氮化铝薄膜体声波谐振器（FBAR）的电场与红外频率调制特性研究

发布时间：2020-07-28 09:57

【摘要】：近些年来随着移动互联网时代与信息化进程的不断加快,移动通讯行业迎来了飞速的发展与革新的热潮,移动通讯终端设备的需求也呈现爆发式的增长。在无线通讯系统中,薄膜体声波谐振器(FBAR)得益于其小体积、高频率、高Q值、可集成的优点,在滤波器、振荡器、双工器、低噪声放大器(LNA)等核心射频元器件中具有广泛的应用。在FBAR技术的众多研究方向中,频率调制一直以来都是学术界与产业界的研究热点,这一功能在实现器件的频率一致性、温度补偿、频段拓展及传感探测等方面具有重大的应用价值。在当前众多的FBAR频率调制技术中,基于压电薄膜的本征电场调制与光调制方式具有控制灵活、响应快且不需要额外调制单元的优点,在实现FBAR的频率调制功能方面具有显著的优势与应用前景。目前,在FBAR的本征电场调制与光调制特性研究及其应用方面仍然存在一些问题:当下关于各类本征电调特性的研究均侧重于描述各自所设计器件的电场调制性能的定量结果,尚未有深入分析FBAR本征电调特性背后的诱因与物理机理的研究,而本征电调特性的机理研究对电调FBAR的优化设计有着非常重要的指导意义;另一方面,在FBAR的光调制研究与传感应用方面,尽管目前已在紫外与可见光波段引起了广泛研究并取得了不俗的成果,但在红外波段的研究却鲜有报道,尤其是在实现高灵敏度与高可靠性的FBAR红外传感器方面,尚有待进一步的完善。因此,本论文在国家重点研发计划、国家自然科学基金以及装备预研教育部联合基金的资助下,对基于AlN压电薄膜FBAR的电场与红外调制特性及其应用进行了深入的研究。论文的具体工作和主要研究内容如下:(1)基于压电材料的h型一维简化本构方程推导了AlN压电薄膜振子的机电等效模型,并结合普通材料层的声学等效模型,建立了层合结构FBAR的普适理论模型,并根据此模型对器件的电学阻抗特性进行了分析,优化设计了谐振频率高达GHz的双主谐振模态的FBAR器件。此外,还利用了COMSOL有限元仿真软件分析了器件在谐振模态下的电学与振动特性,仿真结果与理论模型吻合良好,表明所建立的理论模型可以有效预测层合结构FBAR的谐振特性。(2)研究了基于脉冲直流磁控溅射法制备AlN压电薄膜的相关理论和方法,分析了衬底温度、溅射功率、气体流量比、工艺真空度四个核心工艺参数对AlN压电薄膜c轴(002)晶面择优取向的影响,进而优化制备了高c轴择优取向的AlN压电薄膜,测试结果表明,AlN压电薄膜(002)晶面取向衍射峰强度高达10~5 counts,同时实现了半高宽FWHM小于2°。此外,设计了基于该AlN压电薄膜的FBAR器件一体化微纳加工工艺,并成功制备出性能良好的双模态FBAR原型器件。测试结果表明,器件在2.5 GHz的一阶模态下的串、并联谐振频率的品质因数(Q值)与机电耦合系数分别达到了163、249与3.72%,在3.5 GHz的二阶模态下的串、并联谐振频率Q值与机电耦合系数分别为211、143与4.44%。(3)系统地研究了基于AlN压电薄膜双模态FBAR的电场调制特性。实验结果表明,一阶模态与二阶模态的串、并联谐振频率均与外加偏置电场呈线性正相关,其中一阶模态的串、并联谐振频率调制灵敏度分别为48.05 kHz/(MV/m)与33.13kHz/(MV/m),二阶模态则达到了68 kHz/(MV/m)与59.7 kHz/(MV/m)。在此基础上,进一步研究了FBAR器件各模态MBVD模型中各参数对电场的依赖关系,提取结果表明,模型中的静电容C_0与动态电容C_m均与偏置电场呈负相关,而动态电阻R_m与动态电感L_m则与电场呈正相关关系。对器件电场调制特性的机理进行了系统的分析,发现了AlN压电薄膜材料的电增劲效应是引起FBAR电调特性的主要原因,并利用推导的FBAR的机电等效模型与电调特性的实验结果,设计了迭代算法对AlN压电材料的电增劲效应进行了定量提取,结果表明,AlN的等效刚度系数c~D_(33)随着外加偏置电场的增加而线性增大,在-150 MV/m到150 MV/m的范围内的相对变化高达10%,对应的调制灵敏度为333 ppm/(MV/m)。同时,首次从原子间作用力的角度分析了AlN压电材料电增劲现象的物理机制,揭示了电增劲效应的本质是由电场调制所引发的原子间作用力的非线性变化所引起的,并针对此效应提出了基于逆压电效应与Born-Landé方程的定量分析模型,并与之前实验提取结果进行了对比分析,探讨了此理论模型的不足与接下来的改进方向。最后利用电调特性对所加工的FBAR进行了零温漂补偿的测试,结果表明一阶模态与二阶模态的零温漂补偿调制率分别达到了1.29 V/℃与0.16 V/℃。(4)研究了双模态FBAR的红外光调制特性,实验结果表明,器件一阶模态与二阶模态的谐振频率均与入射红外光强呈线性正相关,对应的调制灵敏度分别为80.88 kHz/(mW/mm~2)与1069.34 kHz/(mW/mm~2),与此同时,一阶模态的反射系数与入射红外光强呈负相关,而二阶模态的反射系数则呈正相关,并且二者随红外光强的变化均呈非线性趋势,最大调制灵敏度分别为-13.91 dB/(mW/mm~2)与1.33dB/(mW/mm~2)。仔细探究了FBAR器件的红外光敏机理,通过实验与仿真分析揭示了光致热效应并不是器件红外光敏的主要原因,推论器件静电容的光敏效应才是FBAR红外光调制的主要诱因,并通过实验证明了静电容对入射红外光具有强烈的依赖关系,调制灵敏度高达5.93%/(mW/mm~2)。最后,利用双模态FBAR的红外调制特性提出了四传感信号协同工作的红外探测方式,分别取得了3.32 Hz/nW,561.21μdB/nW,43.17 Hz/nW及53.70μdB/nW的红外传感灵敏度,当采用一阶模态下的反射系数作为传感信号时,可获得最佳噪声等效功率108 pW/Hz~(0.5)。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN62;TN713
【图文】：

网络依赖,移动通讯,手机,滤波器

就是微波谐振器。尤其是射频滤波器，在当下通为了保证无线收发系统的正常工作，免受邻近频段必须配备高性能的滤波器模组，以实现高性噪比的手机为例，如图 1.1 所示，目前一部 4G 手机中的个，而对于即将到来的 5G 时代，这一数字将进一动通信领域对射频滤波器的需求极为巨大。目前，三种：介质滤波器、声表滤波器、薄膜体声波谐振波器的优势在于功率容量大，插入损耗低，但其存无法满足现代电子器件小型化、集成化的发展趋势滤波器尺寸可以做得很小，并且工艺也已非常成熟术水平的限制，目前主要应用于 2GHz 以下的中频的硅基半导体工艺兼容，无法满足射频前端进一步工技术的 FBAR 滤波器不仅具体小体积、高频率、成电路的主流工艺 CMOS 相兼容[3]，完全满足当集成、低功耗、高性能的发展趋势。因此，一经面势迅速占领了无线通讯领域市场。

声波传感器,全球市场,份额,谐振型传感器

随着全球产业智能化的发展与人工智能时代的到发展。其中，声波谐振型传感器得益于其尺寸小、（半数字信号，因此抗干扰能力强，进而获得高性传感器领域的市场份额不断增大，美国全球性ets 在 2017 年 7 月出具的一份关于声波传感器的e Sensor Market (2017 2023)”中指出[4]：2017 年声波元，预计到 2023 年将达到 8.68 亿美元，复合年增长而基于 FBAR 技术的谐振型传感器相较于传统的声）具有高 Q 值（可达 2000）、高谐振频率（可达数容）等得天独厚的优势，因此，近些来开始在传感已拓展到质量[5,6]、温度[7,8]、湿度[9,10]、压强[11,12]、FBAR 技术不仅在射频通信领域具有广阔的应用价大的应用前景。

空气隙,刻蚀,上凸,下凹

微纳工艺加工出图形化的各功能层，最后再采用刻蚀的方式将之前预先牲层选择性刻蚀掉，从而实现 FBAR 核心振荡区域底部的空气界面，如图）所示；而下凹型则需要在硅衬底表面通过刻蚀工艺先形成一个浅槽（通 2 微米），然后再淀积牺牲层材料将浅槽填充满，接下来再通过化学机械MP）工艺，将多余的牺牲层材料去掉直至凹槽左右两端的硅衬再次露出按标准工艺制备 FBAR 的各功能膜层，完毕后再将凹槽中残余的牺牲层从而依然形成核心振荡区域下方的空气界面，如图 1.3（b）所示。这一类 F依然能够很好地将声波限制于压电振荡堆之内，从而获得很高的 Q 值，采用了表面微加工工艺，省去了背部体硅深刻的麻烦，避开了背面深硅率不一致的弊端，进一步地降低了成本，提高了良品率，目前占据 FBA半壁江山的 Avago 公司所提供的产品正是基于此种结构设计的，但其缺水平要求较高，目前主要是占据市场份额的各商业寡头或掌握核心工艺的优选方案，对主要面向 FBAR 技术基础研究的众多实验室来说，还有战。

【参考文献】