В настоящее время в электронной индустрии применяются сегнетоэлектрики (СЭ) на основе титанатов, цирконатов и танталатов [1]. В СВЧэлектронике широко используются твёрдые растворы бариястронция BaxSr1xTiO3– (BSTO), обладающие высоким значением диэлектрической проницаемости (ε), значительной нелинейностью и относительно малым значением тангенса угла диэлектрических потерь (tgδ) по сравнению с другими СЭматериалами. Возможность добавления в твёрдый раствор BSTO примесей, таких как Mn, Mg и др. [1], позволяет варьировать электрофизические характеристики СЭплёнок. Отличительным преимуществом сегнетоэлектрических плёнок (СЭП) является возможность их применения в элементах ЭКБ и функциональных модулях в интегральном исполнении, что, в свою очередь, исключает применение дополнительных сборочномонтажных и настроечных операций. Интегральный поход в сочетании с микроэлектронной технологией и относительно низкая стоимость материалов могут обеспечить значительные преимущества электрически перестраиваемых устройств на основе сегнетоэлектрических плёночных структур в условиях серийного производства.
Разработка и макетирование СВЧустройств на основе сегнетоэлектриков, которые обладают рядом преимуществ по отношению к устройствам, изготовленным на полупроводниках и ферритах, продолжаются уже на протяжении 30 лет. Интерес разработчиков к СВЧустройствам на основе СЭ в последние годы возрос в связи с фундаментальными исследованиями и полученными результатами, а именно с возможностью получения СЭП с температурно стабильными характеристиками, что ранее являлось сдерживающим фактором их промышленного применения. Наиболее изученными в СВЧдиапазоне являются многослойные нанокомпозитные СЭП (МНСЭП)[2, 3] на основе твёрдых растворов BSTO с разной концентрацией бария в каждом из нанослоёв, относительная диэлектрическая проницаемость которых, по отношению к полю СВЧ, изменяется более чем в 2 раза при подаче внешнего электрического поля напряжённостью 1,5…3 кВ/мм.
Для определения электрофизических параметров МНСЭПструктур – диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь – могут быть применены резонансные методы, которые позволяют с высокой точностью охарактеризовать их свойства в широком диапазоне частот. Одним из методов, используемых для определения параметров МНСЭП по измеренной резонансной частоте и нагруженной добротности, является измерение в объёмном резонаторе. В этом случае структура «МНСЭП – диэлектрическая подложка» будет включена в объёмный резонатор частично, как изображено на рис. 1а. Очевидно, что характеристики МНСЭП (ε и tgδ) должны оказывать заметное влияние на резонансную частоту и добротность резонатора. В противном случае может возникнуть большая погрешность их измерения и определения. С другой стороны, конструкция резонатора, способ его возбуждения и возможность выбора связи резонатора с возбуждающим объёмом должны быть просты и надёжны.
Диэлектрический образец с МНСЭП устанавливается вдоль узкой стенки отрезка волновода (см. рис. 1б), а замкнутый объём резонатора образуется за счёт тонких металлических пластин, прикладываемых к его боковым поверхностям (см рис. 1в). Возбуждение резонатора выполняется через круглые отверстия связи, сделанные в тонких металлических пластинах, диаметр отверстий рассчитывается с учётом обеспечения их минимальной реактивности, чтобы уменьшить влияние на значение измеряемой резонансной частоты, что в конечном итоге снизит погрешность в определении диэлектрических свойств МНСЭП.
Измерение параметров плёнок проводилось на векторном анализаторе цепей фирмы Agilent. На рис. 2 изображена резонансная характеристика пустого объёмного резонатора размером 7,10×3,40×5,05 мм.
Расчётное значение собственной резонансной частоты основного типа колебания резонатора с такими геометрическими размерами равно 36,424 ГГц, результат измерения его частоты на векторном анализаторе показывает значение 36,449 ГГц. Отличие расчётного значения частоты от измеренного составляет менее 0,07%. Измеренная нагруженная добротность резонатора Q имеет величину более 4000. Таким образом, полученные данные гарантируют высокую точность определения характеристик (εэфф и tgδ) измеряемых структур используемым резонансным методом.
Расчёты характеристик МНСЭП по экспериментальным значениям резонансной частоты и добротности резонатора были выполнены на базе электродинамических моделей, подробно описанных в [4]. Точность определения диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрической плёнки в объёмном резонаторе тем выше, чем выше коэффициент включения плёнки. Поэтому необходимо подбирать оптимальное заполнение резонатора.
На рис. 3 представлена резонансная характеристика измеряемой структуры с многослойной СЭП, изготовленной по технологическому процессу JF2.
Источником погрешности в определении ε и tgδ МНСЭП являются только инструментальные погрешности, так как расчёт ε и tgδ принципиально точен [4]. В таблице 1 показаны результаты измерений резонансной частоты и добротности объёмного резонатора с диэлектрическим заполнением для различных диэлектрических структур с МНСЭП, произведённых в разных технологических режимах, и даны численные результаты расчётов их параметров.
Типовые зависимости диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь от температуры показаны на рис. 4.
Измерение диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь МНСЭПплёнки можно выполнить, используя полуволновой резонатор (см. рис. 5а), образованный щелевой или многощелевой линией на слоистой диэлектрической подложке (1), установленный в разборный прямоугольный волновод (2). На рис. 5б представлена фотография собранной измерительной ячейки. Расчёт параметров полуволнового щелевого резонатора подробно описан в работе [4].
Измеренная резонансная характеристика многощелевого резонатора с МНСЭП, выполненного по технологическому процессу CF3, изображена на рис. 6.
В таблице 2 представлены расчётные ε и tgδ МНСЭП, полученные по результатам измерений частотных параметров щелевых полуволновых резонаторов.
Таким образом, полученные экспериментальные результаты показывают, что структура «диэлектрическая подложка – МНСЭП» является высокодобротной на сверхвысоких частотах, имеет низкую температурную зависимость своих параметров и может стать основой для построения устройств с электрически перестраиваемыми АЧХ и ФЧХ, работающих в миллиметровом диапазоне длин волн.
Литература
- Воротилов К.А., Мухортов В.М., Сигов А.С. Интегрированные сегнетоэлектрические устройства. Монография / Под ред. чл.корр. РАН А.С. Сигова. – М.: Энергоатомиздат, 2011. – 175 с. ил.
- Щелевая линия [Текст]: пат. 2443042 Рос. Федерация: МПК H01P 3/08 / Мироненко И.Г., Иванов А.А., Карманенко С.Ф., Семенов А.А., Белявский П.Ю. ;заявл. 19.11.2010; опубл. 20.02.2012.
- В.М. Балашов, И.Г. Мироненко, А.А. Иванов, А.И. Фирсенков, Д.В. Велькин, О.В. Яковлев, Н.А. Емельянов, Технология и диэлектрические свойства многослойных нанокомпозитных сегнетоэлектрических плёнок Вопросы Радиоэлектроники, сер. РЛТ, 2018, январь, выпуск 1.
- Иванов А.А., Мироненко, И.Г., Карманенко С.Ф., Семёнов А.А., Назаров И.А. Сегнетоэлектрические пленки и устройства на сверх и крайне высоких частотах. – СПб.: Элмор, 2007. – 162 с., тираж 90 экз.
Если вам понравился материал, кликните значок - вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал - не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!