The prospects of using ferroelectric BST 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 BST thin films are used in as a tuning layer through the nonlinear electric field dependence of the relative dielectric constant. The most critical properties that need to be optimized for tunable microwave devices application are the magnitude of the change in dielectric constant as a function of applied electric field and dielectric loss at microwave frequencies. However, because it is not easy to obtain high tunability and low loss tangent simultaneously, compromises are needed between them in order to optimize the reasonable tunability and loss tangent of the BST tunable devices. To date, considerable efforts have been made to increase the tunability through the control of film stress and orientation and to decrease the dielectric loss of tunable BST thin films by use of dopants such as $Mg^{2+}$, $Mn^{2+}$, $Co^{2+}$, and $Fe^{2+}$ which occupy the B site of the $ABO_3$ perovskite structure.
In this study, we report on the effects of Ni acceptor dopants on the microwave dielectric properties for BST films deposited on (100) MgO single crystal substrates by pulsed laser deposition. The behavior of microwave properties in the BST films with Ni doping concentration at high frequency range (10 GHz) was investigated using interdigital capacitor structures. This work demonstrates a potential use for 1 mol % Ni-doped BST thin films in microwave tunable device applications.
Currently, BST-based tunable devices have been typically fabricated on small area (1×1 $in.^2)$ single crystal substrates such as MgO, $LaAlO_3$, and $Al_2O_3$ which can provide low insertion loss, good lattice mismatch and good mechanical support. However, these substrates are very expensive and components mounting techniques to fabricate hybrid microwave integrated circuit using these substrates are not so simple. On the other hand, if we make BST-integrated tunable circuit on Si substrate directly, mass production process can be easily realized through large size availability of Si wafers and the widespread industrial use of Si-based processing technology. However, BST films grown directly onto Si suffer from low tunability due to the formation of low-K $SiO_2$ thin layers between BST and Si during the requisite high temperature BST deposition process. Also, the crack is easily observed on the surface of BST films. Technically, the growth of high quality BST films on $SiO_2/Si$ can be a formidable challenge because of the inherent crystallographic incompatibility of two materials. In addition, high microwave insertion losses related to low resistivity Si of 10 Ωcm have served as a barrier against the realization of BST and related device integration with Si microelectronics.
In order to solve these problems, firstly, high resistivity Si (HR-Si) with $\mathnormal{p}>2000$ Ωcm is required as the substrate for the minimization of microwave insertion losses. High insertion loss at MHz and GHz frequencies on normal Si with low resistivity of 10 Ωcm is associated with loss tangent related to conductivity in the silicon substrate. Secondly, suitable oxide buffer layers are required between top BST layer and Si substrates to control the orientation and quality of the BST films.
In this study, $TiO_2$ films, as buffer layers for the Si integration of BST films, were grown on high resistivity (HR) Si substrates by atomic layer deposition. We report on high-tunability and low-microwave-loss properties of BST films on high resistivity Si by the insertion of ALD-grown $TiO_2$ buffer layer. The BST films grown on $TiO_2/HR-Si$ exhibited high tunability of 33.2% and appropriate $\mathbf{Q}$ factor of 12.61 up to 40 V at a frequency of 2 GHz, with figure of merit (FOM) comparable to BST films deposited on (100) MgO single crystal substrates.
Coplanar waveguide (CPW) meander-line phase shifters using $BST/TiO_2/HR-Si$ and BST/MgO structures exhibited a differential phase shift of 95° and 24.4°, respectively, at 15 GHz under an electric field of 10 kV/cm. The figure of merit of the phase shifters at 15 GHz was 30.6°/dB for BST film grown on a $TiO_2/HR-Si$ substrate and 12.2°/dB for BST film grown on a MgO single crystal substrate. These results constitute significant progress in integrating BST films with conventional Si technology.
We investigated the effect of texture with (100) and (110) preferred orientation on dielectric properties of $Ba_{0.6}Sr_{0.4}TiO_3$ (BST) thin films grown on SrO (9 nm) and $CeO_2$ (70 nm) buffered Si substrates, respectively. The microwave properties of the Si-integrated BST films were characterized with coplanar waveguide (CPW) phase shifters. The CPW phase shifter using (100) oriented BST films on SrO buffered Si exhibited the much-enhanced figure of merit (FOM) of 24.7˚/dB, as compared to that (10.2˚/dB) of CPW phase shifter using (110) oriented BST films on $CeO_2$ buffered Si at 12 GHz. This work demonstrates that the microwave properties of the Si-integrated BST thin films were highly correlated with crystal orientation.
최근 강유전체 박막 증착 기법과 회로 설계 기술의 발전에 힘입어 강유전체 재료인 $(Ba,Sr)TiO_3$ (BST) 박막을 이용한 마이크로파 동조 디바이스 분야에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. BST 박막은 외부에서 인가된 전압에 따라 유전 상수가 비선형적으로 변화하는 특성을 갖기 때문에 가변 캐패시터(Varactor), 가변 필터(Tunable Filter), 위상 천이기(Phase Shifter) 등과 같은 마이크로파 디바이스에 적용될 수 있는 장점을 갖는다. BST 박막이 실제 마이크로파 동조 소자에 적용되기 위해 최적화되어야 할 특성으로는 인가전압에 따른 높은 유전상수 변화 (동조성, tunability)와 마이크로파 주파수에서의 낮은 유전 손실 등이다.
본 연구에서는 먼저 acceptor NiO의 첨가가 BST 박막의 마이크로파 유전 특성에 미치는 영향을 고찰해보기 위해 Pulsed Laser Deposition(PLD)을 이용하여 Ni (0-5%) 도핑된 BST 박막을 MgO 단결정 위에 제조하였다. Ni이 도핑된 BST 박막 위에 Interdigital capacitor(IDC)를 제작하여 10 GHz의 주파수에서 특성 평가를 하였다. NiO 첨가량이 증가할수록 BST 박막의 유전 상수, 유전 손실, 동조성 모두 감소하는 것을 알 수 있었다. 동조성을 유전 손실로 나누어서 성능 지수(figure of merit)를 비교해 본 결과 1 %의 NiO가 첨가된 BST 박막이 가장 우수한 마이크로파 특성을 보임을 알 수 있다. 이상의 결과는 acceptor NiO 첨가가 BST 박막을 실제 마이크로파 동조 소자 적용에 적합하게 하는 좋은 방법임을 보여준다.
현재 BST 박막을 이용한 동조 소자에 관한 대부분의 연구는 MgO나 $LaAlO_3$ 와 같이 고주파에서 낮은 삽입 손실 특성과 BST와 격자간 일치도가 우수한 단결정을 기판으로 사용하여 진행되어왔다. 하지만 이러한 단결정 기판은 제조상의 문제로 크기가 작고, 가격이 비싸며, 다른 소자들과 함께 집적되기에 매우 불리하다. 반면에, BST 동조 소자를 실리콘 기판 위에 제조할 수 있다면, 실리콘 기판의 큰 면적과 이미 산업 전반에 널리 이용되고 있는 Si 기반의 제조 기술을 이용하여 대량 생산에 매우 유리하다는 장점을 갖게 된다. 그러나 BST 박막이 실리콘 위에 바로 증착될 경우, BST 박막 제조 시 필요한 고온 공정에 의해 낮은 유전율을 갖는 실리콘 산화물 $(SiO_2)$ 의 형성을 막을 수는 없다. 이는 BST 동조 소자의 동조성을 작게 하는 이유가 된다. 그리고 실리콘 산화물과 BST 박막 사이의 큰 격자간 불일치도는 결정성이 우수한 BST 박막의 제조를 매우 어렵게 한다. 또한 보통의 실리콘은 비저항이 10 Ωcm로서 매우 작기 때문에 마이크로파 영역의 주파수에서 큰 삽입 손실의 원인이 된다.
본 연구에서는 이러한 문제점들을 해결하고 BST 박막의 실리콘 집적화를 위해, 첫째로, 비저항이 2000 Ωcm이상인 고저항 실리콘(High Resistivity Si, HR-Si)을 기판으로 사용하여, 마이크로파 영역의 주파수에서 실리콘에 의한 삽입 손실을 최소화시키고자 노력하였다. 두번째로, 실리콘 기판과 BST 박막 사이에 Atomic Layer Deposition (ALD)법으로 제조된 $TiO_2$ 버퍼층을 사용하였다. 최종 제작된 $BST/TiO_2/Si$ 구조 위에 Interdigital capacitor를 제작하여, 2 GHz의 주파수에서 특성 평가를 한 결과, 40 V의 전압 하에서, 33.2 %의 높은 동조성과 12.61의 높은 quality factor(1/tanδ)값을 얻을 수 있었다. 종합적으로 성능 지수를 비교해 본 결과, 기존의 MgO 단결정 위에 제조된 BST 박막의 특성과 비교할 만한 수준이라는 것을 알 수 있었다.
본 연구에서는 $BST/TiO_2/Si$ 과 BST/MgO 박막을 사용하여 CPW (Coplanar Waveguide) 구조의 위상 천이기를 제작해 보았다. 15 GHz의 주파수에서, $BST/TiO_2/Si$ 와 BST/MgO에서 각각 95°, 24.4°의 위상차를 얻을 수 있었다.
$TiO_2$ 를 버퍼층으로 사용하여 실리콘 위에 제조된 BST 박막의 높은 동조성은 $BST/TiO_2/HR-Si$ 구조의 높은 유효 유전율 값에 기인하는 것으로 판단된다.
또한, 15 GHz에서 성능 지수를 비교한 결과, $BST/TiO_2/HR-Si$ 와 BST/MgO에서 각각 30.6°/dB, 12.2°/dB의 값을 갖는 것을 알 수 있었다. 이상의 결과는 BST 박막을 실리콘 기판 위에 집적시켜 얻어진 획기적인 수치에 해당한다.
본 연구에서는 실리콘 위에 제조된 BST 박막의 마이크로파 유전 특성에 박막의 배향성이 미치는 상관 관계를 고찰해 보기 위해 BST/SrO/Si와 $BST/CeO_2/Si$ 의 박막을 제조하였다. SrO 버퍼층을 사용한 경우, BST 박막이 실리콘 기판 위에 (100) 배향성으로 에피하게 성장한 것을 관찰할 수 있었다. 반면에, $CeO_2$ 버퍼층을 사용한 경우는 BST 박막이 (110) 우선 배향성을 보임을 알 수 있었다. BST/SrO/Si과 $BST/CeO_2/Si$ 의 박막을 사용하여 CPW 구조의 위상 천이기를 제작, 12 GHz에서 특성을 분석하였다. (100) 배향된 BST 박막과 (110) 배향된 BST 박막에서 각각 56.7°, 19.4°의 위상차를 얻을 수 있었다. (100) 배향된 BST 박막의 높은 동조성은 (100)축에 대한 유전 상수값 (ε ∼ 1345) 이 (110)축에 대한 유전 상수값 (ε ∼ 718) 보다 크기 때문이다. 종합적으로 성능지수를 비교한 결과, Si 위에 (100) 배향된 BST 박막과 (110) 배향된 BST 박막에서 각각 24.7°/dB, 10.2°/dB의 값을 보여 주었다. 이상의 결과로 미루어 보아, 큰 동조성과 성능 지수 특성을 갖는 실리콘 집적화된 BST 마이크로파 소자를 만들기 위해서는 박막의 배향성을 조절하는 것이 매우 중요하다는 것을 알 수 있다.
