低損耗BZN-BST介電薄膜及微波變容管技術研究.pdf

1、微波調諧器件通過調控微波信號的頻率、相位或幅度，能夠簡化電路、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?；诮殡姳∧げ牧系慕橘|變容管技術具有響應速度快、功率容量大、功耗小、成本低和易集成的優(yōu)點，被認為是微波調諧器件的重要發(fā)展方向。目前研究較集中的介電可調材料是BaxSr1?xTiO3（BST）薄膜材料，其特點是介電調諧率大、但介電損耗較高，不能滿足高性能微波調諧器件的應用要求。近些年發(fā)現(xiàn)的燒綠石結構 Bi1.5Zn1.0N

2、b1.5O7（BZN）薄膜材料介電損耗很低，但介電調諧率較小。本論文將高可調的BST薄膜材料與低損耗的 BZN薄膜材料復合，研制兼具低損耗和高調諧率的 BZN/BST復合薄膜，開展高性能BZN/BST薄膜變容管技術研究，探索介質薄膜變容管在微波調諧器件的應用研究。主要內容和結論如下：
　　1.采用射頻磁控濺射法制備BZN/BST復合薄膜，研究了BZN/BST復合薄膜的介電性能。從電介質串聯(lián)理論出發(fā)，建立了雙層復合可調介質薄膜介電性

3、能與結構關系參數(shù)模型，通過優(yōu)化控制BZN/BST復合薄膜的各層厚度比，獲得了具有低損耗、高可調的BZN/BST復合薄膜。研制的BZN/BST復合薄膜的介電損耗為~0.78％，在偏置電場1 MV/cm下的介電調諧率為~46%。
　　2.研究了 BZN/BST復合薄膜的界面效應和漏電特性。研究結果表明，BZN薄膜的費米能級在帶隙中比 BST薄膜的費米能級深，在 BZN-BST界面處形成的界面勢壘提高了BZN/BST復合薄膜的P-F發(fā)射

4、（Poole-Frenkel emission）漏電機制的開啟電場，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薄膜與上電極接觸面的勢壘高度，減小了肖特基發(fā)射電流，從而也有利于降低復合薄膜的泄漏電流。因此， BZN/BST復合薄膜具有低損耗、高可調和低漏電流的特點。
　　3.對BZN/BST介質薄膜變容管進行了高Q值結構設計研究，提出了一種新的平板型變容管多指電極結構。多指電極結構是多電容并聯(lián)結構，與單電容結構相

5、比具有較高的 Q值，同時還具有更好的可靠性，特別適合較大容值的介質薄膜電容設計。
　　4.采用微細加工技術研制了BZN/BST薄膜變容管。利用反轉光刻膠優(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薄膜，解決了BZN/BST復合薄膜的圖形化問題。
　　5.研究了 BZN/BST介質薄膜變容管的高頻介電性能。結果表明，研制的BZN/BST介質薄膜變容管在

6、高頻下具有較高的Q值，在100 MHz時Q值仍達到150，變容管的電容值及調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，變容管Q值主要由電極損耗決定，其Q值隨頻率的升高而下降。采用高電導率電極、加厚電極的方法能夠減小電極損耗，從而提高變容管的高頻 Q值。將研制的BZN/BST薄膜變容管用于工作頻率為445 MHz的移相器中進行應用驗證，結果表明移相器的最大插入損耗為~0.9 dB，顯著優(yōu)于半導體變容管。
　　6.研制了基于