In this thesis, several critical issues in electrically tunable microwave devices employing (Ba,Sr)TiO3 films as a frequency-tuning capacitor have been addressed. The high-quality epitaxial (Ba,Sr)TiO3 and YBa2Cu3Oy (YBCO) thin films for tunable microwave devices have been successfully fabricated by pulsed laser deposition. Although (Ba,Sr)TiO3 films highly a-axis oriented normal to the substrate are obtained at substrate temperature of above ~600 ºC, the films deposited at 600~700 ºC show a large number of surface features resulted from the insufficient mobility due to low substrate temperature. Therefore (Ba,Sr)TiO3 films with good surface morphology can be obtained by increasing the substrate temperatures beyond 700 ºC. In addition, the in-plane alignment for the BaxSr1-xTiO3 (x=0.4, 0.5 and 0.6) films is achieved whenever the substrate temperature is ³660 ºC, the FWHM (Dw) values of the (200) peak increase from 0.06º to 0.35º with increasing the substrate temperature up to 780 ºC. From the viewpoints of the surface morphology and crystallinity, the optimum substrate temperature for the (Ba,Sr)TiO3 films appears to be 700~800 ºC. On the other hand, YBCO thin films showing the best superconducting characteristics are obtained at substrate temperature of 760~800 ºC under oxygen pressure (PO2) of 400~500 mTorr when MgO, LaAlO3 and CeO2-buffered Al2O3 single crystalline substrates are used. The YBCO thin films made under optimized parameters show good electrical properties enough to be used in the tunable microwave devices.
The microwave dielectric properties of (Ba,Sr)TiO3 capacitors have been measured using the two kinds of tunable microwave resonator, i.e., a YBCO-based 5~6 GHz resonator for BaxSr1-xTiO3 (x = 0 or 0.1) capacitor and an Au-based 2~3 GHz resonator for BaxSr1-xTiO3 (x = 0.4, 0.5, and 0.6). The YBCO-based tunable microstrip resonators employing a dielectric BaxSr1-xTiO3 (x = 0 or 0.1) films have been fabricated. Variations of the capacitance and loss tangent of the dielectric films have been measured as a function of the applied dc bias at the liquid nitrogen temperature. SrTiO3 capacitors show the capacitance ratio (C0V/C100V) of 1.5 and loss tangent of 0.015~0.003 (0~100 V), while Ba0.1Sr0.9TiO3 capacitors show 1.9 and 0.07~0.015 (0~100 V), respectively. The increased capacitance ratio and loss tangent of Ba0.1Sr0.9TiO3 capacitor compared to SrTiO3 capacitor are attributed to higher Curie temperature of Ba0.1Sr0.9TiO3. The obtained results show that reasonable trade-off between tunability and loss tangent should be done by optimizing (Ba,Sr)TiO3 composition in accordance with specific application when (Ba,Sr)TiO3 capacitor is used in superconducting tunable devices operating at 77 K.
The capacitance and loss tangent of the Ba0.5Sr0.5TiO3 capacitor at 2~3 GHz have been measured using a gold resonator at room temperature. The capacitance ratio (C0V/C80V) and loss tangent of the capacitor are measured to be ~2 and 0.043~0.004 (0~80 V), respectively. On the other hand, it is observed that insertion of SrRuO3 layer between Ba0.5Sr0.5TiO3 film and Au/Ti electrode lowers loss tangent apparently, especially lower bias region. When SrRuO3 interlayer is used, loss tangent decreases from 0.043 to 0.016 at 0 V. Therefore, insertion of SrRuO3 layer between dielectric film and metal electrode can be used as a useful method to decrease the dielectric loss tangent at microwave frequency.
The effect of crystal phases on the microwave dielectric properties of the Ba0.6Sr0.4TiO3 capacitor has been investigated. The relative permittivity (er) and its variation with voltage of the single crystalline films (in situ deposited) are higher at both 100 kHz and 2~3 GHz, while the loss tangent of the polycrystalline films (post-deposition heat-treated) are much lower at the microwave frequency. The figure of merit (FOM) of the film, post heat-treated at 700 °C, is measured to be 16.8, and is much better than that of the single crystalline film deposited at 720 °C. Even though the post heat-treated polycrystalline films show a relatively lower tunability in comparison to the single crystalline film, much lower values of the loss tangent compensate the lower tunability. The obtained data show that the post-deposition heat-treatment can be used as a useful process in the tunable microwave applications where high tunability is not required but low loss is more desired, such as tuning or trimming of filters for active correction of manufacturing and environmental variations.
The tuning properties of epitaxial Ba0.5Sr0.5TiO3 thin films grown on MgO and LaAlO3 substrates were investigated by a scanning microwave microscope (SMM) and an LCR meter. Although both films showed similar tuning behavior when measured by LCR meter, the films showed apparently different tuning behavior when measured by SMM. The different tuning is thought to be the anisotropic tuning properties resulted from the different strain in (Ba,Sr)TiO3 films. In the case of planar capacitors, the tunable part of the (Ba,Sr)TiO3 films on LaAlO3 may be near the electrodes, while the tunable part of the (Ba,Sr)TiO3 films on MgO may be between the electrodes. This will enable the design of much improved tunable devices while minimizing the loss associated with the dielectric.
본 논문은 (Ba,Sr)TiO3 유전체 커패시터를 채용한 전기 제어형 주파수 가변 마이크로파 소자에 관하여 연구하였다. 단결정급에 준하는 (Ba,Sr)TiO3와 YBa2Cu3Oy (YBCO) 박막을 펄스파 레이저를 이용한 증착법 (Pulsed laser deposition)으로 제작하였다. 600 ºC 이상의 기판 온도로 (Ba,Sr)TiO3 박막을 제작하는 경우 기판에 수직한 방향으로 a-축이 배열되었음을 XRD로 확인하였으나, 600~700 ºC 온도에서는 박막 내부로부터 형성되어 돌출한 쐐기 모양의 입자들이 표면에 많이 형성됨을 확인하였다. 이는 낮은 기판 온도로 인해 기판 위에 증착된 입자들이 양질의 구조를 형성하는데 필요한 에너지를 충분히 공급 받지 못했기 때문으로 생각된다. 이러한 표면 구조는 기판 온도를 700 ºC 이상으로 증가 시킴으로써 극복할 수 있었다. 또한 BaxSr1-xTiO3 (x=0.4, 0.5 and 0.6) 박막은 기판 온도가 660 ºC 이상에서 in-plane 배향이 이루어짐을 확인하였고, 이때 XRD rocking curve로부터 측정한 (200) 피크 반치폭(Dw)은 기판 온도를 780 ºC로 증가시킴에 따라 0.06º로부터 0.35º로 증가하였다. 따라서 표면 구조와 결정성 면에서 볼 때 700~800 ºC 기판 온도가 가장 좋은 조건임을 알 수 있었다. 한편 YBCO 박막을 MgO, LaAlO3 또는 Al2O3 단결정 기판 위에 제작하는 경우, 기판 온도와 산소 압력을 각각 760~800 ºC와 400~500 mTorr로 하여 제작한 박막이 가장 우수한 초전도 특성을 나타내는 것을 관찰하였다. 여러 가지 실험 결과를 통해 확보한 최적 조건으로 제작한 YBCO 박막은 tunable 마이크로파 소자에 사용하기에 충분한 전기적 특성을 나타내는 것을 확인하였다.
(Ba,Sr)TiO3 유전체 커패시터의 마이크로파 대역 유전특성을 2 종류의 tunable 마이크로파 공진기를 사용해서 측정하였다. BaxSr1-xTiO3 (x=0 or 0.1)와 BaxSr1-xTiO3 (x = 0.4, 0.5, and 0.6) 커패시터의 유전 특성을 측정하기 위해 5~6 GHz 공진주파수를 갖는 YBCO 재질의 공진기와 2~3 GHz Au 재질의 공진기 (2~3 GHz)를 각각 이용하였다. 마이크로스트립형YBCO 공진기에 BaxSr1-xTiO3 (x=0 or 0.1) 유전체를 부착하여 제작한 tunable 소자의 유전 특성을 액체질소 온도에서 전압에 따른 커패시턴스(C) 와 탄젠트 손실(loss tangent 또는tan d) 변화를 측정하였다. 커패시턴스 변화(C0V/C100V)와 탄젠트 손실은 SrTiO3 커패시터가 1.5와 0.015~0.003 (0~100 V), Ba0.1Sr0.9TiO3 커패시터는 1.9와 0.07~0.015 (0~100 V)를 각각 나타내었다. Ba 성분이 조성에 추가됨에 따라 커패시턴스 변화(C0V/C100V)와 탄젠트 손실이 증가하였는데, 이는 SrTiO3에 비해 Ba0.1Sr0.9TiO3의 Curie 온도가 상대적으로 소자의 작동온도에 더 근접했기 때문이다. 따라서 (Ba,Sr)TiO3 커패시터를 77 K에서 작동하는 소자에 이용하는 경우, 응용에 적합하도록 커패시턴스 변화 크기와 탄젠트 손실 중에서 취사선택이 이루어져야 함을 알 수 있었다.
Ba0.5Sr0.5TiO3 유전체 커패시터의 2~3 GHz 대역에서의 커패시턴스와 탄젠트 손실을 Au 재질의 공진기를 사용하여 상온에서 측정하였다. 커패시턴스 변화와 탄젠트 손실은 각각 ~2와0.043~0.004 (0~80 V)로 측정되었다. 한편 Ba0.5Sr0.5TiO3 박막과 Au/Ti 전극 사이에 삽입한 SrRuO3 박막은 커패시터의 탄젠트 손실을 낮추었는데, 특히 낮은 인가 전압에서 효과가 현저하였다. 전압을 인가하지 않았을 경우 SrRuO3 박막을 삽입함으로써 커패시터의 탄젠트 손실 값은 0.043로부터 0.016로 감소하였다. 따라서 유전체 박막과 금속 전극 사이에 SrRuO3 박막을 삽입하는 것은 마이크로파 tunable 소자의 탄젠트 손실을 낮추는데 효과적인 공정으로 사용할 수 있음을 확인하였다.
Ba0.6Sr0.4TiO3 커패시터의 마이크로파 대역 (2~3 GHz)과 저주파 (100 kHz) 유전 특성에 미치는 결정상의 효과를 조사하였다. 유전상수와 이의 전압 의존성은 증착 시 기판을 가열하면서 제작한 결정화 박막이 상온에서 비정질로 증착한 후 다시 후열처리 (post-deposition heat-treatment) 과정을 통해 제작한 다결정 박막보다 측정 주파수에 관계없이 모두 큰 값을 나타내었다. 그러나 탄젠트 손실 값은 결정상에 따라 주파수 의존성이 다르게 관찰되었는데, 단결정 박막은 저주파 (100 kHz)에서 고주파 (2~3 GHz)로 변함에 따라 손실 값이 커진 반면, 다결정 박막은 오히려 감소하였다. 700 °C에서 후열처리하여 제작한 다결정 박막의 고주파에서의 FOM (figure of merit; tunability/ tan d)은 16.8로서 720 °C에서 제작한 단결정 박막보다 훨씬 우수하였다. 이는 다결정 박막보다 단결정 박막의 커패시턴스 변화비가 훨씬 컸지만, 다결정 박막의 손실 값이 마이크로파 대역에서 이를 상쇄하고도 남을 만큼 작은 값은 나타냈기 때문이다. 이 결과는 후열처리 과정을 통해 제작한 다결정 박막은 큰 커패시턴스 변화를 필요치 않고 낮은 고주파 손실 값이 요구되는 응용, 예를 들어 제작 오차 또는 환경 변화에 따른 미세한 특성 변화,에 유용하게 이용될 수 있음을 나타내는 것이다.
MgO 와 LaAlO3 기판 위에 제작한 Ba0.5Sr0.5TiO3 박막의 전압 인가에 따른 커패시탄스 변화를 SMM (Scanning Microwave Microscope)과 LCR meter로 측정하였다. LCR meter로 측정한 경우 두 기판 위에 제작한 박막 모두 유사한 커패시턴스 변화를 나타내었지만, SMM으로 측정한 경우 현저하게 다른 경향을 나타내었다. 이러한 커패시턴스 변화 경향 차이는 사용한 기판에 따라 박막에 형성된 스트레인이 다르기 때문으로 생각된다. Planar 형태의 전극을 사용한 경우, LaAlO3 기판 위에 제작한 Ba0.5Sr0.5TiO3 박막에서는 커패시턴스 변화가 주로 전극과 기판 사이에서 발생하는 반면, MgO 기판 위에 제작한 박막에서는 주로 전극과 전극 사이에서 발생한다. 이 같은 커패시턴스 변화 기구의 관찰은 유전체 박막에 관련된 탄젠트 손실을 최소화하면서 전극 형상을 개선하는데 유용한 정보를 제공한다.
