WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |
  1. Максимальное значение параметра качества для СВЧ применений при комнатной температуре для плёнок BaxSr1-xTiO3, полученных магнетронным распылением на подложках Al2O3, достигается при составе x = 0.3±0.05.
  2. При частотах свыше 30 ГГц основной вклад в СВЧ потери тонкоплёночных МДМ (Pt/Ba0.3Sr0.7TiO3/Cu) конденсаторов при реактансе ёмкости 50 Ом вносят диэлектрические потери, что позволяет использовать в качестве нижнего электрода платину толщиной не более 100 нм.
  3. Формирование контакта Pt/BSTO в кислородной атмосфере позволяет подавить процессы медленной релаксации диэлектрической проницаемости и обеспечить управляемость сегнетоэлектрических структур K  2.
  4. Увеличение управляемости СЭ плёнки при сохранении её параметра качества снижает общие потери в фазовращателе, за счёт уменьшения потерь в металлических элементах.
  5. Фазовращатели на основе щелевых линий передачи с плёнкой Ba0.3Sr0.7TiO3 обеспечивают параметр качества 30 град/дБ на частоте 60 ГГц при быстродействии по управлению менее 100 нс.
Реализация результатов работы:
  • в проекте Министерства Образования Российской Федерации «Разработка элементной базы и устройств СВЧ радиоэлектроники на основе сегнетоэлектрических пленок» (код проекта: 208.05.05.012);
  • в проекте Министерства Образования и Науки Российской Федерации «Исследование неравновесных процессов в сегнетоэлектриках кислородно - октаэдрического типа в условиях облучения электромагнитным полем ультрафиолетового и инфракрасного диапазонов» (код проекта: РНП 2.1.2.7083);
  • в государственном контракте № 02.513.11.3136 «Технология наноразмерных кристаллических сегнетоэлектрических пленок для систем телекоммуникаций и радиолокации»;
  • в контракте «Электрические и СВЧ исследования тонкопленочных перестраиваемых BST конденсаторов» («Еlectrical and Microwave Characterization of Thin Film Voltage Tunable BST Capacitors») с фирмой «Gennum Corporation» (Канада);
  • в контракте «Разработка фазовращателей, перестраиваемых фильтров, линий задержки, миксеров и перестраиваемых генераторов» («Development of Phase Shifters, Tunable Filter, Delay Line, Mixer and Voltage Tunable Oscillators») с фирмой «Paratek Inc.» (США);
  • в грантах правительства США «Перспективные устройства электроники на основе управляемых диэлектрических элементов для систем связи и локации» (“Next generation electronics based on tunable dielectric components for communication and radar systems”) совместно с государственной лабораторией NREL (США) (№ AAТ-3-33627-01).

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

  • 14th International Symposium on Integrated Ferroelectrics. 27 May – 1 June, 2002, Nara, Japan.
  • 15th International Symposium on Integrated Ferroelectrics. March 9 – 12, 2003. Colorado Springs, Colorado, USA.
  • 19th International Symposium on Integrated Ferroelectrics. May 8 – 11, 2007. Bourdeaux, France.
  • 11-я Международная конференция "СВЧ техника и телекоммуникационные технологии", 10 – 14 сентября 2001, Севастополь, Украина.
  • 16-я Международная конференция "СВЧ техника и телекоммуникационные технологии", 10 – 14 сентября 2006, Севастополь, Украина.
  • 7th Russia/CIS/Baltic/Japan Symposium on Ferroelectricity (RCBJSF-7), June 24 – 28, 2002, St.Petersburg, Russia.
  • Международная научно-техническая школа-конференция «Молодые учёные – науке, технологиям и профессиональному образованию», 1-4 октября 2002, Москва, Россия.
  • IV Международная научно-техническая конференция «Электроника и Информатика - 2002», Зеленоград, Россия.
  • «Nanoelectronics Days 2005», Forschungszentrum Julich, Germany, February 9 – 11, 2005, Julich, Germany.
  • 4th international Conference on Microwave Materials and Their Applications, 12 – 15 June, 2006, Oulu, Finland.
  • 35th European Microwave Conference, 4 – 6 October 2005, Paris, France.
  • Научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского Государственного Электротехнического Университета (ЛЭТИ) (С. Петербург, 2002 – 2006 гг).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 9 научных статей (4 статьи опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определённых ВАК).

Структура и объем работы.

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 113 наименований, и одного приложения. Основная часть работы изложена на 91 странице машинописного текста. Работа содержит 82 рисунка и 2 таблицы.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, отмечена научная новизна полученных результатов, их практическая значимость, перечислены научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава носит обзорный характер.

Представлены основные свойства СЭ материалов и результаты исследований диэлектрических свойств СЭ пленок, имеющиеся в литературных источниках. Представлены существующие на сегодняшний день методики исследований СВЧ свойств тонких СЭ пленок. Подчеркивается, что практически отсутствуют методики исследования в миллиметровой (свыше 30 ГГц) части СВЧ диапазона. Показано, что в ряде работ представлены данные относительно состава СЭ плёнок, используемых в СВЧ устройствах, однако, эти данные носят отрывочный характер и не позволяют выбрать оптимальный состав для СВЧ применений.

Рассмотрены использующиеся в настоящее время перестраиваемые СВЧ элементы на основе СЭ плёнок. Выявлена проблема высоких напряжений управления элементами и определена конструкция плоскопараллельного МДМ конденсатора, в качестве пути решения данной проблемы.

Представлены основные электрофизические свойства конденсаторных МДМ структур на основе СЭ плёнок. В частности, рассмотрено явление замедления релаксации диэлектрической проницаемости в таких структурах. Перечислены основные механизмы, ведущие к снижению быстродействия.

Сделан обзор разработанных на основе СЭ пленок электрически перестраиваемых СВЧ устройств (перестраиваемых резонаторов и фильтров, фазовращателей). Показано, что фактически отсутствуют данные относительно СЭ устройств диапазона 6080 ГГц, которые в настоящее время привлекают все большее внимание специалистов, разрабатывающих сканирующие антенные решетки.

На основе анализа литературных данных формулируются цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе рассмотрены разработанные методики СВЧ измерений основных параметров СЭ плёнок в миллиметровой части СВЧ диапазона (3070) ГГц и результаты исследований СЭ плёнок. В основу методик измерений был положен резонансный метод, обеспечивающий наибольшую точность в СВЧ диапазоне. Представлены две методики, позволяющие исследовать свойства СЭ плёнок как с нанесением металлических электродов, так и без него.

Первая методика представляет собой измерение параметров волноводно-щелевого СВЧ резонатора на основе СЭ плёнки. Путём расчёта дисперсионных характеристик в рамках полноволновой модели получены зависимости комплексной постоянной распространения от диэлектрической проницаемости СЭ плёнки и геометрических параметров волноводно-щелевой линии. Установлено, что параметром, определяющим дисперсию, является произведение диэлектрической проницаемости СЭ плёнки на её толщину. Сравнение расчётных и экспериментальных значений СВЧ потерь в металле электродов волноводно-щелевой линии показало их хорошее соответствие. Методика позволяет определять управляемость и оценить СВЧ потери СЭ плёнки.

Вторая методика основана на измерении параметров волноводного резонатора частично заполненного диэлектриком с СЭ плёнкой. На основе решения дисперсионного уравнения определены зависимости постоянной распространения от электрофизических и геометрических параметров диэлектрического заполнения. Показано, что дисперсию в такой структуре также определяет произведение диэлектрической проницаемости СЭ плёнки на её толщину. Методика позволяет измерить диэлектрическую проницаемость и СВЧ потери СЭ плёнки.

На основе представленных методик были разработаны и реализованы измерительные макеты, позволяющие определять СВЧ параметры СЭ плёнок в широком диапазоне частот.

Разработанные в настоящей работе методики измерений совместно с методиками измерений, разработанными ранее, позволили провести исследование свойств СЭ плёнок состава BaxSr1-xTiO3, изготовленных ионно-плазменным магнетронным ВЧ распылением. Представлены результаты измерения управляемости (K=max/min) и диэлектрических потерь (tg ) плёнок с различного стехиометрического состава по Ba и Sr (x = 00.8). Найдено что оптимальным составом тонкой плёнки BaxSr1-xTiO3, обеспечивающим наибольшее значение параметра качества для СВЧ применений q, является твёрдый раствор, содержащий 30% Ba и 70% Sr (рис.1).

Для найденного оптимального состава тонкой плёнки Ba0.3Sr0.7TiO3 были проведены измерения диэлектрических потерь в диапазоне частот (160) ГГц. Исследования показали, что при изменении рабочей частоты от 1 до 60 ГГц происходит рост диэлектрических потерь в СЭ плёнках от tg  0.015 до tg  0.040.06. Частотная дисперсия диэлектрической проницаемости при температуре 300 К обнаружена не была.

В третьей главе рассмотрены технологические особенности формирования МДМ структур с СЭ плёнкой и разработана конструкция СВЧ МДМ СЭ конденсатора. Представлены результаты структурного анализа плёнок Ba0.3Sr0.7TiO3, выращенных на тонкой (~ 100 нм) плёнке Pt. Показано что СЭ плёнка является поликристаллической, имеет преимущественную ориентацию (100) и размеры кристаллитов около 0.5 мкм, а состав плёнки равномерен по толщине, за исключением приконтактных (Pt/BSTO и Cu/BSTO) областей, составляющих  50 нм.

Разработана конструкция (рис.2) СЭ МДМ конденсатора Pt/Ba0.3Sr0.7TiO3/Cu для работы в СВЧ диапазоне. Для анализа и оценки параметров конденсатора была предложена СВЧ эквивалентная схема, которая позволила произвести анализ влияния «паразитных» параметров на СВЧ свойства.

Рассмотрен способ увеличения частоты отсечки, связанной с последовательным резонансом индуктивности электродов конденсатора и его ёмкости. Оценено влияние неуправляемой планарной ёмкости и обоснована необходимость травления СЭ плёнки вне рабочей области конденсатора. Подробно оценен вклад в общие СВЧ потери МДМ конденсатора потерь в тонкой плёнке Pt, используемой в качестве нижнего электрода.

Представлены результаты измерений электрофизических свойств изготовленных МДМ Pt/Ba0.3Sr0.7TiO3/Cu конденсаторов. Вольт-фарадная характеристика показала, что управляемость K = 2 достигается при напряжении 30 В. Измерение вольт-амперных характеристик продемонстрировало их сильную несимметричность и малую (менее 1 пА) величину тока проводимости вплоть до порогового напряжения 40 В, что может быть объяснено возникновением барьеров Шоттки в приконтактных областях МДМ структуры. На зависимостях ёмкости конденсатора от температуры отмечена сильная размытость максимума. Показано, что размытие максимума может быть связано с образованием в конденсаторе слоя с последовательного включённой ёмкостью, характеристики которого оценены как диэлектрическая проницаемость S  200 и толщина dS 40 нм.

Приведены результаты исследований СВЧ свойств изготовленных конденсаторов в диапазоне (130) ГГц. Анализ частотной зависимости полных СВЧ потерь в МДМ конденсаторе (tg) показал, что они соответствуют сумме исследованных ранее потерь в СЭ плёнке (tgСЭ) и рассчитанных СВЧ потерь в металлических электродах (tgPt) (рис.3). Хорошее соответствие расчётных и экспериментальных результатов свидетельствует об адекватности предложенной модели и эквивалентной схемы, что позволило рассчитать СВЧ параметры разработанной МДМ структуры до частоты 60 ГГц.

В четвёртой главе была рассмотрена проблема быстродействия конденсаторов на основе СЭ плёнки. Наряду с быстрыми (< 10-­9 c) процессами релаксации ёмкости наблюдается медленная релаксация, наличие которой приводит к существенному различию статической и динамической вольт-фарадных характеристик и существенному снижению управляемости, что схематично представлено на рис. 4. Предложена методика измерения быстродействия, заключающаяся в подаче на СЭ конденсатор, включённый в СВЧ резонатор, последовательности периодических импульсов и позволяющая определять времена релаксации ёмкости от сотен наносекунд до сотен секунд.

Для анализа возможных механизмов и влияния технологического процесса на быстродействие СЭ конденсатора были рассмотрены характерные конденсаторные СВЧ структуры, полученные при различных условиях формирования контактов металл/диэлектрик: 2-электродный планарный конденсатор Cu/BSTO/Cu с электродами на поверхности СЭ плёнки, 4электродный конденсатор Pt/BSTO/Pt с электродами под СЭ плёнкой и МДМ конденсатор Pt/BSTO/Cu, который представляет собой несимметричную структуру и включает контакты, соответствующие двум предыдущим конструкциям. Схематичное изображение исследованных структур и их отклика на периодические импульсы напряжения представлено на рис.5. Сделано предположение о связи порогового поля начала процессов медленной релаксации с технологией формирования границы металл/диэлектрик.

Пятая глава посвящена рассмотрению СВЧ устройств с перестраиваемыми элементами. Рассмотрены 2 типа перестраиваемых фазовращателей на основе распределённых структур и сосредоточенных элементов. Для фазовращателей и фильтров получены выражения для расчёта вносимых потерь, которые позволили разделить СВЧ потери в элементах перестройки и в металлических элементах конструкции устройства. Установлено, что увеличение управляемости СЭ плёнки при сохранении её параметра качества снижает общие потери в фазовращателе, за счёт уменьшения потерь в металлических элементах.

Разработан метод определения предельно достижимого параметра качества фазовращателя на основе линии передачи с СЭ плёнкой путём измерения характеристик резонатора на основе отрезка данной линии. Разработан фазовращатель, работающий на частоте 60 ГГц, построенный на волноводно-щелевой линии на основе СЭ плёнки. Экспериментально показано, что такие фазовращательные структуры могут достигать параметра качества 32 град/дБ.

Приложение. Представлены уравнения для расчёта комплексной постоянной распространения в волноводно-щелевой линии на основе тонкой СЭ плёнки на диэлектрической подложке.

Основные результаты работы:

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»