radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2026-29-4-18-29radioelectronics-1202Research ArticleПРОЕКТИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВENGINEERING DESIGN AND TECHNOLOGIES OF RADIO ELECTRONIC FACILITIESМетод повышения электрической прочности сегнетоэлектрических планарных конденсаторовMethod for Increasing the Electrical Strength of Ferroelectric Planar CapacitorsКарымсаковК. Е.KarymsakovK. E.

Карымсаков Камиль Ермекович – магистр по направлению "Микроволновая и телекоммуникацион-ная электроника"

ул. Проф. Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Kamil E. Karymsakov, Master in Microwave and Telecommunication Electronics

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

kamakar2003@mail.ruДмитриевК. А.DmitrievK. A.

Дмитриев Кирилл Андреевич – магистр по направлению "Физическая электроника"

ул. Проф. Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Kirill Andreevich Dmitriev, Master in Physical Electronics

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

ne4ehbka88@gmail.comЗубкоС. П.ZubkoS. P.

Зубко Светлана Петровна – кандидат физико-математических наук (1999), доцент (2005) кафедры фи-зической электроники и технологии

ул. Проф. Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Svetlana Petrovna Zubko, Cand. Sci. (Phys.-Math.) (1999), Associate Professor (2005) of the Department of Physical Electronics and Technology

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

spzubko@gmail.comСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)РоссияSaint Petersburg Electrotechnical UniversityRussian Federation2026081020262941829Copyright © Карымсаков К.Е., Дмитриев К.А., Зубко С.П., 20262026Карымсаков К.Е., Дмитриев К.А., Зубко С.П.Karymsakov K.E., Dmitriev K.A., Zubko S.P.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/1202

Введение. Повышение электрической прочности планарных сегнетоэлектрических конденсаторов является ключевой задачей для их применения в управляемых СВЧ-устройствах. В статье рассмотрена четырехэлектродная конструкция конденсатора, позволяющая решить данную проблему. Приведены результаты аналитического расчета и численного моделирования распределения электрического поля для двухэлектродной и четырехэлектродной конструкций, получена количественная оценка управляемости для обеих структур. Помимо повышения электрической прочности переход к четырехэлектродной конструкции затрагивает и смежные характеристики конденсатора. В связи с этим дополнительно рассмотрены возможность подавления паразитной модуляции емкости переменным напряжением и выбор материала подложки по тепловым и технологическим критериям. Таким образом, представленное исследование обеспечивает комплексный анализ методов улучшения характеристик планарного сегнетоэлектрического конденсатора.Цель работы. Исследование метода увеличения управляемости (электрической прочности) планарных конденсаторов, а также анализ таких факторов, как модуляция емкости переменным полем и выбор материала подложки по тепловым и технологическим характеристикам.Материалы и методы. Численное моделирование характеристик конденсаторов проводилось с помощью специального программного обеспечения.Результаты. Проведены электродинамическое моделирование и аналитический расчет конденсаторных структур. Сделана количественная оценка управляемости различных планарных конденсаторных структур. Выполнено сравнение различных материалов диэлектрических подложек для сегнетоэлектрических конденсаторов. Проведен количественный анализ влияния модуляции емкости СВЧ-сигналом.Заключение. Показано, что четырехэлектродная конструкция выдерживает больший уровень управляющего напряжения по сравнению с классическим двухэлектродным конденсатором, а следовательно, имеет большую управляемость (возросла на 50 %). Показано, что при амплитуде постоянного напряжения, большего амплитуды переменного, модуляция емкости уменьшается. Продемонстрированы сравнительные характеристики некоторых материалов подложки.

Introduction. Increasing the electrical strength of planar ferroelectric capacitors is essential for their application in controlled microwave devices. To address this problem, a four-electrode capacitor design is investigated. Analytical calculations and numerical simulations of the electric field distribution are presented for two- and four-electrode structures; a quantitative assessment of controllability for both structures is obtained. In addition to increasing electrical strength, the transition to a four-electrode design affects several related capacitor characteristics. Accordingly, the possibility of suppressing parasitic capacitance modulation by alternating voltage and selecting a substrate material based on thermal and technological criteria is considered. Thus, the presented work provides a comprehensive analysis of methods for improving the characteristics of planar ferroelectric capacitors.Aim. To investigate a method for increasing the controllability (electrical strength) of planar capacitors and to analyze factors such as capacitance modulation by an alternating field and the selection of a substrate material based on thermal and technological characteristics.Materials and methods. The capacitor characteristics were numerically simulated using specialized software.Results. Electrodynamic modeling and analytical calculation of the capacitor structures were performed. The controllability of various planar capacitor structures was quantitatively assessed. Different dielectric substrate materials for ferroelectric capacitors were compared. The effect of microwave signal capacitance modulation was quantitatively analyzed.Conclusion. It was shown that the four-electrode design can withstand a higher level of control voltage than a conventional two-electrode capacitor and, consequently, provides a greater level of controllability (a 50% increase). When the amplitude of the DC voltage exceeds that of the AC voltage, capacitance modulation decreases. Comparative characteristics of several substrate materials are presented.

четырехэлектродныйсегнетоэлектрикипланарныйконденсаторуправляемостьfour-electrodeferroelectricplanarcapacitorcontrollabilityReferencesВендик О. Г. Сегнетоэлектрики находят свою "нишу" среди управляющих устройств СВЧ // Физика твердого тела. 2009. Т. 51, № 7. С. 1441–1446.Vendik O. G. Ferroelectrics Find Their “Niche” Among Microwave Control Devices. Solid State Physics. 2009, vol. 51, no. 7, pp. 1441–1446. (In Russ.)Вендик О. Г., Никольский М. А. Учет нелинейности сегнетоэлектрического слоя в модели планарного конденсатора // Письма в ЖТФ. 2003. Т. 29, № 5. С. 20–29.Vendik O. G., Nikol’skiy M. A. Accounting for the Nonlinearity of a Ferroelectric Layer in a Planar Capacitor Model. Technical Physics J. Let. 2003, vol. 29, no. 5, pp. 25–29. (In Russ.)Нестеров В. Н., Нестеров И. В., Савицкий В. З. Анализ современных представлений о моделировании свойств сегнетоэлектриков // Альманах современной науки и образования. 2011. № 1. С. 73–75.Nesterov V. N., Nesterov I. V., Savitskii V. Z. Analysis of Modern Concepts on Modeling the Properties of Ferroelectrics. The Almanac of Modern Science and Education. 2011, no. 1, pp. 73–75. (In Russ.)Определение параметров планарных конденсаторов на основе тонкопленочных сегнетоэлектрических материалов / Г. В. Чучева, М. С. Афанасьев, И. А. Анисимов, А. И. Георгиева, С. А. Левашов, А. Э. Набиев // Изв. Саратов. ун-та. Новая сер. Сер. Физика. 2012. Т. 12, № 2. С. 8–11.Chucheva G. V., Afanas'ev M. S., Anisimov I. A., Georgieva A. I., Levashov S. A., Nabiev A. E. Determination of Parameters of Planar Capacitors Based on Thin-Film Ferroelectric Materials. J. of the Saratov University. New Series. Series Physics. 2012, vol. 12, no. 2, pp. 8–11. (In Russ.)Вендик О. Г., Зубко С. П. Феноменологическое описание зависимости диэлектрической проницаемости титаната стронция от приложенного электрического поля и температуры // Журн. техн. физики. 1997. Т. 67, № 3. С. 29–33.Vendik O. G., Zubko S. P. Phenomenological Description of the Permittivity of Strontium Titanate as a Function of Applied Electric Field and Temperature. Technical Physics. 1997, vol. 42, no. 3, pp. 278–281.Гайдуков М. М., Козырев А. Б., Рубан А. С. Измерение емкости и диэлектрических потерь планарных конденсаторов на сегнетоэлектрической пленке в диапазоне СВЧ // Радиотехника и электроника. 1975. Т. 20, № 12. С. 2588–2591.Gaidukov M. M., Kozyrev A. B., Ruban A. S. Measurement of Capacitance and Dielectric Losses of Planar Capacitors on a Ferroelectric Film in the Microwave Range. Radio Engineering and Electronics. 1975, vol. 20, no. 12, pp. 2588–2591. (In Russ.)Gevorgian S. Ferroelectrics in microwave devices, circuits and systems: physics, modeling, fabrication and measurements. London: Springer, 2009. 396 p. doi: 10.1007/978-1-84882-507-9Gevorgian S. Ferroelectrics in Microwave Devices, Circuits and Systems: Physics, Modeling, Fabrication and Measurements. London, Springer, 2009, 396 p. doi: 10.1007/978-1-84882-507-9Гагарин А. Г., Зубко С. П., Медведева Н. Ю. Эффективная диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрической пленки в составе плоскопараллельных и планарных конденсаторов // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2016. № 1. С. 51–54.Gagarin A. G., Zubko S. P., Medvedeva N. Yu. Effective Dielectric Permittivity of Ferroelectric Film Included in Parallel-Plate and Planar Ferroelectric Capacitors. J. of the Russian Universities. Radioelectronics. 2016, no. 1, pp. 51–54. (In Russ.)Вендик О. Г., Зубко С. П., Никольский М. А. Моделирование и расчет емкости планарного конденсатора, содержащего тонкий слой сегнетоэлектрика // Журн. техн. физики. 1999. Т. 69, № 4. С. 1–7.Vendik O. G., Zubko S. P., Nikol'skii M. A. Modeling and Calculation of the Capacitance of a Planar Capacitor Containing a Ferroelectric Thin Film. Technical Physics. 1999, vol. 44, no. 4, pp. 349–355.Вендик О. Г., Никольский М. А. Моделирование характеристик многослойного планарного конденсатора // Журн. техн. физики. 2001. Т. 71, № 1. С. 117–121.Vendik O. G., Nikol'skii M. A. Modeling the Characteristics of a Multilayer Planar Capacitor. Technical Physics J. 2001, vol. 71, no. 1, pp. 117–121. (In Russ.)Оценка емкости плоского конденсатора с учетом шероховатости поверхности электродов / Ю. К. Евдокимов, Л. Ю. Фадеева, Р. К. Сагдиев, Б. М. Валеев // Вестн. Поволжского гос. технологического ун-та. Сер. Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. 2019. № 4. С. 67–74. doi: 10.25686/2306-2819.2019.4.67Evdokimov Yu. K., Fadeeva L. Yu., Sagdiev R. K., Valeev B. M. Estimation of the Capacitance of a Flat Capacitor Taking into Account the Surface Roughness of Electrodes. J. of the Volga State University of Technology. Ser. Radio Engineering and Infocommunication Systems. 2019, no. 4, pp. 67–74. (In Russ.)Chou S. Y., Krauss P. R., Renstrom P. J. Nanoimprint lithography // J. of Vacuum Science & Technology B. 1996. Vol. 14, № 6. P. 4129–4133. doi: 10.1116/1.588605Chou S. Y., Krauss P. R., Renstrom P. J. Nanoimprint Lithography. J. of Vacuum Science & Technology B. 1996, vol. 14, no. 6, pp. 4129–4133. doi: 10.1116/1.588605Формирование микрорельефа методами электронно-лучевой литографии и контактной фотолитографии / Ю. Ю. Гребнева, Т. И. Данилина, А. В. Мошкина, И. А. Чистоедова // Докл. Томского гос. ун-та систем управления и радиоэлектроники. 2012. № 2–2 (26). С. 175–178.Grebneva Yu. Yu., Danilina T. I., Moshkina A. V., Chistoedova I. A. Fabrication of Microrelief by Electron Beam Lithography and Contact Photolithography. Proc. of the Tusur University. 2012, no. 2–2 (26), pp. 175–178. (In Russ.)Влияние мощности СВЧ-сигнала на управляемость сегнетоэлектрического фазовращателя / А. Н. Васильев, О. Г. Вендик, И. В. Якушин // Журн. техн. физики. 2011. Т. 81, № 10. С. 55–59.Vasil’ev A. N., Vendik O. G., Yakushin I. V. Effect of the Microwave Signal Power on the Controllability of a Ferroelectric Phase Shifter. Technical Physics. 2011, vol. 56, iss. 10, pp. 1434–1438.Вендик О. Г. Сегнетоэлектрики в технике СВЧ. М.: Сов. радио, 1979. 272 с.Vendik O. G. Segnetoelektriki v tekhnike SVCh [Ferroelectrics in Microwave Technology]. Moscow, Sovetskoe radio, 1979, 272 p. (In Russ.)Samoilova T. B., Astafiev K. F. Heat effect as a cause of enchancement of microwave nonlinearity of planar SrTiO3 capacitors on sapphire substrates at T = = 78 K // Integrated Ferroelectrics. 2001. Vol. 34, № 1–4. P. 279–290.Samoilova T. B., Astafiev K. F. Heat Effect as a Cause of Enchancement of Microwave Nonlinearity of Planar SrTiO3 Capacitors on Sapphire Substrates at T = = 78 K. Integrated Ferroelectrics. 2001, vol. 34, no. 1–4, pp. 279–290.Nonlinear behavior of thin film SrTiO3 capacitors at microwave frequencies / A. B. Kozyrev, T. B. Samoilova, A. A. Golovkov, E. K. Hollmann, D. A. Kalinikos, V. E. Loginov, A. M. Prudan, O. I. Soldatenkov, D. Galt, C. H. Mueller, T. V. Rivkin, G. A. Koepf // J. of Applied Physics. 1998. Vol. 84, № 6. P. 3326–3332. doi: 10.1063/1.368487Kozyrev A. B., Samoilova T. B., Golovkov A. A., Hollmann E. K., Kalinikos D. A., Loginov V. E., Prudan A. M., Soldatenkov O. I., Galt D., Mueller C. H., Rivkin T. V., Koepf G. A. Nonlinear Behavior of Thin Film SrTiO3 Capacitors At Microwave Frequencies. J. of Applied Physics. 1998, vol. 84, no. 6, pp. 3326–3332. doi: 10.1063/1.368487Nonlinear properties of thin ferroelectric film-based capacitors at elevated microwave power / O. Soldatenkov, T. Samoilova, A. Ivanov, A. Kozyrev, D. Ginley, T. Kaydanova // Applied Physics Let. 2006. Vol. 89. Art. № 232901. doi: 10.1063/1.2399336Soldatenkov O., Samoilova T., Ivanov A., Kozyrev A., Ginley D., Kaydanova T. Nonlinear Properties of Thin Ferroelectric Film-Based Capacitors at Elevated Microwave Power. Applied Physics Let. 2006, vol. 89, art. no. 232901. doi: 10.1063/1.2399336Ferroelectric materials for microwave tunable applications / A. K. Tagantsev, V. O. Sherman, K. F. Astafiev, J. Venkatesh, N. Setter // J. of Electroceramics. 2003. Vol. 11, № 1. P. 5–66. doi: 10.1023/B:JECR.0000015661.81386.e6Tagantsev A. K., Sherman V. O., Astafiev K. F., Venkatesh J., Setter N. Ferroelectric Materials for Microwave Tunable Applications. J. of Electroceramics. 2003, vol. 11, no. 1, pp. 5–66. doi: 10.1023/B:JECR.0000015661.81386.e6The effect of annealing on the microwave properties of Ba0.5Sr0.5TiO3 thin films / W. Chang, J. S. Horwitz, A. C. Carter, J. M. Pond, S. W. Kirchoefer, Ch. M. Gilmore, D. B. Chrisey // Applied Physics Let. 1999. Vol. 74, № 7. P. 1033–1035. doi: 10.1063/1.123446Chang W., Horwitz J. S., Carter A. C., Pond J. M., Kirchoefer S. W., Gilmore Ch. M., Chrisey D. B. The Effect of Annealing on the Microwave Properties of Ba0.5Sr0.5TiO3 Thin Films. Applied Physics Let. 1999, vol. 74, no. 7, pp. 1033–1035. doi: 10.1063/1.123446Structural features and phase transition temperature of BaxSr1–xTiO3 films grown on various substrates / S. F. Karmanenko, A. I. Dedyk, A. A. Melkov, R. N. Il’in, V. I. Sakharov, I. T. Serenkov, J. Ha // J. of Physics: Condensed Matter. 2002. Vol. 14, № 27. P. 6823–6831. doi: 10.1088/0953-8984/14/27/306Karmanenko S. F., Dedyk A. I., Melkov A. A., Il’in R. N., Sakharov V. I., Serenkov I. T., Ha J. Structural Features and Phase Transition Temperature of BaxSr1–xTiO3 Films Grown on Various Substrates. J. of Physics: Condensed Matter. 2002, vol. 14, no. 27, pp. 6823–6831. doi: 10.1088/0953-8984/14/27/306

The authors declare that there are no conflicts of interest present.