Козирєв А Б, Гайдуков М М, Гагарін А Г, Тумаркин А В, Разумов С В, Алтинніков А Г Санкт-Петербурзький державний електротехнічний університет (ЛЕТІ) вул проф Попова 5, Санкт-Петербург, 197376, Росія Тел: (812) 2344809, e-mail: mcl@eltechru

Анотація – Розглянуто конструкція плоскопараллельного конденсатора на основі сегнетоелектричної тонкої плівки Представлена ​​СВЧ еквівалентна схема конденсатора Розраховані СВЧ параметри конденсатора та проведено їх порівняння з експериментальними результатами

I                                       Введення

в даний час активно ведуться роботи зі створення перебудовуються СВЧ пристроїв (фазовращателі, фільтри, лінії затримки [1]) на основі сегнетоелектричних (СЕ) плівок Керуючими елементами в таких структурах є, як правило, планарниє конденсатори [2] Відомо, що для реалізації високої керованості СЕ плівки необхідно створення високих (до 100 В / мкм) керуючих електричних полів У рамках планарної конструкції рішення цього завдання є складним, так як необхідність зниження керуючих напруг до прийнятних величин (менше 50 В) змушує зменшувати величини зазорів, що веде до збільшення некерованих ємностей Необхідно, таким чином, зміна конструкції самого планарного конденсатора з перенесенням одного з електродів під СЕ плівку і реалізація плоскопараллельних структур типу метал-д і електрик-метал (МДМ) Технологія отримання таких конденсаторів значно складніше, вимагає введення ряду додаткових операцій і кардинальної зміни конструкції з урахуванням впливу всіх факторів, що визначають параметри конденсатора

II                               Основна частина

Конструкція СВЧ МДМ конденсатора представлена ​​на рис1 У припущенні сталості діелектричної проникності по товщині СЕ плівки величину керованої ємності можна записати

Fig 1 Design and equivalent circuit of MDM microwave varactor

товщина СЕ плівки (за умови а, Ь »d крайові ємності не перевершують 3% від номіналу [3])

Рис 1 Конструкція і еквівалентна схема МДМ СВЧ конденсатора

де а, Ь – розміри перекриття, d Bee інші елементи еквівалентної схеми є «паразитними» і необхідно оцінити їх вплив на СВЧ властивості розробленого конденсатора Оцінки показують, що для представленої конструкції L <5 * 10” ‘^ Гн, Сп < 0.02 пФ.

Однією з найважливіших характеристик конденсатора є величина втрат (tg6) Наявність послідовно включеного опору Rpt еквівалентно збільшенню tg6 конденсатора Використовуючи послідовну еквівалентну схему конденсатора з втратами, запишемо:

де W-ширина зазору між мідними електродами навколо області перекриття

Видно, що для зменшення впливу платинового електрода треба зменшувати величину w і реалізовувати конструкцію з Ь «а Зменшення w з одного боку лімітується зростанням Сп і можливостями технологічного обладнання Зменшення ж одного з розмірів також лімітується умовою Ь »d-за зростаючого впливу крайових ємностей Величина d, в той же час, повинна вибиратися з урахуванням можливості проколів СЕ плівки через шорсткості поверхні і наявності щаблі плівки платини (для даної конструкції)

Таким чином розглянута конструкція перебудованого СВЧ МДМ конденсатора є компромісом між його очікуваними параметрами і технологічними можливостями На основі розробленої раніше технології нанесення СЕ плівок [4] було реалізовано низку МДМ конденсаторів з величиною початкової ємності 0,4 н-1, 5 пФ дли дослідження в різних діапазонах частот

Для використання СВЧ конденсаторів на основі СЕ плівок в різних пристроях визначальними є вольт-фарадні характеристика (керованість) і частотна залежність втрат (tg6) Розглянемо далі ці характеристики розроблених конденсаторів

Наведені на рис 2 вольт-фарадні залежності для МДМ конденсаторів з різним вмістом барію показують, що дворазове зміна ємності досягається при напружених менш ЗОВ, що на порядок менше в порівнянні з планарними конденсаторами

Частотні залежності втрат для тих же конденсаторів наведені на рісЗ в порівнянні з аналогічними залежностями для планарних конденсаторів Прямі лінії на малюнку показують внесок втрат за рахунок опору плівки платини для даної конструкції Можна відзначити, що ці втрати стають порівнянними з втратами в СЕ плівці при частотах вище ЮГГц, однак можуть бути істотно зменшені за рахунок вдосконалення технології фотолітографії і відповідної зміни конструкції: зменшення розміру w і дотримання умови Ь «а

Fig 3 Frequency dependence of MDM varactors

і, V

Рис 2 Вольт-фарадні характеристики МДМ-конденсаторів

III                                  Висновок

Розроблені, виготовлені і досліджені МДМ конденсатори на основі СЕ лленок Проведена оцінка впливу конструкції на СВЧ властивості елементів Результати екслеріментальних досліджень показали лерслекгівность використання подібної конструкції для реалізації різних НВЧ пристроїв

Робота виконана за підтримки програми «Розвиток наукового потенціалу вищої школи (2006 – 2008 роки)», проект РНП 2127083

IV                           Список літератури

[1] А Kozyrev, А Ivanov, V Kelsetal Ferroelectric Films: Nonlinear Properties and Applications in Microwave Devices Microwave Symposium Digest IEEE MTT-S International 1998 Vol2, pp 985-988

[2] Вендік О Г, Лоос Г Д, Тер-Мартиросян Л Т Планарні сегнетоелектрічеськие конденсатори для СВЧ-пристроїв / / Радіотехніка та електротехніка, 1972, т17, № 10, С2241

[3] Ю Я Іоссель, Е С Кочанов, М Г Струнской Розрахунок електричної ємності Л: Енергія 1969

[4] SV Razumov, А V Tumarkin, А G Gagarin etal Microwave Properties of Thin BSTO Films Based Varactors for High Frequency Applications Integrated Ferroelectrics,

2003,       Vol55, pp871-876

MDM MICROWAVE VARACTORS BASED ON FERROELECTRIC THIN FILMS

Kozyrev A B, Gaidukov M М, Gagarin A G,

Tumarkin A V, Razumov S V, AltynnikovA G

Па 2 Voltaae-capacitance cun / es of MDM

St-Petersburg Electrotechnical University (LETI)

Рис 3 Частотна залежність СВЧ втрат МДМ конденсаторів

Prof Popova St 5, St-Petersburg, 197376, Russia Ph: (812) 2344809, e-mail: mcl@eltechru

Abstract – Considered in this paper is design of Metal- Dielectric-Metal (MDM) varactor based on ferroelectric thin film Varactor equivalent circuit of is presented Varactors’ microwave parameters are calculated and compared with experimental results

I                                        Introduction

Investigations regarding ferroelectric thin films microwave applications are concerned with using planar varactor design In order to provide high tunability of ferroelectric film, high electric field strength (up to 100 V/μm) is required Thus development of MDM structures with thin ferroelectric film between metal electrodes is very relevant Technique of MDM structures fabrication is more complicated than planar technique and requires substantial design change taking into account all factors influencing the varactors parameters

II                                       Main Part

MDM microwave varactor development allows for calculation of total microwave losses which consist of dielectric losses and losses in bottom platinum electrode Total losses are determined as

In order to provide losses minimization, the following condition should be observed: b« a and w is minimum that provides acceptable value of parasitic capacitance

Fabricated MDM varactors have demonstrated tunability K~2 at 30 V and losses less than tan5~006 at 10 GHz

III                                     Conclusion

Ferroelectric MDM varactors have been developed, fabricated and researched The results obtained are very promising for MDM varactors microwave application

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р