3-D моделирование тонкопленочных акустоэлектронных СВЧ резонаторов на основе нитрида алюминия тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат наук Босов, Сергей Иванович

• Босов, Сергей Иванович
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Босов, Сергей Иванович

Содержание

Введение

1 Акустические волны в многослойных тонкопленочных пьезо-кристаллических структурах

Введение

1.1 Типы акустических волн, распространяющихся в многослойных тонкопленочных пьезокристаллических структурах

1.2 Методики моделирования волновых процессов в тонкопленочных пьезоструктурах

1.2.1 Основные волновые уравнения пьезоакустики

1.2.2 Численный расчет параметров ОАВ, распространяющихся в многослойных тонкопленочных пьезоэлектрических структурах (методика Новотного - Бенеша)

1.2.3 Численный расчет параметров электроакустических волн Лэмба (методика Фарнелла - Джонса)

1.2.4 Метод конечных элементов для решения уравнений пьезоакустики в 3-Б представлении

Выводы

2 Расчет основных параметров СВЧ тонкопленочных акустоэлек-тронных резонаторов

Введение

2.1 Основные параметры акустоэлектронных резонаторов

2.2 Методики и алгоритмы расчета основных параметров акустоэлектронных резонаторов

2.2.1 Модель Баттерворта - ван Дайка

2.2.2 Одномерная модель Новотного - Бенеша

2.2.3 Метод конечных элементов для 3-D моделирования и расчета основных параметров тонкопленочных резонаторов

2.3 Численное тестирование конечно-элементной модели акусто-

электронного резонатора

Выводы

3 Некоторые возможности улучшения основных параметров тонкопленочных акустоэлектронных резонаторов

Введение

3.1 Физические и конструктивные факторы, влияющие на добротность акустоэлектронных резонаторов

3.2 Влияние материала электродов на добротность

3.3 Особенности характеристик резонаторов с акустическим отражателем

3.4 Влияние формы и размеров электродов на основные характеристики акустоэлектронных резонаторов

3.5 Особенности планарной конструкции тонкопленочного резонатора

3.6 Влияние технологических погрешностей на основные параметры акустоэлектронных резонаторов

Выводы

4 Экспериментальный анализ параметров синтезированных тонкопленочных резонаторов и сравнение с теоретическими расчетами

Введение

4.1 Технология изготовления экспериментального образца

4.2 Экспериментальный стенд и методика измерения основных параметров устройства

4.3 Результаты измерений акустоэлектронных резонаторов и сравнение их с результатами численного моделирования

4.3.1 FBAR резонатор мембранного типа

4.3.2 SMR-BAW резонатор

4.3.3 Экспериментальное сравнение 8М11-ВА\¥ резонатора с симметричным и асимметричным акустическими отражателями

4.3.4 Технологические погрешности

Выводы

Заключение

Список литература

А Материальные константы

В Типы и конструкции тонкопленочных акустоэлектронных резонаторов

Список сокращений

ОАВ — Объемные акустические волны

ПОАВ — Продольные объемные акустические волны

СОАВ — Сдвиговые объемные акустические волны

ППОАВ —Приповерхностные объемные акустические волны

ПАВ — Поверхностные акустические волны

ОПАВ — Обобщенные поверхностные акустические волны

ВПАВ — Вытекающие поверхностные акустические волны

ППАВ — Псевдоповерхностные акустические волны

МКЭ — Метод конечных элементов

КЭ — Конечный элемент

ЭАВ — Электроакустические волны

ВШП — Встречно-штыревой преобразователь

ВСППАВ — Высокоскоростные псевдоповерхностные акустические

волны

ТКЧ — Температурный коэффициент частоты FBAR — Film Bulk Acoustic Resonator

SMR-BAW — Solidly Mounted Resonator - Bulk Acoustic Waves BvD — эквивалентная схема Баттерворта - ван Дайка mBvD — модифицированная схема Баттерворта - ван Дайка

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «3-D моделирование тонкопленочных акустоэлектронных СВЧ резонаторов на основе нитрида алюминия»

ВВЕДЕНИЕ

Акустоэлектронные устройства — принципиально незаменимые базовые элементы всех перспективных систем и средств связи, навигации, радиолокации, мониторинга, робототехники. Они позволяют обеспечить обработку сложных сигналов в реальном масштабе времени при высокой чувствительности, широком динамическом диапазоне, высокой помехозащищенности. Акустоэлектронные устройства нового поколения позволяют осваивать более высокочастотные диапазоны, обладают низким энергопотреблением, отличаются уникально малыми массогабаритными характеристиками и невысокой стоимостью.

В настоящее время акустоэлектронные устройства (резонаторы, фильтры, линии задержки и т.д.) используются практически во всех областях радиоэлектроники, в частности, в системах мобильной и сотовой связи, аппаратуре передачи и обработки информации (подвижные, спутниковые, тропосферные и радиорелейные линии связи, спутниковое, кабельное, цифровое, сотовое телевидение и телевидение высокой четкости, аналоговые и цифровые абонентские станции системы связи в стандартах CDMA, TDMA, WDMA, система ГЛОНАСС). Кроме того, акустоэлектронные устройства нашли широкое применение в микросистемной технике в качестве основы для микроминиатюрных акустоэлектронных сенсоров различного назначения: сенсоры физических величин (температура, давление, деформация, ускорение, напряжение и т.д.), газовые сенсоры, анализаторы жидкости, биосенсоры и т.д.

Как известно [1,2], принцип работы традиционных кварцевых резонаторов (фильтров) основан на использовании объемных акустических волн (ОАВ), распространяющихся в объеме пьезокристалла. При этом их рабочий частотный диапазон ограничивается сотнями мегагерц, т.к. для увеличения рабочей частоты необходимо уменьшать толщину объемного кварца до единиц микрометров, что технологически сделать очень трудно.

В диапазоне частот от десятков мегагерц до двух гигагерц в подавляющем большинстве акустоэлектронных устройств используются различные виды поверхностных акустических волн (ПАВ), распространяющихся вблизи поверхности пьезокристалла. Амплитуда колебаний ПАВ затухает до нуля в глубине пьезокристалла на расстоянии порядка длины акустической волны Л

от поверхности. Как известно [3-6], для возбуждения и приема ПАВ на поверхности пьезокристалла используют встречно-штыревые преобразователи (ВШП), представляющие из себя систему вложенных друг в друга металлических электродов с периодом Р — А/2, где А — длина акустической волны. Рабочая частота (/ = v/X = v/2Р, где v — скорость ПАВ) устройств на ПАВ определяется величиной скорости волны, а также периодом Р электродов ВШП. Как правило, скорость ПАВ имеет величину 3000 — 4000 м/с. Для повышения рабочей частоты устройств на ПАВ необходимо уменьшать период Р электродов ВШП. Технологические ограничения фотолитографического процесса формирования ВШП не позволяют уменьшить его период до величины менее 0,5 мкм. При скорости поверхностной акустической волны порядка 3000 м/с это соответствует рабочей частоте около 3 ГГц [7]. Несколько повысить рабочую частоту можно за счет использования псевдоповерхностной акустической волны, скорость которой выше, чем скорость ПАВ (4000 — 5000 м/с). Кардинальное повышение рабочей частоты таких устройств выше обусловленного технологией предела невозможно [8].

Тем не менее системы, использующие технологию беспроводной связи, уже сейчас работают на частотах радиоканала в диапазоне 0,43 — 2,4 ГГц. К таким сетям относятся прежде всего сети GSM-900 с частотой 890 — 960 МГц, GSM-1800 с частотой 1710 - 1880 МГц [9], сети Wi-Fi стандартов 802.1 lb/g, Bluetooth с рабочей частотой 2,4 ГГц [ 10] и т.д. В ближайшей перспективе системы широкополосной связи освоят диапазон 5,155 — 6,425 ГГц (например, стандарты 802.16d/e предусматривают беспроводные WiMax сети с рабочими частотами 1,5 — 13,6 ГГц [10]), в среднесрочной перспективе — диапазон свыше 10 ГГц. Специальные системы, такие как радиолокация, средства радиоэлектронной борьбы, уже сейчас работают на частотах свыше 10 ГГц.

Для селекции и стабилизации частот таких систем требуются акусто-электронные компоненты, обеспечивающие работу в заданном СВЧ диапазоне частот и возможность их интеграции с полупроводниковыми структурами в одной микросхеме.

Принципиально новые возможности существенного повышения рабочей частоты акустоэлектронных устройств открываются в связи с возможностью выращивания тонких пленок со структурой анизотропного кристалла, обладающего пьезоэлектрическими свойствами. В частности, таковыми свой-

ствами обладает пленка нитрида алюминия (АШ). Скорость продольной объемной акустической волны (ПОАВ) в нитриде алюминия достигает величины около 11 км/с, что при толщине пленки в 0,5 мкм соответствует частоте И ГГц. Учитывая, что толщина пленки может быть меньше 0,5 мкм, рабочая частота может быть еще выше. Необходимо отметить, что свой вклад в понижение частоты дает конечная толщина электродов, но даже с учетом этого обстоятельства рабочая частота тонкопленочного резонатора на объемных волнах может достигать величины, превышающей 20 ГГц, что совершенно недостижимо для устройств на поверхностных волнах.

Для разработки СВЧ акустоэлектронных устройств принципиально необходимо использовать многослойные тонкопленочные пьезокристалличе-ские структуры, толщина которых сравнима с длиной акустической волны.

В последнее время освоены технологии выращивания тонкопленочных пьезоструктур на основе нитрида алюминия, окиси цинка и других материалов, имеющих толщины от 0,05 до 2 мкм. На основе таких структур появилась возможность создавать СВЧ акустоэлектронные компоненты, работающие в диапазоне рабочих частот от 2 до 30 ГГц. К таким компонентам прежде всего относятся СВЧ акустоэлектронные резонаторы (фильтры) на основе ориентированных тонкопленочных пьезоструктур из нитрида алюминия, выращенного на подложках из кремния. При этом в качестве рабочей акустической волны может быть использована продольная объемная акустическая волна (ПОАВ).

Самая простая конструкция СВЧ тонкопленочного акустоэлектронно-го резонатора состоит из двух электродов, между которыми находится тонкий пьезокристаллический слой. Центральная частота резонатора определяется толщиной пьезослоя и скоростью акустической волны. В первом приближении центральная рабочая частота тонкопленочного резонатора оценивается из простейшего соотношения / = у/(21г), где V — скорость продольной объемной акустической волны (ПОАВ) вдоль направления, перпендикулярного поверхности пьезоактивного слоя из (0001) АШ (у « 11 км/с), к — толщина слоя. В качестве примера, на рис. 1 показаны диапазоны рабочих частот СВЧ тонкопленочных акустоэлектронных резонаторов в зависимости от толщин пье-зоактивной пленки АШ и металлических электродов. Из рисунка видно, что для реализации СВЧ диапазона рабочих частот вплоть до 28 ГГц необходимо

100 150

Толщина AIN (нм)

Рисунок 1 : Диапазоны рабочих частот СВЧ тонкопленочных акустоэлектронных резонаторов в зависимости от толщин пьезоактивной пленки AIN и металлических электродов

использовать очень тонкие пленки как нитрида алюминия, так и электродов резонатора.

В одночастотных резонаторах для выделения резонансной частоты необходимо акустически изолировать тонкопленочную структуру от подложки. Такая изоляция может быть выполнена двумя способами. Первый — создание под структурой воздушного зазора. Такой резонатор называется тонкопленочным резонатором мембранного типа (английская аббревиатура — FBAR, Film Bulk Acoustic Resonator). Другой способ заключается в использовании структуры, смонтированной на подложке, в которой между резонатором и подложкой помещается акустический отражатель, служащий для изоляции акустических колебаний вне рабочей области резонатора (английская аббревиатура SMR-BAW — Solidly Mounted Resonator - Bulk Acoustic Wave).

Несмотря на то, что основным типом акустической волны в таких устройствах является продольная объемная акустическая волна (ПОАВ), в структуре резонатора принципиально возбуждается целый набор акустических волн различного типа. К таким волнам относятся сдвиговые объемные акустические волны (СОАВ), волны Рэлея - Лэмба и т.д., возбуждающиеся в многослойной тонкопленочной структуре, служащей основой резонатора. Такие волны часто оказывают негативное влияние на характеристики СВЧ акустоэлектронных устройств, поэтому важной задачей является исследование и анализ волновых процессов, происходящих в многослойных тонкопленочных

(толщина каждого слоя меньше длины акустической волны) пьезокристалли-ческих структурах.

Акустические волны различного вида, распространяющиеся в многослойных тонкопленочных пьезокристаллических структурах, изучены лишь частично. Сложность исследования свойств таких волн связана с тем, что анизотропия свойств кристалла, а также множество слоев в структуре не позволяют провести анализ параметров таких акустических волн в общем виде. Требуется привлечение численных методов расчета.

Таким образом, в настоящий момент задача анализа и численного моделирования волновых процессов, происходящих в многослойных тонкопленочных структурах, несомненно остается актуальной в акустоэлектронике.

Численное 3-D моделирование волновых процессов и анализ электроакустических волн различного типа, распространяющихся в таких многослойных структурах, приведет к созданию новых классов микроминиатюрных аку-стоэлектронных устройств, имеющих оптимальные характеристики.

Для моделирования и теоретического анализа волновых процессов, возникающих в таких структурах, со сложными граничными условиями необходим подбор математических теорий и методов моделирования и адаптация их под новые усложненные требования.

Цель работы

В соответствии с изложенным выше, целями диссертационной работы являются теоретическое исследование и анализ волновых акустических процессов в многослойных тонкопленочных пьезокристаллических структурах на основе 3-D моделирования и решения волновых уравнений пьезоакусти-ки методом конечных элементов в среде ANS YS, а также численный анализ и оптимизация параметров СВЧ тонкопленочных акустоэлектронных резонаторов (FBAR-резонаторов) на основе многослойных тонкопленочных структур, включающих пьезослой из нитрида алюминия AIN, работающих в гигагерцовом диапазоне частот.

При этом поставленные цели требуют дальнейшего развития численных методов 3-D моделирования граничных задач пьезоакустики в многослойных тонкопленочных пьезокристаллических структурах методом конечных элементов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Обоснование методики 3-0 моделирования многослойных акустоэлек-тронных резонаторов.

2. Расчет основных параметров и поиск наилучшей конструкции СВЧ тонкопленочных акустоэлектронных резонаторов различного типа (резонаторов мембранного типа, резонаторов с акустическим отражателем) при помощи 3-Б моделирования.

3. Сравнение полученных теоретических результатов с результатами эксперимента.

Научная новизна работы:

1. Численным расчетом получены основные параметры СВЧ тонкопленочных акустоэлектронных резонаторов, работающих в гигагерцовом диапазоне частот, включая СВЧ тонкопленочные одночастотные акустоэлек-тронные резонаторы мембранного типа и СВЧ тонкопленочные акусто-электронные резонаторы с акустическим отражателем.

2. Численным и натурным экспериментом показано, что асимметричный акустический отражатель в 8М11-ВА\У резонаторе эффективно отражает сдвиговые колебания, существующие в структуре, по сравнению с акустическим отражателем брэгговского типа, что приводит к увеличению максимальной добротности резонатора.

3. Путем численных и натурных экспериментов исследованы параметры 8М11-ВА\\Г резонаторов с различной конфигурацией верхнего электрода, включая конфигурацию электродов в виде компланарной линии передачи, и найдены конструкционные решения, позволяющие существенно снизить паразитные волновые процессы (сдвиговые колебания), существующие в структуре.

4. Разработаны макеты СВЧ акустоэлектронных тонкопленочных резонаторов различных типов.

Теоретическая и практическая значимость работы

Теоретическая значимость работы заключается в результатах сравнительного анализа методов расчета и моделей акустоэлектронных резонаторов, и выявление наиболее эффективного способа теоретического расчета основных параметров устройства, а также теоретически и экспериментально подтверждена допустимость применения 3-0 МКЭ моделирования для расчета основных параметров акустоэлектронных резонаторов.

Практическая значимость работы состоит в теоретическом и экспериментальном исследовании конструкций тонкопленочных акустоэлектронных резонаторов на ОАВ, а также влияния различных конструкционных решений на основные параметры устройства. Полученные результаты имеют общефизический интерес, т.к. расширяют известные представления о волновых процессах распространения ЭАВ различного типа в многослойных тонкопленочных пьезокристаллических средах. Знание физических свойств различных типов ЭАВ и их роли при конструировании РВАЯ-резонаторов позволит разработчикам радиоэлектронной аппаратуры осуществить целенаправленный выбор конструкции с целью создания СВЧ акустоэлектронных устройств с оптимизированными техническими характеристиками, работающих в диапазоне частот 2 — 30 ГГц.

Апробация работы и публикации

По теме диссертации опубликовано 19 работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых журналах ВАК.

Результаты диссертационной работы представлялись на XVII Международной научно-технической конференции "Радиолокация, навигация, связь" (г. Воронеж, 2011 г.), на конференциях "Электроника и микроэлектроника СВЧ" (г. Санкт-Петербург, 2011 и 2013 гг.), на XXIV и XXV сессиях Российского акустического общества (РАО) (г. Саратов, 2011 г. и г. Таганрог, 2012 г.). Доклады на сессиях РАО были отмечены дипломами.

Различные технические решения, эффективность которых доказана с помощью теоретических и экспериментальных исследований, были использованы в ряде научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ:

- рассчитанная с помощью МКЭ, оптимальная конструкция мембраны была применена в научно-исследовательской работе "Исследование путей создания сверхчувствительных ПАВ-сенсоров механических и физиче-

ских величин", шифр "Сенсор-НН", ФЦП "Развитие электронной компонентной базы";

- разработанная оптимизированная топология верхнего электрода была использована в научно-исследовательской работе "Разработка базовых конструкций и технологий создания акустоэлектронных РВАЯ-резонаторов на основе пьезоэлектрических пленок нитрида алюминия и нитрида галлия на кремниевых подложках", шифр 'ТВАЯ", ФЦП "Развитие электронной компонентной базы";

- оптимизированная конструкция акустоэлектронного тонкопленочного резонатора была использована в опытно-конструкторской работе "Разработка базовой конструкции и технологии изготовления СВЧ одночастотных акустоэлектронных резонаторов на объемных акустических волнах на основе тонкопленочных пьезоструктур из нитрида алюминия для телекоммуникационных и навигационных систем", шифр "Резонатор-НН".

Работа выполнена частично в рамках гранта Правительства РФ для поддержки научных исследований, проводимых под руководством ведущих ученых в российских образовательных учреждениях высшего профессионального образования (Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, договор № 11.034.31.0066).

Личный вклад

Автор принимал активное участие в теоретическом исследовании акустических процессов в различных акустоэлектронных устройствах, а также в исследовании влияния различных факторов на характеристики акустических волн с помощью различных теоретических методов. Участвовал в разработке тонкопленочных одночастотных акустоэлектронных резонаторов на продольных объемных акустических волнах различного типа. Занимался созданием 3-Б модели акустоэлектронного резонатора методом конечных элементов, расчетом и проектированием топологий верхнего электрода устройства. Автор провел теоретическое (с использованием 3-Б МКЭ модели и модифицированной схемы Баттерворта - ван Дайка) и экспериментальное исследование влияния конструкции резонатора на основные параметры устройства.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. гибридный метод расчета основных параметров СВЧ акустоэлектронно-го тонкопленочного резонатора с использованием 3-Б анализа волновых уравнений пьезоакустики;

2. способы улучшения конструкции СВЧ тонкопленочного одночастотного резонатора, работающего на продольных объемных акустических волнах;

3. методика корректировки 3-0 модели по результатам экспериментальных исследований.

Структура и объем диссертации

В главе 1 диссертации рассмотрены основные типы акустических волн, которые возникают в многослойных тонкопленочных пьезоэлектрических структурах и приведены некоторые методы для численного расчета параметров акустических волн, распространяющихся в таких структурах.

В главе 2 рассмотрены основные методики моделирования акустоэлек-тронных тонкопленочных резонаторов, работающих в СВЧ диапазоне частот, и приведены способы расчета основных параметров этих устройств.

В главе 3 рассмотрены некоторые способы улучшения акустоэлектрон-ных резонаторов, приведены численные расчеты и результаты З-О моделирования с помощью метода конечных элементов, подтверждающие механизмы улучшения.

В главе 4 приведены результаты измерений экспериментальных макетов, которые сконструированы частично с помощью принципов и способов, описанных в главе 3, и проведено сравнение результатов эксперимента с результатами теоретических расчетов.

ГЛАВА 1. АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ В МНОГОСЛОЙНЫХ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ПЬЕЗОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СТРУКТУРАХ

В главе рассматриваются волны, распространяющиеся в многослойной тонкопленочной структуре, где одним из слоев является монокристаллическая пленка, обладающая пъезоэффектом. Поперечные размеры как структуры в целом, так и отдельных слоев ограничены и могут быть различны для каждого слоя. Во второй части главы рассмотрены основные методы расчета и моделирования акустических и электроакустических волн в многослойных структурах, проанализированы их ограничения, достоинства и недостатки. Основные результаты исследования, описанные в этой главе, были представлены на научно-технических конференциях [11-14].

Введение

В литературе (например [4,15,16]) описаны как теоретические, так и экспериментальные исследования параметров электроакустических волн различного типа. Однако большая часть исследований направлена на изучение электроакустических волн, распространяющихся в полубесконечных и бесконечных пьезокристаллических средах.

С появлением ГВА11 технологий резко возрос интерес к акустическим процессам, возникающим в многослойных тонкопленочных пьезокристаллических структурах, однако полностью изученным этот вопрос считать нельзя. В главе будут рассмотрены акустические и электроакустические волны, способные возбуждаться в многослойных тонкопленочных структурах, использующихся для конструирования на их основе устройств по РВАЛ технологии. Особое внимание будет уделено продольным и сдвиговым объемным электроакустическим волнам, распространяющимся в тонких пленках, а также волнам Рэлея - Лэмба.

1.1 Типы акустических волн, распространяющихся в многослойных тонкопленочных пье-зокристаллических структурах

Многослойная тонкопленочная пьезокристаллическая структура — это набор тонких пленок, толщина которых меньше длины акустической волны в материале слоя. Причем необходимым условием является наличие в структуре пленки из диэлектрического материала, обладающего пьезоэффектом. Акустические волны в такой структуре имеют более сложную структуру, чем акустические волны, распространяющиеся в полубесконечных средах.

Волновые явления в средах с ярко выраженной анизотропией ряда физических свойств характеризуются более сложными закономерностями по сравнению с волновыми явлениями в изотропных средах. Наличие пьезоэф-фекта приводит к тому, что соответствующие электрические и механические величины перестают быть независимыми. Если тело обладает пьезоэлектрическими свойствами, то деформации, создаваемые упругой волной, приводят к появлению локальных электрических полей [4]. Эти поля распространяются совместно с механической волной, а также могут выходить за пределы пьезоэлектрической среды. При этом электромагнитное поле, возбуждаемое под действием акустической волны, взаимодействует с любыми металлическими электродами, расположенными на поверхности среды [3], в которой волна распространяется. Это позволяет воздействовать на волну, оказывая влияние на электромагнитное поле с ней связанное. Например, в работах [17-19] описана конструкция акселерометра, работающего на принципе закорачивания электрического поля с помощью металлической мембраны, в основе которого лежит линия задержки на ПАВ. Свойства акустических волн, распространяющихся в пьезокристаллах (в отличие от изотропных сред) имеют ряд существенных особенностей. Прежде всего структура и параметры волны зависят от направления распространения и симметрии пьезокристалла. В общем случае ЭАВ имеет не одну или две (как в изотропной среде), а все три компоненты вектора механических смещений щ, щ, щ, а колебания происходят в одной плоскости, т.е. ЭАВ является волной плоской поляризации. При этом векторы фазовой V = со/к и групповой Угр — (ко/<1к скоростей волны не сов-

падают (и — частота, к — волновой вектор). Это означает, что фаза и энергия волны в общем случае могут распространяться в различных направлениях.

Как известно [11,20,21], акустоэлектронные устройства нового поколения, работающие в диапазоне частот от 2 до 30 гигагерц, в качестве рабочего типа акустических волн используют объемные акустические волны (ОАВ), распространяющиеся в многослойных тонкопленочных структурах. К таким устройствам прежде всего относятся СВЧ акустоэлектронные тонкопленочные резонаторы.

В зависимости от конструкции, в состав многослойной структуры тонкопленочного акустоэлектронного резонатора на ОАВ могут входить от трех до пятнадцати слоев. При этом материальные свойства каждого слоя резко отличаются между собой. Кроме того, поперечные размеры каждого слоя конечны, а форма может быть достаточно сложной. Это приводит к тому, что в зависимости от конструкции, в многослойной структуре может возбуждаться целый набор волн различного типа: продольные и сдвиговые волны [22-24], волны Лэмба [25,26], различные виды ПАВ (включая псевдоповерхностные) [8,27-29], волны Лява [30], волны Сезава [31], волны Стоунли [32], щелевые волны [33,34].

Поверхностные акустические волны — это упругие волны, распространяющиеся вдоль свободной поверхности твердого тела [35] или вдоль границы между двумя упругими средами. В зависимости от граничных условий, ПАВ бывают нескольких типов. Различают поверхностные волны вертикальной (волны Рэлея, Стоунли, электроакустические волны Гуляева - Блюстейна) и горизонтальной поляризации (волны Лява).

В случае пьезокристаллической подложки ПАВ сопровождается квазистатическим электрическим пьезополем. Вследствие этого ПАВ можно возбуждать на поверхности пьезокристалла, создавая электрическое поле в тонком приповерхностном слое пьезокристалла при помощи системы металлических электродов (встречно-штыревого преобразователя ВШП), нанесенных на его поверхность [36]. На рис. 1.1 показана декартова рабочая система координат, в которой в направлении оси х\ распространяется акустическая волна. Ось .х'з — нормаль к поверхности пьезокристалла.1

'Здесь и далее для описания типа волн могут быть введены отдельные системы координат, если они отличаются от введенной до этого. Чаще вссго ось х\ совпадает с направлением распространения волны.

Поверхностные акустические волны (ПАВ, английская аббревиатура SAW, Surface Acoustic Wave [37]) — это волны, вектор фазовой и групповой скорости которых параллелен поверхности, но, в общем случае, эти векторы могут не совпадать по направлению. В зависимости от класса симметрии пьезокристалла и направления распространения волны, может существовать несколько типов ПАВ [16,38,39].

Отдельным типом волн являются электроакустические волны Лэмба, распространяющиеся в тонких пьезокристаллических пластинах [25,26, 40]. По характеру они схожи с ПАВ, но, за счет небольшой толщины пластины, колебания затрагивают всю пластину целиком, поэтому термин "поверхностные волны" к ним неприменим. Часто, например в работе [21], используют общее обозначение волны Рэлея - Лэмба, поскольку эти волны имеют схожую природу [41].

Волны Лэмба делятся на два основных типа — симметричные и антисимметричные [39] 2. Если условно провести вдоль поверхности пластины, в которой распространяется волна, плоскость, разделяющую пластину пополам, то в симметричных волнах Лэмба смещения будут симметричны относительно плоскости, т.е. смещения их будут иметь одинаковый знак, а иг — разный, а антисимметричные смещения их будут иметь противоположные знаки, a uz одинаковые. В зависимости от толщины пластины, в ней могут распространяться разное количество волн Лэмба с различными фазовыми и групповыми скоростями, причем чем больше относительная толщина пластины, тем большее количество волн может распространяться в ней. Другими словами, ско-

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Босов, Сергей Иванович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные в работе теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать ряд выводов и предложений по математическому моделированию волновых процессов в многослойных тонкопленочных пьезо-структурах и улучшения конструкции СВЧ тонкопленочных акустоэлектрон-ных одночастотных резонаторов для достижения лучших значений основных параметров устройства.

В области теоретического расчета параметров тонкопленочных акустоэлектронных резонаторов показано:

- для решения волновых уравнений пьезоакустики, описывающих волновые процессы в тонкопленочных многослойных пьезоструктурах, метод конечных элементов допустимо использовать для 3-0 моделирования и анализа параметров СВЧ тонкопленочных акустоэлектронных резонаторов различных конструкций;

- теоретически показано и экспериментально подтверждено, что, в отличие от одномерной теории Новотного - Бенеша, 3-Б МКЭ модель тонкопленочного резонатора учитывает кроме продольных объемных акустических волн, которые являются рабочими в рассматриваемых устройствах, другие типы акустических волн, возбуждаемых в резонаторе, включая волны Рэлея - Лэмба и сдвиговые объемные акустические волны. Это позволяет модифицировать конструкцию тонкопленочного резонатора и достичь наилучших характеристик конечного устройства;

- показано, что метод конечных элементов можно использовать для получения комплексных параметров модифицированной схемы Баттерворта -ван Дайка. Такой двухэтапный метод позволяет учесть при расчете не только процессы, имеющие акустическую природу, но и омические потери контактных площадок, поверхностные и шунтирующие емкости конструкции, индуктивность подводящих дорожек. Применение такого двух-этапного метода расчета основных параметров тонкопленочных резонаторов позволяет получить с помощью теоретического анализа характери-

стики, практически совпадающие с характеристиками устройства, полученными экспериментально.

В области разработки и создания многослойных тонкопленочных резонаторов использование 3-0 моделирования с помощью МКЭ позволило получить ряд технических решений для достижения улучшенных характеристик устройств:

- теоретическое моделирование и экспериментальный анализ показали, что подбор акустического отражателя в 8М11-ВА\У' резонаторах позволяет снизить потери энергии за счет сохранения энергии сдвиговых акустических колебаний в активной области резонатора и, тем самым, повысить добротность Я устройства. Однако при этом возрастают требования к точности технологии производства устройства. При значительном отклонении толщин слоев или материальных констант материалов слоев созданного устройства от рассчитанных теоретически, добротность устройства резко падает. При этом появляются ярко выраженные паразитные резонансы на частотах, отличающихся от рабочей. При использовании акустического отражателя брэгговского типа такого эффекта не наблюдается;

- моделирование показало, что варьирование формы и размеров электрода тонкопленочного резонатора на ПОАВ позволяет снизить уровень паразитных резонансов, вызванных переотражением СОАВ от края структуры устройства. Показано с помощью 3-0 моделирования МКЭ, что формирование "ступеньки" по краю верхнего электрода позволяет сохранить энергию колебаний волн Рэлея - Лэмба в активной области резонатора и, таким образом, повысить добротность;

- применение комбинированного анализа с использованием МКЭ модели и модифицированной эквивалентной схемы Баттерворта - ван Дайка позволило теоретически оценить влияние омических потерь в контактных площадках на характеристику резонатора. Теоретический анализ показал, что увеличение омического сопротивления подводящих дорожек всего на 1 Ом приводит к падению добротности на величину от 60% до 75% для

различных частот, причем чем выше частота, тем сильнее падает добротность;

- с помощью теоретического моделирования была проанализирована конструкция акустоэлектронного резонатора с компланарной линией передачи в качестве верхнего электрода. Предварительный анализ показал, что максимальное волновое сопротивление компланарной линии, которая используется в качестве верхнего электрода, не может превышать 38,3 Ом для такой конструкции;

- использование МКЭ моделирования позволило проанализировать и оценить влияние технологических погрешностей на основные параметры резонаторов различных конструкций. Это позволяет идентифицировать дефекты устройств при экспериментальных исследованиях.

В области создания и разработки акустоэлектронных устройств на ПОАВ:

- была разработана лабораторная технология создания макета акустоэлектронного резонатора на ПОАВ;

- с помощью МКЭ моделирования, модифицированной эквивалентной схемы шВуБ была улучшена конструкция устройства. Использование пятиугольного электрода вместо квадратного позволило снизить паразитные резонансы от переотражения сдвиговых акустических волн. Использование электродов из молибдена позволило увеличить добротность устройства по сравнению с электродами из алюминия. Использование асимметричного акустического отражателя позволило увеличить добротность устройства в среднем на 10%.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Босов, Сергей Иванович, 2014 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Смагин А.Г., Ярославский М.И. Пьезоэлектричество кварца и кварцевые резонаторы. М.: Энергия, 1970. с. 488.

2. Глюкман Л.И. Пьезоэлектрические кварцевые резонаторы. М.: Радио и связь, 1981. с. 232.

3. Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах. / под ред. С.И. Баскаков. М.: Радио и связь, 1990. с. 416.

4. Мэттьюз Г. Фильтры на поверхностных акустических волнах. Расчет, технология и применение. М.: Радио и связь, 1981. с. 472.

5. Дьелесан Э., Руайе Д. Упругие волны в твердых телах. Применение для обработки сигналов. / под ред. В.В. Леманов. М.: Наука, 1982. с. 424.

6. Акустоэлектронные устройства обработки и генерации сигналов. Принципы работы, расчета и проектирования / Ю.В. Гуляев, О.Л. Балышева, В.И. Григорьевский [и др.]. М. Радиотехника, 2012. с. 555.

7. Олинер А. Поверхностные акустические волны. М.:Мир, 1981. с. 390.

8. Cunha М.Р., Adler E.L. High velocity pseudosurface waves (HVPSAW) // IEEE Ultrasonics Symposium. 1995. T. 45. C. 840-844.

9. The European Télécommunications Standards Institute (ETSI). Mobile technologies GSM. URL: http://www.etsi.org/index.php/technologies-clusters/technologies/mobile/gsm.

10. IEEE, Piscataway, NJ. Wireless LAN Médium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Spécification. 1997.

11. Коэффициент отражения ПАВ при наличии периодической системы электродов либо канавок на поверхности пьезокристалл / М.Ю. Двое-шерстов, В.И. Чередник, С.И. Босов [и др.] // Труды XIV научной конференции по радиофизике, ННГУ. 2010.

12. Свойства электроакустических волн, распространяющихся в тонкопленочных пьезоструктурах нитрида алюминия / М.Ю. Двоешерстов,

B.И. Чередник, С.И. Босов [и др.] // Труды XIV научной конференции по радиофизике, ННГУ. 2010.

13. Двоешерстов М.Ю., Чередник В.И., Босов С.И. Моделирование многослойных резонаторов на объемных акустических волнах // Труды XVII Международной НТК "Радиолокация, навигация, связь". 2011. с. 3228.

14. Двоешерстов М.Ю., Чередник В.И., Босов С.И. Численное моделирование многослойных тонкопленочных акустоэлектронных СВЧ резонаторов // Труды НТК "Пассивные электронные компоненты-2011". 2011.

C. 164-179.

15. Mason W. P. Electromechanical Transducers and Wave Filters. Princeton, 1948. p. 419.

16. Gulyaev Y. V. Review of Shear Surface Acoustic Waves in Solids // IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control. 1998. Vol. 45, no. 4. P. 935-938.

17. Двоешерстов М.Ю, Орлов И.Я., Босов С.И. Акселерометр на поверхностных акустических волнах // Датчики и системы. 2011. № 12. С. 10-14.

18. Двоешерстов М.Ю., Чередник В.И., С.И. Босов. Численный расчет акселерометра мембранного типа // Труды НТК "Пассивные электронные компоненты-2011". 2011. С. 180-185.

19. Двоешерстов М.Ю., Босов С.И., Орлов И.Я. Акселерометр на поверхностных акустических волнах // Труды НТК "Пассивные электронные компоненты - 2013". 2013. С. 266-276.

20. Lakin К. a. Development of miniature filters for wireless applications // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1995. Vol. 43, no. 12. P. 2933-2939.

21. Ruby R., Jose S. Review and Comparsion of Bulk Acoustic Wave FBAR, SMR Technology // IEEE Ultrasonics Symposium. 2007. p. 1029.

22. Browning Т., Lewis M. New family of bulk-acoustic-wave devices employing interdigital transducers // Electron. Lett. 1977. Vol. 13, no. 5. P. 128-130.

23. Lewis M. SURFACE SKIMMING BULK WAVE , SSB // Ultrasonics Symposium. 1977. P. 744-752.

24. Гуляев Ю.В., Мансфельд Г.Д. Резонаторы и фильтры сверхвысоких частот на объемных акустических волнах современное состояние и тенденции развития // Радиотехника. 2003. № 8. С. 85-93.

25. Lamb Н. On Waves in an Elastic Plate // Proc. Roy. Soc. London. 1917. Vol. 93, no. 93. P. 114-128.

26. Двоешерстов М.Ю., Чередник В.И., А.П. Чириманов. Электроакустические волны Лэмба в пьезокристаллических пластинах // Акустический журнал. 2004. Т. 50, № 4. С. 1-6.

27. Чередник В.И., Двоешерстов М.Ю. Дифракционные искажения поверхностных акустических волн в кристаллах // Акустический журнал. 2005. Т. 51, №4. С. 1-8.

28. Sato Т., Abe Н. Longitudinal leaky surface waves with high phase velocity on lithium tetraborate // IEICE Trans. Fundamentals Lett. 1994. Vol. E77-A. P. 1864-1866.

29. Чередник В.И., Двоешерстов М.Ю. Численный расчет параметров поверхностных и псевдоповерхностных акустических волн в многослойных структурах // Журнал технической физики. 2003. Т. 73, № 10. С. 106-112.

30. Love А. Е. Н. Some problems of geodynamics. Univ. Press, Cambridge, 1911. p. 180.

31. Sezawa K. Dispersion of Elastic Waves Propogated on the Surface of Stratified Bodies and on Curved Surface // Bull. Earthquake Res. Inst. Tokyo. 1927. Vol. 3. P. 1-18.

32. Stoneley R. The elastic waves at the surface of separation of two solids // Proc. R. Soc. London. 1924. Vol. A106. P. 416-420.

33. Гуляев Ю.В., Плесский В.П. Щелевые акустические волны в пьезоэлектрических материалах // Акустический журнал. 1977. Т. 13, № 5. С. 716723.

34. Численный анализ свойств щелевых электроакустических волн / В.И. Че-редник, М.Ю. Двоешерстов, С.Г. Петров [и др.] // Акустический журнал. 2004. Т. 50, № 5. С. 633-639.

35. Балдин A.M., Бонч-Бруевич A.M. Физическая энциклопедия. Советская энциклопедия, 1990. С. 649-650.

36. Двоешерстов М.Ю, Чередник В.И., Босов С.И. Расчет и проектирование СВЧ тонкопленочных акустоэлектронных резонаторов на нитриде алюминия // Труды Всероссийской научно-технической конференции Микроэлектроника СВЧ, ЛЭТИ. 2011.

37. Board I. S. IEEE Standard on Piezoelectricity / Ed. by A. N. S. Institute; IEEE/ANSI Std. The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc, 1987.

38. Gulyaev Y. V. Surface electroacoustic waves in solids // J. Exper. Theor. Phys. Lett. (Sov.). 1968. Vol. 9. P. 63-64.

39. Викторов И.А. Звуковые поверхностные волны в твердых телах. М.: Наука, 1981. с. 287.

40. Joshi S. G., Jin Y. Propagation of ultrasonic Lamb waves in piezoelectric plates // J. Appl. Phys. 1991. Vol. 70, no. 8. P. 4113-4120.

41. Viktorov I. Rayleigh and Lamb Waves : Physical Theory and Applications. New York: Plenum Press, 1967. p. 154.

42. Электронное затухание и усиление волн Лэмба в пьезополупроводниках / Н. Я. Коцаренко, И.Я Кучеров, Островский И. В. [и др.] // Украинский физический журнал. 1971. Т. 16, № 10. с. 123.

43. Зюбрик А.И., Бурак Я.В., Савицкий И.В. Акустоэлектроника. Львовский государственный университет, 1980. с. 104.

44. Nowotny H., Benesh Е. General one-dimensional treatment of the layered piezoelectric resonator with two electrodes // Journal of Acoustic. Society of America. 1987. Vol. 82, no. 2. P. 513-521.

45. Cherednik V., Dvoesherstov M. Surface and Bulk Acoustic Waves in Multilayer Structures // Waves in fluids and solids / Ed. by R. P. Vila. INTECH, 2011. P. 69-102.

46. Makkonen T. Numerical Simulations of Microacousitc Resonators and Filters. Ph.D. thesis: Helsinki University of Technology. 2005.

47. Finite Element Simulations of Thin-Film Composite BAW Resonators / T. Makkonen, Holappa A., J. Ella [и др.] // IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control. 2001. T. 48. C. 1241-1258.

48. Tirado J.V. Bulk acoustic wave resonators and their application to microwave devices. Ph.D. thesis: Departament de Telecomunicacions i d'Enginyeria de Sistemes. 2010.

49. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975. с. 539.

50. Галлагер Р. Метод конечных элементов.Основы. М.: Мир, 1984. с. 428.

51. Allik H., Hughes Т. Finite element method for piezoelectric vibration // Int. J. Numer. Methods Eng. 1970. no. 2. P. 151-157.

52. Михлин С.Г. Вариационные методы в математической физике / под ред. И.М. Овчинникова. М.: М.:Москва, 1970. с. 512.

53. Lee P. A variational principle for the equations of piezoelectromagnetism in elastic dielectric crystal // J. Appl. Phys. 1991. Vol. 69, no. 11. P. 7470-7473.

54. Holland R., Eer Nisse E. Variational Evaluation of Admittances of Multi-electroded Three-Dimensional Piezoelectric Structures // IEEE Transaction on sonic and ultrasonics. 1968.

55. Полак JI.C. Вариационные принципы механики: Их развитие и применения в физике. М.:Книжний дом "Либриком 2009. с. 932.

56. Двоешерстов М.Ю, Чередник В.И., Босов С.И. SMR-BAW резонатор на 10 ГГц // Труды НТК "Пассивные электронные компоненты - 2013". 2013. С. 206-221.

57. Босов С.И., Леонтьев Н.В., Двоешерстов М.Ю. МКЭ-моделирование СВЧ тонкопленочных многослойных акустоэлектронных резонаторов на объемных акустических волнах // Труды НТК "Пассивные электронные компоненты - 2013". 2013. С. 48-54.

58. Двоешерстов М.Ю., Чередник В.И., Босов С.И. Расчет и конструирование СВЧ тонкопленочных резонаторов Брэгговского типа на объемных акустических волнах // Сборник трудов Научной конференции "Сессия Научного совета РАН по акустике и XXIV сессия Российского акустического общества". 2011. Т. 3. С. 255-259.

59. Босов С.И., Леонтьев Н.В., Двоешерстов М.Ю. ЗБ-моделирование FBAR резонаторов // Сборник трудов Научной конференции "Сессия Научного совета РАН по акустике и XXV сессия Российского акустического общества". 2012. Т. 1. с. 273.

60. Босов С.И., Леонтьев Н.В., Двоешерстов М.Ю. МКЭ-моделирование СВЧ тонкопленочных многослойных акустоэлектронных резонаторов на объемных акустических волнах // Труды НТК "Электроника и микроэлектроника СВЧ-2013". 2013.

61. Двоешерстов М.Ю., Чередник В.И., Босов С.И. МКЭ моделирование тонкопленочных резонаторов, изготовленных на основе пьезопленок (0001)A1N // Труды НТК "Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ-2013". 2013.

62. David S. The Hy-Q Handbook of Quartz Crystal Devices. Van Nostrand Reinhold (UK) Company Limited, 1986. p. 229.

63. Krimholtz R., Leedom D., Matthaei G. New Equivalent Circuit for Elementary Piezoelectric Transducers // Electron Letters, Electron. Lett. 1970. Vol. 6. P. 398-399.

64. Численный и экспериментальный анализ параметров Акустоэлектронно-го тонкопленочного СВЧ резонатора / М.Ю. Двоешерстов, В.И. Черед-ник, С.И. Босов [и др.] // Акустический журнал. 2013. Т. 59, № 5. С. 569-577.

65. Numerical and Experimental Analysis of the Parameters of an Electroacoustic Thin Film Microwave Resonator / M. Dvoesherstov, V. Cherednik, S. Bosov et al. // Acoustical Physics. 2013. Vol. 59, no. 5. P. 513-520.

66. A1N piezoelectric materials for wireless communication thin film components / J. Kim, S. Lee, J. Ahn et al. // Journal of Ceramic Processing Research. 2002. Vol. 3, no. 1. P. 25-28.

67. Двоешерстов М.Ю., Савин В.А., Чередник В.И. Сравнительный анализ процедур поиска решений для поверхностных акустических волн в пье-зокристаллах // Акустический журнал. 2001. Т. 47. С. 847-852.

68. Cherednik V., Dvoesherstov М. Surface and Bulk Acoustic Waves in Multilayer Structures // Waves in Fluids and Solids / Ed. by R. P. Vila. Croatia, 2011. P. 69-102.

69. ANSYS Inc., Canonsburg, USA. ANSYS Users guide, theory reference manual.

70. Tsubouchi K., Sugal K., Mikoshiba N. A1N Material constants evaluation and SAW properties on A1N/A1203 and AIN/Si // IEEE Ultrason. Symp. 1981. P. 375-380.

71. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя / под ред. И.Н. Жесткова. М.: Машиностроение, 2001. Т. 1. с. 936.

72. Шаскольская М.П. Акустические кристаллы. М.: Наука, 1982. с. 632.

73. Двоешерстов М.Ю., Чередник В.И., Босов С.И. Оптимизированный акустический отражатель для SMR-BAW резонаторов // Труды НТК "Пассивные электронные компоненты - 2013". 2013. С. 222-227.

74. Кикоина И.К. Таблицы физических величин. М.: Атомиздат, 1976. с. 1008.

75. Зеликман А.Н. Молибден. М.: Металлургия, 1970. с. 440.

76. Solidly mounted В AW resonators with layer-transferred A1N using sacrificial Si surfaces / M. A. Allah, R. Thalhammer, J. Kaitilla et al. // Solid-State. Electronics. 2010. Vol. 54. P. 1041-1046.

77. Newell W.E. Face-mounted piezoelectric resonators // Proceedings of the IEEE. 2005. T. 53, № 6. C. 575-581.

78. Optimization of Acoustic Mirrors for Solidly Mounted BAW Resonators / S. Marksteiner, J. Kaitila, G. G. Fattinger et al. // IEEE Ultrasonics Symposium. 2005. P. 329-332.

79. Jose S., Jansman A., Hueting R. A design procedure for an acoustic mirror providing dual reflection of longitudinal and shear waves in Solidly Mounted BAW Resonators (SMRs) // IEEE Ultrasonics Symposium. 2009. P. 21112114.

80. BAW Resonators Based on A1N with Ir Electrodes for Digital Wireless Transmissions / E. Iborra, M. Clement, J. Olivares [и др.] // 2008 IEEE International Ultrasonics Symposium Proceedings. 2008.

81. A Film Bulk Acoustic Resonator (FBAR) L-band Low Noise Oscillator for Digital Communications / A. P. S. Khanna, E. Gane, Т. H. Ко. Chong [и др.] // 32-nd European Microwave Conference Proceedings. 2002.

82. Simons R. Coplanar Waveguide Circuits, Components, and Systems. A JOHN WILEY & SONS, INC., PUBLICATION, 2001. p. 464.

83. Измерение S-параметров FBAR-резонаторов / С.Е. Коршунов, М.Ю. Дво-ешерстов, Д.В. Жуков [и др.] // Труды НТК "Пассивные электронные компоненты-2011". 2011. С. 198-206.

84. Лабораторная технология изготовления макетов FBAR-резонаторов мембранного и брегговского типов на базе гетероэпитаксиальных структур AlN/GaN/Si(lll) / А.В. Беляев, М.Ю. Двоешерстов, Е.В. Бордова [и др.] // Труды НТК "Пассивные электронные компоненты-2011". 2011. С. 84-91.

85. Двоешерстов М.Ю., Босов С.И. Методика лазерного испарения А1203 и SiC // Труды НТК "Пассивные электронные компоненты-2011". 2011.

86. Технология изготовления акустоэлектронных SMR-BAW резонаторов на основе гетероэпитаксиальных структур AlN/GaN/Si(lll) / М.Ю. Двоешерстов, С.Е. Коршунов, С.И. Босов [и др.] // Проектирование и технология электронных средств. 2013. № 2. С. 13-18.

87. Ченг Л., Плог К. Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры. / под ред. Ж.И. Алферов. М.:Мир, 1989. с. 600.

88. Гетероэпитаксиальные структуры A1N/A1203 и GaN/A1203 для акустоэлектронных СВЧ устройств / М.Ю. Двоешерстов, В.И. Чередник, А.В. Беляев [и др.] // Современные наукоемкие технологии. 2010. № 9. С. 24-30.

89. Оценка качества гетероэпитаксиальных структур A1N/A1203 и GaN/A1203 и AlN/GaN/Si(lll) для акустоэлектронных СВЧ устройств / А.В. Беляев, М.Ю. Двоешерстов, В.И. Чередник [и др.] // Труды НТК "Пассивные электронные компоненты-2011". 2011. С. 234-243.

90. Хибель М. Основы векторного анализа / под ред. У. Филипп. Издательский дом "МЭИ 2009.

91. Temperature Characteristics of Solidly Mounted Piezoelectric Thin Film Resonators / S. Ohta, K. Nakamura, A. Doi et al. // IEEE Ultrasonics Symposium. 2003. P. 2011-2015.

92. Is there a better material for thin film BAW applications than A1N? / P. Muralt, M. Antifacos, J. Cantoni, R. Lanz et al. // IEEE Ultrasonics Symposium. 2005. P. 315-320.

93. Lanz R., Muralt P. Band Pass Filters for 8 GHz Using Solidly Mounted Bulk Acoustic Wave Resonators // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2005. June. Vol. 52, no. 2005. P. 936-946.

94. Modeling for Temperature Compensation and Temperature Characterizations of BAW Resonators at GHz Frequencies / B. Ivira, P. Benech, R. Fillit et al. // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2007. February. Vol. 55, no. 5. P. 421^30.

95. Yariv A., Nakamura M. Periodic Structures for Integrated Optics // IEEE journal of quantum electronics. 1977. Vol. QE-13, no. 4. P. 233-253.

96. Борн M., Вольф Э. Основы оптики / под ред. Г.П. Мотулевич. М.:Наука, 1973. с. 720.

97. Lateral Field Excitation Film Bulk Acoustic Resonator as Infrared Sensor / Q. Xiaotun, R. Tang, J. Zhu et al. // IEEE SENSORS. 2010. P. 623-626.

98. Wingqvist G., Bjurstrom J., Katardjiev I. Shear mode A1N thin film electroa-coustic resonator for biosensor applications // IEEE Ultrasonics Symposium. 2005.

99. Bjurstrom J., Yantchev V., Katardjiev I. Thin film Lamb wave resonant structures - Thin first approach // Solid-State Electronics. 2006. Vol. 50, no. 5. P. 322-326.

100. Термокомпенсированный СВЧ акустоэлектронный резонатор на основе тонких пленок A1N / М.Ю. Двоешерстов, В.И. Чередник, А.В. Беляев [и др.] // Современные наукоемкие технологии. 2011. С. 38-44.

ПРИЛОЖЕНИЕ А. МАТЕРИАЛЬНЫЕ КОНСТАНТЫ

Таблица А. 1: Материальные константы различных материалов по данным

работы [91]

АШ Мо БЮ2 5г

Константа жесткости сзз х 1011, Н/м2 3,95 4,60 0,785 1,657

Темп, коэфф. для С33 х 1СГ4, /°С -0,60 -1,30 2,39

Плотность, кг/м3 3260 10200 2210 2329

Коэфф. лин. расширения оц х 10~6/°С 5,27 5,5 0,55

Коэфф. лин. расширения азз х 10~°/°С 4,15 5,5 0,55

Пьезоэлектр. конст. упругости езз, С/м2 1,29

Диэлектрическая константа 8,5 3,8

Мех. добротность С}т 1500 1500 2000 3000

Таблица А.2: Материальные константы различных материалов по данным

работы [92]

к1 % ть Гб Ят ЩБЮг

АШ 6,5 32 2490 160

гпо 9 45 1770 160

Таблица А.З: Материальные константы различных материалов по данным

работы [93]

Материал Плотность, кг/м3 Скорость звука, м/с Мех. добротность,

2328 8433 500

5г02 2200 5970 500

АШ 3260 11354 2000

А1 2700 6490 500

рг 21500 4230 200

Мо 10230 6408 300

Таблица А.4: Механические добротности различных материалов по данным

работы [94]

Материал Механическая добротность,

АШ 1500-2000

БЮ2 500 - 2000

Мо 300- 1500

}¥ 300

Бг 500 - 3000

ПРИЛОЖЕНИЕ В. ТИПЫ И КОНСТРУКЦИИ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ АКУСТОЭЛЕКТРОННЫХ РЕЗОНАТОРОВ

Тонкопленочные резонаторы на объемных акустических волнах в настоящее время находят широкое применение в современных средствах мобильной связи, навигации и телеметрии, т.к. они обеспечивают требуемые эксплуатационные характеристики соответствующих устройств, характеризуются малыми размерами и весом и хорошо вписываются в современную технологию производства микроэлектронных устройств [21].

В настоящее время известен целый ряд конструктивных исполнений СВЧ тонкопленочных акустоэлектронных резонаторов.

На рис. В.1 показана конструкция резонатора мембранного типа, работающего на продольной объемной волне (Thin Film Resonator, TFR). Принцип работы такого резонатора схож с рабочим принципом обычного кварцевого резонатора [1,2,46].

п w _ верхним электрод

Верхнии электрод Пьезоэлектрическая |

акустоэлектронный резонатор акустоэлектронный резонатор с

Активным слоем служит тонкая пьезоэлектрическая пленка (например, из нитрида алюминия (0001)AIN), находящаяся между двумя металлическими электродами. В тот момент, когда на электродах возникает потенциал, под действием электрического поля и обратного пьезоэффекта в кристаллической пленке возникают механические напряжения. При подаче на электроды переменного тока (СВЧ сигнала) в пьезоэлектрической пленке возбуждается продольная объемная акустическая волна, с направлением распространения, перпендикулярным поверхности пленки.

Рисунок В.1: Тонкопленочный

Рисунок В.2: Тонкопленочный

мембранного типа

воздушной подушкой

Характерной особенностью такого резонатора является то, что рабочая активная область резонатора формируется путем глубокого травления толстой подложки (например, кремния) до нижнего электрода. При этом, при формировании текстурированной пленки (например, AIN) нужной ориентации, на подложке сначала должен быть сформирован металлический слой нижнего электрода.

На рис. В.2 показана конструкция FBAR резонатора мембранного типа с воздушной прослойкой. Здесь рабочая активная область резонатора (мембрана) формируется за счет создания воздушного зазора между подложкой из кремния и пьезоактивной пленкой нитрида алюминия (AIN), которая может быть реализована методами травления (химическим, плазмо-химическим и др.) какого-либо материала (например, оксида кремния SiO'ï).

Активная зона резонатора, содержащая пьезоэлектрический слой, не должна иметь акустического контакта с толстой подложкой, на которой помещается резонатор, для предотвращения многомодового режима работы резонатора. Для этого под нижним электродом в подложке вытравливается полость, а активная область резонатора остается закрепленной на подложке только по своему периметру. Полость в подложке может быть как сквозной (как показано на рис. В.1 так и в виде углубления под нижним электродом (рис. В.2)). В

Рисунок В.З: Акустоэлектронный тонкопленочный резонатор брэгговского

типа

обоих конструкциях формирование изолирующей полости представляет собой

достаточно сложную технологическую задач. Поэтому, наряду с резонатором мембранного типа, показанным на рис. В.1, В.2, широко применяется другой вариант — резонатор с акустическим многослойным отражателем (рис. В.З) [20,21]. Такая конструкция в зарубежной литературе называется SMR-BAW (Solidly Mounted Resonator-Bulk Acoustic Waves), что можно перевести как "жестко смонтированный резонатор на объемных акустических волнах". Идея многослойного отражателя позаимствована из оптики [95,96]. Для сохранения энергии акустических волн в активной зоне резонатора, между нижним электродом и подложкой помещается многослойная структура, содержащая от трех до пяти пар слоев с достаточно сильно отличающимися акустическими импедансами Za в каждой паре. Толщина каждого слоя отражателя равна четверти длины акустической волны в материале слоя. Такой отражатель называется акустическим отражателем брэгговского типа, а устройство такой конструкции в некоторых источниках — резонатором брэгговского типа (Bragg type resonator) [21]. Интерференция волн в слоях отражателя практически полностью подавляет волну в самом нижнем его слое и обеспечивает, таким образом, акустическую изоляцию активной зоны резонатора от подложки.

На рис. В.1 - В.З показаны конструкции СВЧ акустоэлектронных тонкопленочных резонаторов, работающих на продольных объемных акустических волнах (TFE-FBAR), физический принцип распространения ПОАВ в пье-зопленках показан на рис. В.4.

АШ

Рисунок В.4: Акустоэлектронный тонкопленочный резонатор на объемных

акустических волнах (TFE-FBAR)

В первом приближении рабочая резонансная частота /р (первая мода) такого FBAR резонатора определяется скоростью продольной объемной аку-

стической волны Va в пьезопленке и толщиной пьезопленки d:

fp = Va/2d. (B.l)

Для некоторых применений многомодовый режим, предотвращаемый конструкциями, показанными выше, является необходимым. Например, если подложка изготовлена из материала с очень малыми акустическими потерями, например, алмаз или сапфир, то она может обеспечивать очень высокое значение добротности (до 100 ООО) в каждом резонансе многомодового режима. Для реализации такой возможности резонатор из пьезоэлектрического слоя и двух электродов монтируется непосредственно на подложке, а нижняя поверхность подложки полируется до идеальной параллельности с поверхностью пьезоэлектрической пленки.

На этом принципе основана работа многочастотного тонкопленочного акустоэлектронного резонатора (HBAR — High Overtone Bulk Acoustic Resonator), показанного на рис. В.5.

Верхний электрод f

Пьезослой Нижний электрод

Подложка

Рисунок В.5: HBAR резонатор

Другим применением тонкопленочных структур с активной областью из нитрида алюминия являются так называемые FBAR-резонаторы, работающие на сдвиговых объемных акустических волнах (LFE-FBAR, lateral field excitation [97]), распространяющихся в тонких пьезопленках (см. рис. В.6) [98]. В частности, на рис. В.7 показана конструкция LFE-FBAR резонатора брэгговского типа, работающего на поперечной объемной волне (TSM, Thickness Shear Mode).

. 1

4 -Tjr^** волны

AIN

Рисунок В.6: Резонатор на поперечных волнах

волны

Электроды

Рисунок В.7: TSM резонатор

На рис. В.8 показана конструкция БВАЯ резонатора, работающего на волне Лэмба [99]. При этом, для возбуждения волн Лэмба в таких устройствах обычно используются встречно-штыревые системы (ВШС) периодических электродов, применяемых в технике ПАВ. Рабочая частота резонатора такого типа будет определяться скоростью акустической моды Лэмба и периодом электродов ВШС (р = А/2) [100]. Поскольку скорость некоторых мод волн Лэмба значительно выше, чем скорость ПАВ, рабочая частота таких резонаторов будет выше при тех же параметрах ВШС.

Все варианты тонкопленочных резонаторов могут содержать также дополнительные слои, обеспечивающие некоторые специальные свойства резонатора. Например, слой, обеспечивающий температурную стабильность резонатора (ТКЧ — температурный коэффициент частоты). В качестве пьезоэлектрического слоя обычно применяется тонкая пленка нитрида алюминия AIN,

Нижний

электрод (Mo)

AIN (002)

Рисунок В.8: FBAR резонатор на волне Лэмба

/

У

имеющая свойства анизотропного пьезоэлектрического кристалла, а в качестве компенсирующего слоя используется БЮч. Этот термокомпенсирующий слой может помещаться как между электродами, так и снаружи.

Таким образом, существует целый ряд конструкций тонкопленочных акустоэлектронных резонаторов, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки.