基于Al0.8Sc0.2N薄膜的体声波谐振器用于射频滤波器的设计

凭借高性能和标准CMOS兼容集成工艺，体声波（BAW）滤波器已广泛用于移动通信系统的消费类产品中。然而，对于传统基于氮化铝（AlN）的BAW滤波器来说，仅通过纯声学方法来满足多个分配的具有超过5%相对带宽的5G频带是一项挑战。

近日，武汉大学孙成亮教授研究团队开发了一种基于Al0.8Sc0.2N薄膜的体声波谐振器（FBAR），用于射频（RF）滤波器的设计。通过利用高质量的Al0.8Sc0.2N薄膜，所制造的谐振器表现出14.5%的Keff²和高达62的品质因数（FOM）。该谐振器的频率温度系数（TCF）为−19.2ppm/°C，表明其具有优异的温度稳定性。所制造的滤波器的中心频率为4.24 GHz，-3dB带宽为215 MHz，插入损耗（IL）为1.881 dB，抑制大于32dB。这项工作为实现工作在5G频段的宽带声波滤波器的开发铺平了道路。

在这项研究工作中，所设计的压电薄膜体声波谐振器由生长在硅（Si）衬底（725 μm厚）上的六个薄膜组成。腔外两个附加的钼（Mo）层（120nm和37nm ）分别设计在顶部和底部电极上，以降低电极电阻。在此设计的基础上，利用与CMOS兼容的微加工工艺制造出AlScN基的FBAR。

基于Al0.8Sc0.2N薄膜的FBAR

制造基于AlScN的FBAR主要工艺步骤

下图显示了研究人员制造的滤波器的扫描电子显微镜（SEM）图像和电路示意图。该滤波器由8个元件组成，包括4个串联谐振器和4个并联谐振器。为了实现通带传输特性，37 nm的Mo质量负载层被添加到并联谐振器，以使其谐振频率低于串联谐振器。此外，在每个相邻谐振器之间的互连线上构造附加的Mo层，以提高滤波器的性能。该滤波器的中心频率为4.24GHz，-3dB带宽为215 MHz，IL为1.881dB，抑制大于32dB。中心频率下测得的回波损耗小于-12 dB，表示在无任何辅助电路的情况下可实现50 Ω阻抗匹配。

基于Al0.8Sc0.2N的FBAR滤波器实验结果

简而言之，研究人员开发了一种基于Al0.8Sc0.2N的FBAR，用于声学MEMS滤波器的设计。该FBAR器件通过与CMOS兼容的微加工工艺制造，包括溅射沉积、电感耦合等离子体刻蚀和腔体释放。研究人员对Al0.8Sc0.2N薄膜的微观结构和晶体结构特性进行了表征。结果表明，Al0.8Sc0.2N层具有良好的c轴择优取向。该FBAR具有大的e33（2.08 C/m²）、14.5%的Keff²和高达62的FOM。此外，还研究了Al0.8Sc0.2N基FBAR的温度特性。基于上述谐振器制造的滤波器显示出5G射频前端应用的强大潜力。

审核编辑：郭婷