研究背景

高次諧波體聲波諧振器（HABR）由于其在GHz頻段可以實現(xiàn)極高的Q值在聲光調(diào)制、傳感器、振蕩器以及5G多通帶濾波器上有著重要的應(yīng)用價值。

迄今為止，已經(jīng)有了許多將壓電薄膜生長在帶底電極的支撐襯底上以制備“三明治”結(jié)構(gòu)HBAR器件的研究，例如在硅或藍(lán)寶石襯底上的氮化鋁或氧化鋅薄膜。壓電薄膜夾在兩層電極之間作為換能器用于激勵產(chǎn)生體聲波，而支撐襯底則是作為諧振腔。

高次諧波的諧振頻率由壓電薄膜的等效聲速和厚度決定，而不同階數(shù)的高次諧波之間的頻率間隔則由支撐襯底的厚度決定。此外，HBAR的頻率響應(yīng)范圍（即存在的不同階數(shù)的高次諧波的頻率范圍）與壓電薄膜的機(jī)電耦合系數(shù)（K2）呈正相關(guān)。

研究亮點

上海微系統(tǒng)所異質(zhì)集成XOI課題組利用“萬能離子刀”剝離與轉(zhuǎn)移技術(shù)制備了晶圓級LiNbO3/SiC（導(dǎo)電）異質(zhì)襯底，突破傳統(tǒng)“三明治”結(jié)構(gòu)HBAR的結(jié)構(gòu)限制，制備了共平面電極結(jié)構(gòu)的據(jù)超高Q值HABR。

圖2所示為制備的導(dǎo)電碳化硅上鈮酸鋰異質(zhì)集成襯底截面SEM圖以及XRD測試結(jié)果。由于導(dǎo)電碳化硅襯底既充當(dāng)諧振腔又作為懸浮底電極以提供縱向電場，減少了額外的金屬底電極，這使得該結(jié)構(gòu)十分簡單，且免除了金屬底電極帶來的復(fù)雜工藝和界面損耗。

圖2. 制備的導(dǎo)電碳化硅上鈮酸鋰異質(zhì)集成襯底的（a）截面SEM圖和（b）XRD測試結(jié)果。諧振器的光鏡圖以及測試結(jié)果如圖3所示，其在2174MHz附近的QLAKIN值超過了40000（Bode-Q超過50000），相應(yīng)地f×Q的值分別達(dá)到9.6×1013和1.1×1014。該結(jié)果是目前已知基于鈮酸鋰材料的諧振器的最高值，且TCF僅為-18ppm/℃。

圖3. 制備的高次諧波體聲波諧振腔的（a）導(dǎo)納圖，（b）光鏡圖，（c）f×Q值以及（d）測試和擬合的TCF結(jié)果。

此外，利用制備的高次諧波體聲波諧振器的測試結(jié)果在ADS軟件中模擬得到濾波器的結(jié)果如圖4所示，其在1.5GHz左右的插損約為3 dB，并在約2GHz的頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)了多個間距10 MHz的通帶。

圖4.諧振器的測試結(jié)果在ADS中搭建濾波器得到的模擬結(jié)果。

總結(jié)與展望

得益于XOI課題組在壓電異質(zhì)集成材料技術(shù)上的長期發(fā)展，通過將具有大機(jī)電耦合系數(shù)的鈮酸鋰薄膜與本征損耗極低且導(dǎo)電性較好的支撐襯底相結(jié)合，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)簡單的寬頻段多諧振的高Q值諧振器。通過進(jìn)一步地優(yōu)化襯底和器件結(jié)構(gòu)，可以期待綜合性能更高的HBAR器件，因此該技術(shù)在5G射頻應(yīng)用中具有十分廣闊的前景。

文章鏈接：

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

來源：中科院上海微系統(tǒng)所，信息功能材料國家重點實驗室，異質(zhì)集成XOI課題組編輯：jq