超大带宽高频XBAR谐振器研究

俞振一，郭 瑜，傅肃磊，苏荣宣，李百川，张 帅，徐惠平，潘 峰，王为标

(1.江南大学 物联网工程学院，江苏 无锡 214122；2.无锡市好达电子股份有限公司，江苏 无锡 214124；3.清华大学 材料学院，北京100084；4.上海师范大学 信息与机电工程学院，上海200234)

0 引言

近年来，基于铌酸锂(LiNbO3)薄膜的横向激发体声波谐振器(XBAR)逐渐成为研究热点，它具有较高的频率、较大的耦合系数和品质因数(Q)值，有望在sub-6 GHz频段下实现传统SAW/BAW谐振器无法达到的性能指标。然而，XBAR通常存在较多寄生模式，这将影响带内性能，甚至恶化滤波器的带外抑制[4]。因此，如何消除或者减弱这些寄生模式是发展高性能XBAR谐振器的关键问题。

本文对基于Y切128°LiNbO3薄膜的XBAR谐振器进行了研究，通过有限元(FEM)仿真对器件进行优化设计，并成功制备了高频、大带宽谐振器。本文制备的XBAR谐振器A1模式的谐振频率为5.81 GHz，机电耦合系数可达39.6%，Q-3 dB为248，能满足sub-6 GHz对高频和大带宽的需求。同时，本文提出了一种新型叉指电极(IDT)结构，谐振器测试结果表明该结构对寄生模式具有一定的抑制效果。

1 设计与仿真

1.1 谐振器结构

谐振器的模型示意图如图1所示。该谐振器由300 nm的Y切128°LiNbO3薄膜和5 nm/120 nm的Cr/Cu复合电极组成。Cr作为黏附层用于增加电极与薄膜之间的粘连性，Cu电极具有良好的导电性，以保证实现较小的欧姆损耗。谐振器的波长(λ)为12 μm，电极宽度(We)为0.9 μm，孔径(AP)为40 μm，叉指电极的数目为50。

图1 XBAR谐振器模型平面示意图

1.2 有限元仿真

首先使用商用有限元软件对占空比(2We/λ)为0.15的谐振器进行仿真，由图2所示。图2(a)为谐振器宽带导纳响应，图2(b)、(c)分别为谐振器A1模式和A3模式的导纳响应以及对应的振动模态。

谐振器的机电耦合系数[5]为

(1)

式中：fs为谐振频率；fp为反谐振频率。由式(1)可得A1模式的机电耦合系数为42.37%。

图2 XBAR谐振器仿真导纳响应曲线

进一步对不同占空比的谐振器进行模拟，谐振器的波长λ设定为12 μm，图3(a)为机电耦合系数关于不同占空比的曲线图。由图可见，在占空比为0.15～0.30时，谐振器A1模式能获得40%以上的机电耦合系数，具有较好的性能。另外，为了获得sub-6 GHz频率需求的高频谐振器，本文对不同厚度的LiNbO3薄膜的谐振器进行仿真，图3(b)为不同薄膜厚度下，器件A1模式谐振频率的变化情况。综合考虑sub-6 GHz频段的高频需求和工艺的可行性，选用300 nm的LiNbO3薄膜进行后续的器件制备。

图3 XBAR谐振器不同参数的仿真曲线

2 器件制备

本文使用厚300 nm的Y切128°LiNbO3薄膜制备了所设计的XBAR谐振器。器件制造分为6个步骤，其对应工艺流程如图4所示。

1) 将厚300 nm的LiNbO3薄膜键合到厚的衬底上，衬底由SiO2和Si构成。

2) 在LiNbO3薄膜上蒸镀Cr/Cu电极。

3) 使用光刻工艺对释放孔进行图形化。其中，光刻胶(PR)应具有足够的厚度以确保不会出现过量的刻蚀。

4) 利用具有电感耦合等离子体(ICP)的反应离子刻蚀(RIE)系统对释放孔进行刻蚀，刻蚀气体为CF4。

5) 通过缓冲氧化物刻蚀剂(BOE)对LiNbO3薄膜下方的SiO2进行释放。

6) 利用ICP-RIE系统去除薄膜顶部残留的光刻胶。

图4 工艺流程

图5(a)为制备所得XBAR谐振器的光学显微镜照片。由图可见，器件无开裂情况。图5(b)为使用扫描电镜(SEM)对圆形释放孔的局部放大照片，由图可见,IDT图案清晰、一致性较好，器件空腔较为完整，边界清晰。

图5 制备获得的XBAR谐振器照片

3 实验结果分析

3.1 高频大机电耦合系数谐振器

为了研究谐振器的温度特性，在-30～85 ℃条件下对谐振器进行测试。图6(b)、(c)为该谐振器A1和A3模式谐振频率点随温度变化偏移量的变化曲线。由图可见，谐振器A1和A3模式的频率温度漂移系数(TCF)分别为-72.6×10-6/℃和-38.5×10-6/℃。

图6 谐振器探针测量结果

表1为本文XBAR谐振器与同类型其他谐振器的性能对比。由表可见，本文所制备获得的XBAR谐振器具有超高的谐振频率和机电耦合系数，这对发展高性能XBAR谐振器具有实际意义。

表1 所制备的XBAR谐振器与其他文献的谐振器比较

3.2 寄生模式抑制

上述实验结果显示，实验制备的XBAR谐振器存在寄生模式，因此，本文尝试用不同的IDT结构对寄生模式进行抑制。图7(a)、(b)分别为传统IDT结构和所设计的新型IDT结构的示意图。传统的IDT仅由一个电极宽度w2构成，而新型IDT电极的上、下部分均由宽度w1和w2构成。图7(c)、(d)分别为所制备的具有两种不同结构IDT的谐振器的扫描电镜图像。

图7 传统和新型IDT对比图

图8为传统IDT结构和新型IDT结构谐振器的测试导纳响应对比图。由图可见，新型的IDT结构对寄生模式具有一定的抑制效果。

图8 传统IDT和新型IDT谐振器测试导纳响应对比图

4 结束语

本文对XBAR谐振器进行了研究，采用有限元法对器件进行仿真优化，并实现了高性能XBAR谐振器的制备。结果显示，XBAR谐振器可获得A1模式的谐振频率为5.81 GHz，机电耦合系数为39.6%,Q-3 dB值为248；A3模式的谐振频率为17.04 GHz,机电耦合系数为7.0%。本文提出了一种新型叉指电极(IDT)结构，该结构可以抑制寄生模式，提升谐振器性能。结果表明，本文研制的高频超大带宽XBAR谐振器在5G移动通信中具有强大的应用潜力。