Grenzflächeneinstellung dünner Schichten für durchstimmbare ferroelektrische Varaktoren mit hochleitfähigen Oxidelektroden

Ferroelektrische Varaktoren, in denen metallische Elektroden mit (Ba,Sr)TiO3 kombiniert werden, werden in abstimmbaren elektrischen Bauteilen bei Gigahertz-Frequenzen verwendet. Die hohe Abstimmbarkeit der Permittivität, sowie Ausdauer, schnelle Abstimmgeschwindigkeit und geringer Stromverbrauch haben zur Entwicklung verschiedener integrierter Mikrowellenkomponenten beigetragen. Im Rahmen des vorhergehenden Antrags haben wir konzeptionell gezeigt, dass volloxidische, epitaktische Schichtstrukturen auf der Basis des hochleitfähigen Perowskits SrMoO3 den Weg in Richtung Dünnschichtvaraktoren ebnen. Diese haben aufgrund der in diesem Verfahren möglichen ultradünnen (Ba,Sr)TiO3 Funktionsschichten zwei Vorteile, die in konventioneller Technologie nicht möglich sind: Abstimmbarkeit bei niedrigen Spannungen auf Batterieniveau und Betrieb bei hohen Frequenzen. Um jedoch diese Vorteile und damit das volle Potential des Konzepts realisieren zu können, muss ein wesentlich verbessertes Verständnis der Oxidgrenzflächen und ihrer Defektchemie, die der Schlüssel zur Varaktor-Funktionalität sind, erzielt werden.Dieses Folgeprojekt zielt daher auf die Untersuchung der thermodynamischen und kinetischen Stabilität von epitaktischen Grenzflächen zwischen Materialien, die in extrem unterschiedlichen Bereichen des Temperatur-Sauerstoffpartialdruck-Phasendiagramms zu Hause sind. Dabei soll sowohl die Kinetik des Wachstumsprozesses variiert werden, als auch durch geeignete Zwischenschichten Sauerstoffdiffusionsbarrieren genutzt werden. Die Materialparameter der hergestellten Mehrschichtstruktur (Kristall- und Elektronenstruktur, Permittivität, Stöchiometrie, Morphologie) werden mit den elektrischen Leistungsparametern des Varaktors wie Abstimmbarkeit, Leckstrom und Mikrowellenverluste korreliert. Dabei ist die elektrische Charakterisierung bei Gigahertz-Frequenzen nicht nur eine Bauteilcharakterisierungsmethode, sondern wird als hochempfindliche Sonde für die Materialeigenschaften genutzt. Die Bauteilmodellierung erlaubt hierbei die Extraktion von Parametern, die durch direkte Messungen nicht zugänglich sind. Wesentlich für diese Arbeit ist der interdisziplinäre Ansatz, der Materialwissenschaft und Hochfrequenzelektronik verbindet, um durch ein neues hochleitfähiges Material deutlich verbesserte Varaktoren zu ermöglichen.

Interface adjustment of thin films for tunable ferroelectric varactors with highly conductive oxide electrodes

Ferroelectric varactors, in which metallic electrodes are combined with (Ba,Sr)TiO3, are used in tunable electrical components at gigahertz frequencies. The high tunability of permittivity, as well as endurance, fast tuning speed and low power consumption have contributed to the development of various integrated microwave components. In the previous application, we conceptually demonstrated that all-oxide epitaxial layer structures based on the highly conductive perovskite SrMoO3 pave the way towards thin-film varactors. Due to the ultra-thin (Ba,Sr)TiO3 functional layers possible in this process, these have two advantages that are not possible with conventional technology: Tunability at low voltages at battery level and operation at high frequencies. However, in order to realize these advantages and thus the full potential of the concept, a significantly improved understanding of the oxide interfaces and their defect chemistry, which are key to varactor functionality, must be achieved.This follow-up project therefore aims to investigate the thermodynamic and kinetic stability of epitaxial interfaces between materials that are at home in extremely different regions of the temperature-oxygen partial pressure phase diagram. The aim is to vary the kinetics of the growth process and to utilize oxygen diffusion barriers by means of suitable interlayers. The material parameters of the produced multilayer structure (crystal and electron structure, permittivity, stoichiometry, morphology) are correlated with the electrical performance parameters of the varactor such as tunability, leakage current and microwave losses. Electrical characterization at gigahertz frequencies is not only a component characterization method, but is also used as a highly sensitive probe for material properties. Component modeling allows the extraction of parameters that are not accessible through direct measurements. Essential to this work is the interdisciplinary approach that combines materials science and high-frequency electronics to enable significantly improved varactors through a new highly conductive material.