Ultra-tunable dielectric capacitors enhanced by coupling ferroelectric field effect and semiconductor field effect

电容器 材料科学 光电子学 电容 铁电性 电介质 半导体 铁电电容器 薄膜电容器 异质结 电气工程 电压 电极 化学 工程类 物理化学
作者
Feilong Mao,Jiashu Gui,Yongqi Hou,Siyuan Gao,Haohan Zeng,Weibiao Wang,Zhibin Xu,Yifan Zhu,Li Fan,Hui Zhang
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:125 (22) 被引量:5
标识
DOI:10.1063/5.0227237
摘要

Tunable ferroelectric film capacitors play an important role in tunable microwave devices and filter systems due to their high dielectric constant, low loss, and high dielectric tunability. However, there is a trade-off between low loss and high tunability, which limits further enhancement of dielectric performance. Here, we propose an ultra-tunable capacitor by designing a Ba0.7Sr0.3TiO3 (BST)–semiconductor heterostructure. In the tunable capacitor, the BST film is fabricated directly on p-type silicon substrates by magnetron sputtering, and a heterostructure layer is constructed. The coupling effects between the semiconductor depletion layer capacitance and the BST capacitance produce higher capacitance tunability than a traditional sandwich BST capacitor. Based on the coupling effects, a metal–ferroelectric–semiconductor–ferroelectric–metal capacitor is developed, which enables the capacitor to operate under both negative and positive biases, which has an n value (n=Cmax/Cmin) of 90 with 40 V bias voltage and a maximum Q of 1000. The results offer a potential approach to designing high-performance tunable capacitors on silicon with BST film that could build tunable filters for information processing in communication systems.
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