Paul van Gerven
21 October 2010

Onderzoekers van de Universiteit Twente hebben een solide theoretische basis weten te geven aan het ontwerp van akoestische reflectoren in bulk acoustic wave-resonatoren die worden gebruikt in BAW-filters. Deze ’lekken‘ energie als ze niet de juiste lagenstructuur hebben, en die opbouw is moeilijk te voorspellen zonder theoretisch model.

Hand in hand met de opkomst van mobiele-communicatietechnologie steeg de behoefte aan elektronische filters die opereren in het gebied van enkele gigahertzen. Filters gebaseerd op akoestische golven zijn daarvoor een interessante optie omdat de akoestische golflengte ordegroottes kleiner is dan de elektromagnetische. Dat maakt devices van aanzienlijk kleinere fysische dimensies mogelijk. De eerste akoestische filters die in mobieltjes werden gebruikt, de surface acoustic wave-filters (SAW-filters), zijn echter moeilijk te produceren en slechts te gebruiken in een beperkt frequentiegebied. Diverse halfgeleiderfabrikanten startten daarom enkele jaren geleden R&D-projecten om de SAW‘s te vervangen door beter presterende BAW-filters.

Onder deze bedrijven was NXP, dat in 2007 bij de Twentse onderzoeksgroep Semiconductor Components van Jurriaan Schmitz aanklopte met een voorstel tot samenwerking in het kader van het Memsland-project. De twee kampen sloegen de handen ineen en de Indiase promovenda Sumy Jose ging onder begeleiding van universitair docent Ray Hueting aan de slag. Niet lang daarna, in oktober 2008, kondigde topman Frans van Houten een grootscheepse reorganisatie aan, waarbij het project aan NXP-zijde sneuvelde – bij de universiteit ging het promotieonderzoek natuurlijk gewoon door, met steun op persoonlijke titel van NXP-onderzoeker André Jansman. Overigens trokken wel meer bedrijven in die periode hun handen af van de materie, maar niet allemaal. Tegenwoordig worden verschillende soorten BAW-filters in hoge volumes toegepast in mobieltjes en andere communicatietechnologie, maar ook in medische apparatuur.

’Het probleem van BAW-filters is om het ideale matras te vinden‘, vertelt Hueting. ’Zo‘n filter bestaat uit trapsgewijs geschakelde elektromechanische resonatoren van piëzo-elektrische lagen ingeklemd tussen elektrodes. Die zetten een elektrisch signaal om in een mechanisch. Je kunt je voorstellen als je zo‘n resonator direct op een silicium substraat plaatst, dat er dan energie verloren gaat omdat de trillingen weglekken in het substraat. Een mogelijke oplossing is om de filter in de lucht te hangen, zoals in de zogenaamde floatings bulk acoustic-resonator. Wij hebben een andere oplossing bekeken, gebaseerd op de Bragg-reflector.‘

Q-factor

De term Bragg is vooral bekend uit de optica. William Bragg ontdekte dat de structuur van kristallen zich laat ophelderen uit het interferentiepatroon dat  röntgenstralen produceren wanneer zij weerkaatsen op kristalvlakken. Een optische Bragg-reflector is afgeleid van dit principe: hij bestaat uit alternerende lagen met hoge en lage brekingsindex. Iedere laag reflecteert slechts een deel van het licht, maar bij een specifieke verhouding van laagdikte en golflengte ontstaat constructieve interferentie en wordt deze golflengte zeer goed gereflecteerd. Dat is de basis voor de filterwerking, want voor golflengtegebieden buiten de ’juiste‘ verhouding, gaat het niet op.

Onderzoekers van de UT en NXP pluisden uit welke alternerende laagstructuur optimaal als akoestische resonator fungeert.

’We hebben deze optische principes vertaald naar akoestische. Dat is beslist niet eenvoudig, omdat je niet zomaar wat grootheden kunt verwisselen‘, zegt Hueting. ’Het grootste struikelblok bleek de golfsnelheid. De lichtsnelheid is constant, maar wij hadden te maken met twee typen golven: een longitudinale en een transversale, die zich elk met andere snelheid voortplanten. De traditionele kwart-golflengte-Bragg-reflector weerkaatst de longitudinale golf uitstekend, maar de zich met de halve golfsnelheid voortplantende transversale golf juist helemaal niet. Dat betekent dat je een aanzienlijk energie- en dus performanceverlies moet incasseren, tenzij je dat weet te voorkomen door de juiste laagopbouw te kiezen.‘

Zonder theoretisch kader was de constructie van de laagstructuur tot op heden een kwestie van trial-and-error. Dankzij de natuurkundige modellen en simulaties van Jose, Jansman en Hueting – ze ontwikkelden er drie vanuit drie verschillende invalshoeken – begrijpen onderzoekers nu waarom sommige oplossingen goed werken en andere niet. Hun werk levert bovendien ook nieuwe oplossingen op, met klinkende resultaten. ’We kunnen de Q-factor, een maat voor de performance van de Bragg-reflector, verhogen van 1600 naar 3300. Dat is een zeer substantiële toename.‘

Dat vindt ook het Amerikaanse Triquint Semiconductor, dat al interesse heeft getoond in de resultaten, die zullen worden gepubliceerd in het decembernummer van IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control en die op verschillende conferenties zijn of zullen worden gepresenteerd. Van oorsprong is Triquint gespecialiseerd in RF-chips gebaseerd op III-V-materialen, maar tegenwoordig legt het zich ook toe op BAW- en SAW-filters. Geen onlogische keuze, want het piëzo-elektrische materiaal in deze filters is dikwijls III-V-nitride. ’Wij hebben aluminiumnitride gebruikt in combinatie met materialen die NXP graag wilde. Het zou echter interessant zijn om het onderzoek uit te breiden naar andere reflectormaterialen‘, aldus Hueting.