BST 薄膜對(duì)GaN襯底的傳輸特性影響

葉育紅，周 駿，沈 亞，李 輝

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第55研究所，南京 210016）

1 引言

鈦酸鍶鋇（BST）鐵電薄膜是指具有鐵電性且厚度為數(shù)十納米到數(shù)微米的薄膜材料，它具有良好的鐵電性、壓電性、熱釋電性、電光及非線性光學(xué)等特性，可廣泛應(yīng)用于微電子學(xué)、光電子學(xué)、集成光學(xué)和微電子機(jī)械系統(tǒng)等領(lǐng)域，是目前高新技術(shù)研究的前沿和熱點(diǎn)之一[1]。BST薄膜具有非線性強(qiáng)、漏電流小、不易疲勞、居里溫度可調(diào)等特點(diǎn)[2]。GaN基材料作為第三代半導(dǎo)體材料，具有高擊穿電場(chǎng)、高電子飽和速度、高遷移率、抗輻照、耐高溫等特點(diǎn)，在微波毫米波高功率放大器方面具有很大的潛力，因此，研究磁電薄膜對(duì)GaN材料的調(diào)制效應(yīng)是非常必要的。

目前報(bào)道的文獻(xiàn)中已較為系統(tǒng)地研究了BST薄膜的組分、微結(jié)構(gòu)、制備工藝、基片、底電段、晶化對(duì)升電性能的影響等。也有關(guān)于不同膜厚的BST薄膜的介電系數(shù)溫度特性及BST薄膜的膜厚與介電性能關(guān)系的研究[3]，但BST薄膜對(duì)GaN襯底的傳輸特性影響并無(wú)研究報(bào)道。本文主要研究了BST薄膜的不同結(jié)構(gòu)方式以及不同的BST薄膜材料參數(shù)對(duì)微波的傳輸特性影響，通過(guò)在GaN襯底上先生長(zhǎng)BST薄膜后做傳輸線，以及先做傳輸線后生長(zhǎng)BST薄膜等方式，來(lái)研究不同結(jié)構(gòu)BST薄膜對(duì)微波性能的影響。通過(guò)電磁場(chǎng)仿真，就不同的薄膜材料參數(shù)對(duì)傳輸線特性的影響進(jìn)行分析，為接下來(lái)GaN單片功率放大器設(shè)計(jì)提供一定的研究思路。

2 實(shí)驗(yàn)方法

出于成本考慮，本實(shí)驗(yàn)所使用的GaN材料生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底上，藍(lán)寶石介電常數(shù)為5.5，厚度為360μm，GaN介電常數(shù)9，厚度為2μm，BST薄膜材料組分為Ba0.6Sr0.4TiO3，厚度為150nm，介電常數(shù)及介質(zhì)損耗角未知。傳輸線采用標(biāo)準(zhǔn)的0.25μm微電子工藝進(jìn)行流片加工。藍(lán)寶石本身較硬，無(wú)法在材料上做通孔接地。因此，采用了CPW結(jié)構(gòu)的傳輸線，而不是傳統(tǒng)意義上的CPWG結(jié)構(gòu)。樣片制作了三種結(jié)構(gòu)的傳輸線：

（1）BST薄膜位于傳輸線上方；

（2）BST薄膜位于傳輸線下方；

（3）對(duì)傳輸線金屬進(jìn)行電鍍。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同的結(jié)構(gòu)對(duì)微波傳輸特性影響

圖1是所制作的三種樣品實(shí)物照片。

樣品1：BST薄膜位于傳輸線底部；

樣品2：BST薄膜位于傳輸線頂部；

樣品3：BST薄膜位于傳輸線金屬底部且對(duì)傳輸線進(jìn)行了電鍍。

圖1 版圖及樣品照片

未電鍍的金屬厚度為0.4μm，電鍍過(guò)后金屬厚度約為3μm。樣品采用探針臺(tái)進(jìn)行微波測(cè)試，探針與傳輸線接觸處通過(guò)濕法腐蝕開(kāi)出，測(cè)試結(jié)果如圖2。

圖2 三種結(jié)構(gòu)樣品的S參數(shù)

由圖2可知，樣品1與樣品2的駐波僅為-5dB左右，插損卻達(dá)到十幾dB，性能很差，樣品3的駐波為-13dB以下，插損為0.5dB左右，性能較好。分析原因：可能是在微電子加工工藝過(guò)程中，金屬層未電鍍，厚度不夠，導(dǎo)致金屬導(dǎo)體不連續(xù)，對(duì)這三種傳輸線進(jìn)行直流測(cè)試及形貌分析，如圖3和圖4所示。

圖3 樣品1的形貌圖

圖4 直流測(cè)試圖

由形貌圖可知，傳輸線金屬較薄，表面存在許多空洞，金屬呈不連續(xù)狀。從直流測(cè)試圖中可知，樣品1的直流電阻最大約為10.34Ω，樣品2的直流電阻約為2.51Ω，樣品3的直流電阻約為0.59Ω。因此，樣品1與樣品2的微波特性較差，主要在于金屬較薄，傳輸線不連續(xù)，直流電阻變大，輻射損耗增大，插損變大。

樣品3進(jìn)一步分析，制作兩段結(jié)構(gòu)相同、長(zhǎng)度不同的傳輸線，一段長(zhǎng)為2 331μm，另一段的長(zhǎng)度為3 931μm，探針臺(tái)進(jìn)行微波測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖5。

圖5 不同長(zhǎng)度的傳輸線插損

由圖5中可知，長(zhǎng)傳輸線在10GHz的插損約為-1dB左右，短傳輸線在10GHz的插損約為-0.5dB左右，推算出此種結(jié)構(gòu)在10GHz的插入損耗約為-0.32dB/mm。由于本文未制作沒(méi)有生長(zhǎng)BST薄膜的GaN傳輸線，因此僅以普通的厚膜電路為例。按以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，普通LTCC厚膜傳輸線的插損約為0.03dB/mm，由此可見(jiàn)，生長(zhǎng)BST薄膜的傳輸線插損比普通結(jié)構(gòu)的傳輸線插損大得多，因此在設(shè)計(jì)功率放大器時(shí)需考慮插損對(duì)性能的影響。

3.2 不同薄膜材料參數(shù)對(duì)微波傳輸特性的影響

采用電磁場(chǎng)仿真軟件momentum對(duì)不同的薄膜材料特性如介電常數(shù)、薄膜厚度以及介質(zhì)損耗角對(duì)傳輸線性能的影響進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖6～圖8。

圖6 不同介電常數(shù)對(duì)傳輸特性的影響

圖6是不同的薄膜介電常數(shù)對(duì)傳輸線S參數(shù)的影響。由圖6可知，回波損耗隨著介電常數(shù)的增大而減小，電長(zhǎng)度也減小。原因在于隨著介電常數(shù)的升高，介質(zhì)的有效介電常數(shù)變大，因而特性阻抗減小，有效電長(zhǎng)度變長(zhǎng)。

圖7是不同的BST薄膜厚度對(duì)傳輸線S參數(shù)的影響。由圖7可知，隨著膜厚的增加，回波損耗逐漸減小，電長(zhǎng)度也減小，插入損耗急劇變大。原因在于BST薄膜本身介電常數(shù)和損耗角都比GaN大得多，隨著膜厚增加，BST對(duì)傳輸線的影響逐漸加大，提高了復(fù)合介質(zhì)的有效介電常數(shù)和損耗角，引起了插損和回波損耗的變化。

圖7 不同的薄膜厚度對(duì)傳輸特性的影響

圖8是不同的薄膜介質(zhì)損耗角對(duì)傳輸線S參數(shù)的影響，傳輸線損耗主要分為介質(zhì)損耗、導(dǎo)體損耗和輻射損耗。傳輸線結(jié)構(gòu)一定，輻射損耗也一定，在仿真中不考慮導(dǎo)體損耗，認(rèn)為金屬為一無(wú)耗導(dǎo)體，因此，插損主要由介質(zhì)損耗來(lái)確定。從仿真中可以看到，隨著薄膜介質(zhì)損耗角變大，插入損耗明顯變大，原因在于隨著薄膜的介質(zhì)損耗角增大，提高了整體結(jié)構(gòu)的介質(zhì)損耗角，從而引起傳輸線的插損變大。

圖8 不同介質(zhì)損耗角對(duì)傳輸特性的影響

4 結(jié)論

對(duì)生長(zhǎng)了BST薄膜的GaN傳輸線進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)表明，未電鍍的傳輸線表面空洞較多，直流電阻變大，引起特性惡化。生長(zhǎng)了BST薄膜的傳輸線插損約為0.32dB/mm，比未生長(zhǎng)薄膜的普通傳輸線插損大。不同的薄膜材料參數(shù)對(duì)傳輸特性的影響也很明顯，隨著介電常數(shù)、膜厚以及損耗角的增大，傳輸線有效介電常數(shù)變大，特性阻抗減小。因此，在設(shè)計(jì)基于磁電效應(yīng)的GaN功率放大器時(shí)，必須考慮BST薄膜對(duì)GaN襯底的影響。

[1]符春林，楊傳仁.鈦酸鍶鋇（BST）薄膜的介電性能機(jī)理研究進(jìn)展[J].真空科學(xué)與技術(shù)，2003，5：187-194.

[2]Cho H J, KalIg C S, Hwang C S, ea al. Structural and electrical properties of Ba0.5Sr0.5TiO3thin films on Ir and IrO2electrodes [J]. Appl P hys,1997,36（7A）：874-876.

[3]陳宏偉，楊傳仁.鈦酸鍶鋇（BST）介電性能研究[J].功能材料，2004，5：615-617.