HALE4SPACE

Rezultatele proiectului

Etapa 1/2017. Proiectarea, fabricarea şi caracterizarea structurilor de test de rezonatoare SAW acordate în frecvenţă cu elemente printate cu constante concentrate procesate pe GaN/Si

În cadrul acestei etape au fost dezvoltate modele numerice pentru simularea multifizică a rezonatoarelor SAW utilizând programul COMSOL Multiphysics. Cu ajutorul acestor modele au fost investigate distribuţiile câmpului electromecanic (potenţial electric şi deplasare) pentru diferite moduri de propagare (Fig. 1) în cazul unui strat de GaN de 1 µm grosime, crescut prin tehnica MOCVD pe un substrat de siliciu de înaltă rezistivitate. Au fost prezentate cazurile metalizărilor cu aur şi cu aluminiu.

Au fost dezvoltate modele 3D electromagnetice utilizând CST Studio Suite (Fig. 2) pentru simularea rezonatoarelor SAW şi a elementelor cu constante concentrate printate. Modelele se bazează pe modularea locală a permitivităţii substratului utilizând modelul de dispersie Lorentz. Au fost simulate diferite structuri, arătându-se efectul lungimii unei linii inductive asupra parametrilor S, precum şi efectul ariei rezonatorului SAW.

Au fost proiectate structuri de test şi măştile de procesare pentru Lot 1. Lotul 2 conţine blocuri componente ale filtrelor trece bandă. Structurile au fost fabricate, utilizând un flux tehnologic în trei etape, optimizat pentru a răspunde cerinţelor de metalizare subţire pentru rezonatoarele SAW şi metalizare groasă pentru realizarea padurilor de contactare, liniilor de transmisie CPW, inductoarelor printate cu constante concentrate. Structurile au fost caracterizate structural utilizând SEM (Fig. 3 si Fig. 4) şi AFM (Fig. 5) şi a fost demonstrată calitatea procesului tehnologic.

Caracterizarea în domeniul microundelor a fost realizată prin măsurători de parametri S pe plachetă (Fig. 6). Rezultatele au demonstrat acoperirea întregului spectru de frecvenţe de interes pentru filtrele trece bandă. Modelarea pe bază de circuit echivalent a presupus definirea de noi parametri de model: factorul de calitate, frecvenţa de rezonanţă serie şi coeficientul de cuplaj piezoelectric efectiv, pe lângă capacitatea statică.

Parametrii de model au fost extraşi din datele experimentale şi, pe baza rezultatelor obţinute pentru un număr mare de structuri, a fost trasată dependenţa lor de aria structurii SAW. Valoarea medie de 800 obţinută pentru factorul de calitate şi valorile coeficientului de cuplaj de circa 0.08% vor asigura realizarea, în Etapa a 2-a, a unor filtre trece bandă performante.

Fig. 1. Model 2D COMSOL	Fig. 2. Model EM 3D CST MWS
Fig. 3. Imagine SEM SAW fabricat	Fig. 4. Imagine SEM detaliu digiti 200 nm latime
Fig. 5. Imagine AFM digiti 130 nm latime	Fig. 6. Comparatie parametri S masuratori/circuit echivalent SAW cu digiti de 130 nm latime

Etapa 2/2018. Demonstratoare de filtre trece banda cu rezonatoare SAW cu raspunsul în frecventa controlat cu elemente printate cu constante concentrate

În cadrul acestei etape au fost elaborate specificaţiile pentru filtrele trece bandă (frecvenţe centrale, pierderi de inserţie în banda de trecere, rejecţie în afara benzii de trecere, lăţimea benzii de trecere). Pe baza studiului bibliografic în ceea ce priveşte performanţele structurilor de rezonatoare cu undă acustică de suprafaţă procesate pe GaN/Si, precum şi pe baza rezultatelor experimentale obţinute în Etapa 1/2017 şi a rezultatelor simulate, s-au determinat specificaţiile finale ale demonstratoarelor pentru următoarele game de frecvenţe: 3.7 – 4.2 GHz, 5.9 – 6.4 GHz, 7 – 8.5 GHz. În plus, s-au adăugat şi specificaţii pentru filtre cu frecvenţa de operare peste 9 GHz.  

Au fost proiectate şi optimizate la nivel de circuit cinci structuri de demonstrator bazate pe traductoare interdigitale (IDT) cu lăţimi de electrod între 150...100 nm cu trei configuraţii. Primul tip (normal - Fig. 7) constă dintr-o structură simplă cu digiţii conectaţi alternativ la cei doi electrozi. Cea de-a doua configuraţie este de tip DART (din eng. Distributed Acoustic Reflection Transducer, sau traductor cu reflexie acustică distribuită - Fig. 8) şi se obţine prin conectarea a trei digiţi la unul din electrozi, şi a unui al patrulea digit la celălalt electrod. Această perioadă de 4 digiţi se repetă. A treia configuraţie este cunoscută drept „Split” (Fig. 9) şi se obţine prin conectarea a câte doi digiţi la fiecare electrod. IDT-urile de tip Split şi DART au fost integrate monolitic inductoare meandru şi optimizate pentru reflexii sub – 10 dB (demonstratoarele 1A şi 1B) (Fig. 11). IDT-urile de tip normal cu lăţimi de electrod de 150 nm au fost integrate cu inductoare de tip strip (demonstratorul 2). IDT-urile cu lăţimi de electrod de 130 nm şi 100 nm au fost integrate monolitic cu inductoare de tip strip în configuraţie de filtre de tip PI (demonstratoarele 3 şi 4, respectiv). Layout-ul final s-a obţinut prin co-simulare electromagnetică şi optimizare la nivel de circuit.   

Pentru obţinerea de digiţi/interdigiţi de 100 nm, s-a optat pentru o grosime a stratului de metalizare de 5/45 nm Ti/Au. În acest caz procesul tehnologic a constat din 3 paşi principali: 1. Depunerea prin lift-off a semnelor de aliniere pentru nano-litografie şi pentru circuitele CPW; 2. Scrierea prin litografie cu rază de electroni a structurilor interdigitate şi depunerea prin lift-off a metalizării de 5/45 nm Ti/Au; 3. Depunerea prin lift-off a circuitelor CPW (5/300 nm Ti/Au). Pentru paşii 1 şi 3 s-au fabricat măşti dedicate de striclă cu trasee din crom (Fig. 10). Structurile de tip normal cu dimensiuni de digit/interdigit de 130 nm şi 150 nm au fost realizate cu metalizare de 5/95 nm Ti/Au şi, respectiv, 70 nm Al folosind procesul tehnologic descris în Etapa 1/2017.

Structurile de filtre au fost caracterizate pe plachetă cu un analizor vectorial de reţele. Cel mai semnificativ rezultat s-a obţinut pentru filtrul de 8 GHz (cu electrozi de 130 nm). Pentru o structură cu dimensiune de 0.75 x 2.9 mm2, s-au obţinut pierderi de inserţie de 13.2 dB şi o rejecţie în afara benzii de aproape 30 dB. Banda înregistrată la – 3dB este de 20 MHz. Aceste rezultate depăşesc cu mult starea artei pentru filtre cu rezonatoare cu undă acustică de suprafaţă procesate pe GaN/Si şi deschid calea către noi aplicaţii de comunicaţii în banda X (8 – 12 GHz). 

Fig. 7. IDT normal cu electrozi de 100 nm	Fig. 8. IDT de tip DAR cu electrozi de 100 nm
Fig. 9. IDT de tip Split cu electrozi de 100 nm	Fig. 10. Poza masca de procesare
Fig. 11. Efectul modificării valorii inductorului meandru prin adăugarea în serie a Ls=0.9 nH