Un resonador acústico masivo de película delgada (FBAR o TFBAR) es un dispositivo que consiste en un material piezoeléctrico fabricado mediante métodos de película delgada entre dos electrodos conductores, típicamente metálicos, y aislado acústicamente del medio circundante. El funcionamiento se basa en la piezoelectricidad de la piezocapa entre los electrodos.
Los dispositivos FBAR que utilizan películas piezoeléctricas con espesores que van desde varios micrómetros hasta décimas de micrómetros resuenan en el rango de frecuencia de 100 MHz a 20 GHz. [1] [2] Los resonadores FBAR o TFBAR entran en la categoría de resonadores acústicos masivos (BAW) y resonadores piezoeléctricos y se utilizan en aplicaciones donde se necesita alta frecuencia, tamaño y peso pequeños.
La orientación cristalográfica de una película delgada depende del piezomaterial seleccionado y de muchos otros elementos, como la superficie sobre la cual se cultiva la película y diversas condiciones de fabricación (crecimiento de la película delgada) (temperaturas seleccionadas, presión, gases utilizados, condiciones de vacío, etc.).
Cualquier material como titanato de circonato de plomo (PZT) [3] o titanato de bario y estroncio (BST) [4] de la lista de materiales piezoeléctricos podría actuar como material activo en un FBAR. Sin embargo, dos materiales compuestos, nitruro de aluminio (AlN) y óxido de zinc (ZnO), son los dos materiales piezoeléctricos más estudiados fabricados para realizaciones FBAR de alta frecuencia. Esto se debe al hecho de que propiedades como la estequiometría de dos materiales compuestos pueden ser más fáciles de controlar en comparación con tres materiales compuestos fabricados mediante métodos de película delgada. Por ejemplo, se sabe que la película delgada de ZnO con el eje C de la estructura cristalina (eje Z cristalino) normal a la superficie del sustrato excita ondas longitudinales (L). Las ondas de corte (transversales) (S) se excitan si el eje C de la estructura cristalina de la película está inclinado 41º. [5] También es posible, dependiendo de la estructura cristalina de la película, que ambas ondas (L y S) estén excitadas. Por lo tanto, la comprensión y el control de la estructura cristalina de la película piezoeléctrica fabricada es crucial para el funcionamiento del FBAR.
Para fines de alta frecuencia, como el filtrado de señales, la eficiencia de conversión de energía es el elemento más importante y, por lo tanto, se prefiere el uso de ondas longitudinales (L). Para fines de detección y actuación, la deformación estructural podría ser más importante que la eficiencia de conversión de energía y la excitación de ondas en modo de corte será el objetivo de la fabricación de la película piezoeléctrica.
A pesar del menor coeficiente de acoplamiento electromecánico en comparación con el óxido de zinc, el nitruro de aluminio, con una banda prohibida más amplia , se ha convertido en el material más utilizado en aplicaciones industriales, que requieren un amplio ancho de banda en el procesamiento de señales. [6] La compatibilidad con la tecnología de circuito integrado de silicio ha admitido AlN en productos basados en resonadores FBAR como filtros de radiofrecuencia, duplexores, amplificadores de potencia de RF o módulos receptores de RF.
Los sensores piezoeléctricos de película delgada pueden basarse en varios materiales piezoeléctricos según la aplicación, pero se prefieren dos materiales piezoeléctricos compuestos debido a la simplicidad de fabricación.
El dopaje o la adición de nuevos materiales como el escandio (Sc) [7] son nuevas direcciones para mejorar las propiedades del material de AlN para FBAR. Se ha demostrado que la investigación de nuevos materiales para electrodos o materiales alternativos al aluminio, como la sustitución de uno de los electrodos metálicos por materiales muy ligeros como el grafeno [8] para minimizar la carga del resonador, conduce a un mejor control de la frecuencia de resonancia.
Los resonadores FBAR pueden fabricarse sobre sustratos cerámicos (Al 2 O 3 o alúmina), zafiro , vidrio o silicio . Sin embargo, la oblea de silicio es el sustrato más común debido a su escalabilidad hacia la fabricación en masa y su compatibilidad con los diversos pasos de fabricación necesarios.
Durante los primeros estudios y la fase de experimentación de resonadores de película delgada en 1967, se evaporó sulfuro de cadmio (CdS) en una pieza resonante de cristal de cuarzo en masa que sirvió como transductor proporcionando un factor Q (factor de calidad) de 5000 a la frecuencia de resonancia (279 MHz). . [9] Esto permitió un control de frecuencia más estricto, para las necesidades de usar frecuencias más altas y utilizar resonadores FBAR. Con el desarrollo de tecnologías de película delgada fue posible mantener el factor Q lo suficientemente alto, dejar de lado el cristal y aumentar la frecuencia de resonancia.
La mayoría de los teléfonos inteligentes en 2020 incluyen al menos un duplexor o filtro basado en FBAR y algunos productos 4/ 5G pueden incluso incluir entre 20 y 30 funcionalidades basadas en la tecnología FBAR, principalmente debido a la mayor complejidad de la electrónica del front-end de radiofrecuencia (RFFE, RF front-end ). – las rutas del receptor y del transmisor – y la antena/sistema de antena. Las tendencias a utilizar el espectro de RF de manera más eficiente con frecuencias más altas que aproximadamente 1,5 a 2,5 GHz y, en algunos casos, también simultáneamente con un aumento de la potencia de salida de RF, han ayudado a que la tecnología FBAR se convierta en una de las tecnologías habilitadoras clave en las realizaciones de telecomunicaciones. La tecnología FBAR complementa y en algunos casos compite con la tecnología de ondas acústicas superficiales (SAW) y los resonadores FBAR pueden reemplazar cristales en osciladores de cristal y filtros de cristal en frecuencias superiores a 100 MHz.
Sensory es un área en desarrollo para los resonadores FBAR y las estructuras basadas en ellos. Se están investigando y desarrollando objetivos para medir y posiblemente también controlar pequeñas cantidades de materiales/líquidos/gases, y reemplazar cristales miniaturizados en diversas tareas de detección y actuación, como en pantallas de microespejos (DMD) [10]. Recolección de energía mediante la utilización de nanogeneradores . [11]
A partir de 2022, existen dos estructuras conocidas para resonadores de ondas acústicas masivas (BAW) de película delgada: resonadores independientes [12] y resonadores de montaje sólido (SMR). [13] En una estructura de resonador independiente se utiliza aire para separar el resonador del sustrato/entorno. La estructura de un resonador independiente se basa en algunos pasos de fabricación típicos utilizados en los sistemas microelectromecánicos MEMS .
En una estructura SMR, se construyen espejos acústicos que proporcionan un aislamiento acústico entre el resonador y el entorno como el sustrato. El espejo acústico (como un reflector de Bragg ) normalmente consta de un número total impar de materiales con capas alternas de materiales de alta y baja impedancia acústica . El espesor de los materiales del espejo también debe optimizarse para que sea del cuarto de longitud de onda para lograr la máxima reflectividad acústica. El principio básico de la estructura SMR se introdujo en 1965. [14]
Las imágenes esquemáticas de resonadores de película delgada muestran sólo los principios básicos de las estructuras potenciales. En realidad, es posible que se necesiten algunas capas dieléctricas para otras funciones, como por ejemplo para fortalecer varias partes de la estructura. Además, si es necesario (para simplificar el diseño final del filtro en la aplicación), las estructuras de resonador se pueden apilar, por ejemplo, una encima de otra, como en ciertas aplicaciones de filtro. Sin embargo, este enfoque aumenta la complejidad de la fabricación.
Algunos requisitos de rendimiento, como el ajuste de la frecuencia de resonancia, también pueden requerir pasos de proceso adicionales, como la molienda de iones, lo que complica el proceso de fabricación.
El enfoque más nuevo para desarrollar FBAR de mejor rendimiento es utilizar AlN monocristalino en lugar de AlN policristalino y colocar electrodos en el mismo lado de la piezocapa. [15]
Para realizar estructuras FBAR, se requieren muchos pasos de simulación precisos durante la fase de diseño para predecir la pureza de la frecuencia de resonancia y otras características de rendimiento. En una fase temprana del desarrollo, las técnicas de modelado básicas basadas en el método de elementos finitos (FEM) que se utilizan para cristales también se pueden aplicar y modificar para FBAR. [16] [17] Se necesitan varios métodos nuevos, como la interferometría láser de barrido, para visualizar la funcionalidad de los resonadores y ayudar a mejorar el diseño (diseño y estructura de la sección transversal del resonador) para lograr la pureza del resonancia y los modos de resonancia deseados. [18]
En muchas aplicaciones, el comportamiento de la temperatura, la estabilidad frente al tiempo, la fuerza y la pureza de la frecuencia de resonancia deseada forman la base para el rendimiento de las aplicaciones basadas en resonadores FBAR. La elección de materiales, la disposición y el diseño de las estructuras del resonador contribuyen al rendimiento del resonador y al rendimiento final de la aplicación. El rendimiento mecánico y la confiabilidad están determinados por el empaque y la estructura de los resonadores en las aplicaciones.
Una aplicación común de los FBAR son los filtros de radiofrecuencia (RF) [19] para su uso en teléfonos móviles y otras aplicaciones inalámbricas como posicionamiento ( GPS , Glonass , BeiDou , Galileo (navegación por satélite), etc.), sistemas Wi-Fi , pequeñas células de telecomunicaciones. y módulos para aquellos. Dichos filtros están fabricados a partir de una red de resonadores (ya sea en topologías de media escalera , de escalera completa, de celosía , de una combinación de celosía y escalera o apiladas) y están diseñados para eliminar frecuencias no deseadas que se transmiten en dichos dispositivos, al tiempo que permiten otras frecuencias específicas. frecuencias a recibir y transmitir. Los filtros FBAR también se pueden encontrar en duplexores . La tecnología de filtro FBAR complementa [20] la tecnología de filtro de ondas acústicas de superficie (SAW) en áreas donde se necesita una mayor capacidad de manejo de energía y tolerancia a descargas electrostáticas (ESD). Las frecuencias superiores a 1,5–2,5 GHz son adecuadas para dispositivos FBAR. Los FBAR sobre un sustrato de silicio se pueden fabricar en grandes volúmenes y la fabricación está respaldada por todo el desarrollo de métodos de fabricación de dispositivos semiconductores . Los requisitos futuros de nuevas aplicaciones, como el filtrado de ancho de banda con una fuerte atenuación de la banda de parada y la menor pérdida de inserción posible , tienen efectos en el rendimiento del resonador y muestran los pasos de desarrollo necesarios. [21]
Los FBAR también se pueden utilizar en osciladores y sincronizadores para reemplazar un cristal o cristales en aplicaciones donde frecuencias superiores a 100 MHz y/o una fluctuación muy baja son uno de los objetivos de rendimiento. [22]
Los FBAR también se pueden utilizar como sensores. Por ejemplo, cuando un dispositivo FBAR se somete a presión mecánica, su frecuencia de resonancia cambiará. La detección de humedad y compuestos orgánicos volátiles (COV) se demuestra mediante el uso de FBAR. Un conjunto de sensores táctiles también puede consistir en dispositivos FBAR, y la detección gravimétrica o de masa puede basarse en resonadores FBAR. [23]
Como componentes discretos, las piezas basadas en la tecnología FBAR, como resonadores y filtros básicos, se empaquetan en formato miniaturizado/pequeño, como paquetes de nivel de oblea . Los FBAR también se pueden integrar con amplificadores de potencia (PA) o amplificadores de bajo ruido (LNA) para formar una solución modular con los circuitos electrónicos relacionados. Aunque se ha demostrado que los FBAR integrados monolíticos en el mismo sustrato con los circuitos electrónicos como CMOS requieren varios pasos de proceso adicionales y capas de máscara además de la tecnología IC, lo que aumenta el costo de la solución. [24] [25] Por lo tanto, las soluciones monolíticas no han progresado tanto como las soluciones modulares en aplicaciones comerciales. Las soluciones de módulo típicas son un amplificador de potencia- módulo duplexor (PAD) o un módulo de filtro amplificador de bajo ruido (LNA) donde los FBAR y los circuitos relacionados están empaquetados en el mismo paquete, posiblemente en un sustrato de módulo separado.
Los FBAR se pueden integrar en comunicaciones complejas como módulos SimpleLink para evitar los requisitos de área/espacio de un cristal empaquetado externo. Por lo tanto, la tecnología FBAR tiene un papel clave en la miniaturización de la electrónica , específicamente en aplicaciones donde se necesitan osciladores y filtros precisos de alto rendimiento.
El uso de materiales piezoeléctricos en electrónica comenzó a principios de la década de 1960 en Bell Telephone Laboratories/ Bell Labs , donde se desarrollaron y utilizaron cristales piezoeléctricos como resonadores en aplicaciones como osciladores con frecuencias de hasta 100 MHz. Se aplicó dilución para aumentar la frecuencia de resonancia de los cristales. Sin embargo, existían limitaciones en el adelgazamiento de los cristales y a principios de la década de 1970 se aplicaron nuevos métodos de fabricación de películas delgadas para aumentar la precisión de la frecuencia de resonancia y apuntar a volúmenes de fabricación crecientes.
TFR Technologies Inc., fundada en 1989, fue una de las empresas pioneras en el campo de los resonadores y filtros FBAR, principalmente para aplicaciones espaciales y militares. Los primeros productos se entregaron a los clientes en 1997. [26] TFR Technologies Inc. fue adquirida en 2005 por TriQuint Semiconductor Inc. A principios de 2015, RF Micro Devices (RFMD), Inc. y TriQuint Semiconductor, Inc. anunciaron una fusión para formar Qorvo ofrece activamente productos basados en FBAR.
HP Laboratories inició un proyecto sobre FBAR en 1993 concentrándose en resonadores y filtros independientes. En 1999, la actividad de FBAR pasó a formar parte de Agilent Technologies Inc., que en 2001 entregó 25.000 duplexores FBAR para teléfonos N-CDMA . Más tarde, en 2005, la actividad FBAR en Agilent fue una de las tecnologías de Avago Technologies Ltd., que adquirió Broadcom Corporation en 2015. En 2016, Avago Technologies Ltd. cambió su nombre a Broadcom Inc. , actualmente activo en el suministro de productos basados en FBAR.
Infineon Technologies AG comenzó a trabajar con SMR-FBAR en 1999, concentrándose en filtros de telecomunicaciones [27] para aplicaciones móviles. El primer producto se entregó a Nokia Mobile Phones Ltd, [28] que lanzó el primer producto de telefonía móvil GSM de tres bandas basado en SMR-FBAR en 2001. El grupo de filtros FBAR (BAW) de Infineon fue adquirido por Avago Technologies Ltd en 2008, que más tarde se convirtió en parte de Broadcom como se describió anteriormente.
Después de adquirir el negocio de filtrado de Panasonic en 2016, Skyworks Solutions se convirtió en uno de los principales actores en dispositivos BAW/FBAR, además de Broadcom y Qorvo.
Además, después de adquirir el resto de RF360 Holdings en 2019, Qualcomm y Kyocera ofrecen productos basados en resonadores de película delgada, como módulos RFFE y filtros separados.
Aún así, muchas empresas como Akoustis Technologies, Inc. (fundada en 2014), Saiwei Electronics, [29] [30] Texas Instruments (TI), varias universidades e institutos de investigación ofrecen y estudian para mejorar la tecnología FBAR, su rendimiento, capacidad de fabricación, avanzar en las capacidades de diseño de FBAR y explorar nuevas áreas de aplicación junto con fabricantes de sistemas y empresas que proporcionan herramientas de simulación ( Ansys , Comsol Multiphysics y Resonant Inc., etc.).
Debido a que los resonadores de película delgada pueden reemplazar a los cristales en la detección, el área de aplicación más potencial para los resonadores FBAR es similar al área de la microbalanza de cristal de cuarzo (QCM). Una de las empresas pioneras que utiliza resonadores de película delgada en sensores es Sorex Sensors Ltd. [31] [32]