CN116885413A - 一种螺旋缺陷结构的在片交指带通滤波器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种螺旋缺陷结构的在片交指带通滤波器及其制备方法。所述滤波器包括阶跃阻抗谐振器、四个输入输出对称的螺旋状缺陷结构、四个输入输出对称的互补螺旋状缺陷结构、一个差指电容。以在信号线及地平面均形成特定的螺旋缺陷结构，有效地调制了滤波器传递函数的频率响应。本发明提出的加载螺旋谐振环的交指在片带通滤波器，在不额外增加版图面积的情况下，增加了传递函数的阶数，提高了器件的频率选择性，并且易于与其他射频器件互联集成。
Description
技术领域
本发明涉及射频微波技术领域，可用于无线通信、射频单片集成电路等领域，具体涉及一种螺旋缺陷结构的在片交指带通滤波器及其制备方法。
背景技术
GaN属于III族氮化物，具有出色的击穿能力、更高的电子密度及速度、耐高温和耐辐射等优势，基于GaN的电子器件在微波雷达，卫星通信，5G通信有非常大的优势。无源功能块是射频收发器前端不可或缺的部分，它们通常占据相当大的芯片/模块面积。芯片互连是集总元件器件中不希望的寄生损耗的常见原因，这会降低整体RF性能。因此，在不断增长的行业趋势中，需要提高集成水平，并且由于集成无源器件比具有更高带宽、更紧凑尺寸和更高可靠性的标准分立无源器件具有优势，因此对在硅基GaN同时集成无源器件和有源器件的需求越来越大。由于GaN有源器件工艺，如：HEMT，仍在开发中，因此不适合复杂的工艺来制造无源器件。通过将单平面共面波导滤波器嵌入单个单片微波集成电路中，不需要通孔工艺，显著降低了互连损耗，为电子设备提供了更小的占地面积和更低的能耗。成为在片上系统中实现无源器件的最合适的技术之一，近些年来，共面波导结构受到了越来越多学者的关注，利用该结构设计微波滤波器也变得更加广泛。
随着微波技术的发展，微波滤波器的设计已经比较成熟，如今人们在满足滤波器的插损性能要求时，已经更加注重带内平坦度、回波损耗以及线性群时延。
目前，共面波导多传输极点滤波器通常增加滤波器阶数的方法实现，更具体的说是谐振器的个数以及缺陷结构的个数。目前很多设计仅仅是将单一的利用缺陷结构或形如λg/4型的阶跃阻抗谐振器及其变形的单元结构进行级联，级联个数不超过5个。级联阶数的上升带来的更大的插损的同时，使得面积也对应的上升了，这是片上系统所忌讳的；其中λg为中心频率处的电长度，即一个周期内中心频率处电磁波传播的距离。
现有专利一种共面波导宽阻带滤波器(公开号：CN105789742A)，由共面波导λg/4型的SIR短路支节单元结构与共面波导的缺陷结构嵌套而成，以形成宽阻带。其仅仅在接地面刻蚀出缺陷结构，是以共面波导传输线为基础，在其上刻蚀缺陷结构，然后再缺陷结构中嵌套SIR，这种方法注定了SIR的尺寸必定很小，谐振频率必定很高，而且为了嵌套SIR，缺陷结构只能使用像哑铃型有大量连续面积的缺陷结构，这种结构相较于相同谐振频率的螺旋结构，需额外占用数倍到数十倍的面积。现有专利一种共面波导宽阻带滤波器的原理为全通滤波器，级联一系列带阻滤波器形成宽阻带。无论是阻带的深度还是宽度都需要大量谐振器来保证，也即占用大量版图面积。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单平面共面波导滤波器，解决了现有单片集成系统中有源区多种技术条件下均能制造，互连不需要通孔导致易碎。以及存在的带通部分传输极点少，回波损耗不平坦，滤波器阶数多、体积大的问题。
本发明的目的至少包括如下技术方案之一。
一种螺旋缺陷结构的在片交指带通滤波器，包括单平面共面波导金属部分和嵌套在单平面共面波导金属部分上的非金属部分；
所述金属部分包括两个阶跃阻抗谐振器，信号输入端口、信号输出端口、共面波导中心导带以及接地面；
阶跃阻抗谐振器包括：高阻抗段、开路低阻抗段和短路低阻抗段，其中，高阻抗段一端和开路低阻抗段相连，另一端和短路低阻抗段相连，短路低阻抗段的另一端与接地面相连；
两个阶跃阻抗谐振器的高阻抗段平行放置，一个阶跃阻抗谐振器的开路低阻抗段的长边和另外一个阶跃阻抗谐振器的短路低阻抗段的长边拥有同一个法平面，即两者长边延长后可重合；
所述非金属部分包括：阶跃阻抗谐振器和接地面之间设置的缝隙、两个阶跃阻抗谐振器的高阻抗段之间设置的耦合缝隙结构，四个输入输出对称的螺旋状缺陷结构、四个输入输出对称的互补螺旋状缺陷结构以及一个差指电容；
所述信号输入端口、信号输出端口通过共面波导中心导带与阶跃阻抗谐振器高阻抗端相连；
所述差指电容为在信号输入端口相连的共面波导中心导带中剥离出的一个差指结构的缝隙后，共面波导中心导带上保留的其他部分；
所述四个矩形螺旋形缺陷结构均为螺旋缝隙，以2*2的阵列设置在接地面上，矩形螺旋形缺陷结构的一端连接阶跃阻抗谐振器和接地面之间设置的缝隙；且两两关于共面波导中心导带左右轴对称，两两关于耦合缝隙结构上下轴对称。本发明的在片交指带通滤波器为了结构紧凑，总面积最小，四个矩形螺旋形缺陷结构摆放在信号输入端口与阶跃阻抗谐振器和接地面之间设置的缝隙之间。只要相连就能实现作用，无具体的摆放要求。但没有提到连接的部分摆放时不能连接。
所述四个矩形互补螺旋形缺陷结构均为螺旋缝隙，以2*2的阵列设置分别在短路低阻抗段以及开路低阻抗段上，且两两关于共面波导中心导带左右轴对称，两两关于共面波导中心导带上下轴对称；
设置在短路低阻抗段上的矩形互补螺旋形缺陷结构，一端与接地面连接；设置在开路低阻抗段上矩形互补螺旋形缺陷结构，一端与缝隙连接；
进一步地，四个矩形互补螺旋形缺陷结构只要相连就能实现作用，无具体的摆放要求。但没有提到连接的部分摆放时不能连接；每一个矩形互补螺旋形缺陷结构都必须完全位于短路低阻抗段或开路低阻抗段内部，不能形成多余的连接。
进一步地，所述片交指带通滤波器设置在硅基氮化镓上；所述硅基氮化镓包括1000μm厚的硅衬底和位于硅衬底上的刻蚀后的AlGaN/GaN异质结外延层；
刻蚀后的AlGaN/GaN异质结外延层包括：100nm厚的AlN层、300nm厚的AlGaN层、1000nm厚的GaN势垒层、200nm厚的GaN沟道层、0.8nm厚的AlN层、19nm厚的AlGaN层以及3nm厚的GaN帽层。
进一步地，完整的AlGaN/GaN异质结外延层，包括从下至上顺次叠层的AlN层、AlGaN层、GaN势垒层、GaN沟道层、AlN层、AlGaN层以及GaN帽层；
将GaN沟道层、AlN层、AlGaN层以及GaN帽层的一侧完全刻蚀，保留另一侧，且为了确保完全刻蚀GaN沟道层，对GaN势垒层顶部的一部分进行刻蚀，得到刻蚀后的AlGaN/GaN异质结外延层。
进一步地，刻蚀后的AlGaN/GaN异质结外延层中，保留的GaN沟道层、AlN层、AlGaN层以及GaN帽层的一侧，称为有源区，刻蚀GaN沟道层、AlN层、AlGaN层以及GaN帽层以及部分GaN势垒层的一侧称为无源区；
在无源区，即刻蚀后剩下底部部分的GaN势垒层上，生长与有源区栅介质一样的绝缘介质层，然后在绝缘介质层上溅射顶层金属；
所述片交指带通滤波器布置在顶层金属中；本发明仅使用了单层的金属平面，区别于接地共面波导结构的双平面结构需要使用两层金属平面，故称为单平面共面波导结构。
进一步地，对于顶层金属，剥离顶层金属中在片交指带通滤波器的非金属部分，保留金属部分，形成所述在片交指带通滤波器。
进一步地，绝缘介质层的厚度根据具体需求为20-1000nm。
一种螺旋缺陷结构的在片交指带通滤波器的制备方法，包括以下步骤：
S1、GaN的生长：在硅衬底上从下至上顺次生长AlN层、AlGaN层、GaN势垒层、GaN沟道层、AlN层、AlGaN层以及GaN帽层，得到完整的AlGaN/GaN异质结外延层；
S2、有源区无源区隔离以及器件的相互隔离：在完整的AlGaN/GaN异质结外延层上表面用光刻胶定义有源区的位置并将其覆盖，非有源区的AlGaN/GaN异质结外延层上表面被等离子体轰击刻蚀，刻蚀至部分GaN势垒层，得到刻蚀后的AlGaN/GaN异质结外延层；
S3、制备介质：在无源区上沉积绝缘介质层；使用光刻胶定义需要沉积绝缘介质层的位置，使用干法刻蚀工艺将非光刻胶覆盖的绝缘介质层刻蚀去除，刻蚀完成后，通过有机溶剂超声去除光刻胶；
S4、溅射顶层金属并剥离非金属部分：使用光刻胶定义滤波器的位置及图形，使得在片交指带通滤波器位置在无源区上，在片交指带通滤波器中的非金属部分被光刻胶覆盖，使用电子束蒸发或者磁控溅射的方法和剥离工艺在绝缘介质层上形成位于顶层金属的金属部分；通过有机溶剂超声剥离去除光刻胶及非金属部分，得到一种螺旋缺陷结构的在片交指带通滤波器。
进一步地，所述绝缘介质层的沉积方式为等离子体增强化学气相沉积、原子层沉积、物理气相沉积中的任意一种。
进一步地，所述干法刻蚀工艺为感应耦合等离子体刻蚀工艺、反应离子刻蚀工艺或其他离子刻蚀工艺中的任意一种。
优选地，所述的螺旋状缺陷结构设计的谐振频率略低于阶跃阻抗谐振器谐振器单元第一传输零点但相近。以获得更陡峭的过渡带。
优选地，所述的互补螺旋状缺陷结构设计的谐振频率设置在阶跃阻抗谐振器谐振器宽阻带上传输效率最高处。以达到更好的阻带压缩。
相对于现有技术，本发明具有以下优势及有益效果：
本发明提出的加载螺旋谐振环的交指片上带通滤波器，通过将共面波导λg/4型的阶跃阻抗谐振器单元结构与螺旋缺陷结构嵌套得到小型化的共面波导宽阻带滤波器，解决了当前设计滤波器时，性能与面积之间存在的矛盾。相较常规的通过利用DGS或阶跃阻抗谐振器结构进行简单的多级级联来获得多个谐振点，本发明构建了一种嵌套结构来实现的，故其反射较小，回波损耗低且平坦。而且体积较小，满足了滤波性能的同时也减小了体积。
由于不同的应用场景要求，不同的晶圆的GaN缓冲层厚度是不一样的，通过生长介质来稳定等效介质的介电常数。大功率器件缓冲层较厚，可以生长二氧化硅平衡，射频器件可以生长氧化铪平衡。由于等效介电常数有一定的波动，约为(12.2-12.9)，实际应用时可以把实施例中输入/输出的交指电容更换为变容二极管来调谐。而实施例是在硅基氮化镓上(ε’＝12.4-12.5)制作滤波器。由于缺陷结构形成的谐振器相较于传统分布式阶跃阻抗谐振器谐振器的电长度不敏感。其区别远小于，由于晶圆批次间的因为制造的缺陷导致的导电的差异，即ε”的差异。漏电变大，介电常数虚部变大，电长度变大。而本发明表明，缺陷设计使得由于不同设计要求的GaN缓冲层厚度，导致的介电常数实部波动的影响远小于，由于制造工艺的界面缺陷，导致的介电常数虚部的影响。
现有专利(公开号：CN105789742A)，由共面波导λg/4型的SIR短路支节单元结构与共面波导的缺陷结构嵌套而成，以形成宽阻带。其仅仅在接地面刻蚀出缺陷结构，本发明则在信号线及接地面中刻蚀有缺陷结构，充分利用版图面积。是以共面波导传输线为基础，在其上刻蚀缺陷结构，然后再缺陷结构中嵌套SIR，这种方法注定了SIR的尺寸必定很小，谐振频率必定很高，而且为了嵌套SIR，缺陷结构只能使用像哑铃型有大量连续面积的缺陷结构，这种结构相较于相同谐振频率的螺旋结构，需额外占用数倍到数十倍的面积。现有专利(公开号：CN105789742A)原理为全通滤波器，级联一系列带阻滤波器形成宽阻带。无论是阻带的深度还是宽度都需要大量谐振器来保证，也即占用大量版图面积。本发明是以共面波导SIR谐振器为基础，在接地面以及信号线(具体来说是SIR的低阻抗段)刻蚀缺陷结构。SIR谐振频率缺陷结构的谐振频率可以有较大差别。本发明原理为带通滤波器级联带阻滤波器，除了抑制谐波分量实现宽阻带外，还抑制边频，使过度带更陡峭。本发明相较现有共面波导宽阻带滤波器具有更紧凑的尺寸。
附图说明
图1是本发明实施例中基于缺陷结构的阶跃阻抗谐振器单平面共面波导带通滤波器等效电路图；
图2是本发明实施例中无源器件结构横截面示意图。
图3是本发明实施例中的阶跃阻抗谐振器示意图；
图4是本发明实施例中一种螺旋缺陷结构的在片交指带通滤波器的结构示意图；
图5是本发明实施例中阶跃阻抗谐振器的结构示意图；
图6是本发明实施例中差指电容的结构示意图；
图7是本发明实施例中矩形螺旋形缺陷结构的结构示意图；
图8是本发明实施例中设置在短路低阻抗段上的矩形互补螺旋形缺陷结构的结构示意图；
图9是本发明实施例中设置在短路低阻抗段上的矩形互补螺旋形缺陷结构的结构示意图；
图10是本发明实施例中基于缺陷结构的阶跃阻抗谐振器单平面共面波导带通滤波器的尺寸图；
图11是本发明实施例中无源工艺流程的基于缺陷结构的阶跃阻抗谐振器单平面共面波导带通滤波器与传统的阶跃阻抗谐振器滤波器的S21曲线对比示意图；
图12是本发明实施例中无源工艺流程的基于缺陷结构的阶跃阻抗谐振器单平面共面波导带通滤波器与传统的阶跃阻抗谐振器滤波器的S11曲线对比示意图。
本发明的各附图仅为示意以更容易了解本发明，其具体比例可依照设计需求进行调整。文中所描述的图形中相对元件的上下关系，在本领域技术人员应能理解是指构件的相对位置而言。
具体实施方式
以下结合具体实施例和附图对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施不限于此。
实施例
本实施例提供了一种螺旋缺陷结构的在片交指带通滤波器器件，基于阶跃阻抗谐振耦合线共面波导的紧凑型滤波器，该滤波器负载有螺旋谐振环形交叉指片上带通滤波器，具有谐波抑制和硅上GaN的紧凑尺寸，尺寸2.203mm x4.510mm(0.075λg x 0.154λg,withλg＝29.3mm)，易于设计，易于集成。单金属层CPW易于实现电路的串联和并联连接，接地不需要通孔，特性阻抗范围更宽，易于实现晶圆上测试。通带中的最小插入损耗约为2.62dB，二次谐波抑制高于19.56dB。
一种螺旋缺陷结构的在片交指带通滤波器，包括单平面共面波导金属部分和嵌套在单平面共面波导金属部分上的非金属部分；
所述金属部分包括两个阶跃阻抗谐振器101，信号输入端口001、信号输出端口002、共面波导中心导带102以及接地面103；
如图5所示，阶跃阻抗谐振器101包括：高阻抗段121、开路低阻抗段111和短路低阻抗段131，其中，高阻抗段121一端和开路低阻抗段111相连，另一端和短路低阻抗段131相连，短路低阻抗段131的另一端与接地面103相连；两个阶跃阻抗谐振器101通过高阻抗段121进行传输。
两个阶跃阻抗谐振器101的高阻抗段121平行放置，一个阶跃阻抗谐振器101的开路低阻抗段111的长边和另外一个阶跃阻抗谐振器101的短路低阻抗段131的长边拥有同一个法平面，即两者长边延长后可重合；
所述非金属部分包括：阶跃阻抗谐振器101和接地面103之间设置的缝隙201、两个阶跃阻抗谐振器的高阻抗段121之间设置的耦合缝隙结构202，四个输入输出对称的螺旋状缺陷结构203、四个输入输出对称的互补螺旋状缺陷结构204以及一个差指电容205；
所述信号输入端口001、信号输出端口002通过共面波导中心导带102与阶跃阻抗谐振器高阻抗端121相连；
所述差指电容205为在信号输入端口001相连的共面波导中心导带102中剥离出图6中位于共面波导中心导带102上，图3中为黑色，图4中却为白色的部分的一个差指结构的缝隙后，共面波导中心导带102上保留的其他部分，即图6中位于共面波导中心导带102上，图3和图4中均为黑色的部分；
如图7中位于接地面103上，图3中为黑色，图4中却为白色的部分所示，所述四个矩形螺旋形缺陷结构203均为螺旋缝隙，以2*2的阵列设置在接地面103上，矩形螺旋形缺陷结构203的一端连接阶跃阻抗谐振器101和接地面103之间设置的缝隙201；且两两关于共面波导中心导带102左右轴对称，两两关于耦合缝隙结构202上下轴对称。本发明的在片交指带通滤波器为了结构紧凑，总面积最小，四个矩形螺旋形缺陷结构203摆放在信号输入端口001与阶跃阻抗谐振器101和接地面103之间设置的缝隙201之间。只要相连就能实现作用，无具体的摆放要求。但没有提到连接的部分摆放时不能连接。
所述四个矩形互补螺旋形缺陷结构204均为螺旋缝隙，以2*2的阵列设置分别在短路低阻抗段131以及开路低阻抗段111上，且两两关于共面波导中心导带102左右轴对称，两两关于共面波导中心导带102上下轴对称；
如图8中处于短路低阻抗段131上，图3中为黑色，图4中却为白色的部分所示，设置在短路低阻抗段131上的矩形互补螺旋形缺陷结构204，一端与接地面103连接；
如图9中处于开路低阻抗段111上，图3中为黑色，图4中却为白色的部分所示，设置在开路低阻抗段111上矩形互补螺旋形缺陷结构204，一端与缝隙201连接，大小形状与图8中白色的部分完全一样，但镜像对称；
进一步地，四个矩形互补螺旋形缺陷结构204只要相连就能实现作用，无具体的摆放要求。但没有提到连接的部分摆放时不能连接；每一个矩形互补螺旋形缺陷结构204都必须完全位于短路低阻抗段131或开路低阻抗段111内部，不能形成多余的连接。
如图10所示，阶跃阻抗谐振器101能使谐振频率向低频移动，在更小尺寸下实现相同传输阻带,因此希望具有较大的阶跃阻抗比，但受限于共面波导过大的尺寸低阻抗线线宽W2和高阻抗线与地平面间的耦合间隔G1。低阻抗线特征阻抗Z2＝28.5，高阻抗线特征阻抗√ZeZo＝85.5，其中Zo为高阻抗线奇模特征阻抗，Ze为高阻抗线偶模特征阻抗。虽然sitar＝sitap＝1/18λg可以达到最好的抑制，但是为了使面积更小，选择了sitar＝1/27λg和sitap＝2/27λg，其中sitar为低阻抗线电长度，sitap为高阻抗线电长度。
缺陷地结构(DGS)广泛用于滤波器设计，特别是在芯片上的滤波器。DGS螺旋谐振器可用作陷波滤波器，以提供传输零点(TZs)。通过加载DGS结构，可以灵活地为滤波器提供TZ，不仅可以调整工作带宽，还可以提供更陡峭的过渡带。
本实施例在信号和接地中增加了螺旋DGS结构，CPW传输线是一种双导线。如图1所示，其低频等效电路可以简化为LC并联谐振网络。电感值L1和电容值C1。ω0为谐振频率，ω3dB为谐振频率压缩3dB，Zsr为谐振网络的阻抗。
由于需要接近1pF的电容，因此只需将输入或/和输出传输线的导线蚀刻成叉指形状即可形成电容。可以更改等效电路的值，例如：C0、C1和L1来改变滤波器的传递函数。
所提出的一种螺旋缺陷结构的在片交指带通滤波器覆盖了3.3-4.9GHz，带宽为1.6GHz。滤波器布局由HFSS设计和优化。包括焊盘在内的BPF尺寸为2.203×4.510mm2。制造的过滤器的尺寸如下：高阻抗线线宽W1＝30μm,低阻抗线线宽W2＝370μm,中心导带线宽W3＝114μm,差指电容金属部分线宽W4＝6μm,矩形互补螺旋形缺陷结构总宽度Ws＝300μm,矩形螺旋形缺陷结构总宽度Wg＝480μm,谐振器间的耦合间距S1＝133μm,差指电容金属与金属间的耦合间距S2＝6μm,高阻抗线与地平面间的耦合间隔G1＝330μm,低阻抗线与地平面间的耦合间隔G2＝30μm,中心导带与地平面间的耦合间隔G3＝65μm,矩形螺旋形缺陷结构金属部分线宽a＝30μm,矩形螺旋形缺陷结构金属与金属间的耦合间距b＝30μm,矩形互补螺旋形缺陷结构金属部分线宽c＝30μm,矩形互补螺旋形缺陷结构金属与金属间的耦合间距d＝30μm,高阻抗线线长L1＝2070μm,低阻抗线线长L2＝1035μm,中心导带线长L3＝903.5μm,差指电容总长度L4＝738μm,矩形互补螺旋形缺陷结构总长度Ls＝780μm,矩形螺旋形缺陷结构总长度Lg＝960μm。
如图2所示，所述片交指带通滤波器设置在硅基氮化镓上；所述硅基氮化镓包括1000μm厚的硅衬底8和位于硅衬底8上的刻蚀后的AlGaN/GaN异质结外延层；
刻蚀后的AlGaN/GaN异质结外延层包括：100nm厚的AlN层7、300nm厚的AlGaN层6、1000nm厚的GaN势垒层5、200nm厚的GaN沟道层4、0.8nm厚的AlN层3、19nm厚的AlGaN层2以及3nm厚的GaN帽层1。
如图2所示，完整的AlGaN/GaN异质结外延层，包括从下至上顺次叠层的AlN层7、AlGaN层6、GaN势垒层5、GaN沟道层4、AlN层3、AlGaN层2以及GaN帽层1；
将GaN沟道层4、AlN层3、AlGaN层2以及GaN帽层1的一侧完全刻蚀，保留另一侧，且为了确保完全刻蚀GaN沟道层4，对GaN势垒层5顶部的一部分进行刻蚀，得到刻蚀后的AlGaN/GaN异质结外延层。
如图2所示，刻蚀后的AlGaN/GaN异质结外延层中，保留的GaN沟道层4、AlN层3、AlGaN层2以及GaN帽层1的一侧，称为有源区9，刻蚀GaN沟道层4、AlN层3、AlGaN层2以及GaN帽层1以及部分GaN势垒层5的一侧称为无源区；
在无源区，即刻蚀后剩下底部部分的GaN势垒层5上，生长与有源区栅介质一样的绝缘介质层11，然后在绝缘介质层11上溅射顶层金属10；
所述片交指带通滤波器布置在顶层金属10中；本发明仅使用了单层的金属平面，区别于接地共面波导结构的双平面结构需要使用两层金属平面，故称为单平面共面波导结构。
进一步地，对于顶层金属10，剥离顶层金属10中在片交指带通滤波器的非金属部分，保留金属部分，形成所述在片交指带通滤波器。
进一步地，绝缘介质层11的厚度根据具体需求为20-1000nm。
优选地，保持中心频率不变，即保持L1+L2为常数，L1：L2越大，偶合越强，带宽越大。在线宽允许的条件下，考虑到电流密度。固定线宽W1、W2的值，当L1：L2约为2：1时，可以使得二倍频(约8.2GHz)处有最大压缩，S21取得-48dB。实施例中使用电容耦合而非电感耦合使得低频有更快的截止。高频因为有螺旋谐振环的存在，使得电容耦合高频截止慢的缺点被克服。
无源器件工艺是为微波应用中的集成和高性能而开发的。该工艺将从硅晶圆上的GaN清洗开始，然后蚀刻300nm的GaN帽层、AlGaN、AlN和GaN沟道以用于MESA。之后，使用厚度为50nm/1000nm的Ni/Ag金属层实现顶部互连金属化(M2)。无源器件技术的横截面示意图如图所示。
在一个实施例中，一种螺旋缺陷结构的在片交指带通滤波器的制备方法，如图2所示，包括以下步骤：
S1、GaN的生长：在1000μm厚的硅衬底8上从下至上顺次生长100nm厚的AlN层7、300nm厚的AlGaN层6、1000nm厚的GaN势垒层5、200nm厚的GaN沟道层4、0.8nm厚的AlN层3、19nm厚的AlGaN层2以及3nm厚的GaN帽层1，得到完整的AlGaN/GaN异质结外延层；
S2、有源区无源区隔离以及器件的相互隔离：在完整的AlGaN/GaN异质结外延层上表面用光刻胶定义有源区的位置并将其覆盖，非有源区的AlGaN/GaN异质结外延层上表面被等离子体轰击刻蚀，刻蚀至部分GaN势垒层5，刻蚀深度为300nm，得到刻蚀后的AlGaN/GaN异质结外延层；
S3、制备介质：在无源区上沉积绝缘介质层11，，其厚度为200nm；使用光刻胶定义需要沉积绝缘介质层11的位置，使用干法刻蚀工艺将非光刻胶覆盖的绝缘介质层11刻蚀去除，刻蚀完成后，通过有机溶剂超声去除光刻胶；
所述绝缘介质层11的沉积方式为等离子体增强化学气相沉积、原子层沉积、物理气相沉积中的任意一种。
所述干法刻蚀工艺为感应耦合等离子体刻蚀工艺、反应离子刻蚀工艺或其他离子刻蚀工艺中的任意一种。
S4、溅射顶层金属10并剥离非金属部分：使用光刻胶定义滤波器的位置及图形，使得在片交指带通滤波器位置在无源区上，在片交指带通滤波器中的非金属部分被光刻胶覆盖，使用电子束蒸发或者磁控溅射的方法和剥离工艺在绝缘介质层11上形成位于顶层金属10的金属部分，为50nm的Ni以及1000nm的Ag；通过有机溶剂超声剥离去除光刻胶及非金属部分，得到一种螺旋缺陷结构的在片交指带通滤波器。
作为对比的仿真结果是按照σ＝0.090S/m,εr＝12.4，在实验后进行。
如图11和图12所示，实施例加载了电容结构在3.15-4.63GHz的通带中，回波损耗小于15dB，在4.90GHz处取得最大值12.46dB。通带内最小和最大插入损耗分别为2.62dB、4.30dB，BPF2略微下降至2.63dB、4.59dB。通带外(20GHz以下)最大S21为-22.05dB，这意味着第二通带(约18.42GHz)被抑制近20dB。
上述实施例仅为本发明的优选实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解本发明的内容及原理后，能够在不背离本发明的原理和范围的情况下，根据本发明的方法进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明的修正和改变仍在本发明的权利要求保护。
Claims (10)
1.一种螺旋缺陷结构的在片交指带通滤波器，其特征在于，包括单平面共面波导金属部分和嵌套在单平面共面波导金属部分上的非金属部分；
所述金属部分包括两个阶跃阻抗谐振器(101)，信号输入端口(001)、信号输出端口(002)、共面波导中心导带(102)以及接地面(103)；
阶跃阻抗谐振器(101)包括：高阻抗段(121)、开路低阻抗段(111)和短路低阻抗段(131)，其中，高阻抗段(121)一端和开路低阻抗段(111)相连，另一端和短路低阻抗段(131)相连，短路低阻抗段(131)的另一端与接地面(103)相连；
两个阶跃阻抗谐振器(101)的高阻抗段(121)平行放置，一个阶跃阻抗谐振器(101)的开路低阻抗段(111)的长边和另外一个阶跃阻抗谐振器(101)的短路低阻抗段(131)的长边拥有同一个法平面，即两者长边延长后重合；
所述非金属部分包括：阶跃阻抗谐振器(101)和接地面(103)之间设置的缝隙(201)、两个阶跃阻抗谐振器的高阻抗段(121)之间设置的耦合缝隙结构(202)，四个输入输出对称的螺旋状缺陷结构(203)、四个输入输出对称的互补螺旋状缺陷结构(204)以及一个差指电容(205)；
所述信号输入端口(001)、信号输出端口(002)通过共面波导中心导带(102)与阶跃阻抗谐振器高阻抗端(121)相连；
所述差指电容(205)为在信号输入端口(001)相连的共面波导中心导带(102)中剥离出的一个差指结构的缝隙后，共面波导中心导带(102)上保留的其他部分；
所述四个矩形螺旋形缺陷结构(203)均为螺旋缝隙，以2*2的阵列设置在接地面(103)上，矩形螺旋形缺陷结构(203)的一端连接阶跃阻抗谐振器(101)和接地面(103)之间设置的缝隙(201)；且两两关于共面波导中心导带(102)左右轴对称，两两关于耦合缝隙结构(202)上下轴对称；
所述四个矩形互补螺旋形缺陷结构(204)均为螺旋缝隙，以2*2的阵列设置分别在短路低阻抗段(131)以及开路低阻抗段(111)上，且两两关于共面波导中心导带(102)左右轴对称，两两关于共面波导中心导带(102)上下轴对称；
设置在短路低阻抗段(131)上的矩形互补螺旋形缺陷结构(204)，一端与接地面(103)连接；设置在开路低阻抗段(111)上矩形互补螺旋形缺陷结构(204)，一端与缝隙(201)连接。
2.根据权利要求1所述的一种螺旋缺陷结构的在片交指带通滤波器，其特征在于，每一个矩形互补螺旋形缺陷结构(204)都必须完全位于短路低阻抗段(131)或开路低阻抗段(111)内部，不能形成多余的连接。
3.根据权利要求1所述的一种螺旋缺陷结构的在片交指带通滤波器，其特征在于，所述片交指带通滤波器设置在硅基氮化镓上；所述硅基氮化镓包括1000μm厚的硅衬底(8)和位于硅衬底(8)上的刻蚀后的AlGaN/GaN异质结外延层；
刻蚀后的AlGaN/GaN异质结外延层包括：100nm厚的AlN层(7)、300nm厚的AlGaN层(6)、1000nm厚的GaN势垒层(5)、200nm厚的GaN沟道层(4)、0.8nm厚的AlN层(3)、19nm厚的AlGaN层(2)以及3nm厚的GaN帽层(1)。
4.根据权利要求3所述的一种螺旋缺陷结构的在片交指带通滤波器，其特征在于，完整的AlGaN/GaN异质结外延层，包括从下至上顺次叠层的AlN层(7)、AlGaN层(6)、GaN势垒层(5)、GaN沟道层(4)、AlN层(3)、AlGaN层(2)以及GaN帽层(1)；
将GaN沟道层(4)、AlN层(3)、AlGaN层(2)以及GaN帽层(1)的一侧完全刻蚀，保留另一侧，且为了确保完全刻蚀GaN沟道层(4)，对GaN势垒层(5)顶部的一部分进行刻蚀，得到刻蚀后的AlGaN/GaN异质结外延层。
5.根据权利要求4所述的一种螺旋缺陷结构的在片交指带通滤波器，其特征在于，刻蚀后的AlGaN/GaN异质结外延层中，保留的GaN沟道层(4)、AlN层(3)、AlGaN层(2)以及GaN帽层(1)的一侧，称为有源区(9)，刻蚀GaN沟道层(4)、AlN层(3)、AlGaN层(2)以及GaN帽层(1)以及部分GaN势垒层(5)的一侧称为无源区；
在无源区，即刻蚀后剩下底部部分的GaN势垒层(5)上，生长与有源区栅介质一样的绝缘介质层(11)，然后在绝缘介质层(11)上溅射顶层金属(10)；
所述片交指带通滤波器布置在顶层金属(10)中。
6.根据权利要求5所述的一种螺旋缺陷结构的在片交指带通滤波器，其特征在于，对于顶层金属(10)，剥离顶层金属(10)中在片交指带通滤波器的非金属部分，保留金属部分，形成所述在片交指带通滤波器。
7.根据权利要求5所述的一种螺旋缺陷结构的在片交指带通滤波器，其特征在于，绝缘介质层(11)的厚度根据具体需求为20-1000nm。
8.如权利要求1～7任一项所述的一种螺旋缺陷结构的在片交指带通滤波器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、GaN的生长：在硅衬底(8)上从下至上顺次生长AlN层(7)、AlGaN层(6)、GaN势垒层(5)、GaN沟道层(4)、AlN层(3)、AlGaN层(2)以及GaN帽层(1)，得到完整的AlGaN/GaN异质结外延层；
S2、有源区无源区隔离以及器件的相互隔离：在完整的AlGaN/GaN异质结外延层上表面用光刻胶定义有源区的位置并将其覆盖，非有源区的AlGaN/GaN异质结外延层上表面被等离子体轰击刻蚀，刻蚀至部分GaN势垒层(5)，得到刻蚀后的AlGaN/GaN异质结外延层；
S3、制备介质：在无源区上沉积绝缘介质层(11)；使用光刻胶定义需要沉积绝缘介质层(11)的位置，使用干法刻蚀工艺将非光刻胶覆盖的绝缘介质层(11)刻蚀去除，刻蚀完成后，通过有机溶剂超声去除光刻胶；
S4、溅射顶层金属(10)并剥离非金属部分：使用光刻胶定义滤波器的位置及图形，使得在片交指带通滤波器位置在无源区上，在片交指带通滤波器中的非金属部分被光刻胶覆盖，使用电子束蒸发或者磁控溅射的方法和剥离工艺在绝缘介质层(11)上形成位于顶层金属(10)的金属部分；通过有机溶剂超声剥离去除光刻胶及非金属部分，得到一种螺旋缺陷结构的在片交指带通滤波器。
9.根据权利要求8所述的一种螺旋缺陷结构的在片交指带通滤波器的制备方法，其特征在于，所述绝缘介质层(11)的沉积方式为等离子体增强化学气相沉积、原子层沉积、物理气相沉积中的任意一种。
10.根据权利要求8所述的一种螺旋缺陷结构的在片交指带通滤波器的制备方法，其特征在于，所述干法刻蚀工艺为感应耦合等离子体刻蚀工艺、反应离子刻蚀工艺或其他离子刻蚀工艺中的任意一种。
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