BST 薄膜对GaN衬底的传输特性影响

叶育红，周 骏，沈 亚，李 辉

（中国电子科技集团公司第55研究所，南京 210016）

1 引言

钛酸锶钡（BST）铁电薄膜是指具有铁电性且厚度为数十纳米到数微米的薄膜材料，它具有良好的铁电性、压电性、热释电性、电光及非线性光学等特性，可广泛应用于微电子学、光电子学、集成光学和微电子机械系统等领域，是目前高新技术研究的前沿和热点之一[1]。BST薄膜具有非线性强、漏电流小、不易疲劳、居里温度可调等特点[2]。GaN基材料作为第三代半导体材料，具有高击穿电场、高电子饱和速度、高迁移率、抗辐照、耐高温等特点，在微波毫米波高功率放大器方面具有很大的潜力，因此，研究磁电薄膜对GaN材料的调制效应是非常必要的。

目前报道的文献中已较为系统地研究了BST薄膜的组分、微结构、制备工艺、基片、底电段、晶化对升电性能的影响等。也有关于不同膜厚的BST薄膜的介电系数温度特性及BST薄膜的膜厚与介电性能关系的研究[3]，但BST薄膜对GaN衬底的传输特性影响并无研究报道。本文主要研究了BST薄膜的不同结构方式以及不同的BST薄膜材料参数对微波的传输特性影响，通过在GaN衬底上先生长BST薄膜后做传输线，以及先做传输线后生长BST薄膜等方式，来研究不同结构BST薄膜对微波性能的影响。通过电磁场仿真，就不同的薄膜材料参数对传输线特性的影响进行分析，为接下来GaN单片功率放大器设计提供一定的研究思路。

2 实验方法

出于成本考虑，本实验所使用的GaN材料生长在蓝宝石衬底上，蓝宝石介电常数为5.5，厚度为360μm，GaN介电常数9，厚度为2μm，BST薄膜材料组分为Ba0.6Sr0.4TiO3，厚度为150nm，介电常数及介质损耗角未知。传输线采用标准的0.25μm微电子工艺进行流片加工。蓝宝石本身较硬，无法在材料上做通孔接地。因此，采用了CPW结构的传输线，而不是传统意义上的CPWG结构。样片制作了三种结构的传输线：

（1）BST薄膜位于传输线上方；

（2）BST薄膜位于传输线下方；

（3）对传输线金属进行电镀。

3 结果与讨论

3.1 不同的结构对微波传输特性影响

图1是所制作的三种样品实物照片。

样品1：BST薄膜位于传输线底部；

样品2：BST薄膜位于传输线顶部；

样品3：BST薄膜位于传输线金属底部且对传输线进行了电镀。

图1 版图及样品照片

未电镀的金属厚度为0.4μm，电镀过后金属厚度约为3μm。样品采用探针台进行微波测试，探针与传输线接触处通过湿法腐蚀开出，测试结果如图2。

图2 三种结构样品的S参数

由图2可知，样品1与样品2的驻波仅为-5dB左右，插损却达到十几dB，性能很差，样品3的驻波为-13dB以下，插损为0.5dB左右，性能较好。分析原因：可能是在微电子加工工艺过程中，金属层未电镀，厚度不够，导致金属导体不连续，对这三种传输线进行直流测试及形貌分析，如图3和图4所示。

图3 样品1的形貌图

图4 直流测试图

由形貌图可知，传输线金属较薄，表面存在许多空洞，金属呈不连续状。从直流测试图中可知，样品1的直流电阻最大约为10.34Ω，样品2的直流电阻约为2.51Ω，样品3的直流电阻约为0.59Ω。因此，样品1与样品2的微波特性较差，主要在于金属较薄，传输线不连续，直流电阻变大，辐射损耗增大，插损变大。

样品3进一步分析，制作两段结构相同、长度不同的传输线，一段长为2 331μm，另一段的长度为3 931μm，探针台进行微波测试，测试结果如图5。

图5 不同长度的传输线插损

由图5中可知，长传输线在10GHz的插损约为-1dB左右，短传输线在10GHz的插损约为-0.5dB左右，推算出此种结构在10GHz的插入损耗约为-0.32dB/mm。由于本文未制作没有生长BST薄膜的GaN传输线，因此仅以普通的厚膜电路为例。按以往设计经验，普通LTCC厚膜传输线的插损约为0.03dB/mm，由此可见，生长BST薄膜的传输线插损比普通结构的传输线插损大得多，因此在设计功率放大器时需考虑插损对性能的影响。

3.2 不同薄膜材料参数对微波传输特性的影响

采用电磁场仿真软件momentum对不同的薄膜材料特性如介电常数、薄膜厚度以及介质损耗角对传输线性能的影响进行仿真，仿真结果如图6～图8。

图6 不同介电常数对传输特性的影响

图6是不同的薄膜介电常数对传输线S参数的影响。由图6可知，回波损耗随着介电常数的增大而减小，电长度也减小。原因在于随着介电常数的升高，介质的有效介电常数变大，因而特性阻抗减小，有效电长度变长。

图7是不同的BST薄膜厚度对传输线S参数的影响。由图7可知，随着膜厚的增加，回波损耗逐渐减小，电长度也减小，插入损耗急剧变大。原因在于BST薄膜本身介电常数和损耗角都比GaN大得多，随着膜厚增加，BST对传输线的影响逐渐加大，提高了复合介质的有效介电常数和损耗角，引起了插损和回波损耗的变化。

图7 不同的薄膜厚度对传输特性的影响

图8是不同的薄膜介质损耗角对传输线S参数的影响，传输线损耗主要分为介质损耗、导体损耗和辐射损耗。传输线结构一定，辐射损耗也一定，在仿真中不考虑导体损耗，认为金属为一无耗导体，因此，插损主要由介质损耗来确定。从仿真中可以看到，随着薄膜介质损耗角变大，插入损耗明显变大，原因在于随着薄膜的介质损耗角增大，提高了整体结构的介质损耗角，从而引起传输线的插损变大。

图8 不同介质损耗角对传输特性的影响

4 结论

对生长了BST薄膜的GaN传输线进行研究，实验表明，未电镀的传输线表面空洞较多，直流电阻变大，引起特性恶化。生长了BST薄膜的传输线插损约为0.32dB/mm，比未生长薄膜的普通传输线插损大。不同的薄膜材料参数对传输特性的影响也很明显，随着介电常数、膜厚以及损耗角的增大，传输线有效介电常数变大，特性阻抗减小。因此，在设计基于磁电效应的GaN功率放大器时，必须考虑BST薄膜对GaN衬底的影响。

[1]符春林，杨传仁.钛酸锶钡（BST）薄膜的介电性能机理研究进展[J].真空科学与技术，2003，5：187-194.

[2]Cho H J, KalIg C S, Hwang C S, ea al. Structural and electrical properties of Ba0.5Sr0.5TiO3thin films on Ir and IrO2electrodes [J]. Appl P hys,1997,36（7A）：874-876.

[3]陈宏伟，杨传仁.钛酸锶钡（BST）介电性能研究[J].功能材料，2004，5：615-617.