基于ADS下FBAR的设计与仿真

基于ADS下FBAR的设计与仿真

王瑞;陈鹏光;任家泰;白玉慧;陈剑鸣

【摘要】现代无线通信技术推进了高频元件的相关发展,微纳技术的迅速发展和新型功能材料的出现以及压电薄膜制备技术的日益成熟使高性能频率控制器件的微型化成为可能.本文主要通过对FBAR的结构以及原理做介绍,设计出一款上下0.3 um厚的钼材料电极,1 um ALN压电薄膜和2.5 um的二氧化硅衬底的空气隙型薄膜体声波谐振器,采用MBVD模型对其进行理论推导,并在ADS软件下搭建电路仿真,得到S参数曲线,进而算出有效机电耦合系数为3.65％、串、并联谐振因子分别为1579.33和555.02,有效机电耦合系数与品质因数Q值得乘积最高可以达到57.65.数据表明该FBAR性能较好,其带宽较大,插入损耗较低,达到了FBAR设计的标准.

【期刊名称】《软件》

【年(卷),期】2019(040)005

【总页数】5页(P207-211)

【关键词】薄膜体声波谐振器(FBAR);压电效应;MBVD模型;仿真;S参数

【作者】王瑞;陈鹏光;任家泰;白玉慧;陈剑鸣

【作者单位】昆明理工大学理学院,昆明 650500;昆明理工大学理学院,昆明650500;昆明理工大学理学院,昆明 650500;昆明理工大学理学院,昆明 650500;昆明理工大学理学院,昆明 650500

【正文语种】中文

【中图分类】TN911

0 引言

近年来，半导体的发展迅猛，但是跟发达国家相比，我国的半导体工艺制备技术还很不成熟，很多芯片都需要从国外引进，这就大大的增加了电子产品加工的成本，并且长期依靠向国外进口不是长久之计，所以进一步探索和研究半导体材料制备刻不容缓。5G即（第五代移动通信技术），能让无线移动通信和网络的速度和移动性快、时间延迟低、连接能力强、流量密度高，能效和成本得到超百倍改善。射频前端芯片是移动通信、半导体研究的关键部分。其功耗、性能、成本对上述发展过程具有重要意义。通过对薄膜体声波滤波器的研究，可以进一步领会射频前端芯片的设计与性能优化。FBAR具有尺寸小、功耗低、插入损耗低、工作频率高以及制备工艺可以与CMOS工艺兼容的优点[1]，因此可以将多个FBAR级联就可以满足射频滤波器的技术要求，成为高频滤波器的解决方案。本文介绍了FBAR的原理以及设计，并且利用 ADS软件进行仿真。

1 FBAR的原理以及结构

1.1 FBAR的原理

简单来说，FBAR就是一个三明治的结构，如图 1所示，主要为上电极-压电层-下电极，由于压电薄膜在微米量级，不可能像晶体谐振器那样由压电晶片来承托上下电极，因此在设计时在下电极底部加入一个衬底。上下电极的作用是接入电流之后可以导电，产生电信号，而压电材料在接收到电信号时便产生谐振，并且激励出不同频率的声波[2]。

图1 FBAR简单结构图Fig.1 FBAR simple structure diagram

衡量FBAR器件性能的指标主要有其串联谐振频率 sf，并联谐振频率 pf，串联谐振 sQ，并联谐振 pQ ，有效机电耦合系数，以及 Q值[3,4]。有效机电耦合系数

越大，则谐振器构成的滤波器的带宽也越大，然而，影响的因素包括FBAR电极

跟压电层厚度之比（ t/ d）及压电层薄膜的 C轴取向[5]。品质因数 Q的大小一方面决定于 FBAR器件的的工作损耗，另一方面决定于声波在腔体内传输的大小，

泄漏越小则Q值越大。

其中有效机电耦合系数和谐振因子的公式如下：

式中，sf和 pf分别表示FBAR的串联谐振频率和并联谐振频率。 /s pQ 表示在串联谐振频率和并联谐振频率处的Q值，Z∠表示Z参数的相位形式，f为频率。

1.2 FBAR的结构

FBAR器件主要有三种结构形式，分别为横膈膜型谐振器、空气隙型谐振器和声学多反射型谐振器[1]，如图2所示，横膈膜型FBAR结构是最初被研究的结构类型，但是由于刻蚀了大面积的衬底，会影响结构的牢固性。空气隙型的谐振器由于在硅表面形成一个下沉型或者上凸型，这样可以很好地将声波限制在压电震荡堆之内，从而达到很高的Q值；声学多反射型谐振器明显制作工艺更简单，没有悬空结构，因此提高了谐振器的抗击强度，多层薄膜结构大大的提高了散热性，并且可以有效抑制杂波和多次谐波的产生。

针对FBAR的三种结构，它们有各自的特点，在选择基于哪种FBAR设计时还需

考虑实际条件和应用等因素[6]。另外，在仿真 FBAR性能时需根据实际情况设定

相应的边界条件，本文仿真时的边界条件为：一面自由即FBAR的上表面直接与

空气接触，一面沉积在其他材料层上。

2 空气隙型FBAR设计与建模

2.1 空气隙型FBAR的设计

根据前面对FBAR的简单介绍，这里给出自行

图2 FBAR的三种结构截面图Fig.2 Three structural cross-sections of FBAR

设计的FBAR模型，并对该模型进行建模，找出其对应的等效电路，再基于 ADS 软件对电路进行仿真，从而测试该FBAR模型的性能。

由于在当下主要的三种FBAR结构中，空气隙型结构的Q值最高，并且成品率也是最高的，所以本文选择设计此种结构。以下是本人设计出的空气隙型FBAR结构的横截面图和俯视图，如图3所示。这种 FBAR是先利用体硅加工工艺（Bulk micromachining）将硅片去除一部分，然后再用牺牲层技术制造出凹陷式空气隙型FBAR[7]，另外还有一种空气隙型FBAR结构是凸点型。

图3 FBAR结构设计图Fig.3 FBAR structure design

目前应用于 FBAR压电薄膜的材料主要有AlN、ZnO和PZT，金属电极的材料有Mo、A1等。另外FBAR有8个关键性能参数[8]：

（1）品质因数：（Q值）。该参数量化了在射频激励下的一个周期内，FBAR器件中存储的能量与消耗掉的能量的比值，是一个无单位的参数。

（2）机电耦合系数 /%：压电体的电能与机械能转换的程度，可以体现器件的带宽，系数越高，材料的能量转换效率越高。

（3）介电常数rε：指物质保持电荷的能力，有较高的介电常数可以减少谐振器的尺寸。

（4）声波传输速度[9]V1（m/s）：在压电层厚度一定时，声速愈大实现的器件谐振频率越高。

（5）材料固有损耗：材料损耗小则谐振器的插人损耗小。

（6）温度系数：材料的温度系数影响着振荡频率随温度变化的频率漂移，温度系数越底，频率漂移越小。

（7）热导率：物质导热能力的量度，单位时间内通过单位水平截面积所传递的热量。

（8）禁带宽度：被束缚的电子要成为自由电子或者空穴所必须具有的能量。决定