超大帶寬高頻XBAR諧振器研究

俞振一，郭 瑜，傅肅磊，蘇榮宣，李百川，張 帥，徐惠平，潘 峰，王為標

(1.江南大學 物聯網工程學院，江蘇 無錫 214122；2.無錫市好達電子股份有限公司，江蘇 無錫 214124；3.清華大學 材料學院，北京100084；4.上海師范大學 信息與機電工程學院，上海200234)

0 引言

近年來，基于鈮酸鋰(LiNbO3)薄膜的橫向激發體聲波諧振器(XBAR)逐漸成為研究熱點，它具有較高的頻率、較大的耦合系數和品質因數(Q)值，有望在sub-6 GHz頻段下實現傳統SAW/BAW諧振器無法達到的性能指標。然而，XBAR通常存在較多寄生模式，這將影響帶內性能，甚至惡化濾波器的帶外抑制[4]。因此，如何消除或者減弱這些寄生模式是發展高性能XBAR諧振器的關鍵問題。

本文對基于Y切128°LiNbO3薄膜的XBAR諧振器進行了研究，通過有限元(FEM)仿真對器件進行優化設計，并成功制備了高頻、大帶寬諧振器。本文制備的XBAR諧振器A1模式的諧振頻率為5.81 GHz，機電耦合系數可達39.6%，Q-3 dB為248，能滿足sub-6 GHz對高頻和大帶寬的需求。同時，本文提出了一種新型叉指電極(IDT)結構，諧振器測試結果表明該結構對寄生模式具有一定的抑制效果。

1 設計與仿真

1.1 諧振器結構

諧振器的模型示意圖如圖1所示。該諧振器由300 nm的Y切128°LiNbO3薄膜和5 nm/120 nm的Cr/Cu復合電極組成。Cr作為黏附層用于增加電極與薄膜之間的粘連性，Cu電極具有良好的導電性，以保證實現較小的歐姆損耗。諧振器的波長(λ)為12 μm，電極寬度(We)為0.9 μm，孔徑(AP)為40 μm，叉指電極的數目為50。

圖1 XBAR諧振器模型平面示意圖

1.2 有限元仿真

首先使用商用有限元軟件對占空比(2We/λ)為0.15的諧振器進行仿真，由圖2所示。圖2(a)為諧振器寬帶導納響應，圖2(b)、(c)分別為諧振器A1模式和A3模式的導納響應以及對應的振動模態。

諧振器的機電耦合系數[5]為

(1)

式中：fs為諧振頻率；fp為反諧振頻率。由式(1)可得A1模式的機電耦合系數為42.37%。

圖2 XBAR諧振器仿真導納響應曲線

進一步對不同占空比的諧振器進行模擬，諧振器的波長λ設定為12 μm，圖3(a)為機電耦合系數關于不同占空比的曲線圖。由圖可見，在占空比為0.15～0.30時，諧振器A1模式能獲得40%以上的機電耦合系數，具有較好的性能。另外，為了獲得sub-6 GHz頻率需求的高頻諧振器，本文對不同厚度的LiNbO3薄膜的諧振器進行仿真，圖3(b)為不同薄膜厚度下，器件A1模式諧振頻率的變化情況。綜合考慮sub-6 GHz頻段的高頻需求和工藝的可行性，選用300 nm的LiNbO3薄膜進行后續的器件制備。

圖3 XBAR諧振器不同參數的仿真曲線

2 器件制備

本文使用厚300 nm的Y切128°LiNbO3薄膜制備了所設計的XBAR諧振器。器件制造分為6個步驟，其對應工藝流程如圖4所示。

1) 將厚300 nm的LiNbO3薄膜鍵合到厚的襯底上，襯底由SiO2和Si構成。

2) 在LiNbO3薄膜上蒸鍍Cr/Cu電極。

3) 使用光刻工藝對釋放孔進行圖形化。其中，光刻膠(PR)應具有足夠的厚度以確保不會出現過量的刻蝕。

4) 利用具有電感耦合等離子體(ICP)的反應離子刻蝕(RIE)系統對釋放孔進行刻蝕，刻蝕氣體為CF4。

5) 通過緩沖氧化物刻蝕劑(BOE)對LiNbO3薄膜下方的SiO2進行釋放。

6) 利用ICP-RIE系統去除薄膜頂部殘留的光刻膠。

圖4 工藝流程

圖5(a)為制備所得XBAR諧振器的光學顯微鏡照片。由圖可見，器件無開裂情況。圖5(b)為使用掃描電鏡(SEM)對圓形釋放孔的局部放大照片，由圖可見,IDT圖案清晰、一致性較好，器件空腔較為完整，邊界清晰。

圖5 制備獲得的XBAR諧振器照片

3 實驗結果分析

3.1 高頻大機電耦合系數諧振器

為了研究諧振器的溫度特性，在-30～85 ℃條件下對諧振器進行測試。圖6(b)、(c)為該諧振器A1和A3模式諧振頻率點隨溫度變化偏移量的變化曲線。由圖可見，諧振器A1和A3模式的頻率溫度漂移系數(TCF)分別為-72.6×10-6/℃和-38.5×10-6/℃。

圖6 諧振器探針測量結果

表1為本文XBAR諧振器與同類型其他諧振器的性能對比。由表可見，本文所制備獲得的XBAR諧振器具有超高的諧振頻率和機電耦合系數，這對發展高性能XBAR諧振器具有實際意義。

表1 所制備的XBAR諧振器與其他文獻的諧振器比較

3.2 寄生模式抑制

上述實驗結果顯示，實驗制備的XBAR諧振器存在寄生模式，因此，本文嘗試用不同的IDT結構對寄生模式進行抑制。圖7(a)、(b)分別為傳統IDT結構和所設計的新型IDT結構的示意圖。傳統的IDT僅由一個電極寬度w2構成，而新型IDT電極的上、下部分均由寬度w1和w2構成。圖7(c)、(d)分別為所制備的具有兩種不同結構IDT的諧振器的掃描電鏡圖像。

圖7 傳統和新型IDT對比圖

圖8為傳統IDT結構和新型IDT結構諧振器的測試導納響應對比圖。由圖可見，新型的IDT結構對寄生模式具有一定的抑制效果。

圖8 傳統IDT和新型IDT諧振器測試導納響應對比圖

4 結束語

本文對XBAR諧振器進行了研究，采用有限元法對器件進行仿真優化，并實現了高性能XBAR諧振器的制備。結果顯示，XBAR諧振器可獲得A1模式的諧振頻率為5.81 GHz，機電耦合系數為39.6%,Q-3 dB值為248；A3模式的諧振頻率為17.04 GHz,機電耦合系數為7.0%。本文提出了一種新型叉指電極(IDT)結構，該結構可以抑制寄生模式，提升諧振器性能。結果表明，本文研制的高頻超大帶寬XBAR諧振器在5G移動通信中具有強大的應用潛力。