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單晶LN BAW諧振器有限元仿真研究

2022-03-16 08:57孫延龍
壓電與聲光 2022年1期
關(guān)鍵詞:壓電諧振濾波器

張 沂,孫延龍

(1.四川大學(xué) 電子信息學(xué)院,四川 成都 610065;2.成都市雷翼電科科技有限公司,四川 成都 610037)

0 引言

薄膜體聲波(BAW)濾波器具有插入損耗低,滾降高及體積小等優(yōu)點(diǎn),相對于聲表面波(SAW)器件, 其還具有頻率高的優(yōu)勢,是射頻模組中最重要的無源器件之一。隨著5G通訊的推廣應(yīng)用,新增了N78、N79、WIFI6E等3 GHz以上的高頻頻段,傳統(tǒng)的SAW濾波器受限于叉指電極的線寬而無法滿足這些頻段的頻率要求,只能采用BAW技術(shù)實(shí)現(xiàn)[1-3]。

BAW濾波器普遍采用多個BAW諧振器并以一定的電路拓?fù)錁?gòu)建而成,濾波器的插損、帶寬等指標(biāo)與BAW諧振器的性能密切關(guān)聯(lián)。單個BAW諧振器的核心結(jié)構(gòu)是一個平板電容單元,由一個厚度為數(shù)百納米至數(shù)微米的壓電薄層與上、下電極構(gòu)成[4-5]。當(dāng)交流電信號加載在電容結(jié)構(gòu)的上、下電極之間,在壓電效應(yīng)的作用下,壓電薄膜產(chǎn)生諧振,實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)化,配合適當(dāng)?shù)碾娐方Y(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)濾波。目前,商業(yè)化的BAW濾波器均采用AlN作為壓電薄膜材料,該材料采用反應(yīng)濺射工藝制備,為多晶形態(tài)。由于BAW器件的工作頻率與壓電層的厚度成反比,要實(shí)現(xiàn)高頻BAW濾波器的制備,需減小AlN薄膜的厚度,如工作在7 GHz以上的AlN BAW,AlN薄膜厚度小于800 nm。在金屬電極上制備AlN薄膜,由于晶格失配的原因,在AlN與金屬電極間存在過渡層,AlN的總厚度較小會導(dǎo)致AlN薄膜的整體性能出現(xiàn)惡化,所以要實(shí)現(xiàn)高性能的高頻AlN BAW器件較難。

鈮酸鋰(LN)是另一類重要的壓電材料,LN單晶被廣泛用作SAW器件的襯底。近年來,采用離子注入剝離法(CIS)實(shí)現(xiàn)了亞微米厚度LN單晶薄膜的制備[6-7]。采用該方法制備的LN單晶薄膜在界面處不存在過渡層,即使膜層厚度很小,也能保留LN優(yōu)良的壓電性能,因此,采用該方法可制備出高性能的高頻LN BAW器件。

本文以LN單晶薄膜作為壓電材料,構(gòu)建了寬帶BAW諧振器的二維模型,并基于有限元法對固態(tài)聲反射型(SMR)的LN BAW諧振器進(jìn)行了仿真設(shè)計,尤其針對上電極臺階結(jié)構(gòu)對諧振器阻抗比和機(jī)電耦合系數(shù)的影響規(guī)律進(jìn)行了研究。

1 建模

本文設(shè)計了一款工作在C波段的LN BAW諧振器。該器件采用SMR結(jié)構(gòu),以SiO2/HfO2作為布喇格反射層材料。

在有限元仿真環(huán)境中構(gòu)建一個二維平面矩形,在矩形頂邊進(jìn)行分層,從上到下材料依次為壓電層、下電極、重復(fù)反射層,剩余部分為襯底。復(fù)制此矩形,然后在左右兩側(cè)分層,得到兩側(cè)的完美匹配層(PML)。重復(fù)操作在底邊分層,得到底層的PML如圖1(a)所示。

在矩形頂邊構(gòu)建一個居中的矩形構(gòu)成上電極,上電極長度小于前矩形頂邊;再在上電極上貼合邊界構(gòu)建兩個小矩形且關(guān)于上電極中線對稱,即為臺階,臺階的寬度和厚度設(shè)置為參數(shù),方便進(jìn)行參數(shù)化掃描。

2 結(jié)果與討論

2.1 LN BAW基本結(jié)構(gòu)仿真

C波段LN BAW的二維模型(見圖1(a))頂層為Al/Ti/Y43°-切 LN/Ti/Al諧振單元,其中考慮到工藝過程而加入Ti層,Al電極層的沉積需要以Ti作為粘附層。由于工作頻率較高,LN薄膜的厚度僅為400 nm,加上電極后的諧振單元的總厚度也僅為540 nm。采用空腔型FBAR結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致器件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足,后續(xù)加工難度較大。因此,本文選擇固態(tài)反射型BAW器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計,在諧振單元的下方設(shè)置了SiO2/HfO2布喇格反射層,兩種材料交替排列共6層,且每層材料的厚度設(shè)置為1/4波長,從而達(dá)到對聲學(xué)能量全反射的效果。目前反射層材料普遍采用SiO2/W組合,但由于W為導(dǎo)電材料,故在實(shí)際工藝過程中必須對W層進(jìn)行圖形化。本文選擇的兩種材料均為絕緣材料,所以在器件實(shí)際制備時不需要任何圖形化的工藝,簡化了工藝過程。反射層下方設(shè)置Y43°-切 LN 作為襯底,厚為8 μm。

由圖1(b)可知,串聯(lián)諧振點(diǎn)和并聯(lián)諧振點(diǎn)的頻率分別位于7 470 MHz和7 650 MHz,由此計算出機(jī)電耦合系數(shù)為5.8%。模型中LN的切型設(shè)置為Y120°,計算所得機(jī)電耦合系數(shù)與Baron等[8]的報道較接近。由圖1(b)還可知,該基本結(jié)構(gòu)的諧振器的并聯(lián)點(diǎn)與串聯(lián)點(diǎn)的阻抗比(Zratio)僅有56.7 dB,由此表明部分能量發(fā)生了泄露,導(dǎo)致諧振器損耗較大。

2.2 臺階結(jié)構(gòu)LN BAW諧振器仿真

由于在諧振單元的下方設(shè)置了按照1/4波長規(guī)則設(shè)計的布喇格反射層結(jié)構(gòu),因此,大部分能量的泄露并不是向襯底的方向。根據(jù)Thalhammer等[9]報道,BAW諧振器的聲學(xué)能量有可能沿橫向泄露,而解決方法則是在上電極周圍設(shè)置臺階結(jié)構(gòu),從而實(shí)現(xiàn)piston mode的諧振,如此可減少能量的橫向泄露,提升諧振器的品質(zhì)因數(shù)(Q)值。

為減小LN BAW諧振器的損耗,在基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上研究了上電極臺階結(jié)構(gòu)的加入對諧振器性能的影響。增加臺階后的二維結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示,設(shè)置臺階寬度分別為0.4 μm、0.6 μm和1.0 μm,并在每個臺階寬度下對臺階厚度d進(jìn)行參數(shù)化掃描,結(jié)果如圖2(b)~(d)所示。

圖2 具有上電極臺階結(jié)構(gòu)的LN BAW模型及臺階寬度不同時對d進(jìn)行參數(shù)化掃描的結(jié)果

由圖2(b)可見,隨著d的增加,諧振器的Zratio呈現(xiàn)增加的趨勢,并在d=40 nm時達(dá)到最大值(為62.5 dB),然后開始緩慢下降。由圖2(c)可知,d的增加導(dǎo)致諧振器的Zratio減小,當(dāng)d=20 nm時,Zratio=63.5 dB。由圖2(d)可知,d的變化對諧振器性能的影響較小,此時Zratio在63~64 dB進(jìn)行小范圍波動。

由于諧振器的面積需要根據(jù)濾波器的設(shè)計需求進(jìn)行調(diào)整,因此有必要進(jìn)一步驗證在諧振器面積不同的條件下,臺階結(jié)構(gòu)對其性能的影響。為此設(shè)置了25 μm、35 μm和50 μm 3種諧振器寬度,并固定臺階的高度為30 nm。從圖3(a)、(c)、(e)可看出,當(dāng)臺階寬度在1 μm附近時,諧振器均能獲得最大的Zratio,這表明臺階對能量限制能力的強(qiáng)弱只與臺階本身的橫截面積有關(guān),而與諧振器的尺寸無關(guān)。此外,臺階的橫截面積還對諧振器的機(jī)電耦合系數(shù)產(chǎn)生影響,隨著橫截面積的增大,機(jī)電耦合系數(shù)呈逐漸減小的變化趨勢(見圖3(b)、(d)、(f)),但總體變化幅度不大,對濾波器的帶寬影響較小。

圖3 臺階寬度對Zratio和機(jī)電耦合系數(shù)的影響

3 結(jié)束語

本文采用有限元法構(gòu)建了單晶LN BAW的仿真模型,并重點(diǎn)研究了上電極臺階結(jié)構(gòu)對諧振器串、并聯(lián)點(diǎn)阻抗比和機(jī)電耦合系數(shù)的影響。研究發(fā)現(xiàn),選擇適當(dāng)?shù)呐_階高度和臺階寬度可顯著抑制諧振器的橫波能量泄露,將器件的阻抗比提升10 dB以上,而機(jī)電耦合系數(shù)則只出現(xiàn)微弱的減小。

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