基于組合薄膜的寬溫區(qū)可調諧微波器件的制作方法
【專利摘要】提供了一種基于組合薄膜的寬溫區(qū)可調諧微波器件，所述可調諧微波器件包括介質襯底、鐵電組合薄膜、第一電極和至少一個第二電極；所述鐵電組合薄膜設置于所述介質襯底上，在所述鐵電組合薄膜中，鐵電材料中預定摻雜離子的成分含量沿梯度方向連續(xù)梯度變化，所述梯度方向在所述鐵電組合薄膜所在平面上；所述第一電極和第二電極用于形成調諧所述鐵電組合薄膜介電常數(shù)的調諧電場，所述電極被設置為使所述調諧電場方向與所述梯度方向不同。所述可調諧微波器件的介電常數(shù)可調溫度范圍寬，具有較好的溫度穩(wěn)定性。
【專利說明】基于組合薄膜的寬溫區(qū)可調諧微波器件
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及電子器件領域，具體涉及一種基于組合薄膜的寬溫區(qū)可調諧微波器件。
【背景技術】
[0002]微波器件，例如，微波電容、諧振器以及移相器、波導、延遲線等微波濾波器廣泛應用于通信、電子技術中。
[0003]鐵電材料具有非線性的介電常數(shù)，在外加直流電場作用下，其介電常數(shù)會發(fā)生變化，從而使微波器件的諧振頻率相應的向高頻或低頻方向移動，實現(xiàn)工作頻率的連續(xù)可調。鐵電材料微波器件的電可調諧性使得其具有較好的可控性和靈活性。
[0004]但是，由于鐵電材料本身的限制，特定組分的鐵電材料僅在一個較窄的溫度區(qū)間內(nèi)具有較大的介電可調性，其直接導致鐵電材料微波器件的溫度穩(wěn)定性較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提高可調微波器件的溫度穩(wěn)定性，擴寬其頻率可調諧溫度范圍。
[0006]由此，本發(fā)明提出一種可調諧微波器件，包括介質襯底、鐵電組合薄膜、第一電極和至少一個第二電極；
[0007]所述鐵電組合薄膜設置于所述介質襯底上，在所述鐵電組合薄膜中，鐵電材料中預定摻雜離子的成分含量沿梯度方向連續(xù)梯度變化，所述梯度方向在所述鐵電組合薄膜所在平面上；
[0008]所述第一電極和第二電極用于形成調諧所述鐵電組合薄膜介電常數(shù)的調諧電場，所述電極被設置為使所述調諧電場方向與所述梯度方向不同。
[0009]優(yōu)選地，所述第一電極設置于鐵電組合薄膜和介質襯底之間，所述至少一個第二電極設置于所述鐵電組合薄膜的上方。
[0010]優(yōu)選地，所述第一電極設置于所述介質襯底的下方，所述至少一個第二電極設置于所述鐵電組合薄膜的上方。
[0011]優(yōu)選地，所述第一電極和所述第二電極均設置于所述鐵電組合薄膜的上方。
[0012]優(yōu)選地，所述第一電極和所述第二電極均設置于所述鐵電組合薄膜和所述介質襯底之間。
[0013]優(yōu)選地，所述第一電極和所述第二電極均設置于所述介質襯底的上方，所述第一電極與第二電極之間具有間隙，所述鐵電組合薄膜形成于所述間隙中。
[0014]優(yōu)選地，所述電極包括與鐵電組合薄膜接觸的超導體材料層。
[0015]優(yōu)選地，所述鐵電組合薄膜采用鐵電特性隨摻雜離子成分含量變化的鐵電材料制備。
[0016]優(yōu)選地，所述鐵電組合薄膜為Ba1-XSrJiO3' BaZr1-JixO3' PVxSrxTiO3'PbZr1.xTix03、Sr1.xBax (NbO3) 2 或 Ba1 _xNa2x (NbO3) 2，其中，x 沿所述梯度方向在第一值和第二值之間連續(xù)梯度變化。
[0017]優(yōu)選地，所述鐵電組合薄膜包括至少一層鐵電材料原胞，每個鐵電材料原胞中的摻雜離子的成分含量沿梯度方向連續(xù)梯度變化。
[0018]優(yōu)選地，所述微波器件為電容、諧振器、移相器或帶通濾波器。
[0019]本發(fā)明通過利用材料組分連續(xù)梯度變化的鐵電組合薄膜作為可調微波器件的介電常數(shù)可調材料，使得鐵電組合薄膜具有拓寬的介電常數(shù)可調溫度范圍，從而提高了微波器件的溫度穩(wěn)定性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]通過以下參照附圖對本發(fā)明實施例的描述，本發(fā)明的上述以及其它目的、特征和優(yōu)點將更為清楚，在附圖中:
[0021]圖1是鐵電材料SrTiO3在不同溫度下介電常數(shù)隨外加電場變化的曲線圖；
[0022]圖2是利用摻雜離子Ba取代Sr獲得的鐵電材料Baa65Sra35TiO3在預定溫度下介電常數(shù)隨外加電場變化的曲線圖；
[0023]圖3是以A1 _XBX為組分的組合薄膜成分示意圖；
[0024]圖4是優(yōu)選的組合薄膜制備方法中掩模板、介質襯底和前驅靶材的相對位置關系圖；
[0025]圖5是優(yōu)選的組合薄膜制備方法中掩模板的俯視圖；
`[0026]圖6是優(yōu)選的組合薄膜制備方法中一個周期生長的薄膜的截面圖；
[0027]圖7是優(yōu)選的組合薄膜制備方法中在精確控制各層以形成原胞的前提下，通過四個周期形成的組合薄膜的截面圖；
[0028]圖8是本發(fā)明第一實施例的可調諧微波器件的截面示意圖；
[0029]圖9是本發(fā)明第一實施例一個優(yōu)選實施方式的可調諧微波器件的截面示意圖；
[0030]圖1Oa -1Oc是本發(fā)明第二實施例的可調諧微波器件的截面示意圖；
[0031]圖11是本發(fā)明第二實施例一個優(yōu)選實施方式的可調諧微波器件的截面示意圖；
[0032]圖12是本發(fā)明第二實施例中調諧電場與鐵電組合薄膜的梯度方向的關系示意圖；
[0033]圖13是本發(fā)明第三實施例的可調諧微波器件的截面示意圖。
【具體實施方式】
[0034]以下將參照附圖更詳細地描述本發(fā)明。在各個附圖中，相同的元件采用類似的附圖標記來表示。為了清楚起見，附圖中的各個部分沒有按比例繪制。此外，可能未示出某些公知的部分。為了簡明起見，可以在一幅圖中描述經(jīng)過數(shù)個步驟后獲得的結構。
[0035]應當理解，在描述器件的結構時，當將一層、一個區(qū)域稱為位于另一層、另一個區(qū)域“上面”或“上方”時，可以指直接位于另一層、另一個區(qū)域上面，或者在其與另一層、另一個區(qū)域之間還包含其它的層或區(qū)域。并且，如果將器件翻轉，該一層、一個區(qū)域將位于另一層、另一個區(qū)域“下面”或“下方”。
[0036]如果為了描述直接位于另一層、另一個區(qū)域上面的情形，本文將采用“直接在……上面”或“在……上面并與之鄰接”的表述方式。
[0037]在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術語“第一”、“第二”等僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。此外，在本發(fā)明的描述中，除非另有說明，“多個”的含義是兩個或兩個以上。
[0038]在本發(fā)明的描述中，術語“微波器件”指在制造器件的各個步驟中形成的整個微波傳導/濾波結構的統(tǒng)稱，包括已經(jīng)形成的所有層或區(qū)域。在下文中描述了本發(fā)明的許多特定的細節(jié)，例如器件的結構、材料、尺寸、處理工藝和技術，以便更清楚地理解本發(fā)明。但正如本領域的技術人員能夠理解的那樣，可以不按照這些特定的細節(jié)來實現(xiàn)本發(fā)明。
[0039]除非在下文中特別指出，微波器件的各個部分可以由本領域的技術人員公知的材料構成。 [0040]在本發(fā)明的描述中，術語“薄膜”是相對于“厚膜”而言，“厚膜”厚膜是指在襯底上用印刷燒結等技術所形成的厚度為10微米到數(shù)十微米的膜層，“薄膜”是指厚度小于10微米的膜層。
[0041]在本發(fā)明的描述中，術語“梯度變化”是指沿著預定的方向遞增或者遞減。術語“梯度方向”是指“梯度變化”所沿的方向。
[0042]本發(fā)明可以各種形式呈現(xiàn)，以下將描述其中一些示例。
[0043]鐵電材料是一類重要的電子信息功能材料，隨著電子元器件集成化、片式化的發(fā)展，鐵電材料薄膜化已成為必然趨勢。介電非線性增強是鐵電薄膜的重要特性之一，同時，鐵電材料的電壓非線性是指材料的極化強度隨外加電場非線性變化，因而材料的介電常數(shù)隨外加電場強度而變化的性質。
[0044]但是，由于鐵電材料本身的限制，特定的鐵電材料僅在一個較窄的溫度區(qū)間內(nèi)具有介電常數(shù)可調性質。圖1示出了鐵電材料SrTiO3在不同溫度下介電常數(shù)隨外加電場變化的曲線，根據(jù)圖1可知，鐵電材料SrTiO3在溫度為4.2K (開爾文)條件下介電常數(shù)隨外加電場的變化而變化，體現(xiàn)出較好的介電常數(shù)可調性，而在溫度60K以上時，則低電場已經(jīng)對鐵電材料的介電常數(shù)失去了明顯的調節(jié)作用。
[0045]對應地，圖2示出了利用摻雜例子Ba取代Sr獲得的鐵電材料Baa65Sra35TiO3在預定溫度下介電常數(shù)隨外加電場變化的曲線，根據(jù)圖2可知，與鐵電材料SrTiO3不同，鐵電材料Baa65Sra35TiO3在溫度為230K的條件下仍然呈現(xiàn)出較強的介電常數(shù)可調性，其介電常數(shù)根據(jù)外加電場呈現(xiàn)出明顯的變化。
[0046]通過類似的比較實驗可知，通過調節(jié)BapxSrxTiO3中Ba離子的組分含量在O -1之間變化可以獲得介電常數(shù)可調性溫度區(qū)間不同的鐵電材料。
[0047]類似地，通過研究發(fā)現(xiàn)，存在較多種類的鐵電特性隨摻雜離子成分含量變化的鐵電材料，也即，其具有介電常數(shù)可調性的溫度區(qū)間隨摻雜離子成分含量的變化而變化。作為示例而非限定，這類材料包括 BaZri_xTix03、Pb1.,SrxTiO3> PbZr1.JixO3> Sr1 _xBax(NbO3)2 及Ba1 _xNa2x (NbO3) 2等，對于這些鐵電材料，通過調節(jié)Ba離子、Pb離子、Zr離子或Sr離子的含量也可以獲得介電常數(shù)可調性溫度區(qū)間不同的鐵電材料。
[0048]組合薄膜是由不同組分(或材料)構成的薄膜，通過對前驅材料的選取可獲得具有各種功能的薄膜。圖3是以AhBx為組分的薄膜成分示意圖，白色代表材料A而黑色代表材料B，灰色代表AhBx, 0<χ<1,由圖3可知，途中的薄膜中A或B的成分沿著薄膜所在表面的特定方向連續(xù)變化。當然，組合薄膜并不限于成分連續(xù)變化的薄膜，但是，成分離散變化的薄膜的制備過程難以控制。
[0049]為了制備圖3所示的組合薄膜，可以采用組合激光分子束外延技術，組合激光分子束外延技術采用不同材料制成的靶材，通過準分子激光轟擊相應材料的靶材，濺射出相應的前驅組分，從而使前驅組分沉積在襯底上。通過依次對不同材料的靶材進行周期性濺射，使襯底上形成組合薄膜。
[0050]優(yōu)選地，通過如下的組合薄膜制備方法可以克服操作復雜、工藝精度控制困難的缺點實現(xiàn)對于組合薄膜簡單、高工藝精度的制備。所述組合薄膜制備方法包括:
[0051]步驟1000、提供介質襯底42及對應于組合薄膜中的各個組分的多個不同組分的前驅祀材43 ;提供具有掩模圖案窗口 411的掩模板41。
[0052]其中，掩模板41設置在前驅靶材43與介質襯底42之間。
[0053]在制備AhBx 二元組合薄膜時，A和B分別為兩種不同組分的前驅靶材，例如，在制備Ba^xSrxTiO3時，將BaTiO3和SrTiO3作為前驅靶材。
[0054]具體地，如圖4 - 5中所示，其示出制備組合薄膜過程中的掩模板41、介質襯底42和前驅靶材43的相對位置關系。在圖5中，掩模板41被設置為圓環(huán)形，但本領域技術人員可以理解上述形狀僅為示例，掩模板41不限于上述形狀，掩模板41上具有設置在不同位置的兩個方形的第一窗口 411a和第二窗口 411b,上述第一和第二窗口 411a和411b的形狀對應于介質襯底42的形狀。優(yōu)選地，窗口 411和412與介質襯底42具有相同的尺寸。上述窗口以及襯底的形狀及尺寸僅是示例性的，其可以不限于上述形狀，而本領域技術人員可根據(jù)實際需要進行各種形狀和尺寸的修改。
[0055]圖5中，掩模板41`可沿其軸心方向進行勻速地順時針或逆時針旋轉，且掩模板41的轉動頻率可根據(jù)工藝要求進行設定，前驅靶材43的轉換與掩模板41的轉動周期匹配，其可由計算機進行自動化控制。
[0056]步驟2000、將前驅靶材A置于介質襯底42對面，按照預定方向移動掩模板41并在介質襯底42完全暴露于掩模圖案窗口 411中時,控制激光開始轟擊前驅祀材A以派射前驅靶材A，從而在介質襯底上沉積A成分，同時繼續(xù)移動掩模板41使得介質襯底42暴露于掩模圖案窗口 411中的區(qū)域逐漸減小，直至襯底暴露于掩模圖案窗口 411中的區(qū)域為零，停止前驅靶材A的濺射。
[0057]優(yōu)選地，在掩模板41為圖5所示的環(huán)形掩模板41時，其通過沿軸心勻速順時針旋轉，使得介質襯底42暴露于用于濺射組分A的第一窗口 411a中并且暴露區(qū)域隨著掩模板41的轉動而逐漸減小。
[0058]步驟3000、將前驅靶材B置于襯底對面，按照預定方向(與步驟2000的預定方向相同)移動掩模板41并在介質襯底42開始暴露于掩模圖案窗口 411中時,控制激光開始轟擊前驅靶材B以濺射前驅靶材B，從而在襯底上沉積B組分，同時繼續(xù)移動掩模板41使得介質襯底42暴露于掩模圖案窗口 411中的區(qū)域逐漸增大，直至介質襯底42完全暴露于掩模圖案窗口 411中，停止前驅靶材B的濺射。
[0059]優(yōu)選地，在掩模板41為圖5所示的環(huán)形掩模板41時，其通過沿軸心勻速順時針旋轉，使得介質襯底42開始暴露于用于濺射組分B的第二窗口 411b中并且暴露區(qū)域隨著掩模板41的轉動而逐漸增大。[0060]采用兩個窗口以及將掩模板41設計為環(huán)形可以提高制備的連續(xù)性，是較為優(yōu)選的方案。當然，本領域技術人員可以理解，掩模板41以及掩模圖案窗口 411的設置以及移動方式可以根據(jù)需要做出各種變形，只需要通過移動掩模板41使得掩模圖案窗口 411與介質襯底42相對運動，實現(xiàn)介質襯底42在掩模圖案窗口 411中的區(qū)域面積隨掩模板41的移動而變化即可。
[0061]而且，本領域技術人員也可以理解，步驟2000和步驟3000中控制激光對前驅靶材進行轟擊的時機可以互換，也即，可以在步驟2000中，在介質襯底42開始暴露于掩模圖案窗口 411中時,控制激光開始轟擊前驅祀材A以派射前驅祀材A,到介質襯底42完全暴露時，停止濺射；同時在步驟3000中，在介質襯底42完全暴露于掩模圖案窗口 411中時，控制激光開始轟擊前驅祀材B以派射前驅祀材B,到介質襯底42暴露于掩模圖案窗口 411中的區(qū)域為零，停止前驅靶材B的濺射。
[0062]步驟2000和步驟3000完成一個周期的濺射過程，此時在襯底上形成了具有二元組分連續(xù)梯度變化分布的薄膜。每個周期形成如圖6截面圖所示的薄膜，所述組合薄膜61形成于介質襯底62上，包括沿一個方向厚度逐漸遞減的A材料層611和覆蓋于A材料層611上方沿上述方向厚度逐漸遞增的B材料層612。通過控制激光濺射的功率和/或掩模板41移動的速度，以及其它制備條件，可以控制每一周期生長的薄膜的厚度。當然，本領域技術人員可以理解，圖6所示的薄膜結構僅為示例，通過其它工藝形成的組合材料薄膜的結構可能不同，但同樣可以適用于本發(fā)明實施例。
[0063]步驟4000、按照預定周期重復上述步驟2000和步驟3000，執(zhí)行多個周期的濺射過程。通過控制周期數(shù)也可以較好地控制薄膜的厚度。
[0064]圖7示出了在精確控制各層以形成原胞的前提下，通過四個周期形成的組合薄膜的截面圖。每個鐵電材料原胞中的摻雜離子的組分含量沿梯度方向連續(xù)梯度變化。
[0065]以上僅為優(yōu)選的組合薄膜的制備方法，本領域技術人員可以了解，現(xiàn)有的其它的制備方法也可以用于制備本發(fā)明實施例涉及到組分含量沿薄膜共面方向連續(xù)梯度變化的鐵電組合薄膜。
[0066]組分連續(xù)梯度變化的鐵電組合薄膜在梯度方向上(也即，組分連續(xù)變化所沿方向)具有連續(xù)變化的組分，而每一個點的組分均具有不同的介電常數(shù)可調溫度范圍。
[0067]微波器件中，利用鐵電材料介電常數(shù)在外加直流電場的非線性響應，實現(xiàn)期間的頻率可調諧性。而鐵電材料的介電常數(shù)同時也是隨溫度變化的，一般在其居里溫度附近達到最大值。因此以單一組分鐵電材料構建的微波器件其性能受溫度影響較大。而當器件的電解質層鐵電材料不再是單一組分而是連續(xù)梯度組分的話，器件特性可通過如下的理論模型進行分析。
[0068]在存在與所述梯度方向垂直的電場分量時，可以將組分連續(xù)梯度變化的鐵電組合薄膜電容等效為所述梯度方向垂直的方向上趨近于無窮多個單一組分鐵電材料構建的子電容的并聯(lián)。根據(jù)電磁學理論，在并聯(lián)電路中，總電容等于個并聯(lián)支路的電容的和，C =Σ CiO因此鐵電組合薄膜的總電容由并聯(lián)的電容中電容值最大的并聯(lián)子電容確定，而在其它參數(shù)不變的情況下，電容值與電介質層介電常數(shù)成正比，因此，鐵電組合薄膜的整體等效介電常數(shù)由組合薄膜中介電常數(shù)最大的組分確定，而由于鐵電材料通常在居里溫度附近介電常數(shù)會達到最大值，因此，居里溫度在當前溫度附近的組分的介電常數(shù)對鐵電組合薄膜的等效介電常數(shù)起決定性作用。同樣通過改變直流電場調節(jié)器件的等效電容時，滿足上述條件的鐵電組合薄膜器件的電容絕對值的可調節(jié)范圍Δο=Σ Δ Ci,也是由組合薄膜中介電可調性最佳的區(qū)域決定的。
[0069]連續(xù)變化的組分賦予了這樣的鐵電組合薄膜器件的等效電容較大可調溫度區(qū)間的平滑連接，從而形成一個較寬的且連續(xù)的穩(wěn)定溫度范圍(也即在該溫度范圍內(nèi)體保持較大的等效電容可調性)。
[0070]由此，組分連續(xù)梯度變化的鐵電組合薄膜可以在較寬的溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)介電常數(shù)可調，為制備可調諧微波器件提供了溫度穩(wěn)定性好的介質材料。
[0071]本發(fā)明實施例將組分連續(xù)梯度變化的鐵電組合薄膜應用于可調諧微波器件中，該可調諧微波器件包括介質襯底、鐵電組合薄膜、第一電極和至少一個第二電極。
[0072]鐵電組合薄膜設置于所述介質襯底上，在所述鐵電組合薄膜中，鐵電材料中預定摻雜離子的成分含量沿梯度方向連續(xù)梯度變化，所述梯度方向在所述鐵電組合薄膜所在平面上。
[0073]所述電極用于形成調諧所述鐵電組合薄膜介電常數(shù)的調諧電場，所述電極被設置為使所述調諧電場方向與所述梯度方向不同。
[0074]具體地，利用多個實施例來描述本發(fā)明的可調諧微波器件。
[0075]圖8示出了本發(fā)明第一實施例的可調諧微波器件的截面示意圖。如圖8所示，可調諧微波器件80包括介質襯底81、形成第一電極的第一導電層82、鐵電組合薄膜83和形成第二電極的第二導電層84,其中，第`一導電層82設置于鐵電組合薄膜83和介質襯底81之間，也即，設置于所述鐵電組合薄膜83的下方。而第二導電層84設置于所述鐵電組合薄膜83的上方。
[0076]在鐵電組合薄膜83中，鐵電材料中預定摻雜離子的成分含量沿梯度方向連續(xù)梯度變化。所述梯度方向在鐵電組合薄膜83所在平面上，也即，梯度方向所在直線與鐵電組合薄膜83所在平面平行或在所述平面上。
[0077]優(yōu)選地，鐵電組合薄膜為Ba1-XSrJiO3' BaZr1-JixO3' PVxSrxTi03、PbZr1-JixO3'Sr1 _xBax (NbO3)2或BapxNa2x(NbO3)2^11K x沿所述梯度方向在第一值和第二值之間連續(xù)梯度變化。第一值小于第二值，且第一值和第二值為大于等于O、小于等于I的數(shù)值。本領域技術人員容易理解，第一值和第二值可以根據(jù)需要進行設定，當?shù)谝恢禐?，第二值為I時，鐵電組合薄膜的組分變化區(qū)域最大，對應地，其介電常數(shù)可調的溫度范圍也最大。
[0078]優(yōu)選地，鐵電組合薄膜包括至少一層鐵電材料原胞(如圖7所示)，每個鐵電材料原胞中的摻雜離子的組分含量沿梯度方向連續(xù)梯度變化。
[0079]當然，本領域技術人員可以理解，列舉以上優(yōu)選的鐵電材料僅為示例，而非為了限制本發(fā)明，采用鐵電特性隨摻雜離子成分含量變化的鐵電材料制備的鐵電組合薄膜均可適用于本實施例。
[0080]第一導電層82和第二導電層84可以根據(jù)微波器件80所要實現(xiàn)的功能而被圖案化以形成對應的第一電極和第二電極。在第一導電層82和第二導電層84上施加調諧電壓即可以實現(xiàn)對可調諧微波器件80的調諧。
[0081]在一個優(yōu)選實施方式中，第一導電層82和/或第二導電層84可以包括與鐵電組合薄膜接觸的超導體材料層?，F(xiàn)有鐵電薄膜電容的微波損耗主要包括來自鐵電薄膜的介電損耗和來自金屬電極的歐姆損耗。降低鐵電薄膜的介電損耗的關鍵在于降低薄膜缺陷密度，這一方面要優(yōu)化鐵電薄膜最佳生長條件，另一方面要消除鐵電薄膜與襯底、電極薄膜之間的界面應力。如果采用普通金屬導體做電極材料，由于晶格失配，界面應力會帶來很高的缺陷密度，而高溫超導薄膜與鐵電薄膜同屬鈣鈦礦結構，晶格匹配近于完美，有利于降低鐵電組合薄膜的缺陷密度。高溫超導與鐵電薄膜的制備工藝也相互兼容，有利于制備高質量的超導/鐵電異質外延多層薄膜。更重要的是，采用高溫超導材料做電極也恰可以發(fā)揮超導電性的優(yōu)勢，消除來自金屬導體的歐姆損耗，進一步降低器件的損耗。
[0082]在另一個優(yōu)選實施方式中，第一導電層82和第二導電層84可以設置為金屬材料，例如，金、銀、鋁或合金，可以在第一導電層82和鐵電組合薄膜83之間設置非鐵電體緩沖層83b，在鐵電組合薄膜83和第二導電層84之間設置非鐵電體緩沖層83a (如圖9所示)。非鐵電體緩沖層可以通過激光沉積、濺射、物理汽相沉積、化學汽相沉積、溶膠或任何其它適宜的技術來沉積在鐵電組合薄膜外。該非鐵電體緩沖層應該是定向的和具有與鐵電體層的晶體結構相匹配的晶格，從而降低鐵電薄膜的缺陷密度。此外，它應具有低微波損耗。在下面所述的或沒有明確公開的所有實施例中，非鐵電體層結構可以是單層結構或可以包括多層結構。所述非鐵電體緩沖層可以例如包括任何下列材料:Ce02，MgO, YSZ(釔穩(wěn)化鋯)，LaAlO3或其他具有適合的晶體結構的非導電材料。
[0083]在一個優(yōu)選實施方式中，第二導電層84未進行圖形化，以使得可調諧微波器件80被形成為可調諧電容器。
[0084]在另一個優(yōu)選實施方式中，第二導電層84可被圖形化為至少一個導電圖案，每個導電圖案對應于一個第二電極，同時，每個導電圖案與第一導電層82部分重疊，由此使得可調諧微波器件80被形成為多個可調諧電容器。
[0085]在另一個優(yōu)選實施方式中，第二導電層84適當?shù)匾员绢I域技術人員熟知的方式圖形化，使得可調諧微波器件80被形成為可調諧微波諧振器。當然，可調諧微波器件80也可以被形成為移相器或帶通濾波器。
[0086]在一個優(yōu)選實施例中，基于設計需要或其它考慮，也可以對第一導電層82進行圖形化以使得可調諧微波器件80被形成為所需要的形式。
[0087]本實施例通過利用材料組分連續(xù)梯度變化的鐵電組合薄膜作為可調微波器件的介電常數(shù)可調介質，使得鐵電組合薄膜具有拓寬的介電常數(shù)可調溫度范圍，從而提高了微波器件的溫度穩(wěn)定性。
[0088]圖1Oa-1Oc示出了本發(fā)明第二實施例的可調諧微波器件的截面示意圖。如圖1Oa -1Oc所示，可調諧微波器件100包括介質襯底101、形成第一電極102a和至少一個第二電極102b的圖形化導電層102以及鐵電組合薄膜103，其中，第一電極102a與每個第二電極102b之間具有間隙以形成絕緣。與第一實施例不同,本實施例中的第一電極102a和第二電極102b通過圖形化的導電層102共面形成。
[0089]圖形化導電層102的工藝可以基于任何現(xiàn)有的適合的圖形化工藝來進行。
[0090]在鐵電組合薄膜103中，鐵電材料中預定摻雜離子的組分含量沿梯度方向連續(xù)梯度變化。所述梯度方向在鐵電組合薄膜103所在平面上，也即，梯度方向所在直線與鐵電組合薄膜103所在平面平行或在所述平面上。
[0091]優(yōu)選地，鐵電組合薄膜為Ba1.,SrxTiO3^BaZr1 _xTix) O3Jb1 _xSrxTi03、Pb (Zr1 _xTix) O3>Sr1 _xBax (NbO3)2或BapxNa2x(NbO3)2^11K x沿所述梯度方向在第一值和第二值之間連續(xù)梯度變化。第一值小于第二值，且第一值和第二值為大于等于零、小于等于I的數(shù)值。當然，本領域技術人員可以理解，列舉以上優(yōu)選的鐵電材料僅為示例，而非為了限制本發(fā)明，采用鐵電特性隨摻雜離子組分含量變化的鐵電材料制備的鐵電組合薄膜均可適用于本實施例。
[0092]在一個優(yōu)選實施方式中，如圖1Oa所示，導電層102形成于鐵電組合薄膜103的上方，也即，鐵電組合薄膜103遠離介質襯底101的一側。
[0093]作為上述優(yōu)選實施方式的一個變形，如圖1Ob所示，導電層102形成于鐵電組合薄膜103的下方，也即，鐵電組合薄膜103與介質襯底101之間。
[0094]上述兩種優(yōu)選實施方式中，導電層102可以優(yōu)選包括與鐵電組合薄膜103接觸的超導體材料層，以降低薄膜缺陷密度，同時降低器件的損耗。
[0095]當然，與第一實施例類似，也可以優(yōu)選在導電層102和鐵電組合薄膜103之間設置非鐵電緩沖層104以改善薄膜缺陷密度(如圖11所示)。
[0096]在另一個優(yōu)選實施方式中，如圖1Oc所不，導電層102形成于介質襯底101上表面，第一電極102a與第二電極102b之間具有間隙，鐵電組合薄膜103形成于所述間隙。由此，形成導電層102與鐵電組合薄膜103共面的結構。可以通過現(xiàn)有的圖形化工藝對鐵電組合薄膜103圖形化后再生成圖形化的導電層以形成圖1Oc所示的結構。
[0097]當然，與第一實施例類似，本領域技術人員可以理解，根據(jù)需要，通過將共面的第一電極102a和第二電極102b圖形化為合適的形狀可以使得所述可調諧微波器件形成為共面電容、諧振器、移相器或帶通濾波器。
[0098]本實施例中三種不同的實施方式中，第一電極102a與第二電極102b形成在相同的平面上，其施加直流偏壓時`，第一電極102a與第二電極102b之間的調諧電場方向垂直于兩者相對的邊。這時，如圖12所示，鐵電組合薄膜組分梯度變化的梯度方向所在直線與所述調諧電場方向所在直線具有夾角Θ (O至90度之間)，在其它條件相同的前提下，Θ越大所得到微波器件可調的溫度范圍越大。因此在電場方向與梯度方向垂直的時候可調溫度范圍是是最大的。在電場方向與梯度方向所在直線夾角為O時，由于在與梯度方向垂直的電場分量為0，不同位置的電場經(jīng)過的鐵電組合薄膜的組分分布相同，使得鐵電組合薄膜沿與電場垂直的方向呈現(xiàn)出的相同的介電特性，此時，其介電常數(shù)可調的溫度范圍不能得到擴展。因此，在本實施例中，要使得介電常數(shù)可調的溫度范圍能夠擴展，除引入鐵電組合薄膜外，還需要保證圖形化獲得的第一電極102a與第二電極102b之間所形成的調諧電場方向與鐵電組合薄膜組分變化的梯度方向不同，也即，調諧電場方向與梯度方向所在直線夾角不為零。
[0099]本實施例通過以共面形式形成第一電極和第二電極，可以簡化可調諧微波器件的制造流程，同時進一步減小器件的厚度。
[0100]圖13是本發(fā)明第三實施例的可調諧微波器件的截面示意圖。如圖13所示，可調諧微波器件130包括介質襯底131、形成第一電極的第一導電層132、鐵電組合薄膜133和形成第二電極的第二導電層134,其中,第一導電層132設置于介質襯底131的下方,也即，介質襯底131遠離鐵電組合薄膜132的一側，而第二導電層134設置于所述鐵電組合薄膜133的上方，也即，鐵電組合薄膜132遠離介質襯底131的一側。
[0101]在鐵電組合薄膜133中，鐵電材料中預定摻雜離子的組分含量沿梯度方向連續(xù)梯度變化。所述梯度方向在鐵電組合薄膜133所在平面上，也即，梯度方向所在直線與鐵電組合薄膜133所在平面平行或在所述平面上。
[0102]優(yōu)選地，鐵電組合薄膜為Bai_xSrxTi03、BaZr1 _xTix03> Pb1 _xSrxTi03> PbZr1.xTix03>Sr1 _xBax (NbO3)2或BapxNa2x(NbO3)2^11K x沿所述梯度方向在第一值和第二值之間連續(xù)梯度變化。第一值小于第二值，且第一值和第二值為大于等于零、小于等于I的數(shù)值。當然，本領域技術人員可以理解，列舉以上優(yōu)選的鐵電材料僅為示例，而非為了限制本發(fā)明，采用鐵電特性(介質常數(shù)可調的溫度范圍)隨摻雜離子組分含量變化的鐵電材料制備的鐵電組合薄膜均可適用于本實施例。
[0103]在一個優(yōu)選實施方式中，器件本身為獨立的無支撐的(free-standing)。同時,介質襯底為電路的一部分，且本身為導電性材料。由此，可以提高該該結構下器件的等效電容，從而一定程度提高器件的可調諧性。
[0104]在一個優(yōu)選實施方式中，第一導電層132可以包括與鐵電組合薄膜接觸的超導體材料層，以降低薄膜缺陷密度，同時，進一步降低器件的損耗。
[0105]在一個優(yōu)選實施方式中，可以在第一導電層132和鐵電組合薄膜133之間設置非鐵電體緩沖層，非鐵電體緩沖層可以通過激光沉積、濺射、物理汽相沉積、化學汽相沉積、溶膠或任何其它適宜的技術來沉積在鐵電組合薄膜外。該非鐵電體緩沖層應該是定向的和具有與鐵電體層的晶體結構相匹配的晶格，從而降低鐵電薄膜的缺陷密度。
[0106]當然，與第一實施例類似，本領域技術人員可以理解，根據(jù)需要，通過將第一電極132和/或第二電極134圖形化為合適的形狀可以使得所述可調諧微波器件形成為共面電容、諧振器、移相器或帶通濾波器。
[0107]本實施例通過將形成電極的導電層分別設置在介質襯底和鐵電組合薄膜的復合體的兩側，增大了電 極之間的距離，減小了電極間的電場，這對于某些對于需要降低調諧電場的場合是有益的。
[0108]應當理解本部分僅僅選取部分實施例對于本發(fā)明進行示例性說明，而非用于限制本發(fā)明。凡在本發(fā)明精神和原則之內(nèi)所做的任何修改、等同替換和改進等，均包含于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權利要求】
1.一種可調諧微波器件，包括介質襯底、鐵電組合薄膜、第一電極和至少一個第二電極； 所述鐵電組合薄膜設置于所述介質襯底上，在所述鐵電組合薄膜中，鐵電材料中預定摻雜離子的成分含量沿梯度方向連續(xù)梯度變化，所述梯度方向在所述鐵電組合薄膜所在平面上； 所述第一電極和第二電極用于形成調諧所述鐵電組合薄膜介電常數(shù)的調諧電場，所述電極被設置為使所述調諧電場方向與所述梯度方向不同。
2.根據(jù)權利要求1所述的可調諧微波器件，其特征在于，所述第一電極設置于鐵電組合薄膜和介質襯底之間，所述至少一個第二電極設置于所述鐵電組合薄膜的上方。
3.根據(jù)權利要求1所述的可調諧微波器件，其特征在于，所述第一電極設置于所述介質襯底的下方，所述至少一個第二電極設置于所述鐵電組合薄膜的上方。
4.根據(jù)權利要求1所述的可調諧微波器件，其特征在于，所述第一電極和所述第二電極均設置于所述鐵電組合薄膜的上方。
5.根據(jù)權利要求1所述的可調諧微波器件，其特征在于，所述第一電極和所述第二電極均設置于所述鐵電組合薄膜和所述介質襯底之間。
6.根據(jù)權利要求1所述的可調諧微波器件，其特征在于，所述第一電極和所述第二電極均設置于所述介質襯底的上方，所述第一電極與第二電極之間具有間隙，所述鐵電組合薄膜形成于所述間隙中。
7.根據(jù)權利要求1- 6中任一項所述的可調諧微波器件，其特征在于，所述電極包括與鐵電組合薄膜接觸的超導體材料層。
8.根據(jù)權利要求1所述的可調諧微波器件，其特征在于，所述鐵電組合薄膜采用鐵電特性隨摻雜離子成分含量變化的鐵電材料制備。
9.根據(jù)權利要求5所述的可調諧微波器件，其特征在于，所述鐵電組合薄膜為Ba1 _xSrxTi03> BaZr1 _xTix03> Pb1 _xSrxTi03> PbZr1 _xTix03> Sr1 _ xBax (NbO3) 2 或 Ba1 _ xNa2x (NbO3)2,其中，X沿所述梯度方向在第一值和第二值之間連續(xù)梯度變化。
10.根據(jù)權利要求1、4或5所述的可調諧微波器件，其特征在于，所述鐵電組合薄膜包括至少一層鐵電材料原胞，每個鐵電材料原胞中的摻雜離子的成分含量沿梯度方向連續(xù)梯度變化。
【文檔編號】H01G4/06GK103762078SQ201410026262
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月20日 優(yōu)先權日:2014年1月20日
【發(fā)明者】袁潔, 金魁, 孫亮, 何豫生 申請人:中國科學院物理研究所