【摘要】：近些年來隨著移動互聯(lián)網(wǎng)時代與信息化進(jìn)程的不斷加快,移動通訊行業(yè)迎來了飛速的發(fā)展與革新的熱潮,移動通訊終端設(shè)備的需求也呈現(xiàn)爆發(fā)式的增長。在無線通訊系統(tǒng)中,薄膜體聲波諧振器(FBAR)得益于其小體積、高頻率、高Q值、可集成的優(yōu)點,在濾波器、振蕩器、雙工器、低噪聲放大器(LNA)等核心射頻元器件中具有廣泛的應(yīng)用。在FBAR技術(shù)的眾多研究方向中,頻率調(diào)制一直以來都是學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界的研究熱點,這一功能在實現(xiàn)器件的頻率一致性、溫度補(bǔ)償、頻段拓展及傳感探測等方面具有重大的應(yīng)用價值。在當(dāng)前眾多的FBAR頻率調(diào)制技術(shù)中,基于壓電薄膜的本征電場調(diào)制與光調(diào)制方式具有控制靈活、響應(yīng)快且不需要額外調(diào)制單元的優(yōu)點,在實現(xiàn)FBAR的頻率調(diào)制功能方面具有顯著的優(yōu)勢與應(yīng)用前景。目前,在FBAR的本征電場調(diào)制與光調(diào)制特性研究及其應(yīng)用方面仍然存在一些問題:當(dāng)下關(guān)于各類本征電調(diào)特性的研究均側(cè)重于描述各自所設(shè)計器件的電場調(diào)制性能的定量結(jié)果,尚未有深入分析FBAR本征電調(diào)特性背后的誘因與物理機(jī)理的研究,而本征電調(diào)特性的機(jī)理研究對電調(diào)FBAR的優(yōu)化設(shè)計有著非常重要的指導(dǎo)意義;另一方面,在FBAR的光調(diào)制研究與傳感應(yīng)用方面,盡管目前已在紫外與可見光波段引起了廣泛研究并取得了不俗的成果,但在紅外波段的研究卻鮮有報道,尤其是在實現(xiàn)高靈敏度與高可靠性的FBAR紅外傳感器方面,尚有待進(jìn)一步的完善。因此,本論文在國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金以及裝備預(yù)研教育部聯(lián)合基金的資助下,對基于AlN壓電薄膜FBAR的電場與紅外調(diào)制特性及其應(yīng)用進(jìn)行了深入的研究。論文的具體工作和主要研究內(nèi)容如下:(1)基于壓電材料的h型一維簡化本構(gòu)方程推導(dǎo)了AlN壓電薄膜振子的機(jī)電等效模型,并結(jié)合普通材料層的聲學(xué)等效模型,建立了層合結(jié)構(gòu)FBAR的普適理論模型,并根據(jù)此模型對器件的電學(xué)阻抗特性進(jìn)行了分析,優(yōu)化設(shè)計了諧振頻率高達(dá)GHz的雙主諧振模態(tài)的FBAR器件。此外,還利用了COMSOL有限元仿真軟件分析了器件在諧振模態(tài)下的電學(xué)與振動特性,仿真結(jié)果與理論模型吻合良好,表明所建立的理論模型可以有效預(yù)測層合結(jié)構(gòu)FBAR的諧振特性。(2)研究了基于脈沖直流磁控濺射法制備AlN壓電薄膜的相關(guān)理論和方法,分析了襯底溫度、濺射功率、氣體流量比、工藝真空度四個核心工藝參數(shù)對AlN壓電薄膜c軸(002)晶面擇優(yōu)取向的影響,進(jìn)而優(yōu)化制備了高c軸擇優(yōu)取向的AlN壓電薄膜,測試結(jié)果表明,AlN壓電薄膜(002)晶面取向衍射峰強(qiáng)度高達(dá)10~5 counts,同時實現(xiàn)了半高寬FWHM小于2°。此外,設(shè)計了基于該AlN壓電薄膜的FBAR器件一體化微納加工工藝,并成功制備出性能良好的雙模態(tài)FBAR原型器件。測試結(jié)果表明,器件在2.5 GHz的一階模態(tài)下的串、并聯(lián)諧振頻率的品質(zhì)因數(shù)(Q值)與機(jī)電耦合系數(shù)分別達(dá)到了163、249與3.72%,在3.5 GHz的二階模態(tài)下的串、并聯(lián)諧振頻率Q值與機(jī)電耦合系數(shù)分別為211、143與4.44%。(3)系統(tǒng)地研究了基于AlN壓電薄膜雙模態(tài)FBAR的電場調(diào)制特性。實驗結(jié)果表明,一階模態(tài)與二階模態(tài)的串、并聯(lián)諧振頻率均與外加偏置電場呈線性正相關(guān),其中一階模態(tài)的串、并聯(lián)諧振頻率調(diào)制靈敏度分別為48.05 kHz/(MV/m)與33.13kHz/(MV/m),二階模態(tài)則達(dá)到了68 kHz/(MV/m)與59.7 kHz/(MV/m)。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究了FBAR器件各模態(tài)MBVD模型中各參數(shù)對電場的依賴關(guān)系,提取結(jié)果表明,模型中的靜電容C_0與動態(tài)電容C_m均與偏置電場呈負(fù)相關(guān),而動態(tài)電阻R_m與動態(tài)電感L_m則與電場呈正相關(guān)關(guān)系。對器件電場調(diào)制特性的機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的分析,發(fā)現(xiàn)了AlN壓電薄膜材料的電增勁效應(yīng)是引起FBAR電調(diào)特性的主要原因,并利用推導(dǎo)的FBAR的機(jī)電等效模型與電調(diào)特性的實驗結(jié)果,設(shè)計了迭代算法對AlN壓電材料的電增勁效應(yīng)進(jìn)行了定量提取,結(jié)果表明,AlN的等效剛度系數(shù)c~D_(33)隨著外加偏置電場的增加而線性增大,在-150 MV/m到150 MV/m的范圍內(nèi)的相對變化高達(dá)10%,對應(yīng)的調(diào)制靈敏度為333 ppm/(MV/m)。同時,首次從原子間作用力的角度分析了AlN壓電材料電增勁現(xiàn)象的物理機(jī)制,揭示了電增勁效應(yīng)的本質(zhì)是由電場調(diào)制所引發(fā)的原子間作用力的非線性變化所引起的,并針對此效應(yīng)提出了基于逆壓電效應(yīng)與Born-Landé方程的定量分析模型,并與之前實驗提取結(jié)果進(jìn)行了對比分析,探討了此理論模型的不足與接下來的改進(jìn)方向。最后利用電調(diào)特性對所加工的FBAR進(jìn)行了零溫漂補(bǔ)償?shù)臏y試,結(jié)果表明一階模態(tài)與二階模態(tài)的零溫漂補(bǔ)償調(diào)制率分別達(dá)到了1.29 V/℃與0.16 V/℃。(4)研究了雙模態(tài)FBAR的紅外光調(diào)制特性,實驗結(jié)果表明,器件一階模態(tài)與二階模態(tài)的諧振頻率均與入射紅外光強(qiáng)呈線性正相關(guān),對應(yīng)的調(diào)制靈敏度分別為80.88 kHz/(mW/mm~2)與1069.34 kHz/(mW/mm~2),與此同時,一階模態(tài)的反射系數(shù)與入射紅外光強(qiáng)呈負(fù)相關(guān),而二階模態(tài)的反射系數(shù)則呈正相關(guān),并且二者隨紅外光強(qiáng)的變化均呈非線性趨勢,最大調(diào)制靈敏度分別為-13.91 dB/(mW/mm~2)與1.33dB/(mW/mm~2)。仔細(xì)探究了FBAR器件的紅外光敏機(jī)理,通過實驗與仿真分析揭示了光致熱效應(yīng)并不是器件紅外光敏的主要原因,推論器件靜電容的光敏效應(yīng)才是FBAR紅外光調(diào)制的主要誘因,并通過實驗證明了靜電容對入射紅外光具有強(qiáng)烈的依賴關(guān)系,調(diào)制靈敏度高達(dá)5.93%/(mW/mm~2)。最后,利用雙模態(tài)FBAR的紅外調(diào)制特性提出了四傳感信號協(xié)同工作的紅外探測方式,分別取得了3.32 Hz/nW,561.21μdB/nW,43.17 Hz/nW及53.70μdB/nW的紅外傳感靈敏度,當(dāng)采用一階模態(tài)下的反射系數(shù)作為傳感信號時,可獲得最佳噪聲等效功率108 pW/Hz~(0.5)。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN62;TN713
【圖文】：

就是微波諧振器。尤其是射頻濾波器，在當(dāng)下通為了保證無線收發(fā)系統(tǒng)的正常工作，免受鄰近頻段必須配備高性能的濾波器模組，以實現(xiàn)高性噪比的手機(jī)為例，如圖 1.1 所示，目前一部 4G 手機(jī)中的 個，而對于即將到來的 5G 時代，這一數(shù)字將進(jìn)一動通信領(lǐng)域?qū)ι漕l濾波器的需求極為巨大。目前，三種：介質(zhì)濾波器、聲表濾波器、薄膜體聲波諧振波器的優(yōu)勢在于功率容量大，插入損耗低，但其存無法滿足現(xiàn)代電子器件小型化、集成化的發(fā)展趨勢濾波器尺寸可以做得很小，并且工藝也已非常成熟術(shù)水平的限制，目前主要應(yīng)用于 2GHz 以下的中頻的硅基半導(dǎo)體工藝兼容，無法滿足射頻前端進(jìn)一步工技術(shù)的 FBAR 濾波器不僅具體小體積、高頻率、成電路的主流工藝 CMOS 相兼容[3]，完全滿足當(dāng)集成、低功耗、高性能的發(fā)展趨勢。因此，一經(jīng)面勢迅速占領(lǐng)了無線通訊領(lǐng)域市場。

隨著全球產(chǎn)業(yè)智能化的發(fā)展與人工智能時代的到發(fā)展。其中，聲波諧振型傳感器得益于其尺寸小、（半數(shù)字信號，因此抗干擾能力強(qiáng)，進(jìn)而獲得高性傳感器領(lǐng)域的市場份額不斷增大，美國全球性ets 在 2017 年 7 月出具的一份關(guān)于聲波傳感器的e Sensor Market (2017 2023)”中指出[4]：2017 年聲波元，預(yù)計到 2023 年將達(dá)到 8.68 億美元，復(fù)合年增長而基于 FBAR 技術(shù)的諧振型傳感器相較于傳統(tǒng)的聲）具有高 Q 值（可達(dá) 2000）、高諧振頻率（可達(dá)數(shù)容）等得天獨厚的優(yōu)勢，因此，近些來開始在傳感已拓展到質(zhì)量[5,6]、溫度[7,8]、濕度[9,10]、壓強(qiáng)[11,12]、FBAR 技術(shù)不僅在射頻通信領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用價大的應(yīng)用前景。

微納工藝加工出圖形化的各功能層，最后再采用刻蝕的方式將之前預(yù)先牲層選擇性刻蝕掉，從而實現(xiàn) FBAR 核心振蕩區(qū)域底部的空氣界面，如圖）所示；而下凹型則需要在硅襯底表面通過刻蝕工藝先形成一個淺槽（通 2 微米），然后再淀積犧牲層材料將淺槽填充滿，接下來再通過化學(xué)機(jī)械MP）工藝，將多余的犧牲層材料去掉直至凹槽左右兩端的硅襯再次露出按標(biāo)準(zhǔn)工藝制備 FBAR 的各功能膜層，完畢后再將凹槽中殘余的犧牲層從而依然形成核心振蕩區(qū)域下方的空氣界面，如圖 1.3（b）所示。這一類 F依然能夠很好地將聲波限制于壓電振蕩堆之內(nèi)，從而獲得很高的 Q 值，采用了表面微加工工藝，省去了背部體硅深刻的麻煩，避開了背面深硅率不一致的弊端，進(jìn)一步地降低了成本，提高了良品率，目前占據(jù) FBA半壁江山的 Avago 公司所提供的產(chǎn)品正是基于此種結(jié)構(gòu)設(shè)計的，但其缺水平要求較高，目前主要是占據(jù)市場份額的各商業(yè)寡頭或掌握核心工藝的優(yōu)選方案，對主要面向 FBAR 技術(shù)基礎(chǔ)研究的眾多實驗室來說，還有戰(zhàn)。

【參考文獻(xiàn)】

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5 周斌;高楊;何移;李君儒;何婉婧;;薄膜體聲波諧振器溫度-頻率漂移特性分析[J];壓電與聲光;2014年02期

6 李麗;;微型FBAR濾波器芯片[J];半導(dǎo)體技術(shù);2013年01期

7 胡健楠;郝智彪;任凡;張辰;羅毅;;射頻分子束外延生長氮化鋁材料中缺陷的研究[J];真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報;2012年11期

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9 凌浩,施維,孫劍,應(yīng)質(zhì)峰,吳嘉達(dá),李富銘,王康林,丁訓(xùn)民;用脈沖激光沉積方法制備氮化鋁薄膜[J];中國激光;2001年03期

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本文編號：2772717