錢一聰,帥 垚,吳傳貴,羅文博,潘忻強(qiáng),張萬(wàn)里

(1.重慶郵電大學(xué) 光電工程學(xué)院,重慶400065;2.電子科技大學(xué) 重慶微電子產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院,重慶 401332;3.電子科技大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)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(zhì)因數(shù)(Q)值,已被廣泛應(yīng)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(diǎn),故在高頻領(lǐng)域獲得了快速發(fā)展,可達(dá)到6 GHz,并且具有聲波能量集中,損耗小,高功率容量等優(yōu)勢(shì)[1]。但BAW諧振器生產(chǎn)工藝復(fù)雜,研發(fā)周期較長(zhǎng),且大部分專利由國(guó)外公司壟斷。傳統(tǒng)SAW塊材諧振器具有工作頻率低,頻率溫度漂移系數(shù)(TCF)較大等缺點(diǎn)[2]。近年來出現(xiàn)了一種超高性能聲表面波(I.H.P. SAW)諧振器結(jié)構(gòu)[3-4],具有能夠限制表面能量效應(yīng)、高Q值、優(yōu)異的頻率穩(wěn)定性和良好的散熱性能。I.H.P. SAW諧振器在工藝復(fù)雜度上比BAW諧振器低,其諧振器頻率比傳統(tǒng)的SAW塊材諧振器適用范圍廣,但I(xiàn).H.P. SAW諧振器具有橫向模態(tài)的雜散。近年來,研究人員發(fā)現(xiàn)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(tài)會(huì)被抑制,但可降低Q值。

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

本文通過有限元仿真及實(shí)驗(yàn),研究了LT/SiO2/ Poly-Si/Si襯底上孔徑總長(zhǎng)對(duì)叉指上加上小錘結(jié)構(gòu)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 仿真設(shè)計(jì)

1.1.1 I.H.P. SAW諧振器的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu),優(yōu)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(zhǎng)度。本文定義2根叉指互相重疊的部分為孔徑總長(zhǎng),即孔徑的長(zhǎng)度加上2倍的小錘長(zhǎng)度。

圖1 I.H.P. SAW諧振器的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)圖

1.1.2 有限元三維仿真模型

依照上述參數(shù)建立如圖2(a)所示的有限元三維仿真模型。具體設(shè)置:歐拉角為(0°,48°,0°),在傳播方向兩側(cè)設(shè)置周期性邊界條件,分別在底部和兩側(cè)設(shè)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(zhǎng)度為5 μm,小錘長(zhǎng)度為0.55T,寬度為0.325T(T為周期),間隙長(zhǎng)度固定為0.35 μm、假指長(zhǎng)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(shè)置的參數(shù),設(shè)置孔徑總長(zhǎng)為單獨(dú)變量,如表1所示,分別取不同周期下不同孔徑總長(zhǎng)作為仿真參數(shù),進(jìn)行頻率掃描。

表1 孔徑總長(zhǎng)仿真表

1.2 版圖設(shè)置

單個(gè)諧振器版圖采用Ground-Signal-Ground單端口結(jié)構(gòu),其中叉指設(shè)置為100對(duì),反射柵為短路結(jié)構(gòu),上下部分的反射柵各15對(duì)。圖3為T=1.44 μm,孔徑總長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 有限元仿真結(jié)果分析

I.H.P. SAW諧振器的機(jī)電耦合系數(shù)決定了I.H.P. SAW濾波器的分?jǐn)?shù)帶寬,諧振器的機(jī)電耦合系數(shù)越大,濾波器的分?jǐn)?shù)帶寬越大。諧振器的機(jī)電耦合系數(shù)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(shí),端口1的電壓反射系數(shù)。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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)的不斷增大,無論是諧振點(diǎn)右側(cè)還是反諧振點(diǎn)左側(cè)的橫向模態(tài)都會(huì)逐漸減弱。

2.2 GSG探針測(cè)試結(jié)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(zhì)量完好,孔徑總長(zhǎng)約為36.12 μm(設(shè)計(jì)值為36 μm)。采用Rohde &Schwarz公司生產(chǎn)的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)進(jìn)行GSG探針測(cè)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(zhǎng)下的I.H.P. SAW諧振器實(shí)測(cè)阻抗圖

由圖6可知,在不同周期T下,隨著諧振器孔徑總長(zhǎng)的不斷增大,諧振點(diǎn)右側(cè)的橫向模態(tài)雜散逐漸減小,在孔徑總長(zhǎng)不小于20T時(shí),橫向模態(tài)雜散會(huì)變?nèi)?直至消失。

2.3 有限元仿真和GSG探針測(cè)試結(jié)果對(duì)比

I.H.P. SAW諧振器的仿真和實(shí)測(cè)機(jī)電耦合系數(shù)對(duì)比如圖7所示。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),在不同周期下,孔徑總長(zhǎng)為7.5T時(shí),機(jī)電耦合系數(shù)最小,諧振器的機(jī)電耦合系數(shù)會(huì)隨著孔徑總長(zhǎng)的變大逐漸增大,且增大到一定數(shù)值后趨于穩(wěn)定。這是由于I.H.P. SAW諧振器結(jié)構(gòu)本身的限制,但并不能通過無限增大孔徑總長(zhǎng)來提升機(jī)電耦合系數(shù)。

圖7 T=1.44、2、2.56 μm、不同孔徑總長(zhǎng)下的I.H.P. SAW諧振器機(jī)電耦合系數(shù)

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

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

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過在I.H.P. SAW襯底上進(jìn)行諧振器的有限元三維仿真,初步驗(yàn)證了在不同周期下的不同孔徑總長(zhǎng)對(duì)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(zhǎng)的不斷增加,對(duì)諧振器橫向模態(tài)的抑制會(huì)不斷增強(qiáng),直至橫向模態(tài)基本消失。通過實(shí)際流片制作表面形貌完好的I.H.P. SAW諧振器驗(yàn)證仿真結(jié)果,不僅證實(shí)了仿真結(jié)果的正確性,還得出諧振器的機(jī)電耦合系數(shù)會(huì)隨著孔徑總長(zhǎng)的變大而逐漸增大,當(dāng)增大到一定的數(shù)值后呈穩(wěn)定的趨勢(shì);諧振器的阻抗比在孔徑總長(zhǎng)為20倍周期附近最高,且都穩(wěn)定在一定數(shù)值附近。仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果表明,通過優(yōu)化孔徑總長(zhǎng)可提升I.H.P. SAW諧振器性能,這為實(shí)現(xiàn)I.H.P. SAW濾波器中高阻抗比和無橫向模態(tài)雜散的諧振器提供了參考。