DE102008013513B4 - Dielectric component with high relative permittivity, its use and crystalline substrate with integrated circuits - Google Patents

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Abstract

Bauteil mit zumindest einer dielektrischen Lanthan-Strontium-Nickeloxid-Komponente (LSNO-Komponente), wobei
das Bauteil ein aktives oder passives Halbleiterbauteil oder ein kapazitives Bauteil ist;
wobei die zumindest eine LSNO-Komponente die Zusammensetzung La2-xSrxNiO4 aufweist, und
wobei 0 < x ≤ 0,5 und oberhalb von 10 MHz die relative Permittivität von εr ≥ 8.000 ist.Component having at least one dielectric lanthanum-strontium-nickel oxide component (LSNO component), wherein
the device is an active or passive semiconductor device or a capacitive device;
wherein the at least one LSNO component has the composition La 2-x Sr x NiO 4 , and
where 0 <x ≤ 0.5 and above 10 MHz, the relative permittivity of ε r ≥ 8,000.

Figure DE102008013513B4_0001
Figure DE102008013513B4_0001

Description

Die Erfindung betrifft eine Lanthan-Strontium-Nickeloxid-(LSNO-)Komponente, insbesondere eine LSNO-Schicht oder ein LSNO-Plättchen, mit dielektrischen Eigenschaften. Weiterhin betrifft die Erfindung Bauteile mit LSNO-Komponenten und deren Verwendung.The invention relates to a lanthanum-strontium-nickel oxide (LSNO) component, in particular an LSNO layer or an LSNO plate, with dielectric properties. Furthermore, the invention relates to components with LSNO components and their use.

Gemäß dem Mooreschen Gesetz, welches mittlerweile als „Roadmap” für die Halbleiterindustrie gilt, wird versucht, die Leistungsfähigkeit integrierter Schaltungen zu steigern. Dementsprechend werden weltweit neben Lösungen für die weitere Verkleinerung integrierter Schaltungen auch Materialien mit größeren relativen Permittivitäten intensiv erforscht, da die elektrische Permittivität der derzeit gebräuchlichen Siliziumverbindungen nur im Bereich von εr ≈ 4 – 8 liegt. Interessant sind solche Materialien einerseits für die Energiespeicherung und andererseits für elektronische Schaltungen.According to Moore's Law, which is now considered a "roadmap" for the semiconductor industry, an attempt is being made to increase the performance of integrated circuits. Accordingly, in addition to solutions for further miniaturization of integrated circuits, materials with relatively high relative permittivities are intensively researched worldwide, since the electrical permittivity of the currently used silicon compounds lies only in the range of ε r ≈ 4-8. Interesting are such materials on the one hand for energy storage and on the other hand for electronic circuits.

Die Verwendung dielektrischer Materialien zur Erhöhung der Kapazität eines Kondensators ist bekannt und weit verbreitet. Die bisher eingesetzten Materialien können näherungsweise in drei Kategorien eingeteilt werden. Die erste Kategorie beinhaltet Materialien, deren dielektrische Eigenschaften relativ unabhängig von Temperatur und Frequenz sind. Allerdings ist die relative Permittivität dieser Materialien eher gering (εr ≈ 5,5 – 25). Ein prominenter Vertreter dieser Gruppe ist HfO2 (εr ≈ 25), welches in Zukunft als high-k Gateoxid in integrierten Schaltungen implementiert werden soll. Der zweiten Kategorie gehören ferroelektrische Materialien an (z. B. BaTiO3), deren relative Permittivität zwar sehr groß ist (εr ≈ 103 – 104) aber eine ausgesprochene Temperaturabhängigkeit aufweist. Der letzten Kategorie gehören neuartige Materialien an, die einerseits extrem große relative Permittivitäten (εr ≈ 104 – 106) aufweisen, welche aber auch in einem großen Temperatur- und Frequenzbereich konstant sind. Ein bedeutender Vertreter dieser Gruppe ist CaCu3Ti4O12 (CCTO), welches seit 2001 im Fokus wissenschaftlichen Interesses steht und an dessen Anwendung mit Nachdruck geforscht wird – C. C. Homes, T. Vogt, S. M. Shapiro, S. Wakimoto, und A. P. Ramirez, Science 293, 673 (2001); S. Krohns, P. Lunkenheimer, S. G. Ebbinghaus, und A. Loidl, Appl. Phys. Lett. 91, 022910 (2007); Ch. Kant, T. Rudolf, F. Mayr, S. Krohns, P. Lunkenheimer, S. G. Ebbinghaus, und A. Loidl, Phys. Rev. B 77, 045131 (2008); oder P. Lunkenheimer, R. Fichtl, S. G. Ebbinghaus und A. Loidl, Phys. Rev. B 70, 172102 (2004). Ein Problem hierbei ist der Einbruch der relativen Permittivität auf wesentlich kleinere Werte bei Frequenzen im MHz–GHz Bereich – vgl. die entsprechenden Werte in 1 für CCTO.The use of dielectric materials to increase the capacitance of a capacitor is known and widely used. The materials used so far can be roughly divided into three categories. The first category includes materials whose dielectric properties are relatively independent of temperature and frequency. However, the relative permittivity of these materials is rather low (ε r ≈ 5.5-25). A prominent member of this group is HfO 2 (ε r ≈ 25), which will be implemented in the future as a high-k gate oxide in integrated circuits. The second category includes ferroelectric materials (eg BaTiO 3 ), whose relative permittivity is very high (ε r ≈ 10 3 - 10 4 ) but has pronounced temperature dependence. The last category includes novel materials that on the one hand have extremely high relative permittivities (ε r ≈ 10 4 - 10 6 ), but which are also constant over a wide temperature and frequency range. An important representative of this group is CaCu 3 Ti 4 O 12 (CCTO), which has been the focus of scientific interest since 2001 and whose application is being vigorously investigated - CC Homes, T. Vogt, SM Shapiro, S. Wakimoto, and AP Ramirez , Science 293, 673 (2001); S. Krohns, P. Lunkenheimer, SG Ebbinghaus, and A. Loidl, Appl. Phys. Lett. 91, 022910 (2007); Kant, T. Rudolf, F. Mayr, S. Krohns, P. Lunkenheimer, SG Ebbinghaus, and A. Loidl, Phys. Rev. B 77, 045131 (2008); or P. Lunkenheimer, R. Fichtl, SG Ebbinghaus and A. Loidl, Phys. Rev. B 70, 172102 (2004). One problem here is the decline in relative permittivity to much smaller values at frequencies in the MHz-GHz range - cf. the corresponding values in 1 for CCTO.

Von T. Park wurden 2005 in Phys. Rev. Lett. (PRL 94, 017002 (2005)) Messungen bis 500 kHz an LSNO (La2-xSrxNiO4) mit Sr-Dotierungen von x = 1/3 publiziert. Dabei wurde auch auf eine außergewöhnlich hohe relative Permittivität hingewiesen und mögliche Ursachen für diesen Effekt diskutiert.T. Park was in 2005 in Phys. Rev. Lett. (PRL 94, 017002 (2005)) published measurements up to 500 kHz on LSNO (La 2-x Sr x NiO 4 ) with Sr dopants of x = 1/3. It also pointed to an exceptionally high relative permittivity and discussed possible causes for this effect.

M. Kato u. a.: Two-dimensional antiferromagnetic correlation with spin 1/2 in magnetic susceptibility of (La, Sr)2NiO4, in: Physica C, Vol. 176 (1991) S. 533–540, offenbart ein LSNO-Material mit einem x-Wert im Bereich von 0 bis 0,325.M. Kato et al .: Two-dimensional antiferromagnetic correlation with spin 1/2 in magnetic susceptibility of (La, Sr) 2 NiO 4 , in: Physica C, Vol. 176 (1991) pp. 533-540, discloses an LSNO material with an x value in the range of 0 to 0.325.

R. J. Mcqueeney u. a.: Phonon densities of states of La2-xSrxNiO4: Evidence for strong electron-lattice-coupling. (abstract) CAPLUS (online). Accession No. 1999: 418431, offenbart ein LSNO-Material mit einem x-Wert von 1/8.RJ Mcqueeney et al .: Phonon densities of states of La 2-x Sr x NiO 4 : Evidence for strong electron-lattice coupling. (abstract) CAPLUS (online). Accession No. 1999: 418431, discloses an LSNO material with an x value of 1/8.

US 2007/0 180 689 A1 sowie US 2007/0 228 285 A1 offenbaren mit LSNO-Material beschichtete Substrate. US 2007/0 180 689 A1 such as US 2007/0 228 285 A1 disclose substrates coated with LSNO material.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Bauteil, eine Verwendungen eines Bauteils und ein kristallines Substrat mit einem dielektrischen Material hoher relativer Permittivität bereitzustellen.It is an object of the invention to provide a device, a use of a device and a crystalline substrate with a dielectric material of high relative permittivity.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1, 2 bzw. 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved with the features of claim 1, 2 and 11, respectively. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Wie beispielhaft oben für einige Dielektrika angegeben, sind bei den bekannten und in der Halbleiterfertigung verwendeten Dielektrika die relativen Permittivitäten über den gesamten Frequenzbereich (1 Hz bis 1 GHz) generell sehr gering (εr < 1.000). Darüber hinaus ist bei allen bekannten Dielektrika ein starker Rückgang der relativen Permittivität mit zunehmender Frequenz vorhanden, insbesondere bei Frequenzen über 1 MHz wie typisch in 1 für CCTO dargestellt.As exemplified above for some dielectrics, in the known dielectrics used in semiconductor fabrication, the relative permittivities over the entire frequency range (1 Hz to 1 GHz) are generally very low (ε r <1,000). Moreover, in all known dielectrics, there is a large decrease in relative permittivity with increasing frequency, especially at frequencies above 1 MHz, as is typical in US Pat 1 shown for CCTO.

Es wurde überraschend gefunden, dass La2-xSrxNiO4 (Lanthan-Strontium-Nickeloxid – im Folgenden als LSNO bezeichnet) bei Werten für x im Bereich von 0 < x ≤ 0,5 über einen breiten Frequenzbereich riesige relative Permittivitäten aufweist. Im Gegensatz zu allen bekannten Dielektrika und damit entgegen der bisherigen Lehrmeinung ergeben sich selbst bei Frequenzen oberhalb von 10 MHz, insbesondere bis zum Gigahertzbereich (bei Raumtemperatur), relative Permittivitäten εr von mehr als 8.000. Damit ist LSNO für Anwendungen in der modernen Elektronik bei Höchstfrequenzanwendungen prädestiniert. Aufgrund der außergewöhnlichen relativen Permittivität, welche bei Gigahertz und Raumtemperatur Werte > 104 erreicht, ist dieses Material für Anwendungen in Dioden, Kondensatoren und integrierten Schaltungen besonders geeignet. Aber auch bei Niederfrequenzanwendungen, insbesondere bei statischen Energiespeichern oder bei niederfrequenten Konverter- oder Gleichrichteranwendungen, ist LSNO bei Werten von x in einem Bereich von 0 < x ≤ 0,3 als Alternative zu beispielsweise CCTO aufgrund der extrem hohen relativen Permittivität von εr ≥ 25.000 besonders geeignet.It has surprisingly been found that La2-xSrxNiO4 (lanthanum-strontium-nickel oxide - hereinafter referred to as LSNO) has huge relative permittivities over a wide frequency range over a wide frequency range for values in the range of x <x≤0.5. In contrast to all known dielectrics and thus contrary to the previous doctrine, even at frequencies above 10 MHz, in particular up to the gigahertz range (at room temperature), relative permittivities εr of more than 8,000 result. Thus, LSNO is predestined for applications in modern electronics in ultra-high frequency applications. Due to the exceptional relative permittivity, which reaches values> 10 4 at gigahertz and room temperature, this material is particularly suitable for applications in diodes, capacitors and integrated circuits. But also in low frequency applications, especially in static energy storage or at For low frequency converter or rectifier applications, LSNO is particularly suitable at values of x in a range of 0 <x ≤ 0.3 as an alternative to, for example, CCTO due to the extremely high relative permittivity of ε r ≥ 25,000.

Besonders im Bereich von x unterhalb von 0,3 konnte ein signifikanter Anstieg der relativen Permittivität und eine Ausdehnung der hohen Werte über den MHz-Bereich hinaus (> 10 MHz) erzielt werden. Markant steigt εr um x ≈ 0,125 an (0,05 ≤ x ≤ 0,2) was schon deswegen nicht erwartet werden konnte, da sich La2NiO4 (x = 0) nicht als Dielektrikum mit großer bzw. außergewöhnlicher diel. Permittivität auszeichnet. Auch bei sauerstoffdotiertem LNO (La2NiO4+Δ mit Δ > 0) konnte keine signifikante relative Permittivität εr festgestellt werden, die solche Werte bei La2-xSrxNiO4 (x ≈ 0,125) hätte erwarten lassen.Particularly in the range of x below 0.3, a significant increase in the relative permittivity and an expansion of the high values beyond the MHz range (> 10 MHz) could be achieved. Significantly, ε r increases by x ≈ 0.125 (0.05 ≤ x ≤ 0.2), which could not have been expected because La 2 NiO 4 (x = 0) is not a dielectric with a large or exceptional diel. Permittivity distinguishes. Even with oxygen-doped LNO (La 2 NiO 4 + Δ with Δ> 0), no significant relative permittivity ε r could be expected which would have led to such values at La 2-x Sr x NiO 4 (x ≈ 0.125).

Die in den Unteransprüchen angegebenen vorteilhaften Ausgestaltungen beziehen sich vorzugsweise auf Werte von εr bei Raumtemperatur (300°K).The advantageous embodiments specified in the subclaims preferably relate to values of ε r at room temperature (300 ° K).

Vorteilhaft wird ein LSNO-Kristall (poly- oder einkristallin) aus La2-xSrxNiO4 entweder flächig ausgebildet oder aus einem Kristallblock in Form von dünnen Substraten ausgesägt. Auf diesem Substrat lassen sich Halbleiterelemente beispielsweise in Dünnschichttechnik ausbilden, wie sie etwa aus der Halbleiterfertigung unter Verwendung von Silizium-Wafern entsprechend bekannt ist. Auf dem LSNO-Substrat lassen sich (poly-)kristalline Schichten epitaktisch abscheiden, beispielsweise Si-Schichten aus Silan-Prekursoren. Durch die Übereinstimmung in der Kristallgitterstruktur wachsen auf dem LSNO-Substrat hochwertige kristalline Schichten auf. Alternativ wird ein solches LSNO-Substrat als kleine, dünne Plättchen oder Folie vorgesehen, die bei der Herstellung von Kondensatoren oder Akkumulatoren verwendbar sind. Bezüglich der Ausgestaltung des LSNO-Substrats gelten die Ausgestaltungen für die LSNO-Komponente entsprechend.Advantageously, an LSNO crystal (polycrystalline or monocrystalline) of La 2-x Sr x NiO 4 is either formed flat or sawed out of a crystal block in the form of thin substrates. On this substrate, semiconductor elements can be formed, for example, in thin-film technology, as it is known from semiconductor manufacturing using silicon wafers accordingly. On the LSNO substrate, (poly) crystalline layers can be epitaxially deposited, for example Si layers of silane precursors. Due to the agreement in the crystal lattice structure, high-quality crystalline layers grow on the LSNO substrate. Alternatively, such an LSNO substrate is provided as small, thin platelets or foil which are useful in the manufacture of capacitors or accumulators. With respect to the design of the LSNO substrate, the embodiments for the LSNO component apply accordingly.

Das Bauteil weist vorteilhaft zumindest eine LSNO-Schicht als die zumindest eine dielektrische Lanthan-Strontium-Nickeloxid-Komponente (LSNO-Komponente) auf.The component advantageously has at least one LSNO layer as the at least one dielectric lanthanum-strontium-nickel oxide component (LSNO component).

Beispiele für ein aktives oder passives Halbleiterbauteil oder ein kapazitives Bauteil sind eine Diode, ein Speicherelement, ein Akkuelement, ein Energiespeicher oder ein Kondensator.Examples of an active or passive semiconductor component or a capacitive component are a diode, a memory element, a battery element, an energy store or a capacitor.

Vorzugsweise ist die relative Permittivität der LSNO-Komponente εr ≥ 15.000, εr ≥ 20.000 oder εr ≥ 25.000. Vorteilhaft ist in einem Frequenzbereich von 10 MHz bis 3 GHz oder 100 MHz bis 1 GHz die relative Permittivität der LSNO-Komponente εr ≥ 8.000, εr ≥ 10.000, εr ≥ 15.000, εr ≥ 20.000 oder εr ≥ 25.000.Preferably, the relative permittivity of the LSNO component is ε r ≥ 15,000, ε r ≥ 20,000 or ε r ≥ 25,000. In a frequency range of 10 MHz to 3 GHz or 100 MHz to 1 GHz, the relative permittivity of the LSNO component ε r ≥ 8,000, ε r ≥ 10,000, ε r ≥ 15,000, ε r ≥ 20,000 or ε r ≥ 25,000 is advantageous.

Vorteilhaft ist die LSNO-Komponente ein LSNO-Kristall, insbesondere ein LSNO-Ein- oder -Polykristall.The LSNO component is advantageously an LSNO crystal, in particular an LSNO monocrystal or polycrystal.

In weiterer Ausgestaltung ist die LSNO-Komponente eine mittels Abscheideverfahren hergestellte Schicht, insbesondere eine amorphe, polykristalline oder mikrokristalline Schicht. Vorzugsweise ist die LSNO-Schicht auf einem Substrat abgeschieden, insbesondere auf einem Halbleitersubstrat, einem Wafer-Substrat, einem Metallsubstrat oder einer Metallfolie. Im Falle eines LSNO-Substrats ist dies vorteilhaft ein Wafer, insbesondere mit integrierten Schaltungen. Insbesondere ist das LSNO-Substrat ein einkristallines oder polykristallines Material.In a further embodiment, the LSNO component is a layer produced by deposition, in particular an amorphous, polycrystalline or microcrystalline layer. Preferably, the LSNO layer is deposited on a substrate, in particular on a semiconductor substrate, a wafer substrate, a metal substrate or a metal foil. In the case of an LSNO substrate, this is advantageously a wafer, in particular with integrated circuits. In particular, the LSNO substrate is a monocrystalline or polycrystalline material.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Bauteils, insbesondere ein Halbleiterbauteil, mit einer Lanthan-Strontium-Nickeloxid-Komponente (LSNO-Komponente) für Hochfrequenzanwendungen im Bereich oberhalb 1 MHz, insbesondere oberhalb 10 MHz oder 100 MHz verwendet.According to one aspect of the invention, a component, in particular a semiconductor component, with a lanthanum-strontium-nickel oxide component (LSNO component) is used for high-frequency applications in the range above 1 MHz, in particular above 10 MHz or 100 MHz.

Die einzige 1 zeigt die Frequenzabhängigkeit der relativen Permittivität von CaCu3Ti4O12 bei Raumtemperatur (Vollkreise) und La15/8Sr1/8NiO4 (offene Symbole) für verschiedene Temperaturen. Die durchgezogenen Linien sind simulierte Kurven, die unter Zugrundelegung eines Ersatzschaltbildes für LSNO berechnet sind und in sehr guter Näherung das Verhalten von LSNO beschreiben können. Das hier verwendete Simulationsverfahren ist beschrieben in P. Lunkenheimer, R. Fichtl, S. G. Ebbinghaus, und A. Loidl, Phys. Rev. B 70, 172102 (2004).The only 1 shows the frequency dependence of the relative permittivity of CaCu 3 Ti 4 O 12 at room temperature (full circles ) and La 15/8 Sr 1/8 NiO 4 (open symbols) for different temperatures. The solid lines are simulated curves that are calculated on the basis of an equivalent circuit diagram for LSNO and can describe the behavior of LSNO in a very good approximation. The simulation method used here is described in P. Lunkenheimer, R. Fichtl, SG Ebbinghaus, and A. Loidl, Phys. Rev. B 70, 172102 (2004).

Im vorliegenden Text wird die Dielektrizitätskonstante ε = εr·ε0 nach der neueren Konvention als Permittivität bezeichnet. Entsprechend die relative Dielektrizitätskonstante εr als relative Permittivität.In the present text, the dielectric constant ε = ε r · ε 0 is referred to as permittivity according to the newer convention. Accordingly, the relative dielectric constant ε r as relative permittivity.

Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden La15/8Sr1/8NiO4 Einkristalle verwendet, die sich mittels Zonenschmelzverfahren herstellen lassen. Die dafür notwendige Ausgangssubstanz wird folgendermaßen synthetisiert: Stöchiometrische Mengen der kommerziell erhältlichen pulverförmigen Prekursoren La2O3, NiO und SrCO3 werden vermischt und bei ca. 1.100°C gesintert. Die entstandene Keramik wird wiederum gemahlen, vermischt und anschließend gesintert. Dieser Vorgang wird drei Mal wiederholt und abschließend wird das Pulver in eine zylindrische Form gepresst. In einem Spiegelofen wird dieser Zylinder zonenweise aufgeschmolzen und mit Hilfe eines Impfkristalls kristallisiert. Neben einkristallinen Proben lassen sich auf diesem Weg auch polykristalline Proben herstellen (z. B. ohne Zonenschmelzverfahren).In the preferred embodiment of the invention La 15/8 Sr 1/8 NiO 4 single crystals are used, which can be produced by zone melting. The starting material required for this purpose is synthesized as follows: Stoichiometric amounts of the commercially available pulverulent precursors La 2 O 3 , NiO and SrCO 3 are mixed and sintered at about 1100 ° C. The resulting ceramic is again ground, mixed and then sintered. This process is repeated three times and finally the powder is pressed into a cylindrical shape. In a mirror oven, this cylinder is melted zone by zone and crystallized by means of a seed crystal. In addition to monocrystalline samples, polycrystalline samples can also be produced in this way (eg without zone melting process).

Es lassen sich auch LSNO-Dünnschichten beispielsweise mittels gepulster Laserabscheidung (Pulsed Laser Deposition = PLD) synthetisieren. Daneben kann LSNO mit entsprechender Stöchiometrie auch unter Verwendung von chemischen Abscheideverfahren (CVD) oder Sputterverfahren hergestellt werden. Gerade bei integrierten Halbleiteranwendungen sind solche Dünnschicht-Abscheideverfahren in vorhandene Produktionsstrukturen und -anlagen wesentlich besser integrierbar.It is also possible to synthesize LSNO thin films, for example by means of pulsed laser deposition (PLD). In addition, LSNO with appropriate stoichiometry can also be made using chemical vapor deposition (CVD) or sputtering techniques. Especially in integrated semiconductor applications, such thin-film deposition methods can be integrated much better into existing production structures and systems.

Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel wird für die Herstellung eines prototypischen Kondensators mit LSNO als Dielektrikum eine Scheibe aus dem Einkristall herausgesägt und auf beiden Seiten mit Leitsilber kontaktiert. Die dielektrischen Eigenschaften wurden mit einem Alpha-A High Performance Frequency Analyzer der Firma Novocontrol Technologies und einem Agilent E4991A–RF Impedance/Material Analyzer der Firma Agilent Technologies im Frequenzbereich 1 Hz bis 1 GHz bestimmt. Als Messgröße erhält man die Kapazität, welche anhand der Geometrie der gemessenen Probe in die relative Permittivität εr umgerechnet wird.In the preferred embodiment, a disk is sawn out of the single crystal and contacted on both sides with conductive silver for the preparation of a prototypical capacitor with LSNO as a dielectric. The dielectric properties were determined using an Alpha-A High Performance Frequency Analyzer from Novocontrol Technologies and an Agilent E4991A RF Impedance / Material Analyzer from Agilent Technologies in the frequency range 1 Hz to 1 GHz. The measured variable obtained is the capacitance, which is converted into the relative permittivity ε r on the basis of the geometry of the measured sample.

In 1 ist die relative Permittivität εr von La15/8Sr1/8NiO4 bei verschiedenen Temperaturen und vergleichend dazu die von CCTO bei Raumtemperatur (300°K) frequenzabhängig aufgetragen. Bei niedrigen Frequenzen, im Bereich von einigen Hertz bis Kilohertz, wird dieser Wert in Analogie zum kolossalen Magnetowiderstand als „kolossale relative Permittivität” bezeichnet Deutlich ist der Übergang von der kolossalen relativen Permittivität zu einer deutlich niedrigeren relativen Permittivitat (εr ≈ 100–300) zu erkennen. Bei höheren Temperaturen verschiebt sich diese so genannte Relaxationsstufe zu höheren Frequenzen hin und man erhält somit bei Raumtemperatur kolossales dielektrisches Verhalten bis ca. 1 MHz bei CCTO und bis ca. 300 MHz bei La15/8Sr1/8NiO4. Eine Extrapolation basierend auf den gezeigten Fitkurven lässt riesige Werte der relativen Permittivität bis weit in den GHz-Bereich erwarten.In 1 is the relative permittivity ε r of La 15/8 Sr 1/8 NiO 4 at different temperatures and compared to that of CCTO at room temperature (300 ° K) frequency dependent applied. At low frequencies, in the range from a few hertz to kilohertz, this value is called "colossal relative permittivity" in analogy to the colossal magnetoresistance. The transition from the colossal relative permittivity to a significantly lower relative permittivity is clearly visible (ε r ≈ 100-300) to recognize. At higher temperatures, this so-called relaxation step shifts to higher frequencies and thus gives colossal dielectric behavior up to about 1 MHz at CCTO and up to about 300 MHz at La 15/8 Sr 1/8 NiO 4 at room temperature. An extrapolation based on the fit curves shown can be expected huge values of relative permittivity well into the GHz range.

Die Kapazität des LSNO Kondensators erreichte 2 nF bei 100 MHz. In Anbetracht der verwendeten einfachen Geometrie des Testkondensators ist dies ein extrem hoher Wert. Für CCTO wurde bei gleichen Kondensator-Abmessungen lediglich 10 pF (bei 100 MHz) erreicht. Demgegenüber würde das im Halbleiterbereich üblicherweise verwendete SiO2 zu Werten um 0,5 pF für diese Kondensatorgeometrie führen.The capacitance of the LSNO capacitor reached 2 nF at 100 MHz. In view of the simple geometry of the test capacitor used, this is an extremely high value. For CCTO only 10 pF (at 100 MHz) was achieved with the same capacitor dimensions. In contrast, the SiO 2 commonly used in the semiconductor field would lead to values around 0.5 pF for this capacitor geometry.

Diese überraschende Materialeigenschaft von LSNO im Höchstfrequenzbereich prädestiniert dieses somit für die oben genannten Anwendungen, beispielsweise bei kapazitiven Bauelementen mit LSNO als Dielektrikum. Diese sind aufgrund der erwähnten Eigenschaften von LSNO für die industrielle Anwendung von außerordentlicher Bedeutung. Sie ermöglichen eine Erhöhung der Leistungsfähigkeit gegenüber bisher verfügbaren Bauelementen, z. B. bezüglich der speicherbaren Energie in Relation zu Masse und Größe und bezüglich der weiteren Miniaturisierung elektronischer Schaltungen bei Frequenzen bis GHz.This surprising material property of LSNO in the ultra-high frequency range thus predestines it for the abovementioned applications, for example in the case of capacitive components with LSNO as the dielectric. These are due to the mentioned properties of LSNO for industrial application of paramount importance. They allow an increase in performance over previously available components, eg. B. with respect to the storable energy in relation to mass and size and with respect to the further miniaturization of electronic circuits at frequencies up to GHz.

Kapazitive Bauelemente mit LSNO als Dielektrikum sind aufgrund der außergewöhnlichen dielektrischen Eigenschaften dieses Materials für die Anwendung in der modernen Elektronik und Elektrotechnik von besonderer Bedeutung, da LSNO im Vergleich zu anderen Materialien eine „kolossale” relative Permittivität bei Raumtemperatur bis in den Gigahertzbereich aufweist. Weiterhin lässt sich das Material sowohl einkristallin als auch polykristallin herstellen. Basierend auf Einkristallen wurden bereits verschiedene Kondensatoren mit LSNO präpariert, die die überlegenen Eigenschaften demonstrieren. Des Weiteren ist von Bedeutung, dass neben LSNO-Keramiken auch schon dünne LSNO-Filme (mit ähnlicher Stöchiometrie) durch PLD erfolgreich synthetisiert werden konnten.Capacitive devices with LSNO dielectric are of particular importance for use in modern electronics and electrical engineering because of the exceptional dielectric properties of this material, since LSNO has "colossal" relative permittivity at room temperature down to the gigahertz range compared to other materials. Furthermore, the material can be produced both monocrystalline and polycrystalline. Based on single crystals, various capacitors have already been prepared with LSNO demonstrating the superior properties. Furthermore, it is important that in addition to LSNO ceramics even thin LSNO films (with similar stoichiometry) could be successfully synthesized by PLD.

Im oben erwähnten Artikel Phys. Rev. Lett. (PRL 94, 017002 (2005)) wurden bei Messungen bis 500 kHz an LSNO mit Sr-Dotierungen von x = 1/3 zwar hohe relative Permittivitäten festgestellt. Abweichend von den veröffentlichten Daten wurde mit der vorliegenden Erfindung jedoch festgestellt, dass bei Sr-Dotierungen mit x ≈ 1/8 eine außergewöhnliche relative Permittivität bei Raumtemperatur und bei Frequenzen bis Gigahertz erzielt wird, welches von hohem Interesse für die technische Anwendung ist.In the above-mentioned article Phys. Rev. Lett. (PRL 94, 017002 (2005)), high relative permittivities were observed for measurements up to 500 kHz on LSNO with Sr dopants of x = 1/3. Contrary to the published data, however, it has been found with the present invention that for Sr dopants with x≈1 / 8 an extraordinary relative permittivity is achieved at room temperature and at frequencies up to gigahertz, which is of great interest for industrial application.

Aber auch eine Applikation von Festkörperkondensatoren ist hierfür denkbar. La2-xSrxNiO4 mit x ≈ 1/8 ist dafür ein ausgezeichneter Kandidat aufgrund seiner extrem hohen relativen Permittivität, die zu einer großen Kapazität der Bauelemente bei gleichzeitiger moderater Masse und Größe führt und aufgrund des konstanten Verhaltens dieser Materialgröße in einem breiten Temperatur- und Frequenzbereich.But also an application of solid state capacitors is conceivable for this purpose. La 2-x Sr x NiO 4 with x≈1 / 8 is an excellent candidate for this because of its extremely high relative permittivity, which leads to a large capacitance of the components with moderate mass and size at the same time and due to the constant behavior of this material size in a broad range Temperature and frequency range.

Claims (12)

Bauteil mit zumindest einer dielektrischen Lanthan-Strontium-Nickeloxid-Komponente (LSNO-Komponente), wobei das Bauteil ein aktives oder passives Halbleiterbauteil oder ein kapazitives Bauteil ist; wobei die zumindest eine LSNO-Komponente die Zusammensetzung La2-xSrxNiO4 aufweist, und wobei 0 < x ≤ 0,5 und oberhalb von 10 MHz die relative Permittivität von εr ≥ 8.000 ist.A device comprising at least one lanthanum-strontium-nickel oxide (LSNO) dielectric component, the device being an active or passive semiconductor device or a capacitive device; wherein the at least one LSNO component has the composition La 2-x Sr x NiO 4 , and wherein 0 <x ≤ 0.5 and above 10 MHz the relative permittivity of ε r ≥ 8,000. Verwendung eines Bauteils mit einer Lanthan-Strontium-Nickeloxid-Komponente (LSNO-Komponente) für Hochfrequenzanwendungen im Bereich oberhalb 1 MHz, 10 MHz oder 100 MHz; wobei die LSNO-Komponente die Zusammensetzung La2-xSrxNiO4 aufweist, und wobei 0 < x ≤ 0,5 und oberhalb von 10 MHz die relative Permittivität von εr ≥ 8.000 ist.Use of a component with a lanthanum-strontium-nickel oxide component (LSNO component) for high-frequency applications in the range above 1 MHz, 10 MHz or 100 MHz; wherein the LSNO component has the composition La 2-x Sr x NiO 4 , and wherein 0 <x ≤ 0.5 and above 10 MHz, the relative permittivity of ε r ≥ 8,000. Bauteil nach Anspruch 1 oder Verwendung eines Bauteils nach Anspruch 2, wobei 0 < x ≤ 0,3 und die relative Permittivität εr ≥ 15.000 ist.Component according to claim 1 or use of a component according to claim 2, wherein 0 <x ≤ 0.3 and the relative permittivity ε r ≥ 15,000. Bauteil nach Anspruch 1 oder Verwendung eines Bauteils nach Anspruch 2, wobei die relative Permittivität der LSNO-Komponente εr ≥ 10.000 ist.Component according to claim 1 or use of a component according to claim 2, wherein the relative permittivity of the LSNO component ε r ≥ 10,000. Bauteil nach Anspruch 1 oder Verwendung eines Bauteils nach Anspruch 2, wobei die relative Permittivität der LSNO-Komponente εr ≥ 8.000 in einem Frequenzbereich von 10 MHz bis 10 GHz vorliegt.Component according to claim 1 or use of a component according to claim 2, wherein the relative permittivity of the LSNO component ε r ≥ 8,000 in a frequency range of 10 MHz to 10 GHz is present. Bauteil nach Anspruch 5 oder Verwendung eines Bauteils nach Anspruch 5, wobei im Frequenzbereich von 10 MHz bis 10 GHz die relative Permittivität der LSNO-Komponente εr ≥ 10.000, εr ≥ 15.000, εr ≥ 20.000 oder εr ≥ 25.000 ist.Component according to claim 5 or use of a component according to claim 5, wherein in the frequency range from 10 MHz to 10 GHz, the relative permittivity of the LSNO component ε r ≥ 10,000, ε r ≥ 15,000, ε r ≥ 20,000 or ε r ≥ 25,000. Bauteil nach Anspruch 1, 4, 5 oder 6 oder Verwendung eines Bauteils nach Anspruch 2, 4, 5 oder 6, wobei 0,05 ≤ x ≤ 0,4, 0,05 ≤ x ≤ 0,3, 0,1 ≤ x ≤ 0,25 oder 0,1 ≤ x ≤ 0,2 ist.A component according to claim 1, 4, 5 or 6 or use of a component according to claim 2, 4, 5 or 6, wherein 0.05 ≤ x ≤ 0.4, 0.05 ≤ x ≤ 0.3, 0.1 ≤ x ≤ 0.25 or 0.1 ≤ x ≤ 0.2. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 7 oder Verwendung eines Bauteils nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei die LSNO-Komponente ein LSNO-Kristall ist.A component according to any one of claims 1 or 3 to 7 or use of a component according to any one of claims 2 to 7, wherein the LSNO component is an LSNO crystal. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 7 oder Verwendung eines Bauteils nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei die LSNO-Komponente eine mittels Abscheideverfahren hergestellte Schicht ist.Component according to one of claims 1 or 3 to 7 or use of a component according to one of claims 2 to 7, wherein the LSNO component is a deposited layer produced by deposition. Bauteil oder Verwendung eines Bauteils nach Anspruch 9, wobei die LSNO-Schicht auf einem Substrat abgeschieden ist.A component or use of a device according to claim 9, wherein the LSNO layer is deposited on a substrate. Kristallines LSNO-Substrat mit integrierten Schaltungen wobei das Substrat die Zusammensetzung La2-xSrxNiO4 aufweist, und wobei 0 < x ≤ 0,5 und oberhalb von 10 MHz die relative Permittivität von εr ≥ 8.000 ist.Crystalline LSNO substrate with integrated circuits wherein the substrate has the composition La 2-x Sr x NiO 4 , and wherein 0 <x ≤ 0.5 and above 10 MHz, the relative permittivity of ε r ≥ 8,000. Kristallines LSNO-Substrat nach Anspruch 11, wobei 0 < x ≤ 0,3 und die relative Permittivität εr ≥ 15.000 ist.The crystalline LSNO substrate according to claim 11, wherein 0 <x ≦ 0.3 and the relative permittivity ε r ≥ 15,000.
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