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摘要
体声波(BAW)滤波器在Wi-Fi、3G、4G和5G网络的射频(RF)通信系统中有广泛应用。在超越5G(潜在的6G)时代,高频段(>8 GHz)预计需要具有高品质因子(Q)和机电耦合(k2t)的谐振器,以形成具有低插入损耗和高选择性的滤波器。然而,在传统的均匀极化铝氮化物(AlN)和铝钪氮化物(AlScN)压电薄膜中形成的谐振器设备,其Q和k2t在超过8 GHz时会降低。在本研究中,我们利用四层AlScN周期性极化压电薄膜(P3F)构建了高频(约17-18 GHz)谐振器和滤波器。我们研究了不同设备几何形状下的谐振器性能,最佳谐振器在17.9 GHz的平行共振频率(fp)下,k2t为11.8%,Qp为236.6。所得的性能指标(FoM1 = k2t Qp 和 FoM2 = fpFoM1 × 10-9)分别为27.9和500。这些值和k2t明显高于先前报道的在类似频率下工作的AlN/AlScN基谐振器。由这些谐振器制成的3元素和6元素滤波器在约17.4 GHz的中心频率下,分别展示了1.86 dB和3.25 dB的低插入损耗(IL),以及680 MHz(分数带宽为3.9%)和590 MHz(分数带宽为3.3%)的-3 dB带宽。这些3元素和6元素滤波器在带内输入三阶截点(IIP3)值分别为+36 dBm和+40 dBm,显示出优异的线性度,远高于先前报道的在类似频率下工作的声学滤波器。
划重点
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引言
最近在射频(RF)和移动通信领域的进展要求更高的数据传输速率和更小的占地面积,这需要具有更宽带宽和更高频率的谐振器和滤波器。现代通信标准,如Wi-Fi、3G、4G和5G,已将频率推向超出传统频段(<2.6 GHz)的水平,最高可达7 GHz,从而促进了更宽带宽的使用。在超越5G(潜在的6G)时代,预计将使用高频段(>7 GHz),这些频段预计需要具有高品质因子(Q)和机电耦合(k2t)的谐振器,一旦这些频段的射频谱使用量增加。
声学谐振器,如表面声波(SAW)和体声波(BAW)谐振器,已主要用于实现现代射频通信的滤波器。将SAW谐振器扩展到更高频率需要非常薄且精细的交叉电极(IDT)电极图案,这会导致低的制造良率、差的功率处理能力和大的欧姆损耗。对于更高频率,BAW谐振器和滤波器更为优选,因为它们具有高的k2t、低插入损耗(IL)和良好的选择性。铝氮化物(AlN)由于其低介电损耗切线、低声学阻尼以及与使用标准互补金属氧化物半导体(CMOS)工具集进行制造的兼容性,已被用于实现BAW谐振器。通过将AlN与钪(Sc)合金化形成铝钪氮化物(AlScN),其压电性能比AlN更好。例如,AlScN的压电系数d33超过纯AlN最多五倍,展示了性能的显著增强。
BAW谐振器的频率强烈依赖于其厚度。为了将BAW谐振器扩展到更高的频率以适应超越5G应用(>8 GHz),需要显著减小厚度,这会影响阻抗匹配。尽管可以减少谐振器的面积以保持输入阻抗,但谐振器的面积与周长的比率(A/p)显著下降,这导致k2t和Q的下降。因此,需要开发能够在较高频率下工作,同时保持适当厚度压电层以确保最佳性能的BAW设备。一种策略是通过实施周期性极化压电薄膜(P3F)来保持相同的层厚度,同时实现更高的工作频率。Barrera等人开发了利用P3F铌酸锂(LiNbO3)实现的声学谐振器和滤波器,在19.8 GHz频率下,谐振器Q为40,k2t为44%,导致16.5 GHz频率下滤波器插入损耗(IL)为2.38 dB,分数带宽为18.2%。类似地,Kramer等人构建了P3F LiNbO3声学谐振器,获得了55的Q值和40%的k2t。然而,悬浮式LiNbO3滤波器尚未商业化,初期文献报告显示其线性度有限,K波段的带内输入截点(IIP3)为+8 dBm。Mo等人利用CMOS兼容的2层P3F AlScN构建了13.4 GHz的BAW谐振器,获得了151的Q值和10.7%的k2t。Vetury等人报道了使用P3F AlScN制造的18.4 GHz BAW谐振器,获得了260的Qp和7.6%的k2t。这是第一次在商业制造过程中构建P3F AlScN谐振器,使其适合于大规模生产。Kochhar等人报道了X波段P3F AlScN谐振器和滤波器,在10.72 GHz频率下获得了789的Qp和10%的k2t,导致滤波器插入损耗(IL)为0.7 dB,分数带宽为4.7%。在我们之前的工作中,Izhar等人利用3层P3F AlScN构建了20 GHz的BAW谐振器,获得了8.23%的k2t和160的Qp。
在这项工作中,我们利用四层P3F AlScN制造了BAW谐振器,导致谐振器性能指标(FOM)提高了超过2倍,并利用这些谐振器开发了面向6G时代射频通信应用的滤波器。与我们之前的工作类似,四层P3F是通过单次极化步骤实现的。我们报告了用于构建梯形滤波器的系列和并联BAW谐振器,具有不同的尺寸(A/p),并展示了随着设备几何形状变化的k2t、Qs和Qp的趋势。这些谐振器在17.9 GHz的平行共振频率(fp)下实现了最大Qp为236.6,最大k2t为11.8%,其性能指标(FoM1 = 27.9 和 FoM2 = 500)相较于当前最先进的AlN和AlScN K波段及Ku波段谐振器有所提高。利用不同拓扑结构(3元素和6元素)构建的滤波器,采用P3F AlScN BAW谐振器,达到了低插入损耗(IL)分别为1.86 dB和3.25 dB,并且在约17.4 GHz中心频率下,-3 dB带宽(BW)分别为680 MHz(分数带宽为3.9%)和590 MHz(分数带宽为3.3%)。这些滤波器展示了>+20 dBm的功率处理能力,且没有任何可测量的压缩效应,在+20 dBm的带内功率浸泡24小时后,响应没有任何变化。6元素滤波器展示了带内输入三阶截点(IIP3)>+40 dBm的测试设置限制。滤波器的功率处理能力和线性度比最近在类似频率下的声学滤波器示范提高了几个数量级。
设计与制造
P3F AlScN BAW谐振器的结构和工作机制如图1所示。该谐振器由四层AlScN P3F构成,经过生长和电极极化,并夹在上下钼(Mo)电极之间。在电激励下,由于AlScN的不同极性,设备会发生收缩和膨胀,导致在第四厚度扩展(TE4)模式下产生拉伸(+σy)和压缩(−σy)应力。这个过程在设备内部产生声波,这些声波在大约某个频率下产生共振。
其中λ、v和t分别表示声波波长、声速和谐振器的厚度。P3F AlScN使得该谐振器的工作频率是相似未极化谐振器的四倍。
对于BAW谐振器(忽略金属电极),其性能依赖于压电系数(d33)、弹性模量(E3)和介电常数(ε)。Al0.64Sc0.36N(约22.9 pm/V)的d33远高于其他压电材料,如AlN(3.9 pm/V)和ZnO(5.9 pm/V),因此使得BAW谐振器能够实现较高的k2t。
图2 谐振器和滤波器的制造与极化波形
a. P3F AlScN的制造过程包括:(I)在M极性方向沉积Al0.8Sc0.2N(层1),(II)在N极性方向进行PVD沉积Al0.64Sc0.36N(层2),(III)溅射铝(Al),作为极化的底部电极,(IV)PVD沉积Al0.64Sc0.36N(层3),并作为顶部电极进行极化,以及电极化沉积的Al0.64Sc0.36N(层3),最后,(V)去除顶部Al极化电极并进行PVD沉积Al0.64Sc0.36N(层4)。
b. 在步骤IV中记录的电流与电压响应,展示了AlScN(层3)从N极性转变为M极性的过程。该波形突出了关键的切换矫顽电压点,大约为150 V。
c. 通过XBAW工艺实现的BAW谐振器的横截面视图。
d. BAW谐振器的光学显微图,展示了设备的接触垫和极化电极,以及制造的e. 3元素和f. 6元素滤波器的光学显微图像。
这些谐振器的制造过程包括:(1)在6英寸硅晶片上形成生长并电极化的四层AlScN P3F;(2)然后通过利用商业化的XBAWTM工艺将P3F转化为BAW谐振器。构建P3F AlScN四层堆叠的详细工艺流程如图2a所示。P3F的形成从在金属极性(M极性)方向(极化向下)沉积124 nm的Al0.8Sc0.2N(层1)开始,采用Vetury等人和Moe等人报道的技术(步骤I)。接下来,采用物理气相沉积(PVD)共溅射工艺,在氮极性(N极性)方向(步骤II)沉积230 nm的Al0.64Sc0.36N(层2)。之后,在同一工艺室内没有真空中断的情况下,溅射了36 nm厚的铝(Al)层(步骤III),以避免在AlScN上形成氧化物。接着,图案化Al层以形成底电极用于极化。然后,使用PVD共溅射技术在接下来的步骤中沉积223 nm厚的Al0.64Sc0.36N(层3),其方向为N极性(极化向上)(步骤IV)。随后,使用相同的PVD系统溅射40 nm厚的Al层,并通过湿法蚀刻化学方法对其进行图案化,以形成用于电极化Al0.64Sc0.36N(层3)的顶部电极。使用Al电极后,顶部的Al0.64Sc0.36N(层3)被电极化,从N极性(极化向上)转变为M极性(极化向下)。图2b展示了电流与施加电压的曲线,展示了顶部AlScN层从N极性方向切换到M极性方向。在铁电切换过程中,通过电流的突然增加确定了约150 V的矫顽电压。极化在滤波器级别完成,其中3个和6个BAW谐振器在单次极化步骤中极化。电极化的详细信息包括在补充数据中。接下来的步骤中(步骤V)去除了顶部Al层。底部Al极化电极在极化后无法去除,其存在可能会降低谐振器的k2t和Q。为了最小化其对设备性能的影响,声学层堆叠经过设计,以通过减小其厚度并将其放置在两个周期性极化区域之间的界面上,从而最小化Al极化电极中的应力场,并在此区域观察到应力场为零。如果剩余的Al极化层可以限制在活动P3F BAW设备区域内,那么就不会有来自Al层的附加寄生电容,也不会扭曲所需的电场或设备操作,如图1a所示。关键是限制任何剩余的Al极化层位于活动BAW区域外。这可能会增加额外的寄生电容,从而降低k2t。为了最小化由与Al极化层的互连引起的寄生电容,在XBAWTM工艺的压电层蚀刻过程中,如图2d–f所示,剩余的线路被切割得接近BAW谐振器。此外,剩余的极化Al层与活动P3F BAW设备区域外的顶部或底部BAW电极之间的任何重叠也可能会增加寄生电容,并降低k2t。因此,在制造过程中保持嵌入式极化金属与顶部/底部BAW电极之间的精确对准,对于实现高k2t至关重要。最后,通过共溅射沉积115 nm厚的Al0.64Sc0.36N(层4),实现了四层AlScN P3F。制造的AlScN P3F表面通过原子力显微镜(AFM)进行了分析,揭示了表面粗糙度小于2 nm。
这些设备的性能参数分别总结在图4a–c中。从图4a可以看出,随着A/p比率的增加,Qp也增加。这是因为,随着A/p比率的增加,声学损耗到锚定边界的损失也减少,这有助于提高Qp。串联谐振器在A/p比率为22.2时达到了最大Qp值236.6。尽管Qp增加,但如图4b所示,串联和并联谐振器的Qs随着A/p比率的增加而减小。这是因为,尽管Qp由声学损耗主导,但Qs则主要由欧姆损耗主导。由于A/p比率较高的谐振器具有较小的运动电阻,因此更容易受到串联电阻的影响,从而降低了它们的Qs。对于相同的A/p比率,并联谐振器的Q略高于串联谐振器。这是由于厚Mo顶电极的质量加载效应,帮助并联谐振器在与薄电极的串联谐振器相比,获得了更高的Lm和更低的串联电阻(见表1),从而提高了它们的Qp和Qs。
如图4c所示,谐振器的k2t随着A/p比率的增加而增加。这是因为谐振器的中心部分(与A成正比)可以自由振动,而谐振器的外围部分(与p成正比)附着在基板上并不振动。因此,随着A/p比率的增加,更多的电能转化为谐振器内的声能,从而提高了k2t。串联谐振器在A/p比率为22.2时达到了最大k2t为11.8%,该谐振器的性能指标(FoM1 = k2t·Qp)为27.9。
如图5a和b所示,采用不同拓扑结构(如3元素和6元素)的高频带通滤波器是由P3F AlScN BAW谐振器构建的。通过串联-并联-串联谐振器的排列,实现了滤波器的相对简单设计,如图5a所示。尽管这种设计能够实现低插入损耗(IL),但它的带外衰减较低。因此,另一个6元素滤波器通过将两个3元素滤波器串联连接展示,如图5b所示。该设计旨在提供更好的衰减效果,有助于屏蔽不需要的频率并减弱干扰。
本研究中报告的P3F谐振器和滤波器的性能与现有的最先进技术进行了比较,见表2。所获得的k2t和FoM分别为11.8%和27.9,远高于以前报道的在K波段和Ku波段工作的AlN/AlScN基谐振器,这得益于P3F层数的增加和使用了36%钪合金化的AlScN。增加额外的P3F层使设备的A/p比率得以增加,同时仍保持适用于滤波器应用所需的接近50 Ω的阻抗。较大的A/p比率增加了谐振器中储存的机械能量,相对于声学损耗到基板以及谐振器外围储存的电能,从而促进了更高Qp和k2t的实现,如图4所示。此外,AlScN BAW设备的Q得益于厚金属电极具有低电阻的谐振器,但这会以降低k2t为代价,因为更多的机械能量被储存在非压电金属区域。通过增加谐振器中的P3F层数,同时保持金属电极的固定厚度,更多的机械应变能量被储存在压电层中,这有助于机电耦合。因此,更多的P3F层数导致更大的k2t·Q积,进而改善了谐振器和滤波器的小信号性能。虽然LiNbO3谐振器的FoM更高,因其较大的k2t,但AlScN P3F谐振器技术的较高Q使其更适合实现低损耗、带宽较窄(<8%)的滤波器。此外,LiNbO3谐振器与CMOS技术的兼容性不完全。
本研究中开发的串联和并联谐振器被用于实现梯形滤波器。本研究中开发的高频滤波器(约18 GHz)与现有的最先进声学滤波器在相似频率下相比,展示了更高的线性度、功率处理能力和带外衰减。当增加P3F层数以固定谐振器阻抗时,通常由滤波器要求和拓扑决定,谐振器的体积按P3F层数的平方增加。因此,在给定的入射射频功率下,谐振器的功率密度按P3F层数的平方减少,同时功率处理能力和线性度得到改善。
结论
在这项研究中,我们采用P3F AlScN制造了在高频(约18 GHz)下工作的谐振器和滤波器。具有最高A/p比率的谐振器在17.9 GHz的共振频率(fp)下达到了236.6的Qp值和11.8%的k2t值。这使得谐振器的性能指标(FoM1 = k2t Qp 和 FoM2 = fpFoM1 × 10^-9)分别为27.9和500。这些性能指标超越了现有在类似或更高频率下工作的AlN和AlScN材料制成的最先进谐振器。3元素和6元素滤波器分别展示了1.86 dB和3.25 dB的低插入损耗(IL),以及在约17.4 GHz的中心频率下,-3 dB带宽(BW)分别为680 MHz(分数带宽为3.9%)和590 MHz(分数带宽为3.3%)。这两种滤波器都展示了优异的线性度,带内IIP3值大于+40 dBm。实验结果表明,P3F AlScN谐振器和滤波器技术对于推动超越5G时代的射频通信具有很大潜力。
方法与材料
周期性极化压电薄膜(P3F)的微加工
周期性极化压电薄膜(P3F)在宾夕法尼亚大学的6英寸硅晶圆上制造。晶圆首先送到AKTS代工厂进行打印对准特征。这是为了将内部处理步骤与AKTS代工厂执行的步骤对齐。在AKTS代工厂还进行了第一层124 nm Al0.8Sc0.2N(层1)的沉积,采用M极性方向(极化向下)。从代工厂收到的晶圆被送到PVD系统中,继续沉积AlScN的后续层。在PVD系统中,靶材经过调节,以确保沉积高质量的AlScN。通过分别使用4英寸直径的Al和Sc靶材以及氮气,促进了沉积过程。在每次沉积AlScN层之前,工艺室进行了抽真空处理,以达到约9 × 10^-8 mbar的基准压力,基板温度被升高到350°C。为了获得所需的36% Sc组成,在沉积过程中,Sc和Al靶材的阴极功率分别设定为700 W和900 W,氮气流量为32 sccm。
为了对顶部和底部的Al极化电极进行图案化,使用了Microposit®s1813®光刻胶。光刻胶在3000 rpm的速度下旋涂,并在115°C下烘烤1分钟后,暴露于接触光刻工具中。光刻胶使用室温下的Microposit MF CD-26显影液进行显影。为了保护薄膜Al免受光刻胶显影液(MF CD-26显影液)的可能攻击,首先在2500 rpm下旋涂一层聚合物(ZEP 520 A),并在120°C下烘烤,然后再涂覆和显影光刻胶。显影后,使用O2等离子体刻蚀聚合物(ZEP 520A)以暴露薄膜Al。图案化Al后,两个掩模层(聚合物和光刻胶)都使用Microposit去除剂1165在65°C下清洗。
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