Плёнки BaxSr1-xTiO3 и структуры на их основе для перестраиваемых устройств сверхчастотного диапазона
Рассмотрение и характеристика способа увеличения частоты отсечки, связанной с последовательным резонансом индуктивности электродов конденсатора и его ёмкости. Разработка и анализ метода определения предельно достижимого параметра качества фазовращателя.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | автореферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 31.07.2018 |
| Размер файла | 351,7 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ” им. В.И. Ульянова (Ленина)
На правах рукописи
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Плёнки BaxSr1-xTiO3 и структуры на их основе для перестраиваемых устройств сверхчастотного диапазона
Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах
Гагарин Александр Геннадиевич
Санкт-Петербург - 2007
Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете “ЛЭТИ” им. В.И. Ульянова (Ленина).
Научный руководитель -- доктор технических наук, профессор Козырев А.Б.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Мироненко И.Г.
кандидат физико-математических наук, Ненашева Е.А.
Ведущая организация -- Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, РАН.
Защита диссертации состоится “25” октября 2007 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.238.04 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета “ЛЭТИ” им. В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.
Автореферат разослан “25”_сентября_2007 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Мошников В.А.
Общая характеристика работы
Актуальность темы.
В настоящее время, наряду с широко распространёнными полупроводниковыми и ферритовыми СВЧ устройствами, внимание специалистов привлекают устройства на основе сегнетоэлектрических (СЭ) материалов. Использование СЭ тонких плёнок позволяет улучшить такие характеристики приборов как быстродействие, рабочая мощность, СВЧ потери и мощность управления. Немаловажным фактором является простота конструкции и возможность использования интегральной технологии СЭ устройств, что определяет их низкую стоимость и делает СВЧ электронику с использованием СЭ перспективным направлением прикладных исследований.
Исследования, проведённые ранее, показали принципиальную возможность создания СЭ элементов, обеспечивающих частотную и фазовую перестройку радиоэлектронных устройств (фазовращателей, фильтров, линий задержки), используемых в системах связи и локации. Однако на сегодня СВЧ приборы на базе СЭ пленок существуют только в качестве лабораторных образцов, которые по ряду параметров уступают существующим традиционным аналогам. Для широкого использования СЭ в технике СВЧ необходимо решить ряд важных научно-технических задач, рассмотренных ниже.
Поиск оптимального состава СЭ плёнок и исследование их СВЧ свойств в широком диапазоне частот. Наиболее перспективным СЭ материалом для использования в устройствах СВЧ являются твёрдые растворы BaxSr1-xTiO3. В литературе встречается ряд публикаций, посвящённый свойствам данного композита для различных соотношений Ba и Sr. Как правило, приводятся данные по СВЧ свойствам рассматриваемых материалов в нижней части СВЧ диапазона (до частот (1015) ГГц). Однако перспективность устройств беспроводной локальной и спутниковой связи, работающих в сверхширокополосном режиме, делают необходимым проведение исследований свойств СЭ вплоть до частот 100 ГГц. Приведённые в литературе сведения носят отрывочный характер также и по выбору состава BaxSr1-xTiO3, соответствующего наилучшим СВЧ свойствам. Отсутствие сведений по оптимальности состава СЭ для СВЧ применений и данных о свойствах СЭ плёнок в широком диапазоне частот не позволяет эффективно проводить моделирование и реализацию СВЧ устройств. Поэтому одной из задач настоящей работы является поиск оптимального состава BaxSr1-xTiO3 плёнок, полученных по технологии ионно-плазменного (магнетронного) распыления, и получение данных об их свойствах в широком диапазоне частот.
Разработка перестраиваемых элементов на основе сегнетоэлектрических плёнок с управляющими напряжениями до 30 В. В настоящее время традиционными для СВЧ диапазона являются структуры планарной конструкции на основе СЭ плёнок (планарные конденсаторы, щелевые и копланарные линии). Применение таких структур целесообразно для устройств высокой СВЧ мощности, где повышенное постоянное или импульсное напряжение управления (сотни вольт) не является препятствием для их использования. Однако для применения в малосигнальных устройствах необходимо радикальное снижение управляющих напряжений до уровня, обычно используемого в полупроводниковой электронике (десятки вольт). В рамках планарной конструкции это ведёт к технологическим и конструктивным проблемам получения характерных топологических размеров менее 1 мкм. Таким образом, разработка технологичных СЭ структур с пониженным управляющим напряжением становится одной из ключевых задач использования СЭ элементов в малосигнальной СВЧ технике.
Одним из путей решения этой задачи является реализация плоскопараллельных структур типа «металл-диэлектрик-металл» (МДМ) на основе тонкой СЭ плёнки, в которых уменьшение толщины СЭ плёнки (менее 0.5 мкм) позволяет получить необходимый коэффициент управления (Cmax / Cmin 2) при напряжениях менее 30 В. Разработка таких структур для СВЧ диапазона требует оптимизации конструкции с точки зрения уменьшения влияния «паразитных» параметров и снижения СВЧ потерь в металлических электродах.
Исследование быстродействия сегнетоэлектрических тонкопленочных элементов. Для конкурентоспособной работы электрически перестраиваемых устройств СВЧ диапазона необходимы высокие скорости их переключения ( 1 мкс). Существует общепринятое мнение, что в параэлектрической фазе (T > TC) отсутствие доменной структуры позволяет достигать быстродействия, соизмеримого с временами осцилляции «мягкой» СЭ моды, то есть 10 -11 с. Ряд опубликованных работ, посвящённых исследованию нелинейных свойств СЭ при повышенном уровне гармонического СВЧ сигнала (интермодуляционные искажения, параметрические явления), на первый взгляд, полностью подтверждает эту точку зрения. Однако необходимо заметить, что все эксперименты, практически демонстрирующие безынерционный СВЧ отклик, проводились в условиях воздействия гармонических сигналов и не соответствовали режиму работы устройств при управлении униполярными импульсными сигналами. Именно такие режимы используются для кодирования и передачи информации в современных СВЧ устройствах. Поэтому исследование поведения СЭ элементов при импульсном режиме управления является актуальной задачей.
Разработка СВЧ фазовращателей на основе СЭ плёнок. Решение задачи создания СВЧ устройств на основе СЭ плёнок требует предварительной оценки параметров проектируемого устройства, исходя из электрофизических свойств СЭ перестраиваемого элемента. Как правило, оценка применимости СЭ элементов с точки зрения их СВЧ свойств проводится на основе параметра качества, предложенного проф. О.Г. Вендиком. Однако для окончательной разработки СВЧ устройств (например, фазовращателей) целесообразно учитывать особенности конструкции, определяющие диссипативные потери в её металлических частях. Необходимо подчеркнуть, что использование СЭ элементов с одинаковыми значениями параметра качества, но различной управляемостью и потерями ведёт к различным конструктивным решениям, например, к различной длине фазовращателя. Это, в свою очередь, приводит к изменению уровня СВЧ потерь в металлических элементах устройства. Таким образом, для оптимизации устройств необходимо получить соотношения, позволяющие установить связь между параметрами СЭ элемента (СЭ плёнки) и общими параметрами устройства с учётом различных источников СВЧ потерь (в металле и диэлектрике).
Для реализации устройств на основе СЭ плёнок для частот свыше 30 ГГц в ряде случаев целесообразно использование структур с распределёнными параметрами (регулярных линий передачи). Простота, малые размеры и хорошая совместимость подобных конструкций с элементами фазированных антенных решёток делают необходимым исследование характеристик щелевых линий с СЭ плёнками и фазовращателей на их основе в миллиметровой части СВЧ диапазона.
Целью работы явились исследование управляемости, диэлектрических потерь и быстродействия СЭ тонких плёнок и элементов на их основе в широком диапазоне частот, разработка перестраиваемых сосредоточенных управляющих элементов с напряжениями управления до 30 В, перестраиваемых распределённых структур и фазовращателей на их основе, предназначенных для использования в приборах СВЧ диапазона.
В связи с этим в данной работе решаются следующие задачи:
· разработка методик измерений на частотах выше 30 ГГц, позволяющих определить диэлектрические потери и потери в металлических электродах в структурах на основе СЭ плёнок;
оптимизация состава плёнок BaxSr1-xTiO3 для обеспечения наибольшего параметра качества элементов и структур на их основе для СВЧ применений;
исследования СВЧ свойств СЭ плёнок BaxSr1-xTiO3 в широком диапазоне частот (160) ГГц, позволяющие прогнозирование параметров и реализацию СВЧ устройств выбранного поддиапазона;
анализ конструктивных и технологических факторов, влияющих на СВч параметры МДМ (Pt/BSTO/Cu) конденсаторов, и разработка их конструкции;
создание методики измерения быстродействия СЭ элементов в диапазоне от единиц микросекунд до сотен секунд;
определение быстродействия диэлектрического отклика плёночных BaxSr1-xTiO3 конденсаторов на импульсное напряжение и анализ факторов, влияющих на их быстродействие;
установление связи параметра качества перестраиваемого элемента с характеристиками СВЧ устройств, и выработка рекомендаций по выбору параметров СЭ плёнки и элементов на её основе, обеспечивающих требуемые характеристики СВЧ устройств;
определение волновых параметров и потерь щелевых линий передачи на основе плёнок BSTO в зависимости от геометрических размеров и свойств плёнок; а также разработка волноводно-щелевого фазовращателя для рабочей частоты 60 ГГц.
Для решения приведённых выше задач были разработаны новые методики для измерения:
СВЧ параметров сегнетоэлектрических плёнок в диапазоне (3070) ГГц с помощью распределённых структур без нанесения электродов (частично заполненный волноводный резонатор) и с нанесением электродов (резонатор на основе щелевой линии);
времени релаксации ёмкости СЭ конденсаторов с помощью СВЧ резонатора под действием периодических управляющих импульсов напряжения
Научная новизна работы:
На основе исследования плёнок BaxSr1-xTiO3 различного состава (x = 0 0.8) показано, что плёнки Ba0.3Sr0.7TiO3 демонстрируют лучшие СВЧ свойства для практических применений.
На основе разработанных электродных и безэлектродных методик показано, что для плёнок оптимального состава Ba0.3Sr0.7TiO3 с управляемостью K=1.52 тангенс угла диэлектрических потерь в диапазоне частот (160) ГГц лежит в интервале tg = 0.0150.06.
Для плёночных МДМ структур Pt/Ba0.3Sr0.7TiO3/Cr/Cu с управляемостью K = 2 при 30 В проведён СВЧ анализ, позволяющий разделить потери в плёнке сегнетоэлектрика и в металле электродов.
Предложена и разработана оригинальная резонансная СВЧ методика исследования быстродействия и остаточных поляризационных явлений СЭ конденсаторов при условии короткого замыкания и холостого хода электродов, позволяющая измерять времена релаксации в пределах (10_6102) с.
Показано, что медленные релаксационные явления (10100 с), наблюдаемые в сегнетоэлектрических элементах в параэлектрической фазе, обусловлены существованием объёмного заряда, локализованного в приэлектродных областях с повышенной дефектностью (10181019 см_3).
На основе измерения пороговых значений импульсного электрического поля, выше которого возникают медленные релаксационные процессы ёмкости СЭ конденсаторов, показано доминирующее влияние технологии формирования контакта металл/сегнетоэлектрик.
Для электрически управляемых фильтров и фазовращателей установлена связь параметра качества СЭ перестраиваемого элемента с основными параметрами устройств; полученные выражения позволяют разделить вклад в параметры устройства потерь в элементе перестройки и в металлических элементах конструкции устройства.
Разработан метод определения предельно достижимого параметра качества фазовращателя на основе линии передачи с СЭ плёнкой путём измерения характеристик резонатора на основе отрезка данной линии.
Практическая значимость работы:
1. Отработана технология формирования СВЧ МДМ конденсаторов на основе тонкой BSTO плёнки; найден состав плёнок твёрдого раствора BaxSr1-xTiO3, обеспечивающий наилучшие параметры для СВЧ применений.
2. Предложены методики измерения параметров структур на основе СЭ плёнок в диапазоне частот (3070) ГГц, позволяющие определять потери в СЭ плёнке и металлических элементах структуры.
3. На основе эквивалентной схемы и экспериментальной проверки её корректности сформулированы рекомендации по разработке конструкции СВЧ МДМ конденсаторов.
4. Разработаны рекомендации по технологическим условиям формирования контакта металл/сегнетоэлектрик в конденсаторах для улучшения их быстродействия.
5. Разработан и испытан волноводно-щелевой фазовращатель на основе BSTO плёнки для работы на частоте 60 ГГц; фазовращатель продемонстрировал параметр качества 32 град/дБ, что на 10 град/дБ превосходит результаты для устройств на основе СЭ плёнок, описанных в литературе.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Максимальное значение параметра качества для СВЧ применений при комнатной температуре для плёнок BaxSr1-xTiO3, полученных магнетронным распылением на подложках Al2O3, достигается при составе x = 0.30.05.
2. При частотах свыше 30 ГГц основной вклад в СВЧ потери тонкоплёночных МДМ (Pt/Ba0.3Sr0.7TiO3/Cu) конденсаторов при реактансе ёмкости 50 Ом вносят диэлектрические потери, что позволяет использовать в качестве нижнего электрода платину толщиной не более 100 нм.
3. Формирование контакта Pt/BSTO в кислородной атмосфере позволяет подавить процессы медленной релаксации диэлектрической проницаемости и обеспечить управляемость сегнетоэлектрических структур K 2.
4. Увеличение управляемости СЭ плёнки при сохранении её параметра качества снижает общие потери в фазовращателе, за счёт уменьшения потерь в металлических элементах.
5. Фазовращатели на основе щелевых линий передачи с плёнкой Ba0.3Sr0.7TiO3 обеспечивают параметр качества 30 град/дБ на частоте 60 ГГц при быстродействии по управлению менее 100 нс.
Реализация результатов работы:
в проекте Министерства Образования Российской Федерации «Разработка элементной базы и устройств СВЧ радиоэлектроники на основе сегнетоэлектрических пленок» (код проекта: 208.05.05.012);
в проекте Министерства Образования и Науки Российской Федерации «Исследование неравновесных процессов в сегнетоэлектриках кислородно - октаэдрического типа в условиях облучения электромагнитным полем ультрафиолетового и инфракрасного диапазонов» (код проекта: РНП 2.1.2.7083);
в государственном контракте № 02.513.11.3136 «Технология наноразмерных кристаллических сегнетоэлектрических пленок для систем телекоммуникаций и радиолокации»;
в контракте «Электрические и СВЧ исследования тонкопленочных перестраиваемых BST конденсаторов» («Еlectrical and Microwave Characterization of Thin Film Voltage Tunable BST Capacitors») с фирмой «Gennum Corporation» (Канада);
в контракте «Разработка фазовращателей, перестраиваемых фильтров, линий задержки, миксеров и перестраиваемых генераторов» («Development of Phase Shifters, Tunable Filter, Delay Line, Mixer and Voltage Tunable Oscillators») с фирмой «Paratek Inc.» (США);
в грантах правительства США «Перспективные устройства электроники на основе управляемых диэлектрических элементов для систем связи и локации» (“Next generation electronics based on tunable dielectric components for communication and radar systems”) совместно с государственной лабораторией NREL (США) (№ AAТ-3-33627-01).
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
14th International Symposium on Integrated Ferroelectrics. 27 May - 1 June, 2002, Nara, Japan.
15th International Symposium on Integrated Ferroelectrics. March 9 - 12, 2003. Colorado Springs, Colorado, USA.
19th International Symposium on Integrated Ferroelectrics. May 8 - 11, 2007. Bourdeaux, France.
11-я Международная конференция "СВЧ техника и телекоммуникационные технологии", 10 - 14 сентября 2001, Севастополь, Украина.
16-я Международная конференция "СВЧ техника и телекоммуникационные технологии", 10 - 14 сентября 2006, Севастополь, Украина.
7th Russia/CIS/Baltic/Japan Symposium on Ferroelectricity (RCBJSF-7), June 24 - 28, 2002, St.Petersburg, Russia.
Международная научно-техническая школа-конференция «Молодые учёные - науке, технологиям и профессиональному образованию», 1-4 октября 2002, Москва, Россия.
IV Международная научно-техническая конференция «Электроника и Информатика - 2002», Зеленоград, Россия.
«Nanoelectronics Days 2005», Forschungszentrum Julich, Germany, February 9 - 11, 2005, Julich, Germany.
4th international Conference on Microwave Materials and Their Applications, 12 - 15 June, 2006, Oulu, Finland.
35th European Microwave Conference, 4 - 6 October 2005, Paris, France.
Научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского Государственного Электротехнического Университета (ЛЭТИ) (С. Петербург, 2002 - 2006 гг).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 9 научных статей (4 статьи опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определённых ВАК).
Структура и объем работы.
Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 113 наименований, и одного приложения. Основная часть работы изложена на 91 странице машинописного текста. Работа содержит 82 рисунка и 2 таблицы.
Основное содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, отмечена научная новизна полученных результатов, их практическая значимость, перечислены научные положения, выносимые на защиту.
Первая глава носит обзорный характер.
Представлены основные свойства СЭ материалов и результаты исследований диэлектрических свойств СЭ пленок, имеющиеся в литературных источниках. Представлены существующие на сегодняшний день методики исследований СВЧ свойств тонких СЭ пленок. Подчеркивается, что практически отсутствуют методики исследования в миллиметровой (свыше 30 ГГц) части СВЧ диапазона. Показано, что в ряде работ представлены данные относительно состава СЭ плёнок, используемых в СВЧ устройствах, однако, эти данные носят отрывочный характер и не позволяют выбрать оптимальный состав для СВЧ применений.
Рассмотрены использующиеся в настоящее время перестраиваемые СВЧ элементы на основе СЭ плёнок. Выявлена проблема высоких напряжений управления элементами и определена конструкция плоскопараллельного МДМ конденсатора, в качестве пути решения данной проблемы. резонанс конденсатор фазовращатель
Представлены основные электрофизические свойства конденсаторных МДМ структур на основе СЭ плёнок. В частности, рассмотрено явление замедления релаксации диэлектрической проницаемости в таких структурах. Перечислены основные механизмы, ведущие к снижению быстродействия.
Сделан обзор разработанных на основе СЭ пленок электрически перестраиваемых СВЧ устройств (перестраиваемых резонаторов и фильтров, фазовращателей). Показано, что фактически отсутствуют данные относительно СЭ устройств диапазона 6080 ГГц, которые в настоящее время привлекают все большее внимание специалистов, разрабатывающих сканирующие антенные решетки.
На основе анализа литературных данных формулируются цель и задачи диссертационной работы.
Во второй главе рассмотрены разработанные методики СВЧ измерений основных параметров СЭ плёнок в миллиметровой части СВЧ диапазона (3070) ГГц и результаты исследований СЭ плёнок. В основу методик измерений был положен резонансный метод, обеспечивающий наибольшую точность в СВЧ диапазоне. Представлены две методики, позволяющие исследовать свойства СЭ плёнок как с нанесением металлических электродов, так и без него.
Первая методика представляет собой измерение параметров волноводно-щелевого СВЧ резонатора на основе СЭ плёнки. Путём расчёта дисперсионных характеристик в рамках полноволновой модели получены зависимости комплексной постоянной распространения от диэлектрической проницаемости СЭ плёнки и геометрических параметров волноводно-щелевой линии. Установлено, что параметром, определяющим дисперсию, является произведение диэлектрической проницаемости СЭ плёнки на её толщину. Сравнение расчётных и экспериментальных значений СВЧ потерь в металле электродов волноводно-щелевой линии показало их хорошее соответствие. Методика позволяет определять управляемость и оценить СВЧ потери СЭ плёнки.
Вторая методика основана на измерении параметров волноводного резонатора частично заполненного диэлектриком с СЭ плёнкой. На основе решения дисперсионного уравнения определены зависимости постоянной распространения от электрофизических и геометрических параметров диэлектрического заполнения. Показано, что дисперсию в такой структуре также определяет произведение диэлектрической проницаемости СЭ плёнки на её толщину. Методика позволяет измерить диэлектрическую проницаемость и СВЧ потери СЭ плёнки.
На основе представленных методик были разработаны и реализованы измерительные макеты, позволяющие определять СВЧ параметры СЭ плёнок в широком диапазоне частот.
Разработанные в настоящей работе методики измерений совместно с методиками измерений, разработанными ранее, позволили провести исследование свойств СЭ плёнок состава BaxSr1-xTiO3, изготовленных ионно-плазменным магнетронным ВЧ распылением. Представлены результаты измерения управляемости (K=max/min) и диэлектрических потерь (tg ) плёнок с различного стехиометрического состава по Ba и Sr (x = 00.8). Найдено что оптимальным составом тонкой плёнки BaxSr1-xTiO3, обеспечивающим наибольшее значение параметра качества для СВЧ применений q, является твёрдый раствор, содержащий 30% Ba и 70% Sr (рис.1).
Для найденного оптимального состава тонкой плёнки Ba0.3Sr0.7TiO3 были проведены измерения диэлектрических потерь в диапазоне частот (160) ГГц. Исследования показали, что при изменении рабочей частоты от 1 до 60 ГГц происходит рост диэлектрических потерь в СЭ плёнках от tgд 0.015 до tgд 0.040.06. Частотная дисперсия диэлектрической проницаемости при температуре 300 К обнаружена не была.
В третьей главе рассмотрены технологические особенности формирования МДМ структур с СЭ плёнкой и разработана конструкция СВЧ МДМ СЭ конденсатора. Представлены результаты структурного анализа плёнок Ba0.3Sr0.7TiO3, выращенных на тонкой (~ 100 нм) плёнке Pt. Показано что СЭ плёнка является поликристаллической, имеет преимущественную ориентацию (100) и размеры кристаллитов около 0.5 мкм, а состав плёнки равномерен по толщине, за исключением приконтактных (Pt/BSTO и Cu/BSTO) областей, составляющих 50 нм.
Разработана конструкция (рис.2) СЭ МДМ конденсатора Pt/Ba0.3Sr0.7TiO3/Cu для работы в СВЧ диапазоне. Для анализа и оценки параметров конденсатора была предложена СВЧ эквивалентная схема, которая позволила произвести анализ влияния «паразитных» параметров на СВЧ свойства.
Рассмотрен способ увеличения частоты отсечки, связанной с последовательным резонансом индуктивности электродов конденсатора и его ёмкости. Оценено влияние неуправляемой планарной ёмкости и обоснована необходимость травления СЭ плёнки вне рабочей области конденсатора. Подробно оценен вклад в общие СВЧ потери МДМ конденсатора потерь в тонкой плёнке Pt, используемой в качестве нижнего электрода.
Представлены результаты измерений электрофизических свойств изготовленных МДМ Pt/Ba0.3Sr0.7TiO3/Cu конденсаторов. Вольт-фарадная характеристика показала, что управляемость K = 2 достигается при напряжении 30 В. Измерение вольт-амперных характеристик продемонстрировало их сильную несимметричность и малую (менее 1 пА) величину тока проводимости вплоть до порогового напряжения 40 В, что может быть объяснено возникновением барьеров Шоттки в приконтактных областях МДМ структуры. На зависимостях ёмкости конденсатора от температуры отмечена сильная размытость максимума. Показано, что размытие максимума может быть связано с образованием в конденсаторе слоя с последовательного включённой ёмкостью, характеристики которого оценены как диэлектрическая проницаемость S 200 и толщина dS 40 нм.
Приведены результаты исследований СВЧ свойств изготовленных конденсаторов в диапазоне (130) ГГц. Анализ частотной зависимости полных СВЧ потерь в МДМ конденсаторе (tg) показал, что они соответствуют сумме исследованных ранее потерь в СЭ плёнке (tgСЭ) и рассчитанных СВЧ потерь в металлических электродах (tgPt) (рис.3). Хорошее соответствие расчётных и экспериментальных результатов свидетельствует об адекватности предложенной модели и эквивалентной схемы, что позволило рассчитать СВЧ параметры разработанной МДМ структуры до частоты 60 ГГц.
В четвёртой главе была рассмотрена проблема быстродействия конденсаторов на основе СЭ плёнки. Наряду с быстрыми (< 10--9 c) процессами релаксации ёмкости наблюдается медленная релаксация, наличие которой приводит к существенному различию статической и динамической вольт-фарадных характеристик и существенному снижению управляемости, что схематично представлено на рис. 4. Предложена методика измерения быстродействия, заключающаяся в подаче на СЭ конденсатор, включённый в СВЧ резонатор, последовательности периодических импульсов и позволяющая определять времена релаксации ёмкости от сотен наносекунд до сотен секунд.
Для анализа возможных механизмов и влияния технологического процесса на быстродействие СЭ конденсатора были рассмотрены характерные конденсаторные СВЧ структуры, полученные при различных условиях формирования контактов металл/диэлектрик: 2-электродный планарный конденсатор Cu/BSTO/Cu с электродами на поверхности СЭ плёнки, 4_электродный конденсатор Pt/BSTO/Pt с электродами под СЭ плёнкой и МДМ конденсатор Pt/BSTO/Cu, который представляет собой несимметричную структуру и включает контакты, соответствующие двум предыдущим конструкциям. Схематичное изображение исследованных структур и их отклика на периодические импульсы напряжения представлено на рис.5. Сделано предположение о связи порогового поля начала процессов медленной релаксации с технологией формирования границы металл/диэлектрик.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Пятая глава посвящена рассмотрению СВЧ устройств с перестраиваемыми элементами. Рассмотрены 2 типа перестраиваемых фазовращателей на основе распределённых структур и сосредоточенных элементов. Для фазовращателей и фильтров получены выражения для расчёта вносимых потерь, которые позволили разделить СВЧ потери в элементах перестройки и в металлических элементах конструкции устройства. Установлено, что увеличение управляемости СЭ плёнки при сохранении её параметра качества снижает общие потери в фазовращателе, за счёт уменьшения потерь в металлических элементах.
Разработан метод определения предельно достижимого параметра качества фазовращателя на основе линии передачи с СЭ плёнкой путём измерения характеристик резонатора на основе отрезка данной линии. Разработан фазовращатель, работающий на частоте 60 ГГц, построенный на волноводно-щелевой линии на основе СЭ плёнки. Экспериментально показано, что такие фазовращательные структуры могут достигать параметра качества 32 град/дБ.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Приложение. Представлены уравнения для расчёта комплексной постоянной распространения в волноводно-щелевой линии на основе тонкой СЭ плёнки на диэлектрической подложке.
Основные результаты работы
на основе исследования плёнок BaxSr1-xTiO3 определён состав твёрдого раствора, соответствующий наилучшим СВЧ параметрам плёнок, и с помощью разработанных методик измерения получены зависимости их диэлектрических потерь от частоты в диапазоне (160) ГГц;
разработана конструкция сегнетоэлектрического конденсатора с напряжениями управления, не превышающими 30 В, оценён вклад различных источников СВЧ потерь, изготовлены и экспериментально исследованы образцы МДМ конденсаторов на основе структуры Pt/Ba0.3Sr0.7TiO3/Cr/Cu;
с помощью разработанной методики СВЧ резонанса исследовано быстродействие сегнетоэлектрических конденсаторов, полученных в различных технологических условиях, показан технологический способ увеличения порогового напряжения появления замедленной релаксации;
определена связь между СВЧ параметрами сегнетоэлектрической плёнки и устройствами (фазовращателями) на её основе, определены требования к параметрам сегнетоэлектрической плёнки, изготовлен фазовращатель на основе плёнки Ba0.3Sr0.7TiO3 для работы на частоте 60 ГГц.
Опубликованные работы по теме диссертации
Козырев А.Б. 60 ГГц фазовращатели на основе (Ba,Sr)TiO3 сегнетоэлектрической пленки / А.Б. Козырев, М.М. Гайдуков, А.Г. Гагарин, А.В. Иванов, О.И. Солдатенков, А.В. Тумаркин, С.В. Разумов, Н.В. Самойлов // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: материалы 16-й Международной конференции «КрыМиКо'2001», г. Севастополь, 10-14 сент. 2001 г. - Севастополь, 2001. - С.478-480.
Козырев А. Волноводно-щелевой 60 GHz фазовращатель на основе (Ba,Sr)TiO3 сегнетоэлектрической пленки / А. Козырев, М. Гайдуков, А. Гагарин, А. Тумаркин, С. Разумов // Письма в ЖТФ. - 2002. - Т. 28, Вып. 6. - С.51-56.
Razumov S.V. Characterisation of quality of BaxSr1-xTiO3 thin film by the commutation quality factor measured at microwaves (Определение качества тонких плёнок BaxSr1-xTiO3 с помощью коммутационного параметра качества, измеренного на СВЧ) / S.V. Razumov, A.V. Tumarkin, M.M. Gaidukov, A.G. Gagarin, A.B. Kozyrev, O.G. Vendik, A.V. Ivanov, O.Y. Buslov, V.N. Keys, L.C. Sengupta, X. Zhang // Appl. Phys. Lett. - 2002. - V. 81. - N. 9. - P. 1675-1677.
Котельников И.В. Измерения параметров сегнетоэлектрических плёнок в диапазоне (2070) ГГц / И.В. Котельников, А.Г. Гагарин, П.В. Кулик // Молодые учёные - науке, технологиям и профессиональному образованию: материалы международной научно-технической школы-конференции, Москва, 1-4 окт. 2002 г. - Москва, 2002. - С.231-233.
Разумов С.В. Электрофизические свойства тонких пленок BaxSr1-xTiO3, выращенных на подложках диоксида кремния / С.В. Разумов, А.В. Тумаркин, М.В. Сыса, А.Г. Гагарин // Письма в ЖТФ. - 2003. - Т. 29, Вып. 5. - С.1-7.
Гагарин А.Г. Измерения параметров сегнетоэлектрических плёнок с применением частично заполненных волноводных резонаторов / А.Г. Гагарин, М.М. Гайдуков // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Сер. Физика твёрдого тела и электроника. - 2003. - Вып. 1. - С.25-28.
Гагарин А.Г. Параметр качества перестраиваемого элемента на основе сегнетоэлектрической плёнки при разработке СВЧ-устройств / А.Г. Гагарин, М.М. Гайдуков // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Сер. Физика твёрдого тела и электроника. - 2003. - Вып. 2. - С.38-41.
Razumov S.V. Microwave Properties of Thin BSTO Films Based Varactors for High Frequency Applications (СВЧ свойства высокочастотных конденсаторов на основе тонких плёнок BSTO) / S.V. Razumov, A.V. Tumarkin, A.G. Gagarin, M.V. Sysa, M.M. Gaidukov, P.V. Mironenko, A.V. Zemtsov // Integrated Ferroelectrics. - 2003. - V. 55. - P. 871-876.
Самойлова Т.Б. Преобразователь частоты диапазона СВЧ на нелинейном сегнетоэлектрическом конденсаторе / Т.Б. Самойлова, А.Б. Козырев, А.В. Тумаркин, А.М. Николаенко, А.Г. Гагарин // ЖТФ. - 2005. - Т. 75, Вып. 10. - С.85-93.
Alford N. McN. Enhanced electrical properties of ferroelectric thin films by ultraviolet radiation (Электрические свойства тонких сегнетоэлектрических плёнок улучшенные ультрафиолетовым облучением) / N.McN. Alford, P.Kr. Petrov, A.G. Gagarin, A.B. Kozyrev, A.I. Sokolov, O.I. Soldatenkov, V.A. Volpyas // Appl. Phys. Lett. - 2005. - V. 87. - P. 222904.
Козырев А.Б. СВЧ МДМ конденсаторы на основе сегнетоэлектрических тонких плёнок / А.Б. Козырев, М.М. Гайдуков, А.Г. Гагарин, А.В. Тумаркин, С.В. Разумов, А.Г. Алтынников // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: материалы 16-й Международной конференции «КрыМиКо'2006», г. Севастополь, 10-14 сент. 2006 г. - Севастополь, 2006. - С.598-599.
Козырев А.Б. Резонансная методика измерения времён медленной релаксации в сегнетоэлектрических плёнках / А.Б. Козырев, М.М. Гайдуков, А.Г. Гагарин, А.Г Алтынников // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: материалы 16-й Международной конференции «КрыМиКо'2006», г. Севастополь, 10-14 сент. 2006 г. - Севастополь, 2006. - С.778-779.
Вольпяс В.А. Распределение неравновесных носителей заряда в нелинейном тонкопленочном конденсаторе / В.А. Вольпяс, А.Г. Гагарин, А.Б. Козырев, А.Г. Алтынников // Письма в ЖТФ. - 2007. - Т. 33, Вып. 19. - С.80-87.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Обобщенная структура перестраиваемых ARC-схем. Описание их модели матрично-векторной системой уравнений. Особенности их динамического диапазона и частотных свойств, расчет параметров. Общая характеристика процедуры синтеза интеграторных структур.
курсовая работа [442,5 K], добавлен 05.03.2011Выбор материала, размеров каркаса, типа обмотки, конденсатора, класса точности, группы стабильности. Определение числа витков, оптимального диаметра провода. Расчет индуктивности катушки с учетом сердечника. Нахождение температурного коэффициента частоты.
курсовая работа [824,5 K], добавлен 03.05.2015Конструкция полупроводникового проходного фазовращателя. Произведение электрического расчета устройства, разработка конструкции, выполнение компьютерного моделирования характеристик устройства дискретного фазовращателя в программе Microwave Office 2008.
контрольная работа [703,9 K], добавлен 30.11.2012Знакомство с ключевыми особенностями постройки шестнадцатеричного счетчика, работающего в коде Грея с индикацией на 7-сегментном индикаторе. Общая характеристика счетчиков с последовательным переносом: основное назначение устройств, рассмотрение функций.
контрольная работа [1,6 M], добавлен 06.08.2013Исследование схемы с управляющим входным аттенюатором. Анализ шумовых характеристик приборов. Построение усилителей мощности на основе интегральной микросхемы. Пример расчета транзисторного полосового усилителя мощности диапазона сверхвысокой частоты.
дипломная работа [3,2 M], добавлен 03.06.2012Общие свойства конденсаторов. Конденсаторы постоянной, переменной ёмкости и подстроечные. Их строение и применение. Расчет и конструирование односекционного конденсатора переменной ёмкости для нормальных условий эксплуатации. Обзор и анализ конструкций.
курсовая работа [127,3 K], добавлен 10.06.2009Разработка конденсатора переменной ёмкости с заданными параметрами, приобретение опыта разработки электрорадиоэлементов. Обзор конструкций и выбор направления проектирования. Расчет конденсатора, температурного коэффициента емкости, контактной пружины.
курсовая работа [39,7 K], добавлен 10.03.2010Типы синтезаторов частоты. Методы и приборы генерации сигналов средневолнового диапазона и способы их излучения. Разработка структурной схемы проектируемого устройства, обеспечение его питания. Исследование синтезатора частот средневолнового диапазона.
дипломная работа [2,7 M], добавлен 23.09.2016Расчет режима цепи до коммутации. Определение корней характеристического уравнения. Начальные условия для тока в индуктивности. Оценка продолжительности переходного процесса. Графики токов в электрической цепи, напряжения на ёмкости и индуктивности.
курсовая работа [737,0 K], добавлен 25.12.2014Задачи, решаемые эпитаксией в технологическом процессе. Многоэмиттерные транзисторные структуры. Направления функциональной микроэлектроники. Акустоэлектроника: типы устройств, их конструкция и параметры. Расчет тонкопленочного резистора и конденсатора.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 26.03.2015
