и теоретические исследования дефектов, структурного беспорядка эпитаксиальных пленок YBa2Cu307 для интерпретации частотно-температурных характеристик фликкер — шума нормальной и сверхпроводниковой фаз в условиях пространственно-неоднородного токопротекания. Использование результатов исследований в текущих задачах ВТСП микроэлектроники.
Научная новизна работы заключается в следующем :
Впервые была разработана совокупность методик для комплексных локальных исследований структурных и шумовых свойств эпитаксиальных УВагСизО; пленок, которая была использована для научных и прикладных проблем ВТСП микроэлектроники.
Впервые была обнаружена экспоненциально сильная корреляция между интенсивностью ФШ нормальной фазы YBa2Cu307 пленок и флуктуациями внутренних деформаций ((є) = {((бс/с)2)}1'2, где с -параметр решетки вдоль с-оси) - увеличение параметра Хоуге а в миллионы раз при увеличении (є) в четыре раза. Была разработана соответствующая теоретическая модель.
Впервые экспериментально и теоретически был исследован механизм ФШ при наличии различных структурных факторов воздействия на ширину СП перехода. Для анализа температурных зависимостей интенсивности шума были использованы представления о флуктуациях относительного обьема СП фазы и функции распределения фрагментов пленки по Тс.
На основании результатов Тс картографирования YBa2Cu307 пленок впервые было показано, что скорость воздействия влаги зависит от качества поверхности и от ориентации осей пленки относительно ее поверхности. Был проведен анализ механизмов деградационных воздействий влаги на параметры пленок, а также обнаружены режимы, которые приводят к росту Тс на 2 К.
Впервые на тройной фазовой диаграмме катионных состояний, вблизи состава YBa2Cu307 (123), были обнаружены два разреза с максимальными Тс (вдоль линий (123)—>(110) и (123)-^(105)) и два разреза с минимальными Тс ( вдоль линий (123)—>(202) и (123)->(011)) и была разработана модель катионного дефектообразования, описывающая как область гомогенных составов, так и область больших отклонений от стехиометрии, при которых уже наблюдаются фазовые расслоения пленок.
Впервые наблюдались картины пространственного распределения плотности тока на пороге протекания СП компоненты тока YBa2Cu307 пленок и определены температурные зависимости фрактальных параметров: длина пути протекания тока и размер СП кластера.
Впервые была установлена природа источников аномально узких (по Т) пиков ФШ YBa2Qi307 пленок, которые наблюдались при Т<Те образца. Их интенсивность была высокочувствительной к величине внешнего магнитного поля и гистерезисной по отношению к направлению его изменения. Их источниками оказались такие сечения образца, в которых имелось значительное количество фрагментов с низкой тс^рат < Тс. Они значительно уменьшали величину сечения для протекания СП компоненты, что приводило к увеличению ее плотности до критических значений.
Практическое значение работы определяется:
Разработкой новых экспериментальных методик: 1) исследования
пространственного распределения Тс и плотности тока (путем
компьютерной обработки результатов измерений температурной зависимости напряжения, индуцированного электронным зондом, в рамках приближения эффективной среды и учета диффузии тепла в соседние точки с целью получения пространственного разрешения на уровне 2 мкм); 2) анализа погрешности рентгено-спектрального микроанализа для определения состава пленок; 3) регистрации ФШ магнито-зависимой компоненты СВЧ мощности резонатора с ВТСП пленкой.
Разработкой компьютерных программ расчетов спектральных распределений дефектов-флуктуаторов с использованием метода Монте-Карло, учитывающих режимы роста и отжига пленок, наличие в них деформаций и блочности.
Использованием интенсивности фликкер-шума для контроля технологий роста эпитаксиальных УВа2Сиз07 пленок, их отжига и созданием малошумящих планарных болометрических структур антенного типа.
Использованием нескольких методик картографирования различных физических свойств (состава, Тс> jc, магнитных потоков, захваченного внешнего поля и индуцированного транспортным током) пленок для сравнительной оценки качества ростовых и постростовых технологий пленочных структур. Их использованием для оценки достигнутого уровня интеграции ВТСП микроэлектроники и процента выхода годных приборов, а также для предсказания наиболее слабых мест ВТСП образцов, в частности, по которым они могут сгореть во время пропускания через них больших импульсов тока.
