[发明专利]具有改进调谐范围的铁电变容管

说明书

技术领域

本发明涉及铁电变容管、包括铁电变容管的电子元件、以及用于制造铁电变容管的方法。

背景技术

变容管是可调的介电电容器。在将直流(DC)电压施加在变容管的电极上时，变容管呈现出电容变化。

具有铁电介电材料或者顺电介电材料的可调MIM电容器呈现出较高的相对介电常数ε_r以及相对介电常数ε_r对DC电压较强的依赖性。可调性T可被定义为相对介电常数ε_r的分数变化：

T(V)=ϵr(0)-ϵr(V)ϵr(0),]]>

其中V表示施加在电容器的两个电极之间的电压。

US 2006/0118843 A1描述了一种用于铁电变容管的较薄的介电薄膜。为了降低单晶MgO衬底之间的晶格失配，先外延生长顺电种子层，然后在顺电种子层上外延生长铁电Ba_xSr_1-xTiO₃(BST)薄膜。顺电种子层降低了衬底和铁电BST薄膜之间的晶格常数中的差异，从而降低了BST薄膜内的应变和机械应力。这样，可以实现接近于BST单晶的BST薄膜介电特性，这种介电特性的特征在于相对介电常数的较高调谐率以及较少的介电损失。种子层被描述成其厚度为几个0.1nm至几个10nm。BST层的厚度被描述成介于0.1μm至1μm之间。

US 2006/0118843 A1的介电薄膜结构的一个缺点在于，为了实现介电常数的较高调谐率以及较低的介电损失(也就是较好的频率特性)，需要特定的层序列。这就限制了铁电变容管设计中的灵活性。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种铁电变容管，其包括导电的第一电极和第二电极以及位于第一电极和第二电极之间的介电叠层。在本发明的铁电变容管中，介电叠层包括串联连接的至少三个介电层的交替层序列。

介电叠层的至少两个非单晶第一介电层由具有第一介电常数的第一介电材料制成。介电叠层的至少一个非单晶第二介电层布置在分别的两个第一介电层之间，并且所述第二介电层由具有第二介电常数的第二介电材料制成，并且第一介电常数不等于第二介电常数。

假设将第一介电材料和第二介电材料之一布置在两个测试电极之间，那么当在两个测试电极之间施加交流电压时，第一介电材料和第二介电材料之一比第一介电材料和第二介电材料中的另一个呈现出更弱的介电材料极化的铁电滞后。这与各种材料本身有关，即，例如可以在仅仅包含一种材料作为测试电极之间的介电层的假设测试电容器中观察到这种现象。注意，这指的是假设的电容器结构。这种假设的测试电容器与本发明的铁电变容管的不同点例如在于，其仅仅包括一个介电材料层。通常利用作为所施加的交流电压(单位为V)的函数的极化强度(单位为C/m²)曲线图来表示铁电滞后。“更强”或“更弱”的滞后指的是矫顽场的值以及剩余极化的值。剩余极化及矫顽场越高，滞后越强。

并且，在本发明第一方面的铁电变容管中，适当地选择介电叠层的各个第一介电层和第二介电层在垂直于它们各自的层平面的方向上的延伸长度，使得具有较弱铁电滞后的介电材料占介电叠层的总体积的百分比大于20％。一个层在垂直于层平面的方向上的延伸长度也称为该层的厚度。层平面是在层的横向方向上延伸的一个假想平面，即在制造时垂直于该层的主生长方向的假想平面。当在衬底上进行生长时，层平面平行于生长该层之前的衬底表面。在此，为了这个定义，衬底表面被假设为完全平坦的。