[发明专利]低损耗可调谐铁电器件及表征方法

说明书

本申请为2002年4月2日提交的、申请号为028107446、发明名称为“低损耗可调谐铁电器件及表征方法”的分案申请。

相关申请

本申请请求享有特此通过参照方式结合到本申请中的2001年4月11日提交的美国临时申请60/283,093的优先权权益。另外，本申请与特此通过参照方式结合到本申请中的2001年7月13日提交的美国申请“Tunable Ferro-electric Filter”(可调谐铁电滤波器)和2001年7月24日提交的美国申请“Tunable Ferro-electric Multiplexer”(可调谐铁电多路复用器)有关。

发明领域

本发明的发明领域是铁电体的可调谐的电子器件与电子元件。

发明背景

可变电容器的优点在于通过改变电容对应不同电容值可以得到不同的电子响应。但是，目前可变电容器或可调电容器的实现结构使其在性能上和实际使用中有着显著局限性。当可变电容器用于调谐收音机时，可移动平行板结构电容器体积大、有损耗、有噪声，通常只能在一个有限频段范围内工作，或者具有任何这类局限性。“损耗”元件或器件具有很高的插入损耗(IL)，插入损耗(IL)指元件消耗功率与传送给负载的功率的比值。电子变容二极管是一种电容随外加电压变化而变化的半导体器件。典型的变容二极管是有损耗、有噪声的，且因此通常不能有效应用于高频领域，尤其是高于200MHz的频率。因此，它们不适用于调谐那些插入损耗严重的器件，诸如在无线应用方面的过滤器和多路复用器，尤其在使用码分多址(CDMA)的情况下。另一种提供可变电容的实现手段是微电子机械系统(MEMS)。这是一种微型开关器件，它在物理上是根据外加信号来选择不同的电容器。但是，MEMS通常费用高昂，可靠性差，需要实际控制电压，并且只能提供一系列离散的预选电容值。

由于铁电材料的介电常数是可变的，所以铁电材料是制造可调电容器或其它可调谐元件的极好候选材料。但是，在目前使用的测量与表征技术条件下，无论如何利用加工技术、掺杂技术或其它制造技术改进可调谐铁电元件的损耗特性，可调谐铁电元件始终和实质地总是有损耗的。它们因此而无法得到广泛应用。人们发现在射频或微波区段工作的铁电可调谐元件损耗尤其大。例如，在雷达应用中的实践经验可以证实这一观察发现，传统的块状(厚度大于约1.0mm)铁电材料具有很高的射频或微波损耗，尤其当期望进行最大化调谐操作时。通常，除非采取改进(减小)损耗的处理步骤，大多数铁电材料都是有损耗的。这些步骤包括但不限于：(1)在沉积处理之前进行退火处理和在沉积处理之后进行退火处理或者在之前之后都进行退火处理，以便弥补O₂的空缺，(2)使用过渡层以减小表面应力，(3)搀混或缓冲以其它材料以及(4)选择性掺杂。

近年来，在有限范围内对低功率元件进行调谐这样一种需要逐渐增大，人们的兴趣已经转向使用薄膜铁电材料而不再是块状铁电材料。但是，薄膜铁电材料仍继续面临着高铁电损耗的假定前提。传统的宽带测量技术支持了该假定前提，即，无论其是块状的还是薄膜形式的，可调谐铁电元件实质上都具有损耗。

典型地通过诸如LRC计、阻抗分析仪或网络分析仪之类的装置获得对铁电电容器电容值的宽带测量结果。通过功率测量结果，可以计算出电容器的损耗值。损耗值的倒数定义为品质因子(“Q”)。因此，损耗器件具有较小的Q值而较高功效的器件则具有较大的Q值。利用传统测量技术获得的电容在约0.5pF-1.0pF内、工作在1.8GHz-2.0GHz频率范围内的铁电电容器的Q测量值典型地应在10-50的范围内。效率如此之低是人们所无法接受的，并且因此人们认为铁电可调谐元件不适合广泛使用。例如，在无线通信中，在约2GHz的频率处要求Q大于80，优选地大于180，更优选地大于350。

如后面将要说明的那样，传统的铁电元件的制造、测量与表征是不恰当的。因此，人们通常都假定铁电可调谐元件损耗很大，其L-波段的Q值在10-50的范围内。铁电可调谐器件在其它波段也被认为Q值很小因而为大多数应用所不能接受。

发明内容

现有技术中，测试铁电膜的损耗或其倒数Q的方法是有缺陷的。现有技术方法通常使用宽带测试方法和非集成元件。通常没有全面考虑到测试方法与被测器件的全部损耗机理。这就使得研究者相信铁电材料是有损耗的。

本发明提供了窄带测试方法以及元件的集成化。它考虑到了全部损耗机理，并且加以消除或最小化减低。这就使得测试结果更加精确，结果表明有一些铁电材料的损耗比以前的预想得要小很多。