CC BY
27======================================Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2005. Вып. 1
УДК 621.382.029.6;621.315.612
А. Б. Козырев, А. Г. Гагарин, А. В. Иванов, А. В. Тумаркин,
Ю. А. Ямщиков
Санкт-Петербургский государственный электротехнический
университет "ЛЭТИ"
Быстродействие плоскопараллельных конденсаторов, содержащих тонкую пленку титаната бария-стронция
Представлены методика исследований и результаты измерений времени изменения диэлектрической проницаемости плоскопараллельных конденсаторов на основе титаната бария-стронция (BagjSrgjTiO3) при импульсном управляющем воздействии. Проведенные исследования продемонстрировали высокое быстродействие исследованных элементов.
Плоскопараллельный конденсатор, тонкие пленки BSTO, быстродействие
В современной микроэлектронике СВЧ, как правило, наиболее перспективны для использования сегнетоэлектрические тонкопленочные материалы. В ряде работ, например [1], показано, что свойства сегнетоэлектрических тонкопленочных элементов могут существенно отличаться от свойств объемного материала. В частности, сегнетоэлектрические пленки демонстрируют повышенные СВЧ-потери, не соответствующие СВЧ-потерям монокристаллов. Поэтому определение параметров сегнетоэлектрических тонкопленочных элементов на СВЧ, таких как управляемость, быстродействие, коэффициенты нелинейности диэлектрической проницаемости при гармоническом воздействии и т. п., требует дополнительных исследований.
В СВЧ-устройствах управления и переключения используются, как правило, униполярные управляющие импульсы напряжения, длительность которых может меняться в пределах 10 нс. ..100 мс. В такой ситуации гистерезисные явления, связанные, в частности, с перераспределением заряженных дефектов (кислородных вакансий) в объеме сегнетоэлектрической пленки [2] или с инжекцией и накоплением носителей заряда на дополнительных энергетических уровнях дефектов в объеме сегнетоэлектрической пленки и в ее приэлектродных слоях [3], могут быть причиной неоднозначного временного отклика пленки на управляющее импульсное поле, поскольку изменение диэлектрической проницаемости будет происходить за время, большее, чем время нарастания (или спада) управляющего импульса напряжения. Кроме того, наличие в гранулированных пленках (Ba, Sr) TÍO3 с высоким содержанием бария областей с остаточной поляризацией в параэлектрической фазе также может отрицательно сказываться на быстродействии сегнетоэлектрических тонкопленочных элементов. В предыдущих работах [4], [5] было продемонстрировано, что в ряде случаев сегнетоэлектрические планарные элементы обладают неоднозначным временным откликом на импульсное управляющее воздействие. Поэтому необходимы дальнейшие исследования быстродействия сегнетоэлектрических плоскопараллельных элементов при таком воздействии.
© А. Б. Козырев, А. Г. Гагарин, А. В. Иванов, А. В. Тумаркин, Ю. А. Ямщиков, 2005
11
В настоящей статье представлены методика и результаты экспериментального исследования времени изменения диэлектрической проницаемости плоскопараллельных сегнетоэлектрических элементов на основе пленок Bag 3Sr0 7TÍO3 при воздействии импульсного электрического поля.
Сегнетоэлектрический плоскопараллельный элемент. Существенное снижение управляющих напряжений сегнетоэлектрических тонкопленочных элементов (до 30...50 В) возможно при создании плоскопараллельных конденсаторов. Конструкция разработанного и реализованного плоскопараллельного сегнетоэлектрического конденсатора представлена на рис. 1. На поверхности диэлектрической подложки 4 (AI2O3) расположен нижний платиновый электрод 1 толщиной около 100 нм, являющийся одним из электродов сегнетоэлектрического элемента. На него методом магнетронного распыления нанесена пленка титаната бария-стронция 2 толщиной около 0.6 мкм [6], на которую нанесен медный электрод 3. Сегнетоэлектрическая перестраиваемая емкость образована перекрытием электродов 1 и 3. Площадь перекрытия, определяющая емкость элемента, в рас-
2
сматриваемом образце составила 10 х10 мкм . Управляющее напряжение подавалось на платиновый электрод 1 через емкость связи между этим электродом и вторым медным электродом 5. Была изготовлена серия элементов на основе пленок титаната бария-стронция с 30%-м содержанием бария, обладающего наилучшим сочетанием управляемости k = Cmax /Cm¡n и диэлектрических потерь при относительно хорошей температурной
стабильности в области комнатных температур а = - (1/C)(dC/dT) < 10-3 K-1J . Исследования СВЧ-характеристик плоскопараллельных сегнетоэлектрических элементов были выполнены с использованием резонансных методик измерений [1]. На рис. 2 представлен типичный пример результатов измерений СВЧ-свойств плоскопараллельного элемента на частоте около 2 ГГц. Управляемость сегнетоэлектрических элементов при U = 0...50 В составила k « 2, диэлектрические потери в элементе не превышали значения 0.02 во всем диапазоне перестройки, что является приемлемым для СВЧ-приложений.
Методика и результаты измерения быстродействия плоскопараллельных сегнетоэлектрических элементов. Измерения быстродействия сегнетоэлектрических плос-
C, пФ
0.7
0.6 -
0.5 -
0.4
0.018
-0.016
0.014
Рис. 1
0 10 20 30 40 U, В Рис. 2
копараллельных элементов при воздействии импульсного управляющего напряжения основаны на определении длительности процесса перестройки по частоте амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) микрополоскового СВЧ-резонатора, в который включен сегнетоэлектрический элемент. При приложении к сегнетоэлектрическому элементу импульсного управляющего напряжения АЧХ резонатора сдвигается в область более высоких частот, что приводит к изменению коэффициента передачи резонатора S21 на фиксированной частоте СВЧ-сигнала fc. Длительность процесса перестройки СВЧ-резонатора с
сегнетоэлектрическим элементом определяется в результате сравнения СВЧ-сигнала на выходе резонатора с управляющим импульсом.
Топология микрополосковой схемы измерений, состоящей из четвертьволнового резонатора с исследуемым сегнетоэлектрическим элементом и фильтров нижних частот, изображена на рис. 3. Сегнетоэлектрический элемент 2 помещался в разрыв микрополосковой линии резонатора 1 вблизи ее короткозамкнутого окончания. На другом конце резонатора выполнялось условие холостого хода. Резонатор включался в СВЧ-цепь через емкостные зазоры 3, которые обеспечивали его связь с внешними СВЧ-цепями и одновременно защищали СВЧ-детектор на выходе резонатора от воздействия импульса управляющего напряжения. Импульс управляющего напряжения прикладывался к сегнетоэлектрическому конденсатору через фильтры нижних частот (ФНЧ), включенные в сечении микрополосковой линии резонатора, соответствующем минимуму стоячей волны напряжения, что позволило исключить влияние цепей управления на АЧХ резонатора. ФНЧ состояли из четвертьволновых сегментных шлейфов (параллельных емкостей) 4 и отрезков линий 5 с высоким импедансом Z —100 Ом, играющих роль последовательных индуктивностей.
Результаты измерений времени отклика рассмотренного ранее сегнетоэлектрического элемента на импульсное электрическое поле продемонстрировали, что для всех исследованных образцов Ba0 3Sr0 7TÍO3 -конденсатора в диапазоне изменения амплитуды управляющего видеоимпульса 0.50 В (что соответствовало изменению емкости от 0.8 до 0.4 пФ) и его длительности от 100 до 0.1 мкс форма огибающей СВЧ-сигнала практически идентична форме управляющего импульса. Длительность фронтов продетектированного СВЧ-им-пульса совпала с длительностью фронтов управляющего импульса и составила около 0.5 нс.
Рис. 3
0.8 пФ -\ 0.8 пФ
0.1 мк< 1 i 1 нс
\ ч
\
0.4 пФ 1 0.4 пФ
Рис. 4
В качестве примера на рис. 4 представлены осциллограммы, характеризующие время отклика (длительность перестройки по частоте) СВЧ-резонатора с включенным исследованным элементом в двух временных масштабах. Параметры управляющего импульса составили: длительность 0.1 мкс; длительность фронтов tф - 0.5 нс; амплитуда Um = 50 В .
Отметим, что наблюдалось одинаковое изменение коэффициента передачи резонатора под действием видеоимпульса амплитудой Um и при приложении постоянного напряжения смещения Uь = Um. Это свидетельствует об одинаковом изменении емкости при обоих типах управляющих воздействий.
Таким образом, представленная методика позволила исследовать отклик плоскопараллельных конденсаторов на основе пленки Bao 3Sro 7ТЮ3 на периодическое импульсное
воздействие управляющего напряжения с длительностью от 0.1 до 100 мкс. Результаты измерений показали, что замедление процессов изменения емкости, связанных с известными механизмами релаксации, не превышает 0.5 нс, что означает достаточное для технических применений быстродействие сегнетоэлектрического перестраиваемого СВЧ-элемента.
Библиографический список
1. Сегнетоэлектрики в технике СВЧ / Под ред. О. Г. Вендика. М.: Сов. радио, 1979. 272 с.
2. Slow capacitance relaxation in (Ba Sr)ТЮ3 thin films due to the oxygen vacancy redistribution / Y. Boi-kov, B. Goltsman, V. Yarmarkin, V. Lemanov // Appl. Phys. Lett. 2001. Vol. 78, № 24. P. 3866-3868.
3. Гистерезис диэлектрической проницаемости титаната стронция при 4.2 K / О. Г. Вендик, А. И. Де-дык, Р. В. Дмитриева и др. // ФТТ. 1984. Т. 26. Вып. 3. С. 684-689.
4. Козырев А. Б., Солдатенков О. И., Иванов А. В. // Письма в ЖТФ. 1998. Т. 24. Вып. 19. С. 19-25.
5. Response time and power handling capability of tunable microwave devices using ferroelectric films / A. B. Ko-zyrev, O. I. Soldatenkov, T. B. Samoilova et al. // Integrated Ferroelectrics. 1998. Vol. 22. P. 329-340.
6. Characterization of quality of BaxSr1_xTiO3 thin film by the commutation quality factor measured at microwaves / S. V. Razumov, A. V. Tumarkin, M. M. Gaidukov et al. // Appl. Phys. Lett. 2002. Vol. 81, № 9. P. 1675-1677.
A. B. Kozyrev, A. G. Gagarin, A. V. Ivanov, A. V. Tumarkin, Yu. A. Yamschikov Saint Petersburg state electrotechnical university "LETI"
Time Response of Parallel-Plate Capacitors Based on Barium-Strontium Titanate Thin Film
Method and results of investigations of dielectric permittivity response time for parallelplate capacitors based on (Ba0 3Sr0 7TiO3 ) under pulse controlling voltage are presented. Investigations performed demonstrated high responsibility of elements. Parallel-plate capacitor, BSTO thin films, time response Статья поступила в редакцию 31 декабря 2004 г.
