高Q值聲表面波諧振器研究進展

趙 釗,高 楊,2,張樹民

(1. 西南科技大學 信息工程學院，四川 綿陽 621010；2. 特殊環(huán)境機器人技術(shù) 四川省重點實驗室，四川 綿陽 621010；3. 杭州左藍微電子技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

自20世紀60年代末期聲表面波(SAW)技術(shù)問世以來，憑借半導體制作工藝，通過光刻大批量生產(chǎn)，各類SAW器件(如SAW濾波器、SAW傳感器等)在雷達、通信、導航和電子對抗等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。

通信產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展為SAW濾波器提供了更廣闊的市場空間，同時也帶來了更多的挑戰(zhàn)。第五代移動通信時代的到來，對SAW濾波器性能(如工作頻率、帶寬、矩形系數(shù)和插損等)提出了越來越高的要求。同時，微聲SAW濾波器通常采用多個串、并聯(lián)SAW諧振器的梯形、格型或兩者混合型的電路結(jié)構(gòu)級聯(lián)而成，SAW諧振器的性能(如頻率、機電耦合系數(shù)、品質(zhì)因數(shù)等)直接決定著濾波器的各項指標，其中以諧振器的品質(zhì)因數(shù)(Q)值最重要。如對于微聲濾波器中應(yīng)用最廣的帶通濾波器(BPF)，諧振器的頻率決定了濾波器的工作頻率，機電耦合系數(shù)決定了BPF的帶寬，諧振器的Q值則直接影響B(tài)PF的矩形度和插入損耗。因此，研究高Q值SAW諧振器對于高性能SAW濾波器至關(guān)重要。

SAW諧振器是各類新型SAW傳感器表頭的核心元件。傳感器靈敏度受諧振器Q值的影響，對于應(yīng)用范圍更大的無源無線SAW傳感器，SAW諧振器Q值還直接決定傳感器的無線查詢距離[1]。因此，研究高Q值SAW諧振器不僅能提升各類SAW傳感器的靈敏度，還是提升無源無線SAW傳感器信號查詢距離的有效措施。

本文介紹了影響SAW諧振器Q值的因素，概述了日本Murata公司的IHP SAW系列產(chǎn)品，引出了高Q值SAW諧振器的襯底結(jié)構(gòu),即異質(zhì)聲學層結(jié)構(gòu)，指出異質(zhì)聲學層結(jié)構(gòu)本質(zhì)為一維聲子晶體。介紹了可通過在諧振器壓電層面內(nèi)構(gòu)建2D聲子晶體的方式，進一步改善壓電層面內(nèi)聲能約束。最后展望了高Q值SAW諧振器的整體結(jié)構(gòu)：以氮化鋁基材料薄膜為壓電層、在諧振器多個位置構(gòu)建聲子晶體進行聲場能量約束的結(jié)構(gòu)。

1 影響SAW諧振器Q值的因素

SAW諧振器Q值是諧振器中能量損失的度量，其可表征為

(1)

式中：q1為存儲峰值能量；q2為每個周期消耗的能量。圖1為影響SAW諧振器Q值的因素(即能量泄露情況)[2]，即：

圖1 影響SAW諧振器Q值的因素

1) 在襯底的深度方向上存在目標聲學模式能量的泄露,以及其與體波分量耦合導致的模式轉(zhuǎn)換。

2) 在壓電層面內(nèi)存在SAW工作模式能量的橫向泄露和側(cè)向輻射。

3) 電極方面存在電極歐姆損耗。

4) 在材料方面存在材料的粘性損失。

能量在襯底深度方向和壓電層面內(nèi)的損失是導致SAW諧振器Q值較低的主要原因。由此可見，研究高Q值SAW諧振器的重點在于研究能有效地減少聲場能量耗散的襯底結(jié)構(gòu)。

2 IHP SAW

目前，在高Q值SAW諧振器的研究進程中，最具代表性的產(chǎn)品當屬日本Murata公司的IHP SAW系列產(chǎn)品。為有效約束聲場能量，Murata公司提出了兩種襯底結(jié)構(gòu)[3]，如圖2所示。

圖2 Murata公司兩種SAW諧振器襯底結(jié)構(gòu)

圖2(a)中，通過在壓電薄膜下構(gòu)建布喇格聲反射層，形成具有高能量反射效率的復合支撐襯底。低聲阻抗層和高聲阻抗層間的阻抗差異大小決定了布喇格聲反射層對目標聲學模式的反射率大小，其差異越大，反射率越大?；诖耍琈urata公司先后以縱向漏型聲表面波(LLSAW)為工作模式，設(shè)計了兩款SAW諧振器，其結(jié)構(gòu)及激發(fā)的波位移分布如圖3所示。圖中λIDT為設(shè)計諧振器的周期。

圖3 兩種基于布喇格反射層的SAW諧振器結(jié)構(gòu)及其波位移分布

2013年，基于LiNbO3(LN)/SiO2-AlN布喇格聲反射層/玻璃基板的襯底結(jié)構(gòu)SAW諧振器[4]被提出，如圖3(b)所示。由于SiO2與AlN的聲阻抗差異不大，導致此布喇格反射層結(jié)構(gòu)對目標聲學模式的反射率不高，對能量的約束力度不足。由此，2018年，以聲阻抗差異更大的SiO2-Pt代替SiO2-AlN組合[5]，構(gòu)成布喇格反射層，加上Si基板組成諧振器襯底結(jié)構(gòu)，如圖3(a)所示。由兩種結(jié)構(gòu)的波位移分布對比可知，以LN/SiO2-Pt布喇格聲反射層/Si基板為襯底結(jié)構(gòu)能夠更好地將聲場能量約束在壓電層表面，其制備的諧振器性能較好(在3.5 GHz處Q=664，5 GHz處Q=565，高于傳統(tǒng)LN單層襯底諧振器)。

由圖2(b)可看出，利用聲波在高聲速層和低聲速層界面?zhèn)鞑r會被引導至低聲速層，以壓電薄膜和高低聲速層構(gòu)建襯底結(jié)構(gòu)來限制聲波能量向襯底泄露。基于此結(jié)構(gòu)，2019年，Murata公司報道了一種制作在50°YX-LiTaO3/SiO2/AlN/Si襯底上、工作模式為水平剪切型漏聲表面波(SH-LSAW)的諧振器[6]。對比傳統(tǒng)單層LT襯底結(jié)構(gòu)和基于圖2(b)結(jié)構(gòu)的SAW諧振器能量集中度(見圖4)[6]可見，SiO2和AlN的高低聲速特性幾乎將聲波完全集中在壓電層表面，使得制備的諧振器具有高Q值(1.9 GHz處Q值達4 000，0.9 GHz處Q值可達6 000，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的LT基SAW諧振器在1.9 GHz處Q值最高僅1 000)。即使將50°YX-LT/SiO2/AlN/Si襯底結(jié)構(gòu)中的高聲速層AlN去除(基底Si中體波聲速高于壓電層中工作模式的聲速，由此可將Si層作為高聲速層)，將結(jié)構(gòu)簡化為3層(50°YX-LT/SiO2/Si)，仍能很好地將聲場能量約束在壓電層。

圖4 高低聲速層構(gòu)建的IHP SAW諧振器襯底結(jié)構(gòu)及其能量集中度

圖2的兩種襯底結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱為“異質(zhì)聲學層”(HAL)結(jié)構(gòu)，即以壓電薄膜作為壓電層，復合結(jié)構(gòu)(如布喇格反射層加Si基底)作為異質(zhì)支撐基底構(gòu)成的諧振器襯底結(jié)構(gòu)。分析IHP SAW系列諧振器中HAL結(jié)構(gòu)的實質(zhì)作用，由此可發(fā)現(xiàn)其本質(zhì)是一種一維聲子晶體，論述如下：

1) 當Murata公司開始強調(diào)疊層HAL結(jié)構(gòu)中材料聲速特性時，證明此時的HAL結(jié)構(gòu)已不是布喇格聲反射器。

2) 2009年，A. Khelif等[7]在以鋁、鎢周期性排列構(gòu)建的一維疊層聲子晶體中，引入壓電層作為缺陷層，提出了一種基于一維聲子晶體的“用于SAW的全向帶隙反射器”，即在一個特定頻段內(nèi)可實現(xiàn)壓電層(缺陷層)任意入射/極化方向聲波的全反射，將彈性能約束在壓電層。反觀HAL結(jié)構(gòu)，同樣認為利用壓電層和疊層結(jié)構(gòu)(布喇格反射層或高低聲速層)可實現(xiàn)將彈性波約束在壓電層(缺陷層)的功效。

3) 布喇格聲反射器是全向帶隙反射器在特定條件下(波矢量為0處)的退化形式。

由此可見，HAL結(jié)構(gòu)本質(zhì)上作為一維聲子晶體，能夠很好地引導SAW諧振器中目標聲學模式在壓電層表面?zhèn)鞑?，極大地減少諧振器深度方向上的能量損耗，從而提升諧振器Q值。

3 聲子晶體

聲子晶體一般由不同材料通過周期性排列構(gòu)成，其基本特性：帶隙范圍內(nèi)彈性波在聲子晶體中傳播時會被抑制，而處于其他頻率的彈性波可傳播[8]。并由此可在周期性結(jié)構(gòu)中引入缺陷結(jié)構(gòu)，利用聲子晶體實現(xiàn)對特定頻率聲波的波導特性(即當在一個完美聲子晶體結(jié)構(gòu)中去掉一些周期結(jié)構(gòu)或使某些周期結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)或材料參數(shù)改變時，聲子晶體中將會引入缺陷層或缺陷帶，導致彈性波只能沿缺陷層或缺陷帶傳播[9])。

由第2節(jié)可知，在SAW諧振器襯底結(jié)構(gòu)中構(gòu)建一維聲子晶體(即HAL結(jié)構(gòu))能實現(xiàn)深度方向上的能量約束。此外還可利用聲子晶體的兩種特性在壓電層面內(nèi)構(gòu)建二維聲子晶體結(jié)構(gòu)，進一步減小聲場能量損耗、約束目標聲學模式的傳播路徑，提升諧振器Q值。結(jié)合聲子晶體對特定頻段聲波的強反射特性，可在SAW諧振器電極的匯流條兩端插入二維聲子晶體結(jié)構(gòu)，以抑制聲場能量的橫向泄露，同時還可有效地減小如在蘭姆波諧振器中由聲波通過懸臂梁泄漏到基板的錨點損耗[10]。2021年，Yinjie Tong等[11]在AlN基SAW諧振器上構(gòu)建了由鉑柱組成的聲子晶體陣列，如圖5所示。由圖可看出，聲子晶體的構(gòu)建對諧振器諧振頻率無影響，不會引入雜散模式。通過對構(gòu)建聲子晶體的優(yōu)化設(shè)計，使諧振器Q值提升了約53%(在532 MHz頻點處，諧振器Q值由1 545提升至2 361)。

圖5 在諧振器匯流條兩端構(gòu)建Pt柱聲子晶體陣列

根據(jù)聲子晶體對特定頻率聲波的波導特性，可在SAW諧振器聲波的傳播路徑上構(gòu)建二維聲子晶體，以減小能量損失。在輸出、輸入叉指換能器間構(gòu)建2D聲子晶體，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。通過在周期性聲子晶體結(jié)構(gòu)中改變材料參數(shù)或其結(jié)構(gòu)參數(shù)，引入缺陷帶，引導SAW無耗散的在兩個IDT間傳播，減少聲波能量的側(cè)向輻射，進而提升Q值。M Richardson等[12]為提高石英襯底SAW延遲線的功率傳輸能力，在發(fā)送與接收叉指換能器間添加了1組嵌入到石英壓電襯底的鉭(Ta)填充微腔面陣(即2D聲子晶體)，利用聲子晶體的波導特性，將器件插入損耗降低了17.93 dB(延遲線插入損耗與其諧振器Q值成反比)。

圖6 在SAW傳播路徑上構(gòu)建聲子晶體波導結(jié)構(gòu)

綜上所述，通過在襯底縱向上構(gòu)建1D聲子晶體和在壓電層面內(nèi)構(gòu)建2D聲子晶體可實現(xiàn)對SAW諧振器聲場能量的全3D約束，進而提升諧振器Q值。

4 AlN基SAW諧振器

IHP SAW系列諧振器的結(jié)構(gòu)完全基于鈮酸鋰或鉭酸鋰薄膜而成，其產(chǎn)品性能基本代表了商用級SAW器件的最高水平。目前能夠與IHP SAW系列諧振器在性能方面有競爭力的SAW器件有AlN基SAW諧振器。

AlN憑借自身材料機械Q值高，薄膜制備工藝成熟，沉積薄膜質(zhì)量好，一直是體聲波(BAW)器件的首選壓電材料[13]。近年來，隨著對摻雜AlN材料的深入研究，材料壓電性顯著提升[14]，使其在SAW領(lǐng)域受到越來越廣泛的關(guān)注。

針對基于摻雜AlN的SAW諧振器已有一系列的基礎(chǔ)研究。如Masashi Suzuki團隊[15-17]先后在2018年和2020年研究了LLSAW和LSAW在AlScN薄膜/高速基板(如石英、藍寶石)上的傳播特性。實驗發(fā)現(xiàn)，當改變AlScN薄膜的歐拉角和膜厚、石英基板的切向等條件時，工作聲波模態(tài)(LSAW和LLSAW)與其他泄露聲波模態(tài)(各種體波)的耦合關(guān)系發(fā)生了明顯的改變。圖7是LLSAW諧振器中以不同切向的石英為支撐基板，各聲波分量與摻Sc氮化鋁薄膜厚度(h/λ，λ為波長)的關(guān)系[16]。由圖可知，當石英切向為X30°Y、h/λ=0.09時，與LLSAW發(fā)生耦合的快剪切體波分量和慢剪切體波分量達到最小值，表明此時LLSAW與快剪切分量和慢剪切分量發(fā)生明顯解耦，此結(jié)構(gòu)對應(yīng)的LLSAW諧振器Q值最大，仿真值為3 160(針對LSAW，Masashi Suzuki團隊仿真得到的SAW諧振器最高Q值達21 610)。此外，2021年， Farouk Ldoudi等[18]報道了摻鉻氮化鋁薄膜在c切藍寶石襯底上的SAW諧振器性能。研究表明，摻鉻量的變化可改變材料壓電性，并影響諧振器Q值，1 250 MHz處Q值可達8 314。

圖7 不同石英切向中各聲波分量與h/λ的關(guān)系

在LN/LT基HAL結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，2021年，HuiLing Liu等[19]提出了一種基于AlScN薄膜/SiO2/AlN/Si基板的HAL結(jié)構(gòu)SAW諧振器，如圖8所示。由圖可知，在特定頻段(2～3 GHz)，該結(jié)構(gòu)激發(fā)了3種SAW模態(tài)(瑞利型LSAW、水平剪切型LSAW和Sezawa模(一種高階聲表面波))。通過改變ScAlN薄膜歐拉角和膜厚，能夠調(diào)節(jié)壓電層激發(fā)的聲波模態(tài)，從而根據(jù)實際諧振器性能需求選擇最合適的聲波作為工作模式。如選擇傳播衰減最小的瑞利型LSAW，制得的諧振器具有最大Q值(2.3 GHz頻點處諧振Q值達2 004)。

圖8 基于AlScN薄膜/SiO2/AlN/Si的HAL結(jié)構(gòu)SAW諧振器

通過對摻雜AlN基SAW諧振器的一系列研究發(fā)現(xiàn)，AlN基SAW諧振器發(fā)展前景較好。與基于LT/LN的SAW諧振器相比，其優(yōu)勢如下：

1) AlN薄膜制備工藝成熟，且各種異質(zhì)集成的AlN晶圓可借用商業(yè)化成膜集群設(shè)備制備。對于LN/LT薄膜，目前主要采用smart-cut工藝進行制備[20]。

2) 純AlN的相速度可達6 000 m/s，遠高于LT/LN的適宜相速度(通常為4 200 m/s)[21-22],盡管摻雜在一定程度上可能會降低聲波速度，但與LT/LN相比，其更易滿足5G通信的高頻設(shè)計。

3) 基于摻雜AlN疊層結(jié)構(gòu)的SAW諧振器不僅能夠通過改變壓電層下高速基板的切向和AlN膜厚來改變目標聲波模態(tài)與其泄露體波的耦合關(guān)系，還可通過改變自身壓電材料的歐拉角調(diào)節(jié)聲場分布。兩者都可實現(xiàn)對諧振器性能的優(yōu)化設(shè)計。

4) AlN中的摻雜材料具有多樣性，且同種材料的摻雜量不同，對諧振器性能影響也不同。由此基于AlN的諧振器具有更多的選擇性和可能性。

5) 通過構(gòu)建聲子晶體可實現(xiàn)對諧振器能量的三維約束。與LT/LN相比，AlN材料體系有更好的IC工藝兼容性，更有利于聲子晶體的構(gòu)建。

綜上所述，基于摻雜AlN的SAW諧振器在設(shè)計方面具有更大的設(shè)計自由度，在創(chuàng)新研究方面則具有更多的可能性。從諸多文獻的共同作者、發(fā)表日期分析表明，近年來，日本山梨大學關(guān)于AlN基高性能SAW器件方面的基礎(chǔ)研究得到了Murata公司的相關(guān)支持，這表明AlN基SAW諧振器具備良好的研究發(fā)展前景。

5 結(jié)論

本文通過概述目前高Q值SAW諧振器的研究進展，綜合得出以下結(jié)論：

1) 對SAW諧振器襯底深度方向的能量約束，主要結(jié)構(gòu)為異質(zhì)聲學層(HAL)結(jié)構(gòu)。

2) HAL結(jié)構(gòu)本質(zhì)為基于一維聲子晶體的波導結(jié)構(gòu)。

3) 通過在諧振器壓電層面內(nèi)構(gòu)建多個2D聲子晶體，可進一步改善壓電層面內(nèi)的聲能約束。

4) AlN基SAW諧振器具備良好的發(fā)展前景，且未來高Q值SAW諧振器的理想結(jié)構(gòu)可能是以AlN基材料薄膜為壓電層，襯底和壓電層面內(nèi)多個位置構(gòu)建聲子晶體，實現(xiàn)聲能的全方位約束。