摘要—硅基铌酸锂（LiNbO3）异质结构因其在超宽频范围内构建高性能滤波器的潜力而备受关注。然而，两种材料热膨胀系数（TEC）的巨大差异以及热处理过程中产生的寄生层使得直接键合面临挑战。本文提出利用非晶硅（α-Si）层改善LiNbO3与衬底界面质量，从而抑制潜在损耗并增强界面反射。同时，通过重构电场分布并调整功率流角与目标声波传播方向对齐，有效抑制杂散模式。基于优化的异质界面与设计方法，所制备滤波器展现出1.2 dB的低插入损耗、8.9%的3 dB相对带宽、纯净阻带响应与平坦通带特性。这种性能平衡为硅基铌酸锂异质结构构建无杂散、低损耗射频滤波器提供了有效解决方案。

关键词—声学谐振器，铌酸锂，固态支撑薄膜，杂散模抑制，倾斜叉指电极

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I. 引言  

移动数据流量的快速增长对射频信号处理技术提出了严格要求，尤其是在滤波器技术及其持续小型化方面。在众多滤波技术中，声表面波（SAW）器件凭借其紧凑尺寸与简易制备工艺优势，长期占据移动通信应用性能领先地位[1]-[2]。然而，传统SAW器件因体波辐射导致严重能量泄漏[3]-[6]。为在持续发展的5G无线系统中保持性能优势，声学元件优化与无源芯片集成技术被提上议程，需在维持SAW器件紧凑性的同时实现传统不可达功能[7]-[8]。

为寻求兼具低损耗与主流硅基工艺兼容性（特别是衬底、芯片抛光与切割）的新策略，硅基铌酸锂薄膜（LiNbO3-Si）异质结构因其成本与性能的平衡性受到关注[9]-[12]。但受限于材料间TEC差异（LiNbO3: 15.4×10⁻⁶/K; Si: 2.6×10⁻⁶/K），直接键合LiNbO3晶圆与硅衬底将导致界面质量劣化[13]。更严重的是，键合过程中氧化物层积累的电荷吸引自由载流子，在氧化物/硅界面形成寄生表面沟道（PSC），引发显著介电损耗[14]-[15]。虽然SiO₂常被用作LiNbO3与硅键合的中间层[11]-[12]，但其慢剪切体波声速较低（~3,740 m/s）会削弱能量限制。因此，本文提出以具有丰富陷阱态且声阻抗与晶体硅（c-Si）相近的非晶硅（α-Si）作为中间层，以消除上述副作用。

高阶横向模抑制是SAW器件发展的另一挑战[16]。现有解决方案主要包括：1）结构设计（活塞模式设计[17]-[18]、倾斜电极[19]-[20]、弯曲结构[21]、变迹加权[22]、双汇流条配置[23]）；2）异质材料沉积[24]；3）基于衬底工程的慢度曲线调控[25]。但方法2需额外工艺步骤，影响经济性；方法3仍处于探索阶段且对工艺敏感。因此，本文采用基于慢度曲线分析的结构设计方法。

本研究成功解决了LiNbO3-Si平台中异质界面质量提升与副作用抑制问题。优化后的LiNbO3/α-Si/Si（111）滤波器相较于传统器件展现出优异的无杂散滤波响应。

II. 理论分析与设计方案  

除电学域的PSC效应外，机械损耗亦会劣化器件性能。具体而言，LiNbO3与衬底间劣质界面会显著增加传播损耗并引入寄生效应。将LiNbO3层视为波导、界面层视为损耗型"机械衰减器"、下方衬底为加载波导时，深度方向反射系数因衰减层内损耗而降低e⁻²αtD倍[26]-[27]，其中α为衰减常数，tD为损伤界面层厚度。当波长远大于tD时此关系占主导[26]。但当前仍缺乏系统的界面表征与优化研究。

图1. (a) 铌酸锂与Si（111）界面的横截面TEM图像。(b) 界面细节的高分辨率TEM图像及不同声阻抗声波导的对应示意图，分别显示了受损铌酸锂层（tD1 = 4.71nm）与氧化物层（tD2 = 8.15nm）的厚度。

通过透射电镜（TEM）对X切LiNbO3-Si平台界面表征发现（图1），存在厚度tD1=4.71 nm的LiNbO3损伤层与tD2=8.15 nm的非晶氧化物层。研究表明，非晶态锂的扩散率比单晶态高八个数量级[28]。这种结构无序与元素互扩散形成损耗型机械"衰减器"，在小tD时降低界面反射系数，tD较大时甚至成为损耗阻抗匹配层。因此，实现近零厚度衰减层对LiNbO3与衬底间完美声波反射至关重要[29]。

图2. (a) 基于 LiNbO3/c-Si 的谐振器模型图，其中标出了键合界面处的损伤层。(b) 模拟导纳响应，其中损伤层厚度不同。

建立图2(a)所示结构的2.5维模型分析损伤层对性能的影响（各层网格密度统一设为1/nm）。因LiNbO3侧损伤层为非晶态，仿真中忽略其压电性。材料参数见文献[14][30]。图2(b)显示，当机械损耗因子为1/50时，tD从15 nm减至2 nm可使导纳比提升10 dB。当tD<2 nm时性能劣化可忽略，凸显界面优化必要性。

采用中间层缓冲材料特性失配是常用界面优化策略。虽然SiO₂已被用作中间层，但其剪切波速（~3,740 m/s）与LiNbO3相近[14]。由色散关系可知，二者薄层导引剪切声波的截止频率相当，表明SAW能量限制受SiO₂-衬底界面显著影响。相比之下，α-Si具有更高截止频率，可改善能量限制并拓宽衬底选择范围（尤其适用于高频）。因此，在LiNbO3薄膜背面沉积400 nm α-Si作为中间层，与衬底共同构成完整硅波导。通过表面活化键合技术将LiNbO3晶圆主平面与Si（111）晶圆对准键合。

图 3. (a) LiNbO3/α-Si/c-Si 结构的横截面 TEM 图像。

(b) LiNbO3/α-Si 和 (c) α-Si/c-Si 界面的高分辨率 TEM 图像。

(b) 中的 tD (1.37 nm) 表示损伤层的厚度。

图3显示优化后平台具有原子级粘接的优质界面（LiNbO3与α-Si间tD仅1.37 nm）。

针对多层结构横向模抑制这一与器件参数和材料特性高度相关的精细操作[31]，本文通过慢度曲线分析其影响。图4展示了平台中Al、X切LiNbO3、α-Si、Si（111）等材料的慢度曲线（通过求解Christoffel方程绘制）。

其中，Sx 和 Sy 分别表示沿 x 与 y 方向不同声波的相速度倒数。对于 SH 声表面波器件，横向模主要与沿 x 方向传播的 SH 波相关。此处对比了不同弹性固体中 SH 波在 x 方向（Sy = 0）的曲率 γ。已有研究指出，SH 慢度曲线在 Sx 轴附近呈现平坦形态可有效消除横向模[25][31]。具体而言，当 γ 趋近于 0 时慢度曲线趋于平坦，表明横向模抑制效果更显著[31]。

图4. 计算得到的(a) Al、(b) X-cut LiNbO3、(c) α-Si 和(d) Si(111)中不同声波的慢度曲线。(e) 有限元模拟的LiNbO3、LiNbO3/c-Si和LiNbO3/α-Si/c-Si平台在纵向SH谐振条件下的慢度曲线。

相较于 LiNbO3，Si（111）的 SH 波慢度曲线近乎平坦（图 4(d)），彰显了 LiNbO3-Si 平台抑制横向模的潜力。

为探究衬底对多层结构曲率的影响，开展了色散曲线分析（仿真参数见图 4(e)）。通过改变 y 方向波数（ky）获取本征频率。图 4(e) 显示，相比参考模型，α-Si 与 Si（111）的引入使慢度曲线更为平坦。LiNbO3/c-Si 与 LiNbO3/α-Si/c-Si 模型间 γ 的微小差异（1.44%）可忽略，验证了 α-Si 良好的能量限制能力[25]。

图 5. 测量制备的 X 切 LiNbO3/α-Si/Si（111）谐振器的导纳响应和光学显微镜图像。

然而，即便借助 Si（111）与 α-Si，γ 仍为正值。通过使 SH 波传播方向与坡印廷角对齐可进一步抑制横向模。经计算，X 切 LiNbO3/α-Si/Si（111）结构在 Sy=0 时的坡印廷角为 14.6°，故设计 15° 倾斜叉指电极（IDTs）以抑制横向模。此外，基阶反对称兰姆波（A0 模）是 SH0 声表面波器件的另一杂散模，可通过重构电场分布予以抑制[32]。不同于已有倾斜设计方案，本研究提出的新型倾斜设计结合电场调制，可同时完全抑制 A0 模与高阶横向模（见图 5）。尽管此设计可能轻微影响主模性能，但经精细滤波器设计可补偿此折衷。

**III. 实现与测量**  

为验证上述分析，制备了具有非倾斜与倾斜 IDTs 的 X 切 LiNbO3（400 nm）/α-Si（400 nm）/Si（111）声表面波谐振器与滤波器。图 5 展示了 15° 倾斜 IDTs 谐振器的光学显微图像及 IDTs 局部放大图。

图 5 对比了两种不同设计的导纳响应。当 IDTs 未倾斜时，在反谐振频率（fa）附近观察到强烈杂散模，而谐振频率（fr）附近横向模较弱。fr 附近杂散模的弱化可归因于 Si（111）微小 γ 值实现的平坦慢度曲线，即便无倾斜设计亦能生效。值得注意的是，改进后的电场分布显著抑制了 A0 模（见图 5 中 Bode-Q 曲线）。

图 6. (a) 带有和不带有 15° 倾斜 IDT 的 SAW 滤波器的 S 参数测量结果的缩小图和 (b) 放大图。(c) 带有优化 IDT 的制造滤波器的光学显微镜图像。

图 6 对比了有无抑制设计的滤波器 S21 参数：非倾斜滤波器中心频率（fc）为 1.77 GHz，3 dB 相对带宽（FBW）8.13%，最小插入损耗（IL）0.9 dB；而倾斜设计滤波器 fc 提升至 1.83 GHz，3 dB FBW 达 8.9%，IL 低至 1.2 dB。图 6(b) 局部展示了通带性能差异——非倾斜滤波器通带波动高达 10.8 dB，性能劣化明显；而倾斜设计通过消除高阶横向波纹与带外 A0 模尖峰（见图 6(c)），在 0.6-3.2 GHz 范围内呈现无杂散的平坦通带，验证了倾斜设计的有效性。表 I 显示，本工作优化后的滤波器在异质平台与抑制策略中展现出极具竞争力的性能。

**IV. 结论**  

本研究通过引入 α-Si 中间层，有效提升了 LiNbO3-Si 异质界面质量并抑制了副作用。基于 X 切 LiNbO3/α-Si/Si（111）平台制备的薄膜声表面波滤波器展现出 1.2 dB 低插入损耗、8.9% 的 3 dB 相对带宽与平坦通带特性。该平台为设计低损耗、平坦传输响应的谐振器与滤波器提供了创新解决方案。