Résonateur acoustique en vrac à couche mince - Thin-film bulk acoustic resonator

Un résonateur acoustique massif à couche mince (FBAR ou TFBAR) est un dispositif composé d'un matériau piézoélectrique fabriqué par des méthodes de couche mince entre deux électrodes conductrices - généralement métalliques - et isolé acoustiquement du milieu environnant. Le fonctionnement est basé sur la piézoélectricité de la piézocouche entre les électrodes.

Structure FBAR de base

Les dispositifs FBAR utilisant des films piézoélectriques d'épaisseurs allant de quelques micromètres à quelques dizaines de micromètres résonnent dans la gamme de fréquences d'environ 100 MHz à 20 GHz. Les résonateurs FBAR ou TFBAR entrent dans la catégorie des résonateurs acoustiques en vrac (BAW) et des résonateurs piézoélectriques et ils sont utilisés dans des applications où une fréquence élevée, une petite taille et un poids sont nécessaires.

La piézoélectricité dans les couches minces

L'orientation cristallographique d'un film mince dépend du piézo-matériau sélectionné et de nombreux autres éléments comme la surface sur laquelle le film est développé et diverses conditions de fabrication - croissance du film mince - (températures sélectionnées, pression, gaz utilisés, conditions de vide, etc.).

Tout matériau comme le titanate de zirconate de plomb (PZT) ou le titanate de baryum et de strontium (BST) de la liste des matériaux piézoélectriques pourrait agir comme matériau actif dans un résonateur FBAR. Cependant deux matériaux composés nitrure d'aluminium ( AIN ) et oxyde de zinc sont les deux matériaux piézoélectriques les plus étudiés fabriqués pour les réalisations FBAR haute fréquence. Cela est dû au fait que les propriétés telles que la stoechiométrie de deux matériaux composites peuvent être plus faciles à contrôler par rapport à trois matériaux composites fabriqués par des méthodes à couche mince. Par exemple, il est connu qu'un film mince de ZnO avec l'axe C de la structure cristalline (axe Z cristallin) normal à la surface du substrat excite des ondes longitudinales (L). Les ondes de cisaillement (transversales) (S) sont excitées si l'axe C de la structure cristalline du film est incliné à 41º. Il est également possible – en fonction de la structure cristalline du film – que les deux ondes (L & S) soient excitées. Par conséquent, la compréhension et le contrôle de la structure cristalline du film piézoélectrique fabriqué sont cruciaux pour le fonctionnement du FBAR.

À des fins de haute fréquence comme le filtrage de signaux, l'efficacité de conversion d'énergie est l'élément le plus important et, par conséquent, les ondes longitudinales (L) sont privilégiées et ciblées pour être utilisées. À des fins de détection et d'actionnement, la déformation structurelle pourrait être plus importante que l'efficacité de conversion d'énergie et l'excitation des ondes en mode de cisaillement sera la cible de la fabrication du film piézoélectrique.

Malgré un coefficient de couplage électromécanique inférieur à celui de l'oxyde de zinc, l'AlN avec une bande interdite plus large est devenu le matériau le plus utilisé dans les applications industrielles, qui nécessitent une large bande passante dans le traitement du signal. La compatibilité avec la technologie des circuits intégrés au silicium a pris en charge l'AlN dans les produits à base de résonateur FBAR tels que les filtres radiofréquence, les duplexeurs, les amplificateurs de puissance RF ou les modules récepteurs RF.

Les capteurs piézoélectriques à couche mince peuvent être basés sur divers matériaux piézoélectriques en fonction de l'application, mais deux matériaux piézoélectriques composés sont privilégiés en raison de la simplicité de fabrication.

Résonateur acoustique en vrac à couche mince résonante avec une disposition carrée

Le dopage ou l'ajout de nouveaux matériaux comme le scandium (Sc) sont de nouvelles directions pour améliorer les propriétés matérielles de l'AlN pour les FBAR. Il a été démontré que la recherche de nouveaux matériaux d'électrode ou de matériaux alternatifs à l'aluminium en remplaçant l'une des électrodes métalliques par des matériaux très légers comme le graphène pour minimiser la charge du résonateur permet un meilleur contrôle de la fréquence de résonance.

Substrats pour résonateurs FBAR et leurs applications

Les résonateurs FBAR peuvent être fabriqués sur des substrats en céramique (Al 2 O 3 ou alumine), saphir , verre ou silicium . Cependant, la plaquette de silicium est le substrat le plus courant en raison de son évolutivité vers la fabrication de masse et de sa compatibilité avec les différentes étapes de fabrication nécessaires.

Au cours des premières études et de la phase d'expérimentation des résonateurs à couche mince en 1967, du sulfure de cadmium (CdS) a été évaporé sur un morceau résonnant de cristal de quartz en vrac qui a servi de transducteur fournissant un facteur Q (facteur de qualité) de 5000 à la fréquence de résonance (279 MHz) . C'était un catalyseur pour un contrôle de fréquence plus strict, pour les besoins d'utiliser des fréquences plus élevées et d'utiliser des résonateurs FBAR. Avec le développement des technologies à couches minces, il a été possible de maintenir le facteur Q suffisamment élevé, d'omettre le cristal et d'augmenter la fréquence de résonance.

Filtre passe-bande de type échelle basé sur des résonateurs FBAR. La différence de fréquence de résonance des résonateurs 1 et 2 détermine la gamme de fréquences à passer.

Zone d'application

La plupart des smartphones en 2020 incluent au moins un duplexeur ou filtre basé sur FBAR et certains produits 4/ 5G peuvent même inclure 20 à 30 fonctionnalités basées sur la technologie FBAR principalement en raison de la complexité accrue du frontal radio (RFFE, RF front end ) l'électronique – à la fois les trajets du récepteur et de l'émetteur – et le système antenne/antenne. Les tendances à utiliser le spectre RF de manière plus efficace avec des fréquences supérieures à environ 1,5 à 2,5 GHz et, dans certains cas, également simultanément avec l'augmentation de la puissance de sortie RF, ont permis à la technologie FBAR de devenir l'une des technologies habilitantes clés dans les réalisations de télécommunications. La technologie FBAR complète et, dans certains cas, concurrence la technologie des ondes acoustiques de surface (SAW) et les résonateurs FBAR peuvent remplacer les cristaux dans les oscillateurs à cristal et les filtres à cristal à des fréquences supérieures à 100 MHz.

Le sensoriel est un domaine en développement pour les résonateurs FBAR et les structures basées sur eux. Des cibles pour mesurer et éventuellement contrôler une petite quantité de matériaux/liquides/gaz, et remplacer le(s) cristal(s) miniaturisés dans diverses tâches de détection et d'actionnement sont en cours de recherche et développement.

Structures de base

Une coupe transversale schématique du résonateur FBAR autonome basé sur la gravure de micro-usinage de surface
Une coupe transversale schématique du résonateur FBAR autonome basée sur la gravure par micro-usinage en masse (à travers le substrat)

Il existe actuellement deux structures connues de résonateurs à ondes acoustiques en masse (BAW) à couche mince : les résonateurs autonomes et les résonateurs montés solidement (SMR). Dans une structure de résonateur autonome, l'air est utilisé pour séparer le résonateur du substrat/environnement. La structure d'un résonateur autonome est basée sur certaines étapes de fabrication typiques utilisées dans les systèmes micro-électromécaniques MEMS .

Une coupe schématique de la structure SMR

Dans une structure SMR, un ou plusieurs miroirs acoustiques assurant une isolation acoustique sont construits entre le résonateur et l'environnement comme le substrat. Le miroir acoustique (comme un réflecteur de Bragg ) se compose généralement d'un nombre total impair de matériaux avec une alternance d' impédance acoustique élevée et faible . L'épaisseur des matériaux des miroirs doit également être optimisée au quart de longueur d'onde pour une réflectivité acoustique maximale. Le principe de base de la structure SMR a été introduit en 1965.

Des images schématiques des résonateurs à couche mince ne montrent que les principes de base des structures potentielles. En réalité, certaines couches diélectriques peuvent être nécessaires comme pour renforcer diverses parties de la structure. De plus, si nécessaire - pour simplifier la disposition finale du filtre dans l'application - les structures de résonateur peuvent être empilées, par exemple construites les unes sur les autres comme dans certaines applications de filtre. Cependant cette approche augmente la complexité de fabrication.

Certaines exigences de performances telles que le réglage de la fréquence de résonance peuvent également nécessiter des étapes de processus supplémentaires telles que le broyage ionique, ce qui complique le processus de fabrication.

Les directions les plus récentes pour développer des FBAR plus performants consistent à utiliser de l'AlN monocristallin au lieu de l'AlN polycristallin et à placer des électrodes du même côté de la couche piézoélectrique.

Parce que la réalisation de structures FBAR nécessite de nombreuses étapes précises, la simulation est activement utilisée pendant la phase de conception pour prédire la pureté de la fréquence de résonance et d'autres performances. Au début du développement, les techniques de modélisation basées sur la méthode des éléments finis (FEM) de base utilisées pour les cristaux ont également été appliquées et modifiées pour les FBAR. Plusieurs nouvelles méthodes, telles qu'une interférométrie laser à balayage, étaient nécessaires pour visualiser la fonctionnalité des résonateurs et aider à améliorer la conception (disposition et structure transversale du résonateur) pour obtenir la pureté de la résonance et les modes de résonance souhaités.

Exigences d'application

Dans de nombreuses applications, le comportement en température, la stabilité en fonction du temps, la résistance et la pureté de la fréquence de résonance souhaitée constituent la base des performances des applications basées sur les résonateurs FBAR. Les choix de matériaux, la disposition et la conception des structures de résonateurs contribuent aux performances du résonateur et aux performances finales de l'application. Les performances mécaniques et la fiabilité sont déterminées par l'emballage et la structure des résonateurs dans les applications.

Deux filtres FBAR sur une carte mère de téléphone portable reliés par câble à un transporteur LCC. Ces filtres en échelle sont constitués de six résonateurs FBAR et le filtre de bande inférieur sur le côté droit utilise des bords non parallèles pour la suppression des parasites.

Une application courante des FBAR est les filtres radiofréquence (RF) destinés à être utilisés dans les téléphones portables et autres applications sans fil telles que le positionnement ( GPS , Glonass , BeiDou , Galileo (navigation par satellite), etc.), les systèmes Wi-Fi , les petites cellules et modules de télécommunication pour celles. Ces filtres sont constitués d'un réseau de résonateurs (soit en demi- échelle , en échelle complète, en treillis ou en topologies empilées) et sont conçus pour supprimer les fréquences indésirables d'être transmises dans de tels dispositifs, tout en permettant à d'autres fréquences spécifiques d'être reçues et transmises. Les filtres FBAR peuvent également être trouvés dans les duplexeurs . La technologie de filtre FBAR complète la technologie de filtre à ondes acoustiques de surface (SAW) dans les zones où une capacité de gestion de puissance accrue et une tolérance aux décharges électrostatiques (ESD) sont nécessaires. Les fréquences supérieures à 1,5 à 2,5 GHz sont bien adaptées aux appareils FBAR. Parce que les FBAR sur un substrat de silicium peuvent être fabriqués en grands volumes et sont pris en charge par tous les développements de méthodes de fabrication de dispositifs à semi - conducteurs . Les exigences futures de nouvelles applications telles que le filtrage de la bande passante avec une forte atténuation de la bande d'arrêt et une perte d'insertion la plus faible possible ont des effets sur les performances du résonateur et montrent les étapes de développement nécessaires.

Les FBAR peuvent également être utilisés dans les oscillateurs et les synchroniseurs pour remplacer un ou plusieurs cristaux dans les applications où des fréquences supérieures à 100 MHz et/ou une très faible gigue constituent l'un des objectifs de performance.

Les FBAR peuvent également être utilisés comme capteurs. Par exemple, lorsqu'un dispositif FBAR est soumis à une pression mécanique, sa fréquence de résonance se déplacera. La détection de l'humidité et des composés organiques volatils (COV) est démontrée à l'aide de FBAR. Un réseau de capteurs tactiles peut également être constitué de dispositifs FBAR, et la détection gravimétrique ou de masse peut être basée sur des résonateurs FBAR.

En tant que composants discrets, les pièces basées sur la technologie FBAR, telles que les résonateurs et les filtres de base, sont emballées dans des boîtiers miniaturisés/de petit format, tels que des boîtiers au niveau de la tranche . Les FBAR peuvent également être intégrés à des amplificateurs de puissance (PA) ou des amplificateurs à faible bruit (LNA) pour former une solution de module avec les circuits électroniques associés. Bien qu'il ait été démontré que l'intégration monolithique de FBAR sur le même substrat avec des circuits électroniques tels que CMOS nécessite plusieurs étapes de processus supplémentaires et des couches de masque en plus de la technologie IC, ce qui augmente le coût de la solution. Par conséquent, les solutions monolithiques n'ont pas autant progressé que les solutions modulaires dans les applications commerciales. Les solutions de modules typiques sont un module amplificateur de puissance- duplexeur (PAD) ou un module amplificateur à faible bruit (LNA)-filtre où le ou les FBAR et les circuits associés sont emballés dans le même boîtier, éventuellement sur un substrat de module séparé.

Les FBAR peuvent être intégrés dans des communications complexes telles que les modules SimpleLink pour éviter les exigences de surface/espace d'un cristal externe emballé. Par conséquent, la technologie FBAR a un rôle clé dans la miniaturisation de l' électronique, en particulier dans les applications où des oscillateurs et des filtres hautes performances précis sont nécessaires.

Paysage historique et industriel

Résonateurs et filtres/duplexeurs

L'utilisation de matériaux piézoélectriques pour différentes applications a commencé au début des années 1960 aux Bell Telephone Laboratories/ Bell Labs , où des cristaux piézoélectriques ont été développés et utilisés comme résonateurs dans des applications telles que les oscillateurs avec des fréquences allant jusqu'à 100 MHz. Un amincissement a été appliqué pour augmenter la fréquence de résonance des cristaux. Cependant, il y avait des limites à l'amincissement des cristaux et de nouvelles méthodes de fabrication de couches minces ont été appliquées au début des années 1970 pour augmenter la précision de la fréquence de résonance et cibler des volumes de fabrication croissants.

TFR Technologies Inc., fondée en 1989, a été l'une des entreprises pionnières dans le domaine des résonateurs et filtres FBAR principalement pour les applications spatiales et militaires. Les premiers produits ont été livrés aux clients en 1997. TFR Technologies Inc. a été rachetée en 2005 par TriQuint Semiconductor Inc. Début 2015, RF Micro Devices (RFMD), Inc. et TriQuint Semiconductor, Inc. ont annoncé une fusion pour former Qorvo active fournissant Produits basés sur FBAR.

Les laboratoires HP ont lancé un projet sur les FBAR en 1993 en se concentrant sur les résonateurs et les filtres autonomes. En 1999, l'activité FBAR a été intégrée à Agilent Technologies Inc., qui a livré en 2001 25 000 duplexeurs FBAR pour les téléphones N-CDMA . Plus tard en 2005, l'activité FBAR chez Agilent était l'une des technologies d'Avago Technologies Ltd., qui a acquis Broadcom Corporation en 2015. En 2016, Avago Technologies Ltd. a changé son nom en Broadcom Inc. , actuellement active dans la fourniture de produits basés sur FBAR.

Infineon Technologies AG a commencé à travailler avec les SMR-FBAR en 1999, en se concentrant sur les filtres de télécommunication pour les applications mobiles. Le premier produit a été livré à Nokia Mobile Phones Ltd, qui a lancé en 2001 le premier produit de téléphonie mobile GSM à trois bandes basé sur SMR-FBAR. comme décrit précédemment.

Après avoir acquis l'activité de filtrage de Panasonic en 2016, Skyworks Solutions est devenu l'un des principaux acteurs des appareils BAW/FBAR en plus de Broadcom et Qorvo.

En outre, d'autres sociétés telles que RF360 Holdings (coentreprise de Qualcomm et TDK) et Kyocera proposent des produits à base de résonateurs à couche mince tels que des modules RFFE et des filtres séparés.

Encore de nombreuses entreprises comme Akoustis Technologies, Inc. (fondée en 2014), Texas Instruments (TI), plusieurs universités et instituts de recherche proposent et étudient pour améliorer la technologie FBAR, ses performances, sa fabrication, faire progresser les capacités de conception des FBAR et explorer de nouveaux domaines d'application. conjointement avec des fabricants de systèmes et des entreprises fournissant des outils de simulation ( Ansys , OnScale, Comsol Multiphysics et Resonant Inc. etc.).

Capteurs à base de résonateur à couche mince

Étant donné que les résonateurs à couche mince peuvent remplacer les cristaux dans la détection, le domaine d'application le plus potentiel pour les résonateurs FBAR est similaire à celui de la microbalance à cristal de quartz (QCM). Les sociétés pionnières utilisant des résonateurs à couche mince dans la détection sont Sorexensors et Airspec.

Voir également

Les références

Liens externes