铌酸锂薄膜实现简单的宽频段多谐振的高Q值谐振器

研究背景

高次谐波体声波谐振器（HABR）由于其在GHz频段可以实现极高的Q值在声光调制、传感器、振荡器以及5G多通带滤波器上有着重要的应用价值。

迄今为止，已经有了许多将压电薄膜生长在带底电极的支撑衬底上以制备“三明治”结构HBAR器件的研究，例如在硅或蓝宝石衬底上的氮化铝或氧化锌薄膜。压电薄膜夹在两层电极之间作为换能器用于激励产生体声波，而支撑衬底则是作为谐振腔。

高次谐波的谐振频率由压电薄膜的等效声速和厚度决定，而不同阶数的高次谐波之间的频率间隔则由支撑衬底的厚度决定。此外，HBAR的频率响应范围（即存在的不同阶数的高次谐波的频率范围）与压电薄膜的机电耦合系数（K2）呈正相关。

研究亮点

上海微系统所异质集成XOI课题组利用“万能离子刀”剥离与转移技术制备了晶圆级LiNbO3/SiC（导电）异质衬底，突破传统“三明治”结构HBAR的结构限制，制备了共平面电极结构的据超高Q值HABR。

图2所示为制备的导电碳化硅上铌酸锂异质集成衬底截面SEM图以及XRD测试结果。由于导电碳化硅衬底既充当谐振腔又作为悬浮底电极以提供纵向电场，减少了额外的金属底电极，这使得该结构十分简单，且免除了金属底电极带来的复杂工艺和界面损耗。

图2. 制备的导电碳化硅上铌酸锂异质集成衬底的（a）截面SEM图和（b）XRD测试结果。谐振器的光镜图以及测试结果如图3所示，其在2174MHz附近的QLAKIN值超过了40000（Bode-Q超过50000），相应地f×Q的值分别达到9.6×1013和1.1×1014。该结果是目前已知基于铌酸锂材料的谐振器的最高值，且TCF仅为-18ppm/℃。

图3. 制备的高次谐波体声波谐振腔的（a）导纳图，（b）光镜图，（c）f×Q值以及（d）测试和拟合的TCF结果。

此外，利用制备的高次谐波体声波谐振器的测试结果在ADS软件中模拟得到滤波器的结果如图4所示，其在1.5GHz左右的插损约为3 dB，并在约2GHz的频率范围内实现了多个间距10 MHz的通带。

图4.谐振器的测试结果在ADS中搭建滤波器得到的模拟结果。

总结与展望

得益于XOI课题组在压电异质集成材料技术上的长期发展，通过将具有大机电耦合系数的铌酸锂薄膜与本征损耗极低且导电性较好的支撑衬底相结合，实现了结构简单的宽频段多谐振的高Q值谐振器。通过进一步地优化衬底和器件结构，可以期待综合性能更高的HBAR器件，因此该技术在5G射频应用中具有十分广阔的前景。

文章链接：

https://ieeexplore.ieee.org/document/9429169

来源：中科院上海微系统所，信息功能材料国家重点实验室，异质集成XOI课题组编辑：jq