Сегнетоэлектрические тонкопленочные элементы для электрически управляемых СВЧ устройств

Ведущиеся в настоящее время интенсивные исследования СВЧ электрофизических свойств сегнетоэлектрических тонкопленочных материалов представляют большой интерес как с точки зрения физики сегнетоэлектрических материалов, так и ее приложений. Изучение диэлектрических свойств сегнетоэлектрических материалов позволяет получить информацию об их фундаментальных и высокочастотных свойствах, углубить понимание механизмов СВЧ потерь, улучшать характеристики и ускорять техническое применение сегнето.

• электрических материалов. Сегнетоэлектрические материалы обладают рядом свойств, которые делают эти материалы привлекательными с точки зрения разработки на их основе электрически управляемых СВЧ устройств: высокое быстродействие и способность работать при повышенных уровнях СВЧ мощностинизкое энергопотребление по цепям управлениявысокая радиационная стойкость и низкая стоимость производства.

Использование сегнетоэлектрических материалов в СВЧ технике позволяет реализовывать электрически управляемые перестраиваемые резонаторы и фильтры, фазовращатели и линии задержки, использующие принцип изменения диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрических материалов при воздействии постоянного управляющего напряжения. Перспективность использования сегнетоэлектрических СВЧ устройств обусловлена комбинацией высокого быстродействия и возможности работать при высоких уровнях СВЧ мощности без существенной деградации свойств по сравнению с полупроводниковыми и фер-ритовыми аналогами.

Практическая реализация электрически управляемых сегнетоэлектрических СВЧ устройств, оценка их параметров и предельных возможностей связаны с решением следующих научно-технических проблем.

1. Комплексное исследование параметров сегнетоэлектрических тонкопленочных элементов в СВЧ диапазоне.

В настоящее время, основное число публикаций посвящено измерениям ВЧ свойств сегнетоэлектрических пленок в ограниченном интервале частот (до единиц МГц). Публикации, связанные с СВЧ измерениями дают отрывочную информацию об электрофизических свойствах в достаточно узких поддиапазонах СВЧ частот. Создание сегнетоэлектрических СВЧ устройств делает необходимым выявление зависимостей диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь от управляющего постоянного напряжения в широком диапазоне частот от единиц до десятков гигагерц. Для создания конкурентоспособных СВЧ устройств необходимо получить информацию о величине диэлектрических потерь сегнетоэлектрических пленок, полученных различными технологическими методами (магнетронное и лазерное напыление, керамическая технология) в высокочастотой части СВЧ диапазона.

2. Исследование вопросов, связанных с быстродействием сегнетоэлектрических тонкопленочных элементов, работающих в параэлектрической фазе.

На современном уровне развития СВЧ техники предъявляются жесткие требования к быстродействию электрически перестраиваемых СВЧ устройств. В настоящее время проведены исследования элементов памяти, работающих на основе сегнетоэлектрических пленок в сегнетофазе, быстродействие которых не превышает 0.1−1 мкс. Существенно более высокие скорости переключения (десятки не) необходимы для конкурентоспособной работы электрически перестраиваемых устройств СВЧ диапазона, что определяет необходимость проведения исследований быстродействия сегнетоэлектрических тонкопленочных нелинейных элементов в парафазном (бездоменном) состоянии.

3. Исследования влияния СВЧ сигнала повышенного уровня мощности на параметры сегнетоэлектрических элементов. ф.

Традиционно, за исключением нескольких публикаций, исследования параметров сегнетоэлектрических элементов проводятся при малых уровнях СВЧ сигнала, не позволяющих спрогнозировать их поведение при повышенных уровнях СВЧ электрического поля. Разработка устройств, работающих при повышенных уровнях СВЧ сигнала (приемо-передающие, локационные системы) делает необходимым экспериментальные и теоретические исследования нелинейности сегнетоэлектрических элементов в СВЧ полях повышенной амплитуды. Модельные описания изменения свойств сегнетоэлектрических тонкопленочных элементов при воздействии СВЧ сигнала повышенной амплитуды позволяют оценить предельные уровни СВЧ мощности, не приводящие к потере нелинейных свойств и/или деградации параметров сегнетоэлектрических элементов. Интересным является вопрос, связанный с перегревом сегнетоэлектрических тонкопленочных элементов за счет диссипации СВЧ мощности и оценка величин перегрева сегнетоэлектрических пленок.

4. Реализация и исследования в СВЧ диапазоне сегнетоэлектрических фазовращателей.

В настоящее время существенно возрос интерес к реализации высокоэффективных фазовращателей СВЧ диапазона, способных управлять фазой СВЧ сигнала в широком частотном диапазоне. Это связано, в первую очередь, с развитием систем локации и связи, что обуславливает необходимость реализации фазированных антенных решеток, в составе которых работают фазовращатели СВЧ диапазона. В связи с тем, что используются различные диапазоны частот СВЧ (2−10 ГГц, 30−80 ГГц) для решения существующих задач передачи информации и определения местоположения объектов, необходимо проведение исследований, целью которых является определение возможности реализации конкурентоспособных СВЧ фазовращателей на основе тонких сегнетоэлектрических пленок.

Перечисленный круг вопросов позволяет сформулировать цель настоящей работы: исследование параметров (нелинейности и диэлектрических потерь) сегнетоэлектрических тонкопленочных элементов в широком интервале частот, в том числе при воздействии СВЧ сигнала повышенного уровня мощности и импульсов управляющего напряжения для реализации электрически перестраиваемых устройств СВЧ диапазона на основе тонких сегнетоэлектрических пленок.

Основными задачами исследований, проведенных в рамках данной работы в связи с обозначенными целями, являлись:

1. Разработка СВЧ измерительных устройств для исследования СВЧ параметров сегнетоэлектрических планарных конденсаторов в диапазоне 2−10 ГГц.

2. Исследование диэлектрических СВЧ свойств тонких сегнетоэлектрических пленок в широком частотном диапазоне.

3. Разработка методики измерений и определение времени изменения диэлектрической проницаемости тонкопленочных сегнетоэлектрических элементов в СВЧ диапазоне при воздействии видеоимпульсов напряжения.

4. Разработка методики и проведение исследований СВЧ характеристик резонатора, содержащего нелинейный сегнетоэлектрический элемент, при воздействии СВЧ сигнала повышенного уровня мощности. Определение нелинейного отклика и перегрева сегнетоэлектрических элементов за счет диссипации СВЧ мощности.

5. Реализация и исследования СВЧ характеристик сегнетоэлектрических фазовращателей, способных управлять фазой СВЧ сигнала в сантиметровом и миллиметровом диапазоне длин волн. Разработка фазированной антенной решетки, управление лучом которой осуществляется с помощью сегнетоэлектрических СВЧ фазовращателей.

Исследования, проведенные в рамках изложенных выше задач, позволяют сформулировать следующие научные положения, выносимые на защиту:

1. Для создания электрически перестраиваемых сегнетоэлектрических СВЧ устройств с повышенной температурной стабильностью, работающих при комнатных температурах, целесообразно использовать пленки титаната-стронция при управлении электрическими полями с напряженностью до 100 В/мкм.

2. Медленные релаксационные процессы (с характерными временами >20 мкс) диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрических пленок приводят к снижению управляемости не более чем на (5-Н0) %, что не препятствует созданию быстродействующих (с временами переключения <10 не) электрически управляемых СВЧ устройств на основе сегнетоэлектрических элементов.

3. Нелинейное поведение элементов на основе сегнетоэлектрических пленок в сильном электрическом поле СВЧ может быть описано на основании результатов малосигнальных измерений зависимости емкости от постоянного напряжения.

4. Использование тонких пленок титаната бария-стронция позволяет создавать интегральные СВЧ фазовращатели на основе сосредоточенных элементов с параметром качества 40-ь20 град/дБ в диапазоне частот 30-И50 ГГц, что делает их конкурентоспособными с существующими аналогами.

Кроме перечисленных научных положений, основные результаты диссертационной работы отражены в следующих выводах (представленных в конце глав 2, 3, 4, 5).

1. Исследованные сегнетоэлектрические планарные конденсаторы имеют приемлемые диэлектрические свойства для проектирования на их основе устройств СВЧ диапазона. Результаты измерений СВЧ свойств тонких сегнетоэлектрических пленок продемонстрировали отсутствие частотной дисперсии диэлектрической проницаемости исследованных пленок и елабую зависимость диэлектрических потерь в частотном диапазоне (29) ГГц.

Разработанная четырехэлектродная конструкция планарного конденсатора позволяет создавать в сегнетоэлектрической пленке повышенные электрические поля. Диэлектрическая нелинейность планарных SrTiCb конденсаторов достигала значений 1.8−2.0 при Т=300 К. Продемонстрирована возможность создания сегнетоэлектрических элементов управляемых устройств СВЧ диапазона совместно с высокотемпературными сверхпроводящими материалами (YBa2Cu307.x). Исследованные УВагСизОт. х/ЗгТЮз/ЬаАЮз конденсаторы при Т=78 К продемонстрировали управляемость к=2.44 и приемлемые для СВЧ приложений потери.

Результаты проведенных исследований продемонстрировали высокое быстродействие тонкопленочных сегнетоэлектрических элементов. Изменение диэлектрической проницаемости тонких пленок БгТЮз происходит за времена меньшие чем 10 не. Результаты измерений (Ba, Sr) Ti03 конденсаторов указывают на наличие двух различных механизмов изменения диэлектрической проницаемости (Ba, Sr) TiC>3 пленки: быстрое изменение величины диэлектрической проницаемости за время, не превышающее 10 не, и более медленное, с временем отклика порядка 20 мкс. Проведенные исследования позволили определить коэффициенты нелинейности сегнетоэлектрических тонкопленочных конденсаторов при воздействии СВЧ электрического поля повышенной амплитуды. Сравнение вольт-фарадных характеристик позволяет сделать следующий вывод: коэффициенты нелинейности сегнетоэлектрических конденсаторов, измеренные в результате малосигнальных экспериментов, совпадают с коэффициентами нелинейности, полученными при измерениях СВЧ резонатора при воздействии СВЧ сигнала высокого уровня мощности.

Проведены оценки перегрева сегнетоэлектрических элементов при воздействии СВЧ сигнала повышенного уровня мощности. На основании проведенных экспериментов определены тепловые постоянные времени планарных сегнетоэлектрических конденсаторов. Показано, что основным фактором, ограничивающим возможность сегнетоэлектрических конденсаторов работать без существенной деградации электрофизических свойств при воздействии СВЧ сигнала повышенного уровня мощности, является перегрев элементов.

Проведенные исследования влияния повышенных уровней СВЧ мощности на характеристики двухрезонаторной системы продемонстрировали возможность работы при импульсной мощности Р<40 Вт без изменения потерь в рабочем диапазоне частот.

Проведены оценки перегрева сегнетоэлектрических конденсаторов, включенных в двухрезонаторную схему, при воздействии мощного СВЧ сигнала. Показано, что наибольшая мощность диссипируется в конденсаторе первого контура. Перегрев пленки сегнетоэлектрика первого конденсатора составляет величину порядка 200 К при падающей мощности Р=40 Вт. Температурный перегрев сегнетоэлектрических конденсаторов за счет диссипации СВЧ мощности приводит к более чем 20% изменению емкости и сдвигу АЧХ двухрезонаторной системы в более высокочастотную область.

Изменение геометрических размеров сегнетоэлектрического конденсатора первого резонансного контура (в двухрезонаторной СВЧ схеме) позволяет уменьшить перегрев и повысить предельный уровень мощности, при котором система способна работать без существенной деградации СВЧ характеристик.

Разработан СВЧ фазовращатель на основе нагруженной микрополосковой линии, в качестве нелинейных элементов которого использованы планар-ные SrTi03 конденсаторы. В диапазоне частот ~10ГГц фазовращатель ш продемонстрировал параметр качества 110 град/дБ при Т=300 К. Потери в фазовращателе не превышали величины 0.5 дБ. Представленная конструкция фазовращателя показала возможность разработки на основе SrTiCb конкурентоспособных электрически управляемых устройств СВЧ диапазона, работающих при Т=300 К, при условии создания повышенных электрических полей в сегнетоэлектрической пленке.

11. Разработаны и исследованы фазовращатели на основе нагруженной мик-рополосковой линии, работающие в диапазоне 30 ГГц. Параметр качества разработанных фазовращателей составил величину 36 град/дБ (непрерывный фазовый сдвиг до 360 град). На основе этих фазовращателей была построена фазированная антенная решетка с электрическим управлением лучом, которая продемонстрировала возможности сканирования луча в пределах ±30 град, при уровне боковых лепестков -10 дБ. Диаграмма направленности антенной решетки составила величину 21 град (при положении луча по нормали к плоскости излучателей) и 26 град (при отклонении луча на максимальные углы).

12. Представлена конструкция СВЧ фазовращателей, способного управлять фазой СВЧ сигнала в диапазоне ~60 ГГц. Интегральный сегнетоэлектрический СВЧ фазовращатель на основе нагруженной линии продемонстрировал параметр качества 22 град/дБ (максимальные потери 10 дБ).

13. Экспериментальные исследования характеристик СВЧ фазовращателей продемонстрировали возможность создания на основе тонких сегнетоэлектрических пленок эффективных электрически перестраиваемых устройств работающих в диапазоне от единиц ГГц до ~60 ГГц, несмотря на возможное существование дисперсии диэлектрической проницаемости в миллиметровом диапазоне длин волн.

Материалы диссертационной работы изложены в семнадцати печатных трудах, опубликованных в научных журналах и тезисах докладов на конференциях:

NATO Advanced Research Workshop on Microwave Physics and Techniques, Sozopol, Bulgaria, 1996.

International Symposiums on Integrated Ferroelectrics (1997;2003).

European Microwave Conference, Jerusalem, Israel, 1997.

International IEEE MTT-Symposium, Baltimore, USA, 1998.

Progress in Electromagnetics Research Symposium, Nantes, France, 1998.

Международная Крымская конференция «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии», Севастополь, Украина, 2001;2003.

IV Международная научно-техническая конференция «Электроника и Информатика — 2002», Зеленоград, Россия, 2002.

Основные результаты диссертационной работы, кратко изложенные ниже, являются новыми научными фактами.

Исследованные сегнетоэлектрические планарные конденсаторы имеют приемлемые электрофизические свойства для проектирования на их основе электрически управляемых устройств в диапазоне частот от единиц до десятков ГГц.

Исследованы СВЧ свойства сегнетоэлектрических SrTiC^ конденсаторов при комнатных температурах. Разработанная четырехэлектродная конструкция планарного конденсатора позволяет создавать в сегнетоэлектрической пленке электрические поля до 100 В/мкм, при этом диэлектрическая нелинейность планарных SrTi03 конденсаторов достигала значений 1.8−2.0 при Т=300 К.

Показана возможность создания сегнетоэлектрических элементов управляемых устройств СВЧ диапазона совместно с высокотемпературными сверхпроводящими материалами (УВагСизОу.х). Исследованные УВагСизОу. х/ЗгТЮз/ЬаАЮз конденсаторы при Т=78 К продемонстрировали управляемость к=2.44 и приемлемые для СВЧ приложений потери (tg5<0.03).

Результаты проведенных исследований продемонстрировали высокое быстродействие тонкопленочных сегнетоэлектрических элементов. Изменение диэлектрической проницаемости тонких пленок SrTi03 происходит за времена меньшие чем 10 нс (при воздействии импульсами напряжения длительностью 100 мс). Результаты измерений конденсаторов на основе гранулированных пленок (Ba, Sr) Ti03 указывают на наличие двух различных механизмов изменения диэлектрической проницаемости (Ba, Sr) Ti03 пленки: быстрое изменение величины диэлектрической проницаемости за время, не превышающее 10 нс, и более медленное, с временем отклика порядка 20 мкс.

Проведенные исследования позволили определить коэффициенты нелинейности сегнетоэлектрических тонкопленочных конденсаторов при воздействии на них амплитуды СВЧ электрического поля. Можно сделать следующий вывод: коэффициенты нелинейности сегнетоэлектрических конденсаторов, измеренные в результате малосигнальных экспериментов, совпадают с коэффициентами нелинейности, полученными в результате измерений при воздействии СВЧ сигнала высокого уровня мощности. Проведены оценки перегрева сегнетоэлектрических элементов при воздействии СВЧ сигнала повышенного уровня мощности. На основании экспериментальных данных были определены тепловые постоянные времени планарных сегнетоэлектрических конденсаторов. Показано, что основным фактором, ограничивающим возможность сегнетоэлектрических конденсаторов работать без деградации параметров при воздействии СВЧ сигнала повышенного уровня мощности, является перегрев элементов. Разработана электрически управляемая двухрезонаторная СВЧ система, содержащая планарные сегнетоэлектрические конденсаторы в качестве нелинейных элементов. Проведенные исследования влияния повышенных уровней СВЧ мощности на характеристики двухрезонаторной системы продемонстрировали ее способность работать без изменения величины потерь в рабочем диапазоне частот вплоть до Р=40 Вт падающей импульсной мощности. Проведены оценки перегрева сегнетоэлектрических конденсаторов, включенных в двухрезонаторную схему при воздействии мощного СВЧ сигнала. Показано, что наибольшая мощность диссипиру-ется в конденсаторе первого контура. Продемонстрировано, что изменение геометрических размеров сегнетоэлектрического конденсатора первого резонансного контура позволяет уменьшить температурный перегрев и повысить способность всей системы работать при высоких уровнях СВЧ мощности без существенного ухудшения СВЧ характеристик. Разработан и исследован СВЧ фазовращатель на основе нагруженной микрополосковой линии, в качестве нелинейных элементов которого использовались планарные ЗгТЮз конденсаторы. В диапазоне частот вблизи 10 ГГц фазовращатель продемонстрировал параметр качества 110 град/дБ при Т=300 К. Потери в фазовращателе не превышали величины 0.5 дБ. Представленная конструкция фазовращателя показала возможность разработки на основе ЭгТЮз электрически управляемых устройств СВЧ диапазона, работающих при Т=300 К.

Разработаны и исследованы фазовращатели на основе нагруженной микрополосковой линии и на основе отражательных секций, содержащих два нелинейных сегнетоэлектрических элемента, работающие в диапазоне 30 ГГц. Параметр качества разработанных фазовращателей составил величину 36 град/дБ (непрерывный фазовый сдвиг до 360 град). На основе этих фазовращателей была построена фазированная антенная решетка с электрическим управлением лучом, которая продемонстрировала возможности сканирования луча в пределах ±30 град, при уровне боковых лепестков -10 дБ. Ширина луча диаграммы направленности антенной решетки составила величину 21 град (при положении луча по нормали к плоскости) и 26 град (при отклонении луча на максимальные углы). Представлены конструкции СВЧ фазовращателей, способных управлять фазой СВЧ сигнала в диапазоне 60 ГГц. Интегральный сегнетоэлектриче-ский СВЧ фазовращатель на основе нагруженной линии продемонстрировал параметр качества 22 град/дБ (максимальные потери 10 дБ).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Настоящая работа посвящена исследованию электрофизических свойств тонких сегнетоэлектрических пленок в СВЧ диапазоне с целью реализации на их основе электрически управляемых СВЧ устройств. В работе представлены результаты исследования малосигнальных СВЧ свойств планарных конденсаторов, сегнетоэлектрические пленки которых были изготовлены различными технологическими методами. В работе проведены исследования времени переключения планарных сегнетоэлектрических конденсаторов при воздействии униполярных импульсов напряжения. Представлены результаты исследований влияния СВЧ сигнала повышенного уровня мощности на диэлектрические характеристики сегнетоэлектрических элементов. Разработаны и представлены конструкции сегнетоэлектрических СВЧ фазовращателей, работающих в диапазоне сантиметровых и миллиметровых длин волн. Разработана фазированная антенная решетка, электрическое управление лучом которой осуществляется с помощью сегнетоэлектрических СВЧ фазовращателей.

На основании экспериментальных исследований и теоретического моделирования были определены: (1) управляемость и диэлектрические потери планарных сегнетоэлектрических конденсаторов, изготовленных различными технологическими методами- (2) времена изменения диэлектрической проницаемости тонких сегнетоэлектрических пленок при воздействии униполярных импульсов напряжения- (3) коэффициенты нелинейности сегнетоэлектрических конденсаторов при воздействии СВЧ сигнала повышенного уровня мощности- (4) температуры перегрева сегнетоэлектрических элементов, работающих при воздействии мощного СВЧ сигнала- (5) максимальные уровни СВЧ мощности, не приводящие к существенной деградации электрофизических свойств сегнетоэлектрических элементов.