I.H.P.SAW谐振器孔径对性能的影响

钱一聪,帅 垚,吴传贵,罗文博,潘忻强,张万里

(1.重庆邮电大学 光电工程学院,重庆400065;2.电子科技大学 重庆微电子产业技术研究院,重庆 401332;3.电子科技大学 电子科学与工程学院,四川 成都 611731)

0 引言

声表面波(SAW)和体声波(BAW)谐振器由于较小的封装面积和高品质因数(Q)值,已被广泛应用于无线通信射频前端的滤波器单元。由于BAW谐振器可以通过改变压电薄膜的厚度来改变工作频率的特点,故在高频领域获得了快速发展,可达到6 GHz,并且具有声波能量集中,损耗小,高功率容量等优势[1]。但BAW谐振器生产工艺复杂,研发周期较长,且大部分专利由国外公司垄断。传统SAW块材谐振器具有工作频率低,频率温度漂移系数(TCF)较大等缺点[2]。近年来出现了一种超高性能声表面波(I.H.P. SAW)谐振器结构[3-4],具有能够限制表面能量效应、高Q值、优异的频率稳定性和良好的散热性能。I.H.P. SAW谐振器在工艺复杂度上比BAW谐振器低,其谐振器频率比传统的SAW块材谐振器适用范围广,但I.H.P. SAW谐振器具有横向模态的杂散。近年来,研究人员发现通过下述方法可以抑制横向杂散:

1) 谐振器的摆放位置在声表面波的传播方向倾斜5°[5]。虽然谐振器倾斜后横向模态会被抑制,但可降低Q值。

2) 在叉指上加上小锤(活塞)结构[6]。这种结构可以在抑制横向模态的同时保持Q值不变,但谐振器的孔径、间隙及小锤、假指的长度对横向模态的抑制能力和对Q值的影响程度不同。因此,如何在叉指上加上小锤结构,进一步提高I.H.P. SAW谐振器的性能成为目前研究的一个亟待解决的问题。

本文通过有限元仿真及实验,研究了LT/SiO2/ Poly-Si/Si衬底上孔径总长对叉指上加上小锤结构性能的影响。

1 实验

1.1 仿真设计

1.1.1 I.H.P. SAW谐振器的基础结构

I.H.P.SAW谐振器剖面图如图1(a)所示。采用Y42°-LT(0.6 μm)/SiO2(0.5 μm)/Poly-Si(1 μm)/Si(350 μm)衬底结构,优化后的铝电极厚度为0.18 μm。I.H.P. SAW谐振器俯视图如图1(b)所示。由两端的汇流条及叉指、假指、叉指末端的小锤,叉指和假指之间的空隙组成,其中2根叉指相互上下重叠的部分为孔径的长度。本文定义2根叉指互相重叠的部分为孔径总长,即孔径的长度加上2倍的小锤长度。

图1 I.H.P. SAW谐振器的基础结构图

1.1.2 有限元三维仿真模型

依照上述参数建立如图2(a)所示的有限元三维仿真模型。具体设置:欧拉角为(0°,48°,0°),在传播方向两侧设置周期性边界条件,分别在底部和两侧设置完美匹配层(PML)。三维模型俯视图如图2(b)所示,其中汇流条长度为5 μm,小锤长度为0.55T,宽度为0.325T(T为周期),间隙长度固定为0.35 μm、假指长度1.08T。

图2 I.H.P. SAW谐振器有限元三维仿真模型

使用图2所示I.H.P. SAW谐振器有限元三维仿真模型和设置的参数,设置孔径总长为单独变量,如表1所示,分别取不同周期下不同孔径总长作为仿真参数,进行频率扫描。

表1 孔径总长仿真表

1.2 版图设置

单个谐振器版图采用Ground-Signal-Ground单端口结构,其中叉指设置为100对,反射栅为短路结构,上下部分的反射栅各15对。图3为T=1.44 μm,孔径总长25T的谐振器版图。

图3 T=1.44 μm的I.H.P. SAW谐振器版图

2 实验结果与讨论

2.1 有限元仿真结果分析

I.H.P. SAW谐振器的机电耦合系数决定了I.H.P. SAW滤波器的分数带宽,谐振器的机电耦合系数越大,滤波器的分数带宽越大。谐振器的机电耦合系数为

(1)

式中:fs为谐振频率;fp为反谐振频率。

谐振器的Q值决定I.H.P. SAW滤波器的插损,采用谐振频率和反谐振频率的阻抗比可反映Q值的大小。谐振频率和反谐振阻抗比越大,则谐振器Q值越高。谐振器阻抗公式为

Z=20×log10|50×(1+S11)/(1-S11)|

(2)

式中S11为谐振器端口2匹配时,端口1的电压反射系数。谐振器阻抗比为反谐振频率的阻抗减去谐振频率的阻抗。图4为不同周期,不同孔径总长下的I.H.P.SAW谐振器仿真阻抗图。

图4 T=1.44、2、2.56 μm、不同孔径总长下的I.H.P. SAW谐振器仿真阻抗图

由图4可看出,相同周期下,随着孔径总长的不断增大,无论是谐振点右侧还是反谐振点左侧的横向模态都会逐渐减弱。

2.2 GSG探针测试结果分析

图5为T=1.44 μm的I.H.P. SAW谐振器的扫描电子显微镜(SEM)图像。由图可看出,谐振器整体质量完好,孔径总长约为36.12 μm(设计值为36 μm)。采用Rohde &Schwarz公司生产的矢量网络分析仪(VNA)进行GSG探针测试,得到的一系列不同周期下的阻抗图如图6所示。

图6 T=1.44、2、2.56 μm、不同孔径总长下的I.H.P. SAW谐振器实测阻抗图

由图6可知,在不同周期T下,随着谐振器孔径总长的不断增大,谐振点右侧的横向模态杂散逐渐减小,在孔径总长不小于20T时,横向模态杂散会变弱,直至消失。

2.3 有限元仿真和GSG探针测试结果对比

I.H.P. SAW谐振器的仿真和实测机电耦合系数对比如图7所示。通过对比可以发现,在不同周期下,孔径总长为7.5T时,机电耦合系数最小,谐振器的机电耦合系数会随着孔径总长的变大逐渐增大,且增大到一定数值后趋于稳定。这是由于I.H.P. SAW谐振器结构本身的限制,但并不能通过无限增大孔径总长来提升机电耦合系数。

图7 T=1.44、2、2.56 μm、不同孔径总长下的I.H.P. SAW谐振器机电耦合系数

I.H.P. SAW谐振器的仿真和实测阻抗比对比如图8所示。由图可看出,在孔径总长为20T附近谐振器的阻抗比最高,在孔径总长较低或较高时,谐振器的阻抗比都降低,但是都在±5 dB范围浮动。同时,谐振器的阻抗比仿真结果基本不随周期的变化而变化,但实测结果显示,周期小时的阻抗比小于周期大时的阻抗比。

图8 T=1.44、2、2.56 μm、不同孔径总长下的I.H.P. SAW谐振器阻抗比

3 结束语

本文通过在I.H.P. SAW衬底上进行谐振器的有限元三维仿真,初步验证了在不同周期下的不同孔径总长对I.H.P. SAW谐振器性能的影响。由此可知,在不同周期下,随着孔径总长的不断增加,对谐振器横向模态的抑制会不断增强,直至横向模态基本消失。通过实际流片制作表面形貌完好的I.H.P. SAW谐振器验证仿真结果,不仅证实了仿真结果的正确性,还得出谐振器的机电耦合系数会随着孔径总长的变大而逐渐增大,当增大到一定的数值后呈稳定的趋势;谐振器的阻抗比在孔径总长为20倍周期附近最高,且都稳定在一定数值附近。仿真和实测结果表明,通过优化孔径总长可提升I.H.P. SAW谐振器性能,这为实现I.H.P. SAW滤波器中高阻抗比和无横向模态杂散的谐振器提供了参考。