低损耗大尺寸微波单晶薄膜外延及原位集成器件技术

发布时间：2017-03-17 18:04

  本文关键词：低损耗大尺寸微波单晶薄膜外延及原位集成器件技术，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近些年来,无线通讯技术和移动通讯技术的飞速发展给人们生活带来了极大的方便。雷达技术的不断进步使其广泛应用于军用和民用领域。而钇铁石榴石材料具有损耗低、应用频率高的特点,在射频微波领域有着广泛的应用。除此之外,钇铁石榴石纳米厚度的单晶薄膜在自旋逻辑器件应用方面被高度重视,利用液相外延法制备的单晶超薄膜具有重要的科研价值。铁氧体环行器是无线通讯系统和雷达中不可缺少的器件之一,承担着天线复用(收发分离)、功放保护、隔离、匹配等作用。本文以小型化铁氧体环行器作为目标,基于液相外延工艺、共面波导技术和带状环行器理论展开研究,实现了一种小型化高性能的铁氧体环行器。在材料方面,利用磁控溅射法研究了镧掺杂量和退火工艺对钇铁石榴石薄膜的影响。采用真空快速热退火工艺,研究发现10 min的退火时间并不能使100 nm的YIG膜完全晶化,800℃是比较好的结晶温度。利用常规退火方法,采用800℃的退火温度,保持2个小时,慢速降温,得到了比较好的晶化结果,发现不同镧掺杂量的膜晶粒生长情况差距较大,成分为Y2.97La0.03Fe5O12的YIG膜可以得到较好的晶粒和较低的共振线宽。采用液相外延工艺,本文研究了生长过程中的基片旋转速率和钆镓石榴石(GGG)衬底晶向对外延薄膜性能影响,解释了两种晶向的衬底导致薄膜具有不同的磁性能,探索最佳生长工艺。我们发现,在一定范围内,生长速率随转速增加而增加,达到某个转速后生长速率不再增加。衬底晶向(111)和(100)对薄膜的磁性能影响较大,不同晶向的衬底不仅使磁滞忯线有较大不同,还会使铁磁共振场发生偏移。器件方面,本文利用液相外延工艺制备的厚度大于20μm的掺镧钇铁石榴石单晶厚膜,根据带状线环行器设计原理为基础,利用HFSS高频微波仿真软件进行三维电磁场仿真设计以及参数优化,并利用光刻工艺和磁控溅射工艺制作金属信号层,设计了基于接地共面波导技术的X波段薄膜环行器,经过测试,实现了中心频率11.5 GHz,3 dB带宽大于300 MHz,带内插入损耗小于-4 dB,各端口回波损耗大于-20 dB的共面波导环行器。
【关键词】：钇铁石榴石 液相外延法 磁控溅射法 共面波导环行器
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O484.1;TN621
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-19
• 1.1 引言10-11
• 1.2 石榴石YIG微波薄膜发展趋势11-14
• 1.3 钇铁石榴石材料应用方向14-15
• 1.4 环行器分类以及发展现状15-16
• 1.5 研究目的及意义16-17
• 1.6 论文结构安排17-19
• 第二章 钇铁石榴石材料概述19-31
• 2.1 引言19
• 2.2 钇铁石榴石(YIG)材料介绍及性能指标19-25
• 2.2.1 YIG晶体结构以及取代方式19-20
• 2.2.2 钇铁石榴石材料磁性来源20-22
• 2.2.3 铁磁共振现象22-24
• 2.2.4 薄膜磁各向异性来源24-25
• 2.3 射频磁控溅射25-27
• 2.3.1 溅射薄膜组分分析25-26
• 2.3.2 退火工艺26-27
• 2.4 液相外延27-30
• 2.4.1 溶质分类27
• 2.4.2 外延单晶生长机理27-29
• 2.4.3 包晶生长过程29-30
• 2.5 本章小结30-31
• 第三章 YIG单晶薄膜的制备31-52
• 3.1 引言31-32
• 3.2 气相外延YIG单晶薄膜32-41
• 3.2.1 靶材制备33-34
• 3.2.2 退火对YIG薄膜性能影响34-38
• 3.2.3 镧掺杂对薄膜的影响38-41
• 3.3 液相外延YIG微波单晶薄膜41-50
• 3.3.1 熔体配制原理及方法41-43
• 3.3.2 衬底准备43-44
• 3.3.3 转速对生长的影响44-48
• 3.3.4 衬底晶向对外延膜性能影响48-50
• 3.4 厚La-YIG薄膜制备50-51
• 3.5 本章小结51-52
• 第四章 环行器设计制作和应用52-70
• 4.1 引言52
• 4.2 铁氧体环行器设计52-56
• 4.2.1 环行器环行条件推导53-54
• 4.2.2 共面波导环行器初值54-56
• 4.3 环行器设计仿真56-57
• 4.4 光刻57-61
• 4.4.1 掩膜版设计57-58
• 4.4.2 光刻流程58-60
• 4.4.3 信号线制作60-61
• 4.5 环行器测试部分61-68
• 4.5.1 测试设备介绍61-62
• 4.5.2 偏置磁场提供方法62
• 4.5.3 测试结果及结果分析62-68
• 4.6 发射机设计68-69
• 4.7 本章小结69-70
• 第五章 全文总结与展望70-72
• 5.1 全文总结70-71
• 5.2 后续工作展望71-72
• 致谢72-73
• 参考文献73-77
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果77-78

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