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BAW体声波滤波器--周期性极化铝钪氮化物体声波谐振器和滤波器,用于6G时代的通信

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。

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图1 结构和工作原理。
a. 在第四厚度扩展模式(TE4)下工作的P3F AlScN谐振器,其工作频率是b. 相似未极化谐振器在基本厚度扩展模式(TE1)下工作的频率的4倍。
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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。

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如图1b所示,工作在基本厚度扩展模式(TE1)下。P3F BAW谐振器和滤波器由AlScN构建,因为其具有优良的机电耦合性。
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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。

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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。

带有四层AlScN P3F的6英寸晶圆被送往Akoustis公司,在那里使用商业化的XBAWTM工艺从P3F构建BAW谐振器和滤波器。通过XBAWTM工艺完成的典型BAW谐振器的横截面示意图如图2c所示。有关XBAWTM工艺的详细信息可以在相关文献中找到。制造的谐振器和滤波器的关键尺寸,这些尺寸使得设备能够在TE4模式下工作,已在补充数据中提供。
结果与讨论
使用矢量网络分析仪(VNA,Keysight Technologies E8361A PNA)对P3F谐振器和滤波器进行表征(见补充信息)。使用信号接地(SG)探头(ACP-40 SG 200,FormFactor Inc.,美国)将谐振器连接到VNA。进行了单端端口测量,输入功率为−10 dBm,端口阻抗为50 Ω,频率范围为3–25 GHz。使用短开路负载(SOL)技术进行探头尖端的标定。
使用VNA提取的数据包含与GS探头的片上互连,此外还有固有谐振器的响应。为了获得固有谐振器的响应,进行了去嵌入处理,从测量的反射因子(ΓM)中提取固有谐振器的响应,使用在同一硅晶圆上产生的等效开路(ΓM,open)和短路(ΓM,short)结构。
去嵌入后的谐振器导纳响应如图3a所示。从图中可以看出,设备展示了与第一(TE1)、第二(TE2)、第三(TE3)和第四(TE4)厚度扩展(TE)模式对应的明显振动模式,分别出现在约3.5 GHz、8 GHz、12 GHz和18 GHz的频率下。图中还表明,设备在TE4模式(约18 GHz)下表现出主导响应。这一观察结果也确认了设备成功极化,如图1所示,其中P3F设备专门设计为在TE4模式下优化工作(参见补充数据,显示了一个相同未极化谐振器的测量结果,其中TE1是主导模式)。为了进一步澄清这些发现,使用COMSOL Multiphysics进行了模拟,分析了设备的振动模式。如图3c所示,约18 GHz频率下的声学驻波应力分布表明设备在TE4模式下工作。补充数据中提供的约3.5 GHz、8 GHz和12 GHz频率下的应力分布确认,设备的TE1、TE2和TE3模式与周期性极化的AlScN不匹配,因此这些模式具有较低的k2t。
此外,采用稍微厚一些的金属电极的并联谐振器被用于实现梯形滤波器,测量响应如图3d和3e所示。这些谐振器也在TE4模式下工作,这从图3f中显示的模式形状可以清楚看出。然而,由于顶部金属电极较厚,这些谐振器的共振频率(fp ~ 17.25 GHz)略低于串联谐振器(fp ~ 18 GHz),后者用于实现宽带滤波器。
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图3 谐振器的测量结果和模拟模式形状。
a和b串联谐振器的导纳响应,以及d和e并联谐振器的导纳响应,展示了它们在第四厚度扩展模式(TE4)下的工作。
c串联谐振器和f并联谐振器的应力分布确认了设备在TE4振动模式下的工作。
如表1所示,采用改进的巴特沃斯Vandyke(mBVD)模型,由串联电阻(Rs)、运动电阻(Rm)、电容(Cm)和电感(Lm),以及并联电容(C0)和电阻(Ro)组成,用于拟合串联和并联谐振器的测量结果。串联和并联谐振器的测量结果与mBVD模型非常吻合,如图3b和3e所示。所有设备在其工作区域内都展示了非常干净的响应,且没有观察到不需要的杂散信号。具有较高A/p比率的设备展示了较高的导纳,这归因于它们相比于A/p比率较小的设备,具有较高的并联电容值。
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图4 谐振器性能参数与其尺寸的关系。
a. 串联和并联谐振器的Qp随着设备A/p的增加而增加;
b. Qs随着设备A/p的增加而减少;
c. 串联和并联谐振器的k2t随着设备A/p的增加而增加。
The Bode Q
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这些设备的性能参数是通过S参数(S11)、相位(φ)和频率(ω)计算得出的。测量数据和mBVD模型的Bode Q非常接近,如补充数据中所示。
所有设备的性能参数,包括平行品质因子(Qp)、串联品质因子(Qs)和机电耦合(k2t),
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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。

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图5 3元素和6元素P3F滤波器的测量结果
a. 三元素滤波器和b. 六元素滤波器的示意图。
宽带c和d窄带响应显示3元素和6元素滤波器的插入损耗(IL)分别为1.86和3.25,-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%)。
滤波器的输入和输出功率显示e. 3元素和6元素滤波器的带内IIP3值分别为+36和+40 dBm,
f. 不同输入功率水平下6元素滤波器的响应显示,滤波器在+20 dBm时线性操作,这是我们的测试设备的极限,
g. 施加+20 dBm输入信号的滤波器通带,经过0、2、15和24小时功率浸泡后的6元素滤波器响应,
h. 随着环境温度升高,6元素滤波器频率变化,显示对滤波器的影响较小。
两个信号接地(SG)探头(ACP-40 SG 200,FormFactor Inc.,美国)被用来将滤波器连接到VNA(见补充信息)。进行了双端口测量,输入功率为−10 dBm,端口阻抗为50 Ω,频率范围为3–25 GHz。探头尖端的标定是通过短开路负载通(SOLT)技术实现的。
3元素滤波器在约17.4 GHz的中心频率下,达到了低插入损耗(IL)1.86 dB和−3 dB带宽(BW)680 MHz(分数带宽为3.9%),这明显优于6元素滤波器的IL(3.25 dB)和BW(590 MHz,分数带宽为3.3%)。而6元素滤波器的带外衰减为16.6 dB,比3元素滤波器的带外衰减(约7 dB)要好得多。还分析了滤波器的功率处理能力和线性度,结果显示3元素和6元素滤波器的带内IIP3值分别为+36和+40 dBm,如图5e所示。测量值受到实验设置的限制,因为在标定基板上的标准通路结构也得到了相似的IIP3值(见补充信息)。
3元素和6元素滤波器在不同输入功率水平下的响应如图5f和补充信息中所示。两种滤波器都显示出在+20 dBm以下的线性操作,这是我们的测试设备的极限,远高于其他在类似频率下工作的最先进声学滤波器。
此外,为了测试6元素滤波器的稳定性,它在+20 dBm带内输入功率下连续运行了1天。滤波器在不同功率浸泡时间后的测量响应,如图5g所示,清楚地显示设备的行为会随着功率浸泡发生变化,证明了设备的长期稳定性。为了分析滤波器对温度的响应,测试了从室温到140°C的范围。如预期,滤波器的工作频率随着温度的升高略有下降,这是由于在高温下AlScN、Al和Mo层的声速减小。在传统的低频BAW谐振器和滤波器中也观察到了类似的行为。基于P3F AlScN的滤波器显示了−9.63 ppm/K的频率温度系数(TCF)。为了提高热稳定性,可以在层堆叠中集成一个温度补偿层(通常为SiO2),但这会降低k2t。对于具有相对较低TCF的宽带滤波器,如图5h所示的滤波器,通常不需要温度补偿,因为与带宽相比,总频率偏移较小。

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。


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本研究报告了通过将Vetury等人报道的生长的2层P3F与Izhar等人报道的电极化P3F相结合,开发了4层P3F。与先前报告中使用的Al0.68Sc0.32N相比,采用Al0.64Sc0.36N进行电极化显著提高了电极化的良率,促进了多种谐振器几何形状和滤波器的研究,以及对Q、Qp和k2t与A/p趋势的理解。
尽管这项工作代表了在Ku波段操作的AlScN谐振器和滤波器的重大进展,但将这些滤波器集成到通信系统中仍面临若干挑战。目前,电极化是在滤波器级别进行的,并且没有自动化,这既耗时又成为大规模生产的障碍。未来的研究将确定在单次极化步骤中可以极化的最大面积,并实现电极化过程的自动化。尽管所实现的FoM值27.9相比于先前在类似频率下的AlScN工作已有较大增加,但仍需要更高的FoM来减少滤波器插入损耗,同时增加带外衰减。图4中k2t与A/p的趋势清晰表明,进一步增加A/p(通过增加更多P3F层)将导致更高的k2t,从而提高FoM。对于Al0.64Sc0.36N材料来说,我们距离k2t的极限还远。例如,先前一项使用传统380 nm厚的均匀极化Al0.68Sc0.32N的BAW谐振器的研究,在4.8 GHz时达到了23.1%的k2t。如上所述,给定A/p比率,增加P3F层数也会导致更高的Qs。因此,进一步提高FoM的关键是将P3F层数增加到4层以上。
从可制造性角度看,理想的解决方案是开发创新方法,直接在N极性AlScN上生长高钪合金化的M极性AlScN。另一种方法是实现电极化过程的自动化,并增加可以电极化的区域。高良率使得通过电极化实现多个P3F层变得更为实用。

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。

关于我们:

OMeda成立于2021年,由3名在微纳加工行业拥有超过7年经验的工艺,项目人员创立。目前拥有员工15人,在微纳加工(涂层、光刻、蚀刻、双光子印刷、键合)等领域拥有丰富的经验。 同时,我们支持4/6/8英寸晶圆的纳米加工。 部分设备和工艺支持12英寸晶圆工艺。针对MEMS传感器、柔性传感器、微流控、微纳光学等行业。 我们将凭借先进的设备、仪器和经验,为您带来可靠性、性能优良的产品和高效的服务

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来源:OMeda

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OMeda(上海奥麦达微)成立于2021年,由3名在微纳加工行业拥有超过7年经验的工艺,项目人员创立。目前拥有员工15人,在微纳加工(镀膜、光刻、蚀刻、双光子打印、键合,键合)等工艺拥有丰富的经验。 同时,我们支持4/6/8英寸晶圆的纳米加工。部分设备和工艺支持12英寸晶圆工艺。针对MEMS传感器、柔性传感器、微流控、微纳光学,激光器,光子集成电路,Micro LED,功率器件等行业。 我们将凭借先进的设备、仪器和经验,为您带来可靠性、性能优良的产品和高效的服务。

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