Тонкопленочный объемный акустический резонатор (FBAR или TFBAR) представляет собой устройство, состоящее из пьезоэлектрического материала, изготовленного методом тонкой пленки между двумя проводящими (обычно металлическими) электродами и акустически изолированного от окружающей среды. Работа основана на пьезоэлектричности пьезослоя между электродами.
Устройства FBAR, использующие пьезоэлектрические пленки толщиной от нескольких микрометров до десятых долей микрометра, резонируют в диапазоне частот от 100 МГц до 20 ГГц. [1] [2] Резонаторы FBAR или TFBAR относятся к категории объемных акустических резонаторов (BAW) и пьезоэлектрических резонаторов и используются в приложениях, где необходимы высокая частота, небольшой размер и вес.
Кристаллографическая ориентация тонкой пленки зависит от выбранного пьезоматериала и многих других факторов, таких как поверхность, на которой выращивается пленка, и различные условия производства - выращивания тонкой пленки (выбранная температура, давление, используемые газы, условия вакуума и т. Д.).
В качестве активного материала в ФБАР может выступать любой материал, например цирконат-титанат свинца (ЦТС) [3] или титанат бария-стронция (БСТ) [4] из списка пьезоэлектрических материалов . Однако два составных материала, нитрид алюминия (AlN) и оксид цинка (ZnO), являются двумя наиболее изученными пьезоэлектрическими материалами, производимыми для реализации высокочастотных FBAR. Это связано с тем, что такие свойства, как стехиометрия двух составных материалов, легче контролировать по сравнению с тремя составными материалами, изготовленными методами тонких пленок. Например, известно, что тонкая пленка ZnO с осью C кристаллической структуры (ось кристаллической Z), перпендикулярной поверхности подложки, возбуждает продольные (L) волны. Сдвиговые (поперечные) (S) волны возбуждаются, если ось C кристаллической структуры пленки наклонена на 41°. [5] Также возможно – в зависимости от кристаллической структуры пленки – что обе волны (L и S) возбуждаются. Поэтому понимание и контроль кристаллической структуры изготовленной пьезоэлектрической пленки имеют решающее значение для работы FBAR.
Для высокочастотных целей, таких как фильтрация сигналов, эффективность преобразования энергии является наиболее важным параметром, и поэтому продольные (L) волны являются предпочтительными и целенаправленными для использования. Для целей измерения и приведения в действие структурная деформация может быть более важной, чем эффективность преобразования энергии, а возбуждение поперечной волны будет целью производства пьезоэлектрической пленки.
Несмотря на более низкий коэффициент электромеханической связи по сравнению с оксидом цинка, нитрид алюминия с более широкой запрещенной зоной стал наиболее используемым материалом в промышленных приложениях, где требуется широкая полоса пропускания при обработке сигналов. [6] Совместимость с технологией кремниевых интегральных схем позволила использовать AlN в продуктах на основе резонаторов FBAR, таких как радиочастотные фильтры, дуплексеры, усилители мощности RF или модули радиоприемников.
Тонкопленочные пьезоэлектрические датчики могут быть основаны на различных пьезоэлектрических материалах в зависимости от применения, но предпочтение отдается двум составным пьезоэлектрическим материалам из-за простоты изготовления.
Легирование или добавление новых материалов, таких как скандий (Sc) [7] , являются новыми направлениями улучшения свойств материала AlN для FBAR. Было продемонстрировано , что исследование новых материалов электродов или материалов, альтернативных алюминию, например, путем замены одного из металлических электродов очень легкими материалами, такими как графен [8] , для минимизации нагрузки на резонатор, приводит к лучшему контролю резонансной частоты.
Резонаторы FBAR могут быть изготовлены на керамических (Al 2 O 3 или оксиде алюминия), сапфировых , стеклянных или кремниевых подложках. Однако кремниевая пластина является наиболее распространенной подложкой из-за ее масштабируемости для массового производства и совместимости с различными необходимыми этапами производства.
Во время ранних исследований и экспериментов с тонкопленочными резонаторами в 1967 году сульфид кадмия (CdS) испарялся на резонансном куске объемного кристалла кварца, который служил преобразователем, обеспечивающим добротность ( добротность) 5000 на резонансной частоте (279 МГц). . [9] Это позволило обеспечить более жесткий контроль частоты при необходимости использования более высоких частот и использования резонаторов FBAR. С развитием тонкопленочных технологий стало возможным поддерживать достаточно высокую добротность, исключить кристалл и увеличить резонансную частоту.
Большинство смартфонов в 2020 году будут включать как минимум один дуплексер или фильтр на основе FBAR, а некоторые продукты 4/ 5G могут даже включать 20–30 функций, основанных на технологии FBAR, главным образом из-за возросшей сложности радиочастотного интерфейса (RFFE, RF front end ). электроника – как тракты приемника, так и передатчика – и антенная/антенная система. Тенденция к более эффективному использованию радиочастотного спектра на более высоких частотах, чем примерно 1,5–2,5 ГГц, а в некоторых случаях также одновременно с увеличением выходной мощности радиочастот, способствовала тому, что технология FBAR стала одной из ключевых технологий в реализации телекоммуникаций. Технология FBAR дополняет, а в некоторых случаях конкурирует с технологией поверхностных акустических волн (ПАВ), а резонаторы FBAR могут заменить кристаллы в кварцевых генераторах и кварцевых фильтрах на частотах более 100 МГц.
Сенсорика – развивающееся направление ФБАР-резонаторов и структур на их основе. Цели для измерения и, возможно, контроля небольшого количества материалов/жидкостей/газа, а также замены кристалла(ов) в миниатюрном виде в различных задачах измерения и приведения в действие, таких как микрозеркальные дисплеи (DMD) [ 10] , находятся в стадии исследований и разработок, а также сбор энергии с помощью наногенераторов . [11]
По состоянию на 2022 год известны две конструкции тонкопленочных резонаторов объемных акустических волн (BAW): отдельно стоящие [12] и жестко установленные (SMR) резонаторы. [13] В отдельно стоящей резонаторной конструкции воздух используется для отделения резонатора от подложки/окружающей среды. Структура отдельно стоящего резонатора основана на некоторых типичных этапах производства, используемых в микроэлектромеханических системах MEMS .
В структуре SMR акустическое зеркало(а), обеспечивающее акустическую изоляцию, построено между резонатором и окружающей средой, как подложка. Акустическое зеркало (например, отражатель Брэгга ) обычно состоит из нечетного общего количества материалов с чередующимися слоями материалов с высоким и низким акустическим импедансом . Толщина материалов зеркал также должна быть оптимизирована так, чтобы она составляла четверть длины волны для максимальной акустической отражательной способности. Основной принцип структуры SMR был сформулирован в 1965 г. [14]
Схематические изображения тонкопленочных резонаторов показывают лишь основные принципы потенциальных структур. В действительности некоторые диэлектрические слои могут потребоваться для других функций, например, для усиления различных частей конструкции. Кроме того, при необходимости – для упрощения окончательной компоновки фильтра в приложении – структуры резонаторов могут быть сложены друг на друга, например, как в некоторых приложениях с фильтрами. Однако такой подход увеличивает сложность изготовления.
Некоторые требования к производительности, такие как настройка резонансной частоты, также могут потребовать дополнительных технологических этапов, таких как ионное измельчение, что усложняет производственный процесс.
Новейший подход к разработке более эффективных FBAR заключается в использовании монокристаллического AlN вместо поликристаллического AlN и размещении электродов на одной стороне пьезослоя. [15]
Для реализации структур FBAR на этапе проектирования требуется множество этапов точного моделирования, чтобы спрогнозировать чистоту резонансной частоты и других рабочих характеристик. На ранней стадии разработки базовые методы моделирования на основе метода конечных элементов (МКЭ), которые используются для кристаллов, также могут применяться и модифицироваться для FBAR. [16] [17] Несколько новых методов, таких как сканирующая лазерная интерферометрия, необходимы для визуализации функциональности резонаторов и для улучшения конструкции (схемы и структуры поперечного сечения резонатора) с целью достижения чистоты резонанс и желаемые резонансные режимы. [18]
Во многих приложениях температурное поведение, стабильность во времени, сила и чистота желаемой резонансной частоты составляют основу производительности приложений на основе резонаторов FBAR. Выбор материала, расположение и конструкция резонаторных конструкций влияют на характеристики резонатора и конечную производительность применения. Механические характеристики и надежность определяются компоновкой и конструкцией резонаторов в конкретных приложениях.
Распространенным применением FBAR являются радиочастотные (RF) фильтры [19] для использования в сотовых телефонах и других беспроводных приложениях, таких как позиционирование ( GPS , Glonass , BeiDou , Galileo (спутниковая навигация) и т. д.), системах Wi-Fi , небольших телекоммуникационных сотах. и модули для тех. Такие фильтры состоят из сети резонаторов (полулестничной , полнолестничной, решетчатой , комбинации решетчатой и лестничной или многослойной топологий) и предназначены для удаления нежелательных частот от передачи в таких устройствах, одновременно позволяя использовать другие специфические фильтры. частоты для приема и передачи. Фильтры FBAR также можно найти в дуплексерах . Технология фильтров FBAR дополняет [20] технологию фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ) в тех областях, где требуется повышенная пропускная способность и устойчивость к электростатическим разрядам (ESD). Частоты выше 1,5–2,5 ГГц хорошо подходят для устройств FBAR. FBAR на кремниевой подложке можно производить в больших объемах, и производство поддерживается всеми разработками методов изготовления полупроводниковых устройств . Будущие требования новых приложений, такие как фильтрация полосы пропускания с резким затуханием в полосе задерживания и минимально возможными вносимыми потерями , влияют на характеристики резонатора и показывают необходимость дальнейших шагов по разработке. [21]
FBAR также можно использовать в генераторах и синхронизаторах для замены кристалла/кристаллов в приложениях, где частоты более 100 МГц и/или очень низкий джиттер являются одной из целей производительности. [22]
FBAR также можно использовать в качестве датчиков. Например, когда устройство FBAR подвергается механическому давлению, его резонансная частота смещается. Обнаружение влажности и летучих органических соединений (ЛОС) демонстрируется с помощью FBAR. Массив тактильных датчиков также может состоять из устройств FBAR, а гравиметрическое или массовое зондирование может быть основано на резонаторах FBAR. [23]
В качестве дискретных компонентов детали на основе технологии FBAR, такие как базовые резонаторы и фильтры, упаковываются в миниатюрные/малые форм-факторы, например, в корпусах уровня пластины . FBAR также можно интегрировать с усилителями мощности (PA) или малошумящими усилителями (LNA), чтобы сформировать модульное решение с соответствующей электронной схемой. Хотя была продемонстрирована монолитная интеграция FBAR на одной подложке с электронной схемой, такой как CMOS, она требует нескольких дополнительных технологических этапов и маскирующих слоев поверх технологии ИС, что увеличивает стоимость решения. [24] [25] Поэтому монолитные решения не получили такого развития, как модульные решения в коммерческих приложениях. Типичными модульными решениями являются модуль усилителя мощности- дуплексера (PAD) или модуль фильтра малошумящего усилителя (LNA), где FBAR(ы) и соответствующие схемы упакованы в один и тот же корпус, возможно, на отдельной подложке модуля.
FBAR можно интегрировать в сложные системы связи, такие как модули SimpleLink, чтобы избежать требований к площади/пространству внешнего корпусного кристалла. Поэтому технология FBAR играет ключевую роль в миниатюризации электроники , особенно в приложениях, где необходимы генераторы и точные высокопроизводительные фильтры.
Использование пьезоэлектрических материалов в электронике началось в начале 1960-х годов в Bell Telephone Laboratories/ Bell Labs , где пьезоэлектрические кристаллы были разработаны и использовались в качестве резонаторов в таких приложениях, как генераторы с частотами до 100 МГц. Утонение применялось для увеличения резонансной частоты кристаллов. Однако существовали ограничения по утончению кристаллов, и в начале 1970-х годов были применены новые методы изготовления тонких пленок для повышения точности резонансной частоты и увеличения объемов производства.
Компания TFR Technologies Inc., основанная в 1989 году, была одной из компаний-новаторов в области резонаторов и фильтров FBAR, в основном для космического и военного применения. Первые продукты были доставлены клиентам в 1997 году. [26] TFR Technologies Inc. была в 2005 году приобретена TriQuint Semiconductor Inc. В начале 2015 года RF Micro Devices (RFMD), Inc. и TriQuint Semiconductor, Inc. объявили о слиянии с целью образования Qorvo активно поставляет продукты на базе FBAR.
HP Laboratories начала проект по FBAR в 1993 году, сосредоточив внимание на отдельно стоящих резонаторах и фильтрах. В 1999 году деятельность FBAR стала частью компании Agilent Technologies Inc., которая в 2001 году поставила 25 000 дуплексеров FBAR для телефонов N-CDMA . Позже в 2005 году деятельность FBAR в Agilent была одной из технологий Avago Technologies Ltd., которая приобрела Broadcom Corporation в 2015 году. В 2016 году Avago Technologies Ltd. сменила название на Broadcom Inc. , которая в настоящее время активно занимается предоставлением продуктов на основе FBAR.
Infineon Technologies AG начала работать с SMR-FBAR в 1999 году, сосредоточившись на телекоммуникационных фильтрах [27] для мобильных приложений. Первый продукт был поставлен компании Nokia Mobile Phones Ltd, [28] которая в 2001 году выпустила первый трехдиапазонный мобильный телефон GSM на базе SMR-FBAR. Группа фильтров Infineon FBAR (BAW) была приобретена компанией Avago Technologies Ltd в 2008 году, которая позже стала часть Broadcom, как описано ранее.
После приобретения бизнеса по фильтрации Panasonic в 2016 году Skyworks Solutions стала одним из основных игроков на рынке устройств BAW/FBAR помимо Broadcom и Qorvo.
Кроме того, после приобретения остальной части RF360 Holdings в 2019 году Qualcomm и Kyocera предлагают продукты на основе тонкопленочных резонаторов, такие как модули RFFE и отдельные фильтры.
Тем не менее, многие компании, такие как Akoustis Technologies, Inc. (основанная в 2014 году), Saiwei Electronics, [29] Texas Instruments (TI), несколько университетов и исследовательских институтов, предлагают и изучают возможности улучшения технологии FBAR, ее производительности, производственных мощностей, расширения возможностей проектирования. FBAR и изучение новых областей применения совместно с производителями систем и компаниями, предоставляющими инструменты моделирования ( Ansys , Comsol Multiphysicals, Resonant Inc. и т. д.).
Поскольку тонкопленочные резонаторы могут заменить кристаллы в сенсорах, наиболее потенциальная область применения резонаторов FBAR аналогична области кварцевых микровесов (QCM). Одной из компаний-новаторов, использующих тонкопленочные резонаторы в датчиках, является Sorex Sensors Ltd. [30] [31].