Расчет эффективной диэлектрической проницаемости и емкости щелевого и плоскопараллельного конденсаторов с высокой температурной стабильностью характеристик на основе многослойной сегнетоэлектрической структуры

Введение. Создание современной электронной компонентной базы с улучшенными характеристиками возможно с применением новых материалов и технологий их изготовления. Поэтому важен вопрос анализа электрических параметров электронных компонентов, содержащих материалы, расширяющие их функциональные возможности. Стабилизация электрических свойств конденсаторов с переменной емкостью при изменении управляющего напряжения вследствие температурных воздействий является актуальной задачей. Решить ее можно используя совокупность нелинейных диэлектриков, свойства которых взаимно компенсируют нестабильность эффективной диэлектрической проницаемости емкости в широком интервале температур. К таким материалам относятся сегнетоэлектрики, обладающие спонтанной поляризацией, зависящей от температуры и стороннего электрического поля.

Цель работы. Создание расчетных моделей планарных щелевых и сэндвич-структур, содержащих многослойные пленки с изменяемыми по толщине стехиометрическими составами сегнетоэлектрических материалов. На основе таких структур можно спроектировать конденсаторы, емкость которых зависит от управляющего напряжения. Их можно использовать в качестве сосредоточенных элементов схем, работающих в диапазонах НЧ–СВЧ-длин волн и обладающих высокой температурной стабильностью.

Материалы и методы. Вычислительные математические модели для анализа слоистых структур созданы с помощью метода конформных отображений и использования граничных условий для касательных и нормальных компонент электрического поля.

Результаты. Выполнен анализ емкости щелевого и сэндвич (плоскопараллельного)-конденсаторов на многослойных структурах. Получены результаты расчета емкости конденсаторов в зависимости от количества сегнетоэлектрических слоев и их толщин с различными стехиометрическими составами, обеспечивающими требуемую стабильность в заданном интервале температур. Увеличение количества слоев в структуре с трех до пяти расширяет температурный диапазон стабилизации эффективной диэлектрической проницаемости емкости с ~50 °С до ~120…160 °С.

Заключение. Созданные математические модели позволили численно оценить температурную и полевую стабильность многослойных пленочных структур на основе бариево-стронциевых составов для применения их в качестве основы при построении компонентной базы с электрической перестройкой емкости.

1. Сегнетоэлектрики в технике СВЧ / Н. Н. Антонов, И. М. Бузин, О. Г. Вендик и др.; под ред. О. Г. Вендика. М.: Сов. радио, 1979. 272 с.

2. Вербицкая Т. Н., Александрова Л. М., Широбокова Е. И. Электрические свойства пленочных варикондов с прямоугольной петлей гистерезиса // Изв. АН СССР. Сер. физическая. 1965. Т. 29. С. 2104.

3. СВЧ-свойства сегнетоэлектрических пленок с размытым фазовым переходом / О. Г. Вендик, С. П. Зубко, М. С. Гашинова, Н. Ю. Некрасова // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2005. Вып.1. С. 15–19.

4. Вербицкая Т. Н. Титанат бария. М.: Наука, 1973. 273 с.

5. Диэлектрические свойства тонких пленок SrTiO3 и Sr0.5 Ba0.5TiO3 / Б. М. Гольцман, В. В. Леманов, А. И. Дедык, Л. Т. Тер-Мартиросян, С. Ф. Карманенко // ФТТ. 1996. Т. 38, вып. 8. С. 2493–2496.

6. Технология и диэлектрические свойства многослойных нанокомпозитных сегнетоэлектрических пленок / В. М. Балашов, И. Г. Мироненко, А. А. Иванов, А. И. Фирсенков, Д. В. Велькин, О. В. Яковлев, Н. А. Емельянов // Вопросы радиоэлектроники. 2018. № 1. С. 62–67.

7. Применение наноразмерных пленок титаната бария-стронция для перестраиваемых сверхвысокочастотных устройств / Вас. М. Мухортов, С. И. Масычев, Ю. И. Головко, А. В. Чуб, В. М. Мухортов // ЖТФ. 2006. Т. 76, вып. 10. С. 106–109.

8. СВЧ фазовращатель с планарными конденсаторами на основе пленок титаната стронция / А. Козырев, А. Иванов, О. Солдатенков, Е. Гольман, А. Прудан, В. Логинов // Письма в ЖТФ. 1999. Т. 25, вып. 20. С. 78–83.

9. Composition-control of magnetron-sputterdeposited (BaxSr1-x)TiO3 thin films for voltage tunable devices / Im. Jaemo, O. Auciello, P. K. Baumann, S. K. Streiffer, D. Kaufman, A. R. Krauss // Appl. Phys. Let. 2000. Vol. 76. P. 625–627. doi: 10.1063/1.125839

10. The fabrication and material properties of compositionally multilayered Ba1-xSrxTiO3 thin films for realization of temperature insensitive tunable phase shifter devices / M. W. Cole, E. Ngo, S. Hirsch, J. D. Demaree, S. Zhong, S. P. Alpay // J. Appl. Phys. 2007. Vol. 102. P. 034104. doi: 10.1063/1.2761849

11. Сегнетоэлектрические пленки и устройства на сверх- и крайне высоких частотах / А. А. Иванов, И. Г. Мироненко, С. Ф. Карманенко и др. СПб.: Элмор, 2007. 162 с.

12. Маркушевич А. И. Краткий курс теории аналитических функций. 4-е изд., испр. и доп. М.: Наука, 1978. 416 c.

13. Лавpeнтьев М. A., Шaбат Б. В. Методы теории функций комплексного переменного. M.: Наука, 1973. 736 с.

14. Лаврентьев М. А. Конформные отображения. М.; Л.: Гостехиздат, 1946. 160 c.

15. Layered planar capacitor based on BaxSr1-xTiO3 with variable parameter x / O. G. Vendik, S. P. Zubko, S. F. Karmanenko, M. A. Nikol’ski, N. N. Isakov, I. T. Serenkov, V. I. Sakharov // J. Appl. Phys. 2002. Vol. 91, № 1. P. 331–335. doi: 10.1063/1.1421035