Метод повышения электрической прочности сегнетоэлектрических планарных конденсаторов

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.

1. Вендик О. Г. Сегнетоэлектрики находят свою "нишу" среди управляющих устройств СВЧ // Физика твердого тела. 2009. Т. 51, № 7. С. 1441–1446.

2. Вендик О. Г., Никольский М. А. Учет нелинейности сегнетоэлектрического слоя в модели планарного конденсатора // Письма в ЖТФ. 2003. Т. 29, № 5. С. 20–29.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. Gevorgian S. Ferroelectrics in microwave devices, circuits and systems: physics, modeling, fabrication and measurements. London: Springer, 2009. 396 p. doi: 10.1007/978-1-84882-507-9

8. Гагарин 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.

9. 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.

10. Вендик О. Г., Никольский М. А. Моделирование характеристик многослойного планарного конденсатора // Журн. техн. физики. 2001. Т. 71, № 1. С. 117–121.

11. 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: 10.25686/2306-2819.2019.4.67

12. 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: 10.1116/1.588605

13. Формирование 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.

14. 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.

15. Вендик О. Г. Сегнетоэлектрики в технике СВЧ. М.: Сов. радио, 1979. 272 с.

16. 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.

17. 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: 10.1063/1.368487

18. Nonlinear 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: 10.1063/1.2399336

19. Ferroelectric 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.e6

20. The 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: 10.1063/1.123446

21. Structural 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: 10.1088/0953-8984/14/27/306