低損耗大尺寸微波單晶薄膜外延及原位集成器件技術.pdf

1、近些年來，無線通訊技術和移動通訊技術的飛速發(fā)展給人們生活帶來了極大的方便。雷達技術的不斷進步使其廣泛應用于軍用和民用領域。而釔鐵石榴石材料具有損耗低、應用頻率高的特點，在射頻微波領域有著廣泛的應用。除此之外，釔鐵石榴石納米厚度的單晶薄膜在自旋邏輯器件應用方面被高度重視，利用液相外延法制備的單晶超薄膜具有重要的科研價值。鐵氧體環(huán)行器是無線通訊系統(tǒng)和雷達中不可缺少的器件之一，承擔著天線復用(收發(fā)分離)、功放保護、隔離、匹配等作用。本文以小型

2、化鐵氧體環(huán)行器作為目標，基于液相外延工藝、共面波導技術和帶狀環(huán)行器理論展開研究，實現(xiàn)了一種小型化高性能的鐵氧體環(huán)行器。
　　在材料方面，利用磁控濺射法研究了鑭摻雜量和退火工藝對釔鐵石榴石薄膜的影響。采用真空快速熱退火工藝，研究發(fā)現(xiàn)10 min的退火時間并不能使100 nm的YIG膜完全晶化，800℃是比較好的結晶溫度。利用常規(guī)退火方法，采用800℃的退火溫度，保持2個小時，慢速降溫，得到了比較好的晶化結果，發(fā)現(xiàn)不同鑭摻雜量的膜晶粒

3、生長情況差距較大，成分為Y2.97La0.03Fe5O12的YIG膜可以得到較好的晶粒和較低的共振線寬。采用液相外延工藝，本文研究了生長過程中的基片旋轉速率和釓鎵石榴石(GGG)襯底晶向對外延薄膜性能影響，解釋了兩種晶向的襯底導致薄膜具有不同的磁性能，探索最佳生長工藝。我們發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內，生長速率隨轉速增加而增加，達到某個轉速后生長速率不再增加。襯底晶向(111)和(100)對薄膜的磁性能影響較大，不同晶向的襯底不僅使磁滯迴線有較大

4、不同，還會使鐵磁共振場發(fā)生偏移。
　　器件方面，本文利用液相外延工藝制備的厚度大于20μm的摻鑭釔鐵石榴石單晶厚膜，根據(jù)帶狀線環(huán)行器設計原理為基礎，利用HFSS高頻微波仿真軟件進行三維電磁場仿真設計以及參數(shù)優(yōu)化，并利用光刻工藝和磁控濺射工藝制作金屬信號層，設計了基于接地共面波導技術的 X波段薄膜環(huán)行器，經(jīng)過測試，實現(xiàn)了中心頻率11.5 GHz，3 dB帶寬大于300 MHz，帶內插入損耗小于-4 dB，各端口回波損耗大于-20 d