CN117525782A - 硅基氮化镓宽阻带高选择性片上带通滤波器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅基氮化镓宽阻带高选择性片上带通滤波器及其制备方法。所述滤波器包括改进型耦合馈电结构、阶跃阻抗谐振器、双端接地传输线、以及接地面。本发明在阶跃阻抗谐振器两两之间加入双端接地传输线，有效地加强了谐振器的与接地面耦合，有效地提高了频率的选择性，而改进型的馈电结构则有效地缩减了谐振器的长度，节省了面积。本发明提出的高选择性宽阻带改进型交指带通滤波器，在节省版图面积的同时，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，具体涉及硅基氮化镓宽阻带高选择性片上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、回波损耗以及带外抑制。
共面波导片上系统集成是目前研究的热点，本发明针对硅基氮化镓片上系统进行优化。由于Si和GaN之间存在不小晶格系数的差异，需要在Si上先生长AlN、AlGaN层以缓冲应力。但AlN/Si界面形成寄生沟道，导致器件漏电，对单片集成系统提出不小的挑战。本发明针对漏电的有耗介质作针对性的优化，通过加强谐振器与参考地之间的耦合，而不是传统的减弱谐振器之间的耦合实现所需的窄带宽。同时，进一步优化调整馈电结构，减少谐振器长度，受到较少的衬底漏电的影响，实现了更小的插入损耗，同时减少整个版图的面积。
现有专利(公开号：CN107634292A)，由内嵌多开路支节的交指滤波器构成。其为直接馈电输入，且在靠近输入输出端的传输线谐振器上内嵌多开路支节，其通带内仅有一个传输极点。现有专利(公开号：CN107634292A)原理为抑制交指滤波器的高次谐波(寄生)通带，表现为3-28GHz范围内的宽阻带，虽然在29-30GHz处表现处明显的抑制减弱，但并未给出大于30GHz的结果。
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，互连需要通孔导致易碎。以及频率选择性低，相邻信道抑制差；谐波响应明显，带外抑制不足的问题。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
硅基氮化镓宽阻带高选择性片上带通滤波器，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，且都布置在同一层的金属平面中；
所述单平面共面波导金属部分包括接地面，两个耦合馈电结构及两个馈电抽头，三个单端接地传输线谐振器，两个双端接地传输线，以及信号输入端口和信号输出端口；
单端接地传输线谐振器包括：开路低阻抗段和短路高阻抗段；其中，短路高阻抗段的一端与接地面相连，称为短路端，另一端与开路低阻抗段的一端相连；开路低阻抗段的另一端，不与接地面相连，称为开路端；
三个单端接地传输线谐振器平行放置，中间的单端接地传输线谐振器与接地面相连的方向和两侧的单端接地传输线谐振器相反；
两个双端接地传输线分别设置在中间的单端接地传输线谐振器与两侧的单端接地传输线谐振器之间，且双端接地传输线两端均与接地面相连；
两个耦合馈电结构分别设置于三个单端接地传输线谐振器的两侧；两个馈电抽头分别设置于两个耦合馈电结构远离单端接地传输线谐振器的一侧；
所述信号输入端口和信号输出端口均各自通过一个馈电抽头与一个耦合馈电结构相连；
馈电抽头一端连接耦合馈电结构的接地端，另一端连接信号输入端口或信号输出端口；
信号输入端口和信号输出端口垂直于馈电抽头且分别设置于两个馈电抽头远离耦合馈电结构的一侧；
耦合馈电结构一端连接接地面，另一端开路；
所述非金属部分包括：馈电抽头和接地面之间设置的缝隙，耦合馈电结构及馈电抽头之间设置的缝隙，耦合馈电结构及单端接地传输线谐振器之间设置的缝隙，单端接地传输线谐振器及双端接地传输线之间设置的缝隙,以及短路高阻抗段内部开槽缝隙。
进一步地，仅水平平移后三个单端接地传输线谐振器能重合，经过水平平移后，两侧的单端接地传输线谐振器完全重合，两侧的单端接地传输线谐振器的开路端和中间的单端接地传输线谐振器短路端重合，两侧的单端接地传输线谐振器的短路端和中间的单端接地传输线谐振器的开路端重合；两侧的单端接地传输线谐振器关于中间的单端接地传输线谐振器对称。
进一步地，馈电抽头比耦合馈电结构短；
为了实现宽宽阻带特性，馈电抽头与耦合馈电结构平行放置，且水平平移馈电抽头后，馈电抽头与信号输入端口或信号输出端口的连接端，以及耦合馈电结构的开路端重合；仅水平平移馈电抽头或耦合馈电结构，两者均能与两侧的单端接地传输线谐振器的连接接地面的一端重合；
两个馈电抽头关于中间的单端接地传输线谐振器对称；
两个耦合馈电结构关于中间的单端接地传输线谐振器对称；
信号输入端口和信号输出端口关于中间的单端接地传输线谐振器对称。
进一步地，所述开槽缝隙呈矩形，其一短边边与位于单端接地传输线谐振器的接地端的短边重合；开槽前后单端接地传输线谐振器均为对称图型，即开槽缝隙与单端接地传输线谐振器的对称轴为同一条。
进一步地，所述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均设置在硅基氮化镓上；
所述硅基氮化镓包括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：AlN层、AlGaN层、GaN势垒层、GaN沟道层、AlN层、AlGaN层以及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；
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均布置在顶层金属中。
进一步地，对于顶层金属，剥离顶层金属中硅基氮化镓宽阻带高选择性片上带通滤波器的非金属部分，保留金属部分，形成所述硅基氮化镓宽阻带高选择性片上带通滤波器。
硅基氮化镓宽阻带高选择性片上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：在刻蚀后的AlGaN/GaN异质结外延层的无源区上，整面沉积介质层；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：使用光刻胶定义硅基氮化镓宽阻带高选择性片上带通滤波器的位置及图形，使得硅基氮化镓宽阻带高选择性片上带通滤波器的位置在无源区上，硅基氮化镓宽阻带高选择性片上带通滤波器中的非金属部分用光刻胶覆盖，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，得到硅基氮化镓宽阻带高选择性片上带通滤波器。
进一步地，所述介质层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。
相比于现有技术，本发明的优点在于：
本发明提出的硅基氮化镓宽阻带高选择性片上带通滤波器，通过在阶跃阻抗谐振器两两之间加入双端接地传输线，有效地加强了谐振器的与接地面耦合，有效地提高了频率的选择性，解决了当前设计滤波器时，性能与面积之间存在的矛盾。相较常规的通过直接馈电，本发明采用了耦合馈电输入来实现，故其有更多的传输极点通带内更平坦，而且相较于单传输极点的滤波器的“三角窗”频率响应，本发明的多传输几点的频率响应更加接近“矩形窗”，即更好的矩形系数以及更好的频率选择性。本发明就还改进了耦合馈电的抽头结构，在保持宽阻带抑制的同时使得在更短的谐振器长度实现了相同的谐振频率。而且更小的谐振器长度也使得最终面积较小，满足了滤波性能的同时也减小了面积。而且充分利用了硅基氮化镓寄生沟道的特性，即使在基频的约四倍频率处表现出谐波响应，其S21仍然严格低于-15dB，表现出宽阻带特性。相较于常规的调整谐振器之间的耦合距离来调整带宽，本发明对硅基氮化镓漏电的特性进行针对性优化，将参考地平面延展到两两谐振器之间，加强对地耦合，加强带外抑制。在更小的面积下实现，减少了衬底漏电的影响，实现较低插损。
本发明提出的改进型片上交指带通滤波器，通过将共面波导单端接地λg/4型耦合传输线谐振器与双端接地λg/4型传输线结构嵌套得到高频率选择性的窄通带带通滤波器。通过调整馈电线的抽头位置，并调整馈线结构，加入馈电延长线。相较常规的通过减弱谐振器之间的耦合或是级联陷波滤波器来实现高频率选择性的窄通带带通滤波器。本发明加强谐振器与地平面之间的耦合，加强了频率选择性。通过改进抽头结构，在保持了宽阻带抑制的良好特性的同时，能以更短的谐振器长度实现同样的谐振频率，实现了小型化的宽阻带滤波器，解决了当前设计滤波器时，性能与面积之间存在的矛盾。
附图说明
图1是本发明实施例中高选择性宽阻带改进型交指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改进型交指带通滤波器金属分布图；
图4是本发明实施例中的改进型交指带通滤波器介质分布图；
图5是本发明实施例中的阶跃阻抗谐振器示意图；
图6是本发明实施例中的改进型交指带通滤波器实施例的尺寸标注图；
图7是本发明实施例中提供的无源工艺流程的高选择性宽阻带改进型交指带通滤波器的测试及仿真S11曲线示意图；
图8是本发明实施例中提供的无源工艺流程的高选择性宽阻带改进型交指带通滤波器的测试及仿真S21曲线示意图。
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
硅基氮化镓宽阻带高选择性片上带通滤波器，包括单平面共面波导金属部分和嵌套在其上的非金属部分；且都布置在图2中金属层10中，因为只使用了单层的金属平面，区别于如接地共面波导结构的双平面结构，使用了两层金属平面，故称为单平面共面波导结构；
如图3所示，所述单平面共面波导金属部分包括接地面101，两个耦合馈电结构102及两个馈电抽头105，三个单端接地传输线谐振器103，两个双端接地传输线104，以及信号输入端口001和信号输出端口002；
如图5所示，单端接地传输线谐振器103包括：开路低阻抗段113和短路高阻抗段123；其中，短路高阻抗段123的一端与接地面101相连，称为短路端，另一端与开路低阻抗段113的一端相连；开路低阻抗段113的另一端，不与接地面101相连，称为开路端；
三个单端接地传输线谐振器103平行放置，中间的单端接地传输线谐振器103与接地面101相连的方向和两侧的单端接地传输线谐振器103相反；
两个双端接地传输线104分别设置在中间的单端接地传输线谐振器103与两侧的单端接地传输线谐振器103之间，且双端接地传输线104两端均与接地面101相连；
所述双端接地传输线104增强了单端接地传输线谐振器103与接地面101的耦合，在相对紧凑的器件面积上获得更窄的通带。
两个耦合馈电结构102分别设置于三个单端接地传输线谐振器103的两侧；两个馈电抽头105分别设置于两个耦合馈电结构102远离单端接地传输线谐振器103的一侧；
所述信号输入端口001和信号输出端口002均各自通过一个馈电抽头105与一个耦合馈电结构102相连；
馈电抽头105一端连接耦合馈电结构102的接地端，另一端连接信号输入端口001或信号输出端口002；
信号输入端口001和信号输出端口002垂直于馈电抽头105且分别设置于两个馈电抽头105远离耦合馈电结构102的一侧；
耦合馈电结构102一端连接接地面101，另一端开路；
如图4所示，所述非金属部分包括：馈电抽头105和接地面101之间设置的缝隙201，耦合馈电结构102及馈电抽头105之间设置的缝隙205，耦合馈电结构102及单端接地传输线谐振器103之间设置的缝隙202，单端接地传输线谐振器103及双端接地传输线104之间设置的缝隙204，以及短路高阻抗段123内部开槽缝隙203。
在一个实施例中，仅水平平移后三个单端接地传输线谐振器103能重合，经过水平平移后，两侧的单端接地传输线谐振器103完全重合，两侧的单端接地传输线谐振器103的开路端和中间的单端接地传输线谐振器103短路端重合，两侧的单端接地传输线谐振器103的短路端和中间的单端接地传输线谐振器103的开路端重合；两侧的单端接地传输线谐振器103关于中间的单端接地传输线谐振器103对称。
在一个实施例中，馈电抽头105比耦合馈电结构102短；
为了实现宽宽阻带特性，馈电抽头105与耦合馈电结构102平行放置，且水平平移馈电抽头105后，馈电抽头105与信号输入端口001或信号输出端口002的连接端，以及耦合馈电结构102的开路端重合；仅水平平移馈电抽头105或耦合馈电结构102，两者均能与两侧的单端接地传输线谐振器103的连接接地面101的一端重合；
两个馈电抽头105关于中间的单端接地传输线谐振器103对称；
两个耦合馈电结构102关于中间的单端接地传输线谐振器103对称；
信号输入端口001和信号输出端口002关于中间的单端接地传输线谐振器103对称。
在一个实施例中，所述开槽缝隙203呈矩形，其一短边边与位于单端接地传输线谐振器103的接地端的短边重合；开槽前后单端接地传输线谐振器103均为对称图型，即开槽缝隙203与单端接地传输线谐振器103的对称轴为同一条。
进一步地，所述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均设置在硅基氮化镓上；
如图2所示，在一个实施例中，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；
在一个实施例中，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。
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；
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均布置在顶层金属10中。
进一步地，对于顶层金属10，剥离顶层金属10中硅基氮化镓宽阻带高选择性片上带通滤波器的非金属部分，保留金属部分，形成所述硅基氮化镓宽阻带高选择性片上带通滤波器。
在一个实施例中，提供了硅基氮化镓宽阻带高选择性片上带通滤波器器件，基于阶跃阻抗谐振耦合的滤波器，该滤波器具有阻带快速衰减的高频率选择性、良好的谐波抑制及宽阻带特性，滤波器内嵌双端接地λg/4型传输线结构，具有谐波抑制和硅上GaN的紧凑尺寸，尺寸0.662mm x 0.814mm(0.148λg x 0.182λg,λg＝4.473mm)，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，接地不需要通孔冲孔，特性阻抗范围更宽，易于实现晶圆上测试。
由于不同的应用场景要求，不同的晶圆的GaN势垒层厚度是不一样的，通过生长介质来稳定等效介质的介电常数。本实施例中GaN和硅衬底等效为1mm厚均匀介质，相对介电常数为12.5，正切损耗角为0.01，电导率为0.07S/m。
从测试的S21(图8)可以读出，通带中的最小插入损耗约为3.63dB，二次谐波抑制高于13.9dB。在35.1-110GHz的范围内阻带抑制均高于15dB，具有超宽阻带。滤波器的3dB带宽为16.3％，而12dB带宽仅为36.7％，即12dB-3dB矩形系数仅为2.25。远小于同类论文和专利，具有阻带快速衰减的高选择性。所提出的滤波器覆盖了24.75-27.5GHz，中心频率26.1GHz，带宽为10.5％，通带最小插损3.63dB，通带波纹1.47dB。
包括焊盘在内的BPF尺寸为0.662×0.814mm2。制造的滤波器如图6所示，具体的尺寸如下：
馈电抽头线线长Lt3＝725μm，馈电线线长Ll2＝807μm，馈电抽头线线宽及馈电线线宽Wt＝32μm，测试焊盘宽度Wpad＝50μm，谐振器线宽Wl＝112μm，谐振器开槽宽度Wm＝52μm，谐振器开槽长度Lm＝265μm，双端接地传输线线宽Wg2＝13μm，馈电线与谐振器间距S2＝28μm，谐振器与双端接地传输线间距Gl＝25μm，馈电线与馈电抽头间距St＝20μm，抽头馈线与接地面间距Gt＝25μm。
本发明的等效LC电路图如图1所示，虽然只考虑了电抗性元件，但十分方便用于理论分析。
C1＝0.0365pF,C2＝0.11pF,C3＝0.0365pF,L1＝0.11nH,L2＝0.055nH,L3＝
0.12nH,L4＝0.19nH,L5＝0.028nH,L6＝0.042nH。
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，提供了硅基氮化镓宽阻带高选择性片上带通滤波器的制备方法，如图2所示，包括以下步骤：
步骤1、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；
步骤2、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，令刻蚀深度为300nm9，刻蚀至部分GaN势垒层5，得到刻蚀后的AlGaN/GaN异质结外延层；
步骤3、制备介质：在刻蚀后的AlGaN/GaN异质结外延层的无源区上，整面沉积介质层如SiO2，其厚度根据具体需求为20-1000nm不等；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；
步骤4、剥离出非金属部分：使用光刻胶定义滤波器的位置及图形，使得滤波器位置在无源区上，非金属的区域被光刻胶覆盖，使用电子束蒸发剥离工艺形成位于顶层M2的金属部分10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。
现有专利(公开号：CN107634292A)，由内嵌多开路支节的交指滤波器构成。其为直接馈电输入，且在靠近输入输出端的传输线谐振器上内嵌多开路支节，其通带内仅有一个传输极点。本发明则为耦合馈电在，通带内有三个传输极点(实施例中有两个为重根，即表现为两个传输极点，但有一个的谐振深度明显更高)，通带内更平坦。且改进了馈电结构，使得在保持宽阻带特性的同时(35.1-110GHz内，S21均小于15dB)减小了谐振器的长度，充分利用版图面积。现有专利(公开号：CN107634292A)原理为抑制交指滤波器的高次谐波(寄生)通带，表现为3-28GHz范围内的宽阻带，虽然在29-30GHz处表现处明显的抑制减弱，但并未给出大于30GHz的结果。本发明原理为改进型的交指滤波器，除了抑制谐波分量实现宽阻带外，还充分利用了硅基氮化镓存在寄生沟道的“漏电”属性，即使在约100GHz附近表现出高次谐波的寄生通带但其S21都严格小于-15dB，也即所有谐波都有足够大的插损。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。
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.硅基氮化镓宽阻带高选择性片上带通滤波器，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，且都布置在同一层的金属平面中；
所述单平面共面波导金属部分包括接地面(101)，两个耦合馈电结构(102)及两个馈电抽头(105)，三个单端接地传输线谐振器(103)，两个双端接地传输线(104)，以及信号输入端口(001)和信号输出端口(002)；
单端接地传输线谐振器(103)包括：开路低阻抗段(113)和短路高阻抗段(123)；其中，短路高阻抗段(123)的一端与接地面(101)相连，称为短路端，另一端与开路低阻抗段(113)的一端相连；开路低阻抗段(113)的另一端，不与接地面(101)相连，称为开路端；
三个单端接地传输线谐振器(103)平行放置，中间的单端接地传输线谐振器(103)与接地面(101)相连的方向和两侧的单端接地传输线谐振器(103)相反；
两个双端接地传输线(104)分别设置在中间的单端接地传输线谐振器(103)与两侧的单端接地传输线谐振器(103)之间，且双端接地传输线(104)两端均与接地面(101)相连；
两个耦合馈电结构(102)分别设置于三个单端接地传输线谐振器(103)的两侧；两个馈电抽头(105)分别设置于两个耦合馈电结构(102)远离单端接地传输线谐振器(103)的一侧；
所述信号输入端口(001)和信号输出端口(002)均各自通过一个馈电抽头(105)与一个耦合馈电结构(102)相连；
馈电抽头(105)一端连接耦合馈电结构(102)的接地端，另一端连接信号输入端口(001)或信号输出端口(002)；
信号输入端口(001)和信号输出端口(002)垂直于馈电抽头(105)且分别设置于两个馈电抽头(105)远离耦合馈电结构(102)的一侧；
耦合馈电结构(102)一端连接接地面(101)，另一端开路；
所述非金属部分包括：馈电抽头(105)和接地面(101)之间设置的缝隙(201)，耦合馈电结构(102)及馈电抽头(105)之间设置的缝隙(205)，耦合馈电结构(102)及单端接地传输线谐振器(103)之间设置的缝隙(202)，单端接地传输线谐振器(103)及双端接地传输线(104)之间设置的缝隙(204),以及短路高阻抗段(123)内部开槽缝隙(203)。
2.根据权利要求1所述的硅基氮化镓宽阻带高选择性片上带通滤波器，其特征在于，仅水平平移后三个单端接地传输线谐振器(103)能重合，经过水平平移后，两侧的单端接地传输线谐振器(103)完全重合，两侧的单端接地传输线谐振器(103)的开路端和中间的单端接地传输线谐振器(103)短路端重合，两侧的单端接地传输线谐振器(103)的短路端和中间的单端接地传输线谐振器(103)的开路端重合；两侧的单端接地传输线谐振器(103)关于中间的单端接地传输线谐振器(103)对称。
3.根据权利要求1所述的硅基氮化镓宽阻带高选择性片上带通滤波器，其特征在于，馈电抽头(105)比耦合馈电结构(102)短；
为了实现宽宽阻带特性，馈电抽头(105)与耦合馈电结构(102)平行放置，且水平平移馈电抽头(105)后，馈电抽头(105)与信号输入端口(001)或信号输出端口(002)的连接端，以及耦合馈电结构(102)的开路端重合；仅水平平移馈电抽头(105)或耦合馈电结构(102)，两者均能与两侧的单端接地传输线谐振器(103)的连接接地面(101)的一端重合；
两个馈电抽头(105)关于中间的单端接地传输线谐振器(103)对称；
两个耦合馈电结构(102)关于中间的单端接地传输线谐振器(103)对称；
信号输入端口(001)和信号输出端口(002)关于中间的单端接地传输线谐振器(103)对称。
4.根据权利要求1所述的硅基氮化镓宽阻带高选择性片上带通滤波器，其特征在于，所述开槽缝隙(203)呈矩形，其一短边边与位于单端接地传输线谐振器(103)的接地端的短边重合；开槽前后单端接地传输线谐振器(103)均为对称图型，即开槽缝隙(203)与单端接地传输线谐振器(103)的对称轴为同一条。
5.根据权利要求1所述的硅基氮化镓宽阻带高选择性片上带通滤波器，其特征在于，所述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均设置在硅基氮化镓上；
所述硅基氮化镓包括硅衬底(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：AlN层(7)、AlGaN层(6)、GaN势垒层(5)、GaN沟道层(4)、AlN层(3)、19nm厚的AlGaN层(2)以及GaN帽层(1)。
6.根据权利要求5所述的硅基氮化镓宽阻带高选择性片上带通滤波器，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；
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均布置在顶层金属(10)中。
7.根据权利要求6所述的硅基氮化镓宽阻带高选择性片上带通滤波器，其特征在于，对于顶层金属(10)，剥离顶层金属(10)中硅基氮化镓宽阻带高选择性片上带通滤波器的非金属部分，保留金属部分，形成所述硅基氮化镓宽阻带高选择性片上带通滤波器。
8.如权利要求1～7任一项所述的硅基氮化镓宽阻带高选择性片上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：在刻蚀后的AlGaN/GaN异质结外延层的无源区上，整面沉积介质层；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(10)并剥离非金属部分：使用光刻胶定义硅基氮化镓宽阻带高选择性片上带通滤波器的位置及图形，使得硅基氮化镓宽阻带高选择性片上带通滤波器的位置在无源区上，硅基氮化镓宽阻带高选择性片上带通滤波器中的非金属部分用光刻胶覆盖，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，得到硅基氮化镓宽阻带高选择性片上带通滤波器。
9.根据权利要求8所述的硅基氮化镓宽阻带高选择性片上带通滤波器的制备方法，其特征在于，所述介质层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所述的硅基氮化镓宽阻带高选择性片上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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