低损耗微波开关用GeTe薄膜相变材料研究

发布时间：2020-02-17 17:43

【摘要】：微波开关的作用是控制微波信号通道的切换,广泛应用于雷达,通讯,电子对抗等重大领域中。基于相变材料的微波开关具有高关开电阻比、速度快、尺寸小、低寄生电容、低功耗的优良特性,拥有应用于新一代高速可重构射频模块的巨大潜力。其中,GeTe薄膜的晶化温度较高,相变前后的电阻比更大,是研究低损耗相变微波开关的理想材料。本文首先对GeTe薄膜晶化前后的微观结构和表面形貌进行了分析,然后通过电压脉冲触发实现开关特性,最后设计并制作了基于GeTe薄膜的开关器件原型。主要结论如下:1.研究GeTe薄膜的制备工艺并分析微观结构。通过优化的射频磁控溅射工艺制备的GeTe薄膜,其R_(off)/R_(on)高达5个数量级,Ron约为20Ω;通过XRD分析证实退火后,薄膜相变,形成斜方六面体结构;通过AFM观察薄膜表面形貌得出退火后薄膜晶粒长大,表面粗糙度增大;通过紫外-可见光测试吸收系数,拟合出非晶态和晶态的禁带宽度分别为0.81eV和0.64eV。通过霍尔测试得到晶化过程中载流子浓度和迁移率增大,导致电导率增大;通过阻抗谱分析得到非晶态存在容抗,阻挡了载流子的迁移,导致电阻率过大,晶化后容抗很小,载流子迁移率增大,电阻率降低。2.测试直流电压脉冲对GeTe薄膜相变过程的影响。通过测试得到从非晶态转变为晶态的脉冲幅值为5V,宽度为980ns,从晶态转变为非晶态的脉冲幅值为10V,宽度为20ns,实现一次开关转换大约需要1μs。3.设计并仿真基于GeTe薄膜的低损耗微波开关的性能。从仿真结果得出,改变几何尺寸,可以使微波开关的插入损耗低于1dB,隔离度大于20dB,但是这两者之间存在此消彼长的关系,很难同时得到大幅度提高。4.制作基于GeTe薄膜的微波开关器件原型并测试其插入损耗和隔离度。采用光刻工艺制备了开关器件并测试其微波性能,得到在0-20GHz的频率范围内,插损约为10dB,隔离度约为20dB。
【图文】：

三元相图,化合物,易失性,微波开关

第一章绪论表 1-2 三种用于微波开关的相变材料性能对比性能参数 Ge2Sb2Te5GeTe VO2结晶温度 Tc(℃) 145 186 ~ 190 65[8]晶态电阻率(Ω.cm) 10-110-410-1Roff/Ron 102~105104~105104结晶时间(μs) ~ 200 ~2 ~2触发方式热、电热、电热、电、光易失性非易失非易失易失

微波开关,相变材料,工作原理图

图 1-2 相变材料微波开关工作原理图[9]GeTe 薄膜非晶态和晶态的转换机理为：使用直流电压(电流)脉冲触发薄膜相变，当施加一个窄而高的直流电压(电流)脉冲时，相变层局部温度上升，超过 GeTe薄膜的熔点温度(约 720℃)[9]，突然结束脉冲，局部的熔融点以很快的速度骤冷，使局部非晶化，材料表现为高阻特性；当施加一个宽而矮的直流电压(电流)脉冲时，相变层局部温度上升到 GeTe 薄膜的结晶温度点(约 190℃)[9]但低于熔点温度，使非晶区晶化，材料表现为低阻特性。总之，从非晶态到晶态的转变过程是材料加热-退火的过程，从晶态到非晶态是熔融-淬火的过程。整个相变过程可以用电、光、热等方式触发产生焦耳热，，最终焦耳热致使相变。触发需要在短时间内进行，所以选择直流脉冲或者激光脉冲来实现。其中，电压(电流)脉冲的强度和宽度以及激光脉冲的光强和曝光时长由相变材料本身属性，介质以及器件结构等方面决定。通过激光脉冲触发相变，主要由激光脉冲的波长和持续时间来控制相变，目前 Bastard等采用预设功率 70mW 的激光脉冲(波长为 504nm)，持续时间(160ns)，成功实现了GeTe 由非晶态到晶态的转变，并研究了 GeTe 的结晶机制[10]；Raoux 等采用波长
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB34

【参考文献】