刘培森1，付苏磊1，许慧平1，肖博元1，周星辰1，许秋风1，张巧珍2，王睿1，宋成1，曾飞1，王卫彪3，潘峰1 1清华大学材料科学与工程学院先进材料教育部重点实验室，中国北京 2上海师范大学信息与机电工程学院，中国上海 3江苏无锡首尔德电子有限公司，中国江苏 suleifu@163.com，panf@mail.tsinghua.edu.cn摘要——本文报道了利用32°Y - 45°X铌酸锂（LiNbO₃）/二氧化硅（SiO₂）/碳化硅（SiC）异质结构实现高频且无杂散的纵向泄漏声表面波（LLSAW）滤波器的相关演示。通过优化关键设计参数，如电极的选择、叉指换能器的厚度以及铌酸锂（LiNbO₃）板的厚度，特别是采用铜电极和180纳米厚的铌酸锂（LiNbO₃）薄膜，实现了在较宽频率范围内的高效杂散抑制。所制作的谐振器具有约6000米/秒的相速度和13.4%的有效机电耦合系数。随后，实现了中心频率为5.66吉赫兹和5.96吉赫兹的纵向泄漏声表面波（LLSAW）滤波器，其分数带宽分别为6.1%和6.8%，带外抑制分别为26分贝和28分贝。 关键词——铌酸锂、纵向泄漏声表面波、声滤波器、杂散模式抑制。图1. （a）不同铌酸锂（LN）切割方式下，计算得出的耦合常数K₁₁²随传播角度的变化函数关系。（b）基于铌酸锂/二氧化硅/碳化硅（LN/SiO₂/SiC）压电绝缘体上（POI）结构的声表面波（SAW）器件的模型示意图。（c）上述声表面波（SAW）器件的俯视图。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，
因此科学家提出了表面活化键合技术，这种技术 使键合技术所覆盖的材料范围更加广泛，比如
GaAs-SiC，InP-Diamond， LN-SiC，Si-Si，GaN-Dlamond,Sl-Diamond,蓝宝石-蓝宝石，金刚石-sic, sic-inp,sic-LN, ic-ga2o3,glass--glass，Si-SiC，Si-GaAs、GaAs- SiC、Si–SiC、SiC–SiC、Ge–Ge 、Al 2 O 3 -Al 2 O 3 ，GaP-InP， GaN-Si、LiNbO 3 -Al 2 O 3 、LiTaO 3 -Si and more(晶体，陶瓷，等等)
扩展的多材料的体系，将键合技术扩大了应用范围
*MEMS传感器 *光子集成电路 *半导体激光器
*功率器件 *3D封装 *异质集成
划重点--代工，代工，代工，卖设备
我们为客户提供晶圆（硅晶圆，玻璃晶圆，SOI晶圆，GaAs，蓝宝石，碳化硅（导电，非绝缘），Ga2O3,金刚石，GaN（外延片/衬底）），镀膜方式（PVD,cvd,Ald，PLD）和材料（Au Cu Ag Pt Al Cr Ti Ni Sio2 Tio2 Ti3O5，Ta2O5,ZrO2,TiN，ALN,ZnO,HfO2。。更多材料），键合（石英石英键合，蓝宝石蓝宝石键合）光刻，高精度掩模版，外延，掺杂,电子束直写等产品及加工服务(请找小编领取我们晶圆标品库存列表，为您的科学实验加速。
激光器芯片/探测器芯片/PIC芯片封装耦合服务"
请联系小编免费获取原文，也欢迎交流半导体行业，工艺，技术，市场发展
图2. （a）采用铜（Cu）和铝（Al）作为电极材料的纵向泄漏声表面波（LLSAW）谐振器的模拟导纳响应。（b）不同铜（Cu）和铝（Al）厚度下，纵向泄漏声表面波（LLSAW）与相邻杂散模式之间提取出的频率差值（Δf），以及纵向泄漏声表面波（LLSAW）谐振器提取出的有效机电耦合系数（kₑff²）。图3. （a）模式1和模式2的导纳比，以及（b）纵向泄漏声表面波（LLSAW）的有效机电耦合系数（kₑff²）随铌酸锂（LN）薄膜和铜（Cu）电极厚度的变化关系。二、器件设计 A. 基础平台选择 铌酸锂（LN）具有高度各向异性的压电特性，能够通过不同的晶体取向和波传播方式实现多样的机电性能。根据先前的研究成果，本征机电耦合系数（K₁₁²）是评估纵向泄漏声表面波（LLSAW）的声电转换效率的关键指标，其计算公式如下[19]： K₁₁² = e₁₁² / (ε₁₁ × c₁₁) （式1） 其中，e₁₁、c₁₁和ε₁₁分别为压电常数、弹性常数和介电常数。从图1（a）可以看出，在28 - 36°Y切铌酸锂（LN）衬底内，K₁₁²随传播角度的变化呈现出相似的趋势。值得注意的是，当传播角度接近45°或135°时，纵向泄漏声表面波（LLSAW）能得到最优激发，这可从不同铌酸锂（LN）切割方式下K₁₁²的峰值得到证明。鉴于在声表面波（SAW）领域中32°Y切铌酸锂（LN）的广泛应用，我们选择32°Y - 45°X切割方式来支持纵向泄漏声表面波（LLSAW）的压电换能。如图1（b）和（c）所示，我们采用了典型的铌酸锂/二氧化硅/碳化硅（LN/SiO₂/SiC）压电绝缘体上（POI）结构作为基础平台，并通过阵列叉指换能器（IDTs）来激发相应的纵向泄漏声表面波（LLSAW）。如前文所述，引入碳化硅（SiC）有助于减轻纵向泄漏声表面波（LLSAW）的能量泄漏，确保波传播效率得到提高。此外，二氧化硅（SiO₂）层的引入有助于缓解在制备压电绝缘体上（POI）晶圆过程中铌酸锂（LN）和碳化硅（SiC）之间的热失配问题。B. 电极比较 图2展示了使用两种典型电极材料（铜（Cu）和铝（Al））时纵向泄漏声表面波（LLSAW）的有限元模拟行为，以及纵向泄漏声表面波（LLSAW）与相邻杂散模式之间的频谱间距。模拟参数设置如下：波长（λ）= 1.5微米，铌酸锂（LN）层厚度（hLN）= 300纳米，二氧化硅（SiO₂）层厚度（hSiO₂）= 200纳米，铜（Cu）电极和铝（Al）电极的厚度分别为80纳米和180纳米。 如图2（a）所示的模拟导纳情况，无论使用铜（Cu）还是铝（Al）电极材料，都能观察到纵向泄漏声表面波（LLSAW）相邻的两个杂散模式，这会导致带外区域出现不理想的波纹，并且使其他频段的频率响应变差。 图2（b）展示了在不同铜（Cu）和铝（Al）厚度下，目标模式与模式1之间计算得出的频谱间距。与使用铝（Al）电极的器件相比，铜（Cu）电极配置通常能使纵向泄漏声表面波（LLSAW）与其最近的杂散模式之间产生更大的频谱间距。如果采用铝（Al）电极，要达到相同的频谱间距，所需的厚度是铜（Cu）电极的两到三倍，这给微加工工艺带来了挑战。 此外，如图2（c）所示，从不同电极厚度下纵向泄漏声表面波（LLSAW）的有效机电耦合系数（kₑff²）情况来看，采用铜（Cu）电极的器件呈现出更高的最大有效机电耦合系数（kₑff²）值，而且其有效机电耦合系数（kₑff²）的降低幅度比铝（Al）电极更小。因此，采用铜（Cu）电极不仅能有效减轻杂散模式的影响，还能确保更好的机电转换效率。 C. 杂散模式的抑制 正如先前研究[22]所阐述的，杂散模式的幅度通常对结构参数有显著的依赖性。在本研究中，我们采用导纳比（AR）这一指标来评估纵向泄漏声表面波（LLSAW）相邻杂散模式的激发水平，其中导纳比（AR）由下式确定： AR = 20×log₁₀|Yr / Ya| （式2）图4. 所制作的铌酸锂/二氧化硅/碳化硅（LiNbO₃/SiO₂/SiC）纵向泄漏声表面波（LLSAW）谐振器的显微镜图像。图5. （a）在波长（λ）= 1.1微米时，铌酸锂（LN）层厚度分别为300纳米和180纳米的纵向泄漏声表面波（LLSAW）谐振器的测量导纳。（b）不同波长（λ）下谐振器的测量导纳（实线）和模拟导纳（虚线）。（c）不同波长（λ）下纵向泄漏声表面波（LLSAW）的模拟相速度（Vp）和有效机电耦合系数（kₑff²）值（线）以及测量结果（点）。（d）上述谐振器的实验温度系数（TCF）和最大品质因数（Qmax）值。图6. 在较宽频率范围内纵向泄漏声表面波（LLSAW）（a）滤波器A和（b）滤波器B的测量S参数曲线。其中，Yr和Ya分别表示在谐振频率（fr）和反谐振频率（fa）下的导纳。在这些计算中，仅改变铌酸锂（LN）薄膜和铜（Cu）的厚度，而其他结构参数保持不变。 如图3（a）所示，模式1和模式2的导纳比（AR）变化明显依赖于铌酸锂（LN）薄膜和铜（Cu）的厚度。随着铌酸锂（LN）薄膜厚度的减小，每个杂散模式响应的强度往往会降低，而铜（Cu）的厚度对模式1的激发影响可忽略不计。需要强调的是，当铜（Cu）厚度接近60纳米时，模式2的强度趋近于零。此外，当铌酸锂（LN）薄膜厚度减小到200纳米以下时，在更广泛的铜（Cu）厚度范围内可以观察到模式2有更宽的抑制区域。 查看图3（c）中纵向泄漏声表面波（LLSAW）的有效机电耦合系数（kₑff²）等高线图可以明显看出，过厚的铜（Cu）层或过薄的铌酸锂（LN）薄膜都有可能降低有效机电耦合系数（kₑff²）。 经过优化，为了在抑制杂散模式的同时在较高频率下保持纵向泄漏声表面波（LLSAW）的高有效机电耦合系数（kₑff²），铌酸锂（LN）薄膜厚度在150至200纳米之间较为合适，并且选择铜（Cu）的厚度为40纳米。三、制作与测量 A. 制作工艺 为了确定优化配置的有效性，我们制作了基于铌酸锂/二氧化硅/碳化硅（LN/SiO₂/SiC）的纵向泄漏声表面波（LLSAW）器件。首先，利用离子切割技术将一块厚度为300纳米的32°Y - X铌酸锂（LN）薄板转移到一块厚度为500微米的4H - SiC商业高阻衬底上，中间有一层200纳米厚的二氧化硅（SiO₂）中间层。然后，通过化学机械抛光将铌酸锂（LN）薄膜减薄至180纳米。接着，通过剥离工艺制作出厚度为40纳米的铜（Cu）叉指换能器（IDTs）。根据上述设计，铌酸锂（LN）和碳化硅（SiC）相对于X轴的传播角度均设置为45°。图4展示了所制作谐振器的显微镜图像，以及叉指电极的放大视图。可以清楚地看到，叉指换能器（IDTs）排列整齐，质量良好。 B. 实验结果 图5（a）展示了波长（λ）= 1.1微米、铌酸锂（LN）层厚度分别为300纳米和180纳米的纵向泄漏声表面波（LLSAW）谐振器的测量导纳响应。图中还提取并展示了有效机电耦合系数（kₑff²）。与铌酸锂（LN）层厚度为300纳米的纵向泄漏声表面波（LLSAW）谐振器相比，铌酸锂（LN）层厚度为180纳米时，杂散模式距离纵向泄漏声表面波（LLSAW）的反谐振频率（fa）更远。同时，高频杂散模式得到了有效抑制，纵向泄漏声表面波（LLSAW）的有效机电耦合系数（kₑff²）也有所提高，这证实了更薄的铌酸锂（LN）薄膜能够改善纵向泄漏声表面波（LLSAW）器件的特性。图5（b）展示了不同波长（λ）下的导纳曲线，并与有限元模拟（FEM）结果进行了比较。尽管导纳比（AR）存在差异，但测量导纳曲线的基本特性，如纵向泄漏声表面波（LLSAW）的频率以及杂散模式的出现情况，与有限元模拟（FEM）结果大体一致。图5（c）给出了上述谐振器上纵向泄漏声表面波（LLSAW）模式的相速度（Vp）和有效机电耦合系数（kₑff²）的测量结果与模拟结果。随着波长（λ）的增加，测量得到的相速度（Vp）从5658米/秒单调上升至6382米/秒，这是由于随着波长（λ）的增加，声波更深地穿透到高速的碳化硅（SiC）衬底中。测量得到的有效机电耦合系数（kₑff²）呈现出先上升后随波长（λ）下降的趋势，一般超过12%。这些关于相速度（Vp）和有效机电耦合系数（kₑff²）的实验结果与模拟值紧密吻合，证明了制作工艺的准确性。此外，图5（d）描绘了这些谐振器的温度系数（TCF）和最大品质因数（Qmax）随波长（λ）增加而上升的趋势。在波长（λ）= 2微米时，达到了最小温度系数（TCFa）为 -14 ppm/°C以及最大品质因数（Qmax）为1100。 接下来，基于上述发现，设计了两个纵向泄漏声表面波（LLSAW）滤波器，分别记为滤波器A和滤波器B，它们的传输和反射特性分别如图6（a）和图6（b）所示。滤波器A和滤波器B的中心频率（fc）分别为5.66吉赫兹和5.96吉赫兹，相应的3分贝分数带宽（3 - dB FBW）分别达到6.1%和6.8%。由于铌酸锂/二氧化硅/碳化硅（LN/SiO₂/SiC）异质结构对声能的有效限制，所实现的纵向泄漏声表面波（LLSAW）滤波器在如此高的频率下插入损耗（IL）低于2.5分贝。由于氧化物的温度补偿以及碳化硅（SiC）额外的热传导路径，滤波器A和滤波器B在中心频率（fc）处的温度系数（TCF）分别为 -40 ppm/°C和 -43 ppm/°C。更重要的是，所报道的滤波器的通带不受位于高频的杂散模式的影响，同时在4至7吉赫兹更宽的频率范围内表现出超过25分贝的出色带外抑制（OoB）性能。表I总结了所报道的纵向泄漏声表面波（LLSAW）滤波器的参数，包括中心频率（fc）、插入损耗（IL）、3分贝分数带宽（3 dB - FBW）以及宽频带带外抑制（OoB）性能。在这些结果中，我们的铌酸锂/二氧化硅/碳化硅（LN/SiO₂/SiC）器件在更高频率和更大带外抑制（OoB）方面明显优于同类产品。未来，主要任务是通过结构优化和提高品质因数来改善插入损耗（IL）和分数带宽（FBW）。这些结果展示了采用这种无杂散配置来实现高性能纵向泄漏声表面波（LLSAW）滤波器以应用于先进射频（RF）领域的潜力。四、结论 我们成功展示了在铌酸锂/二氧化硅/碳化硅（LiNbO₃/SiO₂/SiC）平台上工作在近6吉赫兹的高性能纵向泄漏声表面波（LLSAW）滤波器，其能有效抑制杂散模式。为了获得卓越的性能指标并确保纵向泄漏声表面波（LLSAW）模式无杂散响应，我们通过有限元模拟对基础材料结构的关键设计空间进行了研究，包括电极的选择、叉指换能器（IDT）和铌酸锂（LiNbO₃）板的厚度。在铜（40纳米）/32°Y - 45°X铌酸锂（180纳米）/二氧化硅（200纳米）/碳化硅上制作的纵向泄漏声表面波（LLSAW）谐振器展现出超过12%的高有效机电耦合系数（kₑff²），同时高频杂散模式得到了有效抑制。利用这些谐振器，随后设计并展示了中心频率为5.66吉赫兹和5.96吉赫兹的高性能纵向泄漏声表面波（LLSAW）滤波器，它们的3分贝分数带宽（3 - dB FBW）分别为6.1%和6.8%，插入损耗（IL）分别低至2.00分贝和2.43分贝，并且在4吉赫兹至7吉赫兹的频率范围内具有出色的带外（OoB）性能，这表明它们适用于5G射频（RF）应用
