高性能溫補型薄膜體聲波濾波器的研制

劉 婭,陳 鳳,黃 晶,黃 龍,呂峻豪,孫明寶,馬晉毅

(中國電子科技集團公司 第二十六研究所,重慶 400060)

0 引言

隨著移動通信技術和國防裝備電子系統技術的飛速發展,通信頻段進一步向高頻(S和C波段)擴展,相控陣雷達、電子對抗和通信系統對高頻濾波器的頻率溫度系數、性能、體積提出了更高要求;通信頻譜資源也日益緊張,頻段分配越來越復雜,保護頻段不斷變窄,市場對濾波器性能的要求也越來越嚴。同時5G通信技術中通信頻段將進一步向高頻高性能擴展。薄膜體聲波諧振(FBAR)濾波器是射頻系統中的關鍵器件,每個射頻信號和通信頻段均需要使用濾波器抑制干擾信號,在制電磁權的爭奪中濾波器起著重要的作用。

常規Mo-AlN-Mo結構的薄膜體聲波諧振器的頻率溫度系數約為-30×10-6/℃[1-2],導致FBAR濾波器具有較大的頻率溫度系數。SiO2的頻率溫度系數為+85×10-6/℃[3],SiO2薄膜可作為很好的溫度補償材料,在FBAR濾波器中添加SiO2薄膜可使FBAR濾波器具有較小的頻率溫度系數。但SiO2材料為非壓電材料,加入SiO2后將導致品質因數(Q)值降低,損耗增大。本文采用“空氣橋”[4]和“凸起層”[5]的組合結構模式可抑制橫向雜波,從而提高Q值,降低損耗,實現高性能、低損耗的溫度補償型薄膜體聲波濾波器。

1 FBAR濾波器的設計

本文采用一維Mason模型來仿真諧振器的頻率特性,其溫補型薄膜體聲波諧振器(TC-FBAR)的Mason模型等效電路如圖1所示。TC-FBAR濾波器組成,如圖2所示。種子層和保護層的邊界均為空氣界面,能把聲波能量束縛在諧振器結構中。壓電層有2個聲學端口和2個電學端口,普通聲學層具有2個聲學端口。將壓電層、普通聲學層的等效電路級聯,得到常規TC-FBAR的Mason等效電路。

圖1 TC-FBAR的Mason等效電路圖

圖2 TC-FBAR濾波器的膜層結構圖

常規FBAR的Mason模型無法仿真諧振器的溫度特性。高性能、低損耗TC-FBAR濾波器是在常規TC-FBAR基礎上,增加了“空氣橋”和“凸起層”結構,一維Mason模型無法仿真溫度特性和高性能結構,因此需對模型進行優化。本文采用COMSOL軟件對高性能低損耗的TC-FBAR濾波器進行建模。在TC-FBAR濾波器的膜層結構中,種子層、溫度補償層和保護層均為各向同性介質。壓電層AlN薄膜為六方晶系,聲波在FBAR中沿c方向傳播。壓電層AlN薄膜的彈性勁度常數[6]為

(1)

壓電應力常數為

(2)

夾持介電常數為

(3)

表1為AlN和SiO2的材料參數。表2為AlN和SiO2的溫度系數[7]。將表1、2參數代入式(1)-(3),所得cE,e,εS代入COMSOL軟件的材料參數,得到TC-FBAR的模型,同時再加上“空氣橋”和“凸起層”結構,得到高性能的TC-FBAR的模型,如圖3所示。

表1 AlN和SiO2的材料參數

表2 AlN和SiO2的溫度系數

圖3 高性能TC-FBAR濾波器結構示意圖

將COMSOL得到的高性能TC-FBAR濾波器模型轉化為Mason模型所需參數,得到修正后的高性能TC-FBAR模型(Mason-TC)。采用Mason-TC在ADS軟件進行建模,高性能TC-FBAR濾波器采用階梯型電路結構(見圖4),對頻率為2.5 GHz、頻率溫度系數小于±2×10-6/℃的濾波器進行仿真,綜合考慮性能和頻率溫度系數,仿真膜厚如表3所示。仿真曲線如圖5所示。由圖可看出,損耗為0.85 dB,1 dB帶寬為75 MHz。

表3 高性能TC-FBAR膜厚設計值

圖4 TC-FBAR芯片電路圖

圖5 高性能TC-FBAR設計仿真曲線

TC-FBAR濾波器的頻率溫度系數[8]為

(4)

式中:TCF為頻率溫度系數;Δf為最高溫度和最低溫度頻率差;ΔT為最高溫度和最低溫度的溫度差。

根據式(4)對仿真結果進行計算,得到該膜層結構下TC-FBAR濾波器的頻率溫度系數為-0.56×10-6/℃。

2 TC-FBAR濾波器的制備

由于空腔型FBAR濾波器具有機械強度高,Q值較高及帶外抑制好的特點,因此,該TC-FBAR濾波器采用空腔型結構。在6英寸(1英寸=2.54 cm)高阻硅片上進行制作,主要工藝流程如圖6所示。通過該工藝流程,分別采用磁控濺射制備種子層、電極層、壓電層和保護層,等離子體增強化學氣象沉積制備溫補層,電子束蒸發制備焊盤電極,濕法腐蝕的方式釋放空氣橋和空腔,得到高性能TC-FBAR諧振器和濾波器結構。

圖6 高性能TC-FBAR工藝流程圖

為了研究溫補層對濾波器性能和頻率溫度系數的影響,本文制備了不同溫補層厚度的TC-FBAR諧振器和濾波器,濾波器的芯片實物如圖7所示。高性能TC-FBAR諧振器膜層結構的透射電鏡(TEM)圖譜如圖8所示。

圖7 高性能TC-FBAR濾波器芯片圖

圖8 高性能TC-FBAR諧振器TEM圖

3 結果與討論

采用高低溫微波探針測試系統對濾波器進行高低溫測試,分別測試-55 ℃、25 ℃、85 ℃和125 ℃的頻響曲線。根據測試結果和式(4)計算,不同溫補層厚度對諧振器性能和頻率溫度系數的影響如圖9、10所示。由圖可看出,隨著溫補層SiO2的加入,Q值急劇增大,隨著溫補層SiO2的繼續增加,Q值逐漸減小;機電耦合系數隨著溫補層SiO2厚度的增加而逐漸減小。由于加入溫補層影響壓電層的擇優取向生長,使機電耦合系數降低。同時形成雙空氣橋結構,該結構對橫向泄漏的聲能量具有反射作用,反射回有效諧振區域內,從而使聲波能量被束縛在有效諧振區域內,減少了聲能量的泄漏,從而增大了Q值。隨著溫補層SiO2厚度的逐漸增加,頻率溫度系數由負溫度系數逐漸變為正溫度系數。

圖9 SiO2厚度對高性能TC-FBAR有效機電耦合系數和Q值的影響

圖10 SiO2厚度對高性能TC-FBAR頻率溫度系數的影響

濾波器測試結果如圖11所示。由圖可看出,頻率為2.43 GHz時,插損為-1.02 dB,帶寬為70.5 MHz,根據式(4)計算出頻率溫度系數為1.82×10-6/℃。對比圖5、11可知,實測結果和仿真結果基本吻合。由于設計采用的參數較理想,同時制作過程中存在一定的工藝偏差,導致實測結果和設計結果的頻率、帶寬和頻率溫度系數存在一定的偏差。但是可經過優化迭代,減少設計和測試的偏差,使設計結果和測試結果保持一致。通過實測數據可得,低損耗和低頻率溫度系數的FBAR濾波器滿足武器裝備和移動通訊對濾波器的需求。

圖11 高性能TC-FBAR高低溫測試圖

4 結束語

本文介紹了一款高性能的TC-FBAR濾波器。采用COMSOL軟件和Mason模型對FBAR諧振器進行仿真,并在ADS軟件中進行濾波器進行電路仿真。為了實現低損耗和低頻率溫度系數,在常規TC-FBAR濾波器基礎上,采用“空氣橋”和“凸起層”結構來抑制雜波,提高濾波器性能。通過測試結果表明,本文實現了低損耗和低頻率溫度系數的FBAR濾波器。