Zusammenfassung

In ferroelektrischen supraleitenden Feldeffekttransistoren (FSuFETs) wurde der Einfluß der Polarisation ferroelektrischer Pb(Zr_0,52Ti_0,48)O₃ (PZT) - Schichten auf die Eigenschaften dünner YBa₂Cu₃O_x (YBCO) - Schichten untersucht. Zunächst wurde das epitaktische Wachstum der PZT - Filme, die durch reaktives Kathodenzerstäuben in einer Argon / Sauerstoff - Atmosphäre hergestellt wurden, untersucht. SrTiO₃ - Einkristalle und YBCO - Filme erwiesen sich dabei als geeignete Unterlagen. Der Bleianteil der PZT - Filme hing empfindlich von der Depositionstemperatur T_S und dem Druck ab. Durch die Wahl eines hohen Druckes von 0,26 mbar gelang es bis zu einer maximalen Temperatur T_S = 580 °C eine korrekte Zusammensetzung zu erreichen. Die ferroelektrische Perowskitstruktur wuchs ab einer minimalen Temperatur T_S = 540 °C. Im optimalen Temperaturbereich zwischen 560 °C und 580 °C wuchsen die Filme mit einer minimalen Mosaikbreite D w  < 0,3° und einem Fremdphasenanteil kleiner 1 %.

Die besten ferroelektrischen Eigenschaften wurden in Filmen mit der höchsten Wachstumsqualität und der korrekten Zusammensetzung erreicht. Der Maximalwert der remanenten Polarisation lag bei P_r = 61 µC/cm² und die Koerzitivfeldstärke E_C bei 150 kV/cm bei 77 K. Die Durchbruchfeldstärke war um einen Faktor 4 bis 5 größer als E_C. Ermüdungsuntersuchungen zeigten eine Abnahme der schaltbaren Polarisation von etwa 30 % nach 10⁸ Schaltzyklen bei 77 K. Abnahme der Speicherfähigkeit und Alterung waren dagegen vernachlässigbar. Während des Sauerstoffbeladungsschrittes der Heterostruktur unter 800 mbar Sauerstoff und 400 °C wurde eine Reaktion an der Grenzfläche PZT / YBCO beobachtet, die zu einer Degradation der Transporteigenschaften des Supraleiters führte. Diese konnte durch eine dünne SrTiO₃ - Pufferschicht weitgehend vermieden werden, ohne die ferroelektrische Hysterese wesentlich zu beeinflussen.

In FSuFETs wurde nur an YBCO - Filmen mit einer Dicke zwischen 7 und 20 nm eine Beeinflussung durch die Polarisation des PZT beobachtet. Diese YBCO - Filme hatten Sprungtemperaturen T_C zwischen 12 und 40 K. Die Abhängigkeiten des Widerstandes R, der Sprungtemperatur T_C und der kritischen Stromdichte j_C von der angelegten Spannung hatten einen hysteretischen Verlauf mit zwei linearen Sättigungsästen entsprechend der feldinduzierten Polarisation und zwei Sprüngen entsprechend der Umorientierung der remanenten Polarisation. Die relative Widerstandsänderung betrug bis zu 11 %, die relative j_C - Änderung bis zu 17 % und die T_C - Verschiebung bis zu 1 K. Diese Ergebnisse ließen sich durch das Modell der feldinduzierten Ladungsträgerdichteänderung erklären. Aus der Widerstandsänderung ließ sich nach diesem Modell die Ladungsträgerkonzentration zu n = 1,6 - 5 x 10²¹ cm^-3 abschätzen.

Investigation of the epitaxial growth of Pb(Zr_0.52Ti_0.48)O₃ thin films and their application in ferroelectric superconducting field effect transistors

Abstract

The influences of the polarization of ferroelectric Pb(Zr_0.52Ti_0.48)O₃ (PZT) films on the properties of YBa₂Cu₃O_x (YBCO) films were investigated in ferroelectric superconducting field effect transistors (FSuFETs). First the epitaxial growth of PZT films deposited by reactive sputtering in an argon / oxygen atmosphere was investigated. SrTiO₃ single crystals and YBCO thin films proved as suitable substrates. The lead contend of the PZT films depended sensitively on the deposition temperature T_S and the gas pressure. By using a high pressure of 0.26 mbar the correct stoichiometry could be achieved up to an maximum T_S of 580 °C. Above a minimum T_S of 540 °C the ferroelectric perovskite structure grew. In the optimum temperature range between 560 °C and 580 °C the films grew with a minimum mosaic spread of D w  < 0.3° and a small amount of less than 1 % of paraelectric phase.

The best ferroelectric properties could be obtained for films with the highest degree of epitaxy and the correct stoichiometry. The maximum remanent polarization amounted P_r = 61 µC/cm² and the coercive field E_C was 150 kV/cm at 77 K. The breakdown field was four to five times larger than E_C. Fatigue studies revealed a loss of switchable polarization of 30 % after 10⁸ cycles at 77 K, whereas loss of retention and the effect of ageing were negligible. During the process of oxidation of the heterostructure at 400 °C and an oxygen pressure of 800 mbar a reaction at the PZT / YBCO interface was observed, which lead to a degradation of the transport properties of the superconductor. This reaction could be avoided by a thin SrTiO₃ buffer layer without disturbing the ferroelectric hysteresis essentially.

In FSuFETs ferroelectric polarization charging effects were only observed in YBCO films with a thickness between 7 and 20 nm. The critical temperature of these films were in the range of 12 to 40 K. The resistance R, critical temperature T_C and critical current j_C versus applied voltage characteristics were hysteretic with two linear saturation tips due to the field induced polarization and two steep jumps due to the ferroelectric polarization reversals. The relative resistance modulation obtained up to 11 %, the relative j_C modulation up to 17 % and the T_C shift up to 1 K. These results are consistent with a charging effect. By taking the expect relationships the mean hole concentration in YBCO could be calculated to n = 1.6 - x 10²¹ cm^-3.