#薄膜体声波谐振器 #毫米波声学器件 #毫米波射频器件

摘要——薄膜体声波谐振器（FBARs），利用溅射铝氮化物（AlN）和铝钪氮化物（ScAlN）薄膜，是移动设备中紧凑型射频（RF）滤波器的领先商业解决方案。然而，随着5G/6G频段延伸至6 GHz以上，由于AlN/ScAlN的中等机电耦合（k²），实现所需的操作带宽面临重大挑战。最近，转移的超薄单晶压电锂铌酸盐（LN）使得10–30 GHz范围内的横场激励体声波谐振器（XBARs）成为可能。尽管这些设备具有较高的k²，但它们面临低电容密度、大占地面积和显著的电磁（EM）效应等挑战。另一方面，厚度场激励（TFE）LN FBARs面临底电极集成的挑战。在这项工作中，我们展示了一种高k²的LN FBAR，无需在薄膜LN转移前预先图案化底电极。该谐振器在10.5 GHz时展示了第一阶对称（S1）模态，具有38的3dB串联共振质量因子（Qs）和14.1%的k²，同时在27 GHz时展示了第三阶对称（S3）模态，具有22的3dB（Qs）和11.3%的高k²。进一步分析表明，通过调整低损耗压电材料与高损耗金属的体积比，可以实现更高的Q值。

关键词——声学谐振器、厘米波（cmWave）、锂铌酸盐（LN）、毫米波（mmWave）、薄膜体声波谐振器（FBARs）。

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文章名：Toward Miniature High-Coupling Lithium Niobate Thin-Film Bulk Acoustic Wave Resonators at Millimeter Wave

Vakhtang Chulukhadze , Yinan Wang ,Lezli Matto , Michael E. Liao

Ian Anderson  Jack Kramer Sinwoo Cho  Mark S. Goorsky , Member, IEEE,

and Ruochen Lu

I. 引言

随着无线通信对更高吞吐量需求的增加，声学谐振器正成为厘米波（cmWave）和毫米波（mmWave）频段在城市和物联网（IoT）应用中至关重要的移动信号处理组件[1]，[2]，[3]，[4]，[5]。在6 GHz以下的频率范围内，表面声波（SAW）和体声波（BAW）谐振器已经取得了广泛的商业成功[6]，[7]，[8]，[9]。SAW器件因其紧凑性和低成本而受到青睐，其工作频率由其横向电极特征尺寸决定[10]。然而，超过4 GHz时，由于与精细电极特征相关的制造挑战，其性能和性价比下降[11]。相比之下，BAW或薄膜体声波谐振器（FBAR）技术克服了SAW的频率限制，同时利用溅射的多晶铝氮化物（AlN）和铝钪氮化物（ScAlN），展现了高性能指标（FoM = Q · k²，质量因子Q与耦合系数k²的乘积）[12]，[13]。

图1. 50Ω匹配声学谐振器的最小器件尺寸，突出显示LN FBAR的紧凑性，特别是在较高频率下，与现有的LN XBAR和ScAlN FBAR进行比较。

该技术在紧凑性和性能上表现出色，通过厚度方向的电场激励，能够实现高电容密度，从而制造出紧凑的50Ω FBAR滤波器（图1，[14]，[15]，[16]，[17]，[18]，[19]）。尽管在6 GHz以下的滤波器中取得了成功，但该技术在处理超过10 GHz的宽频带时面临重大挑战。其适中的k²和在更薄厚度下沉积高质量压电薄膜的日益困难限制了其性能[20]，[21]。

薄膜铌酸锂（LN）相比于溅射材料具有固有的优势，包括接近单晶的薄膜质量，最近已在100 nm的厚度下得到展示[16]，[28]，[29]。这一薄膜转移技术的重大突破为进一步研究LN FBAR在厘米波和毫米波频段的应用提供了可能，特别是在其在较低频率下成功演示之后（表I [22]，[23]，[24]，[25]，[26]，[27]）。

这些器件在第一阶对称（S1）或第一阶反对称（A1）Lamb模态下工作，显示出较高的带宽。最新的进展是来自[27]的100 nm Al/300 nm LN/100 nm Al LN FBAR堆叠结构，该结构采用了图案化底电极，表现出在7.64 GHz时的串联共振（fs），其3 dB串联共振Q（Qs）为36，在8.28 GHz时的平行共振（fp）具有高达160的3 dB平行共振Q（Qp），并且k²为18.5%。然而，要将该堆叠结构的厚度减小以达到更高频率并使用图案化电极，制造难度逐渐增加。因此，先前的LN FBARs仅限于10 GHz以下，并且其fs · Qs产品有限。

本工作是会议论文[1]的期刊扩展，利用LN薄膜转移技术的最新进展，提供了首个超过10 GHz的LN FBAR原型（表I）。在此，我们首先从材料分析的角度深入探讨LN FBAR平台，并展示了从10 GHz到30 GHz的一系列设备，展示了趋势并深入分析了重要的FBAR指标，如功率处理能力和频率温度系数（TCF）。因此，我们展示了一种高k²的LN FBAR，相较于LN横场激励体声波谐振器（XBARs）和AlN/ScAlN FBAR，具有最小化的占地面积（图1）。该谐振器在10.5 GHz时展示了S1模式，3 dB的Qs为38，k²为14.1%，同时在27 GHz时展示了S3模式，3 dB的Qs为22，且k²高达11.3%。串联和并联共振Q的分析专门用于解读损耗。在进一步提升后，LN FBAR可作为关键的紧凑型毫米波声学平台。

II. 设计与仿真

传统的FBAR通常在S1或其高次谐波（例如S3）中工作，其中通过使用e33压电系数激发厚度扩展（TE）应力分布（Tz），并通过厚度方向的电场进行激励[30]。在这里，选择36Y LN材料，以最大化e33并最小化寄生的e35耦合，从而减少杂散模态响应[31]。FBAR的简单激励机制包括单一的顶部电极和单一的底部电极，创建最大化TE应力分布所需的初始条件。然而，由于底部电极的图案化接入困难，其制造具有挑战性。

图2. (a) LN FBAR设计的顶视图，(b) LN FBAR设计的横截面视图。关键设计参数列在插图表格中

图2(a)展示了一种替代电极配置，无需直接接入底部电极——如果底部金属保持浮空电位，我们可以在顶部器件表面放置信号电极和接地电极，且电极间距较大，从而使得单个器件作为两个FBAR并联工作。这种压电材料的方向选择和电极激励方案确保了我们的LN FBAR最大化了材料中可用的k²，而不需要预先图案化的底部电极。

为了确保在S1或S3中高效工作，另一个考虑因素是器件中的中性应力平面，它可以通过电极厚度和材料选择来设计[32]。图2(b)展示了所选电极材料及其厚度，旨在优化30 GHz频率范围内的S3操作。选择铝（Al）作为电极材料，以最小化质量加载效应。Al的厚度是通过检查S1和S3的关键应力分布来确定的[图3(a)和(b)]。

图3. (a) S1的有限元分析（FEA）模拟应力（Tz）分布，标出电极中的应力。 (b) S3的有限元分析（FEA）模拟应力（Tz）分布，突出显示由于电极厚度，整个应力反节点位于压电层内。参数列在图2的插图表格中。

根据图3(a)，如果希望在S1中工作，导体必须相对于压电薄膜较薄，以便将应力反节点仅放置在压电体内。然而，如果目标是增强S3以实现更高频率，图3(b)显示金属必须加厚，以确保完整的应力反节点位于压电材料内。尽管这些设计选择直接对立，但36Y LN在S1中的极高k²使得通过优化S3可以实现平衡的性能。堆叠选择通过COMSOL有限元分析（FEA）在空气中的声学器件确认。

图4. 模拟结果：(a) S3的k²和(b) S3的fs与铝厚度的关系。选定的设计参数已突出显示

图4(a)和(b)中的电极厚度扫描揭示了电极厚度对S3的k²以及相应的fs的强烈影响。因此，选择了115 nm厚的Al底部和顶部电极与130 nm厚的36Y LN薄膜，以共同优化S3的应力分布和质量加载效应。选择的几何结构下的宽带导纳仿真，如图5所示，展示了在10.2 GHz处的S1共振，k²为18.3%，在26.8 GHz处的S3，k²为12.9%，以及在44.4 GHz处的五阶对称（S5）模式，k²为1.4%。需要注意的是，在给定的高Q压电与低Q金属体积比下，图5预测Q值将主要受到金属中高声学损耗的限制。

图5. S1、S3和S5的有限元分析（FEA）模拟导纳和应力分布。列出了设置的Q值、提取的频率和k²。

LN和Al的Q值被任意设置，用以建立由低损耗压电材料和机械损耗较大的Al组成的FBAR堆叠的趋势。

III. 材料堆叠表征

该堆叠由NGK绝缘体有限公司提供，包括一个薄膜36° Y-切割LN层，位于铝（Al）层上，再下是非晶硅（a-Si）层，最后是蓝宝石（Al₂O₃）基板。进行了结构表征以确认该结构的完整性及其在高性能FBAR应用中的适用性。使用聚焦离子束系统提取了该堆叠的透射电子显微镜样本，并使用工作在300 keV的STEM（扫描透射电子显微镜）拍摄了明场扫描透射电子显微镜（BF-STEM）图像。还使用X射线衍射仪进行高分辨率X射线衍射表征，采用三轴衍射（TAD）技术，使用分析晶体放置在探测器前，以提供约1000的高分辨率[33]，[34]。双轴衍射（DAD）可以使更多的强度到达探测器，从而能够识别样本中的低强度峰值。TAD ω:2θ扫描用于测量对称（0112）衍射峰的层厚度，而TAD摇摆曲线则用于量化晶格倾斜和马赛克性。此外，还进行了DAD 2θ:ω测量，以识别堆叠中存在的层和相位方向。

图6. 36° Y-切割LN/Al/a-Si/蓝宝石堆叠的横截面BF-STEM图像。TEM图像中可以看到铝底电极的粗糙表面，表明金属表面散射声波可能是铝中过度损耗的另一个潜在因素，这种损耗是在释放过程中由金属表面引起的。

图6展示了BF-STEM图像，显示了堆叠的每个独立层及其相应的厚度。测得的LN薄膜厚度约为130 nm，与目标设计规格非常接近。铝电极是决定应力分布和共振行为的关键，其测得的厚度约为115 nm，优化用于S3操作。此外，还观察到了a-Si牺牲层和蓝宝石基板。

图7. (a) TAD对称（0112）ω:2θ扫描，(b) TAD对称（0112）摇摆曲线，(c) DAD 2θ:ω扫描的堆叠结构。

图7中的TAD ω:2θ扫描显示了13500的条纹间距，对应于120 nm的厚度。STEM和XRD之间的厚度差异归因于压电薄膜中的小的横向厚度梯度。对称（0112）LN衍射峰的摇摆曲线半高宽（FWHM）测量为4600，这是高质量转移层的典型值。总体而言，薄膜显示出良好的结晶性，相比裸露的36° Y-切割LN基板的2700 FWHM值。最后，通过DAD 2θ:ω扫描识别了所有预期的XRD峰；包括LN的（0112）、（0224）和（0336）反射，具有（111）优先取向的铝层，以及（0006）和（000.12）蓝宝石（Al₂O₃）峰，确认了薄膜及其基板的单晶特性，以及铝中间层的存在。

IV. 制备与测量

首先，使用低功率的离子铣削系统对堆叠进行刻蚀，以定义活性压电区域，同时保持薄膜的单晶质量[35]。刻蚀后进行了硅氧化物（SiO₂）背填以进行表面钝化。背填过程利用活性区域的光刻胶作为掩模，并通过低温（100°C）等离子体增强化学气相沉积（PECVD）进行沉积。掩模随后用丙酮剥离，留下SiO₂仅在活性区域外部。由于经过校准的刻蚀/沉积步骤使得SiO₂-LN步骤保持在顶部电极厚度以下，因此无需专门的平整化。该工艺最初在[36]中为微尺度红外检测应用开发，并为本工作重新校准。背填步骤之后，沉积了薄金属层用于电极和总线线，并进行了厚金属沉积以形成测量垫。金属沉积后，使用光刻技术在压电层上图案化释放窗口，随后使用离子铣削暴露出a-Si牺牲层。通过XeF₂气体刻蚀释放a-Si层。

图8. (a) LN FBAR制造流程，(b) 示例最终器件的光学图像。

图8(a)和(b)展示了工艺流程和代表性器件图像。值得注意的是，这些器件非常紧凑，在26.8 GHz下的50Ω匹配占地面积为70 µm²，比类似频率的LN XBARs小近十倍。

该器件使用Keysight矢量网络分析仪（VNA）在–15 dBm的功率水平下进行空气中的测量。为了进行全面调查，测量的器件采用了修改后的Butterworth–Van Dyke (mBVD) 等效电路模型进行拟合，以考虑电磁（EM）自谐振（图9），

图9. 用于拟合测量FBAR导纳的mBVD模型。

并使用串联电阻（Rs）和电感（Ls）分别考虑电阻损耗和布线路径电感。由于模型仅考虑了主要频率（S1、S3和S5），未能捕捉到具有较低Q值的杂散模态，因此在fp附近的拟合精度较低。

图10. 测量结果：(a) 示例LN FBAR的宽带导纳，(b) 放大S1响应，(c) 放大S3响应。提取的关键参数和mBVD等效电路模型拟合参数已列出。

测得的代表性器件导纳如图10所示，与其模拟结果（图5）非常接近，S1的3 dB Qs为38，S1的3 dB Qp为19。同时，测得S3的3 dB Qs和Qp均为22。基于mBVD模型拟合，S1的k²为14.1%，S3的k²为11.3%。提取的参数总结见表II。

表 II 测量示例LN FBAR器件的提取参数

总体来看，LN FBAR平台作为一种可行的声学信号处理组件，在厘米波（cmWave）和毫米波（mmWave）频段显示出显著的前景。

图10揭示了模拟k²与其测量结果之间的轻微差异。为了说明这一点，可以在图10(a)中观察到设备的低频行为偏离了其拟合值。这表明测量中存在馈通效应，可能源自设备锚点和探针垫之间厚金属层与薄金属层的界面。另一方面，对所获得的mBVD模型拟合参数的调查显示了一个清晰的图像——图10显示S1的运动电阻（Rm）为27Ω，S3的Rm为16.7Ω。与此同时，考虑到我们的静态电容（C0）、操作频率和k²，图9显示Rm主要受到低Q金属的主导，降低了阻抗比，从而导致测得的Q值为中等水平。

V. 讨论

A. 不同横向尺寸的器件

在原型LN FBAR器件表征之后，研究了在相同声学堆叠中进行横向尺寸扫描的效果。设计空间通过改变谐振器宽度（W）从6 µm到11 µm以及相应的高度（H）从W到3W来定义，如图2所示。锚点宽度（AW）和长度（AL）按比例缩放，保持AW = 0.75W和AL = W。

图11. 在提供的设计空间变化范围内，测量器件的导纳响应。

图11考察了在相同声学堆叠中，不同横向尺寸器件的广泛趋势。器件主要在阻抗上有所不同，这会影响电磁（EM）自谐振频率和馈通效应的重要性。图11中的最低阻抗器件在大约50 GHz处展示了电磁共振，这与S5的fs相吻合。一种电磁-声学联合仿真，如[37]中的方法，可以通过调整布线路径提供额外的验证和设计修改，这将是未来工作的重点。

图12. (a) 测量的S1的Qs散点图，并附有设计空间变化的图形表示。 (b) 测量的S1的Qp散点图。 (c) 测量的S3的Qs散点图。 (d) 测量的S3的Qp散点图。

图12(a)–(d)展示了QS和QP作为器件表面积的函数的行为。为了理解图12中看到的行为，图9中的mBVD模型提供了简单的解释。图9展示了如何通过在fs频率处与Rm形成一个电阻分压器来限制较大器件中较低Rm的Qs。另一方面，观察到的QP对器件表面积的依赖可以通过缺乏能量捕获结构来解释，这导致器件表面积对结构能量约束的强烈影响[38]。这些趋势为进一步改进LN FBAR平台提供了宝贵的见解。

B. 功率处理分析

为了进行全面分析，对制造的FBAR的功率处理能力进行了评估。使用VNA测量了输入功率范围从−15到15 dBm的端口功率。首先，通过提取系统的传输散射参数（S21）来确定通过电缆和探针的功率损耗。相应地，在S1共振频率下，设备测试时传送到设备的功率范围从−17.6 dBm到12.4 dBm，在S3共振频率下从−19.15 dBm到3.85 dBm。虽然在整个功率范围内研究了S1的性能，但由于S3的高操作频率，在8 dBm输入功率以上导致了功率平衡问题。

图13. 样本FBAR的多周期功率测试结果：(a) 9–12 GHz范围内，(b) 24–32 GHz范围内。传输到器件的功率（考虑了电缆和探针损耗）已标注。

测量结果见图13(a)和(b)，展示了一个代表性设备在高功率下连续操作多达五个周期。虽然S1性能的变化仅限于频率的轻微偏移，直到传输功率达到9.4 dBm，但在此功率水平以上，QS和QP开始显著下降。S3模式的性能保持几乎不变，因为VNA在其共振频率下只能提供最高3.85 dBm。

除了直接的高功率测量外，在每次超过8.4 dBm的功率测量后，还评估了设备在低功率下的宽带性能。尽管在高达10.4 dBm传输功率时性能保持一致，但重新测量的设备在仅在S1频率范围内经历高功率传输后，开始显示出S1和S3性能的永久性退化（见图14）。

图14. 在施加高功率测量多个周期后，进行的宽带器件测量，输入功率为−15 dBm。尽管高功率仅在S1频率范围内施加，但S3性能上明显出现了影响。图中包含了器件的光学图像。

总体上，性能的损失与图13中显示的直接高功率测量结果相符。在最终测量后，图14中的共振器光学图像显示出明显的烧毁痕迹。

C. 温度系数（TCF）分析

在设备性能和功率处理分析之后，进行了LN FBAR的温度系数（TCF）实验分析。实验使用温度控制的射频（RF）测量系统（Lakeshore CRX-4K）进行，温度范围从297 K到350 K。

图15. (a) 温度变化下S1的放大频率响应，(b) S3的放大频率响应。

这些测量结果如图15(a)和(b)所示，揭示了随着温度升高频率出现向下的偏移，表明存在负TCF。分析了S1和S3的fs和fp值，通过拟合频率与温度的数据来提取TCF，如图16(a)和(b)所示。S1的fs和fp的TCF分别为−160.24 ppm/K和−96.45 ppm/K。对于S3，提取的值分别为−109.7 ppm/K和−147.34 ppm/K。这些值大于先前报告的LN谐振器中具有更大压电与金属体积比的TCF（−70 ppm/K）[39]。因此，和设备的Q值一样，厚金属主导了器件的整体温度稳定性。

V. 讨论

A. 不同横向尺寸的器件

在原型LN FBAR器件表征之后，研究了在相同声学堆叠中进行横向尺寸扫描的效果。设计空间通过改变谐振器宽度（W）从6 µm到11 µm以及相应的高度（H）从W到3W来定义，如图2所示。锚点宽度（AW）和长度（AL）按比例缩放，保持AW = 0.75W和AL = W。

图11考察了在相同声学堆叠中，不同横向尺寸器件的广泛趋势。器件主要在阻抗上有所不同，这会影响电磁（EM）自谐振频率和馈通效应的重要性。图11中的最低阻抗器件在大约50 GHz处展示了电磁共振，这与S5的fs相吻合。一种电磁-声学联合仿真，如[37]中的方法，可以通过调整布线路径提供额外的验证和设计修改，这将是未来工作的重点。

图12(a)–(d)展示了QS和QP作为器件表面积的函数的行为。为了理解图12中看到的行为，图9中的mBVD模型提供了简单的解释。图9展示了如何通过在fs频率处与Rm形成一个电阻分压器来限制较大器件中较低Rm的Qs。另一方面，观察到的QP对器件表面积的依赖可以通过缺乏能量捕获结构来解释，这导致器件表面积对结构能量约束的强烈影响[38]。这些趋势为进一步改进LN FBAR平台提供了宝贵的见解。

B. 功率处理分析

为了进行全面分析，对制造的FBAR的功率处理能力进行了评估。使用VNA测量了输入功率范围从−15到15 dBm的端口功率。首先，通过提取系统的传输散射参数（S21）来确定通过电缆和探针的功率损耗。相应地，在S1共振频率下，设备测试时传送到设备的功率范围从−17.6 dBm到12.4 dBm，在S3共振频率下从−19.15 dBm到3.85 dBm。虽然在整个功率范围内研究了S1的性能，但由于S3的高操作频率，在8 dBm输入功率以上导致了功率平衡问题。测量结果见图13(a)和(b)，展示了一个代表性设备在高功率下连续操作多达五个周期。虽然S1性能的变化仅限于频率的轻微偏移，直到传输功率达到9.4 dBm，但在此功率水平以上，QS和QP开始显著下降。S3模式的性能保持几乎不变，因为VNA在其共振频率下只能提供最高3.85 dBm。

除了直接的高功率测量外，在每次超过8.4 dBm的功率测量后，还评估了设备在低功率下的宽带性能。尽管在高达10.4 dBm传输功率时性能保持一致，但重新测量的设备在仅在S1频率范围内经历高功率传输后，开始显示出S1和S3性能的永久性退化（见图14）。总体上，性能的损失与图13中显示的直接高功率测量结果相符。在最终测量后，图14中的共振器光学图像显示出明显的烧毁痕迹。

C. 温度系数（TCF）分析

在设备性能和功率处理分析之后，进行了LN FBAR的温度系数（TCF）实验分析。实验使用温度控制的射频（RF）测量系统（Lakeshore CRX-4K）进行，温度范围从297 K到350 K。这些测量结果如图15(a)和(b)所示，揭示了随着温度升高频率出现向下的偏移，表明存在负TCF。分析了S1和S3的fs和fp值，通过拟合频率与温度的数据来提取TCF，

图16. 测量器件在297到350 K温度范围内的频率变化：(a) S1，(b) S3。计算得到的TCF和使用的公式显示在(a)中。

如图16(a)和(b)所示。S1的fs和fp的TCF分别为−160.24 ppm/K和−96.45 ppm/K。对于S3，提取的值分别为−109.7 ppm/K和−147.34 ppm/K。这些值大于先前报告的LN谐振器中具有更大压电与金属体积比的TCF（−70 ppm/K）[39]。因此，和设备的Q值一样，厚金属主导了器件的整体温度稳定性。

D. 与现有声学平台的比较

与之前的LN FBAR演示（见表I）相比，我们的工作在保持竞争性的k²和fs·Qs的同时，实现了显著更高的工作频率。此前的LN FBAR器件通常因制造复杂性，尤其是在实现预先图案化的底部电极时，受限于10 GHz以下的频率范围。相比之下，所展示的器件实现了显著的频率扩展，并在26.8 GHz的S3模式下工作，具有11.3%的高k²和5.9 × 10¹¹的可观fs·Qs。尽管当前器件的性能尚不适合用于产生低损耗射频（RF）声学滤波器，但它清楚地证明了超薄转移的LN在高频FBAR应用中的可行性，且随着后续LN FBAR设计迭代，预计将有显著改进。

表 III
LN FBAR特性与现有技术（SoA）的比较

表III总结了所展示的LN FBAR与现有声学谐振器（SoA）在厘米波（cmWave）和毫米波（mmWave）频段的比较。与ScAlN FBAR相比，所提议的基于LN的FBAR在耦合度（10.5 GHz时的k²为14.1%，26.8 GHz时为11.3%）和更紧凑的器件占地面积（在26.8 GHz时50Ω的占地为70 µm²）方面表现出显著优势，解决了ScAlN在超过20 GHz频率时的关键限制。另一方面，虽然横场激励（LFE）LN XBAR具有较高的k²，但由于较低的电容密度，其占地面积较大。本文报告的厚度场激励（TFE）LN FBAR结合了高耦合和减小占地面积的优点，定位为未来紧凑型毫米波声学滤波解决方案的有前景平台。

VI. 结论

在本研究中，我们将LN FBAR平台扩展到10–30 GHz频段，展示了其在占地面积和高k²方面的固有优势。通过优化S3，尽管在高频范围内实现了宽带性能，但这种设计选择——使用厚铝电极增强S3的k²——限制了可获得的Q值。尽管存在这种权衡，我们展示了在S3工作下具有紧凑占地面积的器件，且由于高k²的实现，其FoM与现有技术相当。通过进一步增强声学堆叠，特别是通过在保持S3性能的同时增加压电与金属的体积比，为实现高Q和高k²提供了明确的路径，可能在紧凑性和FoM上超越现有技术。经过优化后，还可以进一步探索其他关键设计方面，例如锚点几何形状和电极形状。