高Q值横向激发体声波谐振器的设计与制备.pdf

第4 6卷 第2期压 电 与 声 光V o l.4 6 N o.22 0 2 4年4月P I E Z O E L E C T R I C S&A C OU S T OO P T I C SA p r.2 0 2 4 收稿日期:2 0 2 3-1 2-1 1 基金项目:国家自然科学基金资助项目(6 1 7 0 1 1 9 5)作者简介:张帅(1 9 9 8-),男,江苏省徐州市人,硕士生。通信作者:郭瑜(1 9 8 5-),男,副教授,硕士生导师。文章编号:1 0 0 4-2 4 7 4(2 0 2 4)0 2-0 1 5 4-0 5D O I:1 0.1 1 9 7 7/j.i s s n.1 0 0 4-2 4 7 4.2 0 2 4.0 2.0 0 3高Q值横向激发体声波谐振器的设计与制备张 帅1,俞振一1,郭 瑜1,孙宗琴1,傅肃磊2,许志斌2,王为标2(1.江南大学 物联网工程学院,江苏 无锡 2 1 4 1 2 2;2.无锡市好达电子股份有限公司,江苏 无锡 2 1 4 1 2 4)摘 要:随着5 G移动通信时代的发展,射频前端(R F f r o n t-e n d s)的滤波和信号处理迫切需要高频大带宽的声学谐振器。横向激发体声波谐振器(X B A R)具有超高的工作频率和超大的机电耦合系数(k2),但其品质因数(Q)值不高,阻碍了其在射频前端中的应用。该文提出了一种基于Z Y切铌酸锂(L i N b O3)的X B A R谐振器,通过有限元(F EM)仿真对谐振器进行了优化设计,并在微机电系统(MEM S)工艺下对谐振器进行加工。该文所制备的横向激发体声波谐振器A1模式的谐振频率为4.7 2 GH z,k2=2 6.9%,Q3 d B为3 8 4,温度频率漂移系数为-6 0.51 0-6/。A3模式的谐振频率为1 3.5 GH z,k2=4.4%。关键词:横向激发体声波谐振器(X B A R);品质因数(Q)值;高频;大带宽;5 G通信中图分类号:T N 7 1 3 文献标识码:AD e s i g n a n d P r e p a r a t i o n o f H i g h-Q X B A R sZ H A N G S h u a i1,Y U Z h e n y i1,G U O Y u1,S U N Z o n g q i n1,F U S u l e i2,X U Z h i b i n2,WA N G W e i b i a o2(1.S c h o o l o f I n t e r n e t o f T h i n g s E n g i n e e r i n g,J i a n g n a n U n i v e r s i t y,W u x i 2 1 4 1 2 2;2.W u x i S h o u l d e r E l e c t r o n i c s C o r p o r a t i o n,W u x i 2 1 4 1 2 4,C h i n a)A b s t r a c t:W i t h t h e a d v e n t o f t h e f i f t h g e n e r a t i o n(5 G)m o b i l e c o mm u n i c a t i o n e r a,t h e r e i s a n u r g e n t d e m a n d f o r h i g h-f r e q u e n c y a n d l a r g e-b a n d w i d t h a c o u s t i c r e s o n a t o r s f o r R F f r o n t-e n d f i l t e r i n g a n d s i g n a l p r o c e s s i n g.T h e l a t e r a l-l y e x c i t e d b u l k w a v e r e s o n a t o r(X B A R)h a s g a r n e r e d s i g n i f i c a n t a t t e n t i o n f r o m r e s e a r c h e r s d u e t o i t s u l t r a-h i g h o p-e r a t i n g f r e q u e n c y a n d s u b s t a n t i a l e l e c t r o m e c h a n i c a l c o u p l i n g c o e f f i c i e n t(k2).H o w e v e r,X B A R s s u f f e r f r o m a l o w q u a l i t y f a c t o r(Q),i m p e d i n g t h e i r a p p l i c a t i o n i n R F f r o n t-e n d s.T h i s p a p e r p r o p o s e s X B A R s b a s e d o n Z Y-c u t l i t h i-u m n i o b a t e(L i N b O3).R e s o n a t o r d e s i g n s w e r e o p t i m i z e d u s i n g t h e f i n i t e e l e m e n t m e t h o d,a n d r e s o n a t o r s w e r e f a b-r i c a t e d u s i n g m i c r o-e l e c t r o-m e c h a n i c a l s y s t e m s.T h e r e s u l t i n g X B A R e x h i b i t e d a r e s o n a n t f r e q u e n c y o f 4.7 2 GH z,k2 v a l u e o f 2 6.9%,Q3 d B v a l u e o f 3 8 4,a n d t e m p e r a t u r e c o e f f i c i e n t o f f r e q u e n c y o f-6 0.51 0-6/f o r t h e A 1 m o d e,a l o n g w i t h a r e s o n a n t f r e q u e n c y o f 1 3.5 GH z a n d k2 v a l u e o f 4.4%f o r t h e A3 m o d e.K e y w o r d s:l a t e r a l l y e x c i t e d b u l k w a v e r e s o n a t o r(X B A R);q u a l i t y f a c t o r(Q);h i g h-f r e q u e n c y;l a r g e-b a n d w i d t h;5 G0 引言声学谐振器的成本低,尺寸小,设计灵活,已广泛应 用 于 移 动 通 信 中 的 射 频 前 端(R F f r o n t-e n d s)1-4。随着5 G移动通信的发展,以声表面波(S AW)和体声波(B AW)为主的传统声学谐振器面临着更高的技术挑战。S AW谐振器频率受光刻精度的限 制,难 以 满 足3 GH z以 上 的 高 频 应 用 场景5-6。而B AW谐振器频率由A l N压电薄膜的厚度决定,通过控制薄膜厚度可实现较高的频率,但由于受A l N压电薄膜的机电耦合系数(k2)限制,无法满足5 G移动通信中的大带宽需求7-9。近年来,基于铌酸锂(L i N b O3,L N)薄膜的横向激发体声波谐振器(X B A R)应运而生,与S AW和B AW谐振器相比,由 于 其 高 频 和 大 带 宽 特 性,因 而 更 适 用 于S u b-6 GH z的 频 段1 0-1 2。但 在 制 备 高 频 大 带 宽X B A R谐振器的同时,无法保证其较高的品质因数第2期张 帅等:高Q值横向激发体声波谐振器的设计与制备(Q)值,故其应用受限。随着工艺的成熟,实验制备的X B A R已有大量报道。文献 1 0 采用硅 基干法背 刻 的 方 式 制 备X B A R谐振器,其谐振频率(fr)为5 GH z,机电耦合系数k2为2 5%,但反谐振频率(fa)处的品质因数Q3 d B为1 3 3。文献1 1 采用硅基干法正刻的方式制 备X B A R,所 制 备 谐 振 器 的k2=3 6.4%,Q3 d B=5 9 8,但其谐振频率(3.2 2 GH z)较低,不适用于高频频段。文献1 2 采用1 1 0 n m的压电薄膜提升X B A R的谐振频率,所制备的X B A R具有最大的谐振频率(1 5.6 3 GH z),但由于压电薄膜过薄而制约了谐振器的稳定性,Q3 d B=9 0。因此,目前迫切需要一种同时具有高频、大带宽和高Q值的X B A R来满足应用市场对高性能声学谐振器的需求。本文基于有限元(F EM)仿真,利用C OM S O L M u l t i p h y s i c s软件对谐振器进行了优化设计,并以仿真结果为指导制备了高Q值的X B A R,所制备的横向激发体声波A1模式的谐振频率为4.7 2 GH z,k2=2 6.9%,Q3 d B=3 8 4,温度频率漂移系数为-6 0.51 0-6/,A3模 式 的 谐 振 频 率 为1 3.5 GH z,k2=4.4%。结果表明,本文制备的X B A R在频率、k2和Q值上具备较大优势,并促进了其在射频前端中的应用。1 谐振器的设计与仿真1.1 谐振器的结构X B A R的基本结构如图1所示。叉指换能器(I D T)电极放置在Z Y切-L i N b O3薄膜上表面生成横向的电场,横向的电场再通过L i N b O3薄膜的压电特性转化为机械信号,从而激发出很强的声学振图1 X B A R谐振器示意图动。这是一种反对称兰姆波(A n t i-S y mm e t r i c L a m b w a v e)模式,是横波与纵波耦合而成的应力波。而根据谐波次数的不同,反对称兰姆波(简称A型)又可以分为A0、A0-x、A1、A1-x、。叉指换能器(I D T)电极由C r和C u的复合电极组成,C r作为黏附层能增加电极与薄膜间的粘连性,C u作为一种导电能力极佳的金属,能减小谐振器的欧姆损耗,从而促进谐振器Q值的提升。1.2 谐振器的仿真有限元作为一种有效的通用方法被广泛应用于声学谐振器的模拟仿真,经过几十年的发展,其精确性已有报道1 3-1 4。此外,基于C OM S O L M u l-t i p h y s i c s的有限元建模为构建任意结构提供了灵活且方便的方法。因此,我们利用C OM S O L M u l-t i p h y s i c s软件中的固体力学和静电模块,对X B A R进行了有限元仿真,以便研究其声学特性。首先,对不同L i N b O3薄膜厚度(hL N)的谐振器进行仿真,如图2所示。由图2(a)可看出,谐振频率随着薄膜厚度的增加呈由快到慢的递减趋势,为了不让过薄的薄膜增加后续制备的难度,选择4 0 0 n m的L i N b O3薄膜进行设计仿真。图2 X B A R仿真曲线551压 电 与 声 光2 0 2 4年进一步对不同占空比(2We/,其中,We为线宽,为谐振器的波长)的谐振器进行仿真,如图2(b)所示。由图可看出,随着占空比的增大,一般谐振器的k22 5%,仅小幅度增加,但占空比过大会使谐振器产生较多的杂散模式。因此,选用占空比为0.1 50.3的谐振器进行仿真。在确定hL N和占空比对谐振器性能的影响后,分别对占空比为0.1 5,0.2,0.2 5和0.3的X B A R进行宽带导纳响应仿真。图2(c)为仿真的X B A R的导纳响应曲线。由图可看出,所有谐振器A1模式谐振频率超过4.6 GH z,k22 5%;A3模式的谐振频率超过1 3.5 GH z,k24%,且随着占空比的增大,谐振器的通带(谐振频率fr和反谐振频率fa之间)产生了杂散模式,恶化了谐振器的性能。表1为仿真的X B A R具体参数。表中,N为电极数目,hC r为C r电极厚度,hC u为C u电极厚度,AP为孔径。表1 X B A R谐振器的具体参数/mWe/mAP/mN/根hC r/n mhC u/n mhL N/m1 00.7 51.5 04 05 052 9 54 0 0 为了进一步研究所激发的反对称兰姆波的位移特性,图3为仿真的X B A R中典型的反对称兰姆波(A1,A1-3,A3)模式的位移振形图。通过位移振形图可以发现,随着占空比的增加,I D T电极的宽度逐渐变大,电极上出现了其他的声学杂散模式,这对基本模式(A1)产生了干扰,也进一步印证了图2的仿真结果。图3 X B A R的位移谐振图2 器件的制备表征由于X B A R的结构较复杂,为提高谐振器的Q值,采 取 可 靠 且 标 准 化 的 工 艺 制 备 谐 振 器 很重要1 5。图4(a)为所制备的X B A R的光学显微镜(OM)照片。由图可看出,谐振器形态较好,L i N b O3薄膜完整无裂痕,线条清晰。图4(b)、(c)分别为本文制备的X B A R进行聚焦离子束(F I B)表征的完整图和截面放大图。由图4(b)可看出谐振器具体准确的参数,包括电极厚度、薄膜厚度、空腔厚度等。经验证,这些参数与所设计值保持良好的一致性,且悬空的L i N b O3薄膜保持水平,并无倾斜坍塌。因此,本文制备的X B A R具有极好的形貌特征,工艺水平较好。图4(d)为谐振器I D T电极的电子显微镜(S EM)图片。由图可见,I D T电极清晰完整,电极宽度和波长与设计值保持一致。图4 制备的典型X B A R3 实验结果与分析本文制备的X B A R通过G S G-1 5 0探针进行扎针测试,并连接至安捷伦矢量网络分析仪K e y s i g h t E 5 0 7 1 C进行校准。另外,为了保证测试曲线的准确性,所测试的曲线用MB V D电路模型进行拟合,如图5(a)所示。图5(b)(e)为不同占空比(0.1 5、0.2、0.2 5、0.3)的X B A R的 宽 带 导 纳 响 应 和 相位图。651第2期张 帅等:高Q值横向激发体声波谐振器的设计与制备图5 制备的典型X B A R测试结果 为了衡量所制备的X B A R的损耗,本文中谐振器的Q值计算采用反谐振频率处的品质因数Q3 d B值来计算,基于频率响应建立:Q3 d B=faBW3 d B(1)式中BW3 d B为3 d B带宽。测试结果显示,X B A R的占空比为0.1 5时,A1模式的谐振频率为4.6 6 GH z,k2=2 7.6%,Q3 d B=2 1 9;A3模式的谐振频率为1 3.3 GH z,k2为4.6%。X B A R的占空比为0.2时,A1模式的谐振频率为4.7 2 GH z,k2为2 6.9%,Q3 d B=3 8 4;A3模式的谐振频率为1 3.5 GH z,k2=4.4%。X B A R的占空比为0.2 5,A1模式的谐振频率为4.6 5 GH z,k2=2 4.4%,Q3 d B=1 7 4;A3模式的谐振频率为1 3.3 GH z,k2=4.2%。X B A R的占空比为0.3时,A1模式的谐振频率为4.7 2 GH z,k2=2 7.2%,Q3 d B=1 3 2;A3模式的谐振频率为1 3.5 GH z,k2=4.4%。通过对比,测试结果与仿真结果在谐振频率和k2上基本吻合,仅在某些杂散模式上差别较小,这可能是由于压电薄膜厚度的均一性和谐振的损耗导致的。为了进一步确定所制备X B A R的温度特性,我们在-3 08 5 下测试了谐振器的谐振频率偏移情况。图5(f)为横向激发体声波谐振器A1模式的谐振频率随温度变化的曲线。经过计算,X B A R的频率温度系数为-6 0.51 0-6/。表2为本文所制备的X B A R与已有文献中同类型谐振器的性能对比。在保证k2计算方式与本文相同的前提下,本文所制备的X B A R在谐振频率、k2、Q3 d B值及优值(Q3 d Bk2)上都处于较高水准。表2 与文献中所制备的X B A R对比文献L i N b O3切向频率/GH zk2/%Q3 d BQ3 d Bk2fQ3 d B/GH z1 0Z Y52 5.91 3 33 4.4 4 76 6 51 1Y1 2 8 3.2 23 6.45 9 82 1 7.71 9 1 41 5Y1 2 8 5.8 13 9.62 4 89 8.2 0 81 4 4 0.8 81 2Y1 2 8 1 5.6 33 4.29 03 0.7 81 4 0 6.7751压 电 与 声 光2 0 2 4年续表文献L i N b O3切向频率/GH zk2/%Q3 d BQ3 d Bk2fQ3 d B/GH z本文Z Y4.7 22 6.93 8 41 0 3.2 9 61 8 0 8.6 44 结束语本 文 提 出 了 一 种 基 于Z Y切L i N b O3的X B A R,并以有限元仿真的设计优化为指导,成功制备了 高 谐 振 频 率、大 机 电 耦 合 系 数 和 高Q值 的X B A R。所制备的横向激发体声波谐振器A1模式的谐振频率为4.7 2 GH z,k2=2 6.9%,Q3 d B=3 8 4;A3模式的谐振频率为1 3.5 GH z,k2为4.4%。高Q值的X B A R展现了其拓宽声学滤波器市场的强大潜力,并有望应用于5 G通信。参考文献:1 S HE N J,F U S,S U R,e t a l.H i g h-p e r f o r m a n c e s u r-f a c e a c o u s t i c w a v e d e v i c e s u s i n g L i N b O3/S i O2/S i C m u l t i l a y e r e d s u b s t r a t e sJ.I E E E T r a n s a c t i o n s o n M i-c r o w a v e T h e o r y a n d T e c h n i q u e s,2 0 2 1,6 9(8):3 6 9 3-3 7 0 5.2 L U R,YAN G Y,G ON G S.A c o u s t i c l o s s o f GH z h i g h e r-o r d e r L a m b w a v e s i n t h i n-f i l m l i t h i u m n i o b a t e:A c o m p a r a t i v e s t u d yJ.J o u r n a l o f M i c r o e l e c t r o m e-c h a n i c a l S y s t e m s,2 0 2 1,3 0(6):1-9.3 Z OU J,YAN T CHE V V,I L I E V,e t a l.U l t r a-l a r g e-c o u p l i n g a n d s p u r i o u s-f r e e S H0 p l a t e a c o u s t i c w a v e r e-s o n a t o r s b a s e d o n t h i n L i N b O3J.I E E E T r a n s a c t i o n s o n U l t r a s o n i c s,F e r r o e l e c t r i c s,a n d F r e q u e n c y C o n-t r o l,2 0 2 0,6 7(2):3 7 4-3 8 6.4 S U R,F U S,L U Z,e t a l.O v e r GH z b a n d w i d t h S AW f i l t e r b a s e d o n 3 2 Y-X L N/S i O2/p o l y-S i/S i h e t e r o-s t r u c t u r e w i t h m u l t i l a y e r e l e c t r o d e m o d u l a t i o nJ.A p-p l i e d P h y s i c s L e t t e r s,2 0 2 2,2 5:1 2 0.5 Z HAN G Q,D U R,L I B,e t a l.P i e z o e l e c t r i c a c o u s t i c w a v e c h a r a c t e r i s t i c s o f P b(I n0.5N b0.5)O3-P b(M g1/3-N b2/3)O3-P b T i O3 s i n g l e c r y s t a l s u b s t r a t e:A c o m p a r a-t i v e s t u d y w i t h a n d w i t h o u t S i O2 o v e r l a yJ.J A p p l P h y s,2 0 2 2,2:1 3 2.6 MA S AMUN E C,YANA G I T AN I T.I o n b e a m i n-d u c e d a-a x i s i n-p l a n e o r i e n t e d c-a x i s o r i e n t e d A l N t h i n f i l m g r o w t h f o r h i g h-Q B AW r e s o n a t o r a p p l i c a t i o nC/S.l.:2 0 1 9 I E E E I n t e r n a t i o n a l U l t r a s o n i c s S y m p o s i u m(I U S),2 0 1 9:1 1 2 7-1 1 2 8.7 L UO T,X U Q,WE N Z,e t a l.S p u r i o u s-f r e e S 1 m o d e A l N/S c A l N-b a s e d l a m b w a v e r e s o n a t o r w i t h t r a p e z o i d a l e l e c t r o d e sJ.I E E E E l e c t r o n D e v i c e L e t-t e r s,2 0 2 3,4 4(4):5 7 4-5 7 7.8 X I E Y,Z HOU J,L I U Y,e t a l.6 GH z l i t h i u m n i o-b a t e MEM S r e s o n a t o r w i t h s q u a r e s p i r a l e l e c t r o d e sC/S.l.:2 0 2 1 I E E E I n t e r n a t i o n a l U l t r a s o n i c s S y m p o s i u m(I U S),2 0 2 1:1-3.9 L I NK S,L U R,GONG S,e t a l.A n A 1 m o d e r e s o n a-t o r a t 1 2 GH z u s i n g 1 6 0 n m l i t h i u m n i o b a t e s u s p e n d e d t h i n f i l mC/S.l.:2 0 2 1 I E E E I n t e r n a t i o n a l U l t r a-s o n i c s S y m p o s i u m(I U S),2 0 2 1:3-6.1 0YAN D R A P A L L I S,E R OG L U E,P L E S S KY V,e t a l.S t u d y o f t h i n f i l m L i N b O3 l a t e r a l l y e x c i t e d b u l k a c o u s t i c r e s o n a t o r sJ.J o u r n a l o f M i c r o-e l e c t r o m e-c h a n i c a l S y s t e m s,2 0 2 2,3 1(2):2 1 7-2 2 5.1 1L U R,YANG Y,G ON G S,e t a l.A 1 r e s o n a t o r s i n 1 2 8 Y-c u t l i t h i u m n i o b a t e w i t h e l e c t r o m e c h a n i c a l c o u-p l i n g o f 4 6.4%J.J o u r n a l o f M i c r o-e l e c t r o m e c h a n i c a l S y s t e m s,2 0 2 0,2 9(3):3 1 3-3 1 9.1 2S U R,Y U Z,F U S,e t a l.L i t h i u m n i o b a t e t h i n f i l m b a s e d A 1 m o d e r e s o n a t o r s w i t h f r e q u e n c y u p t o 1 6 G H z a n d e l e c t r o m e c h a n i c a l c o u p l i n g f a c t o r n e a r 3 5%C/S.l.:2 0 2 3 I E E E 3 6 t h I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n M i c r o E l e c t r o M e c h a n i c a l S y s t e m s(MEM S),2 0 2 3:1 1 9 0-1 1 9 3.1 3KO S K E L A J,P L E S S KY V.H i e r a r c h i c a l c a s c a d i n g i n F EM s i m u l a t i o n s o f S AW d e v i c e sC/S.l.:2 0 1 8 I E E E I n t e r n a t i o n a l U l t r a s o n i c s S y m p o s i u m(I U S),2 0 1 8:1-1 1.1 4L I X,B AO J,HUAN G Y,e t a l.U s e o f h i e r a r c h i c a l c a s c a d i n g t e c h n i q u e f o r F EM a n a l y s i s o f t r a n s v e r s e m o d e b e h a v i o u r s i n s u r f a c e a c o u s t i c w a v e d e v i c e sC/S.l.:2 0 1 8 I E E E I n t e r n a t i o n a l U l t r a s o n i c s S y m p o s i-u m(I U S),2 0 1 8:1-9.1 5俞振一,郭瑜,傅肃磊,等.超大带宽高频X B A R谐振器研究J.压电与声光,2 0 2 2,4 4(5):7 0 0-7 0 3.YU Z Y,GUO Y,F U S L,e t a l.R e s e a r c h o n u l t r a w i d e-b a n d a n d h i g h-f r e q u e n c y X B A R r e s o n a t o rJ.P i-e z o e l e c t r i c s&A c o u s t o o p t i c s,2 0 2 2,4 4(5):7 0 0-7 0 3.851