一種晶體管與薄膜體聲波諧振器集成的放大模塊的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體、微電子及通訊技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種晶體管與薄膜體聲波諧振器集成的放大模塊。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著通信技術(shù)的發(fā)展，通信系統(tǒng)逐漸向高效率、高頻率、大功率、寬頻帶和小型化等方向發(fā)展。放大器作為通信系統(tǒng)的核心部件，其效率和線性度直接影響通信系統(tǒng)的性能。特別是在資源日益匱乏的今天，如何進(jìn)一步提高通信系統(tǒng)的效率備受關(guān)注。通信系統(tǒng)的線性度直接決定了通信質(zhì)量，線性度也是通信系統(tǒng)的核心指標(biāo)之一。
[0003]晶體管為非線性器件，在一定輸出功率下將產(chǎn)生諧波，諧波的存在不僅導(dǎo)致晶體管效率的下降，而且導(dǎo)致線性度的惡化。因此，對(duì)包括晶體管的功率放大器進(jìn)行諧波處理，成為功率放大器提高效率和提高線性度的主要手段。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中，放大器的諧波處理方法主要是使用短截線或電容和電感構(gòu)成的集總諧振器實(shí)現(xiàn)放大器諧波調(diào)諧，實(shí)現(xiàn)高次諧波開路或者短路，將高次諧波能量全部反射回晶體管或包括晶體管的放大電路，從而提高放大器效率和線性度。上述諧波處理方法的缺點(diǎn)是放大器的工作頻段不太高時(shí)，短截線或集總諧振器的體積較大，大多數(shù)情況下只能在晶體管外的匹配電路上進(jìn)行諧波調(diào)諧。
[0005]由于諧波匹配路徑上存在色散和損耗，大大限制了放大器效率的提高。因此，直接將諧波處理的部件與晶體管集成在一起，已經(jīng)成為提高晶體管效率和線性度的首要選擇。但是，將集成電感和集成電容構(gòu)成的諧振器與晶體管集成在一起提高晶體管的漏極效率和線性度存在以下缺陷:
[0006]—、集總電感制備難度較大，難以制備出高品質(zhì)因數(shù)(Q值)的電感元件，由于電感元件Q值的限制，諧波損耗增加，進(jìn)而限制漏極效率的提升；二、集總電感的尺寸較大，與晶體管集成后大大降低了晶圓上晶體管的數(shù)量，進(jìn)而限制產(chǎn)能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提出一種晶體管與薄膜體聲波諧振器集成的放大模塊，該放大模塊直接將晶體管與薄膜體聲波諧振器集成在一起，對(duì)晶體管進(jìn)行諧波調(diào)諧，實(shí)現(xiàn)高次諧波短路或開路，將高次諧波全部反射回晶體管，進(jìn)而能夠提高晶體管的效率和線性度。
[0008]晶體管與薄膜體聲波諧振器集成在一起，對(duì)晶體管進(jìn)行諧波調(diào)諧，具有以下優(yōu)點(diǎn):一、薄膜體聲波諧振器制備工藝與微電子工藝兼容，容易與有源晶體管集成；二、薄膜體聲波諧振器的Q值高達(dá)幾千，諧波調(diào)諧時(shí)可實(shí)現(xiàn)真正的全反射，能夠降低諧波功率損耗，有利于晶體管效率的提升；三、薄膜體聲波諧振器的尺寸非常小，集成度高，所占空間小，不會(huì)影響晶體管的廣能。
[0009]晶體管與薄膜體聲波諧振器集成在一起能夠完全克服現(xiàn)有技術(shù)中集總電感和電容構(gòu)成的諧振器與晶體管集成時(shí)存在的問題。因此，薄膜體聲波諧振器非常適合與晶體管集成在一起，對(duì)晶體管進(jìn)行諧波調(diào)諧，進(jìn)而提升晶體管的漏極效率和線性度。
[0010]薄膜體聲波諧振器分為固態(tài)封裝型薄膜體聲波諧振器、空腔型薄膜體聲波諧振器和隔膜型薄膜體聲波諧振器。圖1A、圖1B和圖1C分別為固態(tài)封裝型薄膜體聲波諧振器、空腔型薄膜體聲波諧振器和隔膜型薄膜體聲波諧振器的剖視圖。其中，圖1A、圖1B和圖1C提供的薄膜體聲波諧振器包括一個(gè)薄膜體聲波諧振器結(jié)構(gòu)。由圖1A、圖1B和圖1C可知，上述三種類型的薄膜體聲波諧振器均包括:下電極131、上電極132，以及設(shè)置在下電極131和上電極132之間的介質(zhì)薄膜層133。薄膜體聲波諧振器(FBAR，F(xiàn)ilm Bulk AcousticResonator)為三明治結(jié)構(gòu)，介質(zhì)薄膜層夾于第一電極和第二電極之間。其中，介質(zhì)薄膜層可以為壓電薄膜或者鐵電薄膜，其材料可以是氮化鋁、氧化鋅或鈦酸鍶鋇。以氮化鋁(AlN)、氧化鋅(ZnO)為代表的壓電材料，以及鐵電薄膜鈦酸鍶鋇(BST)在外加偏置下，都非常適合制備高性能的薄膜體聲波諧振器。
[0011]由圖1A可知，固態(tài)封裝型薄膜體聲波諧振器還包括:位于下電極131之下的布拉格反射層1311和襯底1312。其中，布拉格反射層包括至少三組布拉格子反射層，布拉格子反射層自上而下包括依次層疊的第一子反射層13111和第二子反射層13112，第一子反射層13111的聲阻抗低于第二子反射層13112的聲阻抗；第一子反射層13111和第二子反射層13112的厚度均為諧波頻率對(duì)應(yīng)的該薄膜材料中聲波波長(zhǎng)的四分之一的整數(shù)倍。第一子反射層13111和第二子反射層13112的材料可以分別為二氧化硅和鉬。該布拉格反射層能夠?qū)⒈∧そ橘|(zhì)產(chǎn)生的聲能量全反射回諧振器，提高諧振器的性能。
[0012]由圖1B可知，空腔型薄膜體聲波諧振器還包括:位于下電極131之下，自上而下依次層疊的支持層1321和襯底1322，其中，襯底1322位于支持層1321的兩端。該空氣腔能夠?qū)⒈∧そ橘|(zhì)產(chǎn)生的聲能量全反射回諧振器，提高諧振器的性能。
[0013]由圖1C可知，隔膜型薄膜體聲波諧振器還包括:位于下電極131之下，自上而下依次層疊的支持層1331和襯底1332，其中，諧振器和支持層1331下側(cè)區(qū)域設(shè)置有空腔1333，空腔1333內(nèi)裝有空氣。該空氣腔能夠?qū)⒈∧そ橘|(zhì)產(chǎn)生的聲能量全反射回諧振器，提高諧振器的性能。
[0014]圖2是理想的薄膜體聲波諧振器的等效電路。如圖2所示，理想的薄膜體聲波諧振器的等效電路包括靜態(tài)電容C。、動(dòng)態(tài)電容Cni和動(dòng)態(tài)電感Lnit3
[0015]薄膜體聲波諧振器的諧振頻率由電極材料、電極厚度、介質(zhì)薄膜材料和介質(zhì)薄膜厚度決定。圖3是薄膜體聲波諧振器的阻抗結(jié)果，其中，橫坐標(biāo)代表頻率；縱坐標(biāo)代表阻抗幅值。如圖3所示，薄膜體聲波諧振器存在兩個(gè)諧振頻率:低阻抗的串聯(lián)諧振頻率ml和高阻抗的并聯(lián)諧振頻率m2。其中，低阻抗的串聯(lián)諧振頻率由動(dòng)態(tài)電容Cni和動(dòng)態(tài)電感L ?諧振形成；高阻抗的并聯(lián)諧振頻率由靜態(tài)電容C。、動(dòng)態(tài)電容Cni和動(dòng)態(tài)電感L ?共同諧振形成。在諧振頻率之外的頻段，薄膜體聲波諧振器等價(jià)為靜態(tài)電容。
[0016]本發(fā)明將薄膜體聲波諧振器與晶體管集成在一起，對(duì)晶體管進(jìn)行高次諧波調(diào)諧，實(shí)現(xiàn)高次諧波短路或開路，將諧波能量全部反射回晶體管，提高晶體管的效率和線性度。
[0017]當(dāng)薄膜體聲波諧振器與晶體管并聯(lián)，且薄膜體聲波諧振器的串聯(lián)諧振頻率與晶體管的高次諧波(nf。，其中f。為基波頻率)發(fā)生諧振時(shí)，實(shí)現(xiàn)高次諧波短路，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高次諧波全反射，提高晶體管的效率和線性度。
[0018]當(dāng)薄膜體聲波諧振器與晶體管串聯(lián)，且薄膜體聲波諧振器的并聯(lián)諧振頻率與晶體管的高次諧波發(fā)生諧振時(shí)，實(shí)現(xiàn)高次諧波開路，將高次諧波全部反射回晶體管，進(jìn)而抑制諧波功率的產(chǎn)生，提高晶體管的效率和線性度。
[0019]特別有意義的是，當(dāng)多個(gè)薄膜體聲波諧振器結(jié)構(gòu)級(jí)聯(lián)時(shí)，能夠展寬薄膜體聲波諧振器的串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率，非常適合在寬頻帶內(nèi)對(duì)晶體管進(jìn)行諧波處理。
[0020]為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0021]一種晶體管與薄膜體聲波諧振器集成的放大模塊，包括晶體管和至少一組薄膜體聲波諧振器，所述晶體管和所述至少一組薄膜體聲波諧振器集成在一個(gè)結(jié)構(gòu)中；
[0022]所述晶體管包括輸入端、輸出端和接地端；
[0023]一組薄膜體聲波諧振器包括至少一個(gè)薄膜體聲波諧振器結(jié)構(gòu)，一個(gè)薄膜體聲波諧振器結(jié)構(gòu)包括第一電極、第二電極以及位于所述第一電極和所述第二電極之間的介質(zhì)薄膜層；
[0024]所述至少一組薄膜體聲波諧振器設(shè)置于所述晶體管的輸出端和/或輸入端，用于諧波調(diào)諧。
[0025]進(jìn)一步地，每組所述薄膜體聲波諧振器包括一個(gè)所述薄膜體聲波諧振器結(jié)構(gòu)，每組薄膜體聲波諧振器的第一電極與所述晶體管的輸出端和/或輸入端電連接，每組薄膜體聲波諧振器的第二電極與所述晶體管的接地端電連接。
[0026]進(jìn)一步地，每組所述薄膜體聲波諧振器包括至少兩個(gè)所述薄膜體聲波諧振器結(jié)構(gòu)，每個(gè)所述薄膜體聲波諧振器結(jié)構(gòu)的第一電極依次電連接，其中任意一個(gè)薄膜體聲波諧振器結(jié)構(gòu)的第二電極與所述晶體管的輸出端和/或輸入端電連接，其余薄膜體聲波諧振器結(jié)構(gòu)的第二電極與所述晶體管的接地端電連接。
[0027]進(jìn)一步地，還包括信號(hào)輸出端。
[0028]進(jìn)一步地，每組所述薄膜體聲波諧振器包括一個(gè)薄膜體聲波諧振器結(jié)構(gòu)，每組薄膜體聲波諧振器的第一電極與所述晶體管的輸出端電連接，每組薄膜體聲波諧振器的第二電極與所述信號(hào)輸出端電連接。
[0029]進(jìn)一步地，每組所述薄膜體聲波諧振器包括至少兩個(gè)薄膜體聲波諧振器結(jié)構(gòu)，每個(gè)薄膜體聲波諧振器結(jié)構(gòu)的第一電極依次電連接，其中任意一個(gè)薄膜體聲波諧振器結(jié)構(gòu)的第二電極與所述晶體管的輸出端電連接，另一個(gè)薄膜體聲波諧振器結(jié)構(gòu)的第二電極與所述信號(hào)輸出端電連接，其余薄膜體聲波諧振器結(jié)構(gòu)的第二電極與所述晶體管的接地端電連接。
[0030]進(jìn)一步地，還包括信號(hào)輸入端。
[0031]進(jìn)一步地，每組所述薄膜體聲波諧振器包括一個(gè)薄膜體聲波諧振器結(jié)構(gòu)，每組薄膜體聲波諧振器的第一電極與所述晶體管的輸入端電連接，每組薄膜體聲波諧振器的第二電極與所述信號(hào)輸入端電連接。
[0032]進(jìn)一步地，每組所述薄膜體聲波諧振器包括至少兩個(gè)薄膜體聲波諧振器結(jié)構(gòu)，每個(gè)薄膜體聲波諧振器結(jié)構(gòu)的第一電極依次電連接，其中任意一個(gè)薄膜體聲波諧振器結(jié)構(gòu)的第二電極與所述晶體管的輸入端電連接，另一個(gè)薄膜體聲波諧振器結(jié)構(gòu)的第二電極與所述信號(hào)輸入端電連接，其余薄膜體聲波諧振器結(jié)構(gòu)的第二電極與所述晶體管的接地端電連接。