一種新型電調(diào)FBAR結(jié)構(gòu)的仿真分析

吳永盛，蘇淑靖，翟成瑞，張佳俊，王少斌

(1.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)重點實驗室，山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051)

0 引言

市場需求的不斷提高對元器件的小型化、集成化、低功耗、高性能提出了挑戰(zhàn)。薄膜體聲波諧振器(FBAR)擁有工作頻率高，品質(zhì)因數(shù)高，器件尺寸小及可集成的優(yōu)點，近年來受到廣泛關(guān)注[1]。在FBAR眾多研究領(lǐng)域中，可調(diào)諧特性一直是一個研究熱點。2010年，Noeth A等在基于BaxSr1-xTiO3(BST)壓電薄膜的FBAR上施加偏壓，得到調(diào)諧量為3%@40 V[2]；2011年，Defay E等在基于AlN壓電薄膜的FBAR上施加偏壓，得到調(diào)諧量為0.6%@200 V[3]；基于其他一些鈣鈦礦族材料的可調(diào)諧研究在文獻(xiàn)[4-6]中相繼被提出。此類調(diào)諧通過改變壓電薄膜的彈性系數(shù)實現(xiàn)諧振頻率的微調(diào)，不能滿足生活中人們對頻率調(diào)諧的要求。

本文提出一種新型電調(diào)FBAR結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)FBAR的壓電薄膜和底電極間引入一層n-AlN半導(dǎo)體，利用COMSOL Multiphysics對新型FBAR仿真優(yōu)化，分析新型FBAR的電調(diào)能力及整體性能，與傳統(tǒng)FBAR的電調(diào)性能進(jìn)行對比。

1 工作原理

FBAR靠壓電薄膜的壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)進(jìn)行聲波信號和電信號的互相轉(zhuǎn)換進(jìn)行工作，如圖1所示，外加偏置電壓作用于FBAR兩側(cè)電極，壓電薄膜由于逆壓電效應(yīng)發(fā)生周期性形變，激勵出體聲波，經(jīng)由兩側(cè)電極反射形成駐波，當(dāng)駐波頻率與壓電薄膜固有頻率相同時發(fā)生諧振，此時FBAR性能最佳，諧振的聲波信號通過壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為電信號輸出。圖中，E為外加電場，C為縱向聲波。忽略電極厚度的影響，F(xiàn)BAR諧振頻率f和壓電層厚度t的關(guān)系[7]為

(1)

式中v為壓電薄膜的聲速。

圖1 FBAR工作原理示意圖

傳統(tǒng)FBAR壓電薄膜和底電極之間引入一層n-AlN半導(dǎo)體，構(gòu)成新型電調(diào)FBAR結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體與金屬電極接觸，形成肖特基二極管，其能帶圖如圖2所示。EF、EC、EV分別為費米能級、半導(dǎo)體的導(dǎo)帶底和價帶頂。

圖2 肖特基二極管的能帶圖

金屬內(nèi)部與半導(dǎo)體導(dǎo)帶相對應(yīng)的費米能級上，電子密度小于半導(dǎo)體導(dǎo)帶的電子密度，電子從半導(dǎo)體擴(kuò)散到金屬中，如圖3 所示。金屬是理想導(dǎo)體，無空穴，不存在空穴的自由擴(kuò)散，負(fù)電荷只分布在表面為原子大小的薄層內(nèi)，半導(dǎo)體中失去電子的施主雜質(zhì)原子成為正離子，分布在較大的厚度中。電子自由擴(kuò)散，形成由半導(dǎo)體指向金屬的電場，抑制電子自由擴(kuò)散，達(dá)到動態(tài)平衡，形成肖特基勢壘，勢壘區(qū)全部在半導(dǎo)體一側(cè)。勢壘高度qVb(q為電荷量;Vb為電子自由擴(kuò)散形成的電勢差)定義[8]為

qVb=W-qχ

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式中：W為金屬功函數(shù);qχ為半導(dǎo)體電子親和能。Mo的W=4.37 V[9]，AlN的qχ=4.1 V[10]，所以,Mo和n-AlN接觸可以形成肖特基結(jié)[11]。由正離子組成的勢壘區(qū)形成肖特基電容，在肖特基結(jié)兩端施加調(diào)諧電壓，載流子輸運會導(dǎo)致勢壘區(qū)厚度發(fā)生變化，因此肖特基電容為壓控可變電容。肖特基電容對FBAR外加調(diào)諧電壓產(chǎn)生分壓，并隨調(diào)諧電壓的改變而變化，導(dǎo)致肖特基電容可變，實現(xiàn)頻率調(diào)諧。新型FBAR擁有外接LC元件電調(diào)FBAR的優(yōu)點，調(diào)諧方便，調(diào)諧量增大。

圖3 金屬與半導(dǎo)體接觸形成肖特基結(jié)示意圖

(3)

式中:f0為諧振頻率;BW3 dB為3 dB帶寬。Q值越大，F(xiàn)BAR的性能越好。

(4)

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真分析

新型FBAR結(jié)構(gòu)如圖4所示。利用COMSOL Multiphysics參照圖4對其建模，進(jìn)行仿真計算。各膜層材料及厚度如表1所示。

圖4 新型FBAR結(jié)構(gòu)示意圖

頂電極壓電薄膜摻雜半導(dǎo)體底電極支撐層襯底材 料MoAlNn-AlNMoSi3N4Si厚度/μm0.22.70.20.20.250.0

圖5為新型FBAR的導(dǎo)納和阻抗特性曲線。由圖可知，新型FBAR的諧振頻率為1.92 GHz，圖5(b)存在寄生諧振峰，嚴(yán)重影響FBAR性能，需對新型FBAR器件尺寸進(jìn)行調(diào)整。頂電極尺寸和形狀對FBAR性能的影響比底電極大[12]，故通過調(diào)整頂電極尺寸消除圖5(b)中的寄生諧振峰。利用參數(shù)化掃描工具對頂電極厚度在0.05～0.2 μm內(nèi)掃描計算，結(jié)果顯示，當(dāng)頂電極厚度>0.15 μm時,阻抗特性曲線中存在大量寄生諧振峰;當(dāng)頂電極厚度≤0.1 μm時，阻抗特性曲線相對平滑，選取頂電極厚度分別為0.07 μm、0.08 μm、0.10 μm、0.15 μm時，對新型FBAR的導(dǎo)納值和阻抗值進(jìn)行繪制，結(jié)果如圖6所示。由圖可知，隨著頂電極厚度減小，F(xiàn)BAR的諧振頻率逐漸增大，阻抗特性曲線也越來越光滑，表明頂電極尺寸對FBAR性能有影響，考慮到工藝難度，電極厚度不能太小，故頂電極厚度設(shè)為0.1 μm，此時FBAR的諧振頻率為1.976 GHz。另外，對比圖5(b)和圖6(b)可得，頂電極厚度調(diào)整前、后FBAR的帶寬發(fā)生了變化，其性能對比如表2所示，由表可知，頂電極厚度由0.2 μm減小到0.1 μm時，新型 FBAR的機電耦合系數(shù)由原來的0.002 7增大到0.060 3，Q值也由原來的270增大為646，表明頂電極厚度對FBAR整體性能影響較大。

圖5 新型FBAR性能特性曲線

圖6 頂電極厚度調(diào)整后新型FBAR特性曲線

新型FBAR的性能fs/GHzfp/GHzk2effQ調(diào)整前1.9201.922 60.002 7270調(diào)整后1.9762.041 50.060 3646

對優(yōu)化后的新型FBAR進(jìn)行電調(diào)仿真分析，在其兩側(cè)電極施加調(diào)諧電壓。AlN的擊穿電壓為14.9 MV/m[13]， AlN壓電薄膜的厚為2.7 μm，可得其擊穿電壓約為40 V，在使用過程中電壓不能對使用者造成傷害，所以，本次仿真所施加的調(diào)諧電壓為0～20 V,結(jié)果如圖7所示。由圖可知，隨著調(diào)諧電壓從0增大到20 V時，F(xiàn)BAR的諧振頻率從1.976 GHz增加到1.988 GHz，且諧振頻率與外加調(diào)諧電壓呈指數(shù)函數(shù)正相關(guān)，計算可得FBAR的調(diào)諧量為600 kHz/V。為驗證新型FBAR的調(diào)諧能力是否有所提高，對傳統(tǒng)FBAR(無n-AlN層)進(jìn)行電調(diào)分析，保持所有條件不變，其仿真結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，諧振頻率與外加調(diào)諧電壓同樣呈指數(shù)函數(shù)正相關(guān)，隨著調(diào)諧電壓由0增大到20 V時，諧振頻率從1.920 GHz增加到1.923 GHz，調(diào)諧量為150 kHz/V。對比圖7、8可得，新型FBAR的電調(diào)能力比傳統(tǒng)FBAR有很大提高。至此，新型電調(diào)FBAR結(jié)構(gòu)設(shè)計完成。

圖7 新型FBAR電壓-頻率響應(yīng)圖

圖8 傳統(tǒng)FBAR電壓-頻率響應(yīng)圖

3 結(jié)束語

通過理論分析和有限元仿真計算，證明新型電調(diào)FBAR結(jié)構(gòu)的可行性。首先利用COMSOL Multiphysics對新型電調(diào)FBAR結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真優(yōu)化，得到頂電極對器件諧振頻率和整體性能有影響；接著對新型FBAR進(jìn)行電調(diào)仿真分析，得到其調(diào)諧量為600 kHz/V，為驗證其調(diào)諧能力增強，對傳統(tǒng)FBAR進(jìn)行電調(diào)仿真分析，得到其調(diào)諧量為150 kHz/V，新型電調(diào)FBAR結(jié)構(gòu)的調(diào)諧能力得到證明，為以后研究提供了理論基礎(chǔ)。