阅读说明：本技术 一种可开关式体声波滤波器 (Switchable bulk acoustic wave filter ) 是由 朱浩慎 许霄彤 薛泉 于 2020-05-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种可开关式体声波滤波器,所述可开关式体声波滤波器包括若干个串联的体声波谐振器和若干个并联的体声波谐振器；所述体声波谐振器包括第一金属层、压电层和第二金属层；压电层位于第一金属层和第二金属层的中间。所述第一金属层材料为高功函数金属。所述第二金属层材料为低声学损耗金属。所述压电层采用压电半导体材料作为压电材料。本发明的压电层中压电半导体材料上添加不同禁带宽度的三元化合物构成异质结产生二维电子气。第一金属层上的偏置电压控制二维电子气的产生与耗尽,从而达到控制谐振器开启与关闭。本发明结构简单,开启电压低且具有良好的隔离度。(The invention discloses a switchable bulk acoustic wave filter, which comprises a plurality of series bulk acoustic wave resonators and a plurality of parallel bulk acoustic wave resonators; the bulk acoustic wave resonator comprises a first metal layer, a piezoelectric layer and a second metal layer; the piezoelectric layer is located intermediate the first metal layer and the second metal layer. The first metal layer is made of high work function metal. The second metal layer material is a low acoustic loss metal. The piezoelectric layer is made of piezoelectric semiconductor materials. Ternary compounds with different forbidden band widths are added on a piezoelectric semiconductor material in the piezoelectric layer to form a heterojunction, so that two-dimensional electron gas is generated. The bias voltage on the first metal layer controls the generation and the depletion of the two-dimensional electron gas, so that the resonator is controlled to be opened and closed. The invention has simple structure, low starting voltage and good isolation.)

一种可开关式体声波滤波器

技术领域

本发明涉及半导体器件领域中的射频微机电器件技术，具体涉及一种可开关式体声波滤波器。

背景技术

随着5G时代的来临，无线通讯设备不断朝着多功能，微型化发展。这就意味着当今市场对无线通讯的关键部分射频前端要求着其更高的集成度以及更低的信号功率损耗。据Skyworks公司预计，5G成熟阶段射频前端滤波器数量会增加到100余个，开关超过30余个。现存的射频前端开关或滤波器选择器将难以应对这样高速的发展，新型快速开关器件的研发具有重要的研究价值。

在射频电路中对所需的器件进行选择有两种方法：第一种方法是在不同的器件之间添加选择开关，而选择开关的添加会增加电路复杂度同时器件之间的影响无法彻底消除；第二种方法是使器件自身具有开关特性，本发明将采用这一种方法。

目前可开关式射频声波滤波器在国内尚未有相关研究报导，但在国外已有一定的研究，已报道的可开关功能的滤波器的实现方案主要有如下几种：

1、S. Li, Y. Lin, Z. Ren and C. T. -. Nguyen, "An MSI MicromechanicalDifferential Disk-Array Filter," TRANSDUCERS 2007 - 2007 International Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Conference, Lyon, 2007, pp. 307-311, doi: 10.1109/SENSOR.2007.4300130.中提出了一种工作频率为160MHz左右的硅基射频滤波器。由于该滤波器采用静电驱动与检测的方式进行换能，只需要关闭直流偏置电压即可实现滤波器通带的关闭。虽然这种静电耦合的电容式滤波器具有理想的开关特性，并且与硅基工艺兼容，但相比压电的换能方式，其机电耦合系数太低，导致插损太大，且带宽太窄，因此无法应用于射频前端滤波器。

2、Lee, Seungku , and A. Mortazawi . "An Intrinsically SwitchableLadder-Type Ferroelectric BST-on-Si Composite FBAR Filter." IEEE Transactions on Ultrasonics，Ferroelectrics, and Frequency Control ,vol.63,pp.456-462,2016.中提出了一种工作于2.5GHz的可切换BST-on-Si（硅-钛酸锶钡）复合的薄膜体声波滤波器(FBAR)，其机械品质因数为971。开启状态在直流偏置40 V的情况下，其***损耗为7.8dB，带外抑制为26dB。在关闭状态下，该滤波器的隔离度为31dB;该方案中的滤波器隔离度为31dB，开启直流偏置电压达到40V。但该方案采用了特殊的铁电材料，其较高的极化电场使得需要高偏置电压才能实现器件的开关，并且由于该材料损耗较高，导致谐振器的Q值受限。此外，由于该铁电薄膜材料生长与加工的困难，与现有集成电路工艺不兼容，难以大规模推广。

3、R. A. Schneider and C. T. -. Nguyen, "On/off switchable high-Qcapacitive-piezoelectric AlN resonators," 2014 IEEE 27th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), San Francisco, CA,2014, pp. 1265-1268, doi: 10.1109/MEMSYS.2014.6765879.提出了一种可开关式的压电MEMS谐振器。该结构的电极悬浮于压电薄膜之上，通过静电吸合使电极将压电薄膜压住破坏谐振而实现器件的关闭。该谐振器在300MHz工作频率下，品质因素可达到8800。但缺点在于静电吸合所需的开关电压较高（超过100V）。此外，由于其靠机械开关作用，可靠性较差且开关速度有限，长时间工作的可靠性存在问题。

发明内容

为了实现体声波滤波器良好的开关特性与隔离度以及较低开关直流偏置电压，开启电压大小与常用的CMOS集成电路电压兼容（5V以内）。本发明提出一种可开关式体声波滤波器，利用禁带宽度不同的压电半导体材料层和三元化合物层特性构成半导体异质结作为控制滤波器的开关部分。

本发明至少通过如下技术方案之一实现。

一种可开关式体声波滤波器，所述可开关式体声波滤波器包括若干个串联的体声波谐振器和若干个并联的体声波谐振器；

所述体声波谐振器包括第一金属层、压电层和第二金属层；压电层位于第一金属层和第二金属层的中间。

进一步地，所述第一金属层为高功函数的金属，并与压电层形成肖特基接触。

进一步地，所述第二层金属层材料为低声学损耗的金属。

所述压电层包括禁带宽度不同的压电半导体材料层和三元化合物层，所述压电半导体材料层和三元化合物层构成异质结。

进一步地，所述禁带宽度不同的压电半导体材料层选择GaN（氮化镓）作为压电半导体材料，AlGaN（氮化镓铝）作为三元化合物层。

进一步地，所述异质结产生二维电子气，二维电子气的产生与耗尽通过反向偏置的肖特基结来调控。

进一步地，所述压电层厚度由滤波器需要过滤波段的频率决定，通过改变第一金属层、第二金属层的厚度对滤波器的过滤波段频率进行微调，通过调节第一金属层、第二金属层和压电层的厚度改变滤波器滤波的中心频率以满足工业不同需求。

进一步地，所述第一金属层的高功函数金属为Ni。

进一步地，所述第二金属层的低声学损耗金属为钼（Mo）或钨（W）。

本发明中提到的压电半导体材料主要为GaN，同时运用材料的压电特性与半导体特性。利用其压电特性实现声电信号的互换，激励谐振器产生谐振，从而制作薄膜体声波谐振器。宽禁带压电半导体材料的半导体特性使它可以与禁带宽度更宽的三元化合物（常用的如AlGaN）组成异质结产生二维电子气。第一金属层采用高功函数的金属，常用的如Ni，与压电层形成肖特基接触，通过在金属层添加直流偏置可控制二维电子气的产生与耗尽，从而达到控制滤波器开关的作用。第二金属层选取声学损耗低的金属层，如钼（Mo）或钨（W）使声波良好的传输与转换。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

1)异质结作为开关器件。本发明同时利用压电半导体材料的压电特性与半导体特性，在体声波谐振器的宽禁带压电半导体材料上添加不同禁带宽度的三元化合物构成异质结产生二维电子气。金属层上的偏置电压控制二维电子气的产生与耗尽，从而达到控制谐振器开启与关闭。本发明结构简单，加工方便，制作过程不需要增加掩膜版数量；

2)低电压实现开关效果。滤波器上层金属电压偏置为零时滤波器关闭，上层添加负的低直流偏置时实现滤本发明利用异质结作为体声波滤波器的开关部分。其结构简单，利用很低的直流偏置，就可以实现很好的隔离度，有广泛开发与应用的意义。

3）滤波器的开启电压远优于现存开关滤波器的开启电压，实际工作中易于实现。

附图说明

图1为本实施例开关型体声波谐振器关闭状态的结构图；

图2为本实施例开关型体声波谐振器开启状态的结构图；

图3为本实施例开关型体声波谐振器电极零偏压下的能带图；

图4为本实施例开关型体声波谐振器电极负偏压下的能带图；

图5为本实施例开关型体声波谐振器2DEG存在时的电场仿真结果图；

图6为本实施例开关型体声波谐振器2DEG耗尽的电场仿真结果图；

图7为本实施例开启状态与关闭状态Y参数对比图；

图8为本实施例一阶L型电路示意图；

图9为本实施例体声波滤波器开启状态与关闭状态S参数对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的，技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图8所示，一种可开关式体声波滤波器，所述可开关式体声波滤波器包括若干个串联体的声波谐振器和若干个并联的体声波谐振器；

所述体声波谐振器包括第一金属层1、压电层2、第二金属层3；压电层位于第一金属层1和第二金属层3的中间。

第一金属层1材料为高功函数的金属，本实施例采用Ni。

第二金属层2的材料为低声学损耗的金属，本实施例采用Mo。

所述压电层3包括禁带宽度不同的压电半导体材料层和三元化合物层4，所述压电半导体材料层与三元化合物层4构成异质结，如图1所示。图1和图2中RF表示射频电路，DC表示直流偏置。

所述异质结是指由两种不同禁带宽度和晶格常数的材料组成的结。较宽禁带半导体材料位于作为压电层3的较窄禁带半导体材料之上，简化的结构图和能带图，如图3所示，E _c 为导带能级，E _F 为费米能级，E _v 为价带能级。在异质结界面处导带边缘由于接触的两种材料的能级不同出现导带断开，形成狭窄的量子阱。在极化电场的作用下，带隙较宽一侧材料中的电子被转移在量子阱中。由于量子阱的宽度相比与沟道的宽度很窄，电子在垂直于界面方向的运动受到限制，只能在沿异质结界面方向二维运动，从而在异质结界面处形成二维电子气（2DEG）。本实施例中选用GaN作为压电半导体材料，AlGaN作为三元化合物。

本发明中GaN与AlGaN的异质结极化效应很强，因此在非故意掺杂的情况下，二维电子气浓度可以达到 QUOTE 量级。在无偏置电压的情况下，体声波谐振器的压电层受到高浓度二维电子气的屏蔽，其电场被局限在较薄的AlGaN层（厚度约20纳米）中，而无法进入作为主要压电层的GaN层（厚度约1-3微米，取决于工作频率），因此无法正常激励体声波谐振器产生振动，使得体声波谐振器处于关闭状态，内部电场分布如图5所示。

二维电子气的浓度受控于金属层添加的负压偏置，当在金属层添加足够大的负压时量子阱中的二维电子气耗尽，电场可以顺利穿过AlGaN层来激励GaN压电层，使其进行压电转换产生谐振，即第一金属层电压偏置为零时滤波器关闭，第一金属层添加足够的负直流偏置电压（如-5V时）实现滤波器开启。本发明利用异质结作为体声波滤波器的开关部分。其能带图如图4所示。此时体声波谐振器可以正常工作，如图2所示，此时内部电场分布为如图6所示。

该可开关式体声波滤波器可采用梯型滤波器（Ladder filter）拓扑结构搭建，由多个体声波谐振器通过串联与并联所组成的多个一阶L型电路构成，如图8所示，基于上述的体声波谐振器，在多物理场有限元仿真软件中建立模型进行频率特性仿真，设置压电层3厚度为0.88μm，选择宽禁带压电半导体材料层的材料为GaN，形成GaN层，设置GaN层的厚度为0.85μm，选择禁带宽度更大的三元化合物的材料为AlGaN，形成AlGaN层，设置AlGaN层的厚度为0.03μm,选择Ni作为第一金属层的材料，Mo作为第二金属层的材料，串联的体声波谐振器第一金属层的厚度为0.0925μm，并联的体声波谐振器第一金属层与第二金属层的厚度均为0.1μm。这样厚度构建的谐振器中心频率为5G关键频段3.5GHz。当可开关式体声波滤波器的上层金属层即第一金属层电压为零时，二维电子气在AlGaN与GaN交界面堆积，压电效应被抑制，谐振器关闭。当第一金属层和第二金属层添加负压偏置时，二维电子气耗尽，体声波谐振器开启。通过COMSOL Multiphysics软件仿真得到的开启状态和关闭状态的导纳参数（Y参数）频率响应对比如图7。

通过微调第一金属层的厚度可以改变谐振器串联谐振点与并联谐振点的位置，当并联谐振器的串联谐振点与串联谐振器的并联谐振点重合时，滤波器具有最佳滤波性能。当阶数增加时滤波器的选择性随之提高。为了体现良好的滤波性质，选择4阶L型滤波器开启状态与关闭状态S参数仿真结果对比，如图9所示，理想状态的开关隔离度可以达到60dB左右。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。