单晶LN BAW谐振器有限元仿真研究

张 沂，孙延龙

(1.四川大学 电子信息学院,四川 成都 610065;2.成都市雷翼电科科技有限公司,四川 成都 610037)

0 引言

薄膜体声波(BAW)滤波器具有插入损耗低,滚降高及体积小等优点，相对于声表面波(SAW)器件， 其还具有频率高的优势，是射频模组中最重要的无源器件之一。随着5G通讯的推广应用，新增了N78、N79、WIFI6E等3 GHz以上的高频频段，传统的SAW滤波器受限于叉指电极的线宽而无法满足这些频段的频率要求，只能采用BAW技术实现[1-3]。

BAW滤波器普遍采用多个BAW谐振器并以一定的电路拓扑构建而成，滤波器的插损、带宽等指标与BAW谐振器的性能密切关联。单个BAW谐振器的核心结构是一个平板电容单元，由一个厚度为数百纳米至数微米的压电薄层与上、下电极构成[4-5]。当交流电信号加载在电容结构的上、下电极之间，在压电效应的作用下，压电薄膜产生谐振，实现电能与机械能的转化，配合适当的电路结构可实现滤波。目前，商业化的BAW滤波器均采用AlN作为压电薄膜材料，该材料采用反应溅射工艺制备，为多晶形态。由于BAW器件的工作频率与压电层的厚度成反比，要实现高频BAW滤波器的制备，需减小AlN薄膜的厚度，如工作在7 GHz以上的AlN BAW，AlN薄膜厚度小于800 nm。在金属电极上制备AlN薄膜，由于晶格失配的原因，在AlN与金属电极间存在过渡层，AlN的总厚度较小会导致AlN薄膜的整体性能出现恶化，所以要实现高性能的高频AlN BAW器件较难。

铌酸锂(LN)是另一类重要的压电材料，LN单晶被广泛用作SAW器件的衬底。近年来，采用离子注入剥离法(CIS)实现了亚微米厚度LN单晶薄膜的制备[6-7]。采用该方法制备的LN单晶薄膜在界面处不存在过渡层，即使膜层厚度很小，也能保留LN优良的压电性能，因此，采用该方法可制备出高性能的高频LN BAW器件。

本文以LN单晶薄膜作为压电材料，构建了宽带BAW谐振器的二维模型，并基于有限元法对固态声反射型(SMR)的LN BAW谐振器进行了仿真设计，尤其针对上电极台阶结构对谐振器阻抗比和机电耦合系数的影响规律进行了研究。

1 建模

本文设计了一款工作在C波段的LN BAW谐振器。该器件采用SMR结构，以SiO2/HfO2作为布喇格反射层材料。

在有限元仿真环境中构建一个二维平面矩形，在矩形顶边进行分层，从上到下材料依次为压电层、下电极、重复反射层，剩余部分为衬底。复制此矩形，然后在左右两侧分层，得到两侧的完美匹配层(PML)。重复操作在底边分层，得到底层的PML如图1(a)所示。

在矩形顶边构建一个居中的矩形构成上电极，上电极长度小于前矩形顶边；再在上电极上贴合边界构建两个小矩形且关于上电极中线对称，即为台阶，台阶的宽度和厚度设置为参数，方便进行参数化扫描。

2 结果与讨论

2.1 LN BAW基本结构仿真

C波段LN BAW的二维模型(见图1(a))顶层为Al/Ti/Y43°-切 LN/Ti/Al谐振单元，其中考虑到工艺过程而加入Ti层，Al电极层的沉积需要以Ti作为粘附层。由于工作频率较高，LN薄膜的厚度仅为400 nm，加上电极后的谐振单元的总厚度也仅为540 nm。采用空腔型FBAR结构会导致器件结构强度不足，后续加工难度较大。因此，本文选择固态反射型BAW器件结构进行设计，在谐振单元的下方设置了SiO2/HfO2布喇格反射层，两种材料交替排列共6层，且每层材料的厚度设置为1/4波长，从而达到对声学能量全反射的效果。目前反射层材料普遍采用SiO2/W组合，但由于W为导电材料，故在实际工艺过程中必须对W层进行图形化。本文选择的两种材料均为绝缘材料，所以在器件实际制备时不需要任何图形化的工艺，简化了工艺过程。反射层下方设置Y43°-切 LN 作为衬底，厚为8 μm。

由图1(b)可知，串联谐振点和并联谐振点的频率分别位于7 470 MHz和7 650 MHz，由此计算出机电耦合系数为5.8%。模型中LN的切型设置为Y120°，计算所得机电耦合系数与Baron等[8]的报道较接近。由图1(b)还可知，该基本结构的谐振器的并联点与串联点的阻抗比(Zratio)仅有56.7 dB，由此表明部分能量发生了泄露，导致谐振器损耗较大。

2.2 台阶结构LN BAW谐振器仿真

由于在谐振单元的下方设置了按照1/4波长规则设计的布喇格反射层结构，因此,大部分能量的泄露并不是向衬底的方向。根据Thalhammer等[9]报道，BAW谐振器的声学能量有可能沿横向泄露，而解决方法则是在上电极周围设置台阶结构，从而实现piston mode的谐振，如此可减少能量的横向泄露，提升谐振器的品质因数(Q)值。

为减小LN BAW谐振器的损耗，在基本结构的基础上研究了上电极台阶结构的加入对谐振器性能的影响。增加台阶后的二维结构如图2(a)所示，设置台阶宽度分别为0.4 μm、0.6 μm和1.0 μm，并在每个台阶宽度下对台阶厚度d进行参数化扫描，结果如图2(b)～(d)所示。

图2 具有上电极台阶结构的LN BAW模型及台阶宽度不同时对d进行参数化扫描的结果

由图2(b)可见，随着d的增加，谐振器的Zratio呈现增加的趋势，并在d=40 nm时达到最大值(为62.5 dB)，然后开始缓慢下降。由图2(c)可知，d的增加导致谐振器的Zratio减小，当d=20 nm时，Zratio=63.5 dB。由图2(d)可知，d的变化对谐振器性能的影响较小，此时Zratio在63～64 dB进行小范围波动。

由于谐振器的面积需要根据滤波器的设计需求进行调整，因此有必要进一步验证在谐振器面积不同的条件下，台阶结构对其性能的影响。为此设置了25 μm、35 μm和50 μm 3种谐振器宽度，并固定台阶的高度为30 nm。从图3(a)、(c)、(e)可看出，当台阶宽度在1 μm附近时，谐振器均能获得最大的Zratio，这表明台阶对能量限制能力的强弱只与台阶本身的横截面积有关，而与谐振器的尺寸无关。此外，台阶的横截面积还对谐振器的机电耦合系数产生影响，随着横截面积的增大，机电耦合系数呈逐渐减小的变化趋势(见图3(b)、(d)、(f))，但总体变化幅度不大，对滤波器的带宽影响较小。

图3 台阶宽度对Zratio和机电耦合系数的影响

3 结束语

本文采用有限元法构建了单晶LN BAW的仿真模型，并重点研究了上电极台阶结构对谐振器串、并联点阻抗比和机电耦合系数的影响。研究发现，选择适当的台阶高度和台阶宽度可显著抑制谐振器的横波能量泄露，将器件的阻抗比提升10 dB以上，而机电耦合系数则只出现微弱的减小。