微型FBAR器件性能优化设计

周晓伟,吴秀山,孙 坚,徐红伟

(1. 中国计量大学 机电工程学院,浙江 杭州 310018;2. 浙江水利水电学院 电气工程学院,浙江 杭州 310018)

0 引言

随着现代通信技术迈入5G甚至6G时代,其网络传输速率和数据承载能力获得极大提升,但由于开放的通讯频段增多,工作频率较高,导致移动通讯终端对射频滤波器数量和性能的需求增加[1]。目前每部移动通信终端的射频滤波器数量已超过60个。随着技术的不断发展,射频滤波器的数量将超过100个,这对移动通讯终端内部空间的利用提出了新的挑战[2]。薄膜体声波谐振器(FBAR)构成的滤波器具有高工作频率、微型化、集成化和低功耗等优点,且其制备工艺与COMS工艺相兼容,因此,FBAR成为5G通讯系统的核心元件[3]。为了应对移动通讯终端内部紧张的空间以及射频前端元器件数量需求日趋增长的矛盾,FBAR器件必须小型化,同时在串联谐振频率(fs)和并联谐振频率(fp)处要求FBAR器件具有更高的品质因数(Q),以实现滤波器的高选择性和低插损。

除膜层厚度影响外,FBAR的性能主要还受谐振面积的影响。欧姆损耗导致品质因数Qs在fs处降低,而横向声波泄露导致品质因数Qp在fp处降低。减小FBAR器件尺寸,欧姆损耗降低,有助于提升Qs,但会降低Qp,影响滤波器的带内性能[4]。因此,在进行FBAR微型化研究与设计时,提高器件的Qp是重要指标之一。

常用的FBAR研究与设计方法主要是基于MBVD和Mason等一维模型,但一维模型仅考虑了声波的纵向传播,未考虑横向声波对器件的影响,而三维有限元模型可全面表征FBAR的电学特性,为FBAR器件的研究和设计提供了更准确的参考[5]。

本文首先基于Comsol Multiphysics仿真环境建立了FBAR器件有限元模型,研究其在谐振面积为3 600～10 000 μm2条件下,不同电极形状、电极变迹角度及边缘阶梯负载对FBAR谐振特性的影响。通过优化设计确保在不降低Q值的条件下,进一步实现FBAR的微型化,这为器件的优化设计提供了参考方案。

1 FBAR的仿真建模

1.1 FBAR有限元模型

图1为FBAR器件模型示意图。各个膜层选用的材料和物理参数如表1所示,材料属性如表2所示。

表1 FBAR器件模型参数

表2 FBAR器件材料属性参数

图1 FBAR器件模型示意图

仿真实验中选用压电物理场模块,采用自由四面体网格划分方法,网格精度选择为“常规”。在FBAR模型两侧边缘10 μm处设置完美匹配层(PML),以模拟实际器件中声波远距离传输过程中的衰减情况。机械阻尼设置为0.001,阻尼类型为各向同性损耗因子,介电损耗因子为0.01[6]。静电场的力学边界条件为顶电极施加电压1 V,底电极接地[7]。

1.2 FBAR性能指标

1.2.1 有效机电耦合系数

(1)

1.2.2 品质因数

品质因数用于表征压电器件存储的能量与1个周期中损失能量的比率,是谐振器损耗的衡量指标之一[9],即:

(2)

式中:dφ/dω为群延时;mag(S11)为参数S11的幅值。Q值越高,谐振器能量损耗越低,则滤波器截止特性越好。

1.2.3 不圆度值

为了量化FBAR器件频率响应时的寄生波纹,将史密斯阻抗圆图上各点(u,v)拟合成一个圆,进行不圆度(NC)分析,得到NC值。在史密斯圆图中确定一个中心点(uc,vc),计算曲线上各点(u,v)到中心点(uc,vc)的距离r的均方差和均值,二者的比值即为不圆度(NC)值[10]:

(3)

2 谐振面积对FBAR谐振特性的影响

为了研究在不同谐振面积下,FBAR电极形状对寄生谐振的影响,首先建立了FBAR三维有限元模型,FBAR各膜层参数和材料见表1。谐振面积分别设置为3 600 μm2、4 900 μm2、6 400 μm2、8 100 μm2和10 000 μm2,电极形状设置为矩形、圆形、不规则四边形和正五边形。仿真得到史密斯阻抗曲线和NC值如图2、3所示。

图2 不同电极形状史密斯阻抗示意图

图3 不同电极形状及谐振面积NC值

由图2、3可知,从电极形状上看,矩形受寄生谐振模态的影响最显著,其他电极形状的寄生强度均有不同程度地降低,而正五边形寄生谐振的强度最小。与矩形相比,由于正五边形任意两边不平行,横向声波经过多次反射,传输路径增加,从而削弱了寄生谐振。而随着谐振面积的减小,史密斯阻抗曲线出现了更强的寄生谐振,NC值随之增加,说明面积的减少使声波传输路径变短,增强了横向杂散模式。当谐振面积减少到3 600 μm2,电极形状为矩形时,性能恶化最严重,NC值为8.91%;电极形状为五边形时,性能恶化程度最低,NC值为7.32%,这与谐振面积为8 100 μm2,电极形状为矩形时的NC值(7.28%)相当。

3 不同变迹角对FBAR器件谐振特性的影响

横向声波传播至电极边界时会发生多次反射,最终返回至边界的某一点。若增加声波传输路径中相同反射点的数量,则寄生谐振的强度也随之增加。设计不规则电极形状能更大程度地改善寄生谐振带来的性能恶化。因此,建立FBAR器件有限元模型,以正五边形的一个内角定义为变迹角α,研究α对FBAR寄生谐振的影响,如图4所示。FBAR各膜层参数和材料见表1,设置谐振面积为3 600 μm2,α分别为30°、36°、40°和45°,仿真得到阻抗特性曲线、史密斯阻抗示意图和NC值如图5所示。

图4 五边形变迹角示意图

图5 不同变迹角的仿真结果图

由图5(a)可知,FBAR器件的fs、fp分别为3.47 GHz和3.54 GHz,α的改变对FBAR的谐振频率影响可忽略,且与正五边形(α=36°)相比,阻抗特性曲线更平滑。由图5(b)、(c)可知,α改变时,FBAR寄生谐振的强度出现明显衰减,寄生谐振的数量增加。当α=40°时NC值最低(为6.45%),比正五边形(α=36°)的NC值降低了10.18%。这说明由于改变了电极形状的对称性,横向声波在传播过程中增加了反射路径,相同反射点的数量减少,降低了驻波形成的几率,从而使阻抗曲线更平滑。

4 阶梯负载结构对FBAR器件谐振特性的影响

图6 FBAR一阶负载结构示意图

图7 t不同时,对w参数化扫描仿真结果

表3 各类FBAR电极结构性能

图8 FBAR二阶负载结构示意图

如图9所示,随着FBAR电极横向尺寸的减小,Qs和fs始终趋于稳定,而Qp和fp呈周期性波动,Qp有下降趋势。其原因主要是当尺寸减小时,横向声波的泄露成为主要的损耗机制,造成Qp总体降低。但是不同的电极横向尺寸对波长的抑制能力不同,当电极横向尺寸接近半波长的整数倍时,声波发生全反射,此时器件能量损耗较少。随着电极横向尺寸的变化,横向反射的能量损失出现周期性变化,进而导致Qp和fp发生周期性波动。如图9(a)所示,二阶电极负载结构的Qp整体比无负载结构高,当电极横向尺寸为60 μm时,二阶电极负载结构Qp为1 378,高于无电极负载结构10.07%,也高于无负载电极结构横向尺寸100 μm时的Qp值(为1 339)。仿真结果表明,二阶电极负载结构能有效抑制横向声波泄露,提高FBAR器件的Q值。

图9 不同横向尺寸下电极结构对Q值及谐振频率的影响

5 结束语

谐振面积是影响FBAR器件性能的一个重要因素,本文基于Comsol Multiphysics软件建立了FBAR有限元模型,讨论了谐振面积在3 600～10 000 μm2条件下,不同电极形状(矩形、圆形、不规则四边形和正五边形)、变迹角α(30°、36°、40°和45°)和电极负载结构对FBAR器件谐振特性的影响。研究表明,谐振面积越小,FBAR寄生谐振强度越大。当谐振面积为3 600 μm2时,优化电极形状为非正五边形,α=40°能有效削弱寄生谐振强度,其NC值低于谐振面积10 000 μm2时矩形电极NC值。不同的谐振面积下,与无负载电极结构相比,二阶电极负载结构均可提升FBAR的Q值。结果表明,虽然谐振面积减少了64%,但FBAR的Qp和NC值仍未降低,这说明在不降低性能的条件下可使FBAR器件微型化。