Введение к работе
Актуальность работы. Ведущиеся в настоящее время интенсивные исследования электрофизических свойств на СВЧ сегнетоэлектрических тонкопленочных материалов представляют большой.интерес как с точки зрения физики сегнетоэлектриков, так и их технических приложений. Исследование диэлектрических свойств сегнетоэлектрических пленок позволяет получить информацию об их высокочастотных свойствах, углубить понимание механизмов СВЧ потерь в широком диапазоне частот, улучшить характеристики и расширить их техническое применение. Сегнето-электрики обладают рядом свойств, которые делают эти материалы привлекательными с точки зрения разработки на их основе электрически управляемых СВЧ устройств. Такими свойствами являются: высокое быстродействие, способность работать при повышенных уровнях СВЧ мощности, низкое энергопотребление по цепям управления, высокая радиационная стойкость и низкая стоимость производства.
Использование сегнетоэлектриков в СВЧ технике позволяет реали-зовывать электрически управляемые перестраиваемые резонаторы, фильтры, фазовращатели и линии задержки. Практическая реализация электрически управляемых сегнетоэлектрических СВЧ устройств, оценка их параметров и предельных возможностей связаны с решением следующих научно-технических задач.
1. Исследование сегнетоэлектрических тонкопленочных элементов в СВЧ
диапазоне.
Современные достижения в технологии получения высококачественных сегнетоэлектрических тонкопленочных элементов делают реальностью перспективы их использования в микроэлектронике СВЧ. Однако отсутствие в настоящее время данных об электрофизических свойствах тонких сегнетоэлектрических пленок существенно затрудняет, разработку электрически перестраиваемых СВЧ устройств на их основе. Для создания конкурентоспособных СВЧ устройств необходимо получить информацию о величине диэлектрической нелинейности и потерь сегнетоэлектрических пленок, реализованных различными.технологическими методами (магне-тронное и лазерное напыление, керамическая технология), в широком диапазоне частот от единиц до десятков ГГц.
2. Определение быстродействия сегнетоэлектрических тонкопленочных
элементов при воздействии импульсного электрического ПОЛЯ.
Для электрически перестраиваемых СВЧ устройств в современной микроэлектронике используется, как правило, импульсное управляющее воздействие. В такой ситуации исследования, связанные с изучением времени отклика диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрических пленок на импульсное электрическое поле,гЯМ?КП'Й jS?6fl&flflWrt*H Ддя оп~
ределения быстродействия сегнетоэлектрических элементов и СВЧ устройств на их основе.
3. Исследование влияния уровня мощности СВЧ сигнала на параметры
сегнетоэлектрических элементов.
Как правило, исследования параметров сегнетоэлектрических элементов проводятся при малых уровнях СВЧ сигнала, не позволяющих прогнозировать их поведение в устройствах, работающих при повышенных уровнях СВЧ сигнала. Это делает необходимым экспериментальные и теоретические исследования нелинейности сегнетоэлектрических элементов в СВЧ полях с повышенной амплитудой электрического поля. Модельные описания изменения свойств сегнетоэлектрических тонкопленочных элементов при воздействии СВЧ сигнала повышенной амплитуды электрического пола позволяют оценить предельные уровни СВЧ мощности, не приводящие; к потере нелинейных свойств и/или деградации параметров сегнетоэлектрических элементов.
4. Реализация и исследование в СВЧ диапазоне сегнетоэлектрических фа
зовращателей.
Актуальность создания высокоэффективных фазовращателей СВЧ диапазона связана, в первую очередь, с развитием фазированных антенных решеток для систем локации и связи. Необходимо проведение исследований, целью которых является определение возможности реализации конкурентоспособных СВЧ фазовращателей на базе тонких сегнетоэлектрических пленок.
Целью диссертационной работы является исследование нелинейности и диэлектрических потерь сегнетоэлектрических тонкопленочных элементов в широком интервале частот, температур и электрических полей (постоянных, импульсных и синусоидальных) для создания электрически перестраиваемых устройств СВЧ диапазона.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
Разработаны методики СВЧ измерений основных параметров сегнетоэлектрических пленок и элементов на их основе при приложении постоянного, импульсного и синусоидального электрических полей.
Проведены исследования СВЧ свойств пленок титаната стронция в повышенных электрических полях (до 100 В/мкм), что позволило впервые создать СВЧ фазовращатель на основе пленок SrTi03, работающий при комнатных температурах.
Показано, что сегнетоэлектрические тонкопленочные элементы обладают высоким быстродействием (^ 10 не) при приложении импульсного электрического поля, что позволяет реализовывать на их основе быст-
родействующие устройства, отвечающие современным требованиям микроэлектроники СВЧ.
Экспериментально и аналитически исследовано нелинейное поведение сегнетоэлектрических тонкопленочных элементов при воздействии СВЧ сигнала повышенной амплитуды электрического поля. Проведена оценка предельно допустимых уровней СЧВ мощности, не приводящих к деградации СВЧ характеристик планарных сегнетоэлектрических конденсаторов и устройств на их основе.
Продемонстрирована возможность создания интегральных сегнетоэлектрических фазовращателей, эффективно работающих в миллиметровом диапазоне длин волн с параметрами качества ~40 град/дБ на частотах 30 ГГц и -20 град/дБ на частотах 60 ГГц.
Практическая значимость полученных результатов.
Получены данные об уровне диэлектрических потерь сегнетоэлектрических пленок в диапазоне частот от единиц до десятков ГГц.
Разработана методика и проведены исследования, позволившие определить быстродействие сегнетоэлектрических элементов, изготовленных современными технологическими методами.
Разработана методика исследования нелинейного поведения сегнетоэлектрических элементов в повышенном электрическом поле СВЧ. Определены предельно допустимые уровни СВЧ мощности, не приводящие к изменениям характеристик устройств СВЧ, содержащих сегнетоэлектриче-ские элементы.
На основе исследованных сегнетоэлектрических пленок разработаны и реализованы электрически перестраиваемые резонаторы и фазовращатели, работающие в широком диапазоне частот 2-5-60 ГГц.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
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.
-
Медленные релаксационные процессы (с характерными временами ^20 мкс) диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрических пленок приводят к снижению управляемости не более чем на (5-=-10) %, что не препятствует созданию быстродействующих (с временами переключения ^10 не) электрически управляемых СВЧ устройств на основе сегнетоэлектрических элементов.
-
Нелинейное поведение элементов на основе сегнетоэлектрических пленок в сильном электрическом поле СВЧ может быть описано на осно-
вании 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 40-5-20 град/дБ в диапазоне частот 30+60 ГГц, что делает их конкурентоспособными с существующими аналогами.
Реализация результатов работы.
В грантах:
-
Российской Академии Наук № 96141 (шифр "Космос-2) «СВЧ перестраиваемые фильтры и фазовращатели на основе ВТСП и сегнетоэлектрических пленок»;
-
Министерства Образования Российской Федерации программа «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма «Электроника», раздел «Элементная база микроэлектроники», проект: «Разработка элементной базы и устройств СВЧ радиоэлектроники на основе сегнетоэлектрических пленок», код проекта 208.02.01.028;
-
Министерства Образования Российской Федерации программа «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма «Новые материалы», раздел «Керамические материалы и сегнетоэлектрики», проект «Сег-нетоэлектрические пленки на СВЧ: физика, технология, применения», код проекта 202 .03.02.009
В фанте №ААХ-17658-01 от 15.04.98 "Ferroelectric materials for advanced communications applications" («Сегнетоэлектрические материалы для коммерческих приложений»), предоставленный National Renewable Energy Laboratory (USA).
В фанте No. KR-2000A081 от 20.01.00 «Development of Phase shifter/Radiating Element Module for Phased Array Antenna using Ferroelec-trics» («Разработка фазовращателей/излучающих элементов для фазиро-
. ванных антенных решеток, использующих сегнетоэлектрики), предоставленный Korea Institute of Science and Technology (Корейский Институт Науки и Технологии).
В контракте № 840/02068539 от 28.12.01 "Development of Phase Shifters,
Tunable Filter, Delay Line, Mixer and Voltage Tunable Oscillators» («Разра
ботка фазовращателей, перестраиваемых филыров,л линий задержки,
миксеров и перестраиваемых генераторов»), между Санкт-
Петербургским Государственным Электротехническим Университетом
(Россия) и фирмой Paratek (USA).
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
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.
Публикации. По теме диссертации опубликовано семнадцать научных работ, из них четырнадцать статей и тезисы к трем докладам на международных научно-технических конференциях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 102 наименования. Основная часть работы изложена на 146 страницах машинописного текста и содержит 59 рисунков и 8 таблиц.
