Les propriétés diélectriques des différents films ont été étudiées à basses et hautes fréquences. Dans le cas des mesures basses fréquences des structures MIM Pt/BST/Pt ont été utilisées, de nature différente suivant le banc de mesure (Cf. Chapitre 3 §III.B.1), et dans le cas des mesures hautes fréquences, des structures MIM RF en or ont été employées.
Propriétés diélectriques en fonction de la température
Les propriétés diélectriques basses fréquences des couches minces ont dans un premier temps été étudiées en fonction de la température. Ces mesures ont permis de déterminer la signature de la permittivité et des pertes diélectriques en fonction de la température, comme le montre la Figure 5.5. Une transition diffuse de l’état ferroélectrique vers paraélectrique peut être observée pour les trois cas de codopage. Dans le cas des deux dopages hétérogènes, la même signature diélectrique peut être observée, avec un maximum de permittivité relativement élevé d’environ 600, autour de 220K. Néanmoins, dans le cas du codopage MnCu homogène, le pic de transition est moins intense. Ce comportement, pouvant s’expliquer par la différence de cristallinité et de microstructure, peut être également lié au fait que la concentration volumique de la couche en Mn soit plus élevée, réduisant ainsi le maximum de permittivité à la transition (Cf. Chapitre 3 III.B.1). Les trois films sont paraélectriques à la température ambiante, ce qui est en bon accord avec les résultats de l’étude structurale.
Concernant les pertes diélectriques aucune anomalie diélectrique n’est relevée sur les
Figure 5.5 : (a) Permittivité et (b) pertes diélectriques des films codopés Mn et Cu, mesurées à 10kHz en fonction de la température.
courbes. Dans le cas du codopage MnCu et du codopage hétérogène, les niveaux de pertes sont très similaires et une légère augmentation des pertes à haute température peut être remarquée. Une nette diminution globale des pertes a été mesurée dans le cas du dopage Mn/Cu/Mn, accompagnée d’une diminution des pertes de conduction à haute température. Ces résultats prédisent donc une diminution des courants de fuite pour cet échantillon.
Propriétés diélectriques en fonction du champ électrique
Les propriétés diélectriques basses fréquences ont ensuite été mesurées en fonction du champ électrique à 30°C. Les résultats obtenus sont présentés en Figure 5.6. Comme il vient d’être noté, à cette température, tous les échantillons sont en phase paraélectrique.
Concernant les deux codopages hétérogènes, une évolution identique de la permittivité en fonction du champ électrique peut être observée, avec une permittivité à 0V d’environ 600. Une forte accordabilité à 10kHz a été obtenue pour ces deux échantillons, de 78% sous 600kV/cm. Ces valeurs sont proches de celles obtenues pour le BST70:Cu1% dans le chapitre précédent. Sur la Figure 5.6(b), l’empilement Mn/Cu/Mn présente un abaissement global de sa courbe de pertes en fonction du champ électrique par rapport à l’empilement Cu/Mn/Cu. Les pertes à 0V du Mn/Cu/Mn de 1,06% sont les plus faibles des trois cas, ce qui est en bon accord avec le comportement observé sur les courbes en température.
Concernant le codopage homogène, la permittivité à champ nul ainsi que l’accordabilité sont plus faibles que pour le codopage hétérogène (Cf. Figure 5.6). Les pertes diélectriques sont quant à elles du même ordre de grandeur que le stack Cu/Mn/Cu, environ 1,3%. Il semble donc, qu’à basse fréquence, la présence du dopage Cu au niveau des interfaces entraîne des plus fortes pertes diélectriques.
Ces mesures diélectriques à basse fréquence ont été comparées aux mesures RF effectuées à 1GHz en Figure 5.7. Dans le cas des échantillons MnCu et Cu/Mn/Cu, la permittivité à champ nul à 1GHz est plus faible qu’à 10kHz. Ce comportement a été attribué dans le chapitre 3 à une contribution extrinsèque de défauts, tels que le Ti3+. Dans le cas du Mn/Cu/Mn, une très bonne continuité entre les mesures de permittivité basses et hautes fréquences est observée. Ce résultat suggère donc que le dopage Cu au niveau des interfaces donne lieu à des phénomènes de charges d’espace, ou à la présence de défauts liés à la présence de lacunes d’oxygène. Ce phénomène pourrait également être à l’origine des plus fortes pertes observées pour les deux échantillons MnCu et Cu/Mn/Cu à basse fréquence.
L’accordabilité et les pertes RF sont reportées en Figure 5.8. Pour le MnCu et le Cu/Mn/Cu, l’accordabilité est diminuée d’environ 10% par rapport aux basses fréquences, à champ égal. Une plus faible diminution est observée pour le Mn/Cu/Mn, qui présente à 1GHz une accordabilité de 74% sous 600kV/cm. Concernant les pertes diélectriques RF, celles-ci sont pour tous les films plus élevées qu’à basse-fréquence, ce qui peut être lié au design PPC ou au modèle utilisé pour l’extraction des résultats. Tous les échantillons présentent des pertes du même ordre de grandeur, autour de 1,7%, valeur identique à celle du BST70:Mn0,5%.
Ces résultats obtenus pour les différents échantillons confirment donc l’intérêt d’une structure de BST70 codopé de manière hétérogène pour conserver l’accordabilité élevée. A l’inverse, l’échantillon codopé de manière homogène, le seul comportant une substitution du Ti par du Mn dans tout le volume de la couche voit ses performances dégradées. Comme discuté dans l’introduction, cette substitution est responsable de la chute de la permittivité, et surtout de l’accordabilité. Les échantillons codopés de manière hétérogène, possédant donc une partie de leur volume uniquement dopé Cu en ajout, conserve une très forte accordabilité à basse et haute fréquence.
Figure 5.6 : Propriétés diélectriques basse fréquence (10kHz) des films de BST codopé Mn et Cu à 30°C. (a) Evolution de la permittivité en fonction du champ électrique. (b) Evolution des pertes diélectriques en fonction du champ électrique. (c) Accordabilité sous 600kV/cm et pertes diélectriques à champ nul pour les différents cas de codopage.
Figure 5.7 : Comparaison de la permittivité mesurée à basse et haute fréquence (respectivement 10kHz et 1GHz) sur le BST70 codopé MnCu de manière homogène et inhomogène. L’échelle verticale est la même pour chaque taux de dopage.
Figure 5.8 : Accordabilité mesurée à 1GHz sous 600kV/cm et pertes diélectriques mesurées à 0,2GHz à champ nul pour les différents cas de codopage.