一种间接加热型Ge-Sb-Te基相变射频开关及其制备方法

一种间接加热型ge-sb-te基相变射频开关及其制备方法
1.技术领域
2.本发明涉及相变射频开关制备技术领域，具体地说，是具有工艺简单、成本低、开关速度快、体积小、寿命长、结构简单、易与 cmos 集成以及易封装等优点的间接加热型ge-sb-te基相变射频开关及制备方法。


背景技术：

3.随着电子科技的不断发展，微波射频开关在军用雷达、通讯和电子对抗等领域以及民用通信系统中发挥出越来越重要的作用。一方面，在当代电子战争时代，为了实现通信信号通道的切换，同时为了防止繁杂的电磁环境的干扰，对于开关速度和功率容量等整体性能要求越来越高。微波射频开关由于可以满足多种无线接入方式的切换，能更好的解决不同的网络迁移过程中的覆盖问题而被广泛应用。在这其中，射频开关在应用中用来维持开关的开态和关态能量较少，从而减少了功率的消耗。另一方面，全球对于射频开关发展和研究方兴未艾，根据qyr electronics research center的统计，2010年以来全球射频开关市场经历了持续的快速增长，2016年全球市场规模达到12.57亿美元，2017年后增速放缓，但到2020年期间仍保有10 %的年化增长率。
4.常用的射频开关主要有 pin 二极管开关、fet 场效应晶体管(field effect transistor)开关和rf-mems(micro electro mechanical systems)开关等。


技术实现要素：

5.鉴于现有射频开关的缺点，本发明的目的在于提供一种间接加热型ge-sb-te基相变射频开关及制备方法，为下一代新型射频开关的研制提供了新的思路。与 pin 开关和 fet 晶体管开关相比，相变开关的开态电阻更小，插入损耗相对较低，在高频应用中隔离度更高且截止频率更大。而且，与 fet 晶体管开关相比，相变开关能应用于 60 ghz-100 ghz 的射频电路；与 rf-mems开关相比，它具有开关速度快、体积小、寿命长、结构简单、易与 cmos 集成以及易封装等优点，这意味着相变开关的制作工艺更简单，成本更低且集成度更好。
6.实现本发明目的的具体技术方案是：一种间接加热型ge-sb-te基相变射频开关制备方法，该方法包括以下具体步骤：第一步，选取高阻单晶si作为衬底清洗后经电子束光刻图案化后电子束蒸发沉积70～200 nm厚的w或tan金属加热电极和下一层套刻的标记，其中加热区域宽为0.5～1 μm，长为5～20 μm ，去胶清洗获得加热层；第二步，在加热层上表面上根据十字标记对准进行电子束光刻套刻图案化后，磁控溅射沉积100～150 nm厚的sio2或ta2o5和下一层套刻的标记，去胶清洗获得隔热层；第三步，在隔热层上表面上根据十字标记对准进行电子束光刻套刻图案化后，脉
冲激光沉积100～200 nm厚的ge-sb-te基相变材料和下一层套刻的标记，去胶清洗获得相变层；第四步，在相变层上表面上根据十字标记对准进行电子束光刻套刻图案化后，热蒸发沉积cr/au作为射频传输层，其中cr层厚度为7～20nm其作用为增加电极粘附性，au层厚度为100～200nm，去胶清洗后获得一个完整的四端射频相变开关。
7.所述高阻单晶si衬底电阻率至少10000 ω
·
cm。
8.所述ge-sb-te基相变材料为ge2sb2te5、sb2te3、sb2te、gesb2te4或gete。
9.一种上述方法制得的间接加热型ge-sb-te基相变射频开关。
10.本发明与现有技术相比，最大的优势在于本发明实施例中的相变射频开关是采用si半导体成熟工艺进行加工，器件加热方式为间接加热，提高了加热效率，从而可以提高相变开关可靠性，简化工艺，同时还可以降低相变射频开关集成芯片的工艺成本。
附图说明
11.图1是本发明实施例提供的相变射频开关制备方法的实现流程示意图；图2是本发明实施例提供的射频传输线模型cpw示意图；图3 是本发明实施例提供的w加热电极的剖面示意图；图4是本发明实施例提供的w加热电极的纵切面示意图；图5为本发明实施例提供的隔热层的剖面示意图；图6是本发明实施例提供的相变材料薄膜的剖面示意图；图7是本发明实施例提供的接触电极的剖面示意图；图8是本发明实施例相变射频开关的纵切面示意图；图9是本发明实施例相变射频开关的等效电路示意图；图10是本发明实施例相变射频开关的等效电路热传输路径示意图；图11是本发明实施例相变射频开关的等效电路射频传输路径示意图图12是本发明实施例相变射频开关的开关操作示意图；图13是本发明实施例相变射频开关在dc-10ghz范围的插损表征图；图14是本发明实施例相变射频开关在dc-10ghz范围的隔离度表征图。
具体实施方式
12.以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
13.为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
14.图1为本发明实施例提供的一种间接加热型ge-sb-te基相变射频开关制备方法的实现流程示意图，详述如下。
15.步骤101，选取高阻单晶si作为衬底清洗后经电子束光刻图案化后，电子束蒸发沉积70nm厚的w加热电极作为加热端口和下一层套刻的标记，其中加热区域为10 μm
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1 μm，去胶清洗获得加热层；
可选的，所述高阻单晶si衬底电阻率不得低于10000 ω
·
cm；可选的，所述高阻单晶si衬底采用的晶向为(100)晶向。晶体的一个基本特点是具有方向性，沿晶格的不同方向晶体性质不同。布拉维点阵的格点可以看成分列在一系列相互平行的直线系上，这些直线系称为晶列。同一个格点可以形成方向不同的晶列，每一个晶列定义了一个方向，称为晶向。这里(100)晶向指经过原点和点x＝1 ,y＝0 ,z＝0的直线上所经过的原子；如图3和图4所示w加热电极示意图，其中加热区域尺寸l
heater
为1 μm w
heater
为10μm，厚度t
heater
为70nm，外接电极触点为正方形，边长d
heater
为50μm，与加热区域的桥接长度h
heater
为10μm。tan也是常用的薄膜电阻器材料，而且具有与w相似的电阻率，因此也可以用tan替代原有的w加热层。
16.步骤102，在加热层上表面上根据十字标记对准进行电子束光刻套刻图案化后，磁控溅射沉积100nm厚的sio2或ta2o5隔热层和下一层套刻的标记，去胶清洗获得隔热层和；可选的，如图5所示的隔热层的剖面示意图，以及图8所示的相变射频开关的纵切面示意图。所述隔热层用于完全隔离w加热电极以及相变层，从而防止w加热电极与相变层发生短路，导致器件失效；可选的，可以采用磁控溅射方法制备隔热层。所述隔热层的厚度为100 nm。所述隔热层采用的隔离介质为sio2。
17.步骤103，在隔热层上表面上根据十字标记对准进行电子束光刻套刻图案化后，脉冲激光沉积100nm厚的ge-sb-te基相变材料作为相变层和下一层套刻的标记，去胶清洗获得相变层；可选的，如图6所示的相变层的剖面示意图，以及图8所示的相变射频开关的纵切面示意图，相变层位于隔离层之上， 且相变材料薄膜的长度小于隔离层的长度，宽度既小于半导体加热电阻的宽度也小于隔离层的宽度；可选的，所述ge-sb-te基相变材料采用的相变材料为ge2sb2te5相变材料，所述相变层的厚度为100 nm。脉冲激光沉积参数设置如下：激光频率为5hz、ts距离为5.5cm、沉积压强为2pa和沉积温度为室温。
18.步骤104，在相变层上表面上根据十字标记对准进行电子束光刻套刻图案化后，热蒸发沉积cr/au作为射频传输层，其中cr层厚度为7nm，au层厚度为100nm，去胶清洗后获得一个完整的四端射频相变开关；如图7所示的射频传输电极的剖面示意图，一个完整的四端射频相变开关有四个端口，分别为两个加热电极加压触点端口和两个射频传输电极端口；如图2所示的射频传输线模型cpw示意图，所述的cr/au射频传输层中cr层厚度为7nm，au层厚度即t为100nm，根据cpw传输线模型，开关理想设计阻抗一般为50 ω，因为采用的金属是au，高阻单晶si衬底厚度即h为1mm,因此设计传输线间距g为30 μm，中间传输线宽度w
au
为 50 μm；如图8相变射频开关的纵切面示意图所示，一个完整的四端射频相变开关自下往上分别为：高阻单晶si衬底1、w加热电极2、sio2隔热层3、ge2sb2te5相变层4和cr/au射频传输层5。
19.对上述相变射频开关制备方法制得的器件进行如图12所示的开关进行开关操作，
即施加一个1μs脉冲宽度7v脉冲高度的脉冲电平进行打开操作和施加一个200ns脉冲宽度12v脉冲高度的脉冲电平进行关闭操作。并对处于开态和关态的相变射频开关dc-10ghz范围进行射频传输表征，射频测试ⅰ为从射频端a至射频端b传输路径测试，射频测试ⅱ为从射频端b至射频端a传输路径测试，结果如图13和图14所示，本发明实施例中的相变射频开关在dc-10ghz范围具有低插损（小于0.65db）和高隔离度(大于25db)的优异性能。
20.如图9是本发明实施例相变射频开关的等效电路示意，ge-sb-te基相变薄膜在非晶态时拥有很高的电阻率，在晶态时有很低的电阻率，电阻率的变化值达到四到五个数量级。当薄膜处于高阻态时，可以将射频信号隔离，使其反射回输入端，无法继续传输，开关处于断开状态。当薄膜处于低阻态时，射频信号可以顺利通过相变薄膜，开关处于导通状态。通常可以利用脉冲电流或者脉冲电压使相变薄膜在两个状态间反复转化，并且保持稳定性。因此在处于关态的时候，相变层在等效电路可以被认为是串联了一个电容为c的电容，在处于开态的时候，相变层在等效电路可以被认为是串联了一个电阻为r的小电阻。在进行开关操作时，热传输路径可由图10中箭头所示主要经过加热端口a和加热端口b两个加热端口对相变材料区域进行局部加热，即通过脉冲电流会脉冲电压，加热电极产生焦耳热使相变材料发生晶化和非晶化；在进行射频传输时其射频传输路径由图11中箭头所示主要经过两个射频端口和相变材料区域。其中，r
heater
和rh为加热电阻、c1和c
12
为“off”态等效电容、r1、r
12
和r
13
为“on”态等效电阻；射频端a和b、由沉积的金金属线和衬底之间形成的小平行板电容c
p
、射频端口和外接电路之间的小寄生电阻rs和小寄生电感ls这些可以忽略不计。
21.本发明利用si半导体成熟工艺进行加工相变射频开关器件，器件加热方式为间接加热，提高了加热效率，从而可以提高相变开关可靠性，简化工艺，同时还可以降低相变射频开关集成芯片的工艺成本。
22.以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。