CN113363382A - 一种射频开关器件、射频电路及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种射频开关器件、射频电路及电子设备，涉及射频开关技术领域，用于降低射频开关器件的静态功耗，从而可以防止由该射频开关器件构成的开关芯片在应用过程中因静态功耗较大而受到制约。所述射频开关器件包括：形成在衬底上的阻变元件；阻变元件包括底电极、顶电极、以及至少位于底电极和顶电极之间的阻变层。本发明提供的射频开关器件应用于射频电路中。本发明提供的电子设备包括所述射频开关器件或所述射频电路。
Description
技术领域
本发明涉及射频开关技术领域，尤其涉及一种射频开关器件、射频电路及电子设备。
背景技术
模拟开关是组成电子设备的重要组件，其在电子设备中起接通或断开信号的作用，被广泛应用在通讯电路、传感电路和射频电路中。具体的，当模拟开关应用于射频电路中时，射频模拟开关可用于在不同频段信号之间进行切换、在发射天线和接收天线之间进行信号的路由、以及在相控网络中形成定向波束等。
但是，现有的射频模拟开关在静态状态期间的功耗较大，从而限制了由该射频模拟开关构成的开关芯片的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种射频开关器件、射频电路及电子设备，用于降低射频开关器件的静态功耗，从而可以防止由该射频开关器件构成的开关芯片在应用过程中因静态功耗较大而受到制约。
第一方面，本发明提供了一种射频开关器件，该射频开关器件包括：形成在衬底上的阻变元件；阻变元件包括底电极、顶电极、以及至少位于底电极和顶电极之间的阻变层。
与现有技术相比，本发明提供的射频开关器件包括形成在衬底上的阻变元件。并且，该阻变元件包括底电极、顶电极、以及至少位于底电极和顶电极之间的阻变层。在此情况下，当施加在底电极和顶电极之间的电压大于阻变元件的形成电压时，阻变元件所包括的阻变层在该电压的作用下由高阻状态转换为低阻状态。此时，射频开关器件处于打开状态。而当施加在底电极和顶电极之间的电压小于阻变元件的形成电压时，阻变元件所包括的阻变层仍为高阻状态。此时，射频开关器件处于关闭状态。换句话说，阻变元件能够在底电极和顶电极之间施加电压不同的情况下，完成高阻状态和低阻状态之间的转换，从而实现射频开关器件具有开态和关态。同时，因阻变元件在断电的情况下，阻变元件所包括的阻变层的阻值不会发生变化，因高低阻值的差异，在重新上电后阻变元件上的数据不会丢失，能够恢复断电前的状态，使得射频开关器件在静态状态期间的功耗为零，从而能够降低射频开关器件的静态功耗，防止由该射频开关器件构成的开关芯片在应用过程中因静态功耗较大而受到制约。
此外，本发明提供的射频开关器件包括形成在衬底上的阻变元件。并且，该阻变元件包括底电极、顶电极以及位于二者之间的阻变层。因制造底电极和顶电极的电极材料、以及制造阻变层的材料均是CMOS工艺中常用的制造材料，故本发明提供的射频开关器件可以由CMOS工艺制造形成，从而可以减小射频开关器件的物理尺寸，有利于实现射频开关器件的小型化。
第二方面，本发明还提供了一种射频电路，该射频电路包括如第一方面或第一方面中任一可能实现方式所描述的射频开关器件。
第三方面，本发明还提供了一种电子设备，该电子设备包括如第一方面或第一方面中任一可能实现方式所描述的射频开关器件，或如第二方面或第二方面中任一可能实现方式所描述的射频电路。
本发明中第二方面和第三方面及其各种实现方式的有益效果，可以参考第一方面及其各种实现方式中的有益效果，此处不再赘述。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例提供的射频开关器件的一种结构剖视示意图；
图2为本发明实施例提供的射频开关器件的另一种结构剖视示意图；
图3为本发明实施例提供的射频开关器件的结构俯视示意图；
图4为本发明实施例提供的射频开关器件的I-V曲线图。
附图标记：11为衬底，111为第一区域，112为第二区域，12为阻变元件，121为底电极，122为阻变层，123为顶电极，124为阻挡层，13为第一地电极，14为第二地电极，15为第一信号电极，16为第二信号电极。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
模拟开关是组成电子设备的重要组件，其在电子设备中起接通或断开信号的作用。当模拟开关应用于射频电路中时，模拟开关可用于在不同频段信号之间进行切换、在发射天线和接收天线之间进行信号的路由、以及在相控网络中形成定向波束等。具体的，模拟开关主要分为传统的射频模拟开关和新型的射频模拟开关两种。
其中，传统的射频模拟开关主要基于互补金属氧化物半导体(ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor，可缩写为CMOS)工艺晶体管。在此情况下，因CMOS器件所包括的晶体管在断电后无法正常工作，导致断电后晶体管上的数据无法保持，从而使得由该射频模拟开关构成的开关芯片是易失的。并且，为了保持上述开关芯片在待机状态下依然保持正常工作，则需要在相对较长的待机状态下持续为CMOS器件所包括的各晶体管供电，从而导致上述开关芯片在静态状态期间的功耗较大，进而限制了上述开关芯片的应用。
对于新型的射频模拟开关来说，新型的射频模拟开关包括基于微电子机械***和相变材料的开关。该新型的射频模拟开关主要是利用在相变材料上施加不同的电流脉冲，使其在两种稳定态间进行相互转换。其中，高阻的无定形态和低阻的结晶态分别为新型的射频模拟开关的关态和开态，使得新型的射频开关具有非易失性的特点。但是，由于相变基于焦耳热，编程需要足够大电流并维持一段时间，而且需要大尺寸晶体管来通路，从而导致新型射频模拟开关存在着物理尺寸较大、驱动电压较高、性能不稳定等问题。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种射频开关器件、射频电路及电子设备。其中，在本发明实施例提供的射频开关器件包括形成在衬底上的阻变元件。该阻变元件所包括的阻变层能够在底电极和顶电极之间施加电压不同的情况下，完成高阻状态和低阻状态之间的转换，从而实现射频开关器件具有开态和关态。同时，因阻变元件在断电的情况下，阻变元件所包括的阻变层的阻值不会发生变化，因高低阻值的差异，在重新上电后阻变元件上的数据不会丢失，能够恢复断电前的状态，使得射频开关器件在静态状态期间的功耗为零，从而能够降低射频开关器件的静态功耗，防止由该射频开关器件构成的开关芯片在应用过程中因静态功耗较大而受到制约。
如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种射频开关器件。该射频开关器件包括：形成在衬底11上的阻变元件12。该阻变元件12包括底电极121、顶电极123、以及至少位于底电极121和顶电极123之间的阻变层122。
具体来说，上述衬底可以为金刚石衬底、硅衬底或锗硅衬底等任一能够应用到本发明实施例提供的射频开关器件中的衬底。上述底电极和顶电极所含有的材料为导电材料。该导电材料包括金属材料。例如：底电极和顶电极所含有的材料可以均为铜。此外，底电极和顶电极的形状和规格可以根据实际应用需求进行设置，此处不做具体限定。例如：底电极和顶电极的厚度可以均为60nm～80nm。
对于上述阻变层来说，阻变层所含有的材料可以为金属氧化物。例如：阻变层所含有的材料为HfO2、Al2O3或Ta2O5等。此外，上述阻变元件可以包括一层或多层阻变层。其中，当阻变元件包括多层阻变层时，多层阻变层的绝缘性可以沿着远离底电极的方向逐渐减小或增大。基于此，多层阻变层中绝缘性较小的阻变层具有氧空位产生和复合的作用，使得阻变元件的高低阻状态操作稳定，增加了射频开关器件的保持性和耐久性。或者，当阻变元件包括一层阻变层时，在其他因素相同的情况下，与包括多层阻变层的阻变元件相比，具有一层阻变层的阻变元件中底电极和顶电极之间的间距较小。基于此，因关断电容与间距成反比，故在底电极和顶电极之间的距离减小的情况下，射频开关器件的关断电容较小，利于射频开关器件具有较大的截止频率，使得射频开关器件具有良好的射频性能。
至于阻变层的厚度可以根据实际应用场景设置，此处不做具体限定。例如：阻变层的厚度可以为30nm～50nm。
在实际的应用过程中，如图1、图2和图4所示，在阻变层122所含有的材料为金属氧化物的情况下，当在顶电极123与底电极121之间上施加正向电压，且该正向电压值大于阻变元件12的形成电压时，由于热力学化学势的驱动，底电极121能够从阻变层122中获取一定量的氧空位，使得阻变层122内的氧空位迁移至底电极121内。因阻变层122内有氧空位脱离，使得阻变层122中氧原子的浓度增大，从而在阻变层122中形成导电细丝，并且在该导电细丝接触到底电极121后，使得射频开关器件由高阻状态(HRS)转变为低阻状态(LRS)，即射频开关器件处于开态。当在顶电极123与底电极121之间上施加反向电压时，底电极121内的氧空位回迁至阻变层122内，降低了阻变层122中氧原子的浓度，导电细丝被截断，使得射频开关器件由低阻状态(LRS)转变为高阻状态(HRS)，即射频开关器件处于关态。并且，在断电的情况下氧空位无法由阻变层122内迁移至底电极121内，或者无法由底电极121内回迁至阻变层122内，因此阻变元件12所包括的阻变层122的阻值不会发生变化，在重新上电后阻变元件12上的数据不会丢失，能够恢复断电前的状态，使得射频开关器件在静态状态期间的功耗为零，从而能够降低射频开关器件的静态功耗。
当然，也可以先在顶电极与底电极之间施加反向电压，且该反向电压大于阻变元件的形成电压，以使得阻变层内的氧空位迁移至顶电极内，并在阻变层中形成导电细丝，从而使得射频开关器件处于开态。基于此，也可以在顶电极和底电极之间施加正向电压，使得顶电极内的氧空位回迁至阻变层内，导致导电细丝断开，从而使得射频开关器件处于关态。具体的，在射频开关器件处于工作状态时，在顶电极和底电极之间施加的电压的方向和大小可以根据实际情况进行设置，此处不做具体限定。
在一种示例中，如图1和图2所示，上述阻变元件12还可以包括阻挡层124。阻挡层124至少位于顶电极123和阻变层122之间，或阻挡层124至少位于底电极121和阻变层122之间。
具体来说，在顶电极与底电极之间施加一定值的正向电压使阻变层处于低阻状态(LRS)的情况下，如图1所示，上述阻变层122可以至少位于顶电极123和阻变层122之间。基于此，在顶电极123与底电极121之间施加反向电压使阻变层122处于高阻状态(HRS)时，阻挡层124的存在可以防止阻变层122内的氧空位进入到顶电极123内，避免氧空位对电极材料造成影响，保持顶电极123的稳定性的同时，还可以在电压扫描到零伏时，使阻变层122可以持续处于低阻状态(LRS)，从而可以进一步增强射频开关器件的耐久性。
而在顶电极与底电极之间施加一定值的反向电压使阻变层处于低阻状态(LRS)的情况下，如图2所示，上述阻变层122可以至少位于底电极121和阻变层122之间，基于此，在顶电极123和底电极121之间施加正向电压使阻变层122处于高阻状态(HRS)时，阻挡层124的存在可以防止阻变层122内的氧空位进入到底电极121内，从而可以保持底电极121的稳定性。同时，也能够增强射频开关器件的耐久性。
至于阻挡层所含有的材料可以根据实际情况设置。示例性的，阻挡层所含有的材料可以为二维材料(例如：石墨烯)。此外，阻挡层可以为单层结构，也可以为多层结构。具体的，当阻挡层为多层结构时，多层阻挡层所含有的材料和厚度可以相同，也可以不同。例如：阻挡层可以包括多层石墨烯层。至于阻挡层的厚度也可以根据实际情况设置。例如：阻挡层的厚度可以为1nm。
在一种示例中，如图1和图2所示，上述衬底11具有第一区域111、以及与第一区域111接触的第二区域112。底电极121位于衬底11具有的第一区域111上。阻变层122位于底电极121上。顶电极123位于衬底11具有的第二区域112的上方、以及位于部分阻变层122上。
可以理解的是，底电极仅位于衬底具有的第一区域上，即底电极仅形成在衬底具有的部分区域上，而并未覆盖衬底的整个表面。同时，顶电极位于衬底具有的第二区域的上方、以及位于部分阻变层上。因顶电极仅位于部分阻变层上，且阻变层位于底电极上，此时顶电极和底电极的正对面积小于底电极上表面的面积。与二者的正对面积等于底电极的上表面的面积相比，顶电极位于部分阻变层上能够减小顶电极和底电极的正对面积。并且，因射频开关器件的关断电容与上述正对面积成正比，故在正对面积减小的情况下，射频开关器件的关断电容减小。同时，顶电极除了具有与底电极正对的部分外，还形成在了第二区域的上方；底电极除了具有与顶电极正对的部分外，还形成在了阻变层未被顶电极覆盖部分的下方，即顶电极下表面积和底电极的上表面积均大于二者的正对面积。与底电极、阻变层和顶电极层叠设置在衬底上的射频开关器件，并且通过单纯减小该射频开关器件的尺寸相比，本发明实施例提供的射频开关器件所具有的顶电极和底电极能够在保证一定的正对面积的情况下，顶电极和底电极均具有更大的截面积，从而可以降低射频开关器件在导通状态下的电阻。基于此，因射频开关器件的截止频率与关断电容和导通电阻呈负相关关系，故在关断电容和导通电阻减小的情况下，可以增大射频开关器件的截止频率，进一步提高射频开关器件的射频性能。
具体来说，上述第一区域和第二区域的大小和形状分别决定了底电极和顶电极的大小和形状，进而影响射频开关器件的导通电阻，故第一区域和第二区域的大小和形状可以根据底电极和顶电极的大小和形状、以及实际应用场景中对射频开关器件的导通电阻的要求进行设置，此处不做具体限定。此外，顶电极覆盖在阻变层上的面积决定了顶电极和底电极的正对面积的大小。并且，上述正对面积即为射频开关器件的开关面积，因此可以根据实际应用场景中对射频开关器件具有的开关面积的要求来设置顶电极覆盖在阻变层上的面积。其中，上述开关面积的大小可以为1μm2～100μm2。
需要说明的是，在本示例的情况下，当阻变元件还包括阻挡层时，如图1所示，该阻挡层124可以至少形成在顶电极123与阻变层122、底电极121和衬底11之间。或者，如图2所示，该阻挡层124也可以至少形成在底电极121与阻变层122和顶电极123之间。在此情况下，当阻挡层124所含有的材料为二维材料时，阻挡层124仅可以在垂直于衬底11表面的平面内对电子进行传导，因此阻挡层124的存在还可以防止底电极121和顶电极123之间出现短路，提高射频开关器件的工作稳定性。
在一种示例中，如图3所示，上述射频开关器件还可以包括形成在衬底11上的GSG(Ground-Signal-Ground)型电极。该GSG型电极包括间隔设置的第一地电极13、第二地电极14、第一信号电极15和第二信号电极16。第一信号电极15、第二信号电极16和阻变元件12均位于第一地电极13和第二地电极14之间。第一信号电极15与底电极121电连接。第二信号电极16与顶电极123电连接。在此情况下，本发明实施例提供的射频开关器件处于工作状态时，第一地电极13和第二地电极14均接地。阻变元件12所包括的底电极121和顶电极123分别与第一信号电极15和第二信号电极16电连接，实现在不同信号的作用下使射频开关器件处于相应的开态或关态，以利于射频信号的传输。
其中，上述第一地电极、第二地电极分别与第一信号电极、第二信号电极和阻变元件之间的间隔大小可以根据实际应用场景设置，此处不做具体限定。
由上述内容可知，本发明实施例提供的射频开关器件包括形成在衬底上的阻变元件。并且，该阻变元件包括底电极、顶电极、以及至少位于底电极和顶电极之间的阻变层。在此情况下，当施加在底电极和顶电极之间的电压大于阻变元件的形成电压时，阻变元件所包括的阻变层在该电压的作用下由高阻状态转换为低阻状态。此时，射频开关器件处于打开状态。而当施加在底电极和顶电极之间的电压小于阻变元件的形成电压时，阻变元件所包括的阻变层仍为高阻状态。此时，射频开关器件处于关闭状态。换句话说，阻变元件能够在底电极和顶电极之间施加电压不同的情况下，完成高阻状态和低阻状态之间的转换，从而实现射频开关器件具有开态和关态。同时，因阻变元件在断电的情况下，阻变元件所包括的阻变层的阻值不会发生变化，因高低阻值的差异，在重新上电后阻变元件上的数据不会丢失，能够恢复断电前的状态，使得射频开关器件在静态状态期间的功耗为零，从而能够降低射频开关器件的静态功耗，防止由该射频开关器件构成的开关芯片在应用过程中因静态功耗较大而受到制约。
此外，本发明实施例提供的射频开关器件包括形成在衬底上的阻变元件。并且，该阻变元件包括底电极、顶电极以及位于二者之间的阻变层。因制造底电极和顶电极的电极材料、以及制造阻变层的材料均是CMOS工艺中常用的制造材料，故本发明实施例提供的射频开关器件可以由CMOS工艺制造形成，从而可以减小射频开关器件的物理尺寸，有利于实现射频开关器件的小型化。
本发明实施例还提供了一种射频电路，该射频电路包括上述实施例所提供的射频开关器件。
与现有技术相比，本发明实施例提供的射频电路具有的有益效果与上述实施例提供的射频开关器件具有的有益效果相同，此处不再赘述。
本发明实施例还提供了一种电子设备，该电子设备包括上述实施例所提供的射频开关器件，或射频电路。具体的，上述电子设备可以为移动式、可穿戴式、电池供电式的无线电子设备等。
与现有技术相比，本发明实施例提供的电子设备具有的有益效果与上述实施例提供的射频开关器件或射频电路具有的有益效果相同，此处不再赘述。
在以上的描述中，对于各层的构图、刻蚀等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。
Claims (10)
1.一种射频开关器件，其特征在于，包括：形成在衬底上的阻变元件；所述阻变元件包括底电极、顶电极、以及至少位于所述底电极和所述顶电极之间的阻变层。
2.根据权利要求1所述的射频开关器件，其特征在于，所述阻变元件还包括阻挡层；所述阻挡层至少位于所述顶电极和所述阻变层之间，或所述阻挡层至少位于所述底电极和所述阻变层之间。
3.根据权利要求2所述的射频开关器件，其特征在于，所述阻挡层所含有的材料为二维材料。
4.根据权利要求2所述的射频开关器件，其特征在于，所述阻挡层包括多层石墨烯层。
5.根据权利要求1～4任一项所述的射频开关器件，其特征在于，所述衬底具有第一区域、以及与所述第一区域接触的第二区域；所述底电极位于所述衬底具有的所述第一区域上；所述阻变层位于所述底电极上；所述顶电极位于所述衬底具有的所述第二区域的上方、以及位于部分所述阻变层上。
6.根据权利要求5所述的射频开关器件，其特征在于，在所述阻变元件还包括所述阻挡层，且所述阻挡层至少位于所述顶电极与所述阻变层之间的情况下，所述阻挡层至少形成在所述顶电极与所述阻变层、所述底电极和所述衬底之间。
7.根据权利要求1～4任一项所述的射频开关器件，其特征在于，所述阻变层所含有的材料为HfO2、Al2O3或Ta2O5；所述底电极和所述顶电极所含有的材料均为金属材料。
8.根据权利要求1～4任一项所述的射频开关器件，其特征在于，所述底电极和所述顶电极之间的正对面积为所述射频开关器件具有的开关面积；所述开关面积为1μm2～100μm2；和/或，
所述射频开关器件还包括形成在所述衬底上的GSG型电极；所述GSG型电极包括间隔设置的第一地电极、第二地电极、第一信号电极和第二信号电极；所述第一信号电极、所述第二信号电极和所述阻变元件均位于所述第一地电极和所述第二地电极之间；所述第一信号电极与所述底电极电连接，所述第二信号电极与所述顶电极电连接。
9.一种射频电路，其特征在于，所述射频电路包括权利要求1～8任一项所述的射频开关器件。
10.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括权利要求1～8任一项所述的射频开关器件，或权利要求9所述的射频电路。
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