單晶LN BAW諧振器有限元仿真研究

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(duì)于聲表面波(SAW)器件， 其還具有頻率高的優(yōu)勢(shì)，是射頻模組中最重要的無(wú)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(wú)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(gè)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(gè)BAW諧振器的核心結(jié)構(gòu)是一個(gè)平板電容單元，由一個(gè)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(hào)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(guò)渡層，AlN的總厚度較小會(huì)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(lái)，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(guò)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(duì)固態(tài)聲反射型(SMR)的LN BAW諧振器進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)，尤其針對(duì)上電極臺(tái)階結(jié)構(gòu)對(duì)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(jì)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(gè)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(gè)居中的矩形構(gòu)成上電極，上電極長(zhǎng)度小于前矩形頂邊；再在上電極上貼合邊界構(gòu)建兩個(gè)小矩形且關(guān)于上電極中線對(duì)稱，即為臺(tái)階，臺(tái)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(jiàn)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(guò)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(huì)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(jì)，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(zhǎng)，從而達(dá)到對(duì)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(guò)程中必須對(duì)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(shí)不需要任何圖形化的工藝，簡(jiǎn)化了工藝過(guò)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(jì)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(jì)算所得機(jī)電耦合系數(shù)與Baron等[8]的報(bào)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(tái)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(zhǎng)規(guī)則設(shè)計(jì)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(bào)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(tái)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(tái)階結(jié)構(gòu)的加入對(duì)諧振器性能的影響。增加臺(tái)階后的二維結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，設(shè)置臺(tái)階寬度分別為0.4 μm、0.6 μm和1.0 μm，并在每個(gè)臺(tái)階寬度下對(duì)臺(tái)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(tái)階結(jié)構(gòu)的LN BAW模型及臺(tái)階寬度不同時(shí)對(duì)d進(jìn)行參數(shù)化掃描的結(jié)果

由圖2(b)可見(jiàn)，隨著d的增加，諧振器的Zratio呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，并在d=40 nm時(shí)達(dá)到最大值(為62.5 dB)，然后開(kāi)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(shí)，Zratio=63.5 dB。由圖2(d)可知，d的變化對(duì)諧振器性能的影響較小，此時(shí)Zratio在63～64 dB進(jìn)行小范圍波動(dòng)。

由于諧振器的面積需要根據(jù)濾波器的設(shè)計(jì)需求進(jìn)行調(diào)整，因此有必要進(jìn)一步驗(yàn)證在諧振器面積不同的條件下，臺(tái)階結(jié)構(gòu)對(duì)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(tái)階的高度為30 nm。從圖3(a)、(c)、(e)可看出，當(dāng)臺(tái)階寬度在1 μm附近時(shí)，諧振器均能獲得最大的Zratio，這表明臺(tái)階對(duì)能量限制能力的強(qiáng)弱只與臺(tái)階本身的橫截面積有關(guān)，而與諧振器的尺寸無(wú)關(guān)。此外，臺(tái)階的橫截面積還對(duì)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(shì)(見(jiàn)圖3(b)、(d)、(f))，但總體變化幅度不大，對(duì)濾波器的帶寬影響較小。

圖3 臺(tái)階寬度對(duì)Zratio和機(jī)電耦合系數(shù)的影響

3 結(jié)束語(yǔ)

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(tái)階結(jié)構(gòu)對(duì)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_(tái)階高度和臺(tái)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。