采用 42° YX-LT/SiO2/α-Si/Si 多层结构的高功率耐受及温度稳定 SH-SAW 滤波器

《Ultrasonics》：High-power handling and temperature-stable SH-SAW filters using a 42° YX-LT/SiO 2/α-Si/Si multilayer structure

　　

摘要

本文提出了一种基于压电薄膜绝缘体（POI）平台的高性能剪切纵波表面声波（SH-SAW）滤波器，该平台结合了钽酸锂（LiTaO₃）和非晶硅（α-Si）薄膜。POI-SAW谐振器和滤波器设计并制备在42° YX LiTaO₃/SiO₂/α-Si/Si叠层基板上。该设计中，α-Si层起到抑制寄生表面导电的作用，同时提供温度补偿。随后采用热退火工艺来提高Q值。测量结果表明，POI-SAW谐振器的机电耦合系数（k²_eff）高达10.2%，Bode-Q_max提升至1375。此外，利用所设计谐振器的阶梯π型滤波器表现出最低插入损耗（IL）为0.53 dB，3 dB分数带宽为5.3%，中心频率为3.6 GHz，带外抑制为35 dB。值得注意的是，该滤波器还具有36.5 dBm的高功率处理能力以及良好的温度稳定性，3 dB带宽低端和高端的频率温度系数（TCF）均在±20 ppm/℃以内，且TCF变化量仅为3.2 ppm/℃。这些结果证实了所提出POI-SAW滤波器设计的高性能特性，显示出在5G n78频段应用中的显著前景。

引言

第五代/第六代（5G/6G）通信技术的进步加强了对高性能、小型化射频滤波器的需求，尤其是具有高频、宽带宽、优异温度稳定性和高功率处理能力特性的声波滤波器[1]、[2]。基于表面声波（SAW）谐振器的滤波器因其卓越性能、紧凑尺寸和易于制造而具有特别重要的价值[3]。为了满足下一代通信系统的严格要求，SAW滤波器的谐振器必须具有高品质因数（Q）、大机电耦合系数（k²_eff）以及良好的频率温度系数（TCF）[4]。特别是在N78频段及以上，温度稳定性变得越来越关键，需要温度TCF在±20 ppm/℃以内，以确保滤波器足够的通带稳定性[5]。然而，由于单基板材料固有的性能限制，传统的在体压电基板上制造的SAW器件日益难以满足5G/6G应用的需求[6]、[7]、[8]、[9]。得益于SmartCut^TM技术，基于铌酸锂（LN）或钽酸锂（LT，LiTaO₃）薄膜的压电薄膜绝缘体SAW（POI-SAW）谐振器应运而生，成为有前景的解决方案，因其具有优异的性能，如改善的TCF、大k²_eff、高Bode-Q和高功率处理能力[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[25]、[26]、[27]、[28]、[30]、[31]、[32]、[33]。

近年来，已陆续报道了多种基于LN/LT薄膜叠层基板的高性能POI-SAW器件。其中，Su等人提出了一种在LN/SiO₂/Si叠层基板上制造的高性能POI-SAW滤波器，实现了20.2%的分数带宽（FBW）和33 dBm的高功率处理能力[18]。然而，LN受限的温度特性导致其存在?57.7 ppm/℃的较大负TCF，造成明显的频率漂移，对热稳定性构成根本性挑战。Shen等人在LT/SiC键合晶圆上开发了POI-SAW滤波器，展现出高功率处理能力和优异的温度稳定性。该器件在2.62 GHz时表现出?24.59 ppm/℃的TCF，证实了LT相对于LN具有更优的温度稳定性[8]。利用LT/SiO₂/Si叠层基板，Takai等人展示了具有卓越特性的高性能POI-SAW谐振器，实现了大于4000的Bode-Q和显著改善的TCF，低至?8 ppm/°C³。先前的研究还探索了使用中间层，如α-Si[21]、[22]或多晶硅[23]、[24]，以进一步提升此类叠层SAW器件的性能。在我们先前的工作中[22]，结合LT和α-Si薄膜的无杂散POI-SAW谐振器展现了被抑制的寄生表面导电（PSC）效应和显著改善的Q值。然而，谐振器的工作频率仍低于3 GHz，这限制了其在5G滤波器中的应用

本研究旨在开发一种适用于工作频率高于3.3 GHz的5G N78频段、具有良好温度稳定性和高功率处理能力的POI-SAW滤波器。在本工作中，POI-SAW滤波器设计并制备在42° YX-LT/SiO₂/α-Si/Si叠层基板上。该设计基于使用α-Si层，同时起到抑制PSC效应和提供温度补偿的作用。首先，通过有限元方法（FEM）对POI-SAW谐振器的SAW特性进行理论分析。计算了不同波长（λ）的POI-SAW谐振器的谐波导纳响应，从而对目标频段的k²_eff及其对应的FBW等关键性能进行对比分析。然后，在提出的叠层结构上设计并制备了42° YX LiTaO₃/SiO₂/α-Si/Si叠层结构的POI-SAW谐振器和滤波器。最后阶段涉及对制造的POI-SAW器件进行晶圆级实验表征测量和热退火。随后，对结果进行了详细讨论。

章节摘要

设计与制备

在POI-SAW设计中，通常在SiO₂陷波层和Si基板之间插入一层薄膜硅中间层以缓解PSC效应。表1列出了常用硅材料的特性。与多晶硅相比，α-Si具有两个关键优势：略高的声阻抗和小的正弹性刚度温度系数。后者通过抵消负温度系数自然地实现了温度补偿

测量与讨论

制造的SAW谐振器和滤波器的实验表征采用地-信号-地探针和ZNA43矢量网络分析仪（VNA）进行测量。SAW谐振器的表征在室温（25 ℃）下进行。退火可以有效降低材料的残余应力和内部摩擦损耗，从而显著提高Q值[22]。为进一步释放残余应力并改善SAW器件初次测试后的Bode-Q，

结论

综上所述，本工作在42° YX LiTaO₃/SiO₂/α-Si/Si叠层基板上开发了高性能POI-SAW谐振器和滤波器，其中α-Si层起到抑制寄生表面导电和提供温度补偿的作用。串联和并联谐振器及其对应的滤波器均经过理论设计，随后进行了实验制备。此外，制造的器件经过了热退火处理，有效提升了其Q值。该

CRediT作者贡献声明

Yang Chang：方法论、调查、形式分析、数据整理。Qiaozhen Zhang：写作–审阅与编辑，写作–原稿撰写，监督指导，软件，资源，项目管理，资金获取，数据整理。Xucheng Li：调查，形式分析。Feihong Bao：写作–原稿撰写，验证，软件，资源。Ying Cheng：方法论，调查，形式分析，数据整理。Xiaojun Liu：写作–审阅与编辑，监督指导，资源，

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到国家自然科学基金（项目编号：12374449和12527804）以及中央高校基本科研业务费（项目编号：020414380244）的支持。作者感谢中国电子科技集团公司德清华兴电子有限公司提供的技术支持。

Yang Chang|Qiaozhen Zhang|Xucheng Li|Feihong Bao|Ying Cheng|Xiaojun Liu

上海师范大学信息与机电工程学院，中国上海200234