低損耗BZN-BST介電薄膜及微波變?nèi)莨芗夹g(shù)研究.pdf

1、微波調(diào)諧器件通過調(diào)控微波信號(hào)的頻率、相位或幅度，能夠簡(jiǎn)化電路、降低元器件數(shù)目、提高系統(tǒng)性能，是現(xiàn)代通訊系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)?；诮殡姳∧げ牧系慕橘|(zhì)變?nèi)莨芗夹g(shù)具有響應(yīng)速度快、功率容量大、功耗小、成本低和易集成的優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是微波調(diào)諧器件的重要發(fā)展方向。目前研究較集中的介電可調(diào)材料是BaxSr1?xTiO3（BST）薄膜材料，其特點(diǎn)是介電調(diào)諧率大、但介電損耗較高，不能滿足高性能微波調(diào)諧器件的應(yīng)用要求。近些年發(fā)現(xiàn)的燒綠石結(jié)構(gòu) Bi1.5Zn1.0N

2、b1.5O7（BZN）薄膜材料介電損耗很低，但介電調(diào)諧率較小。本論文將高可調(diào)的BST薄膜材料與低損耗的 BZN薄膜材料復(fù)合，研制兼具低損耗和高調(diào)諧率的 BZN/BST復(fù)合薄膜，開展高性能BZN/BST薄膜變?nèi)莨芗夹g(shù)研究，探索介質(zhì)薄膜變?nèi)莨茉谖⒉ㄕ{(diào)諧器件的應(yīng)用研究。主要內(nèi)容和結(jié)論如下：
　　1.采用射頻磁控濺射法制備BZN/BST復(fù)合薄膜，研究了BZN/BST復(fù)合薄膜的介電性能。從電介質(zhì)串聯(lián)理論出發(fā)，建立了雙層復(fù)合可調(diào)介質(zhì)薄膜介電性

3、能與結(jié)構(gòu)關(guān)系參數(shù)模型，通過優(yōu)化控制BZN/BST復(fù)合薄膜的各層厚度比，獲得了具有低損耗、高可調(diào)的BZN/BST復(fù)合薄膜。研制的BZN/BST復(fù)合薄膜的介電損耗為~0.78％，在偏置電場(chǎng)1 MV/cm下的介電調(diào)諧率為~46%。
　　2.研究了 BZN/BST復(fù)合薄膜的界面效應(yīng)和漏電特性。研究結(jié)果表明，BZN薄膜的費(fèi)米能級(jí)在帶隙中比 BST薄膜的費(fèi)米能級(jí)深，在 BZN-BST界面處形成的界面勢(shì)壘提高了BZN/BST復(fù)合薄膜的P-F發(fā)射

4、（Poole-Frenkel emission）漏電機(jī)制的開啟電場(chǎng)，從而降低了薄膜的泄漏電流。另外，由于BZN薄膜的引入增大了介質(zhì)薄膜與上電極接觸面的勢(shì)壘高度，減小了肖特基發(fā)射電流，從而也有利于降低復(fù)合薄膜的泄漏電流。因此， BZN/BST復(fù)合薄膜具有低損耗、高可調(diào)和低漏電流的特點(diǎn)。
　　3.對(duì)BZN/BST介質(zhì)薄膜變?nèi)莨苓M(jìn)行了高Q值結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，提出了一種新的平板型變?nèi)莨芏嘀鸽姌O結(jié)構(gòu)。多指電極結(jié)構(gòu)是多電容并聯(lián)結(jié)構(gòu)，與單電容結(jié)構(gòu)相

5、比具有較高的 Q值，同時(shí)還具有更好的可靠性，特別適合較大容值的介質(zhì)薄膜電容設(shè)計(jì)。
　　4.采用微細(xì)加工技術(shù)研制了BZN/BST薄膜變?nèi)莨?。利用反轉(zhuǎn)光刻膠優(yōu)化了電極的圖形化工藝；以 HF酸為刻蝕劑、NH4F為絡(luò)合劑、HNO3為助溶劑、去離子水為稀釋劑的刻蝕液能很好地刻蝕介質(zhì)薄膜，解決了BZN/BST復(fù)合薄膜的圖形化問題。
　　5.研究了 BZN/BST介質(zhì)薄膜變?nèi)莨艿母哳l介電性能。結(jié)果表明，研制的BZN/BST介質(zhì)薄膜變?nèi)莨茉?/p>

6、高頻下具有較高的Q值，在100 MHz時(shí)Q值仍達(dá)到150，變?nèi)莨艿碾娙葜导罢{(diào)諧率具有良好的頻率穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性。隨頻率的升高，變?nèi)莨躋值主要由電極損耗決定，其Q值隨頻率的升高而下降。采用高電導(dǎo)率電極、加厚電極的方法能夠減小電極損耗，從而提高變?nèi)莨艿母哳l Q值。將研制的BZN/BST薄膜變?nèi)莨苡糜诠ぷ黝l率為445 MHz的移相器中進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證，結(jié)果表明移相器的最大插入損耗為~0.9 dB，顯著優(yōu)于半導(dǎo)體變?nèi)莨堋?br>　　6.研制了基于