高性能温补型薄膜体声波滤波器的研制

刘 娅,陈 凤,黄 晶,黄 龙,吕峻豪,孙明宝,马晋毅

(中国电子科技集团公司 第二十六研究所,重庆 400060)

0 引言

随着移动通信技术和国防装备电子系统技术的飞速发展,通信频段进一步向高频(S和C波段)扩展,相控阵雷达、电子对抗和通信系统对高频滤波器的频率温度系数、性能、体积提出了更高要求;通信频谱资源也日益紧张,频段分配越来越复杂,保护频段不断变窄,市场对滤波器性能的要求也越来越严。同时5G通信技术中通信频段将进一步向高频高性能扩展。薄膜体声波谐振(FBAR)滤波器是射频系统中的关键器件,每个射频信号和通信频段均需要使用滤波器抑制干扰信号,在制电磁权的争夺中滤波器起着重要的作用。

常规Mo-AlN-Mo结构的薄膜体声波谐振器的频率温度系数约为-30×10-6/℃[1-2],导致FBAR滤波器具有较大的频率温度系数。SiO2的频率温度系数为+85×10-6/℃[3],SiO2薄膜可作为很好的温度补偿材料,在FBAR滤波器中添加SiO2薄膜可使FBAR滤波器具有较小的频率温度系数。但SiO2材料为非压电材料,加入SiO2后将导致品质因数(Q)值降低,损耗增大。本文采用“空气桥”[4]和“凸起层”[5]的组合结构模式可抑制横向杂波,从而提高Q值,降低损耗,实现高性能、低损耗的温度补偿型薄膜体声波滤波器。

1 FBAR滤波器的设计

本文采用一维Mason模型来仿真谐振器的频率特性,其温补型薄膜体声波谐振器(TC-FBAR)的Mason模型等效电路如图1所示。TC-FBAR滤波器组成,如图2所示。种子层和保护层的边界均为空气界面,能把声波能量束缚在谐振器结构中。压电层有2个声学端口和2个电学端口,普通声学层具有2个声学端口。将压电层、普通声学层的等效电路级联,得到常规TC-FBAR的Mason等效电路。

图1 TC-FBAR的Mason等效电路图

图2 TC-FBAR滤波器的膜层结构图

常规FBAR的Mason模型无法仿真谐振器的温度特性。高性能、低损耗TC-FBAR滤波器是在常规TC-FBAR基础上,增加了“空气桥”和“凸起层”结构,一维Mason模型无法仿真温度特性和高性能结构,因此需对模型进行优化。本文采用COMSOL软件对高性能低损耗的TC-FBAR滤波器进行建模。在TC-FBAR滤波器的膜层结构中,种子层、温度补偿层和保护层均为各向同性介质。压电层AlN薄膜为六方晶系,声波在FBAR中沿c方向传播。压电层AlN薄膜的弹性劲度常数[6]为

(1)

压电应力常数为

(2)

夹持介电常数为

(3)

表1为AlN和SiO2的材料参数。表2为AlN和SiO2的温度系数[7]。将表1、2参数代入式(1)-(3),所得cE,e,εS代入COMSOL软件的材料参数,得到TC-FBAR的模型,同时再加上“空气桥”和“凸起层”结构,得到高性能的TC-FBAR的模型,如图3所示。

表1 AlN和SiO2的材料参数

表2 AlN和SiO2的温度系数

图3 高性能TC-FBAR滤波器结构示意图

将COMSOL得到的高性能TC-FBAR滤波器模型转化为Mason模型所需参数,得到修正后的高性能TC-FBAR模型(Mason-TC)。采用Mason-TC在ADS软件进行建模,高性能TC-FBAR滤波器采用阶梯型电路结构(见图4),对频率为2.5 GHz、频率温度系数小于±2×10-6/℃的滤波器进行仿真,综合考虑性能和频率温度系数,仿真膜厚如表3所示。仿真曲线如图5所示。由图可看出,损耗为0.85 dB,1 dB带宽为75 MHz。

表3 高性能TC-FBAR膜厚设计值

图4 TC-FBAR芯片电路图

图5 高性能TC-FBAR设计仿真曲线

TC-FBAR滤波器的频率温度系数[8]为

(4)

式中:TCF为频率温度系数;Δf为最高温度和最低温度频率差;ΔT为最高温度和最低温度的温度差。

根据式(4)对仿真结果进行计算,得到该膜层结构下TC-FBAR滤波器的频率温度系数为-0.56×10-6/℃。

2 TC-FBAR滤波器的制备

由于空腔型FBAR滤波器具有机械强度高,Q值较高及带外抑制好的特点,因此,该TC-FBAR滤波器采用空腔型结构。在6英寸(1英寸=2.54 cm)高阻硅片上进行制作,主要工艺流程如图6所示。通过该工艺流程,分别采用磁控溅射制备种子层、电极层、压电层和保护层,等离子体增强化学气象沉积制备温补层,电子束蒸发制备焊盘电极,湿法腐蚀的方式释放空气桥和空腔,得到高性能TC-FBAR谐振器和滤波器结构。

图6 高性能TC-FBAR工艺流程图

为了研究温补层对滤波器性能和频率温度系数的影响,本文制备了不同温补层厚度的TC-FBAR谐振器和滤波器,滤波器的芯片实物如图7所示。高性能TC-FBAR谐振器膜层结构的透射电镜(TEM)图谱如图8所示。

图7 高性能TC-FBAR滤波器芯片图

图8 高性能TC-FBAR谐振器TEM图

3 结果与讨论

采用高低温微波探针测试系统对滤波器进行高低温测试,分别测试-55 ℃、25 ℃、85 ℃和125 ℃的频响曲线。根据测试结果和式(4)计算,不同温补层厚度对谐振器性能和频率温度系数的影响如图9、10所示。由图可看出,随着温补层SiO2的加入,Q值急剧增大,随着温补层SiO2的继续增加,Q值逐渐减小;机电耦合系数随着温补层SiO2厚度的增加而逐渐减小。由于加入温补层影响压电层的择优取向生长,使机电耦合系数降低。同时形成双空气桥结构,该结构对横向泄漏的声能量具有反射作用,反射回有效谐振区域内,从而使声波能量被束缚在有效谐振区域内,减少了声能量的泄漏,从而增大了Q值。随着温补层SiO2厚度的逐渐增加,频率温度系数由负温度系数逐渐变为正温度系数。

图9 SiO2厚度对高性能TC-FBAR有效机电耦合系数和Q值的影响

图10 SiO2厚度对高性能TC-FBAR频率温度系数的影响

滤波器测试结果如图11所示。由图可看出,频率为2.43 GHz时,插损为-1.02 dB,带宽为70.5 MHz,根据式(4)计算出频率温度系数为1.82×10-6/℃。对比图5、11可知,实测结果和仿真结果基本吻合。由于设计采用的参数较理想,同时制作过程中存在一定的工艺偏差,导致实测结果和设计结果的频率、带宽和频率温度系数存在一定的偏差。但是可经过优化迭代,减少设计和测试的偏差,使设计结果和测试结果保持一致。通过实测数据可得,低损耗和低频率温度系数的FBAR滤波器满足武器装备和移动通讯对滤波器的需求。

图11 高性能TC-FBAR高低温测试图

4 结束语

本文介绍了一款高性能的TC-FBAR滤波器。采用COMSOL软件和Mason模型对FBAR谐振器进行仿真,并在ADS软件中进行滤波器进行电路仿真。为了实现低损耗和低频率温度系数,在常规TC-FBAR滤波器基础上,采用“空气桥”和“凸起层”结构来抑制杂波,提高滤波器性能。通过测试结果表明,本文实现了低损耗和低频率温度系数的FBAR滤波器。