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All-Oxide Thin-Film Varactors: RF Characterization - Modeling - Integration

Walk, Dominik (2021):
All-Oxide Thin-Film Varactors: RF Characterization - Modeling - Integration. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00019204,
[Ph.D. Thesis]

Abstract

This work depicts the pioneer steps on investigating the novel all-oxide technology for its application in radio frequency (RF) varactors. The platinum bottom electrode of conventional ferroelectric varactors is replaced with the highly conducting oxide strontium molybdate SrMoO3 (SMO). Its structural similarity to the ferroelectric barium strontium titanate BaxSr1-xTiO3 (BST) helps to overcome the most severe drawbacks of the conventional approach: Increased defect concentration in BST and the formation of an untunable deadlayer at the platinum/BST interface. In all-oxide varactors, BST grows epitaxially on top of the bottom electrode and, hence, an ideal crystal forms instead of the polycrystalline BST on top of platinum. Due to the scarce preliminary knowledge on the properties of jointly integrated SMO and BST layers, a substantial portion of RF characterization and material parameter extraction is required. The first major result of this work is the frequency extension of a widely used on-wafer test structure for dielectric characterization from lower GHz frequencies up to the self-resonant frequency. This allows for the correct extraction of impedance data in the frequency range of interest and is a crucial prerequisite for comprehensive modeling. Furthermore, RF-characterization-based optimization of the deposition process is key to the fabrication of high-performance varactors with unprecedented SMO and BST thicknesses greater than 5μm and smaller than 50 nm, respectively. The greatest emphasis is put on highly accurate analytic models. Present models are not sufficiently accurate for thin-film devices with electrodes often thinner than skin depth. By incorporating the significant contribution of the substrate, a novel schematic model is proposed. It reacts to all significant material properties and yields the true RF properties of the varactor, based on predicting reasonably exact impedance data. This high accuracy further allows for the derivation of a bias-dependent model that considers the electromechanic excitation of acoustic waves. The final model tracks the impedance over a wide range of frequency and electric bias field up to 12GHz and 100V/μm, respectively. Based only on a simple RF characterization, this model enables a confident estimation of both electric and mechanic properties of the integrated varactor. On the one hand, this allows for the precise design of high-performing circuits. On the other hand, it helps to evaluate the great potential of all-oxide varactors to overcome a severe frequency limitation of conventional varactors by reducing the impact of acoustic resonances. To its end, this work addresses the transfer from material identification and optimization towards an industrial realization of the all-oxide technology. Sample reproducibility and uniformity are evaluated as hitherto insufficient, which is, however, a known drawback of the deployed pulsed laser deposition (PLD). Furthermore, the functional varactor deposition on silicon as an industrially established substrate is demonstrated. Finally, the integrability of the novel all-oxide varactors into circuits is demonstrated in two configurations; as a standalone surface-mount device and via integrated growth in an exemplary phase shifter. An outstanding performance of all-oxide devices is predicted after two enhancements in future work. Firstly, the transfer to a method other than PLD is recommended to allow larger substrates and reliably yield high-quality materials. Secondly, a significant improvement was demonstrated by doping BST to increase the Q factor and decrease the acoustic activity. This greatly increases the applicable frequency range beyond the limits of conventional ferroelectric varactors and predicts low loss of all-oxide devices in the full 5G sub-6GHz range and beyond.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2021
Creators: Walk, Dominik
Status: Publisher's Version
Title: All-Oxide Thin-Film Varactors: RF Characterization - Modeling - Integration
Language: English
Abstract:

This work depicts the pioneer steps on investigating the novel all-oxide technology for its application in radio frequency (RF) varactors. The platinum bottom electrode of conventional ferroelectric varactors is replaced with the highly conducting oxide strontium molybdate SrMoO3 (SMO). Its structural similarity to the ferroelectric barium strontium titanate BaxSr1-xTiO3 (BST) helps to overcome the most severe drawbacks of the conventional approach: Increased defect concentration in BST and the formation of an untunable deadlayer at the platinum/BST interface. In all-oxide varactors, BST grows epitaxially on top of the bottom electrode and, hence, an ideal crystal forms instead of the polycrystalline BST on top of platinum. Due to the scarce preliminary knowledge on the properties of jointly integrated SMO and BST layers, a substantial portion of RF characterization and material parameter extraction is required. The first major result of this work is the frequency extension of a widely used on-wafer test structure for dielectric characterization from lower GHz frequencies up to the self-resonant frequency. This allows for the correct extraction of impedance data in the frequency range of interest and is a crucial prerequisite for comprehensive modeling. Furthermore, RF-characterization-based optimization of the deposition process is key to the fabrication of high-performance varactors with unprecedented SMO and BST thicknesses greater than 5μm and smaller than 50 nm, respectively. The greatest emphasis is put on highly accurate analytic models. Present models are not sufficiently accurate for thin-film devices with electrodes often thinner than skin depth. By incorporating the significant contribution of the substrate, a novel schematic model is proposed. It reacts to all significant material properties and yields the true RF properties of the varactor, based on predicting reasonably exact impedance data. This high accuracy further allows for the derivation of a bias-dependent model that considers the electromechanic excitation of acoustic waves. The final model tracks the impedance over a wide range of frequency and electric bias field up to 12GHz and 100V/μm, respectively. Based only on a simple RF characterization, this model enables a confident estimation of both electric and mechanic properties of the integrated varactor. On the one hand, this allows for the precise design of high-performing circuits. On the other hand, it helps to evaluate the great potential of all-oxide varactors to overcome a severe frequency limitation of conventional varactors by reducing the impact of acoustic resonances. To its end, this work addresses the transfer from material identification and optimization towards an industrial realization of the all-oxide technology. Sample reproducibility and uniformity are evaluated as hitherto insufficient, which is, however, a known drawback of the deployed pulsed laser deposition (PLD). Furthermore, the functional varactor deposition on silicon as an industrially established substrate is demonstrated. Finally, the integrability of the novel all-oxide varactors into circuits is demonstrated in two configurations; as a standalone surface-mount device and via integrated growth in an exemplary phase shifter. An outstanding performance of all-oxide devices is predicted after two enhancements in future work. Firstly, the transfer to a method other than PLD is recommended to allow larger substrates and reliably yield high-quality materials. Secondly, a significant improvement was demonstrated by doping BST to increase the Q factor and decrease the acoustic activity. This greatly increases the applicable frequency range beyond the limits of conventional ferroelectric varactors and predicts low loss of all-oxide devices in the full 5G sub-6GHz range and beyond.

Place of Publication: Darmstadt
Collation: xi, 155 Seiten
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Microwave Engineering and Photonics > Microwave Engineering
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Microwave Engineering and Photonics
Date Deposited: 06 Aug 2021 07:17
DOI: 10.26083/tuprints-00019204
Official URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/19204
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-192041
Referees: Maune, Prof. Dr. Holger ; Jakoby, Prof. Dr. Rolf ; Rupitsch, Prof. Dr. Stefan J.
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 12 July 2021
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language

Diese Arbeit beschreibt die ersten Schritte der Erforschung der Volloxid-Technologie für eine Anwendung in Hochfrequenz- (HF-)Varaktoren. Dabei wird die Platin- Bodenelektrode von herkömmlichen ferroelektrischen Varaktoren mit dem hochleitfähigen Strontium-Molybdän-Oxid (SMO) ersetzt. Dessen strukturelle Ähnlichkeit mit dem ferroelektrischen Barium-Strontium-Titanat (BST) ermöglicht das Überwinden der gravierendsten Nachteile des herkömmlichen Ansatzes: Eine erhöhte Defektkonzentration in BST und das Ausbilden einer unsteuerbaren Grenzschicht am Platin-BST-Übergang. In volloxidischen Varaktoren wächst ein idealer BSTKristall epitaktisch auf der SMO-Bodenelektrode anstatt des polykristallinen BST auf Platin. Da zuvor kaum Informationen über integrierte SMO-BST-Schichtsysteme berichtet wurden, ist die HF-Charakterisierung und Materialparameterbestimmung ein wesentlicher Bestandteil dieser Arbeit. Das erste wichtige Ergebnis ist dabei die Erweiterung des Frequenzbereichs einer weit verbreiteten On-Wafer-Teststruktur vom unteren GHz-Bereich bis zu ihrer Selbstresonanzfrequenz. Dies ermöglicht die korrekte Extraktion der Varaktorimpedanz im gesamten gewünschten Frequenzbereich und ist fundamental für eine umfassende Modellierung. Hierdurch konnte der Abscheideprozesses optimiert werden, was entscheidend dazu beitrug, hochperformante Varaktoren herzustellen. Diese zeichnen sich durch die Kombination bisher unerreichter SMO- und BST-Schichtdicken aus, die jeweils dicker als 5μm und dünner als 50nm sind. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf hochgenauen analytischen Modellen. Vorhandene Modelle sind nicht genau genug für Dünnschichtschaltungen mit Elektroden, die dünner als die Skintiefe sind. Ein neues Modell wird vorgestellt, das den signifikanten Beitrag des Substrats berücksichtigt. Es beachtet den Einfluss aller maßgeblichen Materialeigenschaften und erlaubt damit die Extraktion der tatsächlichen HF-Eigenschaften des Varaktors. Die erreichte hohe Genauigkeit ermöglicht die Erweiterung zu einem Modell, das zusätzlich die elektrische Vorspannung mit einbezieht. Letztere führt zu induzierter Piezoelektrizität in BST, wodurch akustische Wellen im Modell berücksichtigt werden müssen. Das elektro-akustische Modell folgt der tatsächlichen Varaktorimpedanz in einem weiten Frequenz- und Vorspannungsbereich bis zu jeweils 12GHz und 100V/μm. Dadurch ermöglicht es die Extraktion von sowohl elektrischen als auch mechanischen Eigenschaften des integrierten Varaktors, die lediglich eine einfache On-Wafer-Messung benötigt. Dies eröffnet einerseits die Möglichkeit einer präzisen Modellierung von hochperformanten Schaltungen. Andererseits ermöglicht es die Evaluierung des Potentials von volloxidischen Varaktoren und deren Optimierung, um die gravierende Frequenzbeschränkung von herkömmlichen Varaktoren durch akustische Resonanzen zu überwinden. Zum Schluss der Arbeit wird der Transfer hin zur industriellen Realisierung der Volloxid-Technologie thematisiert. Reproduzierbarkeit und Gleichförmigkeit der Proben werden als unzureichend identifiziert, was die potentiellen Nachteile der verwendeten gepulsten Laserabscheidung (engl.: pulsed laser deposition, PLD) bestätigt. Weiterhin wird die Abscheidung eines funktionalen Varaktors auf industriell etablierten Silizium-Substraten demonstriert. Schließlich wird die Integrierbarkeit der neuen volloxidischen Varaktoren in Schaltungen gezeigt, und zwar in zwei Konfigurationen; sowohl als ein eigenständiges oberflächenmontierbares Bauteil (engl.: surface-mount device) als auch mittels integriertem Wachstum innerhalb eines beispielhaften Phasenschiebers. Eine herausragende Performanz der volloxidischen Technologie wird nach zwei zukünftigen Entwicklungen ermöglicht. Einerseits ist der Wechsel auf eine andere Abscheidemethode als PLD empfohlen, um reproduzierbar eine hohe Materialqualität auf außerdem größeren Substraten zu erreichen. Daneben zeigt das Dotieren von BST eine signifikante Verbesserung der Materialgüte und eine schwächere akustische Anregung. Dies erweitert den Anwendungsfrequenzbereich erheblich über die Grenzen von herkömmlichen ferroelektrischen Varaktoren hinaus und prognostiziert niedrige Verluste von volloxidischen Geräten bis oberhalb des gesamten 5G sub-6 GHz-Frequenzbereichs.

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