CN116207465B - 一种基于碲化锗相变开关的可重构滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于滤波器件领域，具体涉及一种基于碲化锗相变开关的可重构滤波器，包括：基板、开关加热电极层、介质隔离层、GeTe层、电极层、背面接地层、滤波器谐振环；基板用于支撑整个器件结构；开关加热电极层嵌入基板特定的凹槽内，用于加热GeTe层使其相变；介质隔离层设置在开关加热电极层与GeTe层之间，用于隔离开关加热电极层与GeTe层；电极层位于GeTe层上方与滤波器谐振环连接，用于固定GeTe层与滤波器谐振环；背面接地层位于基板底部。本发明通过加热开关加热电极层改变GeTe相变材料的物理状态，不需要一直外加电压，与一般的MEMS可调滤波器相比具有更快的响应时间、更小的驱动电压脉冲不消耗静态功率。
Description
技术领域
本发明属于滤波器件领域，具体涉及一种基于碲化锗相变开关的可重构滤波器。
背景技术
随着无线通信技术的不断发展，现代无线通信系统及各类电子终端产品向着器件小型化、高集成度、多功能一体化的方向不断发展。滤波器是无线通信系统中应用最为广泛的元件，也是最基本的信号处理器件。通常射频前端需要采用不同的滤波器组实现从多频段的信号中分离出所需要的频谱信号的功能，这就需要不同的滤波器组进行处理，这使得射频前端体积增大，结构变复杂，也会影响性能。因此可重构滤波器成为研究热点。
可重构滤波器包括主要包括中心频带可重构、带宽可重构两种。可重构滤波器目前的主要实现方式有：变容二极管、PIN二极管、可调谐介质材料、微电子机械技术(MEMS)等。变容二极管是利用施加不同的电压改变电容的方法实现。PIN二极管是利用加载偏置电压实现的。加载正向电压时，PIN二极管等效为一个小电阻，加载反向电压时，可以等效为一个RC并联电路，呈现高阻。可调谐介质材料指外加电场时，介电常数发生改变，引起电容变化。MEMS技术实现可调谐滤波器有几种方式实现：谐振器调谐、MEMS电容加载、MEMS可调电容等。
现有技术问题是：一般需要外加电压使其保持一定的状态，这导致了驱动成本的增加；如变容二极管，施加不同的驱动电压，其结电容发生变化，但大的射频信号会在滤波器上导致非线性，这也会影响到滤波器的性能。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种基于碲化锗相变开关的可重构滤波器，包括：基板、开关加热电极层、介质隔离层、GeTe层、电极层、背面接地层、滤波器谐振环；
所述基板用于支撑整个器件结构，基板上下两面都生长有氮化硅层；
所述开关加热电极层嵌入所述基板特定的凹槽内，用于加热GeTe层使其相变；
所述介质隔离层设置在所述开关加热电极层与所述GeTe层之间，用于隔离所述开关加热电极层与所述GeTe层；
所述电极层位于所述GeTe层上方与所述滤波器谐振环连接，用于固定所述GeTe层与所述滤波器谐振环；
所述背面接地层位于所述基板底部。
优选的，所述开关加热电极层、介质隔离层、GeTe层、电极层组成相变开关。
优选的，所述基板材料选用单面抛光的高阻硅。
优选的，所述开关加热电极层材料选用钨。
优选的，所述介质隔离层材料选用氮化硅。
优选的，所述电极层、所述背面接地层以及所述滤波器谐振环材料选用导电性好的金属且所述电极层下方附有一层Ti粘附层用于增加电极层粘附性。
优选的，所述滤波器谐振环，包括：开口谐振环与缝隙耦合馈电结构，所述缝隙耦合馈电结构与开口谐振环通过耦合的方式实现馈电连接。
进一步的，所述缝隙耦合馈电结构与开口谐振环通过耦合的方式实现馈电连接，包括：
所述开口谐振环本身可视为电感，电荷在谐振环自身缺口处聚集形成电容，开口谐振环之间产生缝隙耦合电容，形成谐振电路。
优选的，所述开关加热电极层、介质隔离层、GeTe层、电极层、滤波器谐振环均为两个，整体呈对称结构分布。
本发明的有益效果：本发明设计的滤波器，通过加热开关加热电极层温度达到GeTe相变材料的相变温度时，GeTe相变材料从非晶态转化为晶态；当温度达到GeTe相变材料的熔化温度时，GeTe相变材料转化为非晶态，之后不需要再对开关施加激励即可处于一个稳定的状态，不需要一直对可重构滤波器外加电压，因此与一般的MEMS可调滤波器相比具有更快的响应时间和更小的驱动电压脉冲，并且不消耗静态功率来保持在开关的ON或OFF状态，从而提升滤波器效率。
附图说明
图1为本发明的一种基于碲化锗相变开关的可重构滤波器的整体结构俯视图；
图2为本发明的一种基于碲化锗相变开关的可重构滤波器的整体结构侧视图；
图3为本发明中相变开关S参数；
图4为本发明中可重构滤波器S参数；
图中：1：谐振环，2：开关加热电极层pad，3：缝隙耦合馈电结构，4：相变开关，5：介质隔离层，6：GeTe层，7：电极层，8：基板，9：开关加热电极层，10：背面接地层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本实施例中，提供一种基于碲化锗相变开关的可重构滤波器，如图1、图2所示，包括：基板、开关加热电极层、介质隔离层、GeTe层、电极层、背面接地层、滤波器谐振环；
所述基板用于支撑整个器件结构，基板上下两面都生长有氮化硅层，氮化硅具有良好的绝缘性，用于隔绝器件之间的电流；
所述开关加热电极层嵌入所述基板特定的凹槽内，用于加热GeTe层使其相变，使用时激励施加在开关加热电极层pad上，将加热开关加热电极层，使GeTe层的相变材料物理状态发生改变；
所述介质隔离层设置在所述开关加热电极层与所述GeTe层之间，用于隔离所述开关加热电极层与所述GeTe层；
所述电极层位于所述GeTe层上方与所述滤波器谐振环连接，用于固定所述GeTe层与所述滤波器谐振环；
所述背面接地层位于所述基板底部。
所述开关加热电极层、介质隔离层、GeTe层、电极层组成相变开关。
相变开关加载到谐振环上，开关的状态影响到滤波器谐振环的阻抗，从而影响滤波器的中心频率。
在使用过程中，对开关加热电极层上的开关加热电极层pad施加直流激励，当温度达到碲化锗的相变温度时，碲化锗从非晶态转化为晶态；当温度达到碲化锗的熔化温度时，通过淬火得到的碲化锗为非晶态，通过相变材料的物理状态的改变，影响滤波器谐振环的阻抗，从而影响滤波器的中心频率，实现滤波。
所述基板材料选用单面抛光的高阻硅，避免背面接地层与其他器件之间产生电流影响。
所述开关加热电极层材料选用钨，钨具有较大的电阻率，具有良好的加热效率。
在基板上刻蚀出微槽，生长开关加热电极层，形成利于热量集中的图形，同时，嵌于凹槽上的开关加热电极层的有利于增加射频信号与直流加热信号之间的电隔离。
所述介质隔离层材料选用氮化硅，氮化硅具有良好的绝缘性，可以将开关加热电极层与GeTe层完全隔离，避免加热电极与GeTe间的欧姆接触。
所述GeTe层中为使用负胶光刻后，通过磁控溅射技术生长得到GeTe，并在丙酮中剥离出，且所述GeTe层放置在开关加热电极层热量最集中的区域。
所述电极层、所述背面接地层以及所述滤波器谐振环材料选用导电性好的金属，如金或者铜等，一般下方需要生长一层Ti粘附层，增加电极层粘附性，防止电极层脱落。
所述滤波器谐振环，包括：开口谐振环与缝隙耦合馈电结构，所述缝隙耦合馈电结构与开口谐振环通过耦合的方式实现馈电连接。
所述缝隙耦合馈电结构与开口谐振环通过耦合的方式实现馈电连接，包括：
所述开口谐振环本身可视为电感，电荷在谐振环自身缺口处聚集形成电容，开口谐振环之间产生缝隙耦合电容，形成谐振电路。
所述开关加热电极层、介质隔离层、GeTe层、电极层、滤波器谐振环均为两个，整体呈对称结构分布。
在本实施例中，提供一种基于碲化锗相变开关的可重构滤波器的制备方法，包括：
选用高阻硅基片，依次使用丙酮、酒精、去离子水超声清洗，然后通过等离子清洗机再次清洗；
在基片正面光刻图案后，通过反应离子刻蚀出微槽，大小为80μm×120μm×300nm；
然后在基片表面通过磁控溅射的方法沉积一层钨为开关加热电极层，通过光刻与双氧水刻蚀出开关加热电极的形状；
在开关加热层上用PECVD沉积一层100nm的Si3N4，用正胶光刻图案化，然后用反应离子刻蚀，获得介质隔离层；
在介质隔离层上使用负胶光刻，用射频磁控溅射沉积GeTe层，使用丙酮剥离出图形大小为80μm×20μm×200nm；
再次使用负胶光刻，溅射Ti/Au电极，剥离得到开关电极与滤波器谐振环；同时背面用同样的方法制作一层接地层。
在本实施例使用HFSS软件对基于相变开关的可重构滤波器进行了数值仿真。
具体通过在软件中建立相变开关部分与谐振环部分有限元仿真模型，开关由一个单独的GeTe层组成，横向连接两个射频端子。GeTe层下面有一条嵌入式加热线。加热器通过氮化硅(Si3N4)层与RF信号路径隔离。其中碲化锗晶态电导率为4.3×104S/m，非晶态碲化锗电导率设置为4.3S/m，该数据来源于实验测试。仿真采用波端口方式馈电，求解频率为0-30GHz。
对单独的相变开关结构进行了仿真，如图3所示，可见开关开态，S21较好，均小于1dB；开关关态S21随着频率增加慢慢变差。
如图4所示，从S参数来看，该可重构滤波器实现了中心频率从12.5GHz到15GHz的频率可调。当开关打开时，处于较低的频率；当开关关闭时处于较高的频率。通带内，有较低的插入损耗，仅为1dB，回波损耗大于22dB。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种基于碲化锗相变开关的可重构滤波器，其特征在于，包括：基板、开关加热电极层、介质隔离层、GeTe层、电极层、背面接地层、滤波器谐振环；
所述基板用于支撑整个器件结构，基板上下两面都生长有氮化硅层；
所述开关加热电极层嵌入所述基板上开设的凹槽内，用于加热GeTe层使其相变；
所述介质隔离层设置在所述开关加热电极层与所述GeTe层之间，用于隔离所述开关加热电极层与所述GeTe层；
所述电极层位于所述GeTe层上方与所述滤波器谐振环连接，用于固定所述GeTe层与所述滤波器谐振环；
所述滤波器谐振环，包括：开口谐振环与缝隙耦合馈电结构，所述缝隙耦合馈电结构与开口谐振环通过耦合的方式实现馈电连接；
所述缝隙耦合馈电结构与开口谐振环通过耦合的方式实现馈电连接，包括：
所述开口谐振环本身可视为电感，电荷在谐振环自身缺口处聚集形成电容，开口谐振环之间产生缝隙耦合电容，形成谐振电路；
所述背面接地层位于所述基板底部。
2.根据权利要求1所述的一种基于碲化锗相变开关的可重构滤波器，其特征在于，所述开关加热电极层、介质隔离层、GeTe层、电极层组成相变开关。
3.根据权利要求1所述的一种基于碲化锗相变开关的可重构滤波器，其特征在于，所述基板材料选用单面抛光的高阻硅。
4.根据权利要求1所述的一种基于碲化锗相变开关的可重构滤波器，其特征在于，所述开关加热电极层材料选用钨。
5.根据权利要求1所述的一种基于碲化锗相变开关的可重构滤波器，其特征在于，所述介质隔离层材料选用氮化硅。
6.根据权利要求1所述的一种基于碲化锗相变开关的可重构滤波器，其特征在于，所述电极层、所述背面接地层以及所述滤波器谐振环材料选用导电性好的金属且所述电极层下方附有一层Ti粘附层用于增加电极层粘附性。
7.根据权利要求1所述的一种基于碲化锗相变开关的可重构滤波器，其特征在于，所述开关加热电极层、介质隔离层、GeTe层、电极层、滤波器谐振环均为两个，整体呈对称结构分布。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116207465A (zh) | 2023-06-02 |
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