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Epitaxial ferroelectric all-oxide varactors for application in reconfigurable RF front ends

Mani, Arzhang :
Epitaxial ferroelectric all-oxide varactors for application in reconfigurable RF front ends.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Epitaxial ferroelectric all-oxide varactors for application in reconfigurable RF front ends
Language: English
Abstract:

Modern wireless communication systems require low-cost, compact, and highly integrated tunable components such as filters, phase shifters, frequency-agile antennas, and adaptive impedance matching networks. One basic element of these components is the tunable capacitor (varactor). Among other technologies, ferroelectric thin-film varactors exhibit high power handling, low tuning voltage, quick response, high capacitance density, and good adaptability into the microwave frequency range (DC to 20 GHz). In particular, BST-based thin-film varactors have an excellent potential to reduce size, weight, cost, and to improve the functionality of wireless communication systems. Electric losses of thin-film ferroelectric varactors depend highly on the loss of the dielectric layer. In general, the choice of the bottom electrode material has a big influence on the dielectric properties and the total losses. For this reason, efforts were made to use conducting oxide materials as bottom electrodes, enabling the deposition of a dielectric layer with low defect density and misfit strain. However, due to the high electrical resistivity of the so far used electrode materials, it was concluded that oxide electrodes are too resistive for integration into microwave varactors. In this work, the SrMoO3 as a highly conducting perovskite material was integrated for the first time as the bottom electrode into thin-film BST-based varactors. Epitaxial SrTiO3/SrMoO3/SrTiO3/Ba0.4Sr0.6TiO3 heterostructure was grown onto (110) GdScO3 substrate using Pulsed Laser Deposition (PLD). The microstructure of the deposited layers was characterized by X-ray diffraction techniques and Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM). It was shown that epitaxial growth of the SrTiO3/SrMoO3/SrTiO3/Ba0.4Sr0.6TiO3 stack, locked commensurately to the GdScO3 substrate, is possible. Moreover, optimization of the deposition conditions resulted in homogeneous, single-phase growth of all the layers with low mosaicity and excellent crystal quality. Using lift-off lithography, Pt/Au top electrodes were deposited by Magnetron Sputtering to enable the electrical characterization of the MIM-structured varactors. It was shown that a tunability of 50% is achievable by applying small biasing voltage of 8V. Furthermore, a quality factor of 180 at 30 MHz suggests a very low dielectric loss at the Ba0.4Sr0.6TiO3. A commutation Quality Factor (CQF) of 10000 at 100 MHz shows the potential of SrMoO3 for integration into devices for microwave applications. As an initial step towards industrialization of this technology, a selective etching procedure for processing and fabrication of SrMoO3-based electronic devices was established.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Moderne drahtlose Kommunikationssysteme erfordern kostengünstige, kompakte und hochintegrierte abstimmbare Komponenten wie Filter, Phasenschieber, frequenzagile Antennen und adaptive Leistungsanpassungsnetzwerke. Ein Grundelement dieser Komponenten ist der variable Kondensator (Varactor). Ferroelektrische Dünnschicht-Varaktoren weisen neben anderen Technologien eine hohe mögliche Leistungsaufnahme, eine niedrige Abstimmspannung, ein schnelles Ansprechverhalten, eine hohe Kapazitätsdichte und eine gute Anpassbarkeit in den Mikrowellenfrequenzbereich (DC bis 20 GHz) auf. Insbesondere BST-basierte Dünnschicht-Varaktoren haben ein hervorragendes Potential um Größe, Gewicht und Kosten zu reduzieren und die Funktionalität von drahtlosen Kommunikationssystemen zu verbessern. Elektrische Verluste von ferroelektrischen Dünnschicht-Varaktoren hängen stark vom Verlust der dielektrischen Schicht ab. Im Allgemeinen hat die Wahl des Materials der Bodenelektrode einen großen Einfluss auf die dielektrischen Eigenschaften und die Gesamtverluste. Aus diesem Grund wurden Anstrengungen unternommen, leitende Oxidmaterialien als Bodenelektroden zu verwenden, was die Abscheidung einer dielektrischen Schicht mit geringer Defektdichte und fehlender Verzerrung ermöglicht. Aufgrund des hohen elektrischen Widerstandes der bisher verwendeten Elektrodenmaterialien wurde jedoch geschlussfolgert, dass Oxidelektroden für die Integration in Mikrowellen-Varaktoren nicht Leitfähig genug sind. In dieser Arbeit wurde erstmals das hochleitendes Perowskitmaterial SrMoO3 als Bodenelektrode in Dünnschicht-BST-basierte Varaktoren integriert. Die epitaktische SrTiO3 / SrMoO3 / SrTiO3 / Ba0.4Sr0.6TiO3-Heterostruktur wurde auf einem (110) -GdScO3-Substrat unter Verwendung von gepulster Laserabscheidung (PLD) abgeschieden. Die Mikrostruktur der abgeschiedenen Schichten wurde durch RHEED überwacht und durch Röntgenbeugungstechniken und Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM) charakterisiert. Es wurde gezeigt, dass ein epitaxiales Wachstum der SrTiO3 / SrMoO3 / SrTiO3 / Ba0.4Sr0.6TiO3 Struktur, die entsprechend dem GdScO3-Substrat fixiert ist, möglich ist. Darüber hinaus führte die Optimierung der Abscheidungsbedingungen zu einem homogenen Einphasenwachstum aller Schichten mit geringer Mosaikstruktur und ausgezeichneter Kristallqualität. Mithilfe der Lift-off-Lithographie wurden mit Magnetron Sputtering Pt / Au-Top-Elektroden abgeschieden, um die elektrische Charakterisierung der MIM-strukturierten Varaktoren zu ermöglichen. Es wurde gezeigt, dass eine Abstimmbarkeit von 50% durch Anlegen einer kleinen Vorspannung von 8 V erreichbar ist. Ein Qualitätsfaktor von 180 bei 30 MHz deutet zudem auf einen sehr geringen dielektrischen Verlust am Ba0.4Sr0.6TiO3 hin. Ein Kommutierungsqualitätsfaktor (CQF) von 10000 bei 100 MHz zeigt das Potenzial von SrMoO3 für die Integration in Mikrowellenanwendungen. Als erster Schritt zur Industrialisierung dieser Technologie wurde ein selektives Ätzverfahren zur Verarbeitung und Herstellung von SrMoO3-basierten elektronischen Geräten etabliert.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Advanced Thin Film Technology
Date Deposited: 08 Nov 2017 09:01
Last Modified: 08 Nov 2017 09:01
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-68207
Referees: Alff, Prof.Dr. Lambert and Jakoby, Prof.Dr. Rolf
Refereed: 18 June 2017
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/6820
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