第一章移相器材料综述

ztc

1.1 概述
随着雷达、卫星、通讯等技术的发展，相控阵天线的应用日益广泛，在相控阵天线中，移相器作为核心部分起着重要作用。移相器主要有铁氧体移相器、PIN二极管移相器、介质移相器三大类。与其它两类移相器相比，介质移相器具有响应速度快、插入损耗小、工作温区宽、功耗小、质量轻、生产成本低等优点，因而美、英、俄、日、德等国都投入了巨大的人力和物力开展介质移相器及其材料的研究。
目前主要采用(Ba,Sr)TiO3(BST)作为介质移相器的介质材料，它有块材、厚膜和薄膜三大类。由于薄膜型介质移相器的驱动电压更低、质量更轻、体积更小，因而自二十世纪九十年代中后期开始，人们将研究的重点转移到了薄膜型介质移相器。
BST是ABO3型复合钙钛矿型结构材料，电压非线性是BST薄膜的重要特性之一。铁电材料的非线性是指材料的极化强度随外加电场呈非线性变化，因而介电系数有随外加电场变化的特性。非线性的强弱可用介电系数的电压变化率（或称为可调性）来表征，即用(1-1)式表示：
tunability%=[εr(0)-εr(app)]/εr(0)×100%              (1-1)
而介质移相器的移相度可用下式表示：
                  (1-2)
其中L为介质长度，λ0为微波波长，εr(0) 、εr(app)分别为不加偏压和外加某一偏压时BST的介电系数。BST移相器是通过改变外加直流电压，使材料的介电系数变化从而改变传输线上信号移相度的。因此提高BST材料的介电系数电压变化率是增大介质移相器移相度的重要途径之一。介质移相器的插入损耗由导体损耗、介质损耗、辐射损耗三部分组成，因而应设法尽可能减小BST的介质损耗。
国内外不少研究者对(Ba,Sr)TiO3薄膜组成、基片、电极、成膜方法及热处理工艺等进行了大量研究，以努力提高BST薄膜的非线性、降低BST薄膜的损耗，从而提高介质移相器的性能[1-4]。C. L. Chen 等人采用MgO基片，用PLD法在基片温度820℃、氧分压27～40Pa、激光能量密度～2.5J/cm2、脉冲频率5～10Hz条件下制备的Ba0.6Sr0.4TiO3薄膜在1MHz下介电系数、损耗分别为2000和0.008，当电场为3.0V/μm时可调性为47%；采用这种材料制作的介质移相器在电场为40V/μm、频率为23.675GHz下移相度接近250°，插损为4.75dB[1]。R. R. Romanofsky等人在MgO基片上化学气相沉积400nm厚Ba0.6Sr0.4TiO3薄膜，采用金为电极制备的移相器在19GHz下的移相度、插损分别约为360°、5dB[3]。C. M. Carlson等人运用脉冲激光沉积方法在LaAlO3和MgO基片上制备了BST薄膜，前者在300K、5.6V/μm下可调性为52%，后者在260K、5.7V/μm下可调性为65% [4]。他们利用BST/MgO制作的共面波导移相器在室温、30GHz、13V/μm下的移相度为400°，最大移相度和插损的比值约为45°/dB。
BST薄膜除了制作介质移相器以外，还有着广泛的用途。BST薄膜具有良好的化学稳定性、热稳定性和绝缘性，而且在高频（≥10GHz）下具有高介电系数，因而BST薄膜成为目前制备高密度、Gbit级动态随机存取存储器（DRAM）中电容器介质的最佳材料。H. J. Cho等人在Ir和IrO2底电极上射频磁控溅射36 nm厚Ba0.5Sr0.5TiO3薄膜，其介电系数分别为338和290，Pt/Ba0.5Sr0.5TiO3/Ir和Pt/Ba0.5Sr0.5TiO3/IrO2在1.5V下的漏电流密度都约为20nA/cm2，能满足DRAM器件的要求[5]。T. Kawakubo 等人研究了SrTiO3基片上的SrRuO3/(Ba,Sr)TiO3/SrRuO3电容器的性质，膜厚为20nm时最大剩余极化强度（2Pr）为58μC/cm2，用此电容器制备的DRAM能达到每存储单元27fF[6]。
利用BST薄膜铁电相的优异热释电性能，可以制作非制冷红外焦平面阵列和热释电红外探测仪等。H. Zhu等人采用金属有机物热分解法（MOD）制备了Ba0.75Sr0.25TiO3薄膜，其介电系数的温度系数（TCD）约为1%/K，电压响应值（Rv）和探测率（D）分别为400V/W、1×106m•Hz1/2/W[7]。H. Xu等人采用脉冲激光沉积（PLD）和金属有机物热分解法制备了Ba0.75Sr0.25TiO3薄膜，其介电系数的温度系数（TCD）分别约为-0.3%/K和-1%/K[8]。
最近几年Zhu等人提出BST可用于制作H2探测器[9-11]，研究发现：在H2环境中，Pd/(Ba,Sr)TiO3/Pt电容器的I-V特性与在空气中不同。样品在空气中、475℃条件下退火1h后，I-V特性随H2浓度大小而发生变化[10]。Pd/Ba0.67Sr0.33TiO3/Pt电容器的开关电压与成膜方法有关：当空气中H2浓度为0.1024%时，sol-gel法和RF磁控溅射成膜的开关电压分别为4.5V、0.6V[12]。
此外，利用BST薄膜在高频下介电系数稳定、损耗小等特性，可制作微波电容器；利用BST薄膜的电压非线性，可制作压控滤波器器。