JP2010136338A - サファイア上ナノ組織チタン酸バリウム・ストロンチウム(bst)薄膜バラクタ - Google Patents

サファイア上ナノ組織チタン酸バリウム・ストロンチウム(bst)薄膜バラクタ Download PDF

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Abstract

【課題】マイクロ波周波数帯用途に適した低損失のバラクタ・シャント・スイッチを提供する。
【解決手段】ゼロ・バイアスおよび20GHzにおいて0.025未満の非常に低い損失タンジェント、および4.3:1という高い誘電同調性のナノ組織BaSr(1−x)TiO(BST)薄膜を、サファイア基板100上に得ることができる。ゼロ・バイアスにおけるバラクタの大きなキャパシタンスが、入力信号を接地に分路させて、出力への伝送はOFF状態となる。約10Vのバイアス電圧を印加すると、キャパシタンスを極小値に低下して、出力への最大伝送が可能となり、ON状態となる。バラクタ・シャント・スイッチ10のマイクロ波スイッチング性能は、マイクロ波およびミリメートル波周波数において、RF MEMSと比肩することができ、その他の応用分野には、チューナブル・フィルタ、移相回路、およびインピーダンス整合回路が含まれる。
【選択図】図2

Description

本開示は、一般的には、チタン酸バリウム・ストロンチウム(BST)薄膜バラクタに関し、特に、サファイア基板上におけるナノ組織チタン酸バリウム・ストロンチウム(BST)薄膜バラクタに関するものである。
従来技術
マイクロ波集積回路では、チューニング可能/再構成可能な回路が強く望まれていることから、チタン酸バリウム・ストロンチウム(BaSr(1−x)TiO)、即ち、BSTのような、K値が高く、チューナブルなマイクロ波誘電体が受け入れられつつある。チューナブル誘電体に関する最近の開発では、BST強誘電体薄膜で作ったバラクタが、ミリメートル波周波数全域において一定のQを有することができることが示されている。半導体バラクタ・ダイオードおよびPINダイオードは、10GHzより下では比較的大きなQを有することができるが、10GHzより上ではQは劇的に低下する可能性があり、10GHzよりも上の用途にはこれらの魅力が減少する。無線周波数(RF)マイクロ電気機械システム(MEMS)スイッチは、マイクロ波およびミリメートル波周波数において高いQを提供することができるが、本来複雑である可能性があり、遅いスイッチング速度が多くの用途には望ましくない可能性がある。強誘電体バラクタは、高いスイッチング速度、シリコン(Si)モノリシックマイクロ波集積回路(MMIC)との集積の容易性を特徴とすることができ、マイクロ波およびミリメートル波周波数において、相応のQを有することができる。
近年、格子整合およびエピタキシャル成長の応用分野において、サファイア(酸化アルミニウム即ちAl)を基板として用いることが普及している。サファイア基板の利点は、サファイアがマイクロ波周波数において卓越した電気的絶縁体となるに資することにある。加えて、サファイアは、低損失マイクロ波基板として応用することもできる。しかしながら、サファイア基板を用いるこれらの用途の殆どは、誘電体層に大粒子(large-grained)薄膜(即ち、粒子サイズが150nmよりも大きな薄膜)も用い、微細構造レベルとなることが多い。
しかしながら、バラクタの用途では、BST薄膜の大きな誘電チューナビリティおよび低い損失タンジェントが求められている。ナノ組織小粒子BST薄膜は、マイクロ波およびミリメートル波周波数において、大きな誘電チューナビリティおよび低損失タンジェントを呈する。ナノ組織BST薄膜に基づくバラクタ・シャント・スイッチをサファイア基板上に製作すると、RF性能特性の改善が見られる。
本開示によれば、マイクロ波用途に適したバラクタ・シャント・スイッチを提案する。
バラクタ・シャント・スイッチは、サファイア基板と、サファイア基板上に堆積したボトム金属層と、ボトム金属層上にあるチューナブル薄膜誘電体層と、チューナブル薄膜誘電体層上にあるトップ金属層とを備えている。トップ金属層は、コプレーナ導波路伝送ラインを規定することができる。
一実施形態によれば、バラクタ・シャント・スイッチは、ナノ組織BST薄膜をチューナブル誘電体として用いて構成することができる。
他の実施形態によれば、チューナブル薄膜誘電体層は、小粒子チタン酸バリウム・ストロンチウムとすることができる。
したがって、本開示の実施形態の特徴は、サファイア基板の使用により、基板の誘電損失を低減することによって、ナノ組織BST薄膜バラクタのチューニング比(tunablility)およびRF性能を改善することである。本開示の実施形態のその他の特徴は、本明細書において具体化する開示の説明を検討することにより明らかとなろう。
本開示の具体的な実施形態についての以下の詳細な説明は、以下の図面と関連付けて読むと最良に理解することができる。図面において、同様の構造は同様の参照符号で示すこととする。
図1は、本開示の一実施形態によるバラクタ・シャント・スイッチの上面図である。 図2は、本開示の一実施形態によるデバイスの三次元図である。 図3は、本開示の一実施形態による5×5μmデバイスについての、ON状態におけるバラクタ・シャント・スイッチの単純な電気モデルを示す。 図4は、本開示の一実施形態による5×5μmバラクタ・シャント・スイッチについて測定した、S21のバイアス依存性をグラフで示す。 図5は、本開示の一実施形態による5×5μmバラクタ・シャント・スイッチについて測定した、S11のバイアス依存性をグラフで示す。 図6は、本開示の一実施形態による、サファイア基板上のナノ組織BST薄膜について、キャパシタンス対電圧特性をグラフで示す。 図7は、本開示の一実施形態による、サファイア基板上のナノ組織BST薄膜の誘電特性をグラフで示す。
以下の実施形態の詳細な説明において、本明細書の一部をなす添付図面を参照する。添付図面には、限定ではなく例示として、本開示を実用化することができる具体的な実施形態を示す。尚、その他の実施形態も利用可能であること、更に本開示の主旨および範囲から逸脱することなく、論理的、機械的、および電気的変更が可能であることは言うまでもない。
端的に言うと、バラクタ・シャント・スイッチ10は、中間にバラクタが取り付けられたCPW伝送ラインで構成することができ、ゼロ・バイアスにおけるバラクタの大きなキャパシタンスによって入力信号を接地に分路させることにより出力ポートを分離し、その結果デバイスがOFF状態になるようにしたものである。〜250kV/cmのdc場に対応するバイアス電圧(約10V)を印加すると、バラクタのキャパシタンスを極小値に低下させることができ、入力からの信号の殆どを出力に送信することにより、その結果デバイスをON状態にすることができる。
最初に図1および図2を参照すると、サファイア基板100上にコプレーナ導波路(CPW)伝送ラインを用いて、ナノ組織バラクタ・シャント・スイッチ10を設計することができる。サファイア基板100の厚さの範囲は、約100μmから約1000μmの間とすることができ、通例約500μmとすることができる。サファイア基板100は、通例、R−面方位を有することができる。しかしながら、サファイア基板100は、必要に応じて、例えば、90度サファイアとも呼ぶことができるA−面、0度または基準面サファイアと呼ぶことができるC−面、あるいはその他の任意の適した方位のような、他の方位を有することもできる。
バラクタ・シャント・スイッチ10は、トップ金属層130およびボトム金属層110を有し、ボトム金属層110とトップ金属層130との間にチューナブルな薄膜層120を有することができる。一実施形態例では、チューナブル誘電体薄膜層120は、ナノ組織BSTとすることができる。ナノ組織BST薄膜120は、粒子サイズが100nm未満のBST薄膜を指すことができる。一実施形態例では、ナノ組織BST薄膜120は、平均粒子サイズが約30nmから約100nmとすることができる。一実施形態では、トップ金属層130は、ウェハ上プローブ測定のためにプローブ対応CPWライン(probe-able CPW line)を備えることができる。ボトム金属層110およびトップ金属層130は双方共、大きな接地ライン115、135を備えることができ、その結果、トップ金属層130とボトム金属層110との間に位置するナノ組織BST薄膜層120による大きなキャパシタが得られる。
図1において、トップ金属層130およびボトム金属層110の一部を示す、バラクタ・シャント・スイッチ10の上面図が示されている。トップ金属層の信号導体132およびボトム金属層のシャント・ライン112の重複区域は、バラクタ区域200を規定することができる。P1は入力ポートを表すことができ、P2は出力ポートを表すことができる。ボトム金属層110は、ボトム金属層110内において2本の接地ライン115(図1には示されていない)を接続するシャント・ライン112を備えることができる。
図1は、トップ金属層130内にある中央導体132と、ボトム金属層110内にある細いシャント・ライン112との重複区域に作成した平行平板バラクタ10を示す。バラクタのキャパシタンスは、本質的に、ボトム金属層110およびトップ金属層130内にある接地ライン115、135の重複区域によって規定される大きなキャパシタンスと直列とすることができ、その結果バラクタの有効キャパシタンスが得られる。一実施形態では、バラクタのシャント・コンダクタンス、および接地ラインの大きな重複キャパシタンスが、バイア・ホールの必要性を一切排除するのに役立ち、プロセスを一層単純化することができる。図2において、G、S、およびGは、トップ金属層130におけるCPWの接地−信号−接地を意味する。一実施形態例では、バラクタ・シャント・スイッチ10の面積は、約450μm×500μmとすることができる。一実施形態では、CPW接地−信号−接地寸法は、ゼロ・バイアスにおいて50オームに近い特性インピーダンスを得るために、サファイア基板100上において約150μm/50μm/150μmとすることができる。中央導体132と接地導体135との間の間隔は、約50μとすることができる。
中間にあるバラクタ200、および重複する接地ライン115、135による大きな直列キャパシタンスを示すバラクタ・シャント・スイッチ10の三次元図を図2に示す。ボトム金属層110のシャント・ライン112は、バラクタ200に対する寄生直列インダクタンスおよび抵抗も表すことができる。
考慮すべき重要なデバイス・パラメータは、(i)バラクタ面積200、(ii)中央導体132の幅、中央導体132と接地ライン135との間の間隔、およびCPWライン区間の長さというような、CPW伝送ライン・パラメータ、(iii)ボトム金属層110において接地に分路する細い(thin)ラインの寄生インダクタンスおよび抵抗、ならびに(iv)ナノ組織BST薄膜120の誘電特性とすることができる。バラクタ・シャント・スイッチ10は、正確にモデル化することができる。図3は、バラクタ・シャント・スイッチ10の単純な電気モデルを示す。寄生インダクタンスおよび抵抗は、電気モデルの使用により正確に計算することができる。
バラクタの面積を広げると、バラクタのゼロ・バイアス・キャパシタンスを大きくすることができる。バラクタ・シャント・スイッチ10は、オフ状態共振周波数がスイッチの最大分離度(isolation)を決定するので、具体的な動作周波数範囲に合わせて設計することができる。同時に、バラクタの面積が広いと、分離度が高くなるので、スイッチの挿入損失が増大する可能性がある。バラクタのキャパシタンスは、ON状態において低い挿入損失が得られるように、ライン・キャパシタンスのレベルに低減できることが理想的である。この要件は、大面積のバラクタの場合、達成するのが困難である可能性がある。何故なら、誘電チューニング比が、高抵抗率のSi基板上のBST薄膜120では、約4:1に制限されるからである。しかしながら、サファイア100のような低損失マイクロ波基板を用いれば、4:1よりも大きな誘電チューニング比も可能となることもあり得る。
実施形態の一例では、ボトム金属層110は金属スタックを備えることができる。標準的なポジティブ・フォトレジスト・リフトオフ・フォトリソグラフィをボトム金属層またはスタック110に用いることができ、電子ビーム蒸着システムにおいて、Ti接着層(20nm)を最初に堆積し、次いで800nmの金、200nmのプラチナを堆積して、ボトム金属層110を構成する。また、リフトオフ・フォトリソグラフィ、または適した堆積方法であればその他のいずれでも、ボトム金属層110を堆積するために用いることができる。ボトム金属層110を定めた後、プロセス制御パルス・レーザ堆積システムにおいてボトム金属層の表面全体にナノ組織Ba0.6Sr0.4(TiO(BST)薄膜120を堆積することができる。また、スパッタリング、化学蒸着、ゾル−ゲル法、または適した堆積方法であればその他のいずれによってでも、小粒子BST薄膜120を堆積することができる。
ナノ組織BST薄膜120は、大面積堆積システム(4”直径のウェハ上に堆積が可能なNeocera poineer180)において約150mTorr未満の酸素分圧で処理することができる。この結果、約30nmから約100nmの平均粒子サイズのBST薄膜120を得ることができる。ナノ組織BST薄膜120は、当技術分野において知られている、適した方法であればいずれでも、例えば、RFスパッタリングおよび金属有機化学蒸着(MOCVD)によって製作することができる。BST薄膜120の堆積の後、リフトオフ技法を用いてトップ金属層130を規定し処理して、バラクタ・シャント・スイッチ10の製作を完了する。トップ金属層130は、e−ビーム堆積(またはスパッタリング)によって、または適した方法であれば他のいずれによってでも規定することができる。トップ金属層130は、金属スタックで構成することもできる。
HP8510ベクトル・ネットワーク・アナライザ(VNA)を用いて、得られたバラクタ・シャント・スイッチを検査し、散乱(S)パラメータを測定することができる。最初に、ライン−反射−反射−照合(LRRM:Line-Reflect-Reflect-Match)較正を、広い周波数範囲(約5GHzから約45GHz)にわたって行うことができる。標準的なGSGプローブを用い、VNAのバイアス・ティーを通じてプローブにdcバイアスを印加することにより、サンプルを精査する。
数個の5×5μmバラクタ・シャント・スイッチに対して、実験結果が得られた。デバイスの1つは、45GHzまで検査した。0Vから9Vまでの1V刻みのバイアス電圧に対する掃引周波数S21(即ち、送信電力の入力電力に対する比率)応答を図4に示す。このグラフにおいて見ることができるように、40GHzにおけるスイッチの分離度は約21dBとすることができる。最も高いバイアス電圧(8V)および40GHzにおけるデバイスの挿入損失は、〜6dBとすることができる。同じデバイスについてのS11のバイアス依存性(即ち、入力電圧反射係数)を図5に示す。S11のバイアス依存性は、S21と同様の非線形バイアス依存性を示す。
図6は、サファイア上にあるナノ組織BST薄膜バラクタについてのキャパシタンス対電圧特性を示す。このグラフによって見ることができるように、キャパシタンスは、電圧の上昇と共に減少する。ゼロ・バイアスにおけるキャパシタンスは、5μm×5μmのバラクタ・デバイスでは約1pFとすることができ、これは高抵抗率のSi基板上に同じバラクタ・デバイスがある場合に得ることができるものよりも、ほぼ1.5倍高くすることができる。このキャパシタンスは、8Vのdcバイアスにおいて約0.23pFまで非線形にチューニング可能とすることができる。
図7は、実験的掃引周波数S−パラメータを、等価回路モデルを用いて得られた掃引周波数S−パラメータと照合することによって抽出した、サファイア基板上のナノ組織BST薄膜の誘電特性を示す。誘電チューニング比は、高抵抗率のSiウェハ上で測定したものよりも遥かに高くなることができることが非常に明確である。また、誘電損失タンジェントは、バイアス電圧範囲全域において0.02未満とすることができる。尚、誘電損失タンジェントは20GHzにおいて計算したことを注記しておく。近年、サファイア基板上のナノ組織BST薄膜で、0.006未満の誘電損失タンジェントが得られ、BSTバラクタのQを改善することができるようになった。
バラクタ・シャント・スイッチは、dcバイアスを印加した小粒子BST薄膜の誘電チューニング比に基づいて動作する常時OFFデバイスとすることができる。バラクタのキャパシタンスは、優れたスイッチング挙動を達成するために、3.5:1を超えてチューニング可能とすることができる。実施形態の一例では、サファイア基板上において、誘電チューニング比が4.3:1にもなるナノ組織BST薄膜を得ることができ、ゼロ・バイアスおよび20GHzにおいて0.025未満の非常に低い損失タンジェントが得られた。
このようなバラクタ・シャント・スイッチ10デバイスは、再構成可能/チューニング可能マイクロ波回路において、RF MEMS容量性(capasitive)シャント・スイッチの手強い競合となることができる。バラクタ・シャント・スイッチ10は、非常に簡単なデバイスとすることができ、MMIC用サファイア基板100との集積が一層容易になる。シミュレーション結果から、このスイッチはミリメートル波周波数用低損失スイッチとなることができると予測される。チューナブル・フィルタ、移相器、および潜在的なワイヤレス・センサを含む、多数の用途を発展させることができる。
尚、「好ましくは」(preferably)、「慣例的に」(commonly)、および「通例」(typically)というような用語は、本明細書では、特許請求する開示の範囲を限定するために利用しているのではなく、ある種の機構が特許請求する開示の構造または機能に対して肝要、必須、または重要であることを暗示するために利用しているのでもないことを注記しておく。逆に、これらの用語は、単に、本開示の特定的な実施形態において利用してもしなくてもよい代替的または付加的機構を強調することを意図するに過ぎない。
本開示を説明し規定する目的上、「実質的に」という用語は、本明細書においては、何らかの定量的比較、値、測定、またはその他の表現に帰することができる固有の不確実度を表すために利用している。また、「実質的に」という用語は、定量的表現が、該当する主題の基本的機能に変化を生ずることなく、明言した基準値から変動することができる度合いを表すために利用している。
以上、本開示を詳細にそしてその具体的な実施形態を参照しながら説明したが、添付した特許請求の範囲に定める本開示の範囲から逸脱することなく、修正や変形も可能であることは明らかである。更に具体的には、本明細書において、本開示の一部の態様を好ましいまたは特に有利であるとして特定したが、本開示はこれら開示の好ましい態様に必ずしも限定されるのではないことを想定している。
10 平行平板バラクタ
100 サファイア基板
110 ボトム金属層
112 シャント・ライン
115、135 接地ライン
130 トップ金属層
132 中央導体
200 バラクタ

Claims (13)

  1. マイクロ波応用分野のためのバラクタ・シャント・スイッチ(10)であって、
    サファイア基板(100)と、
    前記サファイア基板(100)上に堆積したボトム金属層(110)スタックと、
    前記ボトム金属層(110)上にあるチューナブル・ナノ組織薄膜誘電体層(120)と、
    前記チューナブル・薄膜誘電体層(120)上にあるトップ金属層(130)スタックであって、コプレーナ導波路伝送ラインを規定する、トップ金属層(130)と、
    を備えている、バラクタ・シャント・スイッチ(10)。
  2. 請求項1記載のバラクタ・シャント・スイッチ(10)であって、前記サファイア基板(100)は、R−面、C−面、またはA−面の方位を有する、バラクタ・シャント・スイッチ(10)。
  3. 請求項1記載のバラクタ・シャント・スイッチ(10)であって、前記サファイア基板(100)は、R−面の方位を有する、バラクタ・シャント・スイッチ(10)。
  4. 請求項1記載のバラクタ・シャント・スイッチ(10)において、前記サファイア基板(100)は、約100μmから約500μmの厚さを有する、バラクタ・シャント・スイッチ(10)。
  5. 請求項1記載のバラクタ・シャント・スイッチ(10)において、前記ボトム金属層(110)スタックは、金およびプラチナ、ならびにチタン接着層で構成されている、バラクタ・シャント・スイッチ(10)。
  6. 請求項1記載のバラクタ・シャント・スイッチ(10)において、前記チューナブル薄膜誘電体層(120)は、チタン酸バリウム・ストロンチウムである、バラクタ・シャント・スイッチ(10)。
  7. 請求項1記載のバラクタ・シャント・スイッチ(10)において、前記チューナブル薄膜誘電体層(120)は、ナノ組織である、バラクタ・シャント・スイッチ(10)。
  8. 請求項1記載のバラクタ・シャント・スイッチ(10)において、前記チューナブル薄膜誘電体層(120)は、100nm未満の平均粒子サイズを有する、バラクタ・シャント・スイッチ(10)。
  9. 請求項1記載のバラクタ・シャント・スイッチ(10)において、前記チューナブル薄膜誘電体層(120)は、約30nmから約100nmの範囲の粒子サイズを有する、バラクタ・シャント・スイッチ(10)。
  10. 請求項1記載のバラクタ・シャント・スイッチ(10)において、前記チューナブル薄膜誘電体層(10)を約30mTから約150mTの酸素分圧において処理する、バラクタ・シャント・スイッチ(10)。
  11. 請求項1記載のバラクタ・シャント・スイッチ(10)であって、更に、
    前記サファイア基板(100)上にある接着層であって、前記会金属層(110)スタックの堆積の前に堆積する、接着層を備えている、バラクタ・シャント・スイッチ(10)。
  12. 請求項1記載のバラクタ・シャント・スイッチ(10)において、前記バラクタ・シャント・スイッチ(10)は、4よりも大きい誘電チューニング比率を有する、バラクタ・シャント・スイッチ(10)。
  13. 請求項1記載のバラクタ・シャント・スイッチ(10)において、前記バラクタ・シャント・スイッチ(10)は、ゼロ・バイアスおよび20GHzにおいて、0.025未満の損失タンジェントを有する、バラクタ・シャント・スイッチ(10)。
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