U_M.Yu. Dvoesherstov_Termokompensirovanny`y SVCh tonkoplenochny`y


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте его и откройте на своем компьютере.
92


М.Ю. Двоешерстов, В.И. Чередник


ОАО «Конструкторское Бюро «Икар»

Термокомпенсированный СВЧ тонкопленочный акустоэлектро
нный
SMR
-
BAW

резонатор

В статье приводятся результаты численного расчета конструкций и
характеристик термокомпенсированных СВЧ тонкопленочных резонаторов Брэгговского
типа
(
solidly

mounted

resonator



bulk

acoustic

wave

,
SMR
-

BAW
)
, работающих в
диапазоне

частот 2
-
10 ГГц.

Ключевые слова:
акустоэлектроника, СВЧ резонатор, объемные акустические волны

Принципиально новые возможности существенного повышения рабочей частоты

одночастотных акустоэлектронных резонаторов открываются при реализации

многослойных

тонкопленочных резонаторов на нитриде алюминия (
AlN
), работающих
на объемных акустических волнах (английская аббревиатура
solidly

mounted

resonator



bulk

acoustic

wave
,
SMR



BAW
) [1]. На рис.

1 показана типичная конструкция такого
резонатора.


Рис. 1
.

В первом приближении центральная рабочая частота
SMR
-
BAW

резонатора
оценивается из простейшего соотношения
f

=
V
/(2
h
), где
V



скорость продольной
объемной акустической волны (ОАВ) вдоль направления, перпендикулярного
поверхности пьезоактивного слоя из (
0001)

AlN

(
V

11км/с),
h



толщина слоя. В
диапазоне частот 2


10 ГГц При толщинах слоя из (0001)

AlN

порядка 0.3



2

мкм
рабочий диапазон частот такого резонатора составляет 2



10

ГГц

[1].

Брэгговский
отражатель
обеспечивает эффективную локализацию
одной моды колебаний в
материале пьезослоя и
представляет из себя многослойную периодическую структуру,
состоящую из
n

пар слоев, имеющих существенно различную величину акустического
импеданса
Z
сл

=

сл

*
V
сл
, где

сл



плотность,
V
сл



скорость продольной О
АВ в слое и
толщину каждого слоя

/4, где

-
длина акустической волны в материале слоя. На рис. 2
показаны акустические импедансы
Z

различных материалов.

93


В строгом случае ц
ентральная частота резонатора
F
r

определяется не только
толщиной пленки
AlN
, но и то
лщиной и
типом материала верхнего и нижнего
электрода (
Al
,
Ti
,
Mo
,
Ni
,
W
,
Au

и т.д.).
Температурный коэффициент частоты
резонатора равен относительному изменению резонансной частоты при изменении
температуры
t

на один градус Цельсия
-


и зависит
от температурных
свойств материалов пленки
AlN
, верхнего и нижнего электродов (
Al
,
Ti
,
Mo
,
Ni

и т.д.),
а также Брэгговского отражателя.


Рис.

2.



Рис.

3. Рис.

4.

Н
а рис. 3 показаны вычисленные по строгой теории Новотного и Бенеша [2,

3]
зависимости
T
КЧ резонатора без Брэгговского отражателя от толщины Н электродов,
состоящих из
Mo
,
Ni
,
Al

при толщине пьезослоя из
AlN



1

мкм. Для нулевой
толщины электродов
T
КЧ ре
зонатора характеризуется свойствами только слоя
AlN

и
имеет значение около


27
.
10
-
6
/
о
С. Для
Mo
,
Ni
,
Al

и
AlN

температурные коэффициенты
констант упругости имеют одинаковый знак минус [4], поэтому наличие электродов
конечной толщины усиливает температурну
ю нестабильность резонатора тем сильнее,
94


чем больше толщина электродов по отношению к толщине слоя
AlN
. Из рис.

3 видно,
что Мо электрод незначительно ухудшает ТКЧ в структуре, а при толщинах
электродов больше 0.15 мкм наблюдается значительное ухудшение
ТКЧ. На рис. 4
показана рассчитанная зависимость сдвига резонансной частоты
F
r

от толщины
электродов из
Mo
,
Ni
,
Al
. Для компенсации температурного сдвига резонансной
частоты может быть помещен дополнительный слой между электродами из материала
с другим
(положительным) знаком температурных коэффициентов упругих
постоянных. Таким материалом может быть, например,
SiO
2

[4].

На рис. 5 показана рассчитанная зависимость
T
КЧ от толщины
h

термокомпенсирующего слоя
SiO
2

для резонатора с толщиной слоя
AlN



0.5 мк
м и
толщиной молибденовых электродов


0.1 мкм.
Как видно из рис. 5, термокомпенсация
(
T
КЧ  0) в данном случае имеет место при толщине слоя
SiO
2

около 0.25 мкм. При
этом следует иметь в виду, что при увеличении толщины термокомпесирующего слоя
увеличивает
ся общая толщина резонатора и поэтому уменьшается его резонансная
частота, как это видно из рис. 5, на котором показана также и зависимость резонансной
частоты резонатора от толщины слоя
SiO
2
.


Рис.

5.

Рис.

6.

В случае реализации
SMR



BAW

резонатора присутствие Брэгговского отражателя
также вносит поправки в значение ТКЧ резонатора.
В работе рассматривается
Брэгговский отражатель, состоящий из пары материалов
Mo
/
SiO
2
, рассчитанный на
р
езонанасную частоту 6.61 ГГц. При этом толщины слоев Брэгговского отражателя из
Mo

и
SiO
2
рассчитываются

по формуле
h
=
V
/4
F
r

и

соответственно равны


0.24 мкм и
0.23

мкм. Толщина
AlN



0.35 мкм, толщина нижнего электрода из Мо


0.07 мкм. На
рис. 6 показ
ан сдвиг резонансной частоты в зависимости от толщины электрода из
Mo

(кривая Мо) при фиксированной толщине пленки из
SiO
2
, равной 0.15 мкм, а также

от
толщины пленки из
SiO
2

(кривая
SiO
2
) при фиксированной толщине верхнего

электрода, равной 0.07 мкм.

На
рис. 7,

8 показаны рассчитанные зависимости ТКЧ (кривая ТКЧ) и
коэффициента электромеханической связи К
2

(кривая К2) от толщины верхнего
электрода из Мо (рис.

7) и от толщины пленки из
SiO
2

, находящейся над верхним
95


электродом (рис.

8) для
SMR



BAW

резон
атора, имеющего структуру
SiO
2
/
Mo
/
AlN
/
Mo
/(
SiO
2
/
Mo



5

пар слоев) с указанными выше размерами.

На рис.

9 показаны соотношения толщин
AlN

и верхнего слоя
SiO
2
для
реализации резонатора на рабочую частоту 6.61 ГГц (кривая
AlN
/
SiO
2
), а также
величина ТКЧ (к
ривая ТКЧ), из которого видно, что нулевой ТКЧ реализуется при
толщине
AlN



0.31 мкм и
SiO
2



0.18мкм при толщине верхнего электрода из Мо


0.07мкм. С другой стороны при фиксированной тощине пленки из
SiO
2



0.15мкм,
можно варьировать толщину
AlN

и верх
него электрода Мо для достижения нулевого
ТКЧ.



Рис.

7. Рис.

8.



Рис.

9. Рис.

10.

На рис.

10 показаны соотношения
толщин
AlN

и верхнего электрода Мо

для
реализации резонатора на туже рабочую частоту 6.61 ГГц (кривая
AlN
/Мо), а также
величина ТКЧ (кривая ТКЧ), из которого видно, что нулевой ТКЧ реализуется при
толщине
AlN



0.27 мкм и Мо


0.07

мкм.


Таким образом в работе приведены результаты теоретических исследований
технических характеристик СВЧ акустоэлектронных
SMR

BAW

резонаторов и
предложены способы его термостабилизации. Показано, что н
аличие металлических
96


электродов ухудшает
ТКЧ резонатора. Дополнительная пленки из
SiO
2
определенной
толщины, нанесенная поверх верхнего электрода, термостабилизирует резонатор. При
увеличении толщины пленки из
SiO
2
, а также толщины электрода
из Мо
снижается

эффективный коэффициент электромехани
ческой связи К
2

, а также резонансная
частота. Наличие Брэгговского отражателя, состоящего из 5 пар слоев
SiO
2
/
Mo

также
несколько улучшает термостабильность
SMR



BAW

резонатора.

Библиографический

список

1. Review and Comparison of Bulk Acoustic Wave FBA
R, SMR Technology

Rich Ruby (SM) /

Jose San // IEEE Ultrasonics Symposium. 2007. Pp.1029
-

1040

2. General one
-
dimensional treatment of the layered piezoelectric resonator with two electrodes / Nowotny,
erica. 1987. Vol. 82 (2). Pp. 513
-
521

3. Surface and Bulk Acoustic Waves in Multilayer Structures

/ V. I. Cherednick and M. Y. Dvoesherstov //
Book
WAVES IN FLUIDS AND SOLIDS.
Edited by
Rubén Picó Via.

September. 2011. Croatia. Chapter 3.
Pp.69
-
102

4. Modeling for temperature compensation and temperature characterizations of BAW resonators at GHz
frequencies / Ivira b., Benech P. // IEEE Transactions on Ultrasonics.
2008.
Vol
.55 (2).
Pp
. 421
-
430




Приложенные файлы

  • pdf 1192297
    Размер файла: 590 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий