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Interfaces in all-oxide thin-film varactors with highly-conducting SrMoO3 electrodes for microwave applications

Salg, Patrick (2020):
Interfaces in all-oxide thin-film varactors with highly-conducting SrMoO3 electrodes for microwave applications.
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.25534/tuprints-00013239,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Interfaces in all-oxide thin-film varactors with highly-conducting SrMoO3 electrodes for microwave applications
Language: English
Abstract:

In this work, the interfaces and growth by pulsed laser deposition of the all-oxide varactor heterostructurewas investigated. This all-oxide varactor heterostructure consists of SrMoO3/(Ba,Sr)TiO3/Pt/Au layers and has several advantages over thin-film varactors with Pt bottom electrodes such as defect free, epitaxial growth. Furthermore, new interface materials and optimized growth led to an improvement of the all-oxide varactor microwave performance beyond the level of competing state-of-the-art platinum-based technology. A key achievement for this performance increase was the fast and several micrometer thick growth of the bottom electrode SrMoO3. Although grown at a exceptional high rate of 1 µm SMO in only 45 minutes, the bottom electrode exhibits a high conductivity, low defect density, and atomically flat interface to the dielectric layer. The influence of different substrates with varying in-plane lattice constants on the SrMoO3 growth was also investigated, including the industrially relevant substrate silicon. Epitaxial growth has been realized for silicon and a wide range of scandates, proven by reciprocal space maps. In order to unite the the reductive growth conditions of the bottom electrode with the oxidizing background pressure during the growth of the dielectric, a oxygen diffusion barrier is implemented. In order to find the best performing titanate compound, in terms of oxygen diffusion barrier, a novel measurement routine was established utilizing X-ray photoelectron spectroscopy. In addition to comparisons of the different titanate compounds, quantitative diffusion barrier limits for best performing compound, Ba0.5Sr0.5TiO3, such as temperature and background pressure were determined. This enabled the growth of the dielectric at higher oxygen partial pressures leading to a sufficient oxygenation of the dielectric layer and a decrease of the leakage current of several orders of magnitude. The findings were combined in high-performance all-oxide varactor heterostructures both on the GdScO3 and silicon substrates. In summary, fast and micrometer-thick growth of SrMoO3 and a novel oxygen diffusion barrier were established and could raise the performance of all-oxide varactors and demonstrate the feasibility of this technology for microwave applications.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In dieser Arbeit wurden die Grenzflächen und das Wachstum der Volloxid-Dünnschichtvaraktoren mittels gepulster Laserabscheidung untersucht. Diese Varaktoren bestehen aus SrMoO3/(Ba,Sr)TiO3/Pt/Au Schichten und haben mehrere Vorteile gegenüber Dünnschicht-Varaktoren mit Platin Bodenelektroden wie z.B. defektfreies, epitaktisches Wachstum. Darüber hinaus führten neue Grenzflächenmaterialien und optimiertes Wachstum zu einer Verbesserung der Volloxid-Varaktor Performanz, die das Niveau konkurrierender, hochmoderner Technologie auf Platinbasis übertrifft. Ein Schlüsselerfolg für diese Leistungssteigerung war das schnelle Wachstum mehrerer Mikrometer dicker SrMoO3 Bodenelektroden. Obwohl diese mit einer außergewöhnlich hohen Rate von 1 µm in nur 45 Minuten abgeschieden werden, weisen sie eine hohe Leitfähigkeit und niedrige Defektdichte sowie eine atomar flache Grenzfläche zu der dielektrischen Schicht auf. Der Einfluss verschiedener Substrate mit unterschiedlichen Gitterkonstanten auf das SrMoO3-Wachstum wurde ebenfalls untersucht, einschließlich dem industriell relevanten Substrat Silizium. Epitaktisches Wachstum wurde für Silizium und eine Vielzahl von Skandaten realisiert, was durch Messungen des reziproken Raums nachgewiesen wurde. Um die reduktiven Wachstumsbedingungen der Bodenelektrode mit dem benötigten sauerstoffhaltigen Hintergrunddruck während des Wachstums des Dielektrikums zu vereinen, wird eine Sauerstoffdiffusionsbarriere implementiert. Um die Titanatverbindung mit der besten Sauerstoffdiffusionsbarriere zu finden wurde eine neuartige Messroutine unter Verwendung der Röntgen-Photoelektronenspektroskopie entwickelt. Zusätzlich zu qualitativen Vergleichen der verschiedenen Titanatverbindungen wurden quantitative Diffusionsbarrieregrenzen für die leistungsfähigste Verbindung, Ba0.5Sr0.5TiO3, wie z.B. Temperatur und Hintergrunddruck bestimmt. Dies ermöglichte das Wachstum des Dielektrikums bei höheren Sauerstoffpartialdrücken, was zu einer ausreichenden Oxygenierung der dielektrischen Schicht und zu einer Abnahme des Leckstroms von mehreren Größenordnungen führt. Diese Ergebnisse wurden in hochleistungsfähigen Volloxid-Varaktoren angewendet, sowohl auf dem GdScO3- als auch auf Siliziumsubstraten. Kurzgefasst konnte ein schnelles und mikrometerdickes Wachstum von SrMoO3 und eine neuartige Sauerstoffdiffusionsbarriere etabliert werden, womit die Performanz von Volloxid-Varaktoren erhöhen werden und die Machbarkeit dieser Technologie für Mikrowellenanwendungen gezeigt werden.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Advanced Thin Film Technology
Date Deposited: 14 Oct 2020 10:01
Last Modified: 14 Oct 2020 13:03
DOI: 10.25534/tuprints-00013239
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-132390
Referees: Alff, Prof. Dr Lambert and Maune, Dr.-Ing. Holger
Refereed: 23 July 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/13239
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