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作者：Tzu-Hsuan Hsu1,2, Zhi-Qiang Lee1, Chia-Hsien Tsai1, Vakhtang Chulukhadze2, Cheng-Chien Lin1,  Ya-Ching Yu1, Ruochen Lu2 and Ming-Huang Li1

单位：1National Tsing Hua University, Taiwan and2The University of Texas at Austin, USA

摘要

本文展示了一种基于 YX LN/SiO2/蓝宝石 (LNOS) 功能基板的优化剪切水平表面声波 (SH-SAW) 谐振器，该谐振器具有较大的机电耦合系数 (𝑘𝑘eff

2) 和高品质因数 (Q)，同时有效缓解了瑞利 SAW (R-SAW)。

虽然 LN/SiO2 异质声堆叠为 SH-SAW 操作提供了出色的声能限制，但它会在目标模式旁边产生大量 R-SAW 作为意外副产品。通过详细的数值模拟，我们发现当这两种模式非常接近时，它们的机电耦合会发生剧烈变化。因此，可以找到特定的设计范围来增强 SH-SAW，同时消除 R-SAW 的 𝑘𝑘eff2。作为概念验证，一个 𝑘𝑘eff2 增强设计经过实验验证，表现出 47% 的 𝑘𝑘eff2，1,000 的高 Bode-Q(Qmax)，在 1 GHz 时产生 470 的出色品质因数 (FoM= 𝑘𝑘eff2 ∙Qmax)，成功抑制 R-SAW。

关键词

声学谐振器、表面声波、剪切水平 (SH) 模式、瑞利模式、铌酸锂、色散工程、机电耦合。

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)

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简介

随着移动无线通信设备的广泛应用，几十年来，SAW 设备一直充当射频 (RF) 模块中模拟信号处理单元的骨干[1]。然而，随着第五代移动网络 (5G) 等现代通信协议的快速发展，对超宽带设备的需求已证明对传统 SAW 设备的频率和带宽都构成了关键的技术瓶颈[2]。因此，它刺激了新的研究方法，例如 AlScN 体声波设备 [3] 和板波谐振器 (PWR) [4]，以尝试利用这一需求并提出旨在改善声学设备的机电耦合 (𝑘𝑘eff2) 的新解决方案。

这主要是因为 𝑘𝑘eff2 被认为是与宽带操作直接相关的最重要的性能指标 [5]。

然而，为了利用 SAW 器件的成本效益高和坚固的机械性能，人们也在不断努力提高 SAW 性能。

例如，村田制造公司提出的基于钽酸锂 (LT) 异质声层的超高性能 SAW (IHPSAW) 可能被视为最佳代表性示例 [6]，因为它具有高 Q 值和良好的热特性。

顺应这一最新工业趋势，采用异质声层的基于 LN 的 SH SAW 谐振器也引起了广泛关注，因为它们在薄膜层中形成了出色的声波导，并且 𝑘𝑘eff2 与 LT SAW 相当，相当高。例如，基于简单的 LN/SiO2/Si 堆叠，已在 1 GHz 左右演示了一种高性能谐振器，其 𝑘𝑘eff2 为 38.5%，Qmax为 848 [7]。然而，在大多数应用中，目标 SH-SAW 模式附近的不需要的 R SAW 模式都会造成问题 [8]。因此，[9] 提出了一种通过声学色散工程去除 R-SAW 的新方法，并在本研究中进行了调整以解决上述问题。[9][10] 中也曾报道过这种 SAW 模式的间接耦合。因此，我们旨在利用 SH-SAW 和 R-SAW 的色散行为来研究和设计适合宽带操作的无杂散谐振器。 YX-LNOS 薄膜波导薄膜 LN 以其强大的各向异性材料特性而闻名，只需选择不同的 LN 方向和切割角度，便能够产生具有不同色散特性（包括相速度和 𝑘𝑘eff2）的不同 SAW 模式。

图 1：(a) 晶胞模型。(b) FEM 模拟的 SH-SAW 和 R-SAW 模式的模式形状。(c) YX-LNOS 谐振器的光学图像。

在本研究中，LNOS 异质声学晶片堆叠用于研究 SAW 模式的色散行为，如图 1(a) 所示，其中 YX-LN、二氧化硅 (SiO2) 和蓝宝石基板的厚度分别为 1.2 μm、0.5 μm 和 500 μm。SH-SAW 的传播方向是通过沿 X 轴对齐来选择的0° 旋转 Y 型切割 LN。如前所述 [11]，已证明此传播角度可最大化所提出的 LN 切割中的 𝑘𝑘eff2。选择薄层（95 nm）金 (Au) 电极材料以在相对较薄且有限的电极厚度 [11] 下进一步增强 𝑘𝑘eff2。这种限制是由具有薄光刻胶厚度的金属剥离工艺能力设定的。本研究使用标准叉指换能器 (IDT) 设计，每个电极宽度设置为四分之一波长 (λ/4)。虽然利用 IDT 周期性可以激发所需的 SH-SAW 模式，但其他 SAW 模式也可以在同一波导内激发。因此，在谐振器的频谱中充当不需要的杂散模式。在本研究中，我们专门研究了瑞利声表面波 (R SAW) 模式，因为其相速度接近于 SH-SAW 模式，且其适中的 𝑘𝑘eff 2 通常会影响 SH SAW 谐振器的性能和应用。本研究使用基于有限元法 (FEM) 的模拟来识别不同 λ 和频率下的声学模式，其中 SH-SAW 和 R-SAW 的模式形状如图 1(b) 所示。

对于本研究采用的谐振器设计，电极、反射光栅 (RG) 和孔径的数量分别设置为 40、20 和 20λ。如图 1(c) 所示，设计中包含了 RG 周围的间距，以提高我们制造工艺的整体产量。

图 2：LNOS SAW 谐振器的模拟导纳谱。可以对 R-SAW 进行调整，以在特定 λ（λ = 2.8 μm）下实现接近零的 𝑘𝑘eff2。

按照先前建立的异质声学分层 SAW 器件研究方法，使用如图 1(a) 所示的单元模型来模拟 SAW 谐振器的频率响应。详细的模拟设置可在 [11] 中找到。在这项工作中，研究了 1.6 μm 至 4.8 μm 之间的宽波长范围，间隔为 0.8 μm。结果，可以在图 2 所示的模拟中获得串联谐振频率 (fs) 在 1.524 GHz 和 0.712 MHz 之间的 SH SAW 谐振器的光谱。很明显，只有在 λ = 2.8 μm 时才能观察到仅具有 SH-SAW 模式的单个谐振频谱。相反，在所有其他情况下都可以识别出双谐振行为，其中 SH-SAW 和 R-SAW 模式都具有不可忽略的 𝑘𝑘eff2 量。此外，仔细检查每个谐振的模式形状可以描绘出与每个谐振相对应的主导模式。在这里，还可以观察到 R-SAW 相速度的强色散行为，因为它的谐振频率在频谱内从 SH-SAW 的并联谐振 (fp) 上方一直移动到 SH-SAW 的 fs 下方。这为 SH SAW 和 R-SAW 模式的潜在交叉提供了机会。如图 2 所示，随着 λ 的缩放，可以识别出 SH-SAW 和 R-SAW 之间的模式耦合。然而，这种模式耦合只在某些 λ 和电极配置下发生，因为它与两种模式的色散具有很强的相关性。尽管如此，它仍然创造了机会来设计两种模式的色散，从而实现模式耦合效应。

图 3：模拟的（a）𝑘𝑘eff2 和（b）不同 λ 下的相速度。通过双分支 mBVD 模型拟合提取模型参数。

图 3 中，我们总结了用于比较 SH-SAW 和 R SAW 色散的两个关键性能指标 [图 3 (a) 𝑘𝑘eff2 和图 3(b) 相速度 (𝑣𝑣𝑠𝑠 =𝜆𝜆 ∙ 𝑓𝑓𝑠𝑠)]。请注意，𝑘𝑘eff2 是通过使用简单但有效的双分支改进 Butterworth-Van Dyke (mBVD) 模型 [11] 拟合图 2 中的光谱来提取的。简而言之，如图 3(a) 所示，通过将 λ 从 1.6 μm 调整到 4.8 μm，可以明显看出 SH 和 R-SAW 的 𝑘𝑘eff2 表现出对 λ 缩放的强烈依赖性。在 λ = 2.8 μm 时，可以识别出 𝑘𝑘eff, 2 SH = 53.4% 的明显局部最大值，而没有任何明显的 R-SAW 杂散模式。这不仅有利于超宽带操作，而且还为潜在应用提供了干净的频谱。

实验结果

然后制造图 2 中列出的谐振器，以实验验证 𝑘𝑘eff2、SH 增强效果和杂散模式抑制。谐振器[如图 1(c) 所示] 是采用我们内部的电子束光刻和金属剥离工艺制造的，如 [11] 中所述。

我们使用标准 RF 探测技术（包括 Keysight E5071C VNA 和 GSG 探测）捕获设备的性能。每次测量之前，首先执行标准短路开路负载直通 (SOLT) 校准过程，同时不使用进一步的去嵌入技术。

图 4 描绘了制造的 SAW 谐振器的测得导纳响应。首先，我们的 FEM 模型成功预测了 YX-LNOS SAW 谐振器的性能，因为它显示出 SH-SAW 和 R SAW 模式的测量和模拟之间具有很高的一致性。然而，很明显，串联和并联谐振之间存在大量横向杂散模式。这可能是因为0° 旋转 Y 型切割 LN。如前所述 [11]，已证明此传播角度可最大化所提出的 LN 切割中的 𝑘𝑘eff2。选择薄层（95 nm）金 (Au) 电极材料以在相对较薄且有限的电极厚度 [11] 下进一步增强 𝑘𝑘eff2。这种限制是由具有薄光刻胶厚度的金属剥离工艺能力设定的。本研究使用标准叉指换能器 (IDT) 设计，每个电极宽度设置为四分之一波长 (λ/4)。虽然利用 IDT 周期性可以激发所需的 SH-SAW 模式，但其他 SAW 模式也可以在同一波导内激发。因此，在谐振器的频谱中充当不需要的杂散模式。在本研究中，我们专门研究了瑞利声表面波 (R SAW) 模式，因为其相速度接近于 SH-SAW 模式，且其适中的 𝑘𝑘eff 2 通常会影响 SH SAW 谐振器的性能和应用。本研究使用基于有限元法 (FEM) 的模拟来识别不同 λ 和频率下的声学模式，其中 SH-SAW 和 R-SAW 的模式形状如图 1(b) 所示。

对于本研究采用的谐振器设计，电极、反射光栅 (RG) 和孔径的数量分别设置为 40、20 和 20λ。如图 1(c) 所示，设计中包含了 RG 周围的间距，以提高我们制造工艺的整体产量。

基于色散工程的 SH-SAW 谐振器设计

按照先前建立的异质声学分层 SAW 器件研究方法，使用如图 1(a) 所示的单元模型来模拟 SAW 谐振器的频率响应。详细的模拟设置可在 [11] 中找到。在这项工作中，研究了 1.6 μm 至 4.8 μm 之间的宽波长范围，间隔为 0.8 μm。结果，可以在图 2 所示的模拟中获得串联谐振频率 (fs) 在 1.524 GHz 和 0.712 MHz 之间的 SH SAW 谐振器的光谱。很明显，只有在 λ = 2.8 μm 时才能观察到仅具有 SH-SAW 模式的单个谐振频谱。相反，在所有其他情况下都可以识别出双谐振行为，其中 SH-SAW 和 R-SAW 模式都具有不可忽略的 𝑘𝑘eff2 量。此外，仔细检查每个谐振的模式形状可以描绘出与每个谐振相对应的主导模式。在这里，还可以观察到 R-SAW 相速度的强色散行为，因为它的谐振频率在频谱内从 SH-SAW 的并联谐振 (fp) 上方一直移动到 SH-SAW 的 fs 下方。这为 SH SAW 和 R-SAW 模式的潜在交叉提供了机会。如图 2 所示，随着 λ 的缩放，可以识别出 SH-SAW 和 R-SAW 之间的模式耦合。然而，这种模式耦合只在某些 λ 和电极配置下发生，因为它与两种模式的色散具有很强的相关性。尽管如此，它仍然创造了机会来设计两种模式的色散，从而实现模式耦合效应。

在图 3 中，我们总结了用于比较 SH-SAW 和 R SAW 色散的两个关键性能指标 [图 3 (a) 𝑘𝑘eff2 和图 3(b) 相速度 (𝑣𝑣𝑠𝑠 =𝜆𝜆 ∙ 𝑓𝑓𝑠𝑠)]。请注意，𝑘𝑘eff2 是通过使用简单但有效的双分支改进 Butterworth-Van Dyke (mBVD) 模型 [11] 拟合图 2 中的光谱来提取的。简而言之，如图 3(a) 所示，通过将 λ 从 1.6 μm 调整到 4.8 μm，可以明显看出 SH 和 R-SAW 的 𝑘𝑘eff2 表现出对 λ 缩放的强烈依赖性。在 λ = 2.8 μm 时，可以识别出 𝑘𝑘eff, 2 SH = 53.4% 的明显局部最大值，而没有任何明显的 R-SAW 杂散模式。这不仅有利于超宽带操作，而且还为潜在应用提供了干净的频谱。

实验结果

然后制造图 2 中列出的谐振器，以实验验证 𝑘𝑘eff2、SH 增强效果和杂散模式抑制。谐振器[如图 1(c) 所示] 是采用我们内部的电子束光刻和金属剥离工艺制造的，如 [11] 中所述。

我们使用标准 RF 探测技术（包括 Keysight E5071C VNA 和 GSG 探测）捕获设备的性能。每次测量之前，首先执行标准短路开路负载直通 (SOLT) 校准过程，同时不使用进一步的去嵌入技术。

图 4：LNOS SAW 谐振器的测量导纳光谱。可以对 R-SAW 进行调整，以在特定波长（λ = 2.8 μm）下实现接近零的 𝑘𝑘eff2，正如预测的那样。

图 4 描绘了制造的 SAW 谐振器的测得导纳响应。首先，我们的 FEM 模型成功预测了 YX-LNOS SAW 谐振器的性能，因为它显示出 SH-SAW 和 R SAW 模式的测量和模拟之间具有很高的一致性。然而，很明显，串联和并联谐振之间存在大量横向杂散模式。这可能是因为这项研究中使用的长孔径设计可以抑制这种现象，而倾斜换能器技术可以抑制这种现象[12]。图 5(a) 描绘了 λ = 2.8 μm 的测量结果，其中 YX-LNOS SH-SAW 谐振器的最大 𝑘𝑘eff, 2 SH 为 47%，谐振频率为1.064 GHz。mBVD 模型再次用于提取其他性能指标。然而，也可以观察到，这项研究中测得的导纳比 (YR) [9] 可能被认为略低于 mBVD 模型拟合中提取的导纳比。这主要是由于横向杂散模式与并联谐振非常接近造成的。本文提出的 Bode-Q (QBode) 是在使用 [9] 中描述的程序进行测量后，在 Keysight 高级设计系统 (ADS) 中计算得出的。

图 5：(a) 测量的导纳响应和 (b) 优化的 SH-SAW 谐振器在 λ = 2.8 μm 处提取的 Bode-Q。

图 5(a) 还显示了所制造器件的扫描电子显微镜 (SEM) 图像。图 5(b) 显示了 1,000 的最大 Q (Qmax)，对应于 470 的优异品质因数 (FoM = 𝑘𝑘eff2 ∙ 𝑄𝑄max)。这与之前在 [7][8][12]-[14] 中报道的类似高 FoM 异质声学分层 SAW 谐振器相当。通过采用色散工程技术，显然可以在不明显影响性能的情况下实现𝑘𝑘eff, 2 SH 的最大化并同时消除不需要的杂散模式。

图 6：在不同 λ 下测量的 (a) 𝑘𝑘eff2 和 (b) 相速度。通过双分支 mBVD 模型拟合提取模型参数

图 7：采用 (a) Pt 和 (b) Al 电极进行频率提升同时削弱 R-SAW 的 LNOS SH SAW 谐振器的模拟导纳响应。

图 6 中，使用两个分支 mBVD 拟合再次总结了关键性能指标（𝑘𝑘eff2、相速度），以直接与图 3 中的模拟结果进行比较。很明显，测量结果不仅与我们的模拟预测非常吻合，而且通过实验验证突出了在 λ = 2.8 μm 处对 R-SAW 的抑制。这可以通过𝑘𝑘eff2、R 接近于零以及 R-SAW 的难以区分的相速度来表明。频率缩放机会还提出了使用完全相同的 YX-LNOS 堆栈的其他潜在设计，以便更好地了解色散工程的适用场景。在图 7(a) 中，提出了一种具有弱化 R-SAW 的 SH-SAW 谐振器，使用 40 nm 的铂 (Pt) 作为电极材料。通过将 λ 缩放到 1.7 μm 并减少电极的质量负载，可以将 SH-SAW 的 fs 缩放到 1.95 GHz，同时仍保持 54.28% 的高耦合度。其他替代方案，例如采用 180 nm 的更厚的铝 (Al) 来进一步降低串联电阻负载，可以提供更好的 R SAW 抑制，同时保持 2.14 GHz 的高 fs 和 47.38% 的高 𝑘𝑘eff2 ，SH [图 7(b)]。通过仔细选择合适的 λ 和电极配置，可以使用色散工程技术实现具有干净频谱的单芯片宽带滤波器。

结论

在这项工作中，通过对薄膜 LN 波导中 SH 和 R-SAW 的色散行为进行广泛研究，我们利用两种模式之间的间接耦合来调整两种模式的 𝑘𝑘eff2。通过仔细选择谐振器的 λ，我们可以最大化 SH-SAW 的 𝑘𝑘eff2，同时有效地将不需要的 R-SAW 杂散模式的 𝑘𝑘eff2降低到接近零。这使我们能够实现所需的频谱清洁性能。实验中，λ =2.8 μm 的瑞利无杂散 SH-SAW 谐振器表现出 1.064 GHz 的 fs、𝑘𝑘eff、47% 的 2 SH 和 1,000 的 Qmax，作为概念证明。这为设计杂散模式敏感应用（例如宽带滤波器或高性能振荡器）创造了新的机会。