Сегнетоэлектрические тонкопленочные элементы для электрически управляемых СВЧ устройств тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат технических наук Иванов, Андрей Владимирович

• Иванов, Андрей Владимирович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Иванов, Андрей Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

1. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕ-СКИХ МАТЕРИАЛОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИ УПРАВЛЯЕМЫЕ СВЧ УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ.

1.1. Нелинейные свойства и СВЧ потери в объемных и пленочных сегнетоэлектрических материалах.

• 1.2. СВЧ устройства на основе тонких сегнетоэлектрических пленок.

Выводы по главе.

2. МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ СВЧ ИЗМЕРЕНИЙ ПЛАНАР-НЫХ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНДЕНСАТОРОВ НА ОСНОВЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК SrTi03 и (Ba,Sr)Ti03.

2.1. Методика измерений характеристик планарных сегнетоэлектрических конденсаторов.

2.1.1. Конструкция измерительного резонатора.

• 2.1.2. Определение реактивного отклика планарного сегнетоэлектрического конденсатора, включенного в СВЧ резонатор.

2.1.3. Определение тангенса угла диэлектрических потерь.

2.1.4. Погрешности методики измерений.

2.1.5. Эталонные измерения.

2.2. Планарные конденсаторы, содержащие тонкую сегнето-электрическую пленку.

2.3. Результаты СВЧ измерений параметров сегнетоэлектрических планарных конденсаторов.

• 2.4. Параметр качества сегнетоэлектрической пленки.

Выводы по главе.

3. МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ СВЧ ИЗМЕРЕНИЙ ВРЕМЕНИ ОТКЛИКА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ТОНКИХ ПЛЕНОК SrTi03 и (Ba,Sr)Ti03 НА ВОЗДЕЙСТВИЕ УНИПОЛЯРНЫХ ИМПУЛЬСОВ НАПРЯЖЕНИЯ

3.1. Методика СВЧ измерений времени отклика диэлектрической проницаемости тонких сегнетоэлектрических пленок на

• управляющий видеоимпульс напряжения.

3.2. Конструкция измерительного резонатора и расчетные характеристики.

3.3. Блок-схема измерений.

3.4. Результаты СВЧ измерений времени отклика планарных SrTi03 и (Ba,Sr)Ti03 конденсаторов на импульсное воздействие.

Выводы по главе.

4. ИССЛЕДОВАНИЯ НЕЛИНЕЙНОГО ПОВЕДЕНИЯ СЕГНЕТО

• ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНДЕНСАТОРОВ И УСТРОЙСТВ НА ИХ ОСНОВЕ ПРИ ПОВЫШЕННЫХ УРОВНЯХ МОЩНОСТИ СВЧ.

4.1. Исследование нелинейного отклика сегнетоэлектрическо-го конденсатора, включенного в резонатор, под действием электрического поля СВЧ повышенной амплитуды.

4.1.1. СВЧ резонатор для исследования влияния уровня СВЧ мощности на характеристики планарных сегнетоэлектрических конденсаторов.

4.1.2. Методика исследования нелинейного поведения сегнетоэлектрических конденсаторов при повышенных уровнях мощности СВЧ.

4.1.3. Результаты исследований влияния повышенных уровней СВЧ на характеристики СВЧ резонатора, содержащего сегне-тоэлектрический нелинейный элемент.

4.1.4. Моделирование амплитудно-частотной характеристики измерительного резонатора, содержащего нелинейный сегне-тоэлектрический конденсатор.

4.1.5. Перегрев сегнетоэлектрических тонкопленочных элементов при воздействии СВЧ сигнала повышенного уровня

Р мощности.

4.1.6. Предельные уровни СВЧ мощности для резонансной структуры, содержащей нелинейный сегнетоэлектрический конденсатор.

4.2. Исследование влияния повышенных уровней СВЧ мощности на двухрезонаторную структуру, содержащую планарные сегнетоэлектрические конденсаторы.

4.2.1. Топология исследуемой двухрезонаторной структуры, содержащей планарные сегнетоэлектрические конденсаторы.

• 4.2.2. Исследования малосигнальных СВЧ характеристик двухрезонаторной сегнетоэлектрической структуры.

4.2.3. Исследование СВЧ характеристик двухрезонаторной сегнетоэлектрической структеры при воздействии сигнала повышенного уровня СВЧ мощности.

4.2.4. Результаты моделирования СВЧ характеристик двухрезонаторной структуры при воздействии сигнала повышенного уровня СВЧ мощности.

4.2.5. Определение перегрева сегнетоэлектрических конденсаторов в двухрезонаторной структуре.

Выводы по главе.

5. ЭЛЕКТРИЧЕСКИ УПРАВЛЯЕМЫЕ СВЧ ФАЗОВРАЩАТЕЛИ НА ОСНОВЕ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТОНКИХ ПЛЕНОК.

5.1. Сегнетоэлектрический СВЧ фазовращатель на основе нагруженной микрополосковой линии сантиметрового диапазона.

5.2. Сегнетоэлектрические СВЧ фазовращатели, работающие на частотах 3 0 ГГц.

5.3. Электрически управляемая фазированная антенная решет

Ф ка с сегнетоэлектрическими СВЧ фазовращателями.

5.4. Сегнетоэлектрический СВЧ фазовращатель работающий на частоте 60 ГГц.

Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 мощности; низкое энергопотребление по цепям управления; высокая 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.

Заключение диссертации по теме «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано- электроника на квантовых эффектах», Иванов, Андрей Владимирович

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).

140

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Иванов, Андрей Владимирович, 2004 год

1. О.Г.Вендик (ред.). "Сегнетоэлектрики в технике СВЧ". М.: Советское Радио, 1979, с 272

2. K.Bethe, " Uber das Mikrowellenverhalten der Nichtlineare Dielektrika"(in German), Philips Research Reports, Supplement No.2, 1970, pp. 1-145.

3. Di Domenico M., Jonson D., Pantell R. Ferroelectric harmonic generator and the large-signal microwave characteristics of ferroelectric ceramics. // J. Appl. Phys., 1962, v. 33, p. 1697-1705.

4. Vendik O.G., Golman E.K., Kozyrev A.B., Prudan A.M. Ferroelectric tuning of planar and bulk microwave devices. // J.of Superconductivity, 1999, v. 12, N2, p. 325-338.

5. Вендик О.Г., JIooc Г.Д., Тер-Мартиросян JI.T. Разработка планарных сегнетоэлектрических конденсаторов для СВЧ устройств. // Радиотехника и электроника, 1972, т. 17, вып. 10, с. 2241-2244.

6. Авторское свидетельство № 438055 (СССР). Нелинейный планарный конденсатор. Авт. изобретения: О.Г. Вендик, Г.Д. Лоос, Л.Т. Тер-Мартиросян, Ю.Ф. Янченко-Заявл. 13.02.73; Опубл. в Б.И., 1974, № 28, кл. Н 01g. 7/02.

7. Miranda F.A., Mueller C.N., KoepfG.A. Yandrofski R.M. Electrical response of ferroelerctric/ superconducting/ dielectric BaxSri.xTi03/ YBa2Cu307/LaA103 thin-film multilayer structures. // Supercond. Sci Technol., 1995, v. 8, p. 755-763.

8. Дж.Альтман. "Устройства СВЧ", М.:Мир, 1968, с 484

9. А.А.Брандт. "Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах". М.: Издательство Физико-Математической Литературы, 1963.

10. A.Kozyrev, V.Keis, O.Buslov, A.Ivanov, O.Soldatenkov, V.Loginov, A.Taricin, J.Graul. Microwave properties of ferroelectric film planar varactors. // Integrated Ferroelectrics, 2001, Vol. 34, pp. 271-307.

11. A.Kozyrev, V.Keis, V.Osadchy, A.Pavlov, O.Buslov, L.Sengupta. Microwave properties of (Ba,Sr)Ti03 ceramic films and phase-shifters on their base. // Integrated Ferroelectrics, 2001,Vol.34, pp. 189-195.

12. И.Бронштейн. "Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗОВ". М.:Наука, 1980. с 458.

13. К.Филатов. "Введение в инженерную теорию параметрического усиления". М.: Сов.Радио,1971. с 315.

14. В.Фуско. "СВЧ цепи анализ и автоматизированное проектирование". М.: Радио и Связь, 1990. с 231.

15. Прудан A.M., Гольман E.K., Козырев А.Б., КюттР.Н., Логинов B.E. Свойства титаната стронция в многослойной структуре SrTi03 / Се02 / А1203.// ФТТ, 1997, т. 39, в. 5, с. 1523-1529.

16. Прудан A.M., Гольман Е.К., Козырев А.Б., Козлов А.А., Логинов В.Е. Диэлектрическая проницаемость пленочного титаната стронция в составе структуры БгТЮз/ А120з. // Письма в ЖТФ, 1998, т. 24, вып. 9, с. 8-12.

17. Прудан A.M., Гольман Е.К., Козырев А.Б., Козлов А.А., Логинов В.Е., Земцов А.В. Влияние отжига на диэлектрическую проницаемость пленочного титаната стронция в структуре SrTi03 / AI2O3. // ФТТ, 1998, т.40, №8, с. 1473-1478.

18. Прудан А. М. Планарный СВЧ варактор на эффекте сильного поля в сегнетоэлектрической пленке. // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ» сер. «Физика. Математика. Химия», 2001, вып. 1, с. 26-37.

19. B.Vendik, O.G.Vendik, E.L.Kollberg. Commutation quality factor of two-state switchable devices. // IEEE transactions on MTT. 2000, vol. 45, No.5, pp.802-808.

20. O.G.Vendik, I.B.Vendik, V.O.Sherman. Commutation quality factor as a working tool for optimization of microwave ferroelectric devices. // Integrated Ferroelectrics, 2002, vol. 43, pp.81-89.

21. Vendik, L.Ter-Maritosyan, I.Mironenko., Ferroelectrics materials at microwaves. //Ferroelectrics, vol.144, pp.34-43, 1993.

22. A.B.Kozyrev, T.B.Samoilova, O.I.Soldatenkov, O.Y.Buslov, E.K.Hollmann,

23. D.Galt, et al., IEEE Trans, on Appl. Supercond. Superconductor with ferroelectric measuring resonator. // 1995, vol.5, pp.2575-2578.

24. А.Дедык, Л.Тер-Мартиросян. Сегнетоэлектрические конденсаторы на основе титаната стронция для СВЧ применений. // ФТТ, т.37, №11, стр. 3740-3476.

25. Gait D., Price J., Beall J., Ono R. Characterzation of a tunable thin filmmicrowave УВагСизОу / БгТЮз coplanar capacitor. // Appl.Phys.Lett., 1992,.v. 63, N 22, p. 3078-3080.

26. Иоссель Ю.А., Кочанов Э.С., Струнский М.Г. «Расчет электрической емкости», JL: Энергоиздат. Ленинградское отделение, 1981.- 288 с.

27. И.С.Гоноровский. Нелинейные системы. Преобразование случайных процессов в линейных и нелинейных системах. Борьба с помехами. Сов. Радио, 1967, часть 2, с 365.

28. Зайдель А.Н. Погрешности измерений физических величин. JI. Наука, 1985, с. 112.

29. Х.Кухлинг. "Справочник по физике", М.Мир. 983, с.387.

30. A.B.Kozyrev, V.N.Keis, G.Koepf, R.Yandrovski, O.I.Soldatenkov, * K.A.Dudin, D.P.Dovgan. Ferroelectric thin film materials for microwaveapplications. // Microelectronic Engeneering, 29, 257 (1995).

31. S.Koul, B.Bhat. Microwave and millimeter-wave phase shifters. Artech House, MA, 1993.

32. А.Н. Пузаков, Н.П. Милевский, Г.К. Яковлев. Сравнительная оценка и перспективы развития быстродействующих ферритовых фазовращателей. // Обзоры по электронной технике. ЦНИИ «Электроника», Москва, 1978.

33. Антенны и устройства СВЧ (Проектирование фазированных антенных решеток) под ред. Д.И.Воскресенского. // М.: Радио и Связь, 1981, с 432.

34. O.G.Vendik, "Dielectric Nonlinearity of Displacive Ferroelectrics at UHF", Ferroelectrics, Vol.12, 1976, pp.85-90.

35. F.DeFlaviis, N.G.Alexopoulos. Planar microwave integrated phase shifter design with high purity ferroelectric material. // IEEE transactions on microwave theory and techniques, 1997, vol. 45, No.6, pp. 963-969.

36. G.L.Matthaei, L.Young, E.M.T.Jones "Microwave filters, impedance-matching networks, and coupling structures", McGraw Hill book сотр. 1986.

37. Sigov A.S., Vorotilov K.A., Valeev A.S., Yanovskya M.I. Sol-gel films for integrated circuis. // J. Sol-gel Science and Technology, 1994, v.2, p. 563568.

38. Бойков Ю.А., Пронин И.П., Иванов З.Г., Классон Т. Эпитаксиальные структуры УВагСизОу-а/ (Ba,Sr)Ti03 на подложках кремния и сапфира. // ФТТ, 1996, т. 38, 4, с. 133-139.

39. Miranda F.A., Mueller C.N., KoepfG.A. Yandrofski R.M. Electrical response of ferroelerctric/ superconducting/ dielectric BaxSri.xTi03/ YBa2Cu307/ LaA103 thin-film multilayer structures. // Supercond. Sci Technol., 1995, v. 8, p. 755-763.

40. Дудкевич В.П., Фесенко Е.Г. Физика сегнетоэлектрических пленок, Ростов: изд.-во РГУ, 1979, 190 с.

41. Томашпольский Ю.Я. Пленочные сегнетоэлектрики. М., Радио и связь, 1984, 192 с.

42. Komatsu S., Abe К. Dielectric constant and leakage current of epitaxially grown and polycrystalline SrTi03 films. // Jpn. J. Appl. Phys., 1993, v. 32, 9b, p. 4186-4189.

43. Komatsu S., Abe K. Measurement and thermodynamic analyses of the dielectric constant of epitaxially grown БгТЮз films. // Jpn. J. Appl. Phys., 1993, v. 33, 8B,p.L1157-L1159.

44. Komatsu S., Abe K. Crystallographic orientation dependence of dielectric constant in epitaxially grown БгТЮз films. // Jpn. J. Appl. Phys., 1995, v. 34, 7A, p. 3597-3601.

45. Kozyrev A.B., Hollmann E.K., LoginovV.E. and PrudanA.M. Preparation of SrTi03 films on sapphire substrate by RF magnetron sputtering // Vacuum, 1998, v.5, 2, p. 141-143.

46. Смоленский Г.А., Боков B.A., Исупов B.A., Крайник Н.Н., Пасынков Р.Е., Шур М.С. Сегнетоэлектрики и антисегнетоэлектрики, Наука, М., 1971,476 с.

47. Мироненко И.Г. и др. В кн.: Новые пьезо- и сегнетоэлектрические материалы и их применение / МДНТП, 1969, с. 29.

48. Vendik O.G., Mironenko I.G., Ter-Martirosyan L.T. Some properties and Applications of Ferroelectrics at Microwaves. // Journal de Physique, 1972, v. 33, 4, p. C2 277-280.

49. Findikoglu A.T., Doughty C., Anlage S.M., Qi Li, Xi X.X., Venkatesan T. Effect of dc electric field on the effective microwave surface impedance of YBa2Cu307/SrTi03/ YBa2Cu307 trilayers. // Appl. Phys. Lett., 1993, v.63, 23, p. 3215-3217.

50. Irina B. Vendik, Orest G. Vendik, and Erik L. Kollberg. Commutation Quality Factor of Two-StateSwitchable Devices // IEEE Transactions on MTT, Vol. 48, No. 5, May 2000, pp. 802-808.

51. Alexander Tagantsev. dc-electric-field-induced microwave loss in ferroelectrics and intrinsic limitation for the quality factor of a tunable component. // Applied Physics Letters, Vol.76, No.9, 2000, pp.1182-1184.

52. O.G.Vendik, E.K.Hollmann, A.B.Kozyrev, and A.M.Prudan. Ferroelectric Tuning of Planar and Bulk Microwave Devices. // Journal of Superconductivity, Vol. 12, No. 2, 1999.

53. Peter Kr. Petrov and Erik F. Carlsson. Improved SrTi03 multilayers for microwave application: Growth and properties. // J. of Appl. Phys., Vol.84, No.6, 15 SEPTEMBER, 1998, pp. 3134-3140.

54. T. Tambo, K. Maeda, A. Shimizu, and C. Tatsuyama. Improvement of electrical properties of epitaxial SrTi03 films on Si by in situ annealing. // J. of Appl. Phys., Vol.86, No.6, 15 SEPTEMBER, 1999, pp. 3213-3217.

55. О.Вендик, М.Никольский, О.Гашииова. Потери в электродах на СВЧ в распределенных и сосредоточенных элементов на основе сегнетоэлектриков. // Письма в ЖТФ, т.29, вып.4, 2003, стр. 5-13.

56. О.Вендик, М.Никольский. Учет нелинейности сегнетоэлектрического слоя в модели планарного конденсатора. // Письма в ЖТФ, т.29, вып.5, 2003, стр. 20-29.

57. J.F.White. Diode Phase Shifters for Array Antennas. // IEEE Transactions on MTT, Vol.22, No.6, 1974, pp. 658-674.

58. R. P. Hsia, W.-M. Zhang, C. W. Domier, and N. C. Luhmann, Jr. A Hybrid Nonlinear Delay Line-Based Broad-Band Phased Antenna Array System. // IEEE Microwave and guided wave letters, Vol.8, No.5, 1998, pp. 182-184.

59. Y.Boikov, B.Goltsman, V.Yarmarkin, V.Lemanov. Slow capacitance relaxation in (BaSr)Ti03 thin films due to the oxygen vacancy redistribution. // Applied Physics Letters. 2001, Vol.78, No.24, pp.3866-3868.

60. G.Subramanyam et al. A ferroelectric tunable microstrip lange coupler for K-band applications. // International Microwave Symposium Digest, Boston, 2000, pp.2004-2007.

61. I.Vendik, O.Vendik et al. Performance limitation of a tunable resonator with a ferroelectric capacitor. // International Microwave Symposium Digest, Boston, 2000, pp.2136-2140.

62. B.Jaganmohan, P.Dharmesh, et al. Voltage-controlled ferroelectric lens phased array. // IEEE Transactions on antennas and propagation, vol. 47, no.3, 1999, pp.458-460.

63. J.Lee, J.Cho, et al. New compact bandpass filter using microstrip У Л resonators with open stub inverter. // IEEE Microwave and guided wave letters, vol.10, no. 12, 2000, pp.526-527.

64. Tumarkin A., Loginov V.E., Gaidukov M.M., Buslov O.U., Prudan A.M. STO ferroelectric films for microwave applications at room temperature //iL

65. Proceedings of 13 International Symposium on Integrated Ferroelectrics, f March. 11-14, 2001, Colorado Springs, Colorado USA, p.304.

66. Keis V.N., Kozyrev А.В., Khazov M.L., Sok J., Lee J. 20 GHz tunable filter based on ferroelectric (Ba,Sr)Ti03 film varactors. // Electronic Letters, v. 34, 11, p. 1107-1109.

67. Вендик О.Г., Тер-Мартиросян JI.T. Электрострикционный механизм СВЧ потерь в планарном конденсаторе на основе пленки титаната стронция // :ЖТФ, 1999, т. 69, вып. 8, с. 93-99.

68. Tagantsev А.К. DC-electric-fild-induced microwave loss in ferroelectrics and intrinsic limitation for the quality factor of a tunable component. // Appl. Phys. Lett., 2000, v. 76, 9, p. 1182-1184.

69. Борисовский K.E., Дедык А.И., Прудан A.M. Размерный эффект электрокалорического охлаждения структур на основе титаната стронция. // ФТТ, 1992, т. 34, вып. 6, С. 1692-1661.выделены статьи автора диссертации.