硅基鐵電薄膜太赫茲信號移相器研制.pdf

1、相控陣雷達因其掃描速度快、質量體積小而得到廣泛應用，如果將其工作頻率拓展到太赫茲波段，有望實現(xiàn)穿障探測、高分辨成像等。雷達的微型化、單片化是近年來的重要發(fā)展方向，由于硅工藝的快速發(fā)展，硅基CMOS集成成為單片雷達的首選方案。近年來，太赫茲源與收發(fā)器的研究取得一定進展，相對而言信號預處理器件研究較少。移相器是相控陣雷達中需求量最大的預處理器件，現(xiàn)有移相技術難以滿足太赫茲單片雷達發(fā)展需求，亟需尋求新的解決途徑。
　　鈦酸鍶鋇（(Ba,

2、Sr)TiO3，BST）是一種介電常數(shù)電可調的鐵電材料，其薄膜具有材料漏流低、響應速度快、易于集成等優(yōu)勢，在制備太赫茲波段硅基移相器應用中具有巨大潛力。本文基于BST薄膜材料研制硅基太赫茲移相器，開展了BST薄膜制備與表征、移相器設計仿真與制備和移相器石墨烯電極探索等方面研究，具體研究內容與創(chuàng)新點有以下4點：
　?。?）采用脈沖激光沉積法（Pulsed Laser Deposition，PLD）在高阻硅（high resistiv

3、ity Silicon，hrSi）襯底上制備BST薄膜，并通過高溫后退火處理提高了薄膜的耐受電壓。為了精確提取BST薄膜的高頻特性，本文提出了一種基于共面波導（Coplanar Waveguide，CPW）傳輸線散射參數(shù)的特性提取方法：等角匹配（Conformal Mapping，CM）加速的三維有限元（Three Dimension Finite Element Method，3D-FEM）仿真法，并采用該方法提取了BST/hrSi樣

4、片0.1GHz-110GHz介電特性。與現(xiàn)有方法相比，該方法能夠克服導體簡化模型和準橫電磁模（quasi Transverse Electromagnetic Mode，quasi-TEM）等引入的模型誤差，且通過CM算法加速迭代過程，降低了3D仿真導致的時間開銷。
　?。?）基于左手傳輸線移相器結構，設計了一款中心工作頻率100GHz，帶寬10GHz的BST薄膜移相器，并開展了器件制備與測試試驗。為降低器件損耗，開展了器件低損耗

5、設計，提出鉻電極偏置電壓線和圖形化BST薄膜兩種低損耗設計方法，有效地降低了器件損耗。與現(xiàn)有左手移相器相比，本文設計的移相器工作頻率有大幅度提高，中心工作頻率從現(xiàn)有的20GHz提高到100GHz，帶寬從2GHz提高到10GHz，鉻電極偏置電壓線移相器插入損耗5dB，圖形化BST薄膜移相器插入損耗7dB，與現(xiàn)有研究相比分別降低了3dB和1dB。
　?。?）基于分布電容移相器結構，設計了一款超寬帶移相器，并開展了器件制備與測試試驗，測

6、試結果表明器件工作頻率高達100GHz，帶寬25GHz以上，損耗低于5.7dB，與現(xiàn)有30GHz移相器相比，損耗相當。本文將鉻偏壓電極與圖形化BST低損耗設計方法拓展到分布電容移相器設計中，有效地降低了器件損耗，其中鉻電極移相器損耗降低至2.5dB，圖形化BST移相器降低至1.9dB。
　?。?）由于金屬導體趨膚效應的影響，金屬電極損耗會隨頻率升高而升高，阻礙器件工作頻率進一步提高。石墨烯材料（Graphene）具有電子遷移率高、