基于薄膜体声波谐振器的可集成可调高频滤波器基础研究

随着无线移动产品向高频化、多功能、多频段的方向发展，传统声表面波滤波器在高频范围下由于指条宽度受限于光刻工艺、器件功率容量小等因素不再适用，基于体声波谐振器（FBAR）的新一代无源滤波器逐渐占领了2.5GHz以上的市场。FBAR滤波器具有小体积、高频率、低插损、高功率容量、可集成的诸多优点。本项目拟采用高性能的铁电薄膜代替FBAR中的压电薄膜，利用铁电材料的介电非线性性质对滤波器的中心频率实现可调，以进一步拓展FBAR的应用范围。本项目将尝试制备多层复合铁电薄膜来提高铁电薄膜的介电调谐性质，以拓宽谐振器调谐范围，提高Q值；结合自身研究基础，为可调FBAR器件建立精确数值模型和可与射频电路设计软件兼容的元件库；在模型基础上设计制备出Q值大于400、调谐范围大于5%的可调FBAR器件，并采用梯形级联镜像结构设计制备出工作频率5GHz、插损小于3dB的可调谐高频FBAR滤波器。

薄膜体声波谐振器（Film Bulk Acoustic Resonators, FBAR）滤波器技术是近几年来迅速发展起来的一种全新射频滤波器解决方案。本项目面向现实需求，针对现有可调薄膜体声波谐振器Q值不高，可调范围较窄的问题，提出制备高性能的顺电相铁电薄膜来解决问题，展开了系列深入的研究工作，来提高器件性能。取得了如下进展：..(1)提出采用多层复合薄膜代替文献中常用的钛酸锶钡（BST）薄膜，以降低薄膜损耗，增加可调率，制备电可调薄膜体声波谐振器（FBAR）。掌握了实验用BST、BZT靶材制备技术，可以制备任意Ba/Sr比、Zr/Ti比靶材，用射频溅射法制备了BST/BZT/BST多层复合薄膜，在Pt/Ti/ SiO2/Si基片上成功制备出介电调谐性能优良、择优取向、低损耗的顺电相BST薄膜和BZT 薄膜。..(2)提出通过掺杂Rb元素来改善BST薄膜的介电损耗或漏电流特性，并成功制备出低损耗、高调谐率的铁电薄膜。采用溶胶-凝胶法成功制备出BST薄膜、BZT薄膜和Ba/Sr比连续变化的梯度薄膜，初步结果也证明了其可调性和低损耗。..(3)针对制备薄膜时采用的工艺过程与制备布拉格反射型FBAR器件的工艺兼容性问题，展开了详细研究，优化了制备器件的工艺过程。兼容性的核心问题是布拉格反射栅能够承受薄膜制备时的烧结高温。布拉格反射栅耐温可达700度，成功制备出FBAR器件。建立了可调FBAR器件的MBVD模型，设计了可与射频电路设计软件兼容的元件库，成功模拟出电可调FBAR中心频率随外加电压变化的性能。..(4)受项目启发，还开辟出新的研究思路，初步开展了二维压电声子晶体对射频信号的处理机理研究。提出将压电效应考虑其中的FDTD法模拟声表面波在射频二维压电声子晶体的传播，采用周期边界条件和完全匹配层吸收边界条件，得到FDTD分析模型，然后对铝/1280YX-LINBO3压电声子晶体二维带隙进行了计算，同时采用有限元法分析了声波模式，将仿真结果和实验测量结果进行比较验证，FDTD方法计算结果与实验结果吻合很好，精度要比商业软件略高。..在权威刊物上发表论文14 篇，申请发明专利2 项（获授权一项）。