用于射频滤波器的LN单晶薄膜XBAR的性能研究

杜如帆，田亚会，张巧珍，李百川，李红浪

(1.上海师范大学 信息与机电工程学院，上海 200234；2.中国科学院声学研究所，北京 100190；3.国家纳米科学中心，北京 100190)

0 引言

随着 5G 的发展，射频前端对具有更高频率、更大带宽和更低插入损耗的高性能滤波器的需要极为迫切。声表面波(SAW)和体声波(BAW)滤波器因其各自的局限性，尚不能完全满足5G发展的高频、大带宽需求。其中，SAW器件的工作频率受限于光刻精度，其应用局限于3 GHz以下频段。采用高声速氮化铝(AlN)为衬底的BAW可以通过调控薄膜厚度实现更高的工作频率(f)，但其机电耦合系数较小，无法实现大带宽。铌酸锂(LN)薄膜声学谐振器可以兼顾高声速和大机电耦合系数(K2)的特性，这为高频、大带宽滤波器的实现提供了可能[1]。

近年来，Yandrapalli等[2]提出了以ZY-LN薄膜作为衬底，带有叉指电极(IDT)的横向激发体声波谐振器 (XBAR) 的概念。Plessky等[3]对XBAR进行了一系列的性能优化，通过调整LN薄膜的欧拉角和电极金属化率，使XBAR实现了更大的K2和更高的谐振频率。

然而，XBAR单层结构的温度稳定性较差，Patel M S等指出Y切LN的频率温度系数(TCF)较低，约为-90×10-6/℃[4]。因此，本文提出使用LN/SiO2双层结构来改善TCF[5-7]，并对比研究了LN薄膜和LN/SiO2双层结构的XBARs上兰姆波的激励[8]。结果表明，LN/SiO2双层结构在提高TCF的同时能具有较高的频率和较大的机电耦合系数。

1 XBAR的有限元建模

本文使用有限元(FEM)软件COMSOL Multiphysics建立了XBAR的准3D周期结构模型，如图1所示。边界条件在传播方向(y)上设置为Floquet周期性条件，在垂直传播方向(x)上设置为连续周期性条件。LN和SiO2的材料参数及温度系数分别来自于文献[9-11]，LN薄膜单层结构及LN/SiO2双层结构的XBAR结构参数如表1所示。

图1 XBAR准三维模型

表1 XBAR模型结构参数

XBAR的工作频率与兰姆波反对称模的阶数(n)、厚度方向的波速(v)和压电薄膜厚度(d)间的关系[12]为

f×2d=(2n-1)×v

(1)

机电耦合系数(K2)[3]为

(2)

式中：fr为谐振频率；fa为反谐振频率。

频率温度系数(TCF)[13]为

(3)

(4)

式中：T0为室温，即25 ℃；T为实际温度；fr,T0为室温下的谐振频率；fr,T为实际温度下的谐振频率。 本文中计算TCF所用的温度变化范围为-40～100 ℃。

2 结果与分析

为了验证模型的有效性，基于建立的准3D周期结构，仿真计算了LN薄膜单层结构XBAR的输入导纳曲线，其结果与文献[3]中3D模型计算结果对比如图2所示。由图可见，导纳曲线中主模式(一阶反对称(A1)兰姆波)的谐振和反谐振频率基本吻合。其中文献[3]在横向方向加入完美匹配层(PML)，使杂散模式得到抑制。该仿真计算中LN薄膜的厚度为400 nm，v=3 834.7 m/s[14]，由此可见，兰姆波的一阶反对称模式的谐振频率f=4.83 GHz，满足式(1)关系f=v/2d。

图2 单层LN薄膜XBAR的导纳仿真对比

图3为LN厚度为400 nm时，XBAR在谐振处激励模态的表面位移和线位移，蓝线为沿传播方向(y方向)在厚度上的线位移。从位移能量分布上看，该谐振为A1模，进一步验证了图2中在频率4.8 GHz附近出现的谐振的主要模式为A1模。

图3 单层LN薄膜XBAR在谐振处的表面位移和线位移

压电薄膜厚度是制约XBAR工作频率和性能的关键参数。为了进行对比分析，本文仿真计算了3种不同LN薄膜厚度下的XBAR单层结构和双层结构的导纳曲线，结果如图4所示。其中，双层结构的SiO2温补层厚度为200 nm。由图4(a)可见， 单层结构XBAR激励A1模的谐振频率对LN薄膜厚度十分敏感，随着LN厚度的增加，谐振频率显著下降。当LN厚度分别为200 nm和400 nm时，谐振频率达到9.27 GHz和 4.83 GHz，均符合式(1)中频率与薄膜厚度的关系。由图4(b)可见，增加SiO2温度补偿层后，其谐振频率对LN薄膜厚度变化敏感度明显降低。此外，双层结构中SiO2薄膜不仅可以提高器件的温度稳定性，且对杂散模式也有一定的抑制作用。这是由于SiO2的体声波速度比LN低，使声场能量往低声速泄露，部分杂散模式得到抑制。

图4 不同LN厚度下XBAR的导纳对比

本文进一步计算了不同LN厚度下双层结构的f、K2、TCF随SiO2厚度的变化关系，结果如图5所示。由图可见，TCF随着SiO2厚度增大而增大，而f、K2都随着SiO2厚度增大而减小。在图5(c)中，当SiO2层较薄时(<300 nm)，双层结构的TCF对SiO2的厚度较敏感，会迅速增加。当SiO2厚度继续增加时(>300 nm)，其对TCF的影响趋于平缓。本文提出的LN/SiO2双层结构XBAR可以根据应用需求进行调谐，如当SiO2的厚度为200 nm，LN薄膜厚度为300 nm时，其TCF可以改善到-55.7×10-6/℃，同时机电耦合系数约为13%，工作频率达到4.14 GHz。相同SiO2厚度下，当LN厚度为200 nm时，双层结构的TCF可以增加到-36.1×10-6/℃，比单层结构提升了近70×10-6/℃，同时谐振频率能达到4.75 GHz，机电耦合系数为8%。

图5 不同LN厚度下双层结构XBAR的f、K2、TCF随SiO2厚度变化曲线

3 结束语

本文建立了XBAR准3D周期结构有限元模型，并验证了其有效性。对比研究了LN单层结构和LN/SiO2双层结构上的兰姆波A1模传播特性。结果表明，增加SiO2温度补偿层可以明显改善XBAR的频率温度系数；同时，SiO2薄膜覆盖层还能起到抑制杂散模式的作用。下一步将通过相关的实验进行验证。

基于本文提出的LN/SiO2双层XBAR结构，通过优化结构参数，有望设计出满足当前高频(f>3 GHz)、大带宽的应用需求，且具有良好的温度补偿作用的声学谐振器。