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 Via.
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
