一种新型电调FBAR结构的仿真分析

吴永盛，苏淑靖，翟成瑞，张佳俊，王少斌

(1.中北大学 电子测试技术重点实验室，山西 太原 030051；2.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051)

0 引言

市场需求的不断提高对元器件的小型化、集成化、低功耗、高性能提出了挑战。薄膜体声波谐振器(FBAR)拥有工作频率高，品质因数高，器件尺寸小及可集成的优点，近年来受到广泛关注[1]。在FBAR众多研究领域中，可调谐特性一直是一个研究热点。2010年，Noeth A等在基于BaxSr1-xTiO3(BST)压电薄膜的FBAR上施加偏压，得到调谐量为3%@40 V[2]；2011年，Defay E等在基于AlN压电薄膜的FBAR上施加偏压，得到调谐量为0.6%@200 V[3]；基于其他一些钙钛矿族材料的可调谐研究在文献[4-6]中相继被提出。此类调谐通过改变压电薄膜的弹性系数实现谐振频率的微调，不能满足生活中人们对频率调谐的要求。

本文提出一种新型电调FBAR结构，在传统FBAR的压电薄膜和底电极间引入一层n-AlN半导体，利用COMSOL Multiphysics对新型FBAR仿真优化，分析新型FBAR的电调能力及整体性能，与传统FBAR的电调性能进行对比。

1 工作原理

FBAR靠压电薄膜的压电效应和逆压电效应进行声波信号和电信号的互相转换进行工作，如图1所示，外加偏置电压作用于FBAR两侧电极，压电薄膜由于逆压电效应发生周期性形变，激励出体声波，经由两侧电极反射形成驻波，当驻波频率与压电薄膜固有频率相同时发生谐振，此时FBAR性能最佳，谐振的声波信号通过压电效应转换为电信号输出。图中，E为外加电场，C为纵向声波。忽略电极厚度的影响，FBAR谐振频率f和压电层厚度t的关系[7]为

(1)

式中v为压电薄膜的声速。

图1 FBAR工作原理示意图

传统FBAR压电薄膜和底电极之间引入一层n-AlN半导体，构成新型电调FBAR结构。半导体与金属电极接触，形成肖特基二极管，其能带图如图2所示。EF、EC、EV分别为费米能级、半导体的导带底和价带顶。

图2 肖特基二极管的能带图

金属内部与半导体导带相对应的费米能级上，电子密度小于半导体导带的电子密度，电子从半导体扩散到金属中，如图3 所示。金属是理想导体，无空穴，不存在空穴的自由扩散，负电荷只分布在表面为原子大小的薄层内，半导体中失去电子的施主杂质原子成为正离子，分布在较大的厚度中。电子自由扩散，形成由半导体指向金属的电场，抑制电子自由扩散，达到动态平衡，形成肖特基势垒，势垒区全部在半导体一侧。势垒高度qVb(q为电荷量;Vb为电子自由扩散形成的电势差)定义[8]为

qVb=W-qχ

(2)

式中：W为金属功函数;qχ为半导体电子亲和能。Mo的W=4.37 V[9]，AlN的qχ=4.1 V[10]，所以,Mo和n-AlN接触可以形成肖特基结[11]。由正离子组成的势垒区形成肖特基电容，在肖特基结两端施加调谐电压，载流子输运会导致势垒区厚度发生变化，因此肖特基电容为压控可变电容。肖特基电容对FBAR外加调谐电压产生分压，并随调谐电压的改变而变化，导致肖特基电容可变，实现频率调谐。新型FBAR拥有外接LC元件电调FBAR的优点，调谐方便，调谐量增大。

图3 金属与半导体接触形成肖特基结示意图

(3)

式中:f0为谐振频率;BW3 dB为3 dB带宽。Q值越大，FBAR的性能越好。

(4)

2 结构设计与仿真分析

新型FBAR结构如图4所示。利用COMSOL Multiphysics参照图4对其建模，进行仿真计算。各膜层材料及厚度如表1所示。

图4 新型FBAR结构示意图

顶电极压电薄膜掺杂半导体底电极支撑层衬底材 料MoAlNn-AlNMoSi3N4Si厚度/μm0.22.70.20.20.250.0

图5为新型FBAR的导纳和阻抗特性曲线。由图可知，新型FBAR的谐振频率为1.92 GHz，图5(b)存在寄生谐振峰，严重影响FBAR性能，需对新型FBAR器件尺寸进行调整。顶电极尺寸和形状对FBAR性能的影响比底电极大[12]，故通过调整顶电极尺寸消除图5(b)中的寄生谐振峰。利用参数化扫描工具对顶电极厚度在0.05～0.2 μm内扫描计算，结果显示，当顶电极厚度>0.15 μm时,阻抗特性曲线中存在大量寄生谐振峰;当顶电极厚度≤0.1 μm时，阻抗特性曲线相对平滑，选取顶电极厚度分别为0.07 μm、0.08 μm、0.10 μm、0.15 μm时，对新型FBAR的导纳值和阻抗值进行绘制，结果如图6所示。由图可知，随着顶电极厚度减小，FBAR的谐振频率逐渐增大，阻抗特性曲线也越来越光滑，表明顶电极尺寸对FBAR性能有影响，考虑到工艺难度，电极厚度不能太小，故顶电极厚度设为0.1 μm，此时FBAR的谐振频率为1.976 GHz。另外，对比图5(b)和图6(b)可得，顶电极厚度调整前、后FBAR的带宽发生了变化，其性能对比如表2所示，由表可知，顶电极厚度由0.2 μm减小到0.1 μm时，新型 FBAR的机电耦合系数由原来的0.002 7增大到0.060 3，Q值也由原来的270增大为646，表明顶电极厚度对FBAR整体性能影响较大。

图5 新型FBAR性能特性曲线

图6 顶电极厚度调整后新型FBAR特性曲线

新型FBAR的性能fs/GHzfp/GHzk2effQ调整前1.9201.922 60.002 7270调整后1.9762.041 50.060 3646

对优化后的新型FBAR进行电调仿真分析，在其两侧电极施加调谐电压。AlN的击穿电压为14.9 MV/m[13]， AlN压电薄膜的厚为2.7 μm，可得其击穿电压约为40 V，在使用过程中电压不能对使用者造成伤害，所以，本次仿真所施加的调谐电压为0～20 V,结果如图7所示。由图可知，随着调谐电压从0增大到20 V时，FBAR的谐振频率从1.976 GHz增加到1.988 GHz，且谐振频率与外加调谐电压呈指数函数正相关，计算可得FBAR的调谐量为600 kHz/V。为验证新型FBAR的调谐能力是否有所提高，对传统FBAR(无n-AlN层)进行电调分析，保持所有条件不变，其仿真结果如图8所示。由图8可知，谐振频率与外加调谐电压同样呈指数函数正相关，随着调谐电压由0增大到20 V时，谐振频率从1.920 GHz增加到1.923 GHz，调谐量为150 kHz/V。对比图7、8可得，新型FBAR的电调能力比传统FBAR有很大提高。至此，新型电调FBAR结构设计完成。

图7 新型FBAR电压-频率响应图

图8 传统FBAR电压-频率响应图

3 结束语

通过理论分析和有限元仿真计算，证明新型电调FBAR结构的可行性。首先利用COMSOL Multiphysics对新型电调FBAR结构进行仿真优化，得到顶电极对器件谐振频率和整体性能有影响；接着对新型FBAR进行电调仿真分析，得到其调谐量为600 kHz/V，为验证其调谐能力增强，对传统FBAR进行电调仿真分析，得到其调谐量为150 kHz/V，新型电调FBAR结构的调谐能力得到证明，为以后研究提供了理论基础。