Многослойные структуры на эффекте сильного поля в сегнетоэлектрических пленках

Технические достижения в области передачи и обработки информации стали возможными благодаря детальной информации о физических явлений в твердом теле. В радиоэлектронике наиболее массово представлены устройства на полупроводниках. Свойства полупроводниковых материалов позволяют решить широкий и в то же время ограниченный круг прикладных задач. Использование физических явлений в сегнетоэлектриках и ферритах открывает возможность его расширения.

СВЧ электроника долгое время была областью специальных применений. Окончание двадцатого века ознаменовалось переходом ее в разряд массового потребления: сотовая телефония, спутниковое телевидение, системы навигации и безопасности для транспорта, глобальная информационная сеть. В этих условиях более значимыми становятся требования к энергопотреблению, материа-лосбережению при производстве и к себестоимости СВЧ систем.

Основу перечня активных устройств СВЧ электроники составляют усилители, перестраиваемые фильтры, фазовращатели. До настоящего времени в них традиционно используются полупроводниковые диоды и транзисторы. Во второй половине двадцатого века начались активные исследования, связанные с применением сегнетоэлектрических материалов в СВЧ электронике.

Сорокалетняя (1960 — 2000 г. г.) история исследований, направленных на создание электрически перестраиваемых СВЧ устройств на сегнетоэлектриках, имеет два периода активности. Начальный этап связан с изучением диэлектрических свойств объемных сегнетоэлектриков в диапазоне сверхвысоких частот (К. Bethe, О. Г. Вендик, И. В. Иванов, Ю.М. Поплавко), с разработкой технологии получения сегнетоэлектрических пленок (Т.Н. Вербицкая, В. Г. Дудкевич, Б. В. Ткачук, Ю.Я. Томашпольский) и с изучением их диэлектрических свойств.

Были созданы опытные образцы параметрических усилителей (О.Г. Вендик, И. В. Иванов, JI.T. Тер-Мартиросян) и фазовращателей (И.Г. Мироненко), содержащие, как правило, сосредоточенные планарные конденсаторы на пленках титаната стронция и твердого раствора титанат бария — титанат стронция.

С середины девяностых годов прошлого века наблюдается рост активности исследований, стимулированный перспективностью СВЧ устройств на ге-тероструктурах, содержащих пленки высокотемпературного сверхпроводника и сегнетоэлектрика. Новый этап протекает на фоне возросшего интереса к сег-нетоэлектрическим пленкам, вызванного их использованием в блоках памяти компьютерной техники. Существенно изменилась и география исследовательских центров. Над проблемой создания сегнетоэлектрических СВЧ устройств сегодня работают научные коллективы не только в России, но и в США, Германии, Швеции, Корее. Активность исследований сегодня сосредоточена на следующих направлениях:

• развитие материаловедческой базы многослойных структур с сегнетоэлек-трической пленкой и разработка технологических методов синтеза пленок с совершенными структурными характеристиками;

• разработка взаимодополняющих экспериментальных и теоретических методов исследования влияния компонент многослойной структуры на диэлектрические и электропроводящие свойства СЭ пленки;

• моделирование процесса диссипации энергии электромагнитного поля в СЭ материалах и поиск способа снижения СВЧ диэлектрических потерь в многослойной структуре;

• создание управляемого элемента электроники СВЧ со стабильными характеристиками и улучшенными электроизоляционными свойствами.

Сегнетоэлектрические материалы обладают аномально высокой.

2 3 диэлектрической проницаемостью. Различные по физической природе (электрическое, тепловое, механическое) воздействия на сегнетоэлек-трик вызывают изменение его проницаемости. Это качество материала позволяет реализовать СВЧ устройства с электрически управляемыми характеристиками.

Основными компонентами электрически управляемых СВЧ устройств являются конденсаторы (варакторы) и отрезки волноведущих линий. Ограничения принципиального характера на номиналы емкостей и волновых сопротивлений передающих линий делают проблематичным включение в состав устройств объемных сегнетоэлектриков. Частичное заполнение сегнетоэлек-триком междуэлектродного пространства конденсатора или передающей линии, предложенное О. Г. Вендиком в семидесятых годах, позволило решить проблему получения требуемых номиналов. Оно достигается, например, при использовании пленок сегнетоэлектрика, нанесенных на поверхность диэлектрической пластины. На протяжении последних десятилетий компоненты управляемых устройств на основе многослойной структуры планарные металлические электроды — сегнетоэлектрическая пленка — диэлектрическая подложка занимают доминирующее положение.

Изменение электрическим полем диэлектрической проницаемости сегне-тоэлектрической пленки составляет основу физики управления характеристиками устройств. Это свойство пленки может быть подавлено в результате.

1) механического воздействия подложки и металлических покрытий на пленку;

2) внедрения точечных дефектов в процессе синтеза пленки- 3) реализации мелкокристаллитного строения пленки. Создание конкурентоспособных управляемых СВЧ устройств, содержащих сегнетоэлектрические материалы, возможно при комплексном решении взаимосвязанных научно — технических, конструкторских и технологических задач.

Тридцатилетний опыт разработок управляемых СВЧ устройств позволил выявить перспективные материалы для многослойных структур. Технические требования к устройствам в значительной степени удовлетворяются при использовании титаната стронция (SrTi03, STO) и твердых растворов титанат бария — титаната стронция ((Bax, Sri «х)ТЮз, BSTO), которые имеют в ближней па-раэлектрической области высокую диэлектрическую нелинейность и малый тангенс угла диэлектрических потерь. В качестве диэлектрических подложек, на поверхности которых синтезируется сегнетоэлектрическая пленка, применяются пластины поли и монокристаллического сапфира (AI2O3), окиси магния (MgO), алюмината лантана (ЬаАЮз). Область рабочих температур СВЧ устройств на основе многослойной структуры с СЭ пленкой определяется, как правило, химическим составом сегнетоэлектрика. Ранее постулировалось, что устройства с пленкой STO предназначены для работы при низких (Т < 100 К) а с пленкой твердого раствора (Ва, Sr) Ti03 — при комнатных температурах. Была доказана принципиальная возможность построения управляемых СВЧ устройств на сегнетоэлектриках. Однако, технические характеристики созданных в те годы устройств по ряду показателей уступали аналогичным устройствам на полупроводниках, что и предопределило их невостребованность к промышленному освоению. Причину неудовлетворительного исхода связывали с низким качеством сегнетоэлектрических пленок: не достаточно низкими диэлектрическими потерями в СВЧ диапазоне и ограниченным изменением (до двух раз) диэлектрической проницаемости электрическим полем.

Диэлектрические свойства СЭ пленок экспериментально исследованы достаточно подробно. Установлено, что температурное поведение их диэлектрической проницаемости не соответствует аналогичной зависимости для объемного образца. Однако причины, вызывающие такое различие, детально не изучены. Отсутствие такой информации существенно затрудняет поиск технологических режимов нанесения сегнетоэлектрических пленок на диэлектрическую подложку, обеспечивающих их высокое качество. Планарные конденсаторы на основе многослойной структуры являются основным объектом для исследования диэлектрических свойств СЭ пленки. Сложность определения свойств материала пленки связана с неоднородностью диэлектрического заполнения междуэлектродного пространства конденсатора и неоднородным распределением электрического поля в нем. Традиционно задача решается методом конформных преобразований. По известным данным о геометрии электродов конденсатора, о диэлектрической проницаемости подложки, о значении емкости определяется усредненное по объему пленки значение диэлектрической проницаемости. Если пленка имеет монокристаллическую структуру, то измеренное значение в наибольшей степени соответствует диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика. В случае поликристаллической пленки существует несоответствие между измеренным по этой методике значением диэлектрической проницаемости и данными для объемного сегнетоэлектрика.

Электрическое управление емкостью сегнетоэлектрического варактора обеспечивается изменением диэлектрической проницаемости вещества, заполняющего междуэлектродное пространство конденсатора. Феноменологическая теория сегнетоэлектричества формирует общий подход для количественного описания зависимости диэлектрической проницаемости от электрического поля. Ее основу составляет постулат Ландау — представление свободной энергии сегнетоэлектрика в виде ряда по степеням поляризации. Теория не вводит принципиального ограничения на количество слагаемых ряда и руководствуясь принципом разумной достаточности использует первые слагаемые этого ряда. Прогноз о возможности изменения электрическим полем проницаемости СЭ в общих чертах можно сформулировать следующим образом: большему модулю вектора поляризации сегнетоэлектрика соответствует меньшее значение диэлектрической проницаемости. Пробой исследуемых образцов определяет физический предел достижимой в эксперименте напряженности (или поляризации) электрического поля.

В традиционных СВЧ устройствах планарной конструкции на основе сегнетоэлектрических пленок электрический пробой происходит при напряу женностях поля порядка 10' В/ м. Такие управляющие поля обеспечивали работоспособность устройства в достаточно узком диапазоне температур в окрестности сегнетоэлектрического фазового перехода. Расширение диапазона возу можно при использовании полей с напряженностью Е" 10 В/м. Для выбора способа технической реализации сильного поля необходимы исследования как распределения поля в многослойных структурах с СЭ пленкой так и электропроводности объемных и пленочных сегнетоэлектриков. Кроме того, воздействие источника напряжения на МДМ структуру с СЭ заполнением приводит к потере локальной электронейтральности СЭ материала (образование и перераспределение объемного заряда).

Достигнутый ранее предел по напряженности управляющего электрического поля в СЭ пленке составил величину порядка десяти мегавольт на метр. Поле такой напряженности вызывают относительное изменение ее диэлектрической проницаемости s (0)/ е (Е) ~ 2 только в узком интервале температур, выше сегнетоэлектрического фазового перехода. С этим была связана необходимость подбора химического состава сегнетоэлектрического материала для управляемого устройства, обеспечивающего требуемые характеристики при рабочей температуре. Увеличение напряженности управляющего поля позволяет ослабить или полностью устранить требование жесткого соответствия рабочей температуры элемента и химического состава СЭ материала. Судя по литературе, ранее исследования в этом направлении не проводились.

Объект и методы исследования. Титанат стронция входит в группу сегне-тоэлектрических материалов, свойства которых достаточны для обеспечения требуемых технических характеристик управляемого элемента СВЧ электроники. Он занимает лидирующее положение среди других веществ по объему информации, полученной в результате исследований. Существенно и то, что титанат стронция находится в параэлектрическом состоянии при любой температуре, имеет низкую температуру Кюри (Тс = 40 К) и позволяет технически просто реализовать исследование в глубокой (Т «Тс) параэлектрической области, как нелинейных свойств, так и сопутствующих эффектов, связанных с воздействием источника управляющего поля.

Диэлектрическая нелинейность СЭ материала в сильном (Е~10 В/м) электрическом поле и индуцируемый в веществе объемный заряд мало изучены. В работе использован комплекс методов экспериментального исследования в ВЧ и СВЧ диапазоне диэлектрических свойств (б, tgS) и статической электропроводности МДМ структур. Впервые применены методики исследования поля объемного заряда в БгТЮз, основанные на электрокалорическом эффекте и аннигиляции позитронов.

Основная цель диссертационной работы — разработка и создание для СВЧ приложений многослойной структуры конденсаторного типа, которая обеспечивают условие для реализации в СЭ пленке сильного (с напряженно-g стью до Е = 10 В/ м) электрического поля, позволяющего наиболее полно раскрыть потенциальные возможности сегнетоэлектрика. Достижение поставленной цели обеспечивалось решением следующего комплекса задач. • Исследование возможности создания в СЭ пленке тангенциально ориену тированного поля с напряженностью Е" 10 В/м, включающее а) поиск способов увеличения пробивного напряжения планарной структурыб) исследования сквозной электропроводности МДМ структур на основе высокоомных сегнетоэлектриков в объемном и пленочном исполнениив) исследование электрофизических свойства многослойной структуры в режиме сильного поля в СЭ пленке.

Исследования особенностей диэлектрических свойств СЭ пленок в составе многослойной структуры, включающие а) разработку методов диагностики диэлектрических свойствб) исследование температурной и полевой зависимости диэлектрической проницаемости пленочных образцов сегнетоэлектрика, находящегося в далекой параэлектрической областив) анализ влияния механического воздействия подложки на диэлектрическую проницаемость СЭ пленки.

Исследование свойств многослойных структур на частотах СВЧ диапазона в режиме сильного электрического поля в СЭ пленке и характеристик управляемых СВЧ устройств на их основе, включающее а) изучение дисперсионных характеристикб) анализ составляющих диэлектрических потерьв) прогноз потенциальных возможностей многослойных структур для СВЧ приложенийг) исследование характеристик СВЧ устройств с конденсаторами на СЭ пленке в области температур Т «Тс.

Научная новизна наиболее значимых результатов, содержащихся в диссертации, можно охарактеризовать следующими тезисами.

Впервые доказана возможность практической реализации в сегнетоэлектри-ческой пленке тангенциально ориентированного поля с напряженностью о.

Е ~ 10 В/ м, не инициирующего развитие необратимых изменений ее свойств.

Экспериментально подтвержден прогноз феноменологической теории о существовании при Т «Тс диэлектрической нелинейности сегнетоэлектриче-ского материала.

Создана основа новой концепции выбора материала СЭ пленки и подложки для создания электрически управляемой при комнатной температуре планарной структуры для СВЧ приложений.

В температурном диапазоне Т > 100 К выявлены черты сходства и различия температурного поведения диэлектрической проницаемости объемных и пленочных образцов STO в составе структуры СЭ пленка/ подложка. Полученные результаты служат экспериментальным обоснованием следующего представления: пленочный образец на подложке — это объемный сегнетоэлектрик, в котором присутствуют зависящие от температуры механические деформации.

Обнаружены избыточные потери энергии электромагнитного поля СВЧ диапазона в металлических пленках (и прилегающих к ним областях сегнетоэлектрика), входящих в состав планарной структуры Ме/ СЭ пленка/ подложка.

Выявлена закономерность двукратного изменения электрическим полем диэлектрической проницаемости (е (0, Tm)/ s (Ej, Тт) = 2) виртуального сегнетоэлектрика при температуре (Тт), соответствующей положению максимума на температурной зависимости s (Ej, Т), измеренной в присутствии управляющего поля (Ej).

Установлено, что в присутствии электрического поля определенной напряженности (Ej) состояния сегнетоэлектрика при двух температурах Т2> Ti > Тс, не различимы по диэлектрической проницаемости (s (Ej, Ti) = e (Ej, Т2)), а конденсаторная структура на его основе под действием управляющего напряжения (U-) принимает одинаковое значение емкости (C (Uj, Ti) = C (Uj, Т2)).

Вольт амперная характеристика (ВАХ) сегнетоэлектрического конденсатора с зависимостью силы тока сквозной проводимости (I) от напряжения (U), удовлетворяющей условию обеспечивает саморазряд конденсатора, при котором скорость релаксации емкости (dC/ dt) монотонно возрастает при увеличении стартовой разности потенциалов (U) между его электродами.

Оценка практической значимости. Проведенные исследования непосредственно связаны с изучением электрофизических свойств сегнетоэлектриче-ских пленок в составе многослойной структуры и их применением в СВЧ электронике.

• Создан сегнетоэлектрический элемент нового поколения для электрически управляемых СВЧ устройств частотного диапазона f= 1.30 ГГц, который по сравнению с полупроводниковыми аналогами имеет в области f> 10 ГГц меньшие диэлектрические потери, потребляет существенно меньшее количество энергии от источника управления и обладает принципиально новым качеством — после отключения источника длительное время сохраняет заряженное состояние.

• Закономерность двукратного изменения электрическим полем диэлектрической проницаемости виртуального сегнетоэлектрика позволяют реализовать методики измерения константы диэлектрической нелинейности второго (у) порядка, входящей в разложение Гинзбурга — Девоншира.

• Разработанная методика измерения диэлектрической проницаемости СЭ пленки в составе многослойной структуры позволяет выявить черты сходства температурного поведения диэлектрической проницаемости пленочных и объемных образцов.

• Предложен способ получения независимых от температуры в рабочем диапазоне (-50°С.+50°С) технических характеристик СВЧ управляемых устройств на сегнетоэлектрических элементах, исключающий необходимость использования систем термостабилизации.

• На основе сегнетоэлектрических планарных конденсаторов нового поколения созданы опытные образцы фазовращателей, перестраиваемых фильтров, линий задержки с техническими характеристиками, соответствующими условию эксплуатации.

• Использование многослойных структур с сегнетоэлектрической пленкой в составе перестраиваемых СВЧ устройств позволяет сократить количество источников управляющего напряжения, которые обеспечивают работоспособность СВЧ комплекса (например, фазированной антенной решетки).

Результаты работы нашли использование и практическое применение в работе научных групп: ФТИ им. А. Ф. Иоффе (Санкт Петербург), физ. факультета МГУ, МЭИ (Москва), НПО «Микрокриогенмаш» (Омск), НИИ «Сатурн» (Киев), ростовского гос. университета (Ростов на Дону), АО «Светлана» (Санкт Петербург), холдинговой компании «Ленинец» (Санкт Петербург), межфакультетской лаборатории «Пульс» СПбГЭТУ (Санкт Петербург), ВНЦ «Государственный Оптический Институт им. С.И. Вавилова», корейского института науки и технологии (KIST) (Корея), национальной лаборатории NREL (США), фирмы PARATEK (США). Материалы диссертации используются в учебном процессе СПбГЭТУ — лекционных курсах кафедры электронно-ионной и вакуумной технологии.

Теоретический и экспериментальный материал, представленный в диссертации, призван обосновать и доказать научные положения, которые выносятся на защиту.

1. Включение в состав планарной структуры конденсаторного типа металлических слоев, разделенных зазором и размещенных на границе СЭ пленка подложка, обеспечивает условие для реализации в сегнетоэлектрической g пленке тангенциально ориентированного поля с напряженностью до 10 В/м и позволяет существенно расширить диапазон рабочих температур управляемого.

СЭ элемента. Для структур с пленкой SrTi03 комнатная температура (Т/ Тс ~ 7) является границей диапазона, внутри которого электрическое поле напряжен.

2. Для сегнетоэлектрических материалов с фазовым переходом второго рода характерно двукратное уменьшение электрическим полем диэлектрической проницаемости (s (0, Tm)/ s (Ej, Tm) = 2) при температуре™, соответствующей положению максимума на зависимости s (Ej, Т), измеренной в присутствии управляющего поля (Ej = const (T)). Закономерность открывает новые возможности экспериментального определения коэффициентов диэлектрической нелинейности высшего порядка, входящих в ряд Гинзбурга — Девоншира.

3. Механическое воздействие подложки на пленку виртуального сегнетоэлек-трика с изотропными в свободном состоянии свойствами вызывает заметные искажения температурного поведения диэлектрической проницаемости: возникает температурозависимая анизотропия (d (sn/ sx)/dT ф 0) и нарушается закон Кюри при несовпадении температур Дебая пленки и подложки.

4. Под действием электрического поля определенной напряженности (Е-) диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика с фазовым переходом второго рода принимает одинаковое значение (е (Еь Ti) = s (Ej, Т2)) при двух произвольных температурах, соответствующих параэлектрическому состоянию (Т], Т2>Тс). Это свойство позволяет электрическим способом создавать независящую от температуры заданного интервала характеристику СВЧ устройства с СЭ элементами.

5. Вольт амперная характеристика (ВАХ) сегнетоэлектрического конденсатора с зависимостью I (U), удовлетворяющей условию ностью Е = 10 В/ м уменьшает проницаемость не менее чем в два раза. обеспечивает саморазряд конденсатора, при котором скорость релаксации емкости (dC/ dt) монотонно возрастает при увеличении стартовой разности потенциалов (U) между его электродами. ВАХ многослойной структуры на эффекте сильного поля в СЭ пленке при Т = 300 К соответствует этому условию, а ее емкость релаксирует из состояния с сильным (Е ~ 108 В/м) полем с максимальной скоростью ((dC/dt)/ С ~ 0,1 с" 1), достаточной для реализации режима кратковременного подключения источника напряжения к структуре при ее работе в составе управляемого СВЧ устройства.

6. Многослойная структура, обеспечивающая условие для реализации в сегне-тоэлектрической пленке тангенциально-ориентированного электрического поля напряженностью до 10 В/м, является перспективной основой сегнетоэлек-трических элементов СВЧ электроники.

Материалы диссертационной работы докладывались на конференциях различного уровня.

1. Всесоюзные научные конференции: «Методы и средства измерений электромагнитных характеристик радиоматериалов на ВЧ и СВЧ» Новосибирск, 1979 г.- «Микроэлектроника СВЧ» Новгород, 1982 г.- «Микроэлектроника СВЧ» Ленинград, 1984 г.- XII Всесоюзная конференция по физике сегнето-электриков (ВКС-12). г. Черновцы, 1986 г.- XVI Всесоюзная конференция по физике диэлектриков, г. Томск, 1988 г.- XII Всесоюзная конференция по физике сегнетоэлектриков (ВКС-12), г. Ростов-на-Дону, 1992 г.- XIII конференция по физике сегнетоэлектриков г. Тверь, 1992 г.- XV Всероссийская конференция по физике сегнетоэлектриков (ВКС — XV), г. Ростовна — Дону, г. Азов, 1999 г.

2. Международные научные конференции: Четвертая Международная конференция по сегнетоэлектричеству (МКС-4), г. Ленинград, 1978 г.- X международный симпозиум «Тонкие пленки в микроэлектронике», г. Ярославль, 1999 г.- 9th International symposium on integrated ferroelectrics (ISIF 97), Santa Fe, New.

Mexico, USA, 1997; The tenth international school on vacuum, electron and ion technologies, Varna, Bulgaria, 1997; 26th European Microwave Conference., 1997; 27th European Microwave Conference, Jerusalem 1997; X международная крымская микроволновая конференция «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии», г. Севастополь, 2000 г.- 13th International Symposium on Integrated Ferroelectrics, Colorado USA, 2001.

По теме диссертации опубликовано 51 печатных работ, в их числе 34 статей, 17 докладов на конференциях и 79 тезисов докладов. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержащего 199 наименований. Диссертация изложена на 253 страницах машинописного текста, которые содержат 85 рисунков и 6 таблиц.

24. Результаты исследования лабораторных макетов СВЧ устройств (перестраиваемых фильтров, фазовращателей, линий задержки) свидетельствуют о конкурентоспособности конденсаторных структур на эффекте сильного поля в пленке SrTi03 с полупроводниковыми варакторами и о перспективности их практического использования.

25. Экспериментально обнаружено и теоретически обосновано пересечение вольтфарадных характеристик (C (U, Tj)) сегнетоэлектрического конденсатора, измеренных при разных (Ti) температурах. Это означает, что в пределах каждой ВФХ массива {C (U, Ti). C (U, Т2)} присутствует интервал одинакового изменения емкости (C (Umin (T2), T2).C (Umax (T2), Т2)}. Согласование диапазона (Umin (Ti).Umax (Ti)) управляющих напряжений с температурой (Tj) окружающей среды обеспечивает неизменность коэффициента управляемости СЭ варактора (К = C (Umin (T2), Т2)/ C (Umax (T2), Т2)) в рабочем интервале (Ti. .Т2).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В заключении приведены основные выводы, которые аргументируют справедливость научных положений и основного тезиса диссертации о том, что потенциальные возможности СЭ материала наиболее полно раскрываются в многослойной конденсаторной структуре на эффекте сильного поля в сегнетоэлектрической пленке, а их применение в электрически управляемых колебательных системах СВЧ диапазона позволяет наделить устройства новыми свойствами, выгодно отличающими их от аналогов на полупроводниковых варакторах.

1. Использование двух дополнительных металлических слоев, разделенных тонким зазором и размещенных на границе между сегнетоэлектрической пленкой и подложкой, приводит к перераспределению электрического поля в области зазора между верхними электродами планарного конденсатора. Электрическое поле неоднородно распределено по длине верхнего зазора с минимумом напряженности вблизи кромки электрода. Такое распределение поля не способствует развитию пробоя конденсатора.

2. Дополнительный металлический слой, разделенный тонким зазором и размещенный на границе между сегнетоэлектрической пленкой и подложкой обеспечивает условие для создания в сегнетоэлектрике о электрического поля напряженность до 10 В/ м.

3. В присутствии электрического поля зависимость диэлектрической проницаемости титаната стронция имеет максимум, положение (Тт) которого смещается в высокотемпературную область при увеличении напряженности поля. Электрическое воздействие при Т < Тт соответствует критерию сильного поляпри Т"Тт поле с такой напряженностью не вызывает заметного изменения диэлектрической проницаемости (слабое поле). В температурном интервале Т = 0.350 К о напряженность поля 10 В/ м соответствует критерию сильного поля в титанате стронция.

4. Впервые экспериментально установлен факт многократного изменения емкости (К = С (0)/ C (U)) планарного конденсатора на пленке титаната стронция под действием управляющего напряжения в широком интервале температур: К = 6.7 при Т = 78К и К= 1.6.2,0 при Т = 300 К.

5. Электрический заряд имеет неоднородное распределение вдоль электрода планарного конденсатора с СЭ пленкой. Ее толщина является основным параметром, определяющим положение центроида заряда. Область сосредоточения электрического заряда — часть электрода, граничащая с зазором. Ее размер вдоль линии, перпендикулярной зазору, по порядку величины совпадает с толщиной сегнетоэлектрической пленки.

6. Представление планарного конденсатора на основе сегнетоэлектрической пленки в виде последовательно-параллельного соединения двух линейных (СР, CN) и одной нелинейной (CF) емкости, позволяет учесть неоднородность диэлектрической проницаемости в объеме СЭ пленки. Параметры модели (Ср, CN) планарного конденсатора на пленке SrTi03 являются измеряемыми характеристиками. Разработана методика их определения. Ее основу составляют закономерности температурного поведения диэлектрической проницаемости виртуального сегнетоэлектрика.

•(0, Тт).

7. Отношение диэлектрических проницаемостей — титаната ^т) стронция при температуре (Тт), соответствующей положению максимума на зависимости е (Е-, Т), слабо зависит от напряженности внешнего электрического поля (Е-) и, в первом приближении, можно рассматривать как константу, равную двум: 2 s (EhTm)~.

Закономерность позволяет расширить круг экспериментальных методов определения констант диэлектрической нелинейности сегнетоэлектрика и параметров модели конденсатора на его основе.

8. Диэлектрическую нелинейность (в (Е, Tj)) титаната стронция в сильном (с о напряженностью до 10 В/ м) поле определяют константы нелинейности первого ((3) и второго (у) порядка (слагаемые (ЗР4, уР6 ряда Девоншира). Впервые проведена экспериментальная оценка коэффициента у для пленочного образца титаната стронция: у «-1 • 1011м9 / (Кл4 ¦ Ф).

9. В области Т > 250 К температурное поведение диэлектрической проницаемости пленочного титаната стронция на подложке А1203 повторяет зависимость s (T) монокристаллического SrTi03. Заметное различие наблюдается в области криогенных температур, где у пленок STO дополнительно проявляется анизотропия диэлектрической проницаемости (в): величина е, измеренная вдоль нормали к пленке, превышает аналогичное значение для тангенциального направления.

10. В области Т > 200 К температурное поведение диэлектрической проницаемости пленочного титаната стронция в составе структуры SrTi03/ А1203 строго не подчиняется закону Кюри. Производная по температуре от обратной проницаемости имеет при Т ~ 250 К максимум, положение которого существенно не меняется под воздействием внешнего электрического поля при условия постоянства поляризации (Р = const (T)). Механические деформации, возникающие в пленке титаната стронция из-за неравенства температурных коэффициентов линейного расширения SrTi03 и AI2O3, не линейно зависят от температуры. Электрострикционная поправка к обратной диэлектрической проницаемости повторяет эту зависимость и обеспечивает появление максимума производной d (l/e)/ dT при Т ~ 250 К.

11. Двумерная деформация СЭ пленки подложкой, возникающая при неравенстве их температурных коэффициентов линейного расширения, вносит возмущение в диэлектрическую проницаемость пленочного образца, наделяя ее специфическими особенностями. В частности, пленка SrTiC>3 на подложке А1203 проявляет температурозависимую анизотропию диэлектрической проницаемости (d (sn/ £ТУ dT < 0) и немонотонный характер температурного поведения производной (d (l/ с)/dT) в области, где для свободного кристалла STO выполняется закон Кюри. Согласование сегнетоэлектрика и подложки по температуре Дебая позволяет уменьшить различие диэлектрических свойств объемных и пленочных образцов СЭ.

12. МДМ структура на основе высококачественных кристаллов титаната стронция имеет нелинейную зависимость тока сквозной проводимости от напряжения. Нелинейность вольт амперной характеристики при Т > 200 К, в основном, связана с понижение энергии ионизации примесных центров внешним электрическим полем (эффект Френкеля — Пула). В SrTi03 константа Френкеля — Пула (а) имеет значение п Л 1 л «24 тт ½ о — ½.

Зф.п «410 Дж м В.

13. При температуре, соответствующей половине температуры Дебая (Т = 0.5 0), в монокристалле SrTi03 происходит смена механизма транспорта электрического заряда.

14. Контакт металл — титанат стронция является не омическим, и при толщине исследуемого кристалла L< 100 мкм играет определяющую роль в электропроводности МДМ структуры. Объемный заряд в прикатодной области сосредоточен в слое STO, толщиной порядка десяти микрон.

15. Электрокалорическое (ЭК) охлаждение плоскопараллельных МДМ структур на основе титаната стронция снижается при переходе к образцам с меньшей толщиной пластины. Размерный эффект ЭК охлаждения вызван медленной по сравнению с теплообменом в системе образец—окружающая среда релаксацией макроскопического поля. При подключенном к МДМ структуре источнике напряжения сторонний заряд локализован не только на электродах. Часть его проникает во внутренние области пластины («прорастание» электрода) и неоднородно распределяется по толщине пластины. Координатная зависимость объемной плотности заряда (р (х)) относится к классу знакопеременных функций.

16. Замыкание электродов при разряде МДМ структуры не приводит к исчезновению электрического поля в пластине титаната стронция. Эффективная разность потенциалов остаточного поля в SrTi03 при Т = 18 К пропорциональна разности потенциалов между электродами структуры в заряженном состоянии. Экспериментальное исследование электрон-позитронной аннигиляции в МДМ структуре на основе STO подтверждают предположение об образовании под действием источника внешнего поля в прикатодной части, толщиной h< 100 мкм, отрицательного объемного заряда.

17. Проводимость вдоль нормали к пленке титаната стронция выше, чем в тангенциальном направлении. Наиболее вероятная причина анизотропии электропроводящих свойств пленки SrTi03 — мелко кристалличность ее структуры и не высокая плотность вещества в ее объеме.

18. При Т = 290 К саморазряд конденсаторной структуры малой емкости (С < пФ) на пленке титаната стронция с двумя парами планарных электродов является длительным процессом, с характерным временем порядка 100 с. По истечение At — 1 с с начала разряда емкость структуры возрастает на величину, не превышающую 5% от исходного значения.

19. Непрерывное воздействие в течении 1500 час. управляющего поля с амплитудой, близкой (Uni = 0.75UKp) к критическому значению (UKp), на конденсаторные структуры с пленкой титаната стронция не вызывает необратимых изменений диэлектрических свойств. Управляющее о напряжение с критической амплитудой UKp/ s = 1.2 10 В/ м механически разрушает пленку SrTi03 в области зазора между нижними электродами и не переводит конденсаторную структуру в стабильно проводящее состояние.

20. При переходе от объемных монокристаллических образцов SrTi03 к пленочным образцам не менее чем на порядок увеличивается абсолютное значение тангенса угла диэлектрических потерь (tg5) в СВЧ диапазоне и в области Т = 200.300К изменяется знак производной d (tg5)/ dT.

21. Диэлектрические потери в конденсаторных структурах с пленкой STO превышают аналогичные данные для пленки STO, полученные безэлектродным методом. Корреляция между тангенсом угла потерь (tg5) конденсатора и его емкостью © является характерной особенностью планарных конденсаторов на СЭ пленке, которая явно проявляется в сантиметровой части СВЧ диапазона.

22. Планарные конденсаторы на СЭ пленке обладают линейной зависимостью tg5© с угловым коэффициентом d (tg5)/ dC = coR. Избыточные потери в конденсаторе связаны с необратимым преобразованием энергии электромагнитного поля в электродах или интерфейсной области. Эквивалентное сопротивление этой части (R~ 1 Ом) существенно превышает значение, ожидаемое (R < 0.1 Ом) в предположении о преимущественной роли Ленц — Джоулева механизма потерь в металлической пленке. Ранее о существовании на СВЧ частотах избыточных потерь в электродах конденсатора не сообщалось.

23. Конденсаторные структуры на эффекте сильного поля в пленке SrTi03 по основной характеристике — параметру качества (М) — не уступают в области f > 10 ГГц полупроводниковым элементам и имеют преимущество по характеристикам управления: потребляемой мощности и длительности саморазряда конденсатора. Это открывает возможность сокращения материалоемкости СВЧ комплекса и его энергопотребления в процессе эксплуатации.