KR100355380B1 - The microwave properties enhancement BSTO tunable capacitor using SrRuO3, SrTiO3 buffer layers and tunable RF device using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 SrRuO3, SrTiO3완충층을 사용하여 마이크로웨이브 특성을 향상시킨 BSTO(Ba0.5Sr0.5TiO3) 튜너블 캐패시터(The microwave properties enhancement BSTO tunable capacitor using SrRuO3, SrTiO3buffer layers) 및 이를 이용한 튜너블 RF 소자(tunable RF device)를 기재한다. 본 발명에 따른 SrRuO3, SrTiO3완충층을 사용하여 마이크로웨이브 특성을 향상시킨 BSTO(Ba0.5Sr0.5TiO3) 튜너블 캐패시터는, 전극과 유전체인 BST 박막 사이에 SrRuO3완충층을 구비하고, BST박막과 기판 사이에 SrTiO3완충층을 구비함으로써, 다음과 같이 마이크로웨이브 특성(microwave property; loss, tunability)을 향상시킨다.The invention SrRuO 3, BSTO with improved microwave characteristics by using SrTiO 3 buffer layer (Ba 0.5 Sr 0.5 TiO 3) a tunable capacitor (The microwave properties enhancement BSTO tunable capacitor using SrRuO 3, SrTiO 3 buffer layers) and using the same. A tunable RF device is described. SrRuO 3, SrTiO BSTO with improved microwave characteristics by using the third buffer layer (Ba 0.5 Sr 0.5 TiO 3) a tunable capacitor, and a SrRuO 3 buffer layer between the electrode and the dielectric BST films, BST thin films according to the invention By providing the SrTiO 3 buffer layer between the substrate and the substrate, microwave properties (loss, tunability) are improved as follows.
Description
본 발명은 SrRuO3, SrTiO3완충층을 사용하여 마이크로웨이브 특성을 향상시킨 BSTO(Ba0.5Sr0.5TiO3) 튜너블 캐패시터(The microwave properties enhancement BSTO tunable capacitor using SrRuO3, SrTiO3buffer layers) 및 이를 이용한 튜너블 RF 소자(tunable RF device)에 관한 것이다.The invention SrRuO 3, BSTO with improved microwave characteristics by using SrTiO 3 buffer layer (Ba 0.5 Sr 0.5 TiO 3) a tunable capacitor (The microwave properties enhancement BSTO tunable capacitor using SrRuO 3, SrTiO 3 buffer layers) and using the same. The present invention relates to a tunable RF device.
도 1은 종래의 튜너블 캐패시터(tunable capacitor)의 수직 단면도이다. 도시된 바와 같이, 기존의 튜너블 캐패시터는 기판(1)과 이 기판(1) 상에 유전체층으로 BST 강유전체 박막(2)이 형성되고, 그 위에 전극(3)들이 구비된 구조를 갖는다.1 is a vertical cross-sectional view of a conventional tunable capacitor. As shown, the conventional tunable capacitor has a structure in which a BST ferroelectric thin film 2 is formed as a substrate 1 and a dielectric layer on the substrate 1, and the electrodes 3 are provided thereon.
이와 같은 강유전체 박막을 사용한 RF 튜너블(tunable) 소자 개발에서 가장 문제가 되었던 것은 유전체 박막의 마이크로웨이브 손실(microwave loss)이다. MW 주파수에서 손실 메카니즘(loss mechanism)은 구체적으로 알려지지 않았으나 이를 줄이기 위해 물질적인 접근, 구조적인 접근, 새로운 공정 개발 등 많은 시도가 있어 왔다.The most problematic problem in the development of an RF tunable device using such a ferroelectric thin film is the microwave loss of the dielectric thin film. The loss mechanism at the MW frequency is not known in detail, but many attempts have been made to reduce it, including material approaches, structural approaches, and new process development.
유전체 박막에 dc 바이어스 전압(bias voltage)을 인가하여 유전상수를 변화시켜 공진주파수(또는 위상)를 가변시키는 기술은 마이크로웨이브 튜너블 소자들(microwave tunable devices; filter, phase shifter, VCO 등)의 개발에 핵심이 되는 부분이다. 즉, 튜닝(tuning)을 시켜주는 튜너블 캐패시터(tunable capacitor)의 마이크로웨이브 특성 향상이 가장 중요한 부분이다.The technique of changing the resonant frequency (or phase) by applying a dc bias voltage to the dielectric thin film to change the dielectric constant is the development of microwave tunable devices (filters, phase shifters, VCOs, etc.) This is the key part. In other words, the improvement of the microwave characteristics of a tunable capacitor that tunes is the most important part.
이 튜너블 캐패시터의 유전체인 산화물인 유전체 박막의 단결정 성장, 그리고 유전체 박막 내의 산소 공핍(oxygen vacancy)이 손실(loss)을 주는 가장 주요한 원인으로 알려져 있다. 그러나 저 직류 바이어스(low dc bias)에서 손실(loss)이 10-3대(order)로 낮추기란 쉽지 않다.Single crystal growth of the dielectric thin film, which is the oxide of the tunable capacitor, and oxygen vacancy in the dielectric thin film are known to be the main causes of loss. However, it is not easy to reduce the loss to 10 -3 order at low dc bias.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안한 것으로, SrRuO3, SrTiO3등의 완충층을 사용하여 마이크로웨이브 특성을 향상시킨 BSTO(Ba0.5Sr0.5TiO3) 튜너블 캐패시터 및 이를 이용한 튜너블 RF 소자를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to improve the above problems, BSTO (Ba 0.5 Sr 0.5 TiO 3 ) tunable capacitor and a tunable RF device using the same to improve the microwave characteristics using a buffer layer, such as SrRuO 3 , SrTiO 3 The purpose is to provide.
도 1은 종래의 튜너블 캐패시터(tunable capacitor)의 수직 단면도,1 is a vertical cross-sectional view of a conventional tunable capacitor,
도 2는 본 발명에 따른 튜너블 캐패시터의 수직 단면도,2 is a vertical sectional view of a tunable capacitor according to the present invention;
도 3은 본 발명에 따른 또 다른 튜너블 캐패시터의 수직 단면도,3 is a vertical sectional view of another tunable capacitor according to the present invention;
도 4는 도 2 혹은 도 3의 튜너블 캐패시터가 플립칩 형태로 부착된 튜너블 RF 소자의 평면도,4 is a plan view of a tunable RF device to which the tunable capacitor of FIG. 2 or 3 is attached in the form of a flip chip;
그리고 도 5는 도 3의 튜너블 캐패시터에서 측정된 바이어스 전압에 따른 캐패시턴스 값을 표시한 그래프이다.FIG. 5 is a graph showing capacitance values according to bias voltages measured by the tunable capacitor of FIG. 3.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
1. 기판 2. BST 강유전체 박막1. Substrate 2. BST ferroelectric thin film
3. 전극3. Electrode
10. 기판 20. BST 강유전체 박막10. Substrate 20. BST ferroelectric thin film
30. 전극 40. SrRuO3버퍼층30. Electrode 40. SrRuO 3 buffer layer
50. SrTiO3버퍼층 100. 튜너블 캐패시터50. SrTiO 3 buffer layer 100. Tunable capacitor
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 완충층을 이용한 마이크로웨이브 특성 개선 BSTO(Ba0.5Sr0.5TiO3) 튜너블 캐패시터는, 기판; 이 기판 상에 형성된 BaxSr1-xTiO3강유전체 박막; 및 이 BaxSr1-xTiO3강유전체 박막 상에 형성된 두 전극;이 구비된 튜너블 캐패시터에 있어서, 상기 BaxSr1-xTiO3강유전체 박막과 상기 두 전극 사이에 형성된 SrRuO3버퍼층;이 구비된 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the microwave characteristic improvement BSTO (Ba0.5Sr0.5TiO 3 ) tunable capacitor using the buffer layer according to the present invention includes a substrate; A Ba x Sr 1-x TiO 3 ferroelectric thin film formed on the substrate; And the Ba x Sr two electrodes formed on the 1-x TiO 3 ferroelectric thin film; In the tunable capacitor comprises a, SrRuO 3 buffer layer formed between the Ba x Sr 1-x TiO 3 ferroelectric thin film and the two electrodes; a Characterized in that provided.
본 발명에 있어서, 상기 기판은 LaAl2O3, MgO, CeO2buffered 알파-사파이어중 적어도 어느 하나로 이루어지고, 상기 BaxSr1-xTiO3강유전체 박막은 그 조성이 x가 0.4~0.6의 값을 갖도록 이루어지며, 상기 기판과 상기 BaxSr1-xTiO3강유전체 박막 사이에 형성된 SrTiO3버퍼층;이 더 구비된 것이 바람직하다.In the present invention, the substrate is made of at least one of LaAl 2 O 3 , MgO, CeO 2 buffered alpha-sapphire, the Ba x Sr 1-x TiO 3 ferroelectric thin film has a composition of x value of 0.4 ~ 0.6 It is made to have a, SrTiO 3 buffer layer formed between the substrate and the Ba x Sr 1-x TiO 3 ferroelectric thin film; is preferably further provided.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 또 다른 완충층을 이용한 마이크로웨이브 특성 개선 BSTO(Ba0.5Sr0.5TiO3) 튜너블 캐패시터는, 기판; 이 기판 상에 형성된 BaxSr1-xTiO3강유전체 박막; 및 이 BaxSr1-xTiO3강유전체 박막 상에 형성된 두 전극;이 구비된 튜너블 캐패시터에 있어서, 상기 기판과 상기 BST 강유전체 박막 사이에 형성된 SrTiO3버퍼층;이 구비된 것을 특징으로 한다.In addition, in order to achieve the above object, the microwave characteristic improvement BSTO (Ba0.5Sr0.5TiO 3 ) tunable capacitor using another buffer layer according to the present invention, the substrate; A Ba x Sr 1-x TiO 3 ferroelectric thin film formed on the substrate; And two electrodes formed on the Ba x Sr 1-x TiO 3 ferroelectric thin film, wherein the tunable capacitor includes an SrTiO 3 buffer layer formed between the substrate and the BST ferroelectric thin film.
본 발명에 있어서, 상기 기판은 LaAl2O3, MgO, CeO2buffered 알파-사파이어 중 적어도 어느 하나로 이루어지고, 상기 BaxSr1-xTiO3강유전체 박막은 그 조성이 x가 0.4~0.6의 값을 갖도록 이루어진 것이 바람직하다.In the present invention, the substrate is made of at least one of LaAl 2 O 3 , MgO, CeO 2 buffered alpha-sapphire, the Ba x Sr 1-x TiO 3 ferroelectric thin film has a composition value of 0.4 ~ 0.6 It is preferable that it is made to have.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 튜너블 RF 소자는, 기판; 이 기판 상에 형성된 BaxSr1-xTiO3강유전체 박막; 및 이 BaxSr1-xTiO3강유전체 박막 상에 형성된 두 전극;이 구비된 튜너블 캐패시터에 있어서, 상기 BaxSr1-xTiO3강유전체 박막과 상기 두 전극 사이에 형성된 SrRuO3버퍼층; 및 상기 기판과 상기 BaxSr1-xTiO3강유전체 박막 사이에 형성된 SrTiO3버퍼층;을 구비하고, 상기 기판은 LaAl2O3, MgO, CeO2buffered 알파-사파이어 중 적어도 어느 하나로 이루어지고, 상기 BaxSr1-xTiO3강유전체 박막은 그 조성이 x가 0.4~0.6의 값을 갖도록 이루어진 튜너블 캐패시터;가 플립칩 형태로 부착된 것을 특징으로 한다.In addition, in order to achieve the above object, a tunable RF device according to the present invention includes a substrate; A Ba x Sr 1-x TiO 3 ferroelectric thin film formed on the substrate; And the Ba x Sr 1-x TiO 3 ferroelectric two electrodes formed on the thin film; In the tunable capacitor comprises a, SrRuO 3 buffer layer formed between the Ba x Sr 1-x TiO 3 ferroelectric thin film and the two electrodes; And a SrTiO 3 buffer layer formed between the substrate and the Ba x Sr 1-x TiO 3 ferroelectric thin film, wherein the substrate is made of at least one of LaAl 2 O 3 , MgO, CeO 2 buffered alpha-sapphire, and The Ba x Sr 1-x TiO 3 ferroelectric thin film has a tunable capacitor whose composition has a value of 0.4 to 0.6; and is attached in the form of a flip chip.
이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 완충층을 사용하여 마이크로웨이브 특성을 향상시킨 BSTO(Ba0.5Sr0.5TiO3) 튜너블 캐패시터를 상세하게 설명한다.Hereinafter, a BSTO (Ba0.5Sr0.5TiO 3 ) tunable capacitor having improved microwave characteristics using the buffer layer according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
유전체박막에 dc 바이어스 전압(bias voltage)을 인가하여 유전상수를 변화시켜 공진주파수(또는 위상)를 가변시키는 기술은 마이크로웨이브 튜너블 소자들(microwave tunable devices; filter, phase shifter, VCO 등)의 개발에 핵심이 되는 부분이되고, 튜닝(tuning)을 시켜주는 튜너블 캐패시터(tunable capacitor)의 마이크로웨이브 특성 향상이 가장 중요한 부분임은 앞서 설명한 바 있다. 따라서, 본 발명에 따른 마이크로웨이브 특성을 향상시킨 BSTO(Ba0.5Sr0.5TiO3) 튜너블 캐패시터는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 기본적으로 기판(10) 상에 형성되는 유전체로 BSTO 강유전체 박막(20)을 사용하고 전극(30)으로 Au/Ti를 사용하며, 이 기본 구조의 전극(30)과 유전체 박막(20) 사이에 도 2에 도시된 바와 같은 SrRuO3버퍼층(buffer layer)(40)을 형성하여 마이크로웨이브 특성(microwave properties)(즉 loss와 tunability)를 향상시키는 것을 특징으로 한다. 더욱이, 도 3에 도시된 바와 같이, 기판(10)과 강유전체 박막(20) 사이에 SrTiO3버퍼층(50)을 더 형성하여 마이크로웨이브 특성(microwave properties)(즉 loss와 tunability)를 향상시키는 것을 특징으로 한다.The technique of changing the resonant frequency (or phase) by applying a dc bias voltage to the dielectric thin film to change the dielectric constant is the development of microwave tunable devices (filters, phase shifters, VCOs, etc.). As mentioned above, the improvement of microwave characteristics of tunable capacitor, which is a key part of the process and tunes, is the most important part. Accordingly, the BSTO (Ba0.5Sr0.5TiO 3 ) tunable capacitor with improved microwave characteristics according to the present invention is basically a dielectric material formed on the substrate 10 as shown in FIGS. 2 and 3. A ferroelectric thin film 20 is used and Au / Ti is used as the electrode 30, and the SrRuO 3 buffer layer as shown in FIG. 2 is formed between the electrode 30 and the dielectric thin film 20 of this basic structure. 40 is formed to improve microwave properties (ie, loss and tunability). Furthermore, as shown in FIG. 3, an SrTiO 3 buffer layer 50 is further formed between the substrate 10 and the ferroelectric thin film 20 to improve microwave properties (ie, loss and tunability). It is done.
이러한 구조를 갖도록 하는 동작 원리는 다음과 같다.The operating principle of having such a structure is as follows.
강유전체 박막(20)에 dc 바이어스(bias) 전압을 걸어주어 유전상수를 변화시키면 이로 인해 결합 용량(coupling capacitance)이 변화하게 된다. 캐패시턴스가 변하면 궁극적으로 공진주파수(또는 위상)가 변화하게 되어 튜너블 필터(tunable filter)(혹은 tunable phase shifter)의 통과 대역(wave direction)이 변하게 된다. 따라서, 바이어스 전압(bias voltage)에 따라 튜너블 캐패시터가 튜닝(tuning)될 수 있는 것이다.When the dielectric constant is changed by applying a dc bias voltage to the ferroelectric thin film 20, the coupling capacitance is changed. If the capacitance changes, the resonant frequency (or phase) ultimately changes, and thus the wave direction of the tunable filter (or tunable phase shifter) changes. Thus, the tunable capacitor can be tuned according to the bias voltage.
결론적으로, 도 4에 도시된 바와 같은, 튜너블 소자(tunable device) 개발에 있어서 유전체 박막을 어떻게 튜닝(tuning)하느냐 하는 것이 마이크로웨이브 특성 확보가 가장 중요한 문제(issue)라 하겠다. 이러한 점을 고려하여 본 발명에서는 다음과 같이 플리칩 형태로 부착된 튜너블 캐패시터(100)를 구성한다.In conclusion, as shown in FIG. 4, in the development of a tunable device, how to tune a dielectric thin film is the most important issue. In consideration of this point, the present invention configures the tunable capacitor 100 attached in the form of a flip chip as follows.
첫째, 도 2에 도시된 바와 같이, 금속 전극(30)과 BSTO 강유전체 박막(20) 사이에 SrRuO3버퍼층(buffer layer)(40)을 둠으로써 금속 전극(30)과 BSTO 강유전체 박막(20) 간에 화학 반응(chemical reaction)을 막고, BSTO 박막(20)에서 산소(oxygen)가 결핍되는 것을 막아주어 손실(loss)을 상당히 줄인다.First, as shown in FIG. 2, the SrRuO 3 buffer layer 40 is provided between the metal electrode 30 and the BSTO ferroelectric thin film 20, thereby forming the gap between the metal electrode 30 and the BSTO ferroelectric thin film 20. It prevents chemical reactions and prevents oxygen deficiency in the BSTO thin film 20, significantly reducing the loss.
둘째, 도 3에 도시된 바와 같이, 기판(10)과 BSTO 박막(20) 사이에 SrTiO3버퍼층(50)을 둠으로써 BSTO 박막(20)의 단결정 성장을 돕고 계면을 깨끗하게 하여 표면 거칠기(roughness)를 향상 시킨다. 이로 인해 또한 손실(loss)을 상당히 줄이고 튜닝가능성(tunability)을 향상시킨다.Second, as shown in FIG. 3, by placing the SrTiO 3 buffer layer 50 between the substrate 10 and the BSTO thin film 20, it helps to grow the single crystal of the BSTO thin film 20 and cleans the interface, thereby making the surface roughness. Improves. This also significantly reduces losses and improves tunability.
세째, 도 3에 도시된 바와 같이, SrRuO3와 SrTiO3두 개의 버퍼층(40, 50)을상기 첫째와 둘째에서와 같이 동시에 형성함으로써 손실(loss)과 튜닝가능성(tunability)을 향상시킨다.Third, as shown in FIG. 3, two buffer layers 40 and 50 of SrRuO 3 and SrTiO 3 are simultaneously formed as in the first and second parts, thereby improving loss and tunability.
본 발명의 플립칩(flip-chip) 형태의 튜너블 캐패시터(tunable capacitor)에 STO, SRO 버퍼층이 구비되도록 제작하면 쉽게 10-3대(order)의 손실(loss)을 얻을 수 있다.The fabrication of the STO and SRO buffer layers in the flip-chip tunable capacitor of the present invention can easily achieve a loss of 10-3 orders.
<실시예><Example>
도 4에 도시된 바와 같이 폴 길이(pole length)로 주파수를 정해 이 주파수에서 뷰너블 캐패시터(tunable capacitor)의 손실(loss)과 tunability를 측정한다. 이를 통해 최적화된 특성을 지닌 캐패시터를 가지고 튜너블 필터(tunable filter), 튜너블 위상 시프트(tunable phase shifter) 등의 RF 소자 레이아웃(layout)의 결합(coupling)되는 지점에 플립칩(flip-chip)(100) 형태로 부착하여 소자를 얻어낸다.As shown in FIG. 4, the frequency is determined by the pole length to measure the loss and tunability of the tunable capacitor at this frequency. This results in a flip-chip at the point where the capacitor with the optimized characteristics is coupled to the RF device layout, such as a tunable filter or tunable phase shifter. It is attached in the form of (100) to obtain an element.
이와 같이, SrRuO3, SrTiO3버퍼층(buffer layer)을 구비하도록 제작된 BSTO 튜너블 캐패시터(tunable capacitor)의 특성을 측정한 결과가 도 5에 도시되어 있다. 이러한 측정 결과로부터 아래와 같은 손실과 tunability를 얻었다.As such, the results of measuring the characteristics of the BSTO tunable capacitor fabricated to include the SrRuO 3 and SrTiO 3 buffer layers are shown in FIG. 5. From these measurements, the following losses and tunability were obtained.
tunability((C(0)-C(50V))/C(0)): 30%~40%tunability ((C (0) -C (50V)) / C (0)): 30% -40%
loss tangent: 약 10-3orderloss tangent: about 10 -3 order
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 SrRuO3, SrTiO3완충층을 사용하여마이크로웨이브 특성을 향상시킨 BSTO(Ba0.5Sr0.5TiO3) 튜너블 캐패시터는, 전극과 유전체인 BST 박막 사이에 SrRuO3완충층을 구비하고, BST박막과 기판 사이에 SrTiO3완충층을 구비함으로써, 다음과 같이 마이크로웨이브 특성(microwave property; loss, tunability)을 향상시킬 수 있는 효과를 얻는다.Such as described above, BSTO (Ba0.5Sr0.5TiO 3) that use the SrRuO 3, SrTiO 3 buffer layer improves the microwave characteristics tunable capacitor according to the present invention, the SrRuO 3 buffer layer between the electrode and the dielectric thin film of BST By providing the SrTiO 3 buffer layer between the BST thin film and the substrate, the microwave properties (loss, tunability) can be improved as follows.
먼저, 금속 전극과 BSTO 박막 사이에 SrRuO3버퍼층(buffer layer)을 둠으로써 금속 전극과 BSTO 박막간에 화학 반응(chemical reaction)을 막고, BSTO 박막에서 산소(oxygen)가 결핍되는 것을 막아주어 손실(loss)을 상당히 줄인다.First, by placing a SrRuO 3 buffer layer between the metal electrode and the BSTO thin film, it prevents chemical reaction between the metal electrode and the BSTO thin film and prevents oxygen from depleting in the BSTO thin film. Significantly reduced).
더욱이, 기판과 BSTO 박막 사이에 SrTiO3버퍼층을 둠으로써 BSTO 박막의 단결정 성장을 돕고 계면을 깨끗하게 하여 표면 거칠기(roughness)를 향상 시킴으로써, 10-3대(order)로 손실(loss)을 줄일 수 있고 튜닝가능성(tunability)도 더욱 향상시킬 수 있다.Furthermore, by placing the SrTiO 3 buffer layer between the substrate and the BSTO thin film, it is possible to reduce the loss in order of 10 -3 by helping the single crystal growth of the BSTO thin film and by improving the surface roughness by cleaning the interface. Tunability can be further improved.
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