在6 GHz以上频率范围内，利用通孔技术实现LiNbO3 A1谐振器和滤波器中的虚假模式抑制

《Journal of Microelectromechanical Systems》：Spurious Mode Suppression in LiNbO3 A1 Resonators and Filters Beyond 6 GHz With Through-Holes

通过光刻定义的过孔阵列集成抑制高频率LiNbO3 A1 Lamb波谐振器的寄生模式，实现6GHz以上共振频率和25%压电耦合系数，同时降低悬置面积超50%，提升机械和热稳定性，为多尺度射频系统提供可扩展解决方案。

　　

摘要：

本文首次通过集成光刻定义的通孔阵列，实验性地展示了一种抑制高频LiNbO3 A1 Lamb波谐振器中杂散模式的新方法。我们的制造友好型方法有效减少了杂散模式，同时不牺牲谐振器性能，也不需要额外的制造步骤，并保持了可扩展性。在296纳米Z切LiNbO3薄膜上制造的谐振器，凭借精心设计的通孔，实现了超过6 GHz的共振频率和25%的机电耦合系数。杂散模式被显著抑制，同时谐振器的总悬挂面积减少了50%以上，从而提高了机械和热稳定性。当该方法应用于中心频率约为7.0 GHz、带宽分数约为14%的型滤波器时，该滤波器具有更干净的通带和更好的带边特性。通孔设计既充当声学散射体，又充当释放通道，为性能优化、稳定性、设计灵活性和可制造性提供了统一的解决方案，从而确立了带有通孔的Lamb波谐振器作为下一代多尺度射频系统的可扩展解决方案。[2025-0060]

引言

随着移动通信数据流量的呈指数级增长，射频前端系统面临多项技术挑战，包括高频操作、低损耗和小型化。作为射频模块的核心组件，声学滤波器必须同时满足几个关键性能指标：高频响应（>3 GHz，甚至高达5 GHz）、低插入损耗、宽带宽、高稳定性（包括温度稳定性、热稳定性和结构坚固性等）以及高集成度[1]，[2]。在这种背景下，基于LiNbO₃（LN）薄膜的一阶非对称（A1）模式Lamb波谐振器成为满足这些要求的有希望的候选者[3]。首先，由于其独特的横向场激励特性，LN A1模式谐振器可以在吉赫兹范围内实现共振频率，同时保持相对较宽的电极线宽（在微米级别），从而减轻了基于叉指换能器（IDTs）的传统高频声学设备所面临的严格光刻限制[4]。其次，LN A1谐振器具有较高的机电耦合系数，为实现宽带滤波器提供了坚实的物理基础[5]。2017年，Yang等人使用Z切LN薄膜制造了一个A1模式谐振器，实现了超过5 GHz的共振频率和29%的机电耦合系数[6]。同时，Plessky等人开发了一种Z切LN A1模式谐振器（称为XBAR），其工作频率为4.8 GHz，机电耦合系数为25%[7]。2019年，Lu等人通过使用128Y切LN薄膜进一步提高了A1模式谐振器的机电耦合系数[8]。随后，通过对电极结构和LN薄膜厚度的精确优化，在多个频段（包括n79 [10]和Wi-Fi 6E [11]，[12]）展示了LN A1模式宽带滤波器。此外，LN薄膜生长和加工技术的进步使得LN A1模式谐振器和滤波器的工作频率超过了20 GHz[13]，[14]。