Verlustmechanismen in steuerbaren Mikrowellendielektrika
Final Report Abstract
Der Einsatz des steuerbaren Materialsystems (Ba,Sr)TiO3 in der Mikrowellentechnik wird aufgrund der hohen dielektrischen Verluste deutlich eingeschränkt. Eine deutliche Steigerung der Materialgüte, definiert aus dem Verhältnis von Steuerbarkeit zu Mikrowellenverluste, konnte in der ersten Projektphase durch eine Dotierung des Materials gezeigt werden. In der vorliegenden Arbeit wurden aufbauend auf diesen Ergebnissen die grundlegenden Untersuchungen zu den Verlustmechanismen von BST-Dickschichten und deren Beeinflussung durch Dotierungen mit einem Fokus auf Kodotierungen fortgeführt. Zur Beurteilung der Materialgüte wurden die dielektrischen Kenndaten der untersuchten Materialien über einen weiten Frequenz- und Temperaturbereich aufgenommen. Im folgenden werden die erzielten Ergebnisse dieser Arbeit zusammenfassend dargestellt: • Durch die Entwicklung eines Simulationsverfahrens basierend auf der Methode der Finiten Differenzen im Zeitbereich (FDTD: engl.: Finite-Difference Time-Domain Method) ist es erstmalig möglich komplexe Mikrowellenkomponenten auf Basis feldstärkeabhängiger dielektrischer Eigenschaften zu simulieren. Das Simulationsverfahren bietet die Funktionalität besonders in planaren steuerbaren Bauelementen die inhomogene Aussteuerung durch den Verlauf des elektrischen Steuerfeldes und der daraus resultierenden feldstärkeabhängigen Permittivität zu simulieren. Die innerhalb dieser Arbeit beschriebenen FDTD Simulationsverfahren sind in der Software NL3D-FDTD (engl.: NonLinear-3DFinite- Differenz Time- Domain) zusammengefasst. Dabei bietet diese Software die Möglichkeit der Berechnung und der Optimierung von zwei- und dreidimensionalen Strukturen wie auch die automatische Extraktion der feldstärkeabhängigen dielektrischen Eigenschaften basierend auf Messergebnissen. Das FDTD Berechnungsverfahren lässt sich dabei sowohl für die Untersuchung von mesoskaligen Problemen im Bereich der Abmessungen des keramischen Gefüges der Dickschicht wie auch für die Berechnung von makroskaligen Bauelementen nutzen. • Bei BST Dickschichten konnte der signifikante Einfluss einer geringen Variation der Sintertemperatur auf die Morphologie der porösen Dickschichten wie auch auf die effektiven dielektrischen Eigenschaften extrahiert werden. Durch die Verwendung eines neuen Simulationsmodells, das die Mikrostruktur dieser Schichten abbilden kann, sind weitere Ansätze für die Optimierung dieser Schichten aufgezeigt worden. • Weiterhin wurde der Einfluss von verschiedenen Akzeptor-Fluorid Kodotierungspaare in BST Dickschichten auf die dielektrischen Eigenschaften im HF-Bereich (5-30 GHz) untersucht. Es zeigten deutliche Unterschiede in den Wirkungen der Dotierungspaare auf Permittivität, dielektrischer Verlust und Steuerbarkeit. So zeigte eine Kupfer-Fluoridkodoteirung überdurchschnittlich hohe Steuerbarkeiten (60% , 16 V/µm) bei allerdings auch deutlich erhöhten Verlusten. • Akustische Resonanzen, angeregt beim Anlegen einer Steuerspannung an die verwendeten unterschiedlichen BST Schichten, sorgen für einen starke Beeinflussung der Bauteilgüten im GHz-Bereich. Zur Untersuchung des Einflusses wurden für die Dickschichten verschiedene Modelle für die Berechnung der Bauteileigenschaften erarbeitet und mit Messungen validiert. Für Varaktoren auf BST Dickschichten konnte dabei erstmalig die breitbandige Reduktion der Varaktorgüte durch akustische Resonanzen aufgezeigt werden. Der Frequenzbereich mit einer deutlich reduzierten Varaktorgüte ist dabei abhängig von der Bauteilgeometrie. Das hier vorgestellte Modell lässt sich zusammen mit den damit extrahierten Materialeigenschaften für die Optimierung von weiteren steuerbaren planaren Bauelementen einsetzen. Für eine Modellierung der dielektrischen Eigenschaften der Dickschichten basierend auf dem phänomenologischen Modell nach Vendik [Ve02] blieb aufgrund der deutlich verkürzten Projektlaufzeit (von zwei auf ein Jahr) keine Zeit. Deshalb kann eine abschließende Bewertung der in Dickschichten auftretenden Verlustmechanismen nur unvollständig erfolgen.
Publications
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