Barium strontium titanate thin film varactors for room-temperature microwave device applications

Bao, Peng; Jackson, Tim; Wang, X; Lancaster, M.J.

doi:10.1088/0022-3727/41/6/063001

Cited by 177 publications

(96 citation statements)

References 152 publications

Supporting

Mentioning

Contrasting

Unclassified

Order By: Relevance

“…This imply that higher control voltage can be applied to tune the capacitance of a device made of the BMN doped BST film without triggering major dielectric losses. 2 The doping behavior of BMN in BST can be presented by a defect reaction (Kroger-Vink notation) scheme shown in Eq. (1)…”

mentioning

confidence: 99%

Dielectric properties of BaMg1∕3Nb2∕3O₃ doped Ba_0.45Sr_0.55Tio₃ thin films for tunable microwave applications

Alema

Pokhodnya

2015

J. Adv. Dielect.

View full text Add to dashboard Cite

Ba(Mg 1=3 Nb 2=3 ÞO 3 (BMN) doped and undoped Ba 0:45 Sr 0:55 TiO 3 (BST) thin films were deposited via radio frequency magnetron sputtering on Pt/TiO 2 /SiO 2 /Al 2 O 3 substrates. The surface morphology and chemical state analyses of the films have shown that the BMN doped BST film has a smoother surface with reduced oxygen vacancy, resulting in an improved insulating properties of the BST film. Dielectric tunability, loss, and leakage current (LC) of the undoped and BMN doped BST thin films were studied. The BMN dopant has remarkably reduced the dielectric loss ($38%) with no significant effect on the tunability of the BST film, leading to an increase in figure of merit (FOM). This is attributed to the opposing behavior of large Mg 2þ whose detrimental effect on tunability is partially compensated by small Nb 5þ as the two substitute Ti 4þ in the BST. The coupling between Mg Ti charged defects. The carrier transport properties of the films were analyzed in light of Schottky thermionic emission (SE) and Poole-Frenkel (PF) emission mechanisms. The result indicated that while the carrier transport mechanism in the undoped film is interface limited (SE), the conduction in the BMN doped film was dominated by bulk processes (PF). The change of the conduction mechanism from SE to PF as a result of BMN doping is attributed to the presence of uncoupled Nb Ti sitting as a positive trap center at the shallow donor level of the BST.

show abstract

mentioning

confidence: 99%

Dielectric properties of BaMg1∕3Nb2∕3O₃ doped Ba_0.45Sr_0.55Tio₃ thin films for tunable microwave applications

Alema

Pokhodnya

2015

J. Adv. Dielect.

View full text Add to dashboard Cite

show abstract

“…д. ), реализация которых на основе СЭ-пленок в перспективе позволит улучшить характеристики устройств [1]. Пленочное исполнение СЭ-устройств на базе титаната бария-стронция позволя-ет легко достичь высокой напряженности управляющего электрического поля (до 100 V/µm), а, следовательно, высокой нелинейности.…”

Section: Introductionunclassified

Доменный Эпитаксиальный Рост Сегнетоэлектрических Пленок Титаната Бария-Стронция На Сапфире

Тумаркин¹,

Одинец²

2018

Физика Твердого Тела

View full text Add to dashboard Cite

Представлена модель эпитаксиального роста кристаллических многокомпонентных пленок на монокри-сталлических подложках с доменным соответствием на примере твердого раствора титаната бария-стронция на подложках сапфира (r-срез). Доменный эпитаксиальный рост предполагает согласование плоскостей решетки пленки и подложки, имеющих схожую структуру, путем сопоставления доменов, кратных целому числу межплоскостных расстояний. Варьирование компонентного состава твердого раствора позволяет изменять размер домена в диапазоне, достаточном для снижения рассогласования решеток титаната бария-стронция и сапфира до значения, достаточного для эпитаксиального роста. Таким образом может быть спроектирован эпитаксиальный рост пленок различных твердых растворов на монокристаллических подложках. ВведениеЭпитаксиальный рост тонких пленок и минимизация дефектов в тонкопленочных гетероструктурах являются ключевыми факторами для получения перспективных характеристик устройств на их основе. Однако, зачастую многокомпонентные пленочные материалы плохо согла-суются с традиционными монокристаллическими под-ложками по параметрам решетки и температурным ко-эффициентам расширения, что препятствует гетероэпи-таксиальному росту. В таком случае подбор материалов пленки и подложки по принципу хорошего кристалличе-ского соответствия часто приводит к ухудшению тепло-вых или электрических характеристик гетероструктуры за счет проигрыша в теплопроводности, диэлектриче-ских потерях и т. д. Согласование кристаллических ре-шеток пленки и подложки за счет использования буфер-ных слоев также может привносить негативный вклад в характеристики конечного устройства из-за усложнения структуры и возникновения дополнительных интерфей-сов. Таким образом проблема ориентированного роста многокомпонентных пленок на несогласованных моно-кристаллических подложках без использования проме-жуточных буферных слоев остается открытой.Примером такой ситуации может служить сегнето-электрический (СЭ) твердый раствор титаната бария-стронция Ba x Sr 1−x TiO 3 (BST) на сапфире. Согласно публикациям, данная гетероструктура представляется перспективной для сверхвысокочастотных (СВЧ) при-менений. Можно выделить целый класс управляемых устройств СВЧ-диапазона (вариконды, фазовращатели, перестраиваемые фильтры, линии задержки, фазирован-ные антенные решетки и т. д.), реализация которых на основе СЭ-пленок в перспективе позволит улучшить характеристики устройств [1]. Пленочное исполнение СЭ-устройств на базе титаната бария-стронция позволя-ет легко достичь высокой напряженности управляющего электрического поля (до 100 V/µm), а, следовательно, высокой нелинейности. Соотношение бария и стронция в пленке BST определяет температуру фазового пе-рехода из сегнетоэлектрического в параэлектрическое состояние, а, следовательно, уровень диэлектрической проницаемости и СВЧ-потерь. Выбор компонентного состава позволяет управлять нелинейностью и темпе-ратурными свойствами пленки, а также добротностью СЭ-структуры в широких пределах.Что же касается подложки, то из материалов с низ-ким значением диэл...

show abstract

“…Incipient ferroelectrics in paraelectric state, such as SrTiO 3 and Ba x Sr 1− x TiO 3 exhibit a strong dependence of the dielectric constant on the applied electric fi eld. [1][2][3] This fi nds applications in a multitude of electrically tunable components of microwave circuits (working at GHz frequencies), such as varactors, fi lters, antennas, phase shifters, parametric amplifi ers, power dividers, and others.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Quantitative Nanometer‐Scale Mapping of Dielectric Tunability

Tselev

Klein

Gaßmann

et al. 2015

Adv Materials Inter

View full text Add to dashboard Cite

usual approach to characterization of the thin fi lms dielectric properties assumes fabrication of sandwich (parallel-plate) or planar (interdigitated) capacitors or coplanar waveguides from micrometer to tens and hundreds of micrometers in dimensions. [5][6][7] Apparently, such approach is capable of delivering information only about fi lm properties averaged over a relatively large area. While this can be appropriate for single-crystalline epitaxial thin fi lms, the information about properties of single morphological elements of polycrystalline fi lms-such as fabricated by magnetron sputtering-cannot be obtained. Additionally, only macroscopic scale devices can be characterized. Fabrication of test devices is destructive for thin fi lms with a consequence that generally, characterized fi lms cannot be further used for fabrication of desired functional structures.Furthermore, a problem for polycrystalline fi lms are always pinholes leading to shorts in capacitor structures. The density of the pinholes increases with decreasing fi lm thickness, so that sample with a thicknesses of about 50 nm and below are hardly accessible to the measurements with lithographically fabricated capacitor structures since the electrodes should be made very small. On the other side, in general, thinner fi lms show worse performance than thicker fi lms, often related to "dead layers," i.e., layers with reduced permittivity and tunability at the electrode interfaces. A possibility to measure dielectric properties without top electrodes can help to discriminate between dead layers at bottom and at top electrodes as well as fi lm defects and, therefore, guide the development of improved bottom or top electrodes in the tunable devices. Therefore, noninvasive and nondestructive characterization methods capable of a high spatial resolution are required. The scanning probe techniques offer the opportunity of accessing the dielectric properties of nanoscale thin fi lms without the extensive effort of lithographically structured electrodes.In this paper, we used two scanning probe microscopy techniques-near-fi eld scanning microwave microscopy (SMM) and piezoresponse force microscopy (PFM)-to characterize and image tunability in a thin paraelectric fi lm. Using a polycrystalline Ba 0.6 Sr 0.4 TiO 3 (BST) fi lm as a model system, we prove that near-fi eld microwave imaging and PFM provide similar information about dielectric tunability with high spatial resolution in the 10's of nm regime. This is key to understand the origin of macroscopic material properties and its correlation to the underlying microstructure and defects as pathway for material Two scanning probe microscopy techniques-near-fi eld scanning microwave microscopy (SMM) and piezoresponse force microscopy (PFM)-are used to characterize and image tunability in a thin (Ba,Sr)TiO 3 fi lm with nanometer scale spatial resolution. While sMIM allows direct probing of tunability by measurement of the change in the dielectric constant, in PFM, tunability can be extracted via electrostrict...

show abstract

Barium strontium titanate thin film varactors for room-temperature microwave device applications

Cited by 177 publications

References 152 publications

Dielectric properties of BaMg1∕3Nb2∕3O₃ doped Ba_0.45Sr_0.55Tio₃ thin films for tunable microwave applications

Dielectric properties of BaMg1∕3Nb2∕3O₃ doped Ba_0.45Sr_0.55Tio₃ thin films for tunable microwave applications

Доменный Эпитаксиальный Рост Сегнетоэлектрических Пленок Титаната Бария-Стронция На Сапфире

Quantitative Nanometer‐Scale Mapping of Dielectric Tunability

Contact Info

Product

Resources

About

Barium strontium titanate thin film varactors for room-temperature microwave device applications

Cited by 177 publications

References 152 publications

Dielectric properties of BaMg1∕3Nb2∕3O3 doped Ba0.45Sr0.55Tio3 thin films for tunable microwave applications

Dielectric properties of BaMg1∕3Nb2∕3O3 doped Ba0.45Sr0.55Tio3 thin films for tunable microwave applications

Доменный Эпитаксиальный Рост Сегнетоэлектрических Пленок Титаната Бария-Стронция На Сапфире

Quantitative Nanometer‐Scale Mapping of Dielectric Tunability

Contact Info

Product

Resources

About

Dielectric properties of BaMg1∕3Nb2∕3O₃ doped Ba_0.45Sr_0.55Tio₃ thin films for tunable microwave applications

Dielectric properties of BaMg1∕3Nb2∕3O₃ doped Ba_0.45Sr_0.55Tio₃ thin films for tunable microwave applications