Результаты измерений диэлектрических свойств нанокомпозитных сегнетоэлектрических плёнок в СВЧ-диапазоне

В настоящее время в электронной индустрии применяются сегнетоэлектрики (СЭ) на основе титанатов, цирконатов и танталатов [1]. В СВЧ­электронике широко используются твёрдые растворы бария­стронция Ba_xSr_1­xTiO₃– (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 (ε_эфф 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