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KR100596391B1 - 강유전체/상유전체 다층 박막 및 그 제조 방법과 그를이용한 초고주파 가변 소자 - Google Patents

강유전체/상유전체 다층 박막 및 그 제조 방법과 그를이용한 초고주파 가변 소자 Download PDF

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KR100596391B1
KR100596391B1 KR1020040101087A KR20040101087A KR100596391B1 KR 100596391 B1 KR100596391 B1 KR 100596391B1 KR 1020040101087 A KR1020040101087 A KR 1020040101087A KR 20040101087 A KR20040101087 A KR 20040101087A KR 100596391 B1 KR100596391 B1 KR 100596391B1
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ultra
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곽민환
강광용
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Abstract

본 발명은 강유전체 박막의 유전 상수의 튜닝율 및 유전 손실의 한계성을 극복하기 위해 유전 상수의 큰 튜닝율과 작은 유전 손실을 갖는 새로운 강유전체/상유전체 다층 박막 및 그 제조 방법과, 상기 강유전체/상유전체 다층 박막을 구비하는 초고주파 가변 소자에 관하여 개시한다. 본 발명에 따른 강유전체/상유전체 다층 박막은 기판 상에 형성된 페로브스카이트 ABO3형 상유전체 종자층과, 상기 상유전체 종자층 위에 형성된 에피택셜 강유전체 (BaxSr1-x)TiO3 박막을 포함한다. 본 발명에 따른 초고주파 가변 소자는 초고속, 저전력, 저가격화가 가능한 우수한 마이크로파 특성을 갖는 초고주파 주파수/위상 가변 소자를 구현할 수 있다.
강유전체, BST, 종자층, 유전 상수, 유전 손실, 주파수, 위상, 가변 소자

Description

강유전체/상유전체 다층 박막 및 그 제조 방법과 그를 이용한 초고주파 가변 소자 {Ferroelectric/paraelectric multiple thin film, method for forming the same, and high frequency tunable device using the same}
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 강유전체/상유전체 다층 박막의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 강유전체/상유전체 다층 박막의 결정 구조를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 강유전체/상유전체 다층 박막의 θ-2θ X-선 회절 패턴을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 초고주파 가변 소자의 일 예인 전압조절 가변 축전기의 사시도이다.
도 5a 및 도 5b는 도 4의 전압조절 가변 축전기에 인가되는 전압을 변화시킴에 따라 나타나는 전기 용량 및 유전 손실의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 초고주파 가변 소자의 다른 예인 코플레너 도파로형 위상 변위기의 사시도이다.
도 7a, 도 7b 및 도 7c는 도 6의 코플레너 도파로형 위상 변위기의 주파수와 인가 DC 바이어스 전압에 따른 차등 위상 변위와 삽입손실 특성을 나타낸 그래프이 다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 기판, 20: 상유전체 종자층, 30: (BaxSr1-x)TiO3 박막, 200: 전압조절 가변 축전기, 210: 기판, 220: 강유전체/상유전체 다층 박막, 230, 240: 금속 전극, 300: 코플레너 도파로형 위상 변위기, 310: 기판, 320: 강유전체/상유전체 다층 박막, 330, 340, 350: 금속 전극.
본 발명은 강유전체/상유전체 다층 박막 및 그 제조 방법과 그를 이용한 초고주파 가변 소자에 관한 것으로, 특히 바륨-스트론튬-티타늄 박막으로 구성되는 강유전체/상유전체 다층 박막 및 그 제조 방법과 그를 이용한 초고주파 가변 소자에 관한 것이다.
최근 초고속, 대용량의 차세대 광대역 방송, 통신, 인터넷 융합 이동 무선 멀티미디어 시스템, 유비쿼터스(ubiquitous) 통신 및 센서 시스템 등 새로운 서비스가 가시화되고 있다. 이에 따라, 여러 주파수 대역에서 다양한 서비스를 제공하는 초고속, 저전력, 저가격의 무선 이동/위성 통신 및 센서 시스템용 핵심 신소재/부품 개발이 중요하게 부각되고 있다. 따라서, 기존의 반도체, MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems), 자성체, 포토닉스 소재로 구현된 소자 특성의 장단 점을 보완하고, 우수한 초고주파 특성을 구현할 수 있는 것으로 기대되는 강유전체 박막 소재 및 소자에 관한 기술 개발이 절실히 요구되고 있다.
강유전체 박막을 이용한 초고주파 주파수/위상 가변 소자는 초고속, 저전력, 소형, 경량, 저가격, 큰 주파수/위상 가변 특성, 광대역화, SoC (System on a Chip)화가 가능하다는 특징을 갖는다. 이러한 강유전체 박막을 사용한 초고주파 가변 소자 개발에서 가장 문제가 되는 것은 강유전체 박막의 초고주파 손실, 주파수/위상 가변율, 큰 작동 전압 등이다. 이러한 초고주파 강유전체 가변 소자의 특성을 향상시키기 위해 우수한 초고주파 유전 특성을 갖는 강유전체 에피택셜 박막 소재 개발과 이를 이용한 소자 개발에 대한 많은 연구가 시도되어 오고 있다. 우수한 특성을 갖는 초고주파 가변 소자 구현을 위해서는 외부 인가 전압에 따라 유전상수의 큰 튜닝율, 작은 유전 손실을 갖는 강유전체 에피택셜 박막 소재가 요구된다.
한편, 많은 강유전체 소재 중 바륨-스트론튬-티타늄 (Ba1-xSrxTiO3: 이하, BST라 함)은 큰 유전상수 튜닝율과 낮은 유전 손실 때문에 강유전체 초고주파 가변 소자를 구현하기 위한 유력한 박막 소재로 알려져 있으며, BST 박막의 유전상수의 큰 튜닝율, 작은 유전 손실 등의 유전 특성의 향상을 통한 소자 특성을 향상시키기 위한 많은 연구가 진행되어 왔다.
현재까지 큰 유전상수 튜닝율과 작은 유전 손실을 갖는 BST 박막을 얻기 위해 도핑, 높은 성장 온도, Ba/Sr 비의 결함의 보상, 두께 의존성 등에 대한 많은 연구가 시도되어 왔다. 그러나, BST 단결정의 유전 특성과 비교될 만한 특성을 갖 는 BST 박막을 얻는데 한계가 있어 왔다. 산화물 단결정 위에 성장된 강유전체 BST박막의 유전상수의 튜닝율과 유전 손실은 산소공핍(oxygen vacancies), 박막의 두께, 결정립의 크기, 도핑 원소, Ba/Sr 조성비, 박막 내의 스트레인/스트레스, 박막의 결정성, 그리고 온도, 산소 분압, 성장율 등과 같은 박막 성장 조건 등 많은 요인에 의해 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 특히 산화물 단결정 기판 위에 성장된 BST 박막은 기판과 BST 박막과의 큰 격자상수 부정합에 의해 낮은 온도에서 에피 박막 성장이 쉽지 않고, 이로 인한 박막 내부의 큰 스트레인/스트레스가 유전 상수의 튜닝율과 유전 손실을 저하시키는 주요 원인으로 알려져 있으며, 초고주파 신호의 전파 손실을 증가시키게 되어 효율적인 우수한 특성을 갖는 강유전체 초고주파 가변 소자 구현이 어려웠다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 유전 상수의 큰 튜닝율과 작은 유전 손실을 갖는 새로운 구조의 강유전체/상유전체 다층 박막을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 유전 특성을 극대화할 수 있는 강유전체 박막을 용이하고 저렴하게 제조할 수 있는 강유전체/상유전체 다층 박막의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 초고속화, 저전력화, 및 저가격화가 가능하고 우수한 마이크로파 특성을 갖는 강유전체 초고주파 가변 소자를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 강유전체/상유전체 다층 박막은 기판 상에 형성된 페로브스카이트 (perovskite) ABO3형 상유전체(paraelectrics) 종자층과, 상기 상유전체 종자층 위에 형성된 에피택셜 강유전체 (BaxSr1-x)TiO 3 박막을 포함한다.
바람직하게는, 상기 기판은 산화물 MgO 단결정 기판이다.
또한 바람직하게는, 상기 상유전체 종자층은 SrZrO3, BaZrO3, Ba(Zrx, Ti 1-x)O3 (x > 0.2), Ba(Hfx, Ti1-x)O3 (x > 0.24) 및 Ba(Snx, Ti1-x)O3 (x > 0.15)로 이루어지는 군에서 선택되는 물질로 구성된다.
특히 바람직하게는, 상기 (BaxSr1-x)TiO3 박막은 0 ≤ x ≤ 1의 조성을 가진다.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 강유전체/상유전체 다층 박막의 제조 방법에서는 기판상에 페로브스카이트 ABO3형 상유전체 종자층을 형성한다. 상기 상유전체 종자층 위에 강유전체 (BaxSr1-x)TiO3 박막을 에피택셜 성장시킨다.
상기 상유전체 종자층 및 상기 (BaxSr1-x)TiO3 박막은 각각 펄스 레이저 어블레이션 (pulsed laser ablation), RF 마그네트론 스퍼터링, 화학기상증착, 및 원자층 증착 방법 중에서 선택되는 하나의 방법에 의하여 성장된 에피택셜 박막으로 이루어질 수 있다.
상기 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 초고주파 가변 소자는 기판과, 상기 기판 상에 차례로 형성된 페로브스카이트 ABO3형 상유전체 종자층 및 에피택셜 강유전체 (BaxSr1-x)TiO3 박막으로 구성되는 강유전체/상유전체 다층 박막과, 상기 강유전체/상유전체 다층 박막 상에 형성된 적어도 하나의 전극을 포함한다.
상기 전극은 주파수 가변 소자 또는 위상 가변 소자의 전극을 구성할 수 있다.
예를 들면, 상기 초고주파 소자는 전압조절 가변 축전기, 가변 공진기, 가변 필터, 위상변위기, 전압제어 발진기, 듀플렉서 및 가변 분배기로 이루어지는 군에서 선택되는 하나의 소자를 구성할 수 있다.
본 발명에 따른 강유전체/상유전체 다층 박막은 외부 인가 전압에 의해 큰 유전 상수의 튜닝율과 작은 유전 손실을 가지며, 초고주파 가변 소자의 초고주파 응답 특성을 더욱 향상시킬 수 있다. 본 발명에 따른 초고주파 가변 소자는 초고속, 대용량의 차세대 광대역 방송, 통신, 인터넷 융합 이동 무선 멀티미디어 서비스를 가능하게 하는 통신 및 센서 시스템에 활용될 수 있다.
다음에, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명에서는 초고주파 가변 소자에 적용하기 적합한 강유전체/상유전체 다층 박막을 제공한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 강유전체/상유전체 다층 박막의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 강유전체 박막은 기판(10) 상에 소정 두께로 형성된 페로브스카이트 (perovskite) ABO3형 상유전체 종자층(20)과. 상기 상유전체 종자층(20) 위에 형성된 에피택셜 강유전체 (ferroelectrics) (BaxSr1-x)TiO 3 박막(30)을 포함한다.
바람직하게는, 상기 기판(10)은 산화물 MgO 단결정 기판으로 구성될 수 있다.
상기 상유전체 종자층(20)은 예를 들면 SrZrO3, BaZrO3, Ba(Zrx, Ti 1-x)O3 (x > 0.2), Ba(Hfx, Ti1-x)O3 (x > 0.24) 및 Ba(Snx, Ti 1-x)O3 (x > 0.15)로 이루어지는 군에서 선택되는 물질로 구성될 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 (BaxSr1-x)TiO3 박막(30)은 0 ≤ x ≤ 1의 조성을 가진다.
상기 상유전체 종자층(20)은 수 Å ∼ 수 백 Å의 두께로 형성될 수 있으며, 상기 (BaxSr1-x)TiO3 박막(30)은 약 0.1 ∼ 1㎛의 두께로 형성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 강유전체/상유전체 다층 박막의 결정 구조를 도시한 것이다.
도 2에는 산화물 MgO 단결정 기판 위에 ABO3형 상유전체 종자층 및 (BaxSr1- x)TiO3 박막이 차례로 형성되어 있는 적층 구조의 결정 구조가 도시되어 있다.
본 발명에 따른 강유전체/상유전체 다층 박막의 주요 특징 중 하나는 기판(10) 위에 성장된 (BaxSr1-x)TiO3 박막(30)의 유전 특성을 저하시키는 주요 원인인 기판과 (BaxSr1-x)TiO3 박막(30)과의 격자 상수 부정합을 줄이는 동시에, 상기 격자 상수 부정합에 의해 발생되는 (BaxSr1-x)TiO3 박막내의 스트레인/스트레스(strain/stress)를 줄임으로써 (BaxSr1-x)TiO3 박막(30)의 유전 특성을 향상시킨다는 것이다.
이를 위한 구체적인 방법으로서, 상기 기판(10) 위에는 상기 기판(10)과 격자상수 부정합이 적은 얇은 페로브스카이트 ABO3형 상유전체 종자층(20)을 형성하고, 상기 상유전체 종자층(20) 위에는 (BaxSr1-x)TiO3 박막(30)을 에피택셜 성장시킨다. 이로써, 상기 (BaxSr1-x)TiO3 박막(30)의 결정성을 향상시킴과 동시에 유전 특성을 향상시킬 수 있다.
상기 기판(10)은 초고주파 소자용에 적합한 산화물 MgO(100) 단결정 기판을 사용한다. MgO(100) 기판은 입방체 NaCl 구조를 가지고 있다. MgO의 격자 상수는 4.213Å이다. 페로브스카이트 ABO3형 상유전체 종자층(20)은 기판(10)의 격자 상수와 (BaxSr1-x)TiO3 박막(30)의 격자 상수의 중간인 격자 상수를 가진다.
표 1은 기판(10), 페로브스카이트 ABO3형 상유전체 종자층(20) 및 (BaxSr1- x)TiO3 박막(30) 각각의 격자 상수와 이들 사이의 격자 상수 부정합을 나타낸 것이다.
Figure 112004057056573-pat00001
표 1에서, 기판(10)과 (BaxSr1-x)TiO3 박막(30)은 -7.3 ∼ -5.2%의 큰 격자 상수 부정합을 가진다. 띠라서, 상기 기판(10) 위에서는 (BaxSr1-x)TiO3 박막(30)의 에피택셜 성장이 어렵다.
그러나, 본 발명에 따른 강유전체/상유전체 다층 박막은 기판(10)과 (BaxSr1-x)TiO3 박막(30)과의 사이에 이들 격자 상수의 중간 격자 상수를 갖는 페로브스카이트 ABO3형 상유전체 종자층(20)이 개재되어 있다. 따라서, 기판(10)과 (BaxSr 1-x)TiO3 박막(30) 사이의 격자 상수 부정합을 줄일 수 있으며, 에피택셜 성장이 용이하다.
본 발명에 따른 강유전체/상유전체 다층 박막에 있어서, 페로브스카이트 ABO3형 상유전체 종자층(20)은 수 Å 내지 수 백 Å의 두께를 가지는 것이 바람직하다. 상기 상유전체 종자층(20)의 두께가 상기 범위보다 더 두꺼우면 상기 상유전체 종자층(20)에서 유전 특성의 효과가 나타나게 되어 소자의 초고주파 특성을 저하시킬 수 있고, 이보다 더 얇으면 종자층 역할을 못하게 되어 (BaxSr1-x)TiO3 박막(30)의 에피택셜 성장이 어렵게 될 수 있다. 페로브스카이트 ABO3형 상유전체 종자층(20) 위에 형성되는 (BaxSr1-x)TiO3 박막(30)은 약 0.1 ∼ 1㎛의 두께를 가지는 것이 바람직하다.
상기 (BaxSr1-x)TiO3 박막(30)은 0 ≤ x ≤ 1의 조성을 가지는 것이 적절하며, 도 2에 나타낸 바와 같이 a-축의 격자 상수는 x 값에 따라 3.905 ∼ 3.992Å의 값을 가진다.
산화물 MgO(001) 단결정 기판으로 구성되는 상기 기판(10) 위에 페로브스카이트 ABO3형 상유전체 종자층(20) 및 (BaxSr1-x)TiO3 박막(30)을 성장시키는 방법은 특별히 한정되지 않으며, 다양한 방법으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 상유전체 종자층(20) 및 (BaxSr1-x)TiO3 박막(30)은 각각 펄스 레이저 어블레이션 (pulsed laser ablation), RF 마그네트론 스퍼터링, 화학기상증착, 및 원자층 증착 방법 중에서 선택되는 하나의 방법에 의하여 에피택셜 성장될 수 있다.
도 3은 펄스 레이저 어블레이션 방법으로 산화물 MgO(001) 단결정 기판상에 페로브스카이트 ABO3형 상유전체 종자층을 형성시킨 후 그 위에 성장된 강유전체 (BaxSr1-x)TiO3 박막 (이하, "BST 박막"이라 함)의 θ-2θ X-선 회절 패턴을 나타낸 그래프이다.
도 3의 평가를 위하여, 얇은 페로브스카이트 ABO3형 상유전체 종자층과 BST 박막은 각각 온도 750℃, 산소 압력(oxygen pressure) 200 mTorr의 성장 조건하에서 형성되었다. 도 3을 참조하면, BST 박막은 (001) 및 (002) X-선 회절 피크만 존재하고, 에피택셜 박막이 형성되었음을 알 수 있다.
한편, 우수한 초고주파 특성을 갖는 강유전체 초고주파 가변 소자를 구현하기 위해서는 유전 상수의 큰 튜닝율, 작은 유전 손실을 갖는 강유전체 박막이 요구된다.
이하에서는 첨부 도면을 참조하여 상술한 본 발명에 따른 강유전체/상유전체 다층 박막을 초고주파 가변 소자에 적용한 예를 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 강유전체/상유전체 다층 박막을 적용할 수 있는 초고주파 가변 소자는 주파수 또는 위상 가변 소자로서, 외부 인가 전압에 따라 유전 상수가 변화하는 물리적 특성을 이용한 기존의 기계적, 전기적 가변 소자에 비해 우수한 특성을 제공한다.
본 발명에 따른 강유전체/상유전체 다층 박막을 적용하는 데 적합한 초고주파 가변 소자의 예로는 전압조절 가변 축전기, 위상 변위기, 가변 공진기, 가변 필터, 전압 제어 가변 발진기, 듀플렉서, 가변 분배기 등이 있다. 이하에서는 이 중 에서, 유전 특성이 향상된 BST/ABO3형 상유전체 종자층/MgO 시편 위에 전극 물질을 소자의 특성에 맞게 구현한 전압조절 가변 축전기 및 코플레너 도파로형 위상 변위기의 경우를 예를 들어 설명한다.
도 4는 에피택셜 BST/ABO3형 상유전체 종자층/MgO 시편을 사용하여 구현한 초고주파 가변 소자의 일 예인 전압조절 가변 축전기(200)의 사시도이다.
도 4를 참조하면, 전압조절 가변 축전기(200)는 MgO로 구성된 기판(210) 상에 페로브스카이트 ABO3형 상유전체 종자층 및 BST가 차례로 적층되어 구성된 본 발명에 따른 강유전체/상유전체 다층 박막(220)이 형성되어 있다. 상기 강유전체/상유전체 다층 박막(220) 위에는 금속 전극(230, 240)이 형성되어 있다. 이와 같이 구성된 전압조절 가변 축전기(200)는 민, 군수용 응용을 위한 마이크로파 및 밀리미터파 대역의 가변 필터, 가변 축전기, 공진기, 위상변위기 회로 등에 사용될 수 있다.
도 4에 예시된 소자를 제조하는 공정은 일반적인 사진 공정을 통해 쉽게 제작 가능하다. 예를 들면, 펄스 레이저 어블레이션 방법으로 산화물 MgO(001) 단결정 기판상에 페로브스카이트 ABO3형 상유전체 종자층을 형성시킨 후 BST 박막을 형성한다. 그리고, 상기 BST 박막 위에 금속 전극을 형성한다. 상기 금속 전극은 Au, Ag, Al, Cu 등 다양한 종류의 금속으로부터 선택되는 단일층의 금속막으로 구성될 수 있다. 또는, 상기 금속 전극을 형성하기 위하여, 먼저 상기 BST 박막 위에 Cr 또는 Ti로 구성되는 얇은 접착층(adhesion layer)을 먼저 증착하고, 그 위에 Au, Ag, Cu 등 다양한 종류의 재료로부터 선택되는 금속을 마이크로파 표면 침투 깊이(skin depth)의 약 3배 두께로 형성하여, Au/Cr, Au/Ti, Ag/Cr, Ag/Ti, Al/Cr, Al/Ti 등과 같은 다층 금속막을 형성할 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 도 4의 전압조절 가변 축전기에 인가되는 전압을 변화시킴에 따라 나타나는 전기 용량 및 유전 손실의 변화를 나타낸 그래프이다. 전압조절 가변 축전기의 상부 양단 전극(230, 240)에 DC 바이어스 전압을 인가하면, BST 박막의 유전 상수 및 유전 손실이 변하고, 이로 인해 가변 축전기의 전기 용량이 변화하게 된다. 따라서, 가변 축전기로 가변 필터 또는 위상 변위기 소자를 구현하는 경우 주파수/위상이 변하게 된다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, DC 바이어스 전압을 0 ∼ 40V까지 변화시키면서 인가하였을 때, 전기 용량 (또는, 유전 상수)의 튜닝율 [{C(0V)-C(40V)}/C(0V)]은 64% 이상을 얻었고, 유전 손실은 0.02 ∼ 0.047의 값을 얻었다. 이러한 향상된 유전 특성을 보이는 것은, MgO 기판상에 얇은 페로브스카이트 ABO3형 상유전체 종자층을 먼저 형성한 후, 그 위에 BST 박막을 형성함으로써 BST 박막의 결정성을 향상시키고, 또한 기판과 BST 박막의 격자상수 부정합에 의해 발생되는 BST 박막내의 스트레인/스트레스 효과가 감소한 것에 기인하는 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 초고주파 가변 소자의 다른 예인 코플레너 도파로형(coplanar waveguige type) 위상 변위기(300)의 사시도이다. 도 6에 예시된 코플레너 도파로형 위상변위기(300)는 기판(310) 상에 페로브스카이트 ABO3형 상유전체 종 자층 및 BST가 차례로 적층되어 구성된 본 발명에 따른 강유전체/상유전체 에피택셜 박막(320)이 형성되어 있다. 상기 강유전체/상유전체 에피택셜 박막(320) 위에는 복수의 금속 전극(330, 340, 350)이 형성되어 있다.
상기 코플레너 도파로형 위상변위기(300)는 위상배열 안테나의 각 복사 소자에 연결되어 전자빔의 스위칭 및 조향(scanning/steering)을 가능게 해 주는 핵심 소자로서 사용될 수 있으며, 초고속, 저전력, 저가격, 소형, 및 고성능 전자 스캔이 가능하여 위상배열 안테나의 크기, 무게, 및 가격을 줄일 수 있고, 안테나의 기계적/물리적 회전이 필요 없이 미세 제어기와 전압 증폭기만을 사용하여 안테나 빔의 위상을 조절할 수 있어 초고속 강유전체 전자 스캔 위상배열 안테나 구현이 가능하다. 또한, 상기 코플레너 도파로형 위상변위기(300)는 민, 군수용 응용을 위한 마이크로파 및 밀리미터파 대역의 위상 배열 안테나의 핵심 부품으로 사용될 수 있다.
강유전체 위상 변위기 구조는 상기 예시된 것에 국한되지 않으며, 부하선로(loaded line)형 위상 변위기, 결합 마이크로스트립라인(coupled microstripline) 형 위상 변위기, 반사형 위상 변위기 구조 등에도 마찬가지로 적용될 수 있다.
도 7a, 도 7b 및 도 7c는 도 6의 코플레너 도파로형 위상변위기(300)의 주파수와 DC 바이어스 전압에 따른 차등 위상 변위와 삽입 손실 특성을 나타낸 그래프이다.
도 7a, 도 7b 및 도 7c에서, 차등 위상 변위는 0V 및 40V가 각각 가해졌을 때의 위상의 차이를 나타내며, 이는 BST 박막의 유전 상수 튜닝율과 관계된다. 유 전상수의 튜닝율이 크면 차등 위상 변위도 크게 된다. 실제로 위상 배열 안테나와 같은 시스템에 이용될 때 응용 시스템에 따라 다르지만 일반적으로 360도 정도의 큰 값이 요구된다. 에피택셜 BST/페로브스카이트 ABO3형 상유전체 종자층/MgO 시편을 사용하여 제작한 본 발명에 따른 소자는 40V의 인가 DC 바이어스 전압 하에서 10GHz에서 차등 위상 변위는 51도, 삽입 손실은 -5.1 ∼ -2.3dB 값을 얻었다. 이러한 우수한 위상 변위 특성을 보이는 것은 BST 박막을 페로브스카이트 ABO3 박막으로 구성되는 상유전체 종자층 위에 형성함으로써 BST 박막의 결정성이 향상되고, BST 박막내의 스트레인/스트레스가 감소되어 유전 상수의 튜닝율이 향상된 것에 기인하는 것이라고 할 수 있다.
본 발명을 바람직한 실시예를 들어 구체적으로 설명하였으나, 상기 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이며, 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 예를 들면, 전술한 실시예에서는 전압조절 가변 축전기 및 코플레너 도파로형 위상 변위기를 예로 들어 설명하였으나, 본 발명은 특정 소자 구조에 제한이 없이 강유전체 박막을 이용한 마이크로파 및 밀리미터파 대역의 주파수/위상 가변 소자에 적용될 수 있음은 당연하다.
본 발명에 따른 강유전체/상유전체 다층 박막은 초고주파 가변 소자에 적용하기 적합하다. 본 발명에 따른 강유전체/상유전체 다층 박막은 외부 인가 전압에 의해 큰 유전 상수의 튜닝율과 작은 유전 손실을 가지며, 초고주파 가변 소자의 초고 주파 응답 특성을 더욱 향상시킬 수 있다. 본 발명에 따른 강유전체/상유전체 다층 박막이 채용된 본 발명에 따른 초고주파 가변 소자는 초고속, 대용량의 차세대 광대역 방송, 통신, 인터넷 융합 이동 무선 멀티미디어 서비스를 가능케하는 통신 및 센서 시스템에 활용함으로써 초고속, 저전력, 저가격, 고감도의 무선 통신 품질을 보장한다. 특히, 에피택셜 성장된 강유전체 박막을 이용한 초고속, 저전력, 저가격의 전압조절 가변 축전기와 가변 필터, 위상변위기는 마이크로파 및 밀리미터파 대역의 민, 군수용의 무선통신 시스템에 광범위하게 사용될 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.

Claims (11)

  1. 제1 격자 상수를 가지는 물질로 이루어지는 기판상에 형성되어 있고 상기 제1 격자 상수보다 작은 제2 격자 상수를 가지는 물질로 이루어진 에피택셜 강유전체 (ferroelectrics) (BaxSr1-x)TiO3 박막과,
    상기 기판과 상기 에피택셜 강유전체 (BaxSr1-x)TiO3 박막과의 사이에 개재되어 있고, 상기 제1 격자 상수보다 작고 상기 제2 격자 상수보다 큰 제3 격자 상수를 가지는 물질로 이루어지는 페로브스카이트 (perovskite) ABO3형 상유전체(paraelectrics) 종자층을 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전체/상유전체 다층 박막.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상유전체 종자층은 SrZrO3, BaZrO3, Ba(Zrx, Ti1-x)O 3 (x > 0.2), Ba(Hfx, Ti1-x)O3 (x > 0.24) 및 Ba(Snx, Ti1-x)O3 (x > 0.15)로 이루어지는 군에서 선택되는 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 강유전체/상유전체 다층 박막.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (BaxSr1-x)TiO3 박막은 0 ≤ x ≤ 1의 조성을 가지는 것을 특징으로 하는 강유전체/상유전체 다층 박막.
  4. 기판상에 페로브스카이트 ABO3형 상유전체 종자층을 형성하는 단계와,
    상기 상유전체 종자층 위에 강유전체 (BaxSr1-x)TiO3 박막을 에피택셜 성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전체/상유전체 다층 박막의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 상유전체 종자층은 펄스 레이저 어블레이션 (pulsed laser ablation), RF 마그네트론 스퍼터링, 화학기상증착, 및 원자층 증착 방법 중에서 선택되는 하나의 방법에 의하여 에피택셜 성장된 박막인 것을 특징으로 하는 강유전체/상유전체 다층 박막의 제조 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 (BaxSr1-x)TiO3 박막은 펄스 레이저 어블레이션, RF 마그네트론 스퍼터링, 화학기상증착, 및 원자층 증착 방법 중에서 선택되는 하나의 방법에 의하여 에피택셜 성장된 박막인 것을 특징으로 하는 강유전체/상유전체 다층 박막의 제조 방법.
  7. 제1 격자 상수를 가지는 기판과,
    상기 기판상에 형성되어 있고 상기 제1 격자 상수보다 작은 제2 격자 상수를 가지는 물질로 이루어진 에피택셜 강유전체 (ferroelectrics) (BaxSr1-x)TiO3 박막과, 상기 기판과 상기 에피택셜 강유전체 (BaxSr1-x)TiO3 박막과의 사이에 개재되어 있고, 상기 제1 격자 상수보다 작고 상기 제2 격자 상수보다 큰 제3 격자 상수를 가지는 물질로 이루어지는 페로브스카이트 (perovskite) ABO3형 상유전체(paraelectrics) 종자층으로 구성되는 강유전체/상유전체 다층 박막과,
    상기 강유전체 (BaxSr1-x)TiO3 박막 상에 형성된 적어도 하나의 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 초고주파 가변 소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 기판은 MgO 기판인 것을 특징으로 하는 초고주파 가변 소자.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 전극은 주파수 가변 소자 또는 위상 가변 소자의 전극을 구성하는 것을 특징으로 하는 초고주파 가변 소자.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 전극은 Au, Ag, Al, Cu, Cr 및 Ti로 이루어지는 군에서 선택되는 단일층 금속막 또는 다층 금속막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초고주파 가변 소자.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 초고주파 소자는 전압조절 가변 축전기, 가변 공진기, 가변 필터, 위상변위기, 전압제어 발진기, 듀플렉서 및 가변 분배기로 이루어지는 군에서 선택되는 하나의 소자를 구성하는 것을 특징으로 하는 초고주파 가변 소자.
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