Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-4098
In dieser Arbeit werden daher zunächst die strukturellen und dielektrischen Eigenschaften dünner
SrTi03-Schichten untersucht . Die Gitterverspannung der abgeschiedenen epitaktischen SrTi03-
Schichten erweist sich als entscheidender Einfluss auf die dielektrischen Eigenschaften. Korrelationen
sowohl der Dielektrizitätskonstanten, der durch die Schichten erzeugten Verluste als auch der für die
Anwendung wichtigen dielektrischen Abstimmbarkeit der Filme mit den strukturellen Eigenschaften
der Filme werden nachgewiesen . Diese Ergebnisse werden im Rahmen eines thermodynamischen
Modells erklärt, das den Einfluss der Gitterverspannung auf die Polarisation der verspannt
aufgewachsenen Schichten berücksichtigt.
Als ideales Werkzeug für die Untersuchung der nichtlinearen dielektrischen Eigenschaften erweist
sich die Messung der sogenannten Intermodulationsstörungen, die durch die Einstrahlung zweier leicht
frequenzverschobener primärer Signale in Systeme mit nichtlinearen Eigenschaften erzeugt werden .
Als Ursache für die Generation der Intermodulationsstörungen in SrTi03-Schichten werden zwei
Anteile nachgewiesen : zum einen die Nichtlinearität der Dielektrizitätskonstante der SrTi03-Schicht,
zum anderen die einsetzende Leitfähigkeit der Schicht bei extrem hohen Fundamentalleistungen . Das
Zusammenspiel dieser beiden Ursachen führt zu einem recht ungewöhnlichen Verlauf der
Abhängigkeit der Intermodulationsstörungen von der Leistung der eingestrahlten Signale. Die
nichtlineare Kapazität erzeugt zudem Intermodulationsstörungen höherer Ordnung.
Schließlich wird der Einfluss der geometrischen Anordnung des Ferroelektrikums in einem
Hochfrequenzbauelement untersucht. Unterschiedliche Varaktordesigns werden theoretisch und
experimentell analysiert. Es zeigt sich, dass mittels eines hier weiterentwickelten Modells für die
Beschreibung von komplexen Kapazitäten die kapazitiven Eigenschaften von planaren Strukturen bis
ca. 4µm gut beschrieben werden . Anhand dieser Analyse wurde im Rahmen dieser Arbeit eine
verbesserte Varaktorgeometrie für die Integration in abstimmbare Hochfrequenzbauelemente
vorgestellt. Diese zeigt gegenüber dem planaren Standarddesign eine um ca. 300% verbesserte
Abstimmbarkeit und um ca. 50% reduzierte Verluste . Schon für extrem kleine Steuerspannungen von
Udc < 20V bietet der Qualitätsfaktor dieser Geometrie für die Anwendung ausreichend gute Werte.
Therefore, in this work the structural as well as the dielectric properties of thin SrTi03-films are being
examined. The lattice strain of the epitaxial deposited SrTi03 films is proven to strongly effect the
dielectric properties. Correlations of the dielectric constant, the rf loss, the dielectric tunability and the
structural properties are demonstrated. The results are explained in ternis of a thermodynamic model
that describes the influence of lattice strain on the polarization of the SrTi03 films.
Experimental determination of the intermodulation distortion (IMD) proofs to be an ideal tool for the
examination of the nonlinear dielectric properties of the films. IMDs are generated by applying two
fundamental rf-signals of slightly different frequencies to systems with nonlinear properties. Two
different origins of IMD-signals are being verified for our SrT103-films : the nonlinear behaviour ofthe
dielectric constant and the onset of conductivity at extremely high fundamental rf-powers. The
coaction of both mechanisms leads to a rather unusual dependence of the IMD signals on the power of
the fundamental signals. Furthermore, the nonlinear dielectric constant generates IMD signals of
higher orders i, i.e. i = 3, 5, 7, 9.
Finally, the influence ofthe geometry of integrated ferroelectric elements upon the performance of any
device is examined. Different varactor designs are analyzed theoretically and experimentally . It turns
out that the properties of complex varactors with structured dimensions down to 4µm can be described
in ternis of an improved model of parallel capacitors. Via this analysis, novel varactor geometry for
the integration in tunable rf-devices is presented. In comparison with the standard planar capacitor, the
tunability of the device is improved by about 300% and the rf losses are reduced by about 50%. The
quality factor of exceeds K >= 50 (i.e. sufficient for most applications) already at extremely low
operating voltages of Udc < 20V. The standard planar capacitor and the new vertical capacitor are well
described by the model of parallel capacitors.
Ott, Roland
Lineare und nichtlineare dielektrische Eigenschaften abstimmbarer SrTiO3-Schichten bei hohen Frequenzen
108 S., 2003
Ferroelektrische Materialien bieten sich aufgrund ihrer mit einem äußeren elektrischen Feld
abstimmbaren dielektrischen Eigenschaften für eine Reihe moderner Hochfrequenzanwendungen an.
Besonders im Hinblick auf die Integration in frequenzabstimmbare Hochfrequenzbauelemente (z. B.
des Mobilfunks) sind die linearen wie nichtlinearen dielektrischen Eigenschaften dünner
ferroelektrischer SrTi03-Schichten von enormen Interesse.
Due to the dependence of their dielectric properties on an external electrical field, ferroelectric
materials proof to be of interest for a number of modern radio-frequency (rf) applications. Especially
for their integration into frequency-tunable rf-devices (i.e. for mobile communications) the linear and
nonlinear dielectric properties ofthin ferroelectric SrTi03-films are of interest .
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