I.H.P.SAW諧振器孔徑對性能的影響

錢一聰,帥 垚,吳傳貴,羅文博,潘忻強,張萬里

(1.重慶郵電大學 光電工程學院,重慶400065;2.電子科技大學 重慶微電子產業技術研究院,重慶 401332;3.電子科技大學 電子科學與工程學院,四川 成都 611731)

0 引言

聲表面波(SAW)和體聲波(BAW)諧振器由于較小的封裝面積和高品質因數(Q)值,已被廣泛應用于無線通信射頻前端的濾波器單元。由于BAW諧振器可以通過改變壓電薄膜的厚度來改變工作頻率的特點,故在高頻領域獲得了快速發展,可達到6 GHz,并且具有聲波能量集中,損耗小,高功率容量等優勢[1]。但BAW諧振器生產工藝復雜,研發周期較長,且大部分專利由國外公司壟斷。傳統SAW塊材諧振器具有工作頻率低,頻率溫度漂移系數(TCF)較大等缺點[2]。近年來出現了一種超高性能聲表面波(I.H.P. SAW)諧振器結構[3-4],具有能夠限制表面能量效應、高Q值、優異的頻率穩定性和良好的散熱性能。I.H.P. SAW諧振器在工藝復雜度上比BAW諧振器低,其諧振器頻率比傳統的SAW塊材諧振器適用范圍廣,但I.H.P. SAW諧振器具有橫向模態的雜散。近年來,研究人員發現通過下述方法可以抑制橫向雜散:

1) 諧振器的擺放位置在聲表面波的傳播方向傾斜5°[5]。雖然諧振器傾斜后橫向模態會被抑制,但可降低Q值。

2) 在叉指上加上小錘(活塞)結構[6]。這種結構可以在抑制橫向模態的同時保持Q值不變,但諧振器的孔徑、間隙及小錘、假指的長度對橫向模態的抑制能力和對Q值的影響程度不同。因此,如何在叉指上加上小錘結構,進一步提高I.H.P. SAW諧振器的性能成為目前研究的一個亟待解決的問題。

本文通過有限元仿真及實驗,研究了LT/SiO2/ Poly-Si/Si襯底上孔徑總長對叉指上加上小錘結構性能的影響。

1 實驗

1.1 仿真設計

1.1.1 I.H.P. SAW諧振器的基礎結構

I.H.P.SAW諧振器剖面圖如圖1(a)所示。采用Y42°-LT(0.6 μm)/SiO2(0.5 μm)/Poly-Si(1 μm)/Si(350 μm)襯底結構,優化后的鋁電極厚度為0.18 μm。I.H.P. SAW諧振器俯視圖如圖1(b)所示。由兩端的匯流條及叉指、假指、叉指末端的小錘,叉指和假指之間的空隙組成,其中2根叉指相互上下重疊的部分為孔徑的長度。本文定義2根叉指互相重疊的部分為孔徑總長,即孔徑的長度加上2倍的小錘長度。

圖1 I.H.P. SAW諧振器的基礎結構圖

1.1.2 有限元三維仿真模型

依照上述參數建立如圖2(a)所示的有限元三維仿真模型。具體設置:歐拉角為(0°,48°,0°),在傳播方向兩側設置周期性邊界條件,分別在底部和兩側設置完美匹配層(PML)。三維模型俯視圖如圖2(b)所示,其中匯流條長度為5 μm,小錘長度為0.55T,寬度為0.325T(T為周期),間隙長度固定為0.35 μm、假指長度1.08T。

圖2 I.H.P. SAW諧振器有限元三維仿真模型

使用圖2所示I.H.P. SAW諧振器有限元三維仿真模型和設置的參數,設置孔徑總長為單獨變量,如表1所示,分別取不同周期下不同孔徑總長作為仿真參數,進行頻率掃描。

表1 孔徑總長仿真表

1.2 版圖設置

單個諧振器版圖采用Ground-Signal-Ground單端口結構,其中叉指設置為100對,反射柵為短路結構,上下部分的反射柵各15對。圖3為T=1.44 μm,孔徑總長25T的諧振器版圖。

圖3 T=1.44 μm的I.H.P. SAW諧振器版圖

2 實驗結果與討論

2.1 有限元仿真結果分析

I.H.P. SAW諧振器的機電耦合系數決定了I.H.P. SAW濾波器的分數帶寬,諧振器的機電耦合系數越大,濾波器的分數帶寬越大。諧振器的機電耦合系數為

(1)

式中:fs為諧振頻率;fp為反諧振頻率。

諧振器的Q值決定I.H.P. SAW濾波器的插損,采用諧振頻率和反諧振頻率的阻抗比可反映Q值的大小。諧振頻率和反諧振阻抗比越大,則諧振器Q值越高。諧振器阻抗公式為

Z=20×log10|50×(1+S11)/(1-S11)|

(2)

式中S11為諧振器端口2匹配時,端口1的電壓反射系數。諧振器阻抗比為反諧振頻率的阻抗減去諧振頻率的阻抗。圖4為不同周期,不同孔徑總長下的I.H.P.SAW諧振器仿真阻抗圖。

圖4 T=1.44、2、2.56 μm、不同孔徑總長下的I.H.P. SAW諧振器仿真阻抗圖

由圖4可看出,相同周期下,隨著孔徑總長的不斷增大,無論是諧振點右側還是反諧振點左側的橫向模態都會逐漸減弱。

2.2 GSG探針測試結果分析

圖5為T=1.44 μm的I.H.P. SAW諧振器的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。由圖可看出,諧振器整體質量完好,孔徑總長約為36.12 μm(設計值為36 μm)。采用Rohde &Schwarz公司生產的矢量網絡分析儀(VNA)進行GSG探針測試,得到的一系列不同周期下的阻抗圖如圖6所示。

圖6 T=1.44、2、2.56 μm、不同孔徑總長下的I.H.P. SAW諧振器實測阻抗圖

由圖6可知,在不同周期T下,隨著諧振器孔徑總長的不斷增大,諧振點右側的橫向模態雜散逐漸減小,在孔徑總長不小于20T時,橫向模態雜散會變弱,直至消失。

2.3 有限元仿真和GSG探針測試結果對比

I.H.P. SAW諧振器的仿真和實測機電耦合系數對比如圖7所示。通過對比可以發現,在不同周期下,孔徑總長為7.5T時,機電耦合系數最小,諧振器的機電耦合系數會隨著孔徑總長的變大逐漸增大,且增大到一定數值后趨于穩定。這是由于I.H.P. SAW諧振器結構本身的限制,但并不能通過無限增大孔徑總長來提升機電耦合系數。

圖7 T=1.44、2、2.56 μm、不同孔徑總長下的I.H.P. SAW諧振器機電耦合系數

I.H.P. SAW諧振器的仿真和實測阻抗比對比如圖8所示。由圖可看出,在孔徑總長為20T附近諧振器的阻抗比最高,在孔徑總長較低或較高時,諧振器的阻抗比都降低,但是都在±5 dB范圍浮動。同時,諧振器的阻抗比仿真結果基本不隨周期的變化而變化,但實測結果顯示,周期小時的阻抗比小于周期大時的阻抗比。

圖8 T=1.44、2、2.56 μm、不同孔徑總長下的I.H.P. SAW諧振器阻抗比

3 結束語

本文通過在I.H.P. SAW襯底上進行諧振器的有限元三維仿真,初步驗證了在不同周期下的不同孔徑總長對I.H.P. SAW諧振器性能的影響。由此可知,在不同周期下,隨著孔徑總長的不斷增加,對諧振器橫向模態的抑制會不斷增強,直至橫向模態基本消失。通過實際流片制作表面形貌完好的I.H.P. SAW諧振器驗證仿真結果,不僅證實了仿真結果的正確性,還得出諧振器的機電耦合系數會隨著孔徑總長的變大而逐漸增大,當增大到一定的數值后呈穩定的趨勢;諧振器的阻抗比在孔徑總長為20倍周期附近最高,且都穩定在一定數值附近。仿真和實測結果表明,通過優化孔徑總長可提升I.H.P. SAW諧振器性能,這為實現I.H.P. SAW濾波器中高阻抗比和無橫向模態雜散的諧振器提供了參考。