1、第4 5卷第1期压 电 与 声 光V o l.4 5N o.12 0 2 3年2月P I E Z O E L E C T R I C S&A C OU S T O O P T I C SF e b.2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-0 6-0 7 基金项目:广东省重点领域研发计划项目(N o.2 0 1 9 B 0 1 0 1 2 9 0 0 1)作者简介:赵利帅(1 9 9 2-),男,山东省菏泽市人,博士生,主要从事薄膜体声波谐振器的制备及性能研究。文章编号:1 0 0 4-2 4 7 4(2 0 2 3)0 1-0 0 1 8-0 3D O I:1 0.1 1 9 7 7/j.i
2、 s s n.1 0 0 4-2 4 7 4.2 0 2 3.0 1.0 0 4高品质因数薄膜体声波谐振器的仿真与制备赵利帅1,衣新燕1,2,欧阳佩东1,张铁林1,刘红斌1,李国强1,2(1.华南理工大学 发光材料与器件国家重点实验室,广东 广州5 1 0 6 4 0;2.广州市艾佛光通科技有限公司,广东 广州5 1 0 7 0 0)摘 要:该文研究了双层反射结构对薄膜体声波谐振器性能的影响。采用有限元方法建立了以氮化硅为支撑层,氮化铝为压电层,钼为电极的器件模型。首先探究反射层的宽度对输入阻抗的影响,为了进一步验证仿真结果,制备了空腔型薄膜体声波谐振器。研究结果表明,当反射层的宽度为0.5m
3、时,器件的品质因数将得到极大增强。关键词:薄膜体声波谐振器;反射层;输入阻抗;A l N;有限元中图分类号:T N 6 5 文献标志码:A S i m u l a t i o na n dP r e p a r a t i o no fT h i nF i l mB u l kA c o u s t i cR e s o n a t o rw i t hH i g hQ u a l i t yF a c t o rZ H A OL i s h u a i1,Y IX i n y a n1,2,O U Y A N GP e i d o n g1,Z H A N GT i e l i n1,L I
4、 UH o n g b i n1,L IG u o q i a n g1,2(1.S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fL u m i n e s c e n tM a t e r i a l sa n dD e v i c e s,S o u t hC h i n aU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,G u a n g z h o u5 1 0 6 4 0,C h i n a;2.G u a n g z h o uA i f oL i g h tC o mm u n i c a t i o nT e c h
5、n o l o g yC o.,L t d.,G u a n g z h o u5 1 0 7 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:T h ee f f e c to f t h ed o u b l er e f l e c t i o nl a y e ro np e r f o r m a n c eo f t h i nf i l mb u l ka c o u s t i c r e s o n a t o r i ss t u d i e di nt h i sp a p e r.T h e f i n i t ee l e m e n tm e t h o
6、 d i su s e dt oe s t a b l i s ht h em o d e l o f t h ed e v i c ew i t hs i l i c o nn i t r i d ea s t h es u p-p o r t l a y e r,a l u m i n u mn i t r i d e a s t h ep i e z o e l e c t r i c l a y e r a n dm o l y b d e n u ma s t h e e l e c t r o d e.F i r s t l y,t h e i n f l u e n c eo f
7、 t h ew i d t ho f t h e r e f l e c t i o n l a y e ro n t h e i n p u t i m p e d a n c e i s i n v e s t i g a t e d.I no r d e r t o f u r t h e r v e r i f y t h e s i m u l a t i o nr e s u l t s,ac a v i t ys t r u c t u r eo f t h i nf i l mb u l ka c o u s t i cr e s o n a t o r i sp r e p
8、a r e d.T h er e s u l t ss h o wt h a tw h e nt h ew i d t ho f t h er e-f l e c t i o nl a y e r i s0.5m,t h eq u a l i t yf a c t o ro f t h ed e v i c ew i l l b eg r e a t l ye n h a n c e d.K e yw o r d s:t h i nf i l mb u l ka c o u s t i cr e s o n a t o r;r e f l e c t i o nl a y e r;i n p
9、u t i m p e d a n c e;A l N;f i n i t ee l e m e n t 0 引言随着5 G技术的飞速发展,射频前端滤波器朝着高频化、微型化和集成化方向发展。声表面波(S AW)滤波器仅能在低频波段工作。介质陶瓷滤波器体积较大,无法满足集成化的要求。薄膜体声波谐振器(F B A R)具有高频、微型、功率容量大的优点,制备工艺可与CMO S兼容1,因此,F B A R在5 G技术中具有广泛的应用前景,由它构成的滤波器是目前唯一可与射频前端进行集成的滤波器2,目前已被广泛应用于无线通信等领域3-4。F B A R谐振器将电学信号转换成声波信号,由于谐振器的上下电极与
10、空气的声阻抗差异较高,故声波信号在电极/空气界面发生全反射,进而形成谐振,最终实现选频。由于压电薄膜与衬底相接触,由此激发的声波容易通过压电薄膜泄露到周围的衬底中,或者激发出其他的寄生模式,进而导致较高的损耗。为了降低谐振器的声波损耗并提高品质因数,S h i n等采用阻断声波传输路径的方法,将谐振器有源区域以外的压电材料去掉,声波可以在有源区和周边的空气界面形成反射。采用此方法可将插入损耗从0.1 1d B降低为0.0 4d B5。P a r k等则在上下电极周围溅射一圈金电极,金电极位于有源区外,自由电子可以通过黄金迁移,极大地降低了电极的损耗,插入损耗由0.1 1d B降低到0.0 8d
11、 B6。上述方法较复杂,易对器件的稳性定等性能造成影响。本文利用有限元软件模拟了F B A R器件的谐振性能,通过在上电极周围设置两层反射层来降低器件的损耗。两层反射层的阻抗与有源区的声波阻抗差异较大,电场激发的体声波可在反射层处发生两次反射,避免了声波通过A l N直接泄露到周围的衬底中,降低了电声转换的能量损耗,提高了器件的品质因数。通过优化反射层的宽度,谐振器的并联谐振阻抗提高了5d B,品质因数提高了3 0 0。本文提出的方法易实行,具有潜在的应用价值。1 F B A R的结构与仿真1.1 F B A R的结构如图1所示,F B A R器件由上下电极、压电材料、钝化层、支撑层及反射层构
12、成。压电材料为氮化铝,上下电极和反射层均由金属钼组成,钝化层为氮化铝,支撑层为氮化硅。反射层的材料也可选择其他高声波阻抗材料。上下电极的厚度均为0.2m,有源区的横向尺寸为8 0m8 0m;压电层的厚度为0.8 4 4m,横向尺寸为3 0 0m3 0 0m;氮化硅的厚度为0.1m,钝化层的厚度为0.1m,两个反射层的厚度分别为0.2 8m、0.1 4m。两个反射层的宽度相同,分别设置为0.5m、1.0m、2.0m。为了降低横向谐振的影响,仿真和实验过程中电极与反射层的形状均为正五边形。图1 F B A R器件的结构1.2 谐振器的仿真与计算本文通过有限元方法对静电场和固体力学两个场进行求解,为
13、了保证计算结果的收敛与精确,模型的网格自由度为2 2万。由于仿真模型为理想模型,为了降低边界反射对谐振性能的影响,在压电层左右两边添加完美匹配层(见图1)。完美匹配层是一个近乎理想的吸收体,可以吸收出射声波,抑制声波的反射,进而减少寄生谐振。2 仿真结果与讨论为了防止电场激发的声波沿着压电材料泄露到底部的衬底,本文在有源区域外设置了两层不同高度的金属反射层,该反射层具有不同的声波阻抗,可以有效地将声波限制在有源区内。为进一步简化计算,本文保持反射层的高度固定不变,二者具有相同的宽度。为了探究反射层的宽度对F B A R谐振器输入阻抗的影响,本文将反射层的宽度分别设置为0、0.5m、1.0m和2
14、.0m,如图2所示。由图可见,随着反射层宽度的逐渐增加,串联谐振频率处的阻抗(Rs)先降低后增加,而并联谐振频率处的阻抗(Rp)总体呈上升趋势。因此,高反射层的引入反而会对Rs产生不利影响。综合考虑Rs、Rp可知,当反射层宽度为0.5m时,其具有较好的限制能力。与没有反射层的谐振器相比,Rp增加了5d B,并联谐振点的品质因数增加了3 0 0,而Rs降低了0.0 6d B。图2 反射层宽度对F B A R器件输入阻抗的影响为了理解反射层提高品质因数的机制,本文研究了器件的纵向位移,如图3所示。图3 反射层对谐振器振动位移的影响由图3可见,当不加反射层时,激发的声波会沿着压电材料泄露到周围区域,
15、进而引起无源区域的振动,此时谐振器的最大振幅为51 0-5m。当反91 第1期赵利帅等:高品质因数薄膜体声波谐振器的仿真与制备射层的宽度为0.5m时,声波被完全限制在有源区域内,无源区域的振幅基本为0,谐振器的最大振幅为0.0 0 1m。与不添加反射层的谐振器相比,引入反射层可将谐振器的最大振幅提高2 0倍。声波的能量与振幅的平方成正比,因此,振幅的增加反映了有源区能量的增加。综上可见,反射层的引入可将声波能量最大程度地限制在有源区域,减少了向周围无源区域的泄露,降低了器件的损耗,最终提高了器件的品质因数;而未引入反射层的器件在无源区域仍存在大量的泄露声波,导致其无源区域的声波振幅较高(见图3
16、(a),品质因数较低。3 实验验证为了验证双反射层结构对F B A R器件的影响,本文制备了F B A R器件,如图4所示。由图可见,在高阻硅衬底上刻蚀形成硅腔,利用氧化硅作为牺牲层材料并抛光,在氧化硅上依次沉积各个功能层,最终利用稀释的氢氟酸溶液释放牺牲层。图4 F B A R器件的制备流程采用矢量网络分析仪对谐振器进行测试,结果如图5所示。由图可见,与无反射层的谐振器相比,当反射层的宽度为0.5m时,并联谐振频率的S2 1降低了1.3d B,品质因数(Q)提高了2 0 0。实验结果与仿真结果较符合,验证了双反射层结构的有效性,表明双反射层可以极大地提高器件的品质因数。图5 反射层对谐振器的S2 1的影响4 结束语本文介绍了一种高品质因数谐振器的仿真及制备方法。通过在顶部电极周围引入两层高阻抗反射层,将激发的声波极大地限制在有源区域内部,进而降低了F B A R器件的损耗。与未引入反射层的谐振器相比,当反射层的宽度为0.5m时,并联谐振点的品质因数增加了2 0 0。本文制备了硅基F B A R器件并进行测试,实验结果证明了反射层具有良好的限制声波的能力。参考文献:1 彭华东,徐阳,张