stringtranslate.com

Тонкопленочный объемный акустический резонатор

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.

Базовая структура FBAR

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.

Пьезоэлектричество в тонких пленках

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.

Резонирующий тонкопленочный объемный акустический резонатор квадратной формы.

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.

Подложки для резонаторов FBAR и их применение.

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.

Полосовой фильтр лестничного типа на основе резонаторов FBAR. Разница резонансных частот резонаторов 1 и 2 определяет частотный диапазон пропускаемых частот.

Области применения

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]

Основные структуры

Схематическое сечение отдельно стоящего резонатора FBAR на основе микромеханического травления поверхности.
Схематическое сечение отдельно стоящего резонатора FBAR на основе объемного микромеханического (через подложку) травления.

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 .

Схематическое сечение структуры SMR.

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]

Драйверы приложений

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.

Два фильтра FBAR на материнской плате сотового телефона, соединенные проводом с держателем LCC. Эти лестничные фильтры состоят из шести резонаторов FBAR, а фильтр нижней полосы с правой стороны использует непараллельные фронты для подавления паразитных сигналов.

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.

Историко-промышленный ландшафт

Резонаторы и фильтры/дуплексеры

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.).

Датчики на основе тонкопленочного резонатора

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].

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Лакин, К.М.; Ван, Дж. С. (1981). «Композитные резонаторы акустических объемных волн». Письма по прикладной физике . 38 (3): 125–127. Бибкод : 1981ApPhL..38..125L. дои : 10.1063/1.92298 .
  2. ^ Лакин, К. (2003). «Обзор технологии тонкопленочных резонаторов». Журнал IEEE Microwave . 4 (4): 61–67. дои : 10.1109/MMW.2003.1266067.
  3. ^ Мацусима, Т.; и другие. (2010). «Высокопроизводительный FBAR 4 ГГц, изготовленный из напыленной тонкой пленки Pb (Mn, Nb) O3-Pb (Zr, Ti) O3». Международный симпозиум IEEE по управлению частотой : 248–251.
  4. ^ Матуг, А.; Асдера, Т.; Калькур, ТС (2018). «Моделирование и изготовление резонатора BST FBAR». 2018 Симпозиум Международного общества прикладной вычислительной электромагнетики (ACES) . стр. 54–1. дои : 10.23919/ROPACES.2018.8364296. ISBN 978-0-9960-0787-0. S2CID  44110245.
  5. ^ Волейзис, А.; и другие. (2011). «Одновременная генерация продольных и поперечных ультразвуковых волн: обобщение знаний, изготовление пьезоэлементов ЦТС и эксперименты». Ультрагарсас (УЗИ) . 66 (1): 25–31.
  6. ^ Дюбуа, Массачусетс; Муральт, П. (1999). «Свойства тонких пленок нитрида алюминия для пьезоэлектрических преобразователей и микроволновых фильтров». Письма по прикладной физике . 74 (20): 3032–3034. Бибкод : 1999ApPhL..74.3032D. дои : 10.1063/1.124055.
  7. ^ Парк, М.; и другие. (2019). «Монокристаллический резонатор волны Лэмба из нитрида алюминия, легированный скандием, 10 ГГц». 2019 20-я Международная конференция по твердотельным датчикам, приводам и микросистемам и евросенсорам XXXIII (TRANSDUCERS & EUROSENSORS XXXIII) . стр. 450–453. doi : 10.1109/TRANSDUCERS.2019.8808374. ISBN 978-1-5386-8104-6. S2CID  201621456.
  8. ^ Кнапп, М.; Хоффманн, Р.; Лебедев В.; Чималла, В.; Амбахер, О. (2018). «Графен как активный практически безмассовый верхний электрод для ВЧ-резонаторов объемно-акустических волн (SMR-BAW) с твердым креплением». Нанотехнологии . 29 (10): 10. Бибкод : 2018Nanot..29j5302K. дои : 10.1088/1361-6528/aaa6bc . ПМИД  29320371.
  9. ^ Слайкер, ТР; Робертс, Д.А. (1967). «Тонкопленочный композитный резонатор CdS-кварц». Журнал прикладной физики . 38 (5): 2350–2358. Бибкод : 1967JAP....38.2350S. дои : 10.1063/1.1709882.
  10. ^ См., GC; и другие. (2017). «Модуляция излучения квантовых точек с использованием фотонно-кристаллических МЭМС-резонаторов». Оптика Экспресс . 25 (21): 25831–25841. дои : 10.1364/OE.25.025831 . ПМИД  29041246.
  11. ^ Элфринк, Р.; и другие. (2008). «Сбор энергии вибрации с помощью пьезоэлектрических устройств на основе нитрида алюминия». Труды PowerMEMS 2008 и MicroEMS2008 : 249–251.
  12. ^ Руби, Р.; Мерчант, П. (1994). «Микрообработанные тонкопленочные объемные акустические резонаторы». Международный симпозиум IEEE по управлению частотой : 135–138.
  13. ^ Лакин, К.М.; Маккаррон, Коннектикут (1995). «Жесткоустановленные резонаторы и фильтры». Симпозиум IEEE по ультразвуку : 905–908.
  14. ^ Ньюэлл, МЫ (1965). «Лицевые пьезоэлектрические резонаторы». Труды IEEE . 53 (6): 575–581. дои : 10.1109/PROC.1965.3925.
  15. ^ Лю, Ю.; Кай, Ю.; Чжан, Ю.; Товстопят, А.; Лю, С.; Сан, К. (2020). «Материалы, конструкция и характеристики резонатора объемных акустических волн: обзор». Микромашины . 11 (7). дои : 10.3390/ми11070630 . ПМЦ 7407935 . ПМИД  32605313. 
  16. ^ Макконен, Т.; Холаппа, А.; Саломаа, ММ (1988). «Усовершенствования программного обеспечения для 2D-моделирования методом конечных элементов для кристаллических резонаторов». Труды ультразвукового симпозиума IEEE : 935–838.
  17. ^ Макконен, Т.; Холаппа, А.; Элла, Дж.; Саломаа, ММ (2001). «Конечно-элементное моделирование тонкопленочных композитных резонаторов BAW». Транзакции IEEE по ультразвуку, сегнетоэлектрике и контролю частоты . 48 (5): 1241–1258. дои : 10.1109/58.949733. PMID  11570749. S2CID  22338553.
  18. ^ Тикка, ПТ; Кайтила, Дж.; Элла, Дж.; Макконен, Т.; Вестерхольм, Дж.; Саломаа, ММ (1999). «Лазерное зондирование и МКЭ-моделирование монолитных резонаторов». Дайджест Международного симпозиума по микроволновому оборудованию IEEE MTT-S : i–vi.
  19. ^ Лакин, К.М.; Ван, Дж. С. (1980). «Композитные резонаторы объемных волн УВЧ». Материалы симпозиума по ультразвуку : 834–837.
  20. ^ Сато, Ю.; и другие. (2005). «Разработка пьезоэлектрического тонкопленочного резонатора и его влияние на будущие системы беспроводной связи». Японский журнал прикладной физики . 44 (5А): 2883–2894. Бибкод : 2005JaJAP..44.2883S. дои : 10.1143/JJAP.44.2883 .
  21. ^ Айгнер, Р.; Фаттинджер, Г. (2019). «3G – 4G – 5G: как технология фильтра Бау делает мир подключенным». 2019 20-я Международная конференция по твердотельным датчикам, приводам и микросистемам и евросенсорам XXXIII (TRANSDUCERS & EUROSENSORS XXXIII) . стр. 523–526. doi : 10.1109/TRANSDUCERS.2019.8808358. ISBN 978-1-5386-8104-6. S2CID  201620129.
  22. ^ Руби, Р.; и другие. (2019). «Тройные сверхстабильные резонаторы с нулевым дрейфом в одном корпусе для BLE». Международный симпозиум по ультразвуку (IUS) IEEE 2019 . стр. 72–75. дои : 10.1109/ULTSYM.2019.8925950. ISBN 978-1-7281-4596-9. S2CID  209323103.
  23. ^ Туккиниеми, К.; и другие. (2009). «Полностью интегрированная сенсорная матрица FBAR для массового обнаружения». Процедия химии . 1 : 1051–1054. дои : 10.1016/j.proche.2009.07.262 .
  24. ^ Айсси, М.; и др., др. (2006). «Резонаторный генератор BiCMOS FBAR, частота 5,4 ГГц, 0,35 / спл мкм / м, выполненный по технологии выше IC». IEEE Международный. Конференция по твердотельным схемам. -Копать землю. Тех. Пап . 2 (3): 1228–1235.
  25. ^ Остман, КБ; и др., др. (2006). «Новая архитектура ГУН с использованием последовательного FBAR над IC и параллельного LC-резонанса». IEEE J. Твердотельные схемы . 41 (10): 2248–2256. Бибкод : 2006IJSSC..41.2248O. doi :10.1109/JSSC.2006.881567. S2CID  23983346.
  26. ^ Бхугра, Х.; Пьяцца, Г. (2017). Пьезоэлектрические МЭМС-резонаторы . Спрингер. п. 388. ИСБН 978-3319286884.
  27. ^ Айгнер, Р.; Элла, Дж.; Тимме, HJ; Эльбрехт, Л.; Несслер, В.; Маркштайнер, С. (2002). «Развитие МЭМС в приложениях радиочастотных фильтров». Слушания IEEE IEDM : 897–900.
  28. ^ Хашимото, К. (2009). Радиочастотные фильтры объемных акустических волн для связи . Артех Хаус. п. 124. ИСБН 978-1596933224.
  29. ^ «Сообщается, что Китай преодолел узкое место фильтра BAW, что вызвало слухи о возвращении телефона Huawei 5G» .
  30. ^ "Отделение Sorex Sensors Ltd. Кембриджского университета" .
  31. ^ "Sorex Sensors Ltd., веб-страница компании" .

Внешние ссылки