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Zusammensetzung von dünnen Schichten im System SrTiO3 - BaTiO3

Rachut, Karsten Walter (2019):
Zusammensetzung von dünnen Schichten im System SrTiO3 - BaTiO3.
Darmstadt, Technische Universität, [Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Zusammensetzung von dünnen Schichten im System SrTiO3 - BaTiO3
Language: German
Abstract:

Ferroelektrische Varaktoren kommen in modernen Kommunikationssystemen zum Einsatz für die Abstimmung von Anpassnetzwerken, als Phasenschieber für Antennenarrays oder steuerbare Filter. Als vielversprechendes Material hat sich Bariumstrontiumtitanat (Ba,Sr)TiO3 (BST) etabliert. Durch das Anlegen eines Steuerfeldes kann die Permittivität von BST bis auf ein Zehntel des Ausgangswerts ohne Steuerfeld gesenkt werden, was sich direkt in einer Veränderung der Resonanzfrequenz eines entsprechenden Kondensators mit BST als Dielektrikum äußert, weshalb ein solches Bauteil als Varaktor bezeichnet wird. Werden Dünnschichten mit einer Schichtdicke von ca. 200 – 500 nm verwendet, ergibt sich daraus der Vorteil einer Reduzierung der notwendigen Steuerspannungen. Bauteile auf Basis von BST-Dünnschichten zeigen aktuell noch zu hohe dielektrische Verluste. Im Fokus dieser Arbeit stand daher die Untersuchung und Optimierung von BST-Schichteigenschaften, sowie deren Auswirkung auf die dielektrischen Eigenschaften von BST-Varaktoren. Die BST Dünnschichten wurden mit der Magnetron-Kathodenzerstäubung hergestellt. Das Ziel dieser Arbeit bestand darin mögliche Einflussgrößen während der Schichtabscheidung systematisch zu untersuchen und dabei die Auswirkungen auf die dielektrischen Eigenschaften zu bestimmen. Untersucht wurden dabei der Einfluss des Depositionsabstands und des Sauerstoffpartialdrucks auf die Zusammensetzung der Schichten. Zudem wurde erstmals der Einfluss von epitaktischen Platin-Substraten auf die BST-Schichtstöchiometrie untersucht. Dabei wurden die Untersuchungen für verschiedene Barium zu Strontium-Verhältnisse von Strontiumtitanat bis zu Bariumtitanat durchgeführt. Zur Charakterisierung wurden in dieser Arbeit vor allem die Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS), Röntgenbeugung (XRD) sowie die Impedanzspektroskopie verwendet. Die Kombination dieser Charakterisierungsmethoden ermöglichte eine Korrelation zwischen Stöchiometrie, Schichtstruktur und dielektrischen Eigenschaften. Es konnte gezeigt werden, dass die Depositionsrate die entscheidende Einflussgröße während der Schichtabscheidung für die Schichtstöchiometrie darstellt. Die hohen beobachteten Titan-Überschüsse können durch Re-Evaporation von Barium und Strontium erklärt werden. Erst bei niedrigen Depositionsraten können weitere Parameter wie die Pt-Substratorientierung und der Sauerstoffpartialdruck steuernd zur Kontrolle der Stöchiometrie eingesetzt werden. Dabei konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass die Stöchiometrie durch die Substratorientierung beeinflusst wird. Die nicht-stöchiometrischen Schichten sind dabei einphasig und können durch eine kontinuierliche Bildung von Defektpaaren stabilisiert werden. Die Depositionsrate zeigt ebenso einen starken Einfluss auf die dielektrischen Eigenschaften. Der Einfluss der Schichtstöchiometrie auf die dielektrischen Eigenschaften ist zwar erkennbar, wird aber auf Basis der vorliegenden Daten wohl überlagert durch andere Faktoren, die nur schwer voneinander isoliert werden können. Die Sauerstoff-Zugabe zum Prozessgas bietet Chancen für eine Reduzierung der dielektrischen Verluste. Für eine weitere Optimierung von dünnen BST-Schichten für den Einsatz in Varaktoren liefert diese Arbeit wichtige Anhaltspunkte. Sie identifizierte die wichtigsten Prozess-Parameter und zeigt die Zusammenhänge zwischen strukturellen, chemischen und dielektrischen Eigenschaften von BST-Dünnschichten.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Ferroelectric varactors are used in modern communication systems for matching impedance networks, phase shifters for antenna arrays or tunable filters. A promising material for these applications is (Ba,Sr)TiO3 (BST). By applying an external electric field, the permittivity of BST can be reduced up to a tenth of the initial value, which directly translates into a variation of the resonance frequency of a capacitor with BST as dielectric material. The use of thin films with a film thickness of around 200-500 nm results in a reduction of the voltages required for tuning. This work focuses on the investigation and optimisation of the BST thin film properties and their impact on the dielectric properties of BST varactors. The BST thin films were deposited by magnetron sputtering. The aim of this work was to systematically examine film deposition parameters potentially influencing the dielectric properties and identify these influences. The substrate to target distance as well as the oxygen partial pressure were investigated. For the first time the influence of epitaxial platinum substrates on the BST thin film stoichiometry was examined. The investigations were carried out for several barium to strontium ratios from strontium titanate to barium titanate. For characterization of the thin film properties mainly X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), X-ray diffraction (XRD) and impedance spectroscopy were used. The combination of these analytical methods allows a correlation between stoichiometry, thin film structure and dielectric properties. It could be demonstrated that the deposition rate is the dominant factor during thin film deposition for control of the film stoichiometry. The high titanium excess in these films can be explained by a re-evaporation of barium and strontium. Only at low deposition rates other deposition parameters like Pt substrate orientation or oxygen partial pressure can be employed to control the stoichiometry. For the first time it could be shown that the Pt substrate orientation influences the BST film stoichiometry. The off-stoichiometric films are single phase material and can be stabilized by a continuous formation of defect pairs. The deposition rate strongly influences the dielectric properties. While the influence of the film stoichiometry on the dielectric properties is shown to some extent in the data of this work, it is superposed by other influences which are difficult to separate. The addition of more oxygen to the process gas offers a chance for further reduction of the dielectric losses. This work provides useful evidence for a further optimisation of BST thin films for their application in varactors. This work identifies the important process parameters and shows the relationship between structural, chemical and dielectric properties of BST thin films.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
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 > Electronic Structure of Materials (ESM)
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Surface Science
Date Deposited: 02 Dec 2019 10:50
Last Modified: 09 Jul 2020 02:54
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-94568
Referees: Klein, Prof. Dr. Andreas and Donner, Prof. Dr. Wolfgang
Refereed: 31 October 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/9456
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