CC BY
590
Известия Саратовского университета. Новая серия. 2012. Т. 12. Сер. Физика, вып. 2
УДК 537.9
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. Набиев1
Фрязинский филиал ФГБУН Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН E-mail: gvc@ms.ire.rssi.ru
1Азербайджанский государственный педагогический университет, Баку E-mail: gvc@ms.ire.rssi.ru
Проведенные экспериментальные исследования позволяют заключить, что в структуре Ni/Ba0 8Sr0 2TiO3/MgO с линейными размерами 150 х150 мм можно реализовать планарный конденсаторный элемент, вариативный по диапазону ёмкости от 0.02 до
3.0 пФ, в котором увеличение ёмкости достигается путем увеличения количества электродных секций.
Ключевые слова: тонкопленочные сегнетоэлектрики, планарные конденсаторы микромасштабного размера, микрополоско-вые линии, фазовращатели, СВЧ устройства.
Determining Parameters of Planar Capacitors Based of Thin Film Ferroelectric Materials
G. V. Chucheva, M. S. Afanasiev, I. A. Anisimov,
A. I. Georgieva, S. A. Levashov, A. E. Nabiev
Experimental results suggest that in the Ni/Ba08Sr02TiO3/MgO structure with linear sizes of 150 х150 mm can be realized by planar capacitor elements of variability over a range of capacity from 0.02 pF to
3.0 pF, which increased capacity is achieved by increasing the number of electrode sections.
Key words: thin film ferroelectrics, planar capacitors of microscale size, microstrip lines, phase shifters, microwave devices.
Введение
Окончание двадцатого века ознаменовалось переходом СВЧ электроники из области специальных применений в разряд массового потребления: сотовая телефония, спутниковое телевидение, глобальная информационная сеть. При этом актуальным направлением является реализация интегральных СВЧ устройств, обеспечивающих управление фазой СВЧ сигнала.
Одним из активных элементов интегральных фазосдвигающих устройств являются конденсаторы микромасштабного размера, которые могут быть непосредственно встроены в микрополоско-вую линию (МПЛ).
Следует отметить, что использование конструкций с распределенными параметрами на
основе МПЛ, периодически нагруженной конденсаторами микромасштабного размера, часто является единственным решением задачи обеспечения габаритных размеров и функциональных параметров фазовращателей на сверхвысоких частотах (СВЧ).
Из существующей номенклатуры конденсаторов микромасштабного размера наиболее вариативными по диапазону изменения емкости являются конденсаторы, выполненные из сегнето-электрика с высокой диэлектрической проницаемостью. В [1] показано, что монокристаллические пленки Ва0 88г0 2ТЮ3 обладают низкой величиной потерь на частотах 30 ГГц и способностью при воздействии электрического поля (и = ± 15.0 В) изменять диэлектрическую проницаемость.
В интегральных устройствах из конструктивных решений конденсаторов микромасштабного размера преимущества имеют планарные конденсаторы, в которых оба электрода расположены в одной плоскости, при этом встречно-штыревая топология электродов позволяет создавать в ограниченных линейных размерах конденсаторные элементы различной ёмкости от сотых долей (10-2 пФ) до единиц пФ.
Цель работы - определение параметров планарных конденсаторов на основе тонкопленочных сегнетоэлектрических материалов.
Задачами исследований являлись: создание планарных конденсаторов в структурах сегнето-электрик/диэлектрик, измерение их параметров и оценка критических режимов эксплуатации.
Методика создания планарного конденсатора
Планарные конденсаторы с встречно-штыревой конфигурацией электродов изготовлены на основе тонкопленочного сегнетоэлектрика состава Вао 88го 2ТЮ3 (БСТ). Пленка БСТ толщиной
© Чучева Г. В., Афанасьев М. С., Анисимов И. А., Георгиева А. И., Левашов С. А., Набиев А. Э., 2012
Г. В. Чучева и др. Определение параметров планарных конденсаторов
25±5 нм напылялась методом высокочастотного реактивного распыления на установке «ПЛАЗМА-50 СЭ» на подложки оксида магния (MgO) с кристаллографической ориентацией [001]. Полученные пленки представляли собой моно-кристаллические блоки, разориентация которых не превышала 0.5 градуса.
В интервале температур от -50 до +300 °С пленки обладали электрической прочностью на уровне 1.0 кВ/мм и диэлектрической проницаемостью (є)~103. Выше +300 °С в пленках изменялась стехиометрия и резко снижались электрические параметры.
На поверхность БСТ напыляли слой металла (N1) толщиной 0.4 мкм. На поверхности металлической пленки методом взрывной фотолитографии формировалась топология встречно-штыревых электродов и омических контактов. Топология электродов планарного конденсатора представлена на рис. 1.
тонкопленочных сегнетоэлектрических материалов с различным количеством электродных секций.
Рис. 1. Топология планарного конденсатора: 5 - ширина зазора между встречными штырями; с1 - ширина электрода (штыря); Ь - апертура (длина перекрывания штырей); Нл -толщина подложки, Лсэ - толщина сегнетоэлектрической пленки; п - количество штырей; t - толщина слоя металлизации (металлических электродов)
В структурах №/Ва0 8Бг0 2TiOз/MgO изготовлены конденсаторы с количеством электродных секций от 2 до 100.
Измерение ёмкости планарного конденсатора
На рис. 2 приведены результаты расчета ёмкости планарных конденсаторов на основе
Рис. 2. Результаты расчета ёмкости планарных конденсаторов на основе тонкопленочных сегнетоэлек-трических материалов (для сравнения точками отмечены экспериментальные значения изготовленных конденсаторов)
Расчет проведен при следующих исходных данных:
- по материалу конденсатора: металлические электроды сформированы на пленке сегнетоэ-лектрика с относительной диэлектрической проницаемостью £сэ= 850; толщиной Исэ= 0.02 мкм; подложка - оксид магния толщиной Нп = 1.0 мм с относительной диэлектрической проницаемостью е8= 9.8;
- по топологии конденсатора: длина электрода Ь = 100.0 мкм; размер электрода d = 1.0 мкм; зазор между электродами 5 = 1.0 мкм.
Ёмкость планарных конденсаторов (С) измеряли на КеШ^еу 42008СБ на частоте 1 МГц при помощи зондовой станции РМ-5 МюгоТес. Измерения проводили при комнатной температуре.
В таблице представлены значения емкости С, измеренные для конденсаторов с разным количеством электродных секций N. Также приведены для каждого встречно-штыревого конденсатора линейные размеры d - ширина электрода и 5 - зазор между соседними электродами. В конденсаторах длина электродов составляла 100 ± 0.15 мкм.
п
і
И
СЭ
И
II
Извести Саратовского университета. Новая серия. 2012. Т. 12. Сер. Физика, вып. 2
Значения ёмкости конденсаторов с различным количеством электродных секций
Количество электродных секций N шт. Ширина зазора s, мкм Ширина электрода 3, мкм Емкость конденсатора С, пФ
2 1.10 0.83 0.093
5 0.91 1.05 0.180
10 0.87 1.09 0.337
25 0.87 1.07 0.703
50 1.00 0.97 1.463
100 1.00 0.97 2.990
Оценка проходной мощности сегнетоэлектрического планарного конденсатора с встречно-штыревой конфигурацией электродов
Фактором, влияющим на конструкцию конденсаторов в составе СВЧ устройств, является рассеиваемая СВЧ мощность, что требует эффективного отвода тепла для стабильной работы конденсаторов микромасштабного размера.
Следует отметить, что планарный конденсатор в СВЧ устройствах средней мощности работает в жестких температурных условиях. Поглощенная конденсатором СВЧ мощность (Р), как следует из формулы (1), зависит от условий его функционирования, напряженности электрического поля в межэлектродном пространстве (Е), частоты СВЧ сигнала (/), тангенса угла потерь (£§) и диэлектрической проницаемости (е) в диапазоне рабочих частот [2]:
Р=ео есэ ' Е/' ^§/2. (1)
Если теплоотвод из конденсатора осуществляется только через подложку, внешняя поверхность которой находится при температуре окружающей среды (Т0), то в рабочем режиме температура нагрева конденсатора (Тконд) может быть рассчитана из формулы
PH2
т = т +—— Щ
конд 0 2 0
(2)
где Исэ - толщина подложки, 0п - теплопроводность подложки, Щ -геометрический фактор.
Щ определяется из формулы (3) исходя из конструкции конденсатора - толщины подложки (Ип) и пленки сегнетоэлектрика (Лсэ), а также их теплофизических характеристик - теплопроводностей подложки (0п) и пленки (0сэ):
(3)
Учёт в конструкции планарного конденсатора удельной теплоемкости материала (Су) и теплофизических свойств подложки позволяет оценить из (4) длительность переходного про-
цесса, тепловую постоянную времени элемента (т), т. е. время теплообмена конденсатора с окружающей средой:
т =
(4)
На основании расчетов проведена оценка критических режимов эксплуатации конденсатора на частотах 3^15 ГГц при различной проходной мощности.
Оценка критических режимов проведена исходя из электрических, теплофизических свойств материалов и конструкции (толщины подложки) конденсатора:
сегнетоэлектрическая пленка
- толщина Исэ= 0.02 мкм;
- относительная диэлектрическая проницаемость есэ=850;
- теплопроводность 0сэ=6 Вт/м ■ К;
- теплоёмкость Су = 1.2 ■ 106 Дж/м3;
- тангенс угла диэлектрических потерь tg§ = 2 ■ 10-5 на частоте 15.0 ГГц;
подложка (оксид магния)
- толщина подложки Ип = 0.9 мм;
- теплопроводность 0п = 76 Вт/м ■ К;
- тангенс угла диэлектрических потерь tg§ = 2 ■ 10-5 на частоте 15.0 ГГц;
- объем микроконденсатора из 50 электродных секций У = 0.3 мм3.
режим эксплуатации
- максимальная рабочая температура Гконд = = 300 °С;
- максимальная проходящая мощность Р = = 5 Вт;
- максимальная напряженность электрического поля Е = 0.7 кВ/мм в межэлектродном пространстве в режиме перестройки емкости конденсатора.
Критический режим эксплуатации определен как температурный режим работы конденсатора, ограниченный 300 °С. На рис. 3 представлена корреляция проходной мощности и времени на-
10
Научный отдел
Г. В. Чучева и др. Определение параметров планарных конденсаторов
1,Е-09
1,Е-08
1,Е-07
1,Е-06 Время, с
Рис. 3. Корреляция проходной мощности и времени нагрева конденсатора от комнатной температуры до 300 °С: 1 - f = 3 ГГц, 2 - f = 15 ГГц
0,6 0,8 1 Толщина подложки, мм
Рис. 4. Влияние толщины подложки на диапазон рабочих частот планарного конденсатора
грева конденсатора от комнатной температуры до температуры 300 °С.
На рис. 4 представлено влияние конструкции конденсатора (толщины подложки) на диапазон рабочих частот.
Выводы
Проведенные экспериментальные исследования позволяют заключить, что в структуре №/Ва0 88г0 2ТЮз/М§0 с линейными размерами 1501150 мм можно реализовать планарный конденсаторный элемент вариативный по диапазону ёмкости от 0.02 до 3.0 пФ, в котором увеличение ёмкости достигается путем увеличения количества электродных секций.
Анализ расчетов показал, что даже при сравнительно низкой величине потерь (~10-5) пленок Ва0 88г0 2Т1О3 на частоте 15.0 ГГц в конденсаторе объемом ~1.0 мм3 рассеивается мощность порядка 10 Вт/мм3 и при толщине подложки оксида магния более 0.9 мм реальный конденсатор
может работать при проходящей мощности 5 Вт на частоте 3 ГГ ц, либо в импульсном режиме на более высоких частотах. Работоспособность при мощности 5 Вт на частоте 15 ГГц обеспечивается созданием планарного конденсатора на кристалле оксида магния толщиной 0.1 мм.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (госконтракт № 16.513.11.3072), РФФИ (проект № 12-07-00662-а), Программы фундаментальных исследований Президиума РАН.
Список литературы
1. Воротилов К. А., Мухортов В. М., Сигов А. С. Интегрированные сегнетоэлектрические устройства / под ред. чл.-корр. РАН А. С. Сигова. М. : Энергоатомиздат, 2011.
2. Спектор Н. Оценка допустимой мощности в полосковой линии // Полосковые системы сверхвысоких частот / пер. с англ. ; под ред. В. И. Сушкевича. М. : Иностр. лит., 1959. С.160-172.
