I. 引言 如今,体声波 (BAW) 器件已用于要求高集成度和高性能的现代通信系统。基于氮化铝 (AlN) 或氧化锌 (ZnO) 等的 BAW 器件已得到广泛研究,该技术现已成为集成高达数 GHz 的本振和滤波器等窄带元件 (5%) 的有效替代方案 [1–4]。为了扩展 BAW 技术的应用,其他压电材料也受到研究,并被视为实现宽带元件的有希望的解决方案。本文提出了一种可应用于窄带和宽带带通滤波器设计的程序。该设计程序基于 BAW 谐振器的集总元件模型的优化,该模型与技术参数直接相关。本文讨论了所提方法的背景,即有效性,并选择了两个示例进行说明。第一个例子是为 UMTS 通信设计的窄带(3%)带通滤波器 [5]。第二个
摘要—大带宽体声波 (BAW) 滤波器是第五代 (5G) 通信系统的迫切需求。在这项研究中,我们在多层氧化物薄膜上制备了 43 ◦ Y 切割铌酸锂 (LN) 单晶薄膜,并成功实现了带氧化物布拉格反射器 (BR) 的体声波滤波器。介绍了滤波器的设计方法和制造工艺。利用原子力显微镜 (AFM) 和扫描电子显微镜 (SEM) 来表征薄膜的质量。结果证明了将单晶薄膜转移到多层氧化物上的可行性,这对于限制声能是有效的。该谐振器的有效机电耦合系数为 14.6%,品质因数 (FOM) 为 32.94。该滤波器尺寸紧凑,为600 μ m×400 μ m,在中心频率为3.128 GHz时相对带宽为10.3%,有望应用于5G系统。
摘要 — 展示了 SiC 衬底上的外延 AlN 薄膜体声波谐振器 (FBAR),其一阶厚度扩展模式为 15-17 GHz。对于 15 GHz epi-AlN FBAR,其品质因数 Q max ≈ 443、机电耦合系数 k 2 eff ≈ 2 . 3 % 和 f · Q ≈ 6 . 65 THz 品质因数在 Ku 波段 (12-18 GHz) 中名列前茅。具有高品质因数的干净主模式使此类 epi-AlN FBAR 可用于具有干净频带和陡峭抑制的 Ku 波段声波滤波器。由于这种外延 AlN FBAR 与 AlN/GaN/AlN 量子阱高电子迁移率晶体管 (QW HEMT) 共享相同的 SiC 衬底和外延生长,因此它们非常适合与 HEMT 低噪声放大器 (LNA) 和功率放大器 (PA) 进行单片集成。
5G 的全球推广和物联网的快速扩张带来了重大的全新 RF 滤波挑战。Qorvo 的体声波 (BAW) 滤波器技术正在不断进步,以克服这些挑战。主要进展包括:BAW 滤波器不断发展,以支持更高的频率和更大的带宽,以适应新的 5G 和 Wi-Fi 频段扩展。复杂的多滤波器模块(多路复用器和天线复用器)正用于解决 RF 系统挑战,尤其是 5G。此外,更小的 uBAW(微型 BAW)外形尺寸有助于将复杂的 RF 前端 (RFFE) 架构压缩到手机和物联网 (IoT) 设备有限的空间中。同时,Qorvo 的 BAW 技术有助于缓解与更高频率和更小外形尺寸相关的散热问题。
5G 的全球推广和物联网的快速扩张带来了重大的全新 RF 滤波挑战。Qorvo 的体声波 (BAW) 滤波器技术正在不断进步,以克服这些挑战。主要进展包括:BAW 滤波器不断发展,以支持更高的频率和更大的带宽,以适应新的 5G 和 Wi-Fi 频段扩展。复杂的多滤波器模块(多路复用器和天线复用器)正用于解决 RF 系统挑战,尤其是 5G。此外,更小的 uBAW(微型 BAW)外形尺寸有助于将复杂的 RF 前端 (RFFE) 架构压缩到手机和物联网 (IoT) 设备有限的空间中。同时,Qorvo 的 BAW 技术有助于缓解与更高频率和更小外形尺寸相关的散热问题。
随着相关应用领域的扩大,人们对 AlN 基 III 族金属氮化物半导体合金(如 (Al,Ga)N 和 (Al,In,Ga)N)的关注度也与日俱增。首先,人们之所以对它们感兴趣,是因为它们具有可调特性,可用于发光二极管 (LED) 和其他光电应用 [1],并且具有宽带隙 (WBG) 半导体特性,可用于射频 (RF) 和电力电子应用中的高电子迁移率晶体管 (HEMT)。[2] 2009 年,首次有报道称在 AlN 中添加钪可显著提高压电响应 [3],并很快被用于压电薄膜器件,如手机中的薄膜体声波谐振器 (FBAR)。 [4] 最近有关 Al 1-x Sc x N(x ≥ 0.1)的铁电性的报道,作为第一种纤锌矿铁电材料,引起了进一步的科学兴趣[5,6],也引起了作为混合逻辑存储器设备候选者的重大技术兴趣。
离子束蚀刻 (IBE) 通过定向和精确控制的离子能量轰击蚀刻目标,去除材料。IBE 也称为“离子束铣削”。IBE 源从惰性气体(通常是氩气)产生等离子体。一组电偏置网格确定离子束能量和离子束内的离子角发散。离子束撞击基材,通过物理溅射去除材料。离子束蚀刻具有其他等离子体工艺所不具备的定向灵活性。虽然 IBE 的蚀刻速率通常低于反应离子蚀刻 (RIE),但 IBE 可为需要精确轮廓控制的应用提供高精度(高各向异性)。此外,离子束蚀刻可用于去除 RIE 可能无法成功的材料。离子束可以蚀刻与 RIE 不兼容的合金和复合材料。离子束蚀刻有许多应用,包括磁传感器的纳米加工、MEMS 设备以及表面声波 (SAW) 和体声波 (BAW) 滤波器的修整。一种较新的应用是制造高性能非易失性存储器,特别是“自旋转移扭矩” MRAM(磁阻随机存取存储器)。
研究经历 斯坦福大学仿生与灵巧操作实验室 研究生助理,机械工程系 2019 年 1 月 – 至今 • 改进用于机器人操作和交互的触觉传感器 斯坦福大学 CHARM 实验室 研究生助理,机械工程系 2018 年 9 月 – 2019 年 1 月 • 构建了一个软传感器阵列,用于检测多模态触觉皮肤上的手指位置 哥伦比亚大学创意机器实验室 机械工程系本科生助理 2016 年 9 月 – 至今 • 构建了一个生物启发的 3D 打印四足动物作为开源机器学习平台 哥伦比亚大学 Sia 实验室 生物医学工程系本科生助理 2015 年 9 月 – 2015 年 12 月 • 快速原型成型装置,用于培养自血管化组织,用于治疗严重肢体缺血 哥伦比亚大学非常规电子实验室 电气工程系本科生助理 2015 年 1 月 – 2015 年 5 月 • 设计和构造离子溅射机用于微加工薄膜体声波谐振器
滤波器是通信系统中的核心无源元件,随着 5G 技术、物联网、传感器和自动化的兴起,通信系统中的滤波器市场预计还会不断扩大。1 – 3 虽然表面声波 (SAW) 滤波器由于制造简单而在 2 GHz 以下占据主导地位,但它们在更高频率下的性能受到低表面声波速度、光刻复杂性和低品质因数的限制。1、4 与体声波 (BAW) 滤波器相比,窄叉指换能器 (IDT) 手指中的电迁移损伤和 SAW 的不均匀电流分布导致其功率处理能力较差。1 由于厚度延伸波的速度高于表面声波,因此 BAW 滤波器在 1.5 至 6 GHz 的较低 5G 频段占主导地位。高品质因数和高功率处理能力使 BAW 滤波器可以扩展到更高的频率,同时保持高 RF 性能。 1 由于这种电声滤波(因为声波的波长比相同频率的电磁波小得多)而带来的小型化优势,在毫米波范围(30 – 300 GHz)的较高频率下,其收益会逐渐减少。对于如此高的频率,使用基片集成波导 (SIW) 和腔体滤波器在光域中进行直接滤波占主导地位。5 – 9
随着对电子设备成本更低、性能更好、尺寸更小、可持续性更强的需求,微机电系统 (MEMS) 换能器成为受益于小型化的主要下一代技术候选之一 [1-3]。压电 MEMS 谐振器具有高品质因数和大机电耦合度,是射频 (RF) 系统中很有前途的产品 [4-8]。压电 MEMS 谐振器的主要材料是氮化铝 (AlN)、压电陶瓷 (PZT)、氧化锌 (ZnO) 和铌酸锂 (LN) [9-13]。近年来,掺杂 AlN 薄膜,尤其是氮化铝钪 (AlScN),因其能提高 d 33 和 d 31 压电系数而备受研究 [14]。基于AlN和AlScN薄膜的压电MEMS谐振器凭借单片集成度高、性能优越等特点,受到越来越多的关注。MEMS谐振器种类繁多,如表面声波(SAW)谐振器[15,16]、薄膜体声波谐振器(FBAR)[17-19]。但SAW器件与CMOS工艺不兼容,FBAR的频率主要取决于压电层厚度,因此很难在一个芯片上实现多个工作频率或宽频率可调性。另一方面,基于AlN和AlScN的轮廓模式谐振器(CMR)与CMOS工艺兼容[20-24]。同时,工作频率和谐振频率与CMOS工艺兼容,而基于CMR的器件的工作频率和谐振频率与CMOS工艺不兼容。