边缘空气层薄膜体声波谐振器的设计与制备.pdf

第4 6卷 第1期压 电 与 声 光V o l.4 6 N o.12 0 2 4年2月P I E Z O E L E C T R I C S&A C OU S TOO P T I C SF e b.2 0 2 4 收稿日期:2 0 2 3-0 9-1 8 基金项目:国家重点研发计划项目(N o.2 0 2 2 Y F B 3 6 0 4 5 0 0,N o.2 0 2 2 Y F B 3 6 0 4 5 0 1)作者简介:朱宇涵(1 9 9 6-),男,广东省广州市人,博士生。段兰燕(1 9 7 8-),女,广东省深圳市人,高级工程师。朱宇涵与段兰燕对本文的贡献相同,为共同第一作者。通信作者:李国强,博士,教授。文章编号:1 0 0 4-2 4 7 4(2 0 2 4)0 1-0 0 1 1-0 5D O I:1 0.1 1 9 7 7/j.i s s n.1 0 0 4-2 4 7 4.2 0 2 4.0 1.0 0 3边缘空气层薄膜体声波谐振器的设计与制备朱宇涵1,段兰燕2,陈志鹏1,许锴镔1,胡 晗1,衣新燕3,李国强1,3(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.中兴通讯股份有限公司,广东 深圳 5 1 8 0 5 7;3.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:压电薄膜存在固有的对压电效应的非线性迟滞响应,并且声波有向边缘传播的横波分量,二者都会产生声波的能量损耗。该文设计了一种具有边缘空气层结构的单晶氮化铝薄膜体声波谐振器,可以减小非线性迟滞的机电损耗并阻止横波能量泄露,提高谐振器的品质因数。使用C OM S O L对设计的器件进行有限元模拟仿真,并成功制备出具有边缘空气层结构的谐振器进行测试验证。关键词:单晶氮化铝薄膜体声波谐振器;边缘空气层;有限元仿真;压电非线性效应中图分类号:T N 7 1 3;T N 6 0 3 文献标识码:A D e s i g n a n d P r e p a r a t i o n o f T h i n F i l m B u l k A c o u s t i c R e s o n a t o r s w i t h E d g e A i r L a y e r sZ H U Y u h a n1,D U A N L a n y a n2,C H E N Z h i p e n g1,X U K a i b i n1,H U H a n1,Y I X i n y a n3,L I G u o q i a n g1,3(1.S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f L u m i n e s c e n t M a t e r i a l s a n d D e v i c e s,S o u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,G u a n g z h o u 5 1 0 6 4 0,C h i n a;2.Z T E C o r p o r a t i o n,S h e n z h e n 5 1 8 0 5 7,C h i n a;3.G u a n g z h o u A i f o L i g h t C o mm u n i c a t i o n T e c h n o l o g y C o.,L t d,G u a n g z h o u 5 1 0 7 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:T h e p i e z o e l e c t r i c f i l m h a s a n i n h e r e n t n o n l i n e a r h y s t e r e s i s r e s p o n s e t o t h e p i e z o e l e c t r i c e f f e c t,a n d t h e s o u n d w a v e h a s a s h e a r w a v e c o m p o n e n t t h a t p r o p a g a t e s t o w a r d t h e e d g e,b o t h o f w h i c h w i l l c a u s e e n e r g y l o s s o f t h e s o u n d w a v e.I n t h i s p a p e r,a s i n g l e-c r y s t a l l i n e a l u m i n u m n i t r i d e t h i n f i l m b u l k a c o u s t i c w a v e r e s o n a t o r(S A-B A R)w i t h a n e d g e a i r l a y e r s t r u c t u r e i s d e s i g n e d,w h i c h c a n r e d u c e t h e e l e c t r o m e c h a n i c a l l o s s o f n o n l i n e a r h y s t e r e-s i s,p r e v e n t t h e l e a k a g e o f s h e a r w a v e e n e r g y,a n d i m p r o v e t h e q u a l i t y f a c t o r o f t h e r e s o n a t o r.C OM S O L i s u s e d t o c o n d u c t f i n i t e e l e m e n t s i m u l a t i o n o f t h e d e v i c e,a n d a r e s o n a t o r w i t h a n e d g e a i r l a y e r s t r u c t u r e w a s s u c c e s s f u l l y p r e-p a r e d f o r t e s t i n g a n d v e r i f i c a t i o n.K e y w o r d s:s i n g l e-c r y s t a l a l u m i n u m n i t r i d e t h i n f i l m b u l k a c o u s t i c w a v e r e s o n a t o r(S A B A R);e d g e a i r l a y e r;f i-n i t e e l e m e n t s i m u l a t i o n;p i e z o e l e c t r i c n o n l i n e a r e f f e c t 0 引言体声波滤波器满足5 G通信频段的高频需求,且具有体积小,易与微机电系统(MEM S)器件集成等优势,是目前研究的热点1。作为体声波滤波器的创新品类,单晶氮化铝(A l N)薄膜体声波谐振器(S A B A R)使用单晶A l N作为压电薄膜材料,其工作原理是通过压电薄膜层的逆压电效应,在非中心对称晶体结构的压电薄膜极化方向上施加交变电场,在晶体结构内电荷沿极化方向移动,引起压电薄膜的形变振荡,并在特定频率下形成驻波,在驻波频率间形成信号通带,使特定频段的电流通过2。单晶氮化铝具有较少的晶界和较低的位错密度,有效减少了声波在传播过程中的散射和吸收。压电薄膜振动的纵向波分量为谐振器所需的高频体声波,而横向的剪切波分量则会传播到薄膜边缘造成能量泄露。同时,压电材料还存在固有的对压电效应的非线性迟滞响应3。在高功率下,顶底电极间(有源区)的压电薄膜层处于高强度电场,其非线性响应将会造成较大的声波能量损耗。上述的能量泄露与损耗集中于谐振器的边缘区域,导致谐振器性能下降4。本文设计了一种边缘具有空气层结构的S A B A R器件,利用C OM S O L软件模拟仿真得到振幅和电势的大小及分布,并根据仿真结果分析了空气层对器件性能的影响。最后制备并测试了具有边缘空气层的S A B A R,验证了该结构对谐振器性能的优化作用。1 S A B A R器件的设计与建模如图1所示,S A B A R器件由种子层,顶、底电极与压电层构成。种子层和压电层的材料为单晶A l N,顶、底电极的材料为金属M o,顶、底电极间通过蚀刻通孔并灌注金属A u实现电气连接。空气层处于顶电极边缘两侧,在滤波器中与相邻谐振器共用顶电极的一侧形成空气桥结构,不相接的悬空一侧则为空气环结构。由于压电薄膜振动的横波分量会传播到谐振器边缘并泄漏到衬底等其他区域5,而空气与金属材料、A l N压电材料的声阻抗相差很大,能够将声波几乎全反射回有源区,因此可以降低能量的泄露。同时,A l N材料的弹性系数实部c3 3和压电系数e3 3在高功率下会随着电场强度的提高而增大6,从而引发压电薄膜的非线性效应。通过空气桥降低有源区的电场强度,使得顶、底电极间的电势下降,减少了机电损耗7。上述结构以高阻S i为衬底,衬底上对应有源区的位置存在底部的空气腔,其作用是将绝大部分纵向传播的体声波反射回压电薄膜层以形成驻波。图1 S A B A R器件的结构使用C OM S O L软件对S A B A R器件进行建模仿真,模型所使用的材料参数如表1所示。与通常使用的A D S与H F S S软件相比,C OM S O L能够对振动、电场等多物理场进行模拟。通过C OM S O L模拟S A B A R的压电振动过程,得到振幅和电势的大小及分布,分析边缘空气层对反射振动横波分量以及减少边缘电场强度的作用。表1 S A B A R器件中各材料属性的参考值参数A l NM oS i密度/(k gm-3)3 2 6 01 0 2 8 0 2 3 3 2纵声波速/(ms-1)1 1 3 5 06 2 1 38 4 2 9特征声阻抗/1 07k g(m2s)-13.7 06.3 91.9 7杨氏模量/G P a3 9 43 1 21 5 0泊松比0.2 50.3 10.2 7衰减因子/(d Bm-1)8 0 05 0 0/如图2所示,提取具有边缘空气层的结构并将之简化,可在C OM S O L中建立二维仿真模型。在二维模型中,S A B A R的结构包括S i衬底、底部空腔、A l N种子层、M o底电极、A l N压电层、边缘空气层、M o顶电极,各层厚度依次设定为S i衬底2 0 0 m、底部 空 腔2 0 m、A l N种 子 层1 0 0 n m、底 电 极2 0 0 n m,压电层1 2 0 0 n m、顶电极2 0 0 n m。为了对比研究边缘空气层宽度对谐振器品质因数(Q)的影响,设置边缘空气层宽度可调节范围为02 m,有源区的横向尺寸固定为3 2 m,两侧各有横向尺寸为9 m的完美匹配层(PML)。PML的作用是模拟一个带有开放边界的域,用于模拟声波在远离声源传播过程中被吸收的情况,减小声波因在模型界面与环境介质阻抗不匹配而导致的反射对计算结果的影响8,模型总横向尺寸为5 0 m。图2 简化后的S A B A R结构根据上述尺寸在C OM S O L中建立二维模型后,采用网格剖分模型将模型的物理系统离散为大量的小单元,以有限元法模拟计算器件的物理特性。网格的细化剖分示意图如图3所示。图3 二维模型网格剖分示意图2 仿真结果分析本文通过对比具有边缘空气层结构与无边缘空21压 电 与 声 光2 0 2 4年 气结构的S A B A R的仿真结果,分析了边缘空气层对器件性能的影响。边缘空气层宽度对谐振器Q值的影响如图4所示。考虑到过大的边缘空气层宽度会增强边缘处寄生效应,导致谐振器Q值下降,因此,本文设计的谐振器边缘空气层宽度应小于1.5 m。图4 边缘空气层宽度对Q值的影响为了研究边缘空气层对降低顶、底电极间电势的作用,提取了S A B A R有源区边缘的电势分布及大小,结果如图5所示。由图可见,空气层结构降低了边缘处的电势,这是由于空气的相对介电常数为1.0,远小于A l N的相对介电常数9.0,根据电容公式9:C=r0Se/(4 k d)(1)式中:r为相对介电常数;Se为顶、底电极的正对面积;0为真空介电常数。空气层结构降低了顶、底电极间的电容,减少了电极储存的电荷量,从而减小了电极电势;同时空气层结构增大了顶、底电极间距,因为顶、底电极间电压不变,所以电极间的电场强度下降,表现为电极电势减小。图5 S A B A R顶电极边缘的电势大小及分布为了对比研究边缘空气层对降低有源区能量损耗的作用,提取了串联谐振频率2.5 GH z处的振幅大小及分布,结果如图6所示。由图可见,无边缘空气层结构S A B A R的有源区振幅比较分散,这是由于声波的横向分量向有源区边缘传播,在有源区各处与纵向分量耦合引起次级的振动位移。有边缘空气层结构S A B A R有源区的振幅更集中,说明大部分横向传播的体声波分量被反射到有源区中心。当没有边缘空气层时,S A B A R有源区的振幅最大值为3.1 11 0-3 m;有边缘空气层时,最大振幅提高至7.0 41 0-3 m。机械波平均能量密度公式1 0:w-=12A22(2)式中:为介质密度;A为振幅;为角频率。由式(2)可知,能量与振幅的平方成正比,说明空气层显著减少了边缘的能量泄露。图6 振幅大小及分布示意图3 器件制备与测试为了验证边缘空气层性能的影响,制备了具有边缘空气层的S A B A R器件。使用金属有机化学气相沉积(MO C V D)和物理气相沉积(P V D)结合的两步法生长单晶A l N,该方法生长的A l N薄膜具有较31 第1期朱宇涵等:边缘空气层薄膜体声波谐振器的设计与制备小的位错和晶界密度1 1,可以降低声波因传播过程中在晶体中折射和散射所引起的能量损耗,避免引入额外的干扰变量。为了对比研究边缘空气层最佳的宽度比例,设置并制备了无边缘空气层、边缘空气层宽度1 m、边缘空气层宽度1.5 m共3组器件。器件的S EM图如图7所示。由图7(a)可观察到位于顶电极边缘处的空气桥结构。由图7(b)可观察到S A B A R顶电极边缘处有突出的环状结构,此处为制备过程中沉积在边缘空气层牺牲材料上的顶电极,在释放牺牲层材料后,这部分顶电极保留了边缘突起的结构,在留出边缘空气层空间的同时起到了边缘负载的作用,可减小器件的电磁效应所引起的寄生谐振1 2。图7 有边缘空气层的器件样品S EM图使用矢量网络分析仪对制备的3组样品进行测试,将导出的.s 2 p文件导入A D S软件中计算品质因数Q值。通过Q值反映边缘空气层对样品器件性能的影响。从测试数据中提取的样品阻抗曲线如图8所示。在A D S软件中使用公式1 3计算Q值:Q=a b s(f/2)d i f f(p h a s e r a d(Z),1)(3)式中:f为频率;d i f f为差分函数;p h a s e r a d为求解信号相位弧度的函数。图8 样品的阻抗曲线由式(3)可计算所制备的样品器件对应的串联谐振频率的品质因数Qs和并联谐振频率的品质因数Qp,结果如图9所示。图9 样品的Qs和Qp测试结果式(3)使用了阻抗相位微分法,使用下式1 4对比谐振频率处样品的能量损耗情况:Q=2 i n d e p(S)G Dm a g(S)/1-m a g(S)m a g(S)(4)式中:G D为测试得到的群延时;S为信号传输的散射 参 数;i n d e p(S)为 散 射 参 数 的 联 动 频 率;m a g(S)为散射参数的幅度。在A D S中计算随频率变化 的 品 质 因 数B o d e_Q,结 果 如 图1 0所 示,B o d e_Q反应了在较宽频率范围内样品器件的能量损耗情况。3组样品Qs、Qp及B o d e_Q的对比结果如表2所示。图1 0 样品的B o d e_Q测试结果表2 不同宽度边缘空气层样品的Q值器件结构QsQpB o d e_Q无边缘空气层3 3 63 0 12 0 6 5边缘空气层宽度1 m3 6 53 2 02 3 2 0边缘空气层宽度1.5 m5 8 23 9 92 4 1 3 由表2可见,相对于无边缘空气层结构,当边缘空气层宽度为1.5 m时,样品串联谐振频率处的Qs值增加了约7 0%,并联谐振频率处的Qp值增加了约3 0%,总体B o d e_Q值增加了约1 6%,与前文仿真结果分析得出的结论相符,验证了边缘空气层有助于降低S A B A R器件的能量损耗,提高S A B A R41压 电 与 声 光2 0 2 4年 器件的品质因数Q。但随着边缘空气层宽度的增加,由于空气层结构存在寄生电容,会引起串联谐振点以下的频率出现寄生谐振,并且当宽度由1 m增加到1.5 m时,B o d e_Q值提升的幅度明显减少,说明对于本次实验制备的器件样品,其边缘空气层最优宽度应设置在1 m。4 结束语本文通过在S A B A R器件的顶电极边缘处设计空气层结构,通过反射压电薄膜振动的横波分量,可减少边缘处能量泄露,并通过降低边缘处的电场强度,减少有源区对压电效应的非线性响应引起的机电损耗,提升S A B A R器件的Q值。将高Q值、低能量损耗的S A B A R器件应用于滤波器,可减少通带内的插入损耗,保持通带平坦,减少带内波纹,提升滤波器性能。参考文献:1 欧阳佩东,衣新燕,罗添友,等.基于A l N的体声波滤波器材料,器件与应用研究进展J.人工晶体学报,2 0 2 2,5 1(9/1 0):1 6 9 1-1 7 0 2.OUYAN G P D,Y I X Y,L UO T Y,e t a l.R e s e a r c h p r o g r e s s o f A l N-b a s e d f i l t e r s:M a t e r i a l s,d e v i c e s a n d a p p l i c a t i o n sJ.J o u r n a l o f S y n t h e t i c C r y s t a l s,2 0 2 2,5 1(9/1 0):1 6 9 1-1 7 0 2.2 金浩.薄膜体声波谐振器(F B A R)技术的若干问题研究D.杭州:浙江大学,2 0 0 6.3 A R AMAK I M,I Z UM I K,YO S H I MUR A T,e t a l.I n v e s t i g a t i o n o f m e c h a n i c a l n o n l i n e a r e f f e c t i n p i e z o e-l e c t r i c MEM S v i b r a t i o n e n e r g y h a r v e s t e r sJ.J a p a-n e s e J o u r n a l o f A p p l i e d P h y s i c s,2 0 1 8,5 7(1 1 S):1 1 U D 0 3.4 F OU L A D I S,WU J,Z OU Q,e t a l.F B A R r e s o n a t o r s f a b r i c a t e d o n i n s u l a t i n g s u b s t r a t e s w i t h i m p r o v e d R F a n d n o n l i n e a r p e r f o r m a n c eC/S.l.:2 0 1 9 I E E E I n-t e r n a t i o n a l U l t r a s o n i c s S y m p o s i u m(I U S),I E E E,2 0 1 9:8 8-9 2.5 赵利帅,衣新燕,欧阳佩东,等.高品质因数薄膜体声波谐振器的仿真与制备J.压电与声光,2 0 2 3,4 5(1):1 8-2 0.Z HAO L S,Y I X Y,OUYANG P D,e t a l.S i m u l a-t i o n a n d p r e p a r a t i o n o f t h i n f i l m b u l k a c o u s t i c r e s o n a-t o r w i t h h i g h q u a l i t y f a c t o rJ.P i e z o e l e c t r i c s&A c o u s t o o p t i c s,2 0 2 3,4 5(1):1 8-2 0.6 S AHYOUNW,DU CHAMP J M.N o n l i n e a r b e h a v i o r o f A l N i n B AW a n d C R F d e v i c e s f o r h i g h R F e l e c t r i c f i e l dC/M a n c h e s t e r:E u r o p e a n M i c r o w a v e I n t e g r a t-e d C i r c u i t C o n f e r e n c e,2 0 1 1:4 2 6-4 2 9.7 F E L D D A,S H I M D S.D e t e r m i n a t i o n o f t h e n o n l i n-e a r p h y s i c a l c o n s t a n t s i n a p i e z o e l e c t r i c A l N f i l mC/S.l.:2 0 1 0 I E E E I n t e r n a t i o n a l U l t r a s o n i c s S y m p o s i-u m,I E E E,2 0 1 0:2 7 7-2 8 2.8 CHE EMA M I,K I R KA G.I m p l e m e n t a t i o n o f t h e p e r f e c t l y m a t c h e d l a y e r t o d e t e r m i n e t h e q u a l i t y f a c t o r o f a x i s y mm e t r i c r e s o n a t o r s i n C OM S O LC/S.l.:C OM S O L C o n f e r e n c e,2 0 1 0.9 S NOW C.F o r m u l a s f o r c o m p u t i n g c a p a c i t a n c e a n d i n-d u c t a n c eM.U S A:U S G o v e r n m e n t P r i n t i n g O f f i c e,1 9 5 4.1 0NOA C K J,VOG E L A.L a s e r-i n d u c e d p l a s m a f o r m a-t i o n i n w a t e r a t n a n o s e c o n d t o f e m t o s e c o n d t i m e s c a l e s:c a l c u l a t i o n o f t h r e s h o l d s,a b s o r p t i o n c o e f f i c i e n t s,a n d e n e r g y d e n s i t yJ.I E E E J o u r n a l o f Q u a n t u m E l e c-t r o n i c s,1 9 9 9,3 5(8):1 1 5 6-1 1 6 7.1 1Y I X Y,Z HAO L S,OUYAN G P D,e t a l.H i g h-q u a l i t y f i l m b u l k a c o u s t i c r e s o n a t o r s f a b r i c a t e d o n A l N f i l m s g r o w n b y a n e w t w o-s t e p m e t h o dJ.I E E E E l e c t r o n D e v i c e L e t t e r s,2 0 2 2,4 3(6):9 4 2-9 4 5.1 2刘红斌,张铁林,胡晗,等.边缘负载F B A R谐振器有限元仿真分析J.压电与声光,2 0 2 3,4 5(1):2 1-2 5.L I U H B,Z HAN G T L,HU H,e t a l.R e s e a r c h p r o-g r e s s o f A l N-b a s e d f i l t e r s:M a t e r i a l s,d e v i c e s a n d a p-p l i c a t i o n sJ.P i e z o e l e c t r i c s&A c o u s t o o p t i c s,2 0 2 3,4 5(1):2 1-2 5.1 3B HUG R A H,P I A Z Z A G.P i e z o e l e c t r i c MEM S r e-s o n a t o r sM.N e w Y o r k,NY,U S A:S p r i n g e r I n t e r-n a t i o n a l P u b l i s h i n g,2 0 1 7.1 4R U B Y R,P A R K E R R,F E L D D.M e t h o d o f e x t r a c-t i n g u n l o a d e d Q a p p l i e d a c r o s s d i f f e r e n t r e s o n a t o r t e c h n o l o g i e sC/S.l.:2 0 0 8 I E E E U l t r a s o n i c s S y m p o s i u m,I E E E,2 0 0 8:1 8 1 5-1 8 1 8.51 第1期朱宇涵等:边缘空气层薄膜体声波谐振器的设计与制备