The prospects of using ferroelectric thin films for the fabrication and development of frequency and phase agile microwave devices have increased in the past few years due to improvements in ferroelectric thin film processing techniques as well as innovative circuit designs. In microwave devices, ferroelectric thin film is used as a tuning layer through the nonlinear electric field dependence of the relative dielectric constant.
In this thesis, firstly we report on an investigation of the effect of film stress as a significant factor affecting the dielectric properties and discuss the dependence of tunability on the texture of the BST films. To clarify the relationship between stress effect and film orientation, two types of capacitors such as Pt/BST/Pt and Pt/BST/LSCO/Pt were compared. Compared with the crystallinity of BST film on Pt electrode, BST film grown on LSCO/Pt showed an improved crystallinity. LSCO buffer layer can promote the growth of BST films with (100) preferred orientation due to the structural match between BST and LSCO. By using laser reflection method, we have observed that BST film with LSCO buffer layer had higher tension (5.138 GPa) than that (3.773 GPa) of BST thin film grown on Pt electrode. It may be inferred from this observation that the as-deposited BST film on LSCO/Pt is under more tension, which promotes the polarization of electric dipoles. This fact is substantiated by the capacitance-voltage curves of BST thin films. The BST film grown on LSCO/Pt shows a dielectric constant of 560 as its maximum value. It is noted that the dielectric constant of the BST film grown on LSCO buffer layer is considerably higher than that (380) obtained at the same deposition condition by using Pt electrode. At the applied voltage of 7 V, tunability values of BST films grown on Pt and LSCO/Pt were 2.2 : 1 and 2.8 : 1, respectively. Higher tunability has been attributed to the (100) preferred orientation in BST film grown on LSCO/Pt electrode. Namely, improved tunability has been attributed to the (100) texture of the film leading to an enhancement of the in-plane oriented polar axis. When polar materials are subjected to tensile stress, a contraction occurs along the c axis leading to an enhancement in its in-plane orientation; making the a axis parallel to the film normal.
Secondly, in this work, a CPW (Coplanar Waveguide) resonator was designed and fabricated to investigate the basic microwave properties, such as effective dielectric constant, of BST thin films. Their properties were used as basic data to simulate and design tunable bandpass filters and phase shifters. A tunable resonator using Au coplanar waveguide was made on the epitaxial BST thin films grown on MgO substrate. The geometries of the multilayered CPW structure were simulated using the Zeland’s IE3D software to investigate the characteristic impedance $(Z_o)$, the effective dielectric constant $(ε_{eff})$, and ferroelectric thin film’s parameters such as thickness, dielectric constant $(ε_r)$, and dielectric loss $(tan δ)$.
The resonance frequencies of resonator are 14.695 GHz, 14.75 GHz, 14.777 GHz, and 14.797 GHz with the bias of 0 V, 10 V, 20 V, and 30 V, respectively. The corresponding effective dielectric constant for the resonator with center frequency of 14.695 GHz was 7.601. These effective dielectric constant data is adopted for the design of the tunable bandpass filters and phase shifters using BST thin films. The frequency tunability range was 102 MHz at an applied voltage of 30 V. As DC bias voltage increased, resonant frequency also increased due to the decrease of dielectric constant value of BST thin film.
Also we report on $gold/Ba_{0.5}Sr_{0.5}TiO_{3}(BST)$ ferroelectric thin film C-band tunable bandpass filters(BPFs) designed and fabricated on magnesium oxide substrates using three different structures ; microstrip, coplanar waveguide (CPW) and conductor backed coplanar waveguide (CBCPW). The 2 pole filters were designed for a center frequency of 5.89 GHz, 5.88 GHz, 5.69 GHz with a bandwidth of 3 %, 9 %, and 7 %, respectively. The BST based CPW filter offers a higher sensitivity parameter as well as a lower loss parameter compared to BST tunable 2-pole microstrip filters and CBCPW filters. The tuning range for the bandpass filter with CPW structure was determined to be 170 MHz with an applied voltage of 40 V. This work demonstrates a potential use of ferroelectric thin films in passive microwave components at Wireless LAN frequencies.
Finally, to illustrate the possibility of the use of BST thin films, the phase shifters were designed with CPW transmission line type and inserted slit type to improve phase shift effect. Microwave performance of the phase shifter was measured at room temperature in the frequency range of 16 ~ 18 GHz, and with applied bias voltage of up to 30 V. CPW -line phase shifter fabricated on BST film (0.5 ㎛ thick, deposited on a MgO substrate) showed the insertion loss of 1.9 dB at 17 GHz and zero bias voltage. The phase shift increased with increasing applied bias voltage. The phase shift of 9.7 degree was obtained at 18 GHz and an applied voltage of 30 V. For comparison, the CPW phase shifter with narrow transverse slits showed the phase shift of about 10.6 degree with an insertion loss about 2.4 dB for the frequency range of 16 ~ 18 GHz. From the above results, although phase shifter with narrow transverse slits suffered from relatively high insertion loss characteristics, we observed that the phase shifting capability was slightly improved. This work demonstrates a potential use for advantageous insertion in phase array systems.
$SrTiO_3$ (STO) 와 $(Ba,Sr)TiO_3(BSTO)$ 등과 같은 유전 박막은 인가전압에 따라 유전상수가 비선형적으로 변화하는 가변 캐패시터 특성을 보이므로 이 들을 공진기(Resonator), 필터(Filter), 위상천이기(Phase Shifter)등과 같은 마이크로파 동조 디바이스에 적용하려는 연구가 근래에 활발하게 진행되고 있다. 이러한 유전 박막을 이용한 마이크로파 디바이스는 기존의 동조 디바이스(PIN diode, Varactor, and Ferrites)와 비교하여 인가전압에 대한 정전용량의 변화 속도가 더욱 빠르고, 사용 가능한 마이크로파 전력이 더 크며, 작고 간단한 구조로 제작될 수 있는 등의 장점이 있다.
본 연구에서는 먼저 BST 박막의 유전특성에 영향을 미치는 중요한 인자인 응력과 박막의 배향성에 관한 상관관계를 고찰해 보기 위해 Pt/BST/Pt와 Pt/BST/LSCO/Pt의 캐패시터를 제조하여 동조(Tunaility) 특성을 분석하였다. BST 박막의 우선 배향성은 BST와 격자상수가 유사한 전도성 산화물 전극인 $La_{0.5}Sr_{0.5}TiO_3$ 를 이용하여 조절하였다. Pt위에 성장된 BST 박막이 다결정의 결정성을 보여준 반면, LSCO/Pt위에 성장된 BST 박막의 경우에는 (100) 우선 배향성이 관찰되었다. 7V의 인가전압에서 Pt와 LSCO 전극위에 성장된 BST 박막의 동조성은 각각 2.2 : 1 과 2.8 : 1 로 측정되었다. 레이저 반사법을 이용하여, LSCO위에 얻어진 BST박막 (5.138 GPa)이 Pt위에 증착된 BST 박막 (3.773 GPa)보다 더 큰 인장응력 값을 가지고 있음을 확인하였으며, LSCO위에 성장된 BST 박막이 더 큰 동조성을 가지는 것에 대한 주요한 원인으로 판단된다. 일반적으로 극성 물질(Polar Material)이 인장응력을 받게 되면, c 축을 따라 수축이 발생하고, a 축을 BST 박막에 수직하게 만들게 된다. A 축에 대한 유전상수 값이 c 축에 대한 유전상수 값보다 더 크게 되므로, 관찰된 결과와 잘 일치함을 알 수 있다. 결국 큰 동조성을 갖는 마이크로파 소자를 만들기 위해서는 박막의 배향성과 응력을 조절하는 것이 중요하다.
BST 박막을 이용한 마이크로파 동조 소자인 필터와 위상천이기를 제조하기에 앞서, 기본적인 마이크로파 특성 (유효유전율)을 분석하기 위해 공진기를 설계, 제조하였다. 공진기는 IE3D Simulator를 이용하여 12 Hz의 중심주파수에 맞추어 설계를 하였다. 설계 결과를 바탕으로 0.5 mm 의MgO 기판위에 PLD법을 이용하여 BST 박막을 0.5㎛ 증착을 하고, 그 위에 금(Au) 전극을 1㎛ 증착하였다. 최종적인 공진기는 전형적인 Photolithography법과 Lift-off 방법을 통해 얻어졌다. 측정된 공진기의 중심주파수는 14.695 GHz였으며, 30V의 인가전압에 대하여 약 102 MHz의 동조 특성이 관찰되었다. 14.695 GHz의 주임주파수에 해당하는 BST 박막의 유효유전율 값이 7.601이라는 것을 확인하였으며, 이 유효유전율 값을 필터와 위상천이기 설계에 이용하였다.
$Au/Ba_{0.5}Sr_{0.5}TiO_3(BST)$ /Magnesium oxide(MgO)의 다층구조를 갖는 가변 대역 통과 여파기(Filter)를 제조하였다. 본 여파기는 전송 선로중 Microstrip, CPW(Coplanar Waveguide), CBCPW(Conductor Backed Coplanar Waveguide) 구조로 제조되었다. 2단으로 설계된 Microstrip, CPW, CBCPW 구조의 대역 통과 여파기의 설계 결과 중심주파수는 각각 5.89 GHz, 5.88 GHz, 그리고 5.69 GHz이고, 삽입손실은 각각 2.67 dB, 1.14 dB, 1.598 dB 이었다. 측정 결과 여파기에 전압을 인기하지 않았을 경우 중심주파수는 각각 6.4 GHz, 6.14 GHz, 그리고 6.04 GHz이었으며, 삽입손실은 6 dB, 4.41 dB, 5.41 dB로 관찰되었다. 40V로 전압을 인가하였을 때, CPW 구조의 여파기의 경우 약 170 MHz의 가변특성이 확인되었다. Microstrip과 CBCPW 구조의 여파기와 비교하여, CPW 구조의 여파기의 경우 낮은 삽입손실 값과 우수한 sensitivity 값을 보여주고 있다. 본 논문에서 제작된 BST 박막의 여파기는 MMIC또는 mm-Wave와 같은 높은 주파수 대역에서 가변소자로 사용될 수 있을 것이라 예측된다.
본 연구에서는 또한 BST 박막을 이용한 CPW 구조의 위상천이기를 설계하였다. 설계된 위상천이기의 크기는 8 mm×10 mm 이고, 전송 선로 폭 120㎛, 접지면과의 간격 70㎛ 로 특성 임피던스를 구하여 설계하였다. 전압을 인가함에 따라 BST 박막의 실효 유전율이 감소하는 특성을 이용하여 위상변위가 발생하도록 하였다. 또한 접지면에 슬릿을 삽입하여 등가적으로 직렬 인덕턴스를 구현함으로써 위상 변위를 향상 시킬 수 있었다. 일반적인 라인형태로 제조된 위상변위기는 삽입 손실이 측정주파수 16 ~ 18 GHz 대역에서 1.9 dB 이하를 가지며, 최대 위상차는 9.8°로 확인되었다. 슬릿의 첨가를 통해 위상 변위를 향상시킨 위상천이기의 경우에는 삽입손실이 2.4 dB 이하를 가지며, 최대 위상차는 10.6°의 결과를 얻어 위상 특성에 있어서 0.8°의 개선 효과를 보여주었다.
본 연구에서 얻어진 필터와 위상천이기의 경우, 삽입손실을 좀 더 개선하고, 인가전압에 따른 가변 동조 특성을 향상시킨다면, mm-Wave와 submm-Wave 대역에서의 동조소자로서 새로운 대안이 될 수 있을 것이라 판단된다.
