TW441146B - Tunable microwave devices - Google Patents

Description

五、發明說明G) 發明領域 電1吉構之可電調整裝置，特別微 本發明係關於基於強誘 波裝置。 業界現況 已知可電调整裝置，例如錄— 強誘電結構，確實具有高調ί谷器（varactors)且係基於 貝八角间4整範圍但於微波頻率之指缸古 如此限制其應用性。典型介费ι ▲ 、 间 真&丑， ^^丨電常數（未外加及外加電場）之 最大值與最小值間之比係於η > 狀 值於10 GHz係於0.02至〇 〇5之}】至3之'圍，知耗正切 ^ n ^ m ^ ^ ^ ^ '之乾圍。此點對於需要低損耗 用途未臻滿意。例如需要約1 0 0 0 - 20 0 0之品質因 °。 94/1 302 8揭示一種富有強誘電層之可調整平面變 谷器。但，於微波頻率之損耗高。 交 US = -5 64J) 〇42顯示另一種可調整變容器。又於此案 古，貝耗過高，產生跨越交界面介電材料_導體間之損 冋，此外導體間游離面之損耗高，結果導致處理過程（ ^蝕刻，圖樣化）中強誘電材料暴露出，由於晶體材 損故造成損耗。 又 發明概述 、因此需要一種可調整微波裝置其具有高調整範圍與於微 波頻f低損耗之組合。也需要一種裝置其具有於微波頻率 時之品質因數例如高達1 0 0 0 -2 0 0 0。也需要一種裝置其中 ^誘電層被穩定化，及一種裝置其顯示隨著時間的經過穩 定的性能’亦即性能不會隨著時間的經過而改變及劣化二 此外’需要一種裝置其保護對抗可調整強誘電材料之突 441 14 6 五、發明說明（2) 然電壓崩潰。 又需要一種 因素如溫度、 置，特別微竣 可調整強誘電 調整強誘電層 電材料之薄祺 根據一具體 例中，薄膜結 一具體例中， 列，故 特定 一或多 電裝置 電層係 非強誘 (至少） 不同具 非於原 非強 散、物 術進行 較佳 強誘電 非強誘 具體例 層之非 又設置 設置包 電結構 二縱向 體例， 位沉積 誘電層 理或化 。當然 強誘電 結構特 容易製 濕度等 裝置其 層。介 間提供 結構。 例，薄 構包含 多層結 電層經 中，強 強誘電 於非強 括一或 係設置 設置電 非強誘 於強誘 之沉積 學蒸氣 也可使 及非強 別設置 造的裝置。 不敏感。因 包含一支载 於該/各（或 一種緩衝層 膜結構包含 多層結構包 構包含多層 常設置a比鄰 誘電層係設 薄骐結構係 誘電結構頂 多層非強誘 於導電裝置 極，電極或 電結構係原 電層上。 可使用不同 沉積進行， 用其它適當 誘電結構具 呈也遮蓋導 也需要一種裝置其對外部 此提供一種可電調整裝 基板、導電裝置及至少一 至少一者）導電裝置與可 結構，其包含一含非強誘 薄非強 括多層 非強誘 導電裝 置於支 設置於 上。另 電層之 頂上。 導體間 位沉積 誘電層。 非強誘電 電層以交 置。 載基板頂 強誘電層 替代具體 層。又另 替方式排 上，包括 頂上，導 一具體例中，強誘 非強誘電結構上， 導電裝置特別包含 隙。根據 層上，或 設置一間 於強誘電 技術例如雷射沉積、游； 或透過使用溶膠-凝膠技 技術。 有晶格匹配晶體結構。： 體成電極間之間隙=> 一； 丨'、441 1 4 6 五、發明說明（3) 定實務中，裝置包含一可電調整電容器或變容器。 另一具體例中，裝置包含兩層強誘電材料設置於支载基 板兩側，二導電裝置、非強誘電薄膜結構係設置於各別強 誘電結構與非強誘電結構間因此裝置形成一諧振器。根據 不同實務，本發明裝置可包含微波濾波器或用於微波濾波 器。又裝置例如移相器等可使用本發明之構想提供。 可使用不同材料；強誘電材料之一例為STOCSrTi 03)。 非強誘電材料例如包含Ce02或類似材料或SrΤί03其係攙雜 成非強誘電性。所揭示裝置之一種較佳用途係用於無線通 訊系統。 圖式之簡單說明 後文將以非限制性方式及參照附圖說明本發明，附圖 中： 圖1顯示根據本發明之第一具體例之可調整裝置之剖面 圖， 圖2示意說明類似圖1之具體例之平面電容器， 圖3顯示本發明裝置之第二具體例， 圖4顯示使用包含交替層結構之又另一具體例， 圖5說明根據本發明之裝置之第四具體例， 圖6示意說明可調整性層對多種材料厚度之電容函數 之實驗相關性，及 圖7顯示使用根據本發明之非介電層有關損耗因數的實 驗結果。 發明之詳細說明

第7頁 44U46 --------. 五、發明說明（4) 透過本發明裴置可達成高度調整性以及於微攻頻 耗損。一般而言，此項目的可透過一種設計達成， 強誘電介電層係設置於導電層與可調整強誘電層間 誘電層也做為於導電裝置或電極間隙之強誘電層之 其中非 °非強 蓋層。 學蒸 〇 非強誘電層可藉雷射沉積、濺散、物理蒸氣沉積、化· 氣沉積、溶膠-凝膠或任何其它方便技術"原位"或，，井予 11沉積於強誘電層上。非強誘電層須定向且具有良奸日原位 巧配強誘電層之晶體結構。又須有低微波損耗β右郎格 或未明白揭示之全部具體例中，非強誘電層結構可，又 結構或包含多層結構^ …單層 薄的非強誘電結構可減少因存在有串連之薄非強誘勝@ 構之兩種電容來自強誘電層之可調整電容故可降低事2 ^ 總電容。即使總電容降低，此點為大半用途所期望，作的 整性僅略為降低，原因為強誘電層之介電常數變化可^， 分散電場及改變因薄的非強誘電結構造成的串連電容。又 〇 圖1顯示根據本發明的裝置丨〇之第—具體例其包含一基 板1或設置強誘電材料2，其可調整。於可調整之強誘電"·材 料2,上’例如使用前述任—種技術沉積非強誘電層4。包含 一弟導體或電極3Α及第二導體或電極3Β之兩種導電裝置 係汉置於非強誘電層4上.介於第一與第二電極3 Α，3 Β間 有個間隙。由附圖可見，非強誘電結構4遮蓋可調整強誘 電結構2跨越導體3 A，33Β間之間隙。如此，強誘電結構2表 面於完成狀態同時於處理過程，亦即裝置製造時係受非強 誘電結構4保護。因強誘電結構2係以此種方式保護，故強 4 41 Μ 6 I五、發明說明（5) 誘電結構將穩定化，其性能隨著時間而穩定，亦即不會隨 著時間的經過而劣化。此外，損耗可降.低，原因為對強誘 電結構之交界面之控制性較高且強誘電材料表層之瑕疵較 少。替代二電極，導電裝置包括多於二電極，例如一或多 個電極設置於電極3 A，3 B間。 此外非強誘電層可提供可調整強誘電材料對抗突發電壓 崩潰的保護。 雖然顯示非強誘電結構4單純包含一層，但顯然也包含 多層結構。 圖2顯示有關平面電容器2 0之具體例。有關本具體例， 列舉若干有關尺寸數值等之數據，及於此處單純用於舉例 說明兩途。裝置包括基材Γ ，例如LaA103製成具有厚度Η 例如0. 5毫米，介電電容率ε s = 2 5。基板頂上設置一層強 誘電層2’例如STO製造，此處具有厚度hf 0. 25微米及介電 電容率ef=1500。於其上方設置一層保護性緩衝層4’ ， 其為非強誘電層例如介電層，且具有介電電容率ε d = 10° 第3圖中，揭示替代裝置3 0，其中非強誘電結構4 "，此 處包含多亞層，係設置於導電電極3A’ ，3B’頂上而其又設 置於基材Γ頂上。非強誘電多層結構係設置於可調整強誘1 電材料2"上方（下方）。其功能大致如同就圖1所述，唯一 為結構顛倒，'強誘電層係於非強誘電層上方，亦即電極上 方。此外，非強誘電層包含多層結構。當然此一具體例 中，非強誘電結構例可包含單層。 441 1 4 6 五、發明說明（6) 圖4顯示可調整電容器4〇，其中一結構包含強誘電層 2A, ’ 2Aa ’ 2AS及非強誘電層4Αι，其係以交替方式 設置。陳述可為任何數目但非限於如圖4示例說明之三 層，主要為非強誘電層（此處)係設置成接觸導電裝置 3A! ’ 3B〗，也遮蓋電極間間隙之強誘電層（此處為2 。 此種替—代具體例單元也可用於圖3揭示之"顛倒結構。 圖5顯示又另一種裝置5〇，其中呈電極形式之第—導電 裝置3A2 ’ 3B2係設置於非強誘電層4C上，而其又沉積於強 誘J層之主動層以上。於強誘電層2C下方設置另一非強誘 電層4D ’於該層對侧係設置第二導電裝置Μ，而其 又二置於基板1 c上。又本例可使用如圖4之替代結構。/、 =述任一種材料也可用於本實務。非強 介質’但無須為此種材料。又可為鐵磁性。Μ為電 任何具體例之主動強誘電層結構例如可包含& ， 二；’β :PZT(鉛錯酸鹽鈦酸鹽)及鐵磁材料之 之任一者：Ce0 Μ 〇 卜夕·！材枓 其它具有適當晶體結構之 =二心 方便材料。顯缺刀割广’sisrRu〇3或任何其它 能。 ”"…、此專貫例並未羅列盡淨而尚存在有其它可 緩Ξ層中4,電動壓W容：舉例說明為三種不同厚度非強誘電 ⑥壓之函數，該緩衝層此處為電介質。此種案^

第10頁 五、發明說明（7) 中，平面電容器之長夜假設為〇 5 間之間隙為4微米。磁媸·耄未而¥隨3Α， ’ 3Β， 間。 ^生壁據稱形成於基板與強誘電廣2, 電^皮說明為對介電非強誘 值，亦即、=1 〇毫微米，h二=衡層4之二個不同數 電極間外加電壓的函# =办0 =米及^« = 1 〇 0毫微米之 詹曲線hfl間並無緩衝層‘:、用於導電裝置與強誘電 緩衝層案例，透過對多如此推定可說明比較並無 性。又可見調整性的 Γ以及鲛衝層4如何降低調整 i1王的降低亚無顯著。 圖7顯示當提供緩衝層時與 上曲線A ;以及無緩衝層之：，對應於 如由實驗性表3¾性可知， ’、’士應於下曲線B。如此’ 顯著增高。 A由引進緩衝層，電容器之Q值 除了前述優點外，右一屢机4 調整）強誘電層’原因n為使用緩衝層跨越主動（可 也發生於隨後的下方，V t電圖樣被蝕刻時’此種银刻 忒層。如此，若未經保護，則間隙的 強誘電材料頂層可能受損^ 咕Γ二明Λ構士想也適用於諸振器，例如揭示於”可調整微 9 5(^1 3 7 4 ^申請人提出申請之瑞典專利申請案第 9 5 G 2 1 3 7 - 4，併述於士卜，、；加a丄 不同種微波渡波/多以種供/考。本發明之構想也可用於 0P ^ ^ 0 種其它應用當然也屬可能β又本發 Ρίϋ Ϊ = | 时HI =於特定舉例說明之具體例，而可於隨 附之申请專利靶圍内於容 V楂方式改變。

Claims (1)

1. ^o\nd 修正3^1 441146 案號 88106942 修正 六、申請專利範圍 1 . 一種可電調整裝置（1 0 ; 2 0 ; 3 ◦ ; 4 0 ; 5 0 )，例如用於 微波裝置，包含一支載基板（1 ;1’ ；1” ；1A-1C)，導電裝 置（3A，3B ; 3A’ ，3B’ ； 3A" - 3BM ; 3A!，3B! ； 3A2，3B2 ； 3A3，3B3)及至少一主動強誘電層（2 ; 2’ ； 211 ; 2Ai，2A2， ί2Α3)，其特徵在於介於至少多個導電裝置（3A，3B;3A’ ， 3B’ ； 3A1，，3BM ； 3Ai > ZB, .； 3 A2 - 3B2 ； 3AS，3B3)與一強誘 電層（2 ; 2’ ； 2" ; 2Ai，2A2，2A3)間設置一缓衝層（4，4，； 〆4" ; 4Ai ，4A2，4A3 ; 4C，4D)其係由包含一非強誘電材料 .之一薄噑結構組成。 2.如申請專利範圍第1項之裝置，其特徵在於該薄膜結_ 構（4 ; 4’ ； 4" ; 4Ai，4A2，4 A3; 4C，4D)包含一薄的非強誘電 〇 3.如申請專利範圍第1項之裝置，其特徵在於該薄膜結 構包.含一多層結構（4n ; 4Ai，4A2，4A3)包括多數非強誘電 〇 4.如申請專利範圍第2或3項之裝置，其特徵在於多層強 誘電層（2Ai，2A2，2A3)及非強誘電層（4A!，4A2，4A3)係以 交替方式毗鄰導電裝置（3A!，3BD設置。 5.如申請專利範圍第1至3項中任一項之裝置，其特徵在 於該強誘電層（2 ; 2 ’ ； 2 A3)係設置於支載基材（1 ; Γ ; 1 A )頂 上，非強誘電薄膜結構（4 ; 4 ’； 4 Ai)係設置於強誘電層頂上 及導電裝置（3A，3B ; 3A’ ，3B’ ； 3Ai，3BJ係設置於非強 誘電結構頂上。 6.如申請專利範圍第1至3項中任一項之裝置，其特徵在

   O:\58\58280.ptc 第1頁 2001.01.02. 013 447 Μ 6 _案號 88106942_年，月幺曰____ 六'申請專利範圍 於該強誘電層（2 11 )係設置於非強誘電結構（4 ”）頂上而其係 設置於設置於基板頂上之導電裝置（3 A "，3 B N )頂上。 7 .如申請專利範圍第1至3項中任一項之裝置，其特徵在 於該導電裝置包含二縱向設置電極（3A，3B ;3A’ ，3B’ ； 3A” ，3B" ; 3Ai，3B! ; 3A2，3B2 ; ίΑ3，3B3)介於期間提供一 間隙。 8. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之裝置，其特徵在 於設置第二導電裝置（3 A3，3 B3)及一非強誘電層（4 D )係設 置於第+導電裝置（3 A3，3 B3)與強誘電層（2 C )間。 9. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之裝置，其特徵在 於該非強誘電緩衝層結構係原位沉積於強誘電層上。 1 0.如申請專利範圍第1至3項中任一項之裝置，其特徵 在於該非強誘電缓衝層結構係於原位以外沉積於強誘電層 上。. 1 1 .如申請專利範圍第1至3項中任一項之裝置，其特徵 在於該非強誘電緩衝層結構係透過使用雷射沉積、濺散、 物理或化學蒸氣沉積或溶膠-凝膠技術沉積。 1 2.如申請專利範圍第1至3項中任一項之裝置，其特徵 在於該強誘電及非強誘電結構為晶格匹配晶體結構。 1 3.如申請專利範圍第7項之裝置，其特徵在於該非強誘 電緩衝層結構（3A，3B ; 3A’ ，3B’ ； 3A” ，3BM ; 3A!，3B!; 3A2，3B2 ; 3A3，3B3)係設置而覆蓋導體/電極間之間隙。 1 4.如申請專利範圍第1至3項中任一項之裝置，其特徵 在於其包含一可電調整電容器（變容器）。

   O:\58\58280.ptc 2001.01.02.014 修正 441146 _案 Μ 88106942 六、申請專利範圍 1 5.如申請專利範圍第1至3項中任一項之裝置，其特徵 在於其包含兩層強誘電材料設置於支載基板及二導電裝置 之各邊上，非強誘電薄膜結構係設置於強誘電結構與非強 誘電結構間，該裝置形成一諧振器。 1 6.如申請專利範圍第1至3項中任一項之裝置，其特徵 在於該緩衝層結構之非強誘電材料為電介質。 1 7.如申請專利範圍第丨至3項中任一項之裝置，其特徵 在於該非強誘電材料為鐵磁性。 1 8 .如，申請專利範圍第1至3項中任一項之裝置，其特徵 在於其係用於微波濾波器。 . 1 9.如申請專利範圍第1至3項中任一項之裝置，其特徵 在於該強誘電材料包含ST0(SrTi03)。 2 0 .如申請專利範圍第1至3項中任一項之裝置，其特徵 在於.該非強誘電材料包含Ce02或類似材料或SrT i 03攙雜而 使其變成非強誘電性。 2 1 .如申請專利範圍第1項之裝置，該可電調整置是用於 無線通訊糸統。

   O:\58\58280.ptc 第3頁 2001.01.03. 015