刘因伟1，马军1，钱丽蓉1，*，王园园1，李翠萍1，杨保和1，田亚辉2，李宏朗3,4,5 1天津理工大学集成电路科学与工程学院，天津市薄膜电子与通信器件重点实验室，中国天津300384 2中国科学院声学研究所，中国北京100190 3国家纳米科学技术中心，中国北京100190 4广州粤港澳大湾区纳米科技创新研究院，中国广州510700 5广东广纳芯科技有限公司，中国广州510700 *通讯作者，电子邮箱：lirongqian83@email.tjut.edu.cn；电话：86 - 022 - 60215678纵向声表面波模式（L - SAW）具有较高的相速度，因此可实现更高的工作频率。在本文中，提出了一种37°Y - 47°X铌酸锂/二氧化硅/碳化硅（LiNbO₃/SiO₂/SiC）多层结构，以激发具有高速度和高机电耦合系数（K²）的纵向声表面波（L - SAW），从而满足5G的频率要求。此外，通过改变该结构中二氧化硅（SiO₂）和铌酸锂（LiNbO₃）的厚度，利用有限元方法（FEM）进行了理论优化，结果表明，铌酸锂（LiNbO₃）的最佳厚度为0.08λ，二氧化硅（SiO₂）的最佳厚度为0.2λ，电极的最佳厚度为0.056λ。对于优化后的结构参数，纵向声表面波（L - SAW）的机电耦合系数（K²）为10.95%，相应的相速度为5800.43米/秒，温度系数（TCF）为 - 0.1ppm/℃。 关键词：水平剪切声表面波；铌酸锂（LiNbO₃）；有限元方法；多层结构。XYZ切 POI wafer，LN/LT-SIC/Si/热氧片供应，我们常见的键合技术 有硅玻璃键合 金金键合，金锡键合，金硅键合，临时键合等等 。但是当我们遇到一些需要低温键合，或者一些特殊材料时，或者应用场景时，上述键合方式很难满足一些特殊场景的应用，
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与传统滤波器相比，基于声表面波（SAW）器件和体声波（BAW）器件的滤波器及双工器具有体积小、可靠性高、频率高以及损耗低等特点[1] - [5]。因此，声表面波（SAW）器件迅速取代了传统滤波器，占据了射频（RF）器件市场的大部分份额。2019年，工业和信息化部正式向中国电信、中国移动和中国联通颁发了5G牌照，并启动了6G技术的研究，这表明通信终端将使用更多的频段。因此，终端设备将需要更多基于体声波（BAW）或声表面波（SAW）器件设计的滤波器或双工器。此外，随着5G技术的提出以及智能穿戴设备和车联网的快速发展，未来对声学器件的需求将会增加。 声表面波（SAW）器件的基本原理是压电衬底表面附近的机械场和电场之间的耦合。在通信和传感等实际应用中，谐振频率是声表面波（SAW）器件最关键的参数。因此，它不应随环境温度发生太大变化。当声表面波（SAW）的机电耦合系数（K²）过低时，会限制带宽的增加。压电晶体铌酸锂（LN）具有较大的K²，常被用于制备宽带宽的声表面波（SAW）器件。然而，铌酸锂（LN）具有较大的正频率温度系数（TCF），应与具有负频率温度系数的压电材料（如二氧化硅（SiO₂）[6]、[7]、[8]、氧化碲（TeO₂）[9]和氮化铝（AlN）[10]）集成以进行温度补偿。 在这项工作中，选择了在Y切铌酸锂（LN）异质结构中无能量泄漏的纵向声表面波（L - SAW）来构建一个37°Y - 47°X铌酸锂（LN）/二氧化硅（SiO₂）/碳化硅（SiC）多层结构。通过有限元方法（FEM）对铌酸锂（LN）厚度、二氧化硅（SiO₂）厚度、电极厚度和电极金属化程度进行了优化。此外，这种结构能够实现接近零的温度系数（TCF）。首先，在这种结构下，为了忽略机械载荷，仅考虑电边界条件，并首先假设叉指换能器（IDT）的厚度为无限薄。铌酸锂（LN）的材料常数取自参考文献[12]和[13]用于计算。铌酸锂（LN）的取向可通过欧拉角旋转法获得。选择能激发纵向声表面波（L - SAW）最大机电耦合系数（K²）的铌酸锂（LN）欧拉角（0°， - 53°， 47°）[11]。 之后，在有限元模拟软件COMSOL中对一个三维（3D）单端口声表面波（SAW）谐振器进行模拟，并在x和y方向设置其周期性边界条件。在模型底部假设存在一个完美匹配层（PML）。将波长λ（也就是叉指换能器（IDT）的周期）设置为4微米。同时，将电极宽度标记为a，金属化率η定义为2a/λ。利用有限元方法（FEM）计算纵向声表面波（L - SAW）模式的相速度，在铌酸锂（LN）/二氧化硅（SiO₂）/碳化硅（SiC）多层结构模型中，针对不同二氧化硅（SiO₂）厚度，计算出机电耦合系数（K²）值和温度系数（TCF）作为铌酸锂（LN）厚度的函数。还对铝电极厚度和叉指换能器（IDT）的金属化比例进行了优化。 相速度（vp）、机电耦合系数（K²）和温度系数（TCF）是设计声表面波（SAW）器件导体的三个重要特征参数。相速度（vp）通过以下公式（1）计算： vp = λfr （1） 机电耦合系数（K²）通过以下近似公式（2）计算： K² ≈ 2(far - fr) / fr ，（2） 其中fr和far分别是谐振频率和反谐振频率。温度系数（TCF）通过以下公式（3）计算： TCF = (fr(35°C) - fr(25°C)) / (35°C - 25°C) fr 其中fr(35°C)和fr(25°C)分别是在35°C和25°C温度下的谐振频率。图2：在具有不同铌酸锂厚度与波长比值（hLN/λ）的37°Y - 47°X铌酸锂/二氧化硅/碳化硅多层结构叉指换能器（IDTs）中纵向声表面波（L - SAW）的导纳曲线：（a）hLN/λ = 0.05；（b）hLN/λ = 0.1；（c）hLN/λ = 0.15；（d）hLN/λ = 0.2。图3：在37°Y - 47°X铌酸锂/二氧化硅/碳化硅多层结构中，不同归一化二氧化硅厚度（hSiO₂/λ）下，纵向声表面波（L - SAW）特性随归一化铌酸锂厚度（hLN/λ）的变化情况：（a）机电耦合系数（K²）；（b）相速度；（c）温度系数（TCF）。图4：在37°Y - 47°X铌酸锂/二氧化硅/碳化硅多层结构中，不同金属化率（η）下，纵向声表面波（L - SAW）特性随归一化铝制叉指换能器（IDTs）厚度（hAl/λ）的变化情况：（a）机电耦合系数（K²）；（b）相速度。图5：基于37°Y - 47°X铌酸锂/二氧化硅/碳化硅结构的声表面波谐振器的导纳。2.1. 二氧化硅（SiO₂）和铌酸锂（LN）厚度的优化 在模拟过程中，将λ值固定为4微米。将hAl设置为0.01λ以忽略叉指换能器（IDTs）的机械载荷。图2展示了在不同hLN/λ和不同hSiO₂值下，37°Y - 47°X铌酸锂/二氧化硅/碳化硅多层结构中纵向声表面波（L - SAW）的导纳曲线。对于较大的hSiO₂值，谐振频率值会降低。然而，谐振频率与hLN之间的关系较为复杂。多层结构中三种材料的声表面波（SAW）速度排序如下：二氧化硅（SiO₂）<铌酸锂（LN）<碳化硅（SiC）。频率随hSiO₂的增加而降低可归因于二氧化硅（SiO₂）的低速特性。二氧化硅（SiO₂）层越厚，频率越低。当二氧化硅（SiO₂）较薄时，例如hSiO₂≤0.25λ，频率会随着铌酸锂（LN）厚度的增加先降低后升高。当二氧化硅（SiO₂）厚度增加到一定程度，例如二氧化硅（SiO₂）为0.28λ时，频率会随着铌酸锂（LN）厚度的增加而单调递增。 37°Y - 47°X铌酸锂/二氧化硅/碳化硅多层结构中纵向声表面波（L - SAW）模式的传播特性取决于铌酸锂（LN）薄膜和二氧化硅（SiO₂）中间层的厚度。图2展示了在不同归一化二氧化硅（SiO₂）厚度（hSiO₂/λ）下，计算得出的纵向声表面波（L - SAW）的相速度、温度系数（TCF）和机电耦合系数（K²）对归一化铌酸锂（LN）厚度（hLN/λ）的依赖关系。 对于不同的hSiO₂/λ值，机电耦合系数（K²）曲线与hLN/λ之间的关系呈现出相似的趋势，如图3（a）所示。在不同的hSiO₂/λ值下，机电耦合系数（K²）值会先增加到最大值，然后随着hLN/λ的增加而降低。当hSiO₂/λ在0.100 - 0.175范围内时，可获得较大的机电耦合系数（K²）。机电耦合系数（K²）对二氧化硅（SiO₂）的厚度较为敏感，随着hSiO₂/λ的增加会急剧下降。在hSiO₂/λ = 0.2的情况下，当hLN/λ = 0.14时，可获得最大机电耦合系数（K²）值为9.416%。对于hSiO₂/λ大于0.25的情况，相速度会随着hLN/λ的增加先降低然后再升高。当hSiO₂/λ小于0.25时，相速度会随着hLN/λ的增加而单调上升，如图3（b）所示。在图3（c）中，随着hLN/λ的增加，温度系数（TCF）会从正值变为负值。对于不同的hSiO₂/λ值，零温度系数（TCF）出现在不同的hLN/λ值处。对于较大的hSiO₂/λ值，对应零温度系数（TCF）的hLN/λ值也较大。2.2. 电极厚度和叉指换能器（IDTs）金属化率的优化 对于使用铌酸锂（LN）块体的常规声表面波（SAW）器件，合适的叉指换能器（IDTs）厚度约为0.1λ。因此，在37°Y - 47°X铌酸锂/二氧化硅/碳化硅多层结构中，叉指换能器（IDTs）对纵向声表面波（L - SAW）性能的影响不容忽视，对此也进行了模拟。在本次模拟中，基于已优化的铌酸锂（LN）和二氧化硅（SiO₂）薄膜厚度，将hLN设置为0.08λ，将hSiO₂设置为0.2λ。图4（a）和（b）分别展示了在不同金属化率η下，模拟得到的相速度和机电耦合系数（K²）随hAl/λ增加的函数关系。 随着hAl/λ的增加，在不同的η值下，机电耦合系数（K²）值先略微增加然后再降低，如图4（a）所示。当金属化率η从0.2增加到0.4时，可以观察到机电耦合系数（K²）显著增加。当金属化率η进一步增加时，机电耦合系数（K²）开始降低。当hAl/λ = 0.55且η = 0.4时，可获得最大机电耦合系数（K²）值为11%。从图4（b）可以看出，相速度随着hAl/λ和η的增加而单调降低。2.3. 纵向声表面波（L - SAW）谐振器的导纳 基于对hLN/λ、hSiO₂/λ、hAl/λ以及η的优化结果，采用以下参数来获得较大的机电耦合系数（K²）、较高的相速度以及接近零的温度系数（TCF）：表1. 纵向声表面波（L - SAW）谐振器的优化参数。使用优化后的参数进行模拟，得到的机电耦合系数（K²）为10.95%，相速度为5900.43米/秒，温度系数（TCF）接近0ppm/℃。 图5展示了在优化参数下，基于叉指换能器（IDT）/铌酸锂（LN）/二氧化硅（SiO₂）/碳化硅（SiC）结构的声表面波（SAW）谐振器在1.3至1.9吉赫兹频率范围内的导纳情况。图5中可以观察到三种声学模式。1.45吉赫兹和1.52吉赫兹处的峰值分别是纵向声表面波（L - SAW）模式的谐振频率和反谐振频率。1.58吉赫兹处的弱模式同样是纵向声表面波（L - SAW），而1.72吉赫兹处的模式是纵向泄漏声表面波。 提出了37°Y - 47°X铌酸锂（LN）/二氧化硅（SiO₂）/碳化硅（SiC）多层结构，并对其进行了理论优化。优化后的hLN、hSiO₂、hAl和η分别为0.08λ、0.2λ、0.056λ和0.4。在优化后的叉指换能器（IDT）/37°Y - 47°X铌酸锂（LN）/二氧化硅（SiO₂）/碳化硅（SiC）各层结构下，纵向声表面波（L - SAW）相应的机电耦合系数（K²）、相速度和温度系数（TCF）分别为10.95%、5800.43米/秒和 - 0.1ppm/℃。优化后的多层结构在通信系统中制造低损耗、宽带宽的射频声表面波（SAW）滤波器方面具有广阔的前景。
