一种可开关式声波滤波器、模组及制作方法

技术领域

本发明涉及射频微机电器件领域，具体涉及一种可开关式声波滤波器、模组及制作方法。

背景技术

随着5G时代的推进，射频前端小型化、微型化、集成化的发展，更高通信频段的开放和使用让市场对体声波滤波技术的需求不断增加。据Skyworks公司预计，5G成熟阶段新型无线通信设备的射频前端滤波器数量会增加到100余个，开关将超过30余个，这意味着射频系统对开关滤波器组的更高要求。传统的腔体滤波器、介质滤波器在5G频段将无法使用，声波滤波器由与其高品质因数（Q），高频率，微体积及适于批量生产等优点，被广泛应用与6G以下频段（sub-6G），因此开关声波滤波器组的需求也随之增加。

常见的开关滤波器模组由两个开关电路与多路滤波器通道构成。通过开关驱动电路控制滤波器两端连接的单刀多掷开关电路的切换，开启需要使用的滤波器通道，关闭不需要使用的滤波器通道，从而选择需要的频段。这样的开关电路结构复杂，加工步骤多与使用体积大。近年来，声波滤波器与集成电路异构集成的开关声波滤波器组的电路也开展了很多研究，如郭松林,李丽,等.“基于异构集成技术的FBAR开关滤波器组芯片”《半导体技术》,2020,45(04):263-267.中分别制作四通道体声波滤波器芯片与微波单片集成电路开关电路芯片，通过倒装金锡凸点焊接的组装工艺进行连接。这种结构虽然节约了部分芯片面积但在加工步骤与制作难度上没有真正的简化。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明第一目的是提供一种可开关式声波滤波器；

本发明第二目的是提供一种可开关式声波滤波器模组；

本发明的第三目的是提供一种可开关式声波滤波器的制作方法。

本发明采用如下技术手段：

一种可开关式声波滤波器，包括串联支路、并联支路及两个高迁移率晶体开关管，所述两个高迁移率晶体开关管设置在串联支路的两端，所述高迁移率晶体开关管与串联支路及并联支路集成在同一芯片；

所述串联支路包括若干个串联连接的第一声波谐振器，所述并联支路包括若干个并联的第二声波谐振器，所述第一声波谐振器为不可开关式体声波谐振器，所述第二声波谐振器为可开关式体声波谐振器。

进一步，所述第一声波谐振器及第二声波谐振器至少包括第一金属层及压电层，第一声波谐振器的压电层为单层，第二声波谐振器的压电层包括禁带宽度不同的第一压电半导体材料层与第二压电半导体材料层，所述第二压电半导体材料层厚度大于第一压电半导体材料层，且位于第一压电半导体材料层下方，与第一压电半导体材料层构成异质结，产生二维电子气（2DEG）或二维空穴气(2DHG)。

进一步，所述第一压电半导体材料层由AlGaN构成，第二压电半导体材料层由GaN构成，此时形成的异质结产生二维电子气；所述第一压电半导体材料层由GaN构成，第二压电半导体材料层由AlN或AlGaN构成，此时形成的异质结产生二维空穴气。

进一步，采用低电压控制第二声波谐振器的开启与关闭，具体为：

当异质结产生二维电子气时，第二声波谐振器的第一金属层施加负电压控制谐振器的开启；

当异质结产生二维空穴气，第二声波谐振器的第一金属层施加正电压控制谐振器的开启；

第二声波谐振器的第一金属层无偏置电压时，第二声波谐振器关闭，此时第二声波谐振器等效为一个电容。

进一步，通过在高迁移率晶体开关管栅极施加电压控制可开关式声波滤波器的导通与关断，具体为：

在高迁移率晶体开关管的栅极施加正电压时，高迁移率晶体开关管关闭，此时高迁移率晶体开关管等效为一个电阻，从而实现信号隔离；

在高迁移率晶体开关管的栅极无偏置电压时，高迁移率晶体开关管形成信号通路。

进一步，通过刻蚀压电层的厚度，改变串联支路谐振点的位置。

一种可开关式声波滤波器模组，包括多个并联连接的可开关式声波滤波器，每个可开关式声波滤波器形成一个独立通道，外加驱动信号控制通道开关。

一种可开关式声波滤波器的制作方法，包括：

在硅片上制备压电层，具体是采用MOCVD或MBE的方法生长第一半导体材料层及第二压电半导体材料层；

刻蚀压电层，图形化去除第一压电半导体材料层及部分第二压电半导体材料层，使得串联连接的第一声波谐振器不具有开关特性，同时降低第二压电半导体材料层的厚度使得串联连接的第一声波谐振器谐振点向高频移动，与并联连接的第二声波谐振器构成滤波器通道；

制备高迁移率晶体开关管的源极及漏极；

同时制备第一金属层和高迁移率晶体开关管的栅极；

制备金属焊盘层及背部释放，获得可开关式声波滤波器。

进一步，部分声波谐振器需要在背部释放后增加制备第二金属层的步骤。

进一步，多个不同频段的可开关式声波滤波器可在同一衬底上同步加工制作。

本发明的有益效果：

（1）本发明将高迁移率晶体开关管与声波谐振器集成在同一芯片，即将射频前端的开关与滤波器实现单片集成，降低了电路复杂度，减少了使用面积以及封装的成本；

（2）本发明可以使用低电压驱动信号实现开关效果，控制信号施加低直流偏置时控制高迁移率晶体开关管与可开关式声波谐振器的开启与关闭；本发明利用很低的直流偏置，就可以实现很好的隔离度，有广泛研发与商用意义。

（3）本发明高度集成提高滤波器性能，将控制开关与滤波器集成在同一片上，减少了信号在滤波器与开关之间的传输损耗，从而提高滤波器通带性能。本发明提出的可开关滤波器模组可以由中心频率相差较大的多种声波滤波器组成且可以进一步与射频前端其他器件单片集成实现射频前端部分模组的整体制备，具有很高的适用性。

（4）本发明压电半导体材料层可以采用GaN、AlN或AlGaN形成异质结，可以产生二维电子气或二维空穴气，使得谐振器结构材料选择更多样化，可以应用于多种声波滤波器件制作。二维空穴气的应用，让声波滤波器件可以选择具有高声速，高机械品质因数（Q）,高耦合系数等等优点的AlN作为压电材料。

（5）本发明在制作方法中同时制备开关管及谐振器，开关管的半导体材料层与谐振器的压电层共用，同时沉积半导体材料层；开关管的栅极与第一金属层共用，同时进行电子束蒸发沉积金属与金属剥离。同时制备工艺可以节约光刻版并省去光刻与重复工艺机器使用，材料消耗等。

附图说明

图1为本发明实施例3可开关声波滤波器组原理框图；

图2为本发明实施例1可开关声波滤波器结构图；

图3为本发明实施例1可开关式体声波谐振器结构图；

图4为本发明实施例1单个通道滤波器开启与关闭状态S参数对比图；

图5（a）～图5（h）为本发明实施例2可开关体声波滤波器组的工艺流程图；

图6（a）～图6（d）为本发明实施例3多通道滤波器组各通道分别开启状态的S参数图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图2所示，一种可开关式声波滤波器，包括两个高迁移率晶体开关管、串联支路及并联支路，所述两个高迁移率晶体开关管与串、并联支路集成在同一芯片，本发明使用同一流程制备，同步制作实现片上集成。

进一步，所述串联支路包括若干个串联连接的第一声波谐振器1，所述并联支路包括若干个并联的第二声波谐振器2，所述第一声波谐振器与第二声波谐振器类型不同，所述若干个连接的第一声波谐振器构成串联支路的两端分别连接高迁移率晶体开关管3，所述高迁移率晶体开关管的栅极连接电源。

本实施例中为了隔离信号与电源，还包括异质结构成的高阻值隔离电阻4，设置在位于电源与第二声波谐振器即可开关式体声波谐振器之间。

本实施例中声波谐振器可以选择体声波谐振器、兰姆波谐振器及声表面波谐振器等的任意一种。

本实施例1中第一声波谐振器选用不可开关式体声波谐振器，所述第二声波谐振器为可开关式体声波谐振器，下述提及滤波器均是由该结构构成。

进一步，第一及第二声波谐振器至少包括第一金属层及压电层，本实施例1中第一声波谐振器及第二声波谐振器均是由第一金属层、压电层和第二金属层组成的“三明治”结构器件。

所述第一金属层为高功函数金属。

所述第二金属层为低声学损耗金属。

第一声波谐振器的压电层为单层，且由同一压电半导体材料构成，优选AlN材料。所述第二声波谐振器的压电层包括禁带宽度不同的第一压电半导体材料层及第二压电半导体材料层，所述第一压电半导体材料层优选GaN构成，所述第二压电半导体材料层优选AlN构成，第一压电半导体材料层及第二压电半导体材料层构成异质结产生二维空穴气，其产生与耗尽通过反向偏置的肖特基结来调控。

进一步，用于并联支路的第二声波谐振器具体为可开关式体声波谐振器，如图3所示，包括第一金属层5、第二金属层9及压电层。所述压电层是由禁带宽度不同的第一压电半导体材料层6和第二压电半导体材料层8构成。禁带宽度不同的第一压电半导体材料层和第二压电半导体材料层形成异质结7从而产生二维空穴气。

本实施例中第一压电半导体材料层厚度约20nm，第二压电半导体材料层厚度约1um。

进一步，所述第二声波谐振器通过低电压控制开启与关闭，低电压一般小于12V，本实施例开启与关闭以异质结产生二维空穴气为例，具体为：

当第一金属层施加正电压时，二维空穴气耗尽，电场可以通过第一压电半导体材料层来激励第二压电半导体材料，使其可以产生谐振正常工作，第二声波谐振器开启。

当第一金属层无偏置电压时，第二声波谐振器的压电层受到二维空穴气的屏蔽作用，导致谐振器无法正常工作达到关闭效果，此时谐振器转变为由上下两层金属层中间为绝缘介质层组成的大电容，第二声波谐振器关闭。

进一步，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。压电层不同禁带宽度的半导体材料接触，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。较窄禁带半导体材料位于较宽禁带半导体材料之上，在极化电场的作用下，带隙较窄一侧材料中的空穴被转移在量子阱中。由于量子阱的宽度相比与沟道的宽度很窄，空穴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空穴气。

所述两个高迁移率晶体开关管分别位于滤波器内部的两端作为滤波器的开关管，由高迁移率晶体开关管的栅极增加正电压控制电路的导通与关断。栅极施加负压时开关管关闭，此时开关管等效为一个高阻值的电阻，从而实现信号隔离。栅极无电压偏置时，开关管呈现非常低的电阻值，形成信号通路。

进一步，所述高迁移率晶体开关管的源极与漏极由沉积合金与半导体材料形成欧姆接触制作，其栅极与半导体材料形成肖特基接触制作。

本实施例1中可开关式滤波器的控制过程如下：

滤波器通道关闭状态，具体过程为：高迁移率晶体开关管的栅极施加正电压，开关管呈关断状态，表现为一个大电阻；并联支路中可开关式体声波谐振器第一金属层无电压偏置，等效为大电容，使信号接地，此通道呈关闭状态。

滤波器通道开启状态，具体过程为：高迁移率晶体开关管的栅极无电压偏置，呈现非常低的电阻值，形成信号通路；并联支路中可开关式体声波谐振器第一金属层无偏置电压，谐振器呈开启状态，正常工作产生滤波作用。

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。

采用电路仿真软件进行单通道体声波滤波器的电路仿真，体声波滤波器开启状态与关闭状态S参数对比仿真结果如图4所示。从仿真结果看出，该带通滤波器中心频率为3.5GHz，本发明开启状态下开关结构给滤波器带来的损耗小于1dB；关闭状态下，隔离效果高于60dB，具有商业开发与使用的意义。

实施例2

如图5（a）-图5（h）所示，一种可开关式声波滤波器的制作方法，主要包括，制备谐振器的压电层、制备高迁移率晶体开关管的源漏极；制备谐振器第一金属层和开关管栅极；刻蚀压电层；制备金属焊盘层；背部释放。

具体为：

S1 硅片清洗

选择高阻的双面抛光晶向（111）硅片10，采用标准的半导体清洗工艺进行硅片清洗。

S2制备压电层

采用MOCVD（金属有机物化学气相沉积）或MBE（分子束外延）的方法生长第二压电半导体材料层12与较薄的第一压电半导体材料层11，第一压电半导体材料层位于第二压电半导体材料层的上方，所述第一压电半导体材料层为20nm左右。

S3刻蚀压电层

图形化压电层，使用ICP刻蚀，减薄串联体声波谐振器压电层厚度，去除全部第一压电半导体材料层及部分第二压电半导体材料层，构成刻蚀后的第二压电半导体材料层13，使串联谐振器不具有开关特性。同时降低体声波谐振器的压电层厚度使谐振器谐振点向高频移动，从而使串联谐振器与并联谐振器可以构成滤波器通道。如压电层选择GaN与AlGaN，等离子气体可以选择三氯化硼（

S4制备开关管源漏极

使用电子束蒸发的方法，在半导体材料上沉积多种金属14，金属剥离实现图形化，放置高温炉内快速退火形成合金完成开关管源极与漏极欧姆接触的制作。如压电层选择GaN与AlGaN，源漏极金属可以选择钛/铝/镍/金（Ti/Al/Ni/Au）四种金属。

S5制备谐振器的第一金属层和开关管的栅极

使用电子束蒸发的方法，在半导体材料上沉积高功函数金属15如镍（Ni），金属剥离实现图形化。

S6制备金属焊盘层

使用电子束蒸发的方法，在器件上沉积导电性良好的金属16如金（Au）作为器件连接导线与金属焊盘，金属剥离实现图形化。

S7背部释放

倒转晶圆，在晶圆背面图形化，使用六氟化硫（

S8制备第二金属层，如果该声波谐振器无第二金属层则无需此步。

采用磁控溅射的方法，在晶圆背面刻蚀出的硅孔内沉积第二金属层18，金属剥离实现图形化。金属剥离的阻挡层可以选择背部刻蚀后剩余的光刻胶或表面黏附金属掩模版。

本实施例运用氮化镓（GaN）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相互转换，激励谐振器产生谐振，从而制作声波谐振器；利用其半导体特性使它与禁带宽度不同的压电半导体材料层（常用的如AlGaN）组成异质结产生二维电子气。异质结结构不仅使声波谐振器具备开关特性，同时作为高迁移率晶体开关管的栅极使用。高迁移率晶体开关管的源极与漏极通过在半导体材料上沉积钛/铝/镍/金（Ti/Al/Ni/Au）四种金属，退火形成合金实现欧姆接触制作。在声波谐振器的第一金属层施加直流电压控制声波谐振器开启，在高迁移率晶体开关管的栅极施加直流电压控制开关管关闭。

进一步，本发明提出的压电层材料的可以选择其他三族元素和五族元素等组成的具有压电性的化合物。

实施例3

如图1所示，一种可开关式体声波滤波器模组，由多个本实施例1所述的可开关式声波滤波器（声波滤波器1、声波滤波器2……声波滤波器N）构成，外加驱动信号控制滤波器通道的开启和关闭，使得某一时刻只有需要频率信号的通道被打开，其他通道被关闭。

本发明通过具体实例二通道滤波器组进行进一步展示。该二通道滤波器的每一个通道都由前后两端的高迁移率晶体开关管，多个串联体声波谐振器与多个并联的可开关式体声波谐振器组成。使用电路软件进行仿真，选择压电层为AlN材料搭建中心频率为2GHz（通道1）和2.4GHz（通道2）的两条滤波器通道。通过外加直流信号分别控制两条滤波器通道的开启与关闭,两个通道独立正常工作时S参数如图6（a）所示。如图6（b）所示当两个滤波器并联且仅需要通道1开启时，若通道2支路中的高迁移率晶体开关管未关闭（或没有开关管），则通道2处产生了一个零点并使通道1的通带插损和平坦度恶化。当高迁移率晶体开关管施加正电压关闭时，通道2隔离度提升，则通道1的响应回归正常。但往往受限于晶体开关管的插损，不能仅靠开关管来保证通道间的有效隔离。如图6（c）所示，若通道2支路中的开关管关闭但可开关式滤波器未关闭，则会受限于隔离度，在2.4GHz处产生杂散。因此，经过初步分析，高迁移率晶体开关管的植入以及与可开关式滤波器的配合是可重构开关滤波器组正常工作的重要保证。两滤波器通道同时开启时S参数如图6(d)所示。经过有效的隔离度设计，该滤波器模组也可同时开启多个滤波器，实现灵活的多频段滤波功能。

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所述实施例的限制，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。