專利名稱：可調諧微波設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及具體對于微波的電可調諧設備，它是基于鐵電體結構的。
現(xiàn)有技術狀態(tài)已知的電可調諧設備，諸如電容(變容二極管)和那些基于鐵電體結構的電可調諧設備確實具有高的調諧范圍，但是在微波頻率的損耗太高，所以限制了它們的可應用性。在(沒有和有施加電場的)介電常數(shù)的最大和最小值的典型比值范圍為n＝1.5到3而在10Hz頻率處的損耗的正切范圍為0.02到0.05。這對于要求一個低損耗的微波應用并不令人滿意。則需要一個大約為1000-2000的質量因子。WO94/13028公開了一個具有鐵電體層的可調諧平面電容。然而，該電容在微波頻率處的損耗也高。
US-A-5 640 042顯示了另一個可調諧變容二極管。另外，在損耗太高的這種情形中，在介電材料-導體界面兩端產(chǎn)生高損耗并且在導體之間的自由表面導致鐵電材料在處理過程(蝕刻，圖案化)中被暴露，這樣，由于晶體結構被破壞，將產(chǎn)生損耗。
發(fā)明概述因此，所需要的是一個具有高調諧范圍以及在微波頻率處的低損耗的可調諧微波設備。另外，還需要一個具有在微波頻率高至，例如，1000-2000的質量因子的設備，其中鐵電層被穩(wěn)定化并且是一種具有時間穩(wěn)定性的設備，即性能不隨時間改變或惡化。
另外，還需要一種可防止在可調諧鐵電材料中發(fā)生雪崩電擊穿的設備。
此外，還需要一種易于制作的設備。還需要一種對于外部因素，諸如溫度、濕度等不敏感的設備。因此，提供一個具體對于微波的電可調諧設備，包括一個載體基底，傳導裝置和至少一個可調諧鐵電體層。在該/每一個(或至少一些)傳導裝置和一個可調諧鐵電層之間提供了一個緩沖層結構，該緩沖層包括一個包含非鐵電體材料的薄膜結構。
根據(jù)一個實施例，該薄膜結構包括一個薄的非鐵電層。在另一個實施例中，該薄膜結構包括一個多層結構，該多層結構包括多個非鐵電層。在再另一個實施例中，一個多層結構包括一些以一個可選方式來與鐵電特層相排列的非鐵電層，諸如非鐵電體層的多層結構總是緊鄰該/一個傳導裝置來配置。
在一個具體實施例中，該鐵電層放置在載體基底頂部而包括一個或多個層的非鐵電體薄膜結構被放置在鐵電體層的頂部，傳導裝置依次被放置在非鐵電體層的頂部。在另一個實施例中，鐵電體層被放置在包括一個或多個非鐵電體層的非鐵電體層結構的上部，該非鐵電體層被放置在傳導裝置上部。該傳導裝置具體包括(至少)兩個縱向排列的電極，在這兩個電極或導體之間有一個間隙。根據(jù)不同的實施例，非鐵電體結構沉積在鐵電體層之內或沉積在鐵電體層之外。
非鐵電體層的沉積可使用以使用諸如激光沉積、濺射、物理或化學汽相沉積等不同技術或通過使用熔膠-凝膠技術來實現(xiàn)。當然也可以使用其他合適的技術。
有利的，鐵電體和非鐵電體結構具有點陣匹配晶體結構。非鐵電體結構還被特別地放置以覆蓋在導體或電極之間的間隙。在具體實例中，該設備包括一個電可調諧電容或一個變容二極管。
在另一個實施例中，該設備包括配置在載體基底每一側的兩個鐵電體材料層和兩個傳導裝置，以一種方式放置在相應的鐵電體和非鐵電體結構之間的非鐵電體薄膜結構，使得該設備形成一個諧振器。根據(jù)不同的實例，本發(fā)明的設備可以包括微波濾波器或被用于微波濾波器中。還有，諸如移相器的設備可以采用本發(fā)明的思想來提供。
可以使用不同的材料；鐵電體材料的一個例子是STO(SrTiO3)。非鐵電體材料例如可以包括CeO2或一個相似材料或SrTiO3，它以這樣一種方式來沉積以使得它是非鐵電體材料。使用所公開的這種設備的一個優(yōu)點是在于無線通信系統(tǒng)中。
附圖簡述下面參照附圖以一種非限制性方式來描述本發(fā)明

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的可調諧設備的剖面圖，圖2示意性的示出了與圖1的實施例相似的平面電容器，圖3示出了本發(fā)明設備的第二實施例，
圖4示出了另一個實施例，其中使用一個包括交替層的結構，圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的第四實施例，圖6示意性的示出了作為對于一系列材料厚度的電容值函數(shù)的可調諧性的實驗依據(jù)，和圖7示出當使用根據(jù)本發(fā)明的非鐵電體材料時與損耗因子相關的實驗結果。
發(fā)明詳述本發(fā)明公開了一種可以實現(xiàn)高可調諧性以及在微波頻率的低損耗的設備。用一般術語，這是通過其中一個(或多個)薄膜非鐵電體、介電層被放置在導電層和可調諧鐵電體層之間的一種設計來實現(xiàn)的。該非鐵電體層還用作在傳導裝置或電極之間的一個間隙中的鐵電體層的覆蓋。該非鐵電體層可以通過激光沉積、濺射、物理汽相沉積、化學汽相沉積、溶膠或任何其他適宜的技術來沉積在鐵電體層之內或外。該非鐵電體層應該是定向的和具有與鐵電體層的晶體結構相點陣匹配。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。
薄的非鐵電體結構可以減少由于與鐵電體層所產(chǎn)生的可調諧電容相串聯(lián)的薄費鐵電體結構的兩個電容值的存在帶來的總電容值。甚至即使總電容值減少，這是在大多數(shù)應用中所希望的，由于鐵電體層的介電常數(shù)的變化將重新分布電場和和改變由于薄的非鐵電體結構所引起的串聯(lián)電容，因此可調諧性將只有較小的減少。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個設備10的第一實施例，該設備包括一個基底1或提供有一個可調諧的鐵電體材料。在所述可調諧鐵電體材料2上，例如使用如上所述的技術沉積有一個非鐵電體層4。包括第一導體或電極3A和第二導體或電極3B的兩個傳導裝置被放置在非鐵電體層4上。在第一和第二電極3A，3B之間有一個間隙。如圖所示，非鐵電體結構4覆蓋了橫過在導體3A，3B之間的間隙的鐵電體結構2。從而，鐵電體結構4的表面被處于一種完成狀態(tài)但還在處理中，即當制作設備時的非鐵電體結構4所保護。因為鐵電體結構2被以這種方式保護，則鐵電體結構將是穩(wěn)定的并且其性能將是時間穩(wěn)定的，即不隨時間而惡化。此外，由于在鐵電體結構界面有更高的控制而在鐵電體材料的表面層的缺陷更少，所以損耗將降低。替代兩個電極，傳導裝置可以包括多于兩個的電極，例如在電極3A，3B之間配置有一個或多個電極。
此外，非鐵電體層將防止在可調諧鐵電體材料中的雪崩式電擊穿。
雖然，如圖所示，非鐵電體結構4只包括一層，應該理解，它也可以包括多層。
圖2示出了一個與平面電容器20相關的實施例。與這一實施例有關，只給出了一些與僅僅用于示意性目的的尺度，數(shù)值等有關的附圖。該設備包括一個基底1’，例如為具有例如0.5mm厚度H，和具有一個介電常數(shù)εs＝25的LaAlO3。在該基底頂部放置有一個例如為STO的鐵電體層2’，該鐵電體層具有一個hf為0.25μm的厚度和一個介電常數(shù)εf＝1500。其上放置了一個具有一個介電常數(shù)εd＝10的保護緩沖層4’，它是一個非鐵電體層。
在圖3中公開了一個可選設備30，其中包括多個子層的非鐵電體結構4”被放置在傳導電極3A’，3B’上部，而這兩個傳導電極被放置在基底1”上。非鐵電體的多層結構被沉積在一個可調諧鐵電體材料2”之上或之下。其工作過程基本與參照圖1所描述的相同，除了由于鐵電體層被放置在非鐵電體層之上，即在電極之上，使得其結構與圖1所示的相反。此外，非鐵電體層包括多層結構。當然，在該實施例中，非鐵電體層還可以包括單層。
圖4示出料一個可調諧電容器40，其中一個結構包括以交替方式放置的鐵電體層2A1，2A2，2A3和非鐵電體層4A1，4A2，4A3。層數(shù)當然可以是任意的并不限于如圖4所示的每種三層，主要是非鐵電體層(在此為4A1)是與傳導裝置3A1，3B1相接觸地放置，并且還覆蓋在電極之間的間隙中的鐵電體層(在此為2A1)。
這樣一個交替放置結構當然還可以用于如圖3所公開的“相反”結構中。
圖5示出了另一個設備50，其中以電極形式的第一傳導裝置3A2，3B2被放置在非鐵電體層4C上，該鐵電體層4C依次沉積在一個鐵電體，有源層2C上。在鐵電體層2C之下，另一個非鐵電體層4D被提供在第二傳導裝置3A3，3B3所放置的另一端，這兩個傳導裝置被依次放置在一個基底1C之上。在此情形中，如圖4所示，還使用了一個交替結構。
任何上述的材料還可以用于這些實例中。非鐵電體材料可以是介電體，但是它不必是這種材料。它還可以是鐵磁體。
任何實施例的有源鐵電體層結構可以，例如，包括任何SrTiO3，BaTiO3，BaxSr1-xTiO3，PZT(鋯鈦酸鉛)以及鐵磁體材料。該緩沖層或保護性非鐵電體結構可以，例如包括任何下列材料CeO2，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，例如PrBCO(PrBa2Cu3O7-x)，非導電性YBa2Cu3O7-x等。該基底可以包括LaAlO3，MgO，R-切割或M-切割的藍寶石，SiSrRuO3或其他任何適宜的材料。應明確的是，上述許多例子并不是排外的，還有其他可能性存在。
在圖6中，動態(tài)電容被示出為對于在此為電介質的非鐵電體緩沖層4’的三個不同厚度的電壓的函數(shù)。在此例中，平面電容器的長度假設為0.5mm，而導體3A’，3B’之間的間隙為4μm?？梢哉f一個磁壁被形成在基底和鐵電體層2’之間。
電容值被示出為施加在對于電介質非鐵電體緩沖層4’的三個不同值h10＝10nm，h30＝30mm，h100＝100nm的電極之間的電壓的函數(shù)。該電容對于當在傳導裝置和鐵電體層之間沒有緩沖層的例子，還被示出為曲線h0。從而，假設示出了與沒有緩沖層的例子相比，可調諧性是如何隨著一個對于一些厚度的緩沖層4’的加入而減小的。如所示，在可調諧性中的減小是顯著的。
圖7示出了當提供有一個緩沖層時(對應于上面的曲線A)和在沒有提供緩沖層的情形下(對應于下面的曲線B)，對于一個電容值的依賴于電壓的Q值。從而，由實驗性特性可知，對于一個電容器的Q值隨著一個緩沖層的加入而相當大地增加。
除了如上所述的優(yōu)點，在使用一個跨越有源(可調諧)鐵電體層的緩沖層中是有利的，這是因為當一個導電性圖案被刻蝕時，還可能在后續(xù)，在其下的層中產(chǎn)生刻蝕。從而，如果不保護在間隙中的鐵電體材料的頂層，將會對它產(chǎn)生損害。
本發(fā)明的概念還可以被施加在諧振器上，諸如在同一專利人的專利號為No.9502137-4的瑞典專利申請“可調諧微波設備”中公開的諧振器。本發(fā)明的概念還可以用于不同類型的微波濾波器中。一些其他申請當然也是可能的。在其他方面，本發(fā)明不限于具體示出的實施例，而是可以在權力要求的范圍內有許多方式的變化。
權利要求
1.一種電可調諧設備(10；20；30；40；50)，例如對于微波的，包括一個載體基底(1；1’；1”；1A-1C)，傳導裝置(3A，3B；3A’，3B’；3A”，3B”；3A1，3B1；3A2，3B2；3A3，3B3)和至少一個有源鐵電體層(2；2’；2”；2A1，2A2，2A3)，其特征在于在至少一些傳導裝置(3A，3B；3A’，3B’；3A”，3B”，3A1，3B1；3A2，3B2；3A3，3B3)和一個鐵電體層(2；2’；2”；2A1，2A2，2A3)之間放置有由包括一個非鐵電體材料的薄膜結構所構成的一個緩沖層(4；4’；4”；4A1，4A2，4A3；4C，4D)。
2.根據(jù)權利要求1的一種設備，其特征在于該薄膜設備(4；4’；4”；4A1，4A2，4A3；4C，4D)包括一個薄的非鐵電體層。
3.根據(jù)權利要求1的一種設備，其特征在于該薄膜結構包括一個多層結構(4”；4A1，4A2，4A3)，該多層結構包括一些非鐵電體層。
4.根據(jù)權利要求2或3的一種設備，其特征在于一些非鐵電體層(2A1，2A2，2A3)和非鐵電體層(4A1，4A2，4A3)被以一種交替方式，緊鄰該傳導裝置(3A1，3B1)排列。
5.根據(jù)權利要求1-3中任一項的一種設備，其特征在于該鐵電體層(2；2’；2A3)被放置在載體基底(1；1’；1A)的頂部，該非鐵電體薄膜結構(4；4’；4A1)被排列在鐵電體層的頂部并在于該傳導裝置(3A，3B；3A’，3B’；3A1，3B1)被放置在非鐵電體結構的頂部。
6.根據(jù)權利要求1-3中任一項的一種設備，其特征在于該鐵電體層(2”)放置在該非鐵電體結構(4”)上，該非鐵電體結構被放置在放置于基底上的傳導裝置(3A”，3B”)的頂部。
7.根據(jù)上述權利要求中任一項的一種設備，其特征在于該傳導裝置包括兩個縱向排列的電極(3A，3B；3A’，3B’；3A”，3B”；3A1，3B1；3A2，3B2；3A3，3B3)，在它們之間有一個間隙。
8.根據(jù)權利要求1-4中任一項的一種設備，其特征在于提供有第二傳導裝置(3A3，3B3)并在于一個非鐵電體層(4D)被放置在所述第二傳導裝置(3A3，3B3)和鐵電體層(2C)之間。
9.根據(jù)上述權利要求中任一項的一種設備，其特征在于該非鐵電體緩沖層結構被沉積在鐵電體層之內。
10.根據(jù)權利要求1-6中任一項的一種設備，其特征在于該非鐵電體緩沖層結構被沉積在該鐵電體層之外。
11.根據(jù)權利要求7或8的一種設備，其特征在于該非鐵電體層結構通過使用激光沉積，濺射，物理或化學的汽相沉積或熔膠-凝膠技術而沉積。
12.根據(jù)上述權利要求中任一項的一種設備，其特征在于該鐵電體和非鐵電體結構具有點陣匹配的晶體結構。
13.根據(jù)權利要求7的一種設備，其特征在于該非鐵電體緩沖層結構(3A，3B；3A’，3B’；3A”，3B”；3A1，3B1；3A2，3B2；3A3，3B3)被放置以覆蓋在導體/電極之間的間隙。
14.根據(jù)上述權利要求中任一項的一種設備，其特征在于它包括一個電可調諧電容器(變容二極管)。
15.根據(jù)上述權利要求中任一項的一種設備，其特征在于它包括配置在載體基底的每一側上的兩個鐵電體材料層和兩個傳導裝置，被配置在相應的鐵電體和非鐵電體結構之間的非鐵電體薄膜結構，該設備形成一個諧振器。
16.根據(jù)上述權利要求中任一項的一種設備，其特征在于緩沖層結構的該非鐵電體材料是電介質的。
17.根據(jù)權利要求1-16中任一項的一種設備，其特征在于該非鐵電體材料為鐵磁體。
18.根據(jù)上述權利要求中任一項的一種設備，其特征在于它被用于微波濾波器中。
19.根據(jù)上述權利要求中任一項的一種設備，其特征在于該鐵電體材料包括STO(SrTiO3)。
20.根據(jù)上述權利要求中任一項的一種設備，其特征在于該非鐵電體材料包括CeO2或一個類似的材料或以使得它不是鐵電體的這樣方式沉積的SrTiO3。
21.在無線通信系統(tǒng)中對在上述權利要求中任一項的設備的使用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一個電可調諧設備(10),具體地是用于微波的。它至少包括一個載體基底(1),傳導裝置(3A,3B)和至少一個可調諧鐵電體層(2)。在傳導裝置(3A,3B)和可調諧鐵電體層(2)之間放置有一個由薄膜結構構成的緩沖層(4)。
文檔編號H01G7/06GK1347577SQ0080624
公開日2002年5月1日 申請日期2000年4月11日 優(yōu)先權日1999年4月13日
發(fā)明者E·卡爾松, P·佩特羅夫, O·文迪克, E·維克堡, Z·伊瓦諾夫 申請人:艾利森電話股份有限公司