Grenzflächeneinstellung dünner Schichten für durchstimmbare ferroelektrische Varaktoren mit hochleitfähigen Oxidelektroden

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Rolf Jakoby; Dr. Philipp Komissinskiy
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 206658696

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Entwicklung abstimmbarer Komponenten in Hochfrequenz (HF)-Frontends bietet große Vorteile für die moderne Mobilkommunikation und treibt die Forschung in vielen Richtungen voran. Unter anderem ermöglicht der Einsatz neuartiger Materialien zahlreiche neue Designs rekonfigurierbarer Netzwerke. In wichtigen rekonfigurierbaren Mikrowellenschaltungen wie abstimmbaren Filtern, Phasenschiebern, adaptiven Impedanzanpassnetzwerken, frequenzagilen und strahl-gesteuerten Antennen werden abstimmbare Kondensatoren (Varaktoren) eingesetzt. Mit der Änderung ihrer Kapazität werden die Transmissionseigenschaften eines Impedanzanpassnetzes oder Filters beeinflusst. Die Ergebnisse der Projektarbeit belebten das Konzept der Voll-Oxid-Varaktoren durch die Verwendung des außergewöhnlichen hochleitenden Oxidmaterials SrMoO3, das in seiner einkristallinen Form eine höhere elektrische Leitfähigkeit als Pt aufweist. Unsere Ergebnisse zeigen nicht nur die Machbarkeit von Voll-Oxid-Varaktoren, sondern auch, dass Dünnschichten aus funktionalen Materialien mit gegensätzlichen thermodynamischen Wachstumsbedingungen, nämlich ein hochleitendes SrMoO3 und ein funktionales abstimmbares dielektrisches BST, in einem einzigen mikroelektronischen Bauelement kombiniert werden können, um ihre einzigartigen Funktionalitäten zu nutzen. Die Grenzfläche zwischen den beiden Funktionsmaterialien ist so gestaltet, dass thermodynamische Ungleichgewichtszustände im erforderlichen Wachstumsund Anwendungsbereich beibehalten werden können. Die hohe Abstimmbarkeit der Voll-Oxid- Varaktoren bei niedrigen Spannungen unter 5 V und die festgestellte Vermeidung akustischer Resonanzen bei Betriebsfrequenzen bis zu 10 GHz machen sie zu vielversprechenden Kandidaten für Anwendungen in adaptiven Filtern und Anpassnetzwerken für die Mobilkommunikation, bei denen die Transmissionsfrequenz verändert werden kann, so dass nur ein einziges Netzwerk für die Übertragung mehrerer Kanäle oder Dienste erforderlich ist. Die ersten nachgewiesenen epitaktischen Voll-Oxid-Varaktoren, die auf Siliziumsubstraten gewachsen sind, ermöglichen die Umsetzung dieser neuen Technologie in der Industrie.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• “Microelectronic electrode assembly useful as varactor and capacitor, comprises a first electrode arranged on a substrate and which comprises a thin layer of a first electrode material”, Granted Patent Numbers: US16/077,064, CN201780023108.4A, KR1020187026342A.
  A. Radetinac, A. Mani, P. Komissinskiy, L. Alff & M. Nikfalazar
  
• Effect of composition and strain on the electrical properties of LaNiO3 thin films. Applied Physics Letters, 103(14).
  Zhu, Mingwei; Komissinskiy, Philipp; Radetinac, Aldin; Vafaee, Mehran; Wang, Zhanjie & Alff, Lambert
  
• Highly conducting SrMoO3 thin films for microwave applications. Applied Physics Letters, 105(11).
  Radetinac, Aldin; Mani, Arzhang; Melnyk, Sergiy; Nikfalazar, Mohammad; Ziegler, Jürgen; Zheng, Yuliang; Jakoby, Rolf; Alff, Lambert & Komissinskiy, Philipp
  
• Modification of energy band alignment and electric properties of Pt/Ba0.6Sr0.4TiO3/Pt thin-film ferroelectric varactors by Ag impurities at interfaces. Journal of Applied Physics, 115(24).
  Hirsch, S.; Komissinskiy, P.; Flege, S.; Li, S.; Rachut, K.; Klein, A. & Alff, L.
  
• Joint effect of composition and strain on the anomalous transport properties of LaNiO3 films. Journal of Applied Physics, 117(15).
  Zhu, Mingwei; Komissinskiy, Philipp; Radetinac, Aldin; Wang, Zhanjie & Alff, Lambert
  
• Optical properties of single crystalline SrMoO3 thin films. Journal of Applied Physics, 119(5).
  Radetinac, Aldin; Zimmermann, Jörg; Hoyer, Karoline; Zhang, Hongbin; Komissinskiy, Philipp & Alff, Lambert
  
• Wet-chemical etching of SrMoO3 thin films. Materials Letters, 184, 173-176.
  Mani, Arzhang; Nikfalazar, Mohammad; Muench, Falk; Radetinac, Aldin; Zheng, Yuliang; Wiens, Alex; Melnyk, Sergiy; Maune, Holger; Alff, Lambert; Jakoby, Rolf & Komissinskiy, Philipp
  
• Growth and interface engineering in thin-film Ba0.6Sr0.4TiO₃/SrMoO₃heterostructures. Journal of Crystal Growth, 463, 134-138.
  Radetinac, Aldin; Ziegler, Jürgen; Vafaee, Mehran; Alff, Lambert & Komissinskiy, Philipp
  
• “Beam-Steering Passive Phased Array with Integrated Printed Ferroelectric Phase Shifters”, Ph.D. Thesis, TU Darmstadt 2017
  M. Nikfalazar
  
• “Chipless Wireless High-Temperature Sensing in Time-Variant Environments”, Ph.D. Thesis, TU Darmstadt 2017
  B. Kubina
  
• “Epitaxial ferroelectric all-oxide varactors for application in reconfigurable RF front ends”, Ph.D. Thesis, TU Darmstadt 2017
  A. Mani
  
• “Hochleitfähiges SrMoO3: Vom Schichtwachstum zur Anwendungseignung”, Ph.D. Thesis, TU Darmstadt 2017
  A. Radetinac
  
• “Tunable Ferroelectric Matching Networks implemented into High Power RF Amplifiers for High Dynamic and Wideband Efficiency”, 2017, Cuvillier Verlag, ISBN-10: 3-7369-8511-8
  A. Wiens
  
• All-Oxide Thin Film Varactor: From Test Structure to SMD Component. 2019 49th European Microwave Conference (EuMC), 184-187. IEEE.
  Walk, D.; Kienemund, D.; Salg, P.; Zeinar, L.; Radetinac, A.; Komissinskiy, P.; Alff, L.; Jakoby, R. & Maune, H.
  
• Atomically interface engineered micrometer-thick SrMoO3 oxide electrodes for thin-film BaxSr1-xTiO3 ferroelectric varactors tunable at low voltages. APL Materials, 7(5).
  Salg, P.; Walk, D.; Zeinar, L.; Radetinac, A.; Molina-Luna, L.; Zintler, A.; Jakoby, R.; Maune, H.; Komissinskiy, P. & Alff, L.
  
• Characterization and Deembedding of Negative Series Inductance in On-Wafer Measurements of Thin-Film All-Oxide Varactors. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 29(3), 213-215.
  Walk, Dominik; Kienemund, Daniel; Zeinar, Lukas; Salg, Patrick; Radetinac, Aldin; Komissinskiy, Philipp; Alff, Lambert; Jakoby, Rolf & Maune, Holger
  
• Highly Accurate Analytic Modeling of Dispersive Field Distributions in MIM Capacitances With Electrodes Thinner Than Skin Depth. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 67(12), 4665-4673.
  Walk, Dominik; Maune, Holger; Kienemund, Daniel; Salg, Patrick; Zeinar, Lukas; Radetinac, Aldin; Molina-Luna, Leopoldo; Komissinskiy, Philipp; Alff, Lambert & Jakoby, Rolf
  
• Matching conflicting oxidation conditions and strain accommodation in perovskite epitaxial thin-film ferroelectric varactors. Journal of Applied Physics, 128(21).
  Zeinar, Lukas; Salg, Patrick; Walk, Dominik; Petzold, Stefan; Arzumanov, Alexey; Jakoby, Rolf; Maune, Holger; Alff, Lambert & Komissinskiy, Philipp
  
• Optical Properties of Highly Conductive SrMoO3 Oxide Thin Films in the THz Band and Beyond. Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, 41(10), 1170-1180.
  Regensburger, Stefan; Mohammadi, Mahdad; Khawaja, Arslan A.; Radetinac, Aldin; Komissinskiy, Philipp; Alff, Lambert & Preu, Sascha
  
• Oxygen diffusion barriers for epitaxial thin-film heterostructures with highly conducting SrMoO3 electrodes. Journal of Applied Physics, 127(6).
  Salg, Patrick; Zeinar, Lukas; Radetinac, Aldin; Walk, Dominik; Maune, Holger; Jakoby, Rolf; Alff, Lambert & Komissinskiy, Philipp
  
• Spectroscopy of highly conductive SMO thin film in the THz range. 2020 45th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz), 1-2. IEEE.
  Regensburger, Stefan; Radetinac, Aldin; Komissinskiy, Philipp; Alff, Lambert & Preu, Sascha
  
• Suppression of Acoustic Resonances in All-Oxide Varactors. 2020 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium (IMS), 139-142. IEEE.
  Walk, Dominik; Kienemund, Daniel; Agrawal, Prannoy; Salg, Patrick; Zeinar, Lukas; Komissinskiy, Philipp; Alff, Lambert; Jakoby, Rolf & Maune, Holger
  
• All-Oxide Varactor Electromechanical Properties Extracted by Highly Accurate Modeling Over a Broad Frequency and Electric Bias Range. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 68(8), 2804-2814.
  Walk, Dominik; Agrawal, Prannoy; Zeinar, Lukas; Salg, Patrick; Arzumanov, Alexey; Komissinskiy, Philipp; Alff, Lambert; Jakoby, Rolf; Rupitsch, Stefan J. & Maune, Holger
  
• Molecular dynamics simulation of crystal structure and heat capacity in perovskite-type molybdates SrMoO3 and BaMoO3. Computational Materials Science, 197, 110609.
  Wang, Shuai; Mohammadi, Mahdad; Dirba, Imants; Hofmann, Kathrin; Albert, Barbara; Alff, Lambert; Komissinskiy, Philipp & Molina-Luna, Leopoldo
  
• Optical Plasmon Excitation in Transparent Conducting SrNbO3 and SrVO3 Thin Films. Advanced Optical Materials, 9(17).
  Mirjolet, Mathieu; Kataja, Mikko; Hakala, Tommi K.; Komissinskiy, Philipp; Alff, Lambert; Herranz, Gervasi & Fontcuberta, Josep
  
• “All-Oxide Thin-Film Varactors: RF Characterization - Modeling - Integration”, Ph.D. Thesis, TU Darmstadt 2021
  D. Walk
  
• “Invited: Advanced RF Modeling of Varactors with Thin Oxide Electrodes”. In: Electronic Materials and Applications. The American Ceramic Society, Jan. 2021.
  D. Walk, P. Salg, P. Komissinskiy, L. Alff, R. Jakoby & H. Maune
  
• Tailoring Optical Properties in Transparent Highly Conducting Perovskites by Cationic Substitution. Advanced Materials, 35(7).
  Mohammadi, Mahdad; Xie, Ruiwen; Hadaeghi, Niloofar; Radetinac, Aldin; Arzumanov, Alexey; Komissinskiy, Philipp; Zhang, Hongbin & Alff, Lambert
  
• “Elektrodenmaterial”, Patent Application Number: DE 10 2020 123 450 A1, 2022.03.10,
  A. Radetinac, M. Mohammadi Farshkhooni, P. Komissinskiy & L. Alff
  
• High performance all-oxide thin film tunable capacitors on Si substrates for agile microwave applications. Oxide-based Materials and Devices XIV, 70. SPIE.
  Ruan, Yating; Matic, Stipo; Salg, Patrick; Walk, Dominik; Lukas, Zeinar; Komissinskiy, Philipp; Jakoby, Rolf & Alff, Lambert
  
• Operando two-terminal devices inside a transmission electron microscope. Communications Engineering, 2(1).
  Recalde-Benitez, Oscar; Jiang, Tianshu; Winkler, Robert; Ruan, Yating; Zintler, Alexander; Adabifiroozjaei, Esmaeil; Arzumanov, Alexey; Hubbard, William A.; van Omme, Tijn; Pivak, Yevheniy; Perez-Garza, Hector H.; Regan, B. C.; Alff, Lambert; Komissinskiy, Philipp & Molina-Luna, Leopoldo
  
• “Optische Eigenschaften in hochleitfähigen Perowskiten“, Ph.D. Thesis, TU Darmstadt 2023
  M. Mohammadi Farshkhooni
  
• All-oxide thin-film varactors with SrMoO₃-bottom electrodes and Mn/Ni-doped BST for sub-6 GHz applications. Ceramics International, 50(21), 40756-40773.
  Matic, Stipo; Ruan, Yating; Sáez, Alejandro Jiménez; Liang, Zhili; Bondino, Federica; Napal, Ilargi; Magnano, Elena; Alff, Lambert; Komissinskiy, Philipp & Jakoby, Rolf
  
• Giant Critical Thickness in Highly Conducting Epitaxial SrMoO3 Electrodes Investigated by Lift‐Off Membranes. Advanced Functional Materials, 34(21).
  Ruan, Yating; Schreyer, Philipp; Jiang, Tianshu; Liang, Fei; Arzumanov, Alexey; Dürrschnabel, Michael; Molina‐Luna, Leopoldo; Komissinskiy, Philipp & Alff, Lambert
  
• Weld-free mounting of lamellae for electrical biasing operando TEM. Ultramicroscopy, 260, 113939.
  Recalde-Benitez, Oscar; Pivak, Yevheniy; Jiang, Tianshu; Winkler, Robert; Zintler, Alexander; Adabifiroozjaei, Esmaeil; Komissinskiy, Philipp; Alff, Lambert; Hubbard, William A.; Perez-Garza, H. Hugo & Molina-Luna, Leopoldo
  
• “Electromagnetic Modelling of Barium Strontium Titanate and Magnesium Borate Bulk Composite Varactors”, Ph.D. Thesis, TU Darmstadt 2024
  P. Agrawal