研究背景

高次諧波體聲波諧振器（HABR）由于其在GHz頻段可以實現極高的Q值在聲光調制、傳感器、振蕩器以及5G多通帶濾波器上有著重要的應用價值。

迄今為止，已經有了許多將壓電薄膜生長在帶底電極的支撐襯底上以制備“三明治”結構HBAR器件的研究，例如在硅或藍寶石襯底上的氮化鋁或氧化鋅薄膜。壓電薄膜夾在兩層電極之間作為換能器用于激勵產生體聲波，而支撐襯底則是作為諧振腔。

高次諧波的諧振頻率由壓電薄膜的等效聲速和厚度決定，而不同階數的高次諧波之間的頻率間隔則由支撐襯底的厚度決定。此外，HBAR的頻率響應范圍（即存在的不同階數的高次諧波的頻率范圍）與壓電薄膜的機電耦合系數（K2）呈正相關。

研究亮點

上海微系統所異質集成XOI課題組利用“萬能離子刀”剝離與轉移技術制備了晶圓級LiNbO3/SiC（導電）異質襯底，突破傳統“三明治”結構HBAR的結構限制，制備了共平面電極結構的據超高Q值HABR。

圖2所示為制備的導電碳化硅上鈮酸鋰異質集成襯底截面SEM圖以及XRD測試結果。由于導電碳化硅襯底既充當諧振腔又作為懸浮底電極以提供縱向電場，減少了額外的金屬底電極，這使得該結構十分簡單，且免除了金屬底電極帶來的復雜工藝和界面損耗。

圖2. 制備的導電碳化硅上鈮酸鋰異質集成襯底的（a）截面SEM圖和（b）XRD測試結果。諧振器的光鏡圖以及測試結果如圖3所示，其在2174MHz附近的QLAKIN值超過了40000（Bode-Q超過50000），相應地f×Q的值分別達到9.6×1013和1.1×1014。該結果是目前已知基于鈮酸鋰材料的諧振器的最高值，且TCF僅為-18ppm/℃。

圖3. 制備的高次諧波體聲波諧振腔的（a）導納圖，（b）光鏡圖，（c）f×Q值以及（d）測試和擬合的TCF結果。

此外，利用制備的高次諧波體聲波諧振器的測試結果在ADS軟件中模擬得到濾波器的結果如圖4所示，其在1.5GHz左右的插損約為3 dB，并在約2GHz的頻率范圍內實現了多個間距10 MHz的通帶。

圖4.諧振器的測試結果在ADS中搭建濾波器得到的模擬結果。

總結與展望

得益于XOI課題組在壓電異質集成材料技術上的長期發展，通過將具有大機電耦合系數的鈮酸鋰薄膜與本征損耗極低且導電性較好的支撐襯底相結合，實現了結構簡單的寬頻段多諧振的高Q值諧振器。通過進一步地優化襯底和器件結構，可以期待綜合性能更高的HBAR器件，因此該技術在5G射頻應用中具有十分廣闊的前景。

文章鏈接：

https://ieeexplore.ieee.org/document/9429169

來源：中科院上海微系統所，信息功能材料國家重點實驗室，異質集成XOI課題組編輯：jq