憑借高性能和標(biāo)準(zhǔn)CMOS兼容集成工藝，體聲波（BAW）濾波器已廣泛用于移動(dòng)通信系統(tǒng)的消費(fèi)類產(chǎn)品中。然而，對于傳統(tǒng)基于氮化鋁（AlN）的BAW濾波器來說，僅通過純聲學(xué)方法來滿足多個(gè)分配的具有超過5%相對帶寬的5G頻帶是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

近日，武漢大學(xué)孫成亮教授研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于Al0.8Sc0.2N薄膜的體聲波諧振器（FBAR），用于射頻（RF）濾波器的設(shè)計(jì)。通過利用高質(zhì)量的Al0.8Sc0.2N薄膜，所制造的諧振器表現(xiàn)出14.5%的Keff2和高達(dá)62的品質(zhì)因數(shù)（FOM）。該諧振器的頻率溫度系數(shù)（TCF）為?19.2ppm/°C，表明其具有優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性。所制造的濾波器的中心頻率為4.24?GHz，-3dB帶寬為215?MHz，插入損耗（IL）為1.881?dB，抑制大于32dB。這項(xiàng)工作為實(shí)現(xiàn)工作在5G頻段的寬帶聲波濾波器的開發(fā)鋪平了道路。

在這項(xiàng)研究工作中，所設(shè)計(jì)的壓電薄膜體聲波諧振器由生長在硅（Si）襯底（725?μm厚）上的六個(gè)薄膜組成。腔外兩個(gè)附加的鉬（Mo）層（120nm和37nm?）分別設(shè)計(jì)在頂部和底部電極上，以降低電極電阻。在此設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用與CMOS兼容的微加工工藝制造出AlScN基的FBAR。

基于Al0.8Sc0.2N薄膜的FBAR

制造基于AlScN的FBAR主要工藝步驟

下圖顯示了研究人員制造的濾波器的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像和電路示意圖。該濾波器由8個(gè)元件組成，包括4個(gè)串聯(lián)諧振器和4個(gè)并聯(lián)諧振器。為了實(shí)現(xiàn)通帶傳輸特性，37?nm的Mo質(zhì)量負(fù)載層被添加到并聯(lián)諧振器，以使其諧振頻率低于串聯(lián)諧振器。此外，在每個(gè)相鄰諧振器之間的互連線上構(gòu)造附加的Mo層，以提高濾波器的性能。該濾波器的中心頻率為4.24GHz，-3dB帶寬為215?MHz，IL為1.881dB，抑制大于32dB。中心頻率下測得的回波損耗小于-12?dB，表示在無任何輔助電路的情況下可實(shí)現(xiàn)50?Ω阻抗匹配。

基于Al0.8Sc0.2N的FBAR濾波器實(shí)驗(yàn)結(jié)果

簡而言之，研究人員開發(fā)了一種基于Al0.8Sc0.2N的FBAR，用于聲學(xué)MEMS濾波器的設(shè)計(jì)。該FBAR器件通過與CMOS兼容的微加工工藝制造，包括濺射沉積、電感耦合等離子體刻蝕和腔體釋放。研究人員對Al0.8Sc0.2N薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了表征。結(jié)果表明，Al0.8Sc0.2N層具有良好的c軸擇優(yōu)取向。該FBAR具有大的e33（2.08?C/m2）、14.5%的Keff2和高達(dá)62的FOM。此外，還研究了Al0.8Sc0.2N基FBAR的溫度特性。基于上述諧振器制造的濾波器顯示出5G射頻前端應(yīng)用的強(qiáng)大潛力。

審核編輯：郭婷