邊緣空氣層薄膜體聲波諧振器的設計與制備

朱宇涵,段蘭燕,陳志鵬,許鍇鑌,胡 晗,衣新燕,李國強,

(1.華南理工大學 發(fā)光材料與器件國家重點實驗室,廣東 廣州 510640;2. 中興通訊股份有限公司,廣東 深圳 518057;3. 廣州市艾佛光通科技有限公司,廣東 廣州 510700)

0 引言

體聲波濾波器滿足5G通信頻段的高頻需求,且具有體積小,易與微機電系統(tǒng)(MEMS)器件集成等優(yōu)勢,是目前研究的熱點[1]。作為體聲波濾波器的創(chuàng)新品類,單晶氮化鋁(AlN)薄膜體聲波諧振器(SABAR)使用單晶AlN作為壓電薄膜材料,其工作原理是通過壓電薄膜層的逆壓電效應,在非中心對稱晶體結構的壓電薄膜極化方向上施加交變電場,在晶體結構內電荷沿極化方向移動,引起壓電薄膜的形變振蕩,并在特定頻率下形成駐波,在駐波頻率間形成信號通帶,使特定頻段的電流通過[2]。單晶氮化鋁具有較少的晶界和較低的位錯密度,有效減少了聲波在傳播過程中的散射和吸收。

壓電薄膜振動的縱向波分量為諧振器所需的高頻體聲波,而橫向的剪切波分量則會傳播到薄膜邊緣造成能量泄露。同時,壓電材料還存在固有的對壓電效應的非線性遲滯響應[3]。在高功率下,頂底電極間(有源區(qū))的壓電薄膜層處于高強度電場,其非線性響應將會造成較大的聲波能量損耗。上述的能量泄露與損耗集中于諧振器的邊緣區(qū)域,導致諧振器性能下降[4]。本文設計了一種邊緣具有空氣層結構的SABAR器件,利用COMSOL軟件模擬仿真得到振幅和電勢的大小及分布,并根據仿真結果分析了空氣層對器件性能的影響。最后制備并測試了具有邊緣空氣層的SABAR,驗證了該結構對諧振器性能的優(yōu)化作用。

1 SABAR器件的設計與建模

如圖1所示,SABAR器件由種子層,頂、底電極與壓電層構成。種子層和壓電層的材料為單晶AlN,頂、底電極的材料為金屬Mo,頂、底電極間通過蝕刻通孔并灌注金屬Au實現電氣連接。空氣層處于頂電極邊緣兩側,在濾波器中與相鄰諧振器共用頂電極的一側形成空氣橋結構,不相接的懸空一側則為空氣環(huán)結構。由于壓電薄膜振動的橫波分量會傳播到諧振器邊緣并泄漏到襯底等其他區(qū)域[5],而空氣與金屬材料、AlN壓電材料的聲阻抗相差很大,能夠將聲波幾乎全反射回有源區(qū),因此可以降低能量的泄露。同時,AlN材料的彈性系數實部c33和壓電系數e33在高功率下會隨著電場強度的提高而增大[6],從而引發(fā)壓電薄膜的非線性效應。通過空氣橋降低有源區(qū)的電場強度,使得頂、底電極間的電勢下降,減少了機電損耗[7]。上述結構以高阻Si為襯底,襯底上對應有源區(qū)的位置存在底部的空氣腔,其作用是將絕大部分縱向傳播的體聲波反射回壓電薄膜層以形成駐波。

圖1 SABAR器件的結構

使用COMSOL軟件對SABAR器件進行建模仿真,模型所使用的材料參數如表1所示。與通常使用的ADS與HFSS軟件相比,COMSOL能夠對振動、電場等多物理場進行模擬。通過COMSOL模擬SABAR的壓電振動過程,得到振幅和電勢的大小及分布,分析邊緣空氣層對反射振動橫波分量以及減少邊緣電場強度的作用。

表1 SABAR器件中各材料屬性的參考值

如圖2所示,提取具有邊緣空氣層的結構并將之簡化,可在COMSOL中建立二維仿真模型。在二維模型中,SABAR的結構包括Si襯底、底部空腔、AlN種子層、Mo底電極、AlN壓電層、邊緣空氣層、Mo頂電極,各層厚度依次設定為Si襯底200 μm、底部空腔20 μm、AlN種子層100 nm、底電極200 nm,壓電層1 200 nm、頂電極200 nm。為了對比研究邊緣空氣層寬度對諧振器品質因數(Q)的影響,設置邊緣空氣層寬度可調節(jié)范圍為0～2 μm,有源區(qū)的橫向尺寸固定為32 μm,兩側各有橫向尺寸為9 μm的完美匹配層(PML)。PML的作用是模擬一個帶有開放邊界的域,用于模擬聲波在遠離聲源傳播過程中被吸收的情況,減小聲波因在模型界面與環(huán)境介質阻抗不匹配而導致的反射對計算結果的影響[8],模型總橫向尺寸為50 μm。

圖2 簡化后的SABAR結構

根據上述尺寸在COMSOL中建立二維模型后,采用網格剖分模型將模型的物理系統(tǒng)離散為大量的小單元,以有限元法模擬計算器件的物理特性。網格的細化剖分示意圖如圖3所示。

圖3 二維模型網格剖分示意圖

2 仿真結果分析

本文通過對比具有邊緣空氣層結構與無邊緣空氣結構的SABAR的仿真結果,分析了邊緣空氣層對器件性能的影響。邊緣空氣層寬度對諧振器Q值的影響如圖4所示。考慮到過大的邊緣空氣層寬度會增強邊緣處寄生效應,導致諧振器Q值下降,因此,本文設計的諧振器邊緣空氣層寬度應小于1.5 μm。

圖4 邊緣空氣層寬度對Q值的影響

為了研究邊緣空氣層對降低頂、底電極間電勢的作用,提取了SABAR有源區(qū)邊緣的電勢分布及大小,結果如圖5所示。由圖可見,空氣層結構降低了邊緣處的電勢,這是由于空氣的相對介電常數為1.0,遠小于AlN的相對介電常數9.0,根據電容公式[9]:

圖5 SABAR頂電極邊緣的電勢大小及分布

C=εrε0Se/(4πkd)

(1)

式中:εr為相對介電常數;Se為頂、底電極的正對面積;ε0為真空介電常數?？諝鈱咏Y構降低了頂、底電極間的電容,減少了電極儲存的電荷量,從而減小了電極電勢;同時空氣層結構增大了頂、底電極間距,因為頂、底電極間電壓不變,所以電極間的電場強度下降,表現為電極電勢減小。

為了對比研究邊緣空氣層對降低有源區(qū)能量損耗的作用,提取了串聯諧振頻率2.5 GHz處的振幅大小及分布,結果如圖6所示。由圖可見,無邊緣空氣層結構SABAR的有源區(qū)振幅比較分散,這是由于聲波的橫向分量向有源區(qū)邊緣傳播,在有源區(qū)各處與縱向分量耦合引起次級的振動位移。有邊緣空氣層結構SABAR有源區(qū)的振幅更集中,說明大部分橫向傳播的體聲波分量被反射到有源區(qū)中心。當沒有邊緣空氣層時,SABAR有源區(qū)的振幅最大值為3.11×10-3μm;有邊緣空氣層時,最大振幅提高至7.04×10-3μm。機械波平均能量密度公式[10]:

(2)

圖6 振幅大小及分布示意圖

式中:ρ為介質密度;A為振幅;ω為角頻率。由式(2)可知,能量與振幅的平方成正比,說明空氣層顯著減少了邊緣的能量泄露。

3 器件制備與測試

為了驗證邊緣空氣層性能的影響,制備了具有邊緣空氣層的SABAR器件。使用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)和物理氣相沉積(PVD)結合的兩步法生長單晶AlN,該方法生長的AlN薄膜具有較小的位錯和晶界密度[11],可以降低聲波因傳播過程中在晶體中折射和散射所引起的能量損耗,避免引入額外的干擾變量。為了對比研究邊緣空氣層最佳的寬度比例,設置并制備了無邊緣空氣層、邊緣空氣層寬度1 μm、邊緣空氣層寬度1.5 μm共3組器件。器件的SEM圖如圖7所示。由圖7(a)可觀察到位于頂電極邊緣處的空氣橋結構。由圖7(b)可觀察到SABAR頂電極邊緣處有突出的環(huán)狀結構,此處為制備過程中沉積在邊緣空氣層犧牲材料上的頂電極,在釋放犧牲層材料后,這部分頂電極保留了邊緣突起的結構,在留出邊緣空氣層空間的同時起到了邊緣負載的作用,可減小器件的電磁效應所引起的寄生諧振[12]。

圖7 有邊緣空氣層的器件樣品SEM圖

使用矢量網絡分析儀對制備的3組樣品進行測試,將導出的.s2p文件導入ADS軟件中計算品質因數Q值。通過Q值反映邊緣空氣層對樣品器件性能的影響。從測試數據中提取的樣品阻抗曲線如圖8所示。在ADS軟件中使用公式[13]計算Q值:

圖8 樣品的阻抗曲線

Q=abs{(f/2)·[diff(phaserad(Z),1)]}

(3)

式中:f為頻率;diff為差分函數;phaserad為求解信號相位弧度的函數。

由式(3)可計算所制備的樣品器件對應的串聯諧振頻率的品質因數Qs和并聯諧振頻率的品質因數Qp,結果如圖9所示。

圖9 樣品的Qs和Qp測試結果

式(3)使用了阻抗相位微分法,使用下式[14]對比諧振頻率處樣品的能量損耗情況:

Q=2π·indep(S)·GD·mag(S)/
[1-mag(S)·mag(S)]

(4)

式中:GD為測試得到的群延時;S為信號傳輸的散射參數;indep(S)為散射參數的聯動頻率;mag(S)為散射參數的幅度。在ADS中計算隨頻率變化的品質因數Bode_Q,結果如圖10所示,Bode_Q反應了在較寬頻率范圍內樣品器件的能量損耗情況。3組樣品Qs、Qp及Bode_Q的對比結果如表2所示。

表2 不同寬度邊緣空氣層樣品的Q值

圖10 樣品的Bode_Q測試結果

由表2可見,相對于無邊緣空氣層結構,當邊緣空氣層寬度為1.5 μm時,樣品串聯諧振頻率處的Qs值增加了約70%,并聯諧振頻率處的Qp值增加了約30%,總體Bode_Q值增加了約16%,與前文仿真結果分析得出的結論相符,驗證了邊緣空氣層有助于降低SABAR器件的能量損耗,提高SABAR器件的品質因數Q。但隨著邊緣空氣層寬度的增加,由于空氣層結構存在寄生電容,會引起串聯諧振點以下的頻率出現寄生諧振,并且當寬度由1 μm增加到1.5 μm時,Bode_Q值提升的幅度明顯減少,說明對于本次實驗制備的器件樣品,其邊緣空氣層最優(yōu)寬度應設置在1 μm。

4 結束語

本文通過在SABAR器件的頂電極邊緣處設計空氣層結構,通過反射壓電薄膜振動的橫波分量,可減少邊緣處能量泄露,并通過降低邊緣處的電場強度,減少有源區(qū)對壓電效應的非線性響應引起的機電損耗,提升SABAR器件的Q值。將高Q值、低能量損耗的SABAR器件應用于濾波器,可減少通帶內的插入損耗,保持通帶平坦,減少帶內波紋,提升濾波器性能。