Optimierte abstimmbare ferroelektrische Dünnschichtvaraktoren mit Oxid-Elektroden für Sub-6 GHz Anwendungen

Diese Arbeit untersucht erstmals die neuartige Volloxid-Technologie zur Realisierung von dotierten Hochfrequenz (HF)-Dünnschichtvaraktoren. In herkömmlichen vertikal-strukturierten (Metal-Insulator-Metal, MIM), ferroelektrischen Varaktoren werden üblicherweise metallische Bodenelektroden, insbesondere aus Platin (Pt), eingesetzt. Die kristallographische Fehlanpassung der Metallelektrode zur Oxidkeramik bringt allerdings gravierende Nachteile mit sich, da das abstimmbare Barium-Strontium-Titanat (BST) in diesen Fällen polykristallin wächst, eine erhöhte Defektkonzentration aufweist und an der Grenzfläche eine nicht abstimmbare Totschicht entsteht, die die Leistungsfähigkeit stark beeinträchtigt und eine höhere Steuerspannung erfordert. Die vorliegende Arbeit verfolgt daher einen innovativen Ansatz, bei dem die konventionelle metallische Bodenelektrode durch das leitfähige Strontium-Molybdän-Oxid (SMO), aufgewachsen auf einem (110)-orientierten Gadolinium-Scandium-Oxid-Trägersubstrat (GSO), ersetzt wird. Durch die nun vollständig oxidbasierte Schichtfolge aus SMO-Bodenelektrode und der abstimmbaren dielektrischen BST-Schicht wird das defekte Wachstum von BST vermieden und ein epitaktisches Wachstum ab der ersten Atomlage ermöglicht, da SMO und BST dieselbe Kristallstruktur sowie eine ähnliche Gitterkonstante aufweisen. Die mittels dieser Volloxid-Technologie verbesserte dielektrische Qualität führt zu niedrigeren Hochfrequenz-Verlusten, reduziertem Leckstrom und einer optimierten Abstimmcharakteristik. Zudem werden nicht abstimmbare Totschichten vermieden, sodass im Rahmen dieser Arbeit erstmals ultradünne dielektrische BST-Schichten von lediglich 25 nm realisiert werden konnten, im Gegensatz zu herkömmlichen Varaktoren mit Pt-Bodenelektrode, die eine BST-Schichtdicke von mehr als 300 nm erfordern. Die drastische Reduktion der BST-Schichtdicke ermöglicht es, die für die Aussteuerung der Varaktoren erforderliche Steuerfeldstärke von 100 V/µm mit einer deutlich geringeren Abstimmspannung zu erreichen. Diese liegt unterhalb der typischen Betriebsspannung von Li-Ionen-Batterien (≤ 3.7 V), wodurch der Einsatz zusätzlicher DC-DC-Wandler überflüssig wird. Um die bisher durch hohe Leckströme limitierte Funktionalität dünner Schichten zu überwinden, wurde die BST-Schicht gezielt mit Mangan (Mn) und Nickel (Ni) in Konzentrationen von 1 %, 3 % und 5 %dotiert. Dabei wurden zentrale Kenngrößen wie die akustische Resonanz, die Abstimmbarkeit τ, der Gütefaktor Q (bzw. Verlustfaktor tanδ = 1/Q) sowie deren Kombination, der sogenannte Figure-of-Merit FoM = τ •Q = τ /tanδ, herangezogen. Systematische und dedizierte Untersuchungen an Probenserien mit 100 nm dicken BST-Schichten und 600 nm dicken SMO-Bodenelektroden zeigen, dass Mn- bzw. Ni-dotierte Varaktoren eine signifikante Reduktion der Leckstromdichte um 4 bis 6 bzw. 2 bis 5 Größenordnungen im Vergleich zu undotierten Proben erreichen. Weiterhin zeigen die Ergebnisse, dass Mn-dotierte BST-Varaktoren tendenziell niedrigere Verlustfaktoren, d.h. höhere Gütefaktoren als Ni-dotierte aufweisen. Beispielsweise wurde bei 3.5 GHz im besten Fall der Verlustfaktor von 0.199 für Testvaraktoren mit undotierter 100 nm BST-Schicht auf 0.048 für Testvaraktoren der gleichen Probenserie mit 1 % Mn Dotierung gesenkt. Dies entspricht einer relativen Reduktion des Verlustfaktors um 76 %. Die FoM-Werte bestätigen, dass ein klarer Kompromiss zwischen Abstimmbarkeit und Gütefaktor besteht. Dabei ergeben die Mn- und Ni-dotierten Proben bei der Referenzfrequenz von 3.5 GHz unerwartet ähnliche FoM-Werte, was die Bestimmung eines eindeutigen Optimums erschwert. Allerdings zeigen Simulationen mit 8 µm dicken SMO-Bodenelektroden für eine hinreichende Skintiefe, dass die 1 % und 3 % Mn-dotierten Testvaraktoren gegenüber den jeweiligen Ni-dotierten Proben bessere Leistungskenndaten vorweisen, während bei einer Dotierung von 5 % beide Varianten nahezu identische Leistungsparameter besitzen. Zudem wurde der Einfluss akustischer Resonanzen untersucht, die bei herkömmlichen, vertikal-strukturierten BST-Varaktoren, bestehend aus Pt-Bodenelektrode, steuerbarer BST-Schicht und Au-Topelektrode, oberhalb von 2.5 GHz zu erheblichen Verlusten um die Resonanzfrequenzen führen. Im Gegensatz dazu zeigen die volloxidischen Varaktoren nur schwach ausgeprägte Resonanzspitzen, die sich durch gezielte Dotierung weiter abschwächen und zudem in Richtung höherer Frequenzen verschieben lassen. Nach den erfolgreichen Laborexperimenten und dem Machbarkeitsnachweis dünner, dotierter BST-Testvaraktoren mit SMO-Bodenelektrode auf einem GSO-Trägersubstrat wurden weiterführende Untersuchungen auf einem industriell etablierten Silizium-Trägersubstrat durchgeführt. Diese erfolgten exemplarisch anhand von 1 % Mn-dotierten BST-Testvaraktoren mit unterschiedlichen Schichtdicken, wobei das Siliziumsubstrat anstelle des zuvor verwendeten GSO-Trägers eingesetzt wurde. Sie zeigen zwar gegenüber vergleichbaren Proben auf GSO etwas höhere Verluste und stärker ausgeprägte Resonanzspitzen, erlauben aber eine einfachere Integrierbarkeit in etablierte Fertigungsprozesse und damit ein höheres Potenzial für eine mögliche, zukünftige industrielle Umsetzung. Im Zuge dieser anwendungsorientierten Untersuchungen wurden auch einzelne, oberflächenmontierbare SMD-Varaktoren (Surface Mounted Device, SMD), im ersten Schritt mit undotierten 100 nm dicken BST-Schichten, vollständig händisch im Labor gefertigt und exemplarisch in eine Resonatorstruktur via Flip-Chip-Bonden diskret integriert. Die dabei erzielten Ergebnisse bleiben zwar hinter den exzellenten Werten optimierter Teststrukturen zurück, was jedoch primär auf die limitierten Prozessbedingungen und die manuelle Fertigung zurückzuführen ist. Nichtsdestotrotz belegt dies die grundsätzliche Umsetzung der Volloxid-Dünnschichttechnologie und unterstreicht ihr Potenzial im Hinblick auf eine mögliche, industrielle Prozessfertigung. Dies eröffnet neue Perspektiven für den Einsatz in zukünftigen rekonfigurierbaren HF-Komponenten und HF-Frontends von Kommunikationssystemen, insbesondere im Kontext von 5G und IoT.

This work investigates for the first time the novel all-oxide technology for the realization of doped high-frequency (HF) thin-film varactors. In conventional vertically-structured (metal-insulator-metal, MIM) ferroelectric varactors, metallic bottom electrodes, especially made of platinum (Pt), are usually used. However, the crystallographic mismatch of the metal electrode to the oxide ceramic has serious disadvantages, as the tunable barium strontium titanate (BST) grows polycrystalline in these cases, has an increased defect concentration and a non-tunable dead layer forms at the interface, which severely affects the performance and requires a higher control voltage. The present work therefore pursues an innovative approach in which the conventional metallic bottom electrode is replaced by the conductive strontium molybdenum oxide (SMO) grown on a (110)-oriented gadolinium scandium oxide (GSO) substrate. The now fully oxide-based layer sequence of SMO bottom electrode and the tunable dielectric BST layer avoids the defective growth of BST and enables epitaxial growth from the first atomic layer, as SMO and BST have the same crystal structure and a similar lattice constant. The improved dielectric quality resulting from this all-oxide technology leads to lower high-frequency losses, reduced leakage current and optimized tuning characteristics. In addition, non-tunable dead layers are avoided, so that ultra-thin dielectric BST layers of only 25 nm could be realized for the first time in this work, in contrast to conventional varactors with Pt bottom electrode, which require a BST layer thickness of over 300 nm. The drastic reduction of the BST layer thickness makes it possible to achieve the required tuning field strength of 100 V/µm with a significantly lower tuning voltage. This is below the typical operating voltage of Li-ion batteries (≤ 3.7 V), making the use of additional DC-DC converters unnecessary. To overcome the previously limited functionality of thin films due to high leakage currents, the BST layer was doped with manganese (Mn) and nickel (Ni) in concentrations of 1 %, 3 % and 5 %. Key parameters such as the acoustic resonance, the tunability τ, the quality factor Q (or loss factor tanδ = 1/Q) and their combination, the so-called figure-of-merit FoM = τ • Q = τ / tanδ, were used. Systematic and dedicated investigations on sample series with 100 nm thick BST layers and 600 nm thick SMO bottom selectors show that Mn- and Ni-doped varactors achieve a significant reduction of the leakage current density by 4 to 6 and 2 to 5 orders of magnitude, respectively, compared to undoped samples. Furthermore, the results show that Mn-doped BST varactors tend to have lower loss factors, i.e. higher quality factors than Ni-doped ones. For example, at 3.5 GHz in the best case, the loss factor was reduced from 0.199 for test varactors with undoped 100 nm BST layer to 0.048 for test varactors of the same sample series with 1 % Mn doping. This corresponds to a relative reduction of the loss factor by 76 %. The FoM values confirm that there is a clear compromise between tunability and quality factor. The Mn- and Ni-doped samples yield unexpectedly similar FoM values at the reference frequency of 3.5 GHz, which makes it difficult to determine a clear optimum. However, simulations with 8 µm thick SMO bottom electrodes for a sufficient skin depth show that the 1 % and 3 % Mn-doped test varactors have better performance characteristics compared to the respective Ni-doped samples, while at a doping of 5 % both variants have almost identical performance parameters. In addition, the influence of acoustic resonances was investigated, which lead to considerable losses around the resonance frequencies above 2.5 GHz in conventional, vertically structured BST varactors consisting of a Pt bottom electrode, controllable BST layer and Au top electrode. In contrast, the fully oxide varactors show only weakly resonance peaks, which can be further damped by selective doping and also shifted towards higher frequencies. After the successful laboratory experiments and the proof of concept of doped BST thin-film varactors with SMO bottom electrode on a GSO substrate, further investigations were carried out on an industrially established silicon substrate. These were performed using examples of 1 % Mn-doped BST test varactors with different layer thicknesses, whereby the silicon substrate was used instead of the previously used GSO substrate. Although they show slightly higher losses and more pronounced resonance peaks than comparable samples on GSO, they are easier to integrate into established manufacturing processes and thus have greater potential for possible industrial implementation in the future. In the context of these application-oriented investigations, individual surface-mounted device (SMD) varactors with undoped, 100 nm-thick BST layers were manufactured by hand in the laboratory and integrated into a resonator structure via flip-chip bonding. Although the results achieved are below those of the optimized test structures, this is primarily due to the limited process conditions and manual production. Nonetheless, this demonstrates the fundamental feasibility of all-oxide thin-film technology and underlines its potential with regard to possible industrial process production. This opens up new possibilities for the future use of reconfigurable RF components and RF front ends in communication systems, particularly in the context of 5G and the Internet of Things (IoT).