BST 薄膜對GaN襯底的傳輸特性影響

葉育紅，周 駿，沈 亞，李 輝

（中國電子科技集團公司第55研究所，南京 210016）

1 引言

鈦酸鍶鋇（BST）鐵電薄膜是指具有鐵電性且厚度為數十納米到數微米的薄膜材料，它具有良好的鐵電性、壓電性、熱釋電性、電光及非線性光學等特性，可廣泛應用于微電子學、光電子學、集成光學和微電子機械系統等領域，是目前高新技術研究的前沿和熱點之一[1]。BST薄膜具有非線性強、漏電流小、不易疲勞、居里溫度可調等特點[2]。GaN基材料作為第三代半導體材料，具有高擊穿電場、高電子飽和速度、高遷移率、抗輻照、耐高溫等特點，在微波毫米波高功率放大器方面具有很大的潛力，因此，研究磁電薄膜對GaN材料的調制效應是非常必要的。

目前報道的文獻中已較為系統地研究了BST薄膜的組分、微結構、制備工藝、基片、底電段、晶化對升電性能的影響等。也有關于不同膜厚的BST薄膜的介電系數溫度特性及BST薄膜的膜厚與介電性能關系的研究[3]，但BST薄膜對GaN襯底的傳輸特性影響并無研究報道。本文主要研究了BST薄膜的不同結構方式以及不同的BST薄膜材料參數對微波的傳輸特性影響，通過在GaN襯底上先生長BST薄膜后做傳輸線，以及先做傳輸線后生長BST薄膜等方式，來研究不同結構BST薄膜對微波性能的影響。通過電磁場仿真，就不同的薄膜材料參數對傳輸線特性的影響進行分析，為接下來GaN單片功率放大器設計提供一定的研究思路。

2 實驗方法

出于成本考慮，本實驗所使用的GaN材料生長在藍寶石襯底上，藍寶石介電常數為5.5，厚度為360μm，GaN介電常數9，厚度為2μm，BST薄膜材料組分為Ba0.6Sr0.4TiO3，厚度為150nm，介電常數及介質損耗角未知。傳輸線采用標準的0.25μm微電子工藝進行流片加工。藍寶石本身較硬，無法在材料上做通孔接地。因此，采用了CPW結構的傳輸線，而不是傳統意義上的CPWG結構。樣片制作了三種結構的傳輸線：

（1）BST薄膜位于傳輸線上方；

（2）BST薄膜位于傳輸線下方；

（3）對傳輸線金屬進行電鍍。

3 結果與討論

3.1 不同的結構對微波傳輸特性影響

圖1是所制作的三種樣品實物照片。

樣品1：BST薄膜位于傳輸線底部；

樣品2：BST薄膜位于傳輸線頂部；

樣品3：BST薄膜位于傳輸線金屬底部且對傳輸線進行了電鍍。

圖1 版圖及樣品照片

未電鍍的金屬厚度為0.4μm，電鍍過后金屬厚度約為3μm。樣品采用探針臺進行微波測試，探針與傳輸線接觸處通過濕法腐蝕開出，測試結果如圖2。

圖2 三種結構樣品的S參數

由圖2可知，樣品1與樣品2的駐波僅為-5dB左右，插損卻達到十幾dB，性能很差，樣品3的駐波為-13dB以下，插損為0.5dB左右，性能較好。分析原因：可能是在微電子加工工藝過程中，金屬層未電鍍，厚度不夠，導致金屬導體不連續，對這三種傳輸線進行直流測試及形貌分析，如圖3和圖4所示。

圖3 樣品1的形貌圖

圖4 直流測試圖

由形貌圖可知，傳輸線金屬較薄，表面存在許多空洞，金屬呈不連續狀。從直流測試圖中可知，樣品1的直流電阻最大約為10.34Ω，樣品2的直流電阻約為2.51Ω，樣品3的直流電阻約為0.59Ω。因此，樣品1與樣品2的微波特性較差，主要在于金屬較薄，傳輸線不連續，直流電阻變大，輻射損耗增大，插損變大。

樣品3進一步分析，制作兩段結構相同、長度不同的傳輸線，一段長為2 331μm，另一段的長度為3 931μm，探針臺進行微波測試，測試結果如圖5。

圖5 不同長度的傳輸線插損

由圖5中可知，長傳輸線在10GHz的插損約為-1dB左右，短傳輸線在10GHz的插損約為-0.5dB左右，推算出此種結構在10GHz的插入損耗約為-0.32dB/mm。由于本文未制作沒有生長BST薄膜的GaN傳輸線，因此僅以普通的厚膜電路為例。按以往設計經驗，普通LTCC厚膜傳輸線的插損約為0.03dB/mm，由此可見，生長BST薄膜的傳輸線插損比普通結構的傳輸線插損大得多，因此在設計功率放大器時需考慮插損對性能的影響。

3.2 不同薄膜材料參數對微波傳輸特性的影響

采用電磁場仿真軟件momentum對不同的薄膜材料特性如介電常數、薄膜厚度以及介質損耗角對傳輸線性能的影響進行仿真，仿真結果如圖6～圖8。

圖6 不同介電常數對傳輸特性的影響

圖6是不同的薄膜介電常數對傳輸線S參數的影響。由圖6可知，回波損耗隨著介電常數的增大而減小，電長度也減小。原因在于隨著介電常數的升高，介質的有效介電常數變大，因而特性阻抗減小，有效電長度變長。

圖7是不同的BST薄膜厚度對傳輸線S參數的影響。由圖7可知，隨著膜厚的增加，回波損耗逐漸減小，電長度也減小，插入損耗急劇變大。原因在于BST薄膜本身介電常數和損耗角都比GaN大得多，隨著膜厚增加，BST對傳輸線的影響逐漸加大，提高了復合介質的有效介電常數和損耗角，引起了插損和回波損耗的變化。

圖7 不同的薄膜厚度對傳輸特性的影響

圖8是不同的薄膜介質損耗角對傳輸線S參數的影響，傳輸線損耗主要分為介質損耗、導體損耗和輻射損耗。傳輸線結構一定，輻射損耗也一定，在仿真中不考慮導體損耗，認為金屬為一無耗導體，因此，插損主要由介質損耗來確定。從仿真中可以看到，隨著薄膜介質損耗角變大，插入損耗明顯變大，原因在于隨著薄膜的介質損耗角增大，提高了整體結構的介質損耗角，從而引起傳輸線的插損變大。

圖8 不同介質損耗角對傳輸特性的影響

4 結論

對生長了BST薄膜的GaN傳輸線進行研究，實驗表明，未電鍍的傳輸線表面空洞較多，直流電阻變大，引起特性惡化。生長了BST薄膜的傳輸線插損約為0.32dB/mm，比未生長薄膜的普通傳輸線插損大。不同的薄膜材料參數對傳輸特性的影響也很明顯，隨著介電常數、膜厚以及損耗角的增大，傳輸線有效介電常數變大，特性阻抗減小。因此，在設計基于磁電效應的GaN功率放大器時，必須考慮BST薄膜對GaN襯底的影響。

[1]符春林，楊傳仁.鈦酸鍶鋇（BST）薄膜的介電性能機理研究進展[J].真空科學與技術，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]陳宏偉，楊傳仁.鈦酸鍶鋇（BST）介電性能研究[J].功能材料，2004，5：615-617.