硅基氮化镓无源器件研究

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随着微波毫米波波段移动通信系统的快速发展,现代社会对大带宽、高可靠性、大功率和低噪声的微波毫米波器件和集成电路需求大大增加,而微波毫米波电路是由电阻、电容、电感和声表面波滤波器等在内的无源器件组成,开发关键材料构筑这类无源器件成为提升器件性能的重要解决措施之一。硅基氮化镓材料具有宽带隙、高临界电场强度、强极化系数、高电子饱和速度等优良特性,在5G及B5G通信系统的射频前端中具有广阔的应用前景。但是目前硅基氮化镓微波毫米波器件和集成电路存在成本较高的问题,迫切需要开发与之相兼容的CMOS兼容工艺,以充分满足小型化和高度集成化的应用需求。基于此,本文从仿真设计、工艺制备及建模分析等方面对微波毫米波电阻、电容、螺旋电感和声表面波器件展开研究,主要内容如下:(1)开发了 CMOS兼容的硅基氮化镓电阻、电容的关键工艺制备流程,完成了器件制备和测试表征,并借助于ADS工具进行建模和分析。基于硅基氮化镓材料,设计并制备了不同电极线圈宽度、线圈间隙的介质桥螺旋电感器件。对所制备的电感的品质因数和电感值进行测试表征,分析不同螺旋线圈结构对这两种性能指标的影响。适当减小螺旋线圈的线宽、电极间距和线圈圈数,可以增大器件的品质因数,但电感量会降低。另外通过ADS等效电路建模和HFSS电磁仿真对所制备的电感器件进行分析,分析器件的寄生效应并提取出寄生参数值。最后提出新型插入介质层和接地层的螺旋电感结构,仿真研究了其品质因数特性。(2)借助COMSOL有限元仿真工具构建硅基三族氮化物SAW器件模型,仿真研究得出不同模态下的谐振频率和有效声波波速。构建了具有空气层的SAW二维简化模型,得出空气部分对器件存在的损耗小程度地降低了器件的有效声波波速。在仿真设计的基础上设计了不同IDT结构的SAW滤波器器件,进行工艺制备技术开发,并制备出Si基AlN SAW滤波器。对SAW器件进行S参数小信号测试研究,得到不同叉指电极宽度下的插入损耗以及谐振频率值,插入损耗在30-40 dB范围内变化。叉指宽度和叉指间隙宽度均为2μm时,器件的工作频率接近1.1 GHz,3 μm叉指宽度的器件谐振频率降低到750MHz。得出结论为提高器件工作频率、降低插损的方式主要是减小叉指电极并增大电极孔径长度。
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