單晶LN BAW諧振器有限元仿真研究

張 沂，孫延龍

(1.四川大學 電子信息學院,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點，相對于聲表面波(SAW)器件， 其還具有頻率高的優勢，是射頻模組中最重要的無源器件之一。隨著5G通訊的推廣應用，新增了N78、N79、WIFI6E等3 GHz以上的高頻頻段，傳統的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技術實現[1-3]。

BAW濾波器普遍采用多個BAW諧振器并以一定的電路拓撲構建而成，濾波器的插損、帶寬等指標與BAW諧振器的性能密切關聯。單個BAW諧振器的核心結構是一個平板電容單元，由一個厚度為數百納米至數微米的壓電薄層與上、下電極構成[4-5]。當交流電信號加載在電容結構的上、下電極之間，在壓電效應的作用下，壓電薄膜產生諧振，實現電能與機械能的轉化，配合適當的電路結構可實現濾波。目前，商業化的BAW濾波器均采用AlN作為壓電薄膜材料，該材料采用反應濺射工藝制備，為多晶形態。由于BAW器件的工作頻率與壓電層的厚度成反比，要實現高頻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的總厚度較小會導致AlN薄膜的整體性能出現惡化，所以要實現高性能的高頻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)實現了亞微米厚度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，構建了寬帶BAW諧振器的二維模型，并基于有限元法對固態聲反射型(SMR)的LN BAW諧振器進行了仿真設計，尤其針對上電極臺階結構對諧振器阻抗比和機電耦合系數的影響規律進行了研究。

1 建模

本文設計了一款工作在C波段的LN BAW諧振器。該器件采用SMR結構，以SiO2/HfO2作為布喇格反射層材料。

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

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

2 結果與討論

2.1 LN BAW基本結構仿真

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結構會導致器件結構強度不足，后續加工難度較大。因此，本文選擇固態反射型BAW器件結構進行設計，在諧振單元的下方設置了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置為1/4波長，從而達到對聲學能量全反射的效果。目前反射層材料普遍采用SiO2/W組合，但由于W為導電材料，故在實際工藝過程中必須對W層進行圖形化。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。反射層下方設置Y43°-切 LN 作為襯底，厚為8 μm。

由圖1(b)可知，串聯諧振點和并聯諧振點的頻率分別位于7 470 MHz和7 650 MHz，由此計算出機電耦合系數為5.8%。模型中LN的切型設置為Y120°，計算所得機電耦合系數與Baron等[8]的報道較接近。由圖1(b)還可知，該基本結構的諧振器的并聯點與串聯點的阻抗比(Zratio)僅有56.7 dB，由此表明部分能量發生了泄露，導致諧振器損耗較大。

2.2 臺階結構LN BAW諧振器仿真

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

為減小LN BAW諧振器的損耗，在基本結構的基礎上研究了上電極臺階結構的加入對諧振器性能的影響。增加臺階后的二維結構如圖2(a)所示，設置臺階寬度分別為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進行參數化掃描，結果如圖2(b)～(d)所示。

圖2 具有上電極臺階結構的LN BAW模型及臺階寬度不同時對d進行參數化掃描的結果

由圖2(b)可見，隨著d的增加，諧振器的Zratio呈現增加的趨勢，并在d=40 nm時達到最大值(為62.5 dB)，然后開始緩慢下降。由圖2(c)可知，d的增加導致諧振器的Zratio減小，當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進行小范圍波動。

由于諧振器的面積需要根據濾波器的設計需求進行調整，因此有必要進一步驗證在諧振器面積不同的條件下，臺階結構對其性能的影響。為此設置了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弱只與臺階本身的橫截面積有關，而與諧振器的尺寸無關。此外，臺階的橫截面積還對諧振器的機電耦合系數產生影響，隨著橫截面積的增大，機電耦合系數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和機電耦合系數的影響

3 結束語

本文采用有限元法構建了單晶LN BAW的仿真模型，并重點研究了上電極臺階結構對諧振器串、并聯點阻抗比和機電耦合系數的影響。研究發現，選擇適當的臺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，而機電耦合系數則只出現微弱的減小。