(57)【要約】      （修正有）【課題】マイクロ波周波数帯用途に適した低損失のバラクタ・シャント・スイッチを提供する。【解決手段】ゼロ・バイアスおよび２０ＧＨｚにおいて０．０２５未満の非常に低い損失タンジェント、および４．３：１という高い誘電同調性のナノ組織ＢａｘＳｒ（１−ｘ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）薄膜を、サファイア基板１００上に得ることができる。ゼロ・バイアスにおけるバラクタの大きなキャパシタンスが、入力信号を接地に分路させて、出力への伝送はＯＦＦ状態となる。約１０Ｖのバイアス電圧を印加すると、キャパシタンスを極小値に低下して、出力への最大伝送が可能となり、ＯＮ状態となる。バラクタ・シャント・スイッチ１０のマイクロ波スイッチング性能は、マイクロ波およびミリメートル波周波数において、ＲＦ  ＭＥＭＳと比肩することができ、その他の応用分野には、チューナブル・フィルタ、移相回路、およびインピーダンス整合回路が含まれる。【選択図】図２
2010136338.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波応用分野のためのバラクタ・シャント・スイッチ（１０）であって、
サファイア基板（１００）と、
前記サファイア基板（１００）上に堆積したボトム金属層（１１０）スタックと、
前記ボトム金属層（１１０）上にあるチューナブル・ナノ組織薄膜誘電体層（１２０）と、
前記チューナブル・薄膜誘電体層（１２０）上にあるトップ金属層（１３０）スタックであって、コプレーナ導波路伝送ラインを規定する、トップ金属層（１３０）と、
を備えている、バラクタ・シャント・スイッチ（１０）。
【請求項２】
請求項１記載のバラクタ・シャント・スイッチ（１０）であって、前記サファイア基板（１００）は、Ｒ−面、Ｃ−面、またはＡ−面の方位を有する、バラクタ・シャント・スイッチ（１０）。
【請求項３】
請求項１記載のバラクタ・シャント・スイッチ（１０）であって、前記サファイア基板（１００）は、Ｒ−面の方位を有する、バラクタ・シャント・スイッチ（１０）。
【請求項４】
請求項１記載のバラクタ・シャント・スイッチ（１０）において、前記サファイア基板（１００）は、約１００μｍから約５００μｍの厚さを有する、バラクタ・シャント・スイッチ（１０）。
【請求項５】
請求項１記載のバラクタ・シャント・スイッチ（１０）において、前記ボトム金属層（１１０）スタックは、金およびプラチナ、ならびにチタン接着層で構成されている、バラクタ・シャント・スイッチ（１０）。
【請求項６】
請求項１記載のバラクタ・シャント・スイッチ（１０）において、前記チューナブル薄膜誘電体層（１２０）は、チタン酸バリウム・ストロンチウムである、バラクタ・シャント・スイッチ（１０）。
【請求項７】
請求項１記載のバラクタ・シャント・スイッチ（１０）において、前記チューナブル薄膜誘電体層（１２０）は、ナノ組織である、バラクタ・シャント・スイッチ（１０）。
【請求項８】
請求項１記載のバラクタ・シャント・スイッチ（１０）において、前記チューナブル薄膜誘電体層（１２０）は、１００ｎｍ未満の平均粒子サイズを有する、バラクタ・シャント・スイッチ（１０）。
【請求項９】
請求項１記載のバラクタ・シャント・スイッチ（１０）において、前記チューナブル薄膜誘電体層（１２０）は、約３０ｎｍから約１００ｎｍの範囲の粒子サイズを有する、バラクタ・シャント・スイッチ（１０）。
【請求項１０】
請求項１記載のバラクタ・シャント・スイッチ（１０）において、前記チューナブル薄膜誘電体層（１０）を約３０ｍＴから約１５０ｍＴの酸素分圧において処理する、バラクタ・シャント・スイッチ（１０）。
【請求項１１】
請求項１記載のバラクタ・シャント・スイッチ（１０）であって、更に、
前記サファイア基板（１００）上にある接着層であって、前記会金属層（１１０）スタックの堆積の前に堆積する、接着層を備えている、バラクタ・シャント・スイッチ（１０）。
【請求項１２】
請求項１記載のバラクタ・シャント・スイッチ（１０）において、前記バラクタ・シャント・スイッチ（１０）は、４よりも大きい誘電チューニング比率を有する、バラクタ・シャント・スイッチ（１０）。
【請求項１３】
請求項１記載のバラクタ・シャント・スイッチ（１０）において、前記バラクタ・シャント・スイッチ（１０）は、ゼロ・バイアスおよび２０ＧＨｚにおいて、０．０２５未満の損失タンジェントを有する、バラクタ・シャント・スイッチ（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般的には、チタン酸バリウム・ストロンチウム（ＢＳＴ）薄膜バラクタに関し、特に、サファイア基板上におけるナノ組織チタン酸バリウム・ストロンチウム（ＢＳＴ）薄膜バラクタに関するものである。
【従来技術】
【０００２】
マイクロ波集積回路では、チューニング可能／再構成可能な回路が強く望まれていることから、チタン酸バリウム・ストロンチウム（ＢａｘＳｒ（１−ｘ）ＴｉＯ３）、即ち、ＢＳＴのような、Ｋ値が高く、チューナブルなマイクロ波誘電体が受け入れられつつある。チューナブル誘電体に関する最近の開発では、ＢＳＴ強誘電体薄膜で作ったバラクタが、ミリメートル波周波数全域において一定のＱを有することができることが示されている。半導体バラクタ・ダイオードおよびＰＩＮダイオードは、１０ＧＨｚより下では比較的大きなＱを有することができるが、１０ＧＨｚより上ではＱは劇的に低下する可能性があり、１０ＧＨｚよりも上の用途にはこれらの魅力が減少する。無線周波数（ＲＦ）マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチは、マイクロ波およびミリメートル波周波数において高いＱを提供することができるが、本来複雑である可能性があり、遅いスイッチング速度が多くの用途には望ましくない可能性がある。強誘電体バラクタは、高いスイッチング速度、シリコン（Ｓｉ）モノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）との集積の容易性を特徴とすることができ、マイクロ波およびミリメートル波周波数において、相応のＱを有することができる。
【０００３】
近年、格子整合およびエピタキシャル成長の応用分野において、サファイア（酸化アルミニウム即ちＡｌ２Ｏ３）を基板として用いることが普及している。サファイア基板の利点は、サファイアがマイクロ波周波数において卓越した電気的絶縁体となるに資することにある。加えて、サファイアは、低損失マイクロ波基板として応用することもできる。しかしながら、サファイア基板を用いるこれらの用途の殆どは、誘電体層に大粒子(large-grained)薄膜（即ち、粒子サイズが１５０ｎｍよりも大きな薄膜）も用い、微細構造レベルとなることが多い。
【０００４】
しかしながら、バラクタの用途では、ＢＳＴ薄膜の大きな誘電チューナビリティおよび低い損失タンジェントが求められている。ナノ組織小粒子ＢＳＴ薄膜は、マイクロ波およびミリメートル波周波数において、大きな誘電チューナビリティおよび低損失タンジェントを呈する。ナノ組織ＢＳＴ薄膜に基づくバラクタ・シャント・スイッチをサファイア基板上に製作すると、ＲＦ性能特性の改善が見られる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本開示によれば、マイクロ波用途に適したバラクタ・シャント・スイッチを提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
バラクタ・シャント・スイッチは、サファイア基板と、サファイア基板上に堆積したボトム金属層と、ボトム金属層上にあるチューナブル薄膜誘電体層と、チューナブル薄膜誘電体層上にあるトップ金属層とを備えている。トップ金属層は、コプレーナ導波路伝送ラインを規定することができる。
【０００７】
一実施形態によれば、バラクタ・シャント・スイッチは、ナノ組織ＢＳＴ薄膜をチューナブル誘電体として用いて構成することができる。
【０００８】
他の実施形態によれば、チューナブル薄膜誘電体層は、小粒子チタン酸バリウム・ストロンチウムとすることができる。
【０００９】
したがって、本開示の実施形態の特徴は、サファイア基板の使用により、基板の誘電損失を低減することによって、ナノ組織ＢＳＴ薄膜バラクタのチューニング比(tunablility)およびＲＦ性能を改善することである。本開示の実施形態のその他の特徴は、本明細書において具体化する開示の説明を検討することにより明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
本開示の具体的な実施形態についての以下の詳細な説明は、以下の図面と関連付けて読むと最良に理解することができる。図面において、同様の構造は同様の参照符号で示すこととする。
【図１】図１は、本開示の一実施形態によるバラクタ・シャント・スイッチの上面図である。
【図２】図２は、本開示の一実施形態によるデバイスの三次元図である。
【図３】図３は、本開示の一実施形態による５×５μｍ２デバイスについての、ＯＮ状態におけるバラクタ・シャント・スイッチの単純な電気モデルを示す。
【図４】図４は、本開示の一実施形態による５×５μｍ２バラクタ・シャント・スイッチについて測定した、Ｓ２１のバイアス依存性をグラフで示す。
【図５】図５は、本開示の一実施形態による５×５μｍ２バラクタ・シャント・スイッチについて測定した、Ｓ１１のバイアス依存性をグラフで示す。
【図６】図６は、本開示の一実施形態による、サファイア基板上のナノ組織ＢＳＴ薄膜について、キャパシタンス対電圧特性をグラフで示す。
【図７】図７は、本開示の一実施形態による、サファイア基板上のナノ組織ＢＳＴ薄膜の誘電特性をグラフで示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下の実施形態の詳細な説明において、本明細書の一部をなす添付図面を参照する。添付図面には、限定ではなく例示として、本開示を実用化することができる具体的な実施形態を示す。尚、その他の実施形態も利用可能であること、更に本開示の主旨および範囲から逸脱することなく、論理的、機械的、および電気的変更が可能であることは言うまでもない。
【００１２】
端的に言うと、バラクタ・シャント・スイッチ１０は、中間にバラクタが取り付けられたＣＰＷ伝送ラインで構成することができ、ゼロ・バイアスにおけるバラクタの大きなキャパシタンスによって入力信号を接地に分路させることにより出力ポートを分離し、その結果デバイスがＯＦＦ状態になるようにしたものである。〜２５０ｋＶ／ｃｍのｄｃ場に対応するバイアス電圧（約１０Ｖ）を印加すると、バラクタのキャパシタンスを極小値に低下させることができ、入力からの信号の殆どを出力に送信することにより、その結果デバイスをＯＮ状態にすることができる。
【００１３】
最初に図１および図２を参照すると、サファイア基板１００上にコプレーナ導波路（ＣＰＷ）伝送ラインを用いて、ナノ組織バラクタ・シャント・スイッチ１０を設計することができる。サファイア基板１００の厚さの範囲は、約１００μｍから約１０００μｍの間とすることができ、通例約５００μｍとすることができる。サファイア基板１００は、通例、Ｒ−面方位を有することができる。しかしながら、サファイア基板１００は、必要に応じて、例えば、９０度サファイアとも呼ぶことができるＡ−面、０度または基準面サファイアと呼ぶことができるＣ−面、あるいはその他の任意の適した方位のような、他の方位を有することもできる。
【００１４】
バラクタ・シャント・スイッチ１０は、トップ金属層１３０およびボトム金属層１１０を有し、ボトム金属層１１０とトップ金属層１３０との間にチューナブルな薄膜層１２０を有することができる。一実施形態例では、チューナブル誘電体薄膜層１２０は、ナノ組織ＢＳＴとすることができる。ナノ組織ＢＳＴ薄膜１２０は、粒子サイズが１００ｎｍ未満のＢＳＴ薄膜を指すことができる。一実施形態例では、ナノ組織ＢＳＴ薄膜１２０は、平均粒子サイズが約３０ｎｍから約１００ｎｍとすることができる。一実施形態では、トップ金属層１３０は、ウェハ上プローブ測定のためにプローブ対応ＣＰＷライン(probe-able CPW line)を備えることができる。ボトム金属層１１０およびトップ金属層１３０は双方共、大きな接地ライン１１５、１３５を備えることができ、その結果、トップ金属層１３０とボトム金属層１１０との間に位置するナノ組織ＢＳＴ薄膜層１２０による大きなキャパシタが得られる。
【００１５】
図１において、トップ金属層１３０およびボトム金属層１１０の一部を示す、バラクタ・シャント・スイッチ１０の上面図が示されている。トップ金属層の信号導体１３２およびボトム金属層のシャント・ライン１１２の重複区域は、バラクタ区域２００を規定することができる。Ｐ１は入力ポートを表すことができ、Ｐ２は出力ポートを表すことができる。ボトム金属層１１０は、ボトム金属層１１０内において２本の接地ライン１１５（図１には示されていない）を接続するシャント・ライン１１２を備えることができる。
【００１６】
図１は、トップ金属層１３０内にある中央導体１３２と、ボトム金属層１１０内にある細いシャント・ライン１１２との重複区域に作成した平行平板バラクタ１０を示す。バラクタのキャパシタンスは、本質的に、ボトム金属層１１０およびトップ金属層１３０内にある接地ライン１１５、１３５の重複区域によって規定される大きなキャパシタンスと直列とすることができ、その結果バラクタの有効キャパシタンスが得られる。一実施形態では、バラクタのシャント・コンダクタンス、および接地ラインの大きな重複キャパシタンスが、バイア・ホールの必要性を一切排除するのに役立ち、プロセスを一層単純化することができる。図２において、Ｇ、Ｓ、およびＧは、トップ金属層１３０におけるＣＰＷの接地−信号−接地を意味する。一実施形態例では、バラクタ・シャント・スイッチ１０の面積は、約４５０μｍ×５００μｍとすることができる。一実施形態では、ＣＰＷ接地−信号−接地寸法は、ゼロ・バイアスにおいて５０オームに近い特性インピーダンスを得るために、サファイア基板１００上において約１５０μｍ／５０μｍ／１５０μｍとすることができる。中央導体１３２と接地導体１３５との間の間隔は、約５０μとすることができる。
【００１７】
中間にあるバラクタ２００、および重複する接地ライン１１５、１３５による大きな直列キャパシタンスを示すバラクタ・シャント・スイッチ１０の三次元図を図２に示す。ボトム金属層１１０のシャント・ライン１１２は、バラクタ２００に対する寄生直列インダクタンスおよび抵抗も表すことができる。
【００１８】
考慮すべき重要なデバイス・パラメータは、（ｉ）バラクタ面積２００、（ｉｉ）中央導体１３２の幅、中央導体１３２と接地ライン１３５との間の間隔、およびＣＰＷライン区間の長さというような、ＣＰＷ伝送ライン・パラメータ、（ｉｉｉ）ボトム金属層１１０において接地に分路する細い(thin)ラインの寄生インダクタンスおよび抵抗、ならびに（ｉｖ）ナノ組織ＢＳＴ薄膜１２０の誘電特性とすることができる。バラクタ・シャント・スイッチ１０は、正確にモデル化することができる。図３は、バラクタ・シャント・スイッチ１０の単純な電気モデルを示す。寄生インダクタンスおよび抵抗は、電気モデルの使用により正確に計算することができる。
【００１９】
バラクタの面積を広げると、バラクタのゼロ・バイアス・キャパシタンスを大きくすることができる。バラクタ・シャント・スイッチ１０は、オフ状態共振周波数がスイッチの最大分離度(isolation)を決定するので、具体的な動作周波数範囲に合わせて設計することができる。同時に、バラクタの面積が広いと、分離度が高くなるので、スイッチの挿入損失が増大する可能性がある。バラクタのキャパシタンスは、ＯＮ状態において低い挿入損失が得られるように、ライン・キャパシタンスのレベルに低減できることが理想的である。この要件は、大面積のバラクタの場合、達成するのが困難である可能性がある。何故なら、誘電チューニング比が、高抵抗率のＳｉ基板上のＢＳＴ薄膜１２０では、約４：１に制限されるからである。しかしながら、サファイア１００のような低損失マイクロ波基板を用いれば、４：１よりも大きな誘電チューニング比も可能となることもあり得る。
【００２０】
実施形態の一例では、ボトム金属層１１０は金属スタックを備えることができる。標準的なポジティブ・フォトレジスト・リフトオフ・フォトリソグラフィをボトム金属層またはスタック１１０に用いることができ、電子ビーム蒸着システムにおいて、Ｔｉ接着層（２０ｎｍ）を最初に堆積し、次いで８００ｎｍの金、２００ｎｍのプラチナを堆積して、ボトム金属層１１０を構成する。また、リフトオフ・フォトリソグラフィ、または適した堆積方法であればその他のいずれでも、ボトム金属層１１０を堆積するために用いることができる。ボトム金属層１１０を定めた後、プロセス制御パルス・レーザ堆積システムにおいてボトム金属層の表面全体にナノ組織Ｂａ０．６Ｓｒ０．４（ＴｉＯ３（ＢＳＴ）薄膜１２０を堆積することができる。また、スパッタリング、化学蒸着、ゾル−ゲル法、または適した堆積方法であればその他のいずれによってでも、小粒子ＢＳＴ薄膜１２０を堆積することができる。
【００２１】
ナノ組織ＢＳＴ薄膜１２０は、大面積堆積システム（４”直径のウェハ上に堆積が可能なNeocera poineer１８０）において約１５０ｍＴｏｒｒ未満の酸素分圧で処理することができる。この結果、約３０ｎｍから約１００ｎｍの平均粒子サイズのＢＳＴ薄膜１２０を得ることができる。ナノ組織ＢＳＴ薄膜１２０は、当技術分野において知られている、適した方法であればいずれでも、例えば、ＲＦスパッタリングおよび金属有機化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）によって製作することができる。ＢＳＴ薄膜１２０の堆積の後、リフトオフ技法を用いてトップ金属層１３０を規定し処理して、バラクタ・シャント・スイッチ１０の製作を完了する。トップ金属層１３０は、ｅ−ビーム堆積（またはスパッタリング）によって、または適した方法であれば他のいずれによってでも規定することができる。トップ金属層１３０は、金属スタックで構成することもできる。
【００２２】
ＨＰ８５１０ベクトル・ネットワーク・アナライザ（ＶＮＡ）を用いて、得られたバラクタ・シャント・スイッチを検査し、散乱（Ｓ）パラメータを測定することができる。最初に、ライン−反射−反射−照合（ＬＲＲＭ：Line-Reflect-Reflect-Match）較正を、広い周波数範囲（約５ＧＨｚから約４５ＧＨｚ）にわたって行うことができる。標準的なＧＳＧプローブを用い、ＶＮＡのバイアス・ティーを通じてプローブにｄｃバイアスを印加することにより、サンプルを精査する。
【００２３】
数個の５×５μｍ２バラクタ・シャント・スイッチに対して、実験結果が得られた。デバイスの１つは、４５ＧＨｚまで検査した。０Ｖから９Ｖまでの１Ｖ刻みのバイアス電圧に対する掃引周波数Ｓ２１（即ち、送信電力の入力電力に対する比率）応答を図４に示す。このグラフにおいて見ることができるように、４０ＧＨｚにおけるスイッチの分離度は約２１ｄＢとすることができる。最も高いバイアス電圧（８Ｖ）および４０ＧＨｚにおけるデバイスの挿入損失は、〜６ｄＢとすることができる。同じデバイスについてのＳ１１のバイアス依存性（即ち、入力電圧反射係数）を図５に示す。Ｓ１１のバイアス依存性は、Ｓ２１と同様の非線形バイアス依存性を示す。
【００２４】
図６は、サファイア上にあるナノ組織ＢＳＴ薄膜バラクタについてのキャパシタンス対電圧特性を示す。このグラフによって見ることができるように、キャパシタンスは、電圧の上昇と共に減少する。ゼロ・バイアスにおけるキャパシタンスは、５μｍ×５μｍのバラクタ・デバイスでは約１ｐＦとすることができ、これは高抵抗率のＳｉ基板上に同じバラクタ・デバイスがある場合に得ることができるものよりも、ほぼ１．５倍高くすることができる。このキャパシタンスは、８Ｖのｄｃバイアスにおいて約０．２３ｐＦまで非線形にチューニング可能とすることができる。
【００２５】
図７は、実験的掃引周波数Ｓ−パラメータを、等価回路モデルを用いて得られた掃引周波数Ｓ−パラメータと照合することによって抽出した、サファイア基板上のナノ組織ＢＳＴ薄膜の誘電特性を示す。誘電チューニング比は、高抵抗率のＳｉウェハ上で測定したものよりも遥かに高くなることができることが非常に明確である。また、誘電損失タンジェントは、バイアス電圧範囲全域において０．０２未満とすることができる。尚、誘電損失タンジェントは２０ＧＨｚにおいて計算したことを注記しておく。近年、サファイア基板上のナノ組織ＢＳＴ薄膜で、０．００６未満の誘電損失タンジェントが得られ、ＢＳＴバラクタのＱを改善することができるようになった。
【００２６】
バラクタ・シャント・スイッチは、ｄｃバイアスを印加した小粒子ＢＳＴ薄膜の誘電チューニング比に基づいて動作する常時ＯＦＦデバイスとすることができる。バラクタのキャパシタンスは、優れたスイッチング挙動を達成するために、３．５：１を超えてチューニング可能とすることができる。実施形態の一例では、サファイア基板上において、誘電チューニング比が４．３：１にもなるナノ組織ＢＳＴ薄膜を得ることができ、ゼロ・バイアスおよび２０ＧＨｚにおいて０．０２５未満の非常に低い損失タンジェントが得られた。
【００２７】
このようなバラクタ・シャント・スイッチ１０デバイスは、再構成可能／チューニング可能マイクロ波回路において、ＲＦ  ＭＥＭＳ容量性(capasitive)シャント・スイッチの手強い競合となることができる。バラクタ・シャント・スイッチ１０は、非常に簡単なデバイスとすることができ、ＭＭＩＣ用サファイア基板１００との集積が一層容易になる。シミュレーション結果から、このスイッチはミリメートル波周波数用低損失スイッチとなることができると予測される。チューナブル・フィルタ、移相器、および潜在的なワイヤレス・センサを含む、多数の用途を発展させることができる。
尚、「好ましくは」(preferably)、「慣例的に」(commonly)、および「通例」(typically)というような用語は、本明細書では、特許請求する開示の範囲を限定するために利用しているのではなく、ある種の機構が特許請求する開示の構造または機能に対して肝要、必須、または重要であることを暗示するために利用しているのでもないことを注記しておく。逆に、これらの用語は、単に、本開示の特定的な実施形態において利用してもしなくてもよい代替的または付加的機構を強調することを意図するに過ぎない。
【００２８】
本開示を説明し規定する目的上、「実質的に」という用語は、本明細書においては、何らかの定量的比較、値、測定、またはその他の表現に帰することができる固有の不確実度を表すために利用している。また、「実質的に」という用語は、定量的表現が、該当する主題の基本的機能に変化を生ずることなく、明言した基準値から変動することができる度合いを表すために利用している。
【００２９】
以上、本開示を詳細にそしてその具体的な実施形態を参照しながら説明したが、添付した特許請求の範囲に定める本開示の範囲から逸脱することなく、修正や変形も可能であることは明らかである。更に具体的には、本明細書において、本開示の一部の態様を好ましいまたは特に有利であるとして特定したが、本開示はこれら開示の好ましい態様に必ずしも限定されるのではないことを想定している。
【符号の説明】
【００３０】
１０    平行平板バラクタ
１００  サファイア基板
１１０  ボトム金属層
１１２  シャント・ライン
１１５、１３５  接地ライン
１３０  トップ金属層
１３２  中央導体
２００  バラクタ
【図１】
2010136338.tif 000003
【図２】
2010136338.tif 000004
【図３】
2010136338.tif 000005
【図４】
2010136338.tif 000006
【図５】
2010136338.tif 000007
【図６】
2010136338.tif 000008
【図７】
2010136338.tif 000009
【外国語明細書】
2010136338000001.pdf