SE513809C2 - Avstämbara mikrovågsanordningar - Google Patents

Description

515 809 REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Vad som behövs är därför en avstämbar mikrovågsanordning som har ett högt avstämningsområde i kombination med låga förluster vid mikrovågsfrekvenser. En anordning behövs också som har en kvalitetsfaktor vid mikrovågsfrekvenser som exempelvis uppgår till 1000-2000. lagret är En anordning behövs också i vilken det ferroelektriska stabiliserat liksom en anordning som uppvisar en prestanda som är stabil i tiden, dvs prestanda varierar inte och försämras inte med tiden.

Dessutom behövs en anordning som är skyddad emot lavinartad elektrisk kollaps i det avstämbara ferroelektriska materialet.

Dessutom behövs en anordning som är lätt att framställa. En som är okänslig vad det gäller Därför tillhandahålles anordning behövs också yttre faktorer såsom temperatur, fuktighet osv. en elektriskt avstämbar anordning, speciellt för mikrovågor, som ledande medel och åtminstone ett Mellan (eller avstämbart innefattar ett bärarsubstrat, ferroelektriskt ledande avstämbart lager. det/varje åtminstone ett antal) medel och ett ferroelektriskt lager är en buffertlagerstruktur anordnad som består av en tunnfilmsstruktur som innefattar ett icke ferroelektriskt material.

Enligt ett utförande består tunnfilmsstrukturen av ett tunt icke- alternativt utförande består ferroelektriskt lager. I ett tunnfilmsstrukturen av en multilagersstruktur som inkluderar ett antal icke ferroelektriska lager. I återigen andra utföranden är det en multilagerstruktur som inkluderar ett antal icke ferroelektriska lager anordnade på ett alternerande sätt med ferroelektriska lager (så att ett icke ferroelektriskt lager alltid är anordnat näraliggande den/det ledande medlet/medlen). 513 809 I ett speciellt utförande är det ferroelektriska lagret anordnat ovanpå bärarsubstratet och den icke ferroelektriska tunnfilmsstrukturen, som inkluderar ett eller flera lager, är anordnad ovanpå det ferroelektriska lagret där de ledande medlen i sin tur är anordnade ovanpå den icke ferroelektriska strukturen. I ett alternativt utförande är det ferroelektriska lagret anordnat ovanpå den icke ferroelektriska strukturen, som inkluderar ett eller flera icke ferroelektriska lager, ledande ledande (åtminstone) longitudinellt anordnade elektroder mellan vilka som är anordnad ovanpå de medlen. De medlen innefattar speciellt två elektroder eller ledare det finns ett gap. Enligt olika utföranden är den icke ferroelektriska strukturen deponerad in-situ på det ferroelektriska eller också lagret deponerad. ex-situ på det ferroelektriska lagret.

Deponeringen av det icke ferroelektriska lagret kan utföras med användning av olika tekniker såsom exempelvis laser deposition, sputtring, fysisk eller kemisk förångningsdeponering eller genom användning av sol-gel tekniker. Givetvis kan också andra tekniker som är lämpliga användas.

Företrädesvis har de ferroelektriska och de icke ferroelektriska strukturerna gitter matchande kristallstrukturer. Den icke ferroelektriska strukturen är speciellt anordnad så att den täcker också gapet mellan ledarna eller elektroderna. I_ en speciell implementering består anordningen av en elektriskt' avstämbar kondensator eller en varaktor.

I ett annat utföringsexempel inkluderar anordningen två lager med ferroelektriskt material som är anordnade på varsin. sida om bärarsubstratet och två ledande medel, där icke ferroelektriska tunnfilmsstrukturer är anordnade mellan de ferroelektriska respektive icke ferroelektriska strukturerna på ett sådant sätt lO 513 809 att anordningen bildar en resonator. Enligt olika implementeringar kan anordningen enligt uppfinningen bestå av mikrovàgsfilter eller användas i_ mikrovàgsfilter. Också anordningar såsom fasskiftare osv kan tillhandahållas med användning av det uppfinningsmässiga konceptet.

Olika material kan användas; ett exempel på ett ferroelektriskt material är STO (SrTiO3). Det icke ferroelektriska materialet kan exempelvis bestå av CeO2 eller ett liknande material eller SrTiO3 som är dopat pà ett sådant sätt att det inte är ferroelektriskt.

En fördelaktig användning av en anordning så som visad är i trådlösa kommunikationssystem.

KORTFATTAD FIGURBESKRIVNING Uppfinningen kommer i det följande att ytterligare beskrivas på sätt och under ett icke begränsande hänvisning till bifogade figurer, i vilka: Fig 1 visar en tvärsnittsvy av en avstämbar anordning enligt ett första utförande av uppfinningen, Fig 2_ schematiskt illustrerar en plan kondensator liknande utföringsexemplet i Fig 1, Fig 3 visar ett andra utföringsexempel av en uppfinnings- mässig anordning, Fig 4 visar återigen ett annat utförande i vilket en struktur innefattande alternerande lager används, Fig 5 visar ett fjärde utförande av en anordning enligt uppfinningen, 513 809 Fig 6 schematiskt illustrerar ett experimentellt beroende hos avstämbarheten som en funktion av kapacitansen för ett antal materialtjocklekar, och Fig 7 visar de experimentella resultaten som relaterar till förlustfaktorn vid användning av ett icke di- elektriskt lager enligt uppfinningen.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Genom uppfinningen visas anordningar genom vilka det är möjligt att uppnå en hög avstämbarhet i kombination med låga förluster vid mikrovågsfrekvenser. Allmänt uttryckt uppnås detta genom en design i vilken ett tunnt icke ferroelektriskt, dielektriskt lager (eller flera lager) är anordnat/anordnade mellan det ledande lagret och icke ferroelektriska täckskydd för det ferroelektriska lagret i gapet mellan de ledande medlen eller ett avstämbart ferroelektriskt lager. Det lagret kommer också att agera som ett elektroderna. Det icke ferroelektriska lagret kan deponeras ”in- situ” eller ”ex-situ” pà det ferroelektriska lagret genom laserdeponering, sputtring, fysisk àngdeponering, kemisk àngdeponering, sol-gel eller någon annan lämplig teknik. Det icke ferroelektriska lagret ska vara orienterat och ha en god gittermatchning med det ferroelektriska lagrets kristallstruktur..

Dessutom ska det ha låga alla utföringsexempel som kommer att hänvisas till nedan eller som inte mikrovågsförluster. I visas explicit, kan den icke ferroelektriska lagerstrukturen vara en struktur med ett enstaka lager eller också kan den bestå av en multilagerstruktur. 513 809 Den tunna icke ferroelektriska strukturen kommer att reducera den totala kapacitansen för anordningen beroende på närvaron av två kondensatorer hos den tunna icke ferroelektriska strukturen i serie med den avsstämbara kapacitansen som resulterar ifràn det ferroelektriska lagret. Även om den totala kapacitansen reduceras, vilket är önskvärt i de flesta tillämpningar, kommer avstämbarheten bara att minskas lite eftersom förändringen i den dielektriska konstanten hos det ferroelektriska lagret kommer att omfördela det elektriska fältet och förändra seriekapacitansen beroende på den tunna icke ferroelektriska strukturen.

Fig 1 visar ett första utförande av en anordning 10 enligt uppfinningen som består av ett substrat 1 på vilket ett ferroelektriskt material 2, soul är avstämbart, är anordnat. På sagda ferroelektriska material 2, är ett icke ferroelektriskt lager 4 deponerat, exempelvis med användning av någon av de tekniker som refererats till ovan. Två ledande medel som innefattar en första ledare eller en elektrod 3A och en andra ledare eller elektrod 3B är anordnade på det icke ferroelektriska lagret 4. Mellan den första och den andra elektroden 3A, 3B finns ett gap. Som kan ses ur figuren täcker den icke ferroelektriska strukturen 4 den avstämbara ferroelektriska strukturen 2 över gapet mellan ledarna 3A, 3B. Ytan pà den ferroelektriska strukturen 2 skyddas således av den icke ferroelektriska strukturen 4 i ett färdigt tillstånd men _ocksà under framställning, dvs .när anordningen framställes. Eftersom den ferroelektriska strukturen 2 skyddas pà detta sätt, kommer den ferroelektriska strukturen att stabiliseras och dess prestanda kommer att bli stabil i tiden, dvs den försämras inte med tiden.

Dessutom kommer förlusterna att minska eftersom det kommer att bli en högre kontroll av gränssnittet hos den ferroelektriska strukturen och det kommer att finnas färre defekter på ytlagret hos det ferroelektriska materialet. Istället för tvà elektroder 513 809 7 kan de ledande medlen inkludera fler än två elektroder, exempelvis en eller flera elektroder anordnade emellan elektroderna 3A, 3B.

Dessutom kommer det icke ferroelektriska lagret att tillhandahålla ett skydd mot lavinartat elektriskt sammanbrott i det avstämbara ferroelektriska materialet. Även om den icke ferroelektriska strukturen 4 visas så som att den endast skulle innefatta ett lager, ska det vara klart att den också kan bestå av en multilagerstruktur.

Fig 2 relaterande till en till detta några siffror som relaterar till dimensioner, visar ett utföringsexempel plan kondensator 20. Relaterande utföringsexempel anges värden osv som här skäl. innefattar ett substrat 1'exempelvis av LaAlO3 som har en tjocklek givetvis endast är angivna av illustrativa Anordningen H pà exempelvis 0.5 mm, sS=25. och med en dielektrisk permittivitet Ovanpå substratet är ett ferroelektriskt lager 2' av exempelvis STO anordnat som här har en tjocklek hf på O.25um och som har en dielektrisk permittivitet sf=l500. Därpå är det skyddande buffertlagret 4', som är ett icke ferroelektriskt, exempelvis dielektriskt, lager, anordnat och det har en dielektrisk permittivitet ed=lO. vilken en icke ett flertal I Fig 3 visas en alternativ anordning 30 i ferroelektriskt struktur 4", som här består av dellager, är anordnad ovanpå ledande elektroder 3A', 3B' som är anordnade på substrat 1”. Den icke ferroelektriska multi- lagerstrukturen är deponerad på (under) ett avstämbart ferroelektriskt material 2”. Fungerandet är väsentligen detsamma som det som beskrivits under hänvisning till Fig 1, med den skillnaden att det är en inverterad struktur eftersom 513 809 ferroelektrikat är anordnat ovanpå det icke ferroelektriska lagret, dvs ovanpå elektroderna. Dessutom består det icke ferroelektriska lagret av en multilagerstruktur. Givetvis kan också i detta utförande den icke ferroelektriska strukturen alternativt bestå av ett enstaka lager.

Fig 4 visar en avstämbar kondensator 40 med en struktur innefattande ferroelektriska lager 2A1, 2A2, ZA3 och icke ferroelektriska lager 4A1, 4A2, 4A3 som är anordnade på ett alternerande sätt. Antalet lager kan givetvis vara vilket som helst och det är inte begränsat tre av vardera slaget såsom illustrerat i Pig 4, det huvudsakliga är att ett icke (här 4A1) 3B1; och också täcker i gapet mellan elektroderna. ferroelektriskt lager är anordnat i kontakt med de ledande medlen 3A1, En sådan alternerande anordning kan givetvis också användas i den ett ferroelektriskt lager ”inverterade” strukturen såsom visad i Fig 3.

Fig 5 'visar ytterligare en annan anordning 50 j. vilken första ledande medel 3A@ icke ferroelektriskt lager 4C, aktivt, 3B2 i form av elektroder är anordnade på ett som i sin tur är deponerat pà ett Under det ferroelektriska ferroelektriskt, lager 2C. lagret 2C är ett ytterligare icke ferroelektriskt lager 4D anordnat på motsatta sidan av vilket andra ledande medel 3A3, 3B3 är anordnade, vilka i sin tur är anordnade pà ett substrat lC. också i detta fall kan en alternerande struktur såsom den i Fig 4 användas.

Vilket som helst av de ovan nämnda materialen kan användas också i dessa implementeringar. Det icke ferroelektriska materialet kan vara dielektriskt, men det behöver inte vara ett sådant material.

Det kan dessutom vara ferromagnetiskt. ß 513 809 9 Den aktiva ferroelektriska lagerstrukturen i vilket som helst av utföringsexemplen kan exempelvis bestå av endera SrTiOh BaTiO@ BaxSrl¶TiO3, PZT (Lead ferroelektriska material. Buffertlagret eller den skyddande icke Zirconate Titanate) likväl som ferroelektriska strukturen kan exempelvis bestå av något av följande material: CeO2, MgO, YSZ (Ytterium Stabilized Zirconium), ledande material med lämplig PrBCO (PrBa¿hnO7#), ledande YBa2Cu3O߶ osv. Substratet kan bestà av LaAlO3, MgO, R-cut eller M- eller något annat icke kristallstruktur, exempelvis icke cut safir, SiSrRuO3 eller något annat lämpligt material. Det ska vara klart att mängden exempel inte är uttömmande och att också andra möjligheter finnes.

I Pig 6 illustreras den dynamiska kapacitansen som en funktion av spänningen för tre olika tjocklekar på det icke ferroelektriska I detta fall är längden pà den plana kondensatorn antagen till att vara 0.5 mm medan gapet mellan ledarna 3A',3B' buffertlagret 4'som här är dielektriskt. är 4pm. En magnetisk vägg kan sägas bildas mellan substratet och det ferroelektriska lagret 2'.

Kapacitansen visas som en funktion av den spänning som appliceras mellan elektroderna för tre olika värden, nämligen hw=l0nm, }m0=30nn1 och hum=l0Onn1 på det dielektriska icke ferroelektriska buffertlagret 4”. Kapacitansen illustreras också för det fall där det inte finns något buffertlager mellan de ledande medlen och det ferroelektriska lagret, kurva ho. Detta antas således illustrera hur avstämbarheten reduceras genom införandet av ett buffertlager 4'för ett antal tjocklekar jämfört med de fall där det inte finns något buffertlager. Som kan ses är reduktionen i avstämbarhet inte signifikant.

Fig 7 visar Q-värdet för en kondensator beroende på spänningen när ett buffertlager är anordnat, svarande mot den övre kurvan A, och 513 809 fallet när det inte finns något buffertlager, svarande mot den undre kurvan B. Som kan ses ifrån det experimentella uppträdandet, ökas Q-värdet för en kondensator väsentligt genom införandet av ett buffertlager.

Utöver de fördelar som redan hänvisats till ovan tillkommer en fördel med att använda ett buffertlager över det aktiva (avstämbara) ferroelektriska lagret eftersom när ett ledande mönster etsas, kommer viss etsning att ske i det följande, underliggande lagret. Således kan skador produceras i det översta lagret av det ferroelektriska materialet i gapet om det inte skyddas.

Det uppfinningsmässiga konceptet kan också tillämpas på resonatorer, såsom exempelvis den som visas i ”Tunable Microwave Devices” som är en svensk patentansökan med ansökningsnummer 9502137-4, hänvisning därtill. av samma sökanden som härvid inkorporeras häri genom Det uppfinningsmässiga konceptet kan också slag. Ett antal andra användas i olika mikrovàgsfilter av tillämpningar är givetvis också möjliga. Liksom i andra avseenden av uppfinningen är den inte begränsad till de speciellt visade utföringsexemplen utan den kan varieras pà ett antal sätt inom ramen för patentkraven.

Claims (21)

10 15 20 25 30 513 809 11 PATENTKRAV

1. l. En elektriskt avstämbar anordning (lO;20;30;40;50), tex för mikrovågor, innefattande ett bärarsubstrat (l;l';l”;lA-lC), ledande znedel (3A, 3B;3A',3B';3A”,3B”;3A1,3B1;3A2,3B2;3A3,3B3) och åtminstone ett aktivt ferroelektriskt lager (2;2';2”;2A1,2A2,2A3), k ä n n e t e c k n a d d ä r a v a t t mellan åtminstone ett antal ledande medel (3A,3B;3A',3B';3A”,3B”;3A1,3B1;3A¿,3B2;3A3,3B3) och ett ferro- elektriskt lager (2;2';2”;2A1,2A2,2Afl (4;4';4”;4A1 ,4A2,4A3;4C,4D) innefattande ett icke ferroelektriskt material. är anordnat ett buffertlager bestående av en tunnfilmsstruktur

2. En anordning enligt patentkrav l, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v a t t (4;4';4”;4Ah4A2pUfi;4C,4D) består av ett tunt icke ferroelektriskt lager. tunnfilmsstrukturen

3. En anordning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v a t t tunnfilmsstrukturen består av en multilagerstruktur (4”;4A1,4A2,4A3) som inkluderar ett antal icke ferrroelektriska lager.

4. En anordning enligt patentkrav 2 eller 3, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v a t t ett antal ferroelektriska lager (2A1,2A2,2A3) 'och icke ferroelektriska lager (4A1,4A2,4A3) är anordnade på ett alternerande sätt i anslutning till de ledande medlen (3A1,3Bfl. 10 15 20 25 30 515 809 12

5. En anordning enligt något av patentkraven l-3, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v a t t det ferroelektriska lagret (2;2';2A3) är anordnat ovanpå bärarsubstratet (1;1';lA), där den icke ferroelektriska tunnfilmsstrukturen (4;4';4A1) är anordnad ovanpå det ferroelektriska lagret och att de ledande medlen (3A,3B;3A',3B';3A1,3B1) är anordnade ovanpå den icke ferroelektriska strukturen.

6. En anordning enligt något av patentkraven 1-3, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v a t t ferroelektriska lagret (2”) är anordnat ovanpå den icke (4”), anordnade på substratet. ferroelektriska strukturen som är anordnad ovanpå de ledande medlen (3A”,3B")

7. En anordning enligt något av föregående patentkrav, K ä n n e t e c k n a d d ä r a v a t t de ledande elektroder medlen innefattar två longitudinellt anordnade (3A,3B;3A',3B';3A”,3B";3A1,3B1;3A2,3B2;3A3,3Bfi mellan vilka ett gap tillhandahålles.

8. En anordning enligt något av patentkraven 1-4, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v a t t andra ledande medel (3A3,3B3) är anordnade och att ett icke ferroelektriskt lager (4D) är anordnat mellan sagda andra ledande medel (3A3,3B3) och det ferroelektriska lagret (2C).

9. En anordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v a t t den icke ferroelektriska buffertlagerstrukturen är deponerad in- situ på det ferroelektriska lagret. 10 15 20 25 30 513 809 13

10. En anordning enligt något av patentkraven 1-6, a t t den icke ferroelektriska buffertlagerstrukturen är deponerad ex- k ä n n e t e c k n a d d ä r a v situ på det ferroelektriska lagret.

11. En anordning enligt patentkrav 7 eller 8f a t t den icke ferroelektriska buffertlagerstrukturen är deponerad genom k ä n n e t e c k n a d d ä r a v användning av laserdeponering, sputtring, fysisk eller kemisk ångdeponering eller sol-gel teknik.

12. En anordning enligt något av föregående patentkrav, a t t de ferroelektriska och de icke ferroelektriska strukturerna har k ä n n e t e c k n a d d ä r a v gitter matchande kristallstrukturer.

13. En anordning enligt åtminstone patentkrav 7, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v a t t den icke ferroelektriska buffertlagerstrukturen (3A,3B;3A',3B';3A”,3B”;3A1,3B1;3A2,3B2;3A3,3Bfl är täcka gapet mellan ledarna/elektroderna. anordnad att

14. En anordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v a t t den innefattar en elektriskt avstämbar kondensator (varaktor).

15. En anordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v a t t 7 den innefattar två lager av ett ferroelektriskt material anordnat på endera sidan av bärarsubstratet och två ledande medel, där icke ferroelektriska tunnfilmsstrukturer är anordnade mellan de respektive ferroelektriska och icke ferroelektriska strukturerna, och att anordningen bildar en resonator. 10 15 20 25 30 513 809 14

16. En anordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v a t t det icke ferroelektriska materialet i. buffertlagerstrukturen är ett dielektrikum.

17. En anordning enligt någon av patentkraven 1-16, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v a t t det icke ferroelektriska materialet är ferromagnetiskt.

18. En anordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v a t t den används i mikrovàgsfilter.

19. En anordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v a t t det ferroelektriska materialet består av STO (SrTiO3).

20. En anordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v a t t det liknande material eller SrTiO3 dopat på ett sådant sätt att det icke ferroelektriska materialet består av CeO2 eller ett inte är ferroelektriskt. anordning enligt föregående

21. Användning av en något av patentkrav i ett trådlöst kommunikationssystem.