苗 湘，閆坤坤，黃 歆，姜靖雯，黃小東，王 文

(1.北京中科飛鴻科技股份有限公司，北京100095；2.中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所，北京100190)

0 引言

聲表面波(SAW)濾波器廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、通信電臺(tái)等技術(shù)，具有信號(hào)隔離、選通、抑制干擾信號(hào)的作用。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，對(duì)射頻濾波器提出了更高的要求，如大帶寬、低損耗、高溫度穩(wěn)定性等,常規(guī)的SAW濾波器難以滿足上述新需求。近年來，SOI襯底能很好地應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)[1]。日本村田(Murata)公司報(bào)道了結(jié)構(gòu)為L(zhǎng)iTaO3/SiO2/AlN/Si的SOI襯底的IHP-SAW六工器，其具有低插入損耗、大衰減特性和高隔離度的特點(diǎn)。法國(guó)Soitec公司制備的LiTaO3/SiO2/Si的SOI襯底同樣具有優(yōu)異的性能，制備的2 GHz SAW濾波器帶寬為80 MHz，插入損耗小于2 dB，阻帶抑制大于40 dB。本文對(duì)LiTaO3/SiO2/Si的SOI襯底進(jìn)行分析，研究了SOI襯底制備低損耗、大帶寬器件的可能性。通過精確提取耦合模參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，抑制橫向模式，研制出高品質(zhì)因數(shù)(Q)值的單端諧振器和寬帶低損耗低溫漂的SAW濾波器。

1 襯底材料的選擇

SAW濾波器的帶寬與選擇的壓電襯底基片材料的機(jī)電耦合系數(shù)密切相關(guān)。SOI襯底的各層材料厚度對(duì)襯底性能的影響很大。為了獲得高性能的SAW器件，SOI襯底的壓電層厚度為0.2λ～0.4λ(其中λ為波長(zhǎng))。采用有限元法對(duì)42°Y-XLiTaO3襯底和42°Y-XLiTaO3(600 nm)/SiO2(500 nm)/Si層狀結(jié)構(gòu)SOI襯底進(jìn)行分析，二者的機(jī)電耦合系數(shù)(K2)如圖1所示。

圖1 42°Y-X LiTaO3和42°Y-X LiTaO3/SiO2/Si層狀結(jié)構(gòu)的機(jī)電耦合系數(shù)

由圖1可見，42°Y-XLiTaO3/SiO2/Si層狀結(jié)構(gòu)的襯底在金屬膜厚波長(zhǎng)比為0.02～0.10，其機(jī)電耦合系數(shù)均大于14%，比常規(guī)的42°Y-XLiTaO3單晶體材料更高，所以能用于大帶寬濾波器的制備。此外，42°Y-XLiTaO3/SiO2/Si結(jié)構(gòu)的SOI襯底能將聲表面波能量集中在表面，能量損耗較常規(guī)的42°Y-XLiTaO3單晶體材料更小，故能得到更高的Q值，進(jìn)而有利于得到低損耗的器件[2]。

通過分析42°Y-XLiTaO3/SiO2/Si層狀和42°Y-XLiTaO3體材料在深度方向的質(zhì)點(diǎn)位移分量(見圖2)可知，42°Y-XLiTaO3/SiO2/Si層狀結(jié)構(gòu)的質(zhì)點(diǎn)位移更集中在表面，在深度超過1λ處幾乎沒有位移，能量向體內(nèi)深處輻射少，有利于制備高Q值的器件。

圖2 42°Y-X LiTaO3/SiO2/Si層狀和42°Y-X LiTaO3體材料質(zhì)點(diǎn)位移

2 器件設(shè)計(jì)與分析

2.1 諧振器設(shè)計(jì)與分析

采用42°Y-XLiTaO3/SiO2/Si層狀結(jié)構(gòu)的SOI襯底制備單端諧振器，并測(cè)試其BodeQ值。該單端諧振器換能區(qū)域?yàn)?00根叉指，左右反射柵分別為20根指條，孔徑為20λ。圖3為單端諧振器的導(dǎo)納圖。由圖可見，諧振器的諧振頻率為1.5 GHz，阻抗比高達(dá)80 dB。圖4為諧振器的BodeQ值圖。由圖4可知，最大Q值超過4 000，是常規(guī)42°Y-XLiTaO3單晶體材料制備的SAW諧振器的4倍以上。其原因是在SOI襯底中，聲能被集中在表面，泄露能量較少；同時(shí)，在諧振頻率和反諧振頻率之間存在寄生響應(yīng)，這是由橫向模式諧振引起的。

圖3 制備的單端諧振器的導(dǎo)納圖

圖4 諧振器的Bode Q值

橫向模式引起的寄生響應(yīng)會(huì)在濾波器的通帶中造成波紋，導(dǎo)致?lián)p耗增大，帶寬減小，故而需要抑制此響應(yīng)[3]。切趾加權(quán)是常見的抑制橫向模式的方法，但此方式會(huì)導(dǎo)致Q值下降。Piston模式是另一種抑制橫向模式的方法，但其在高頻細(xì)線寬時(shí)的加工難度較大。橫向模式是垂直于SAW傳播方向的波導(dǎo)中的諧振，如果抑制波導(dǎo)在該方向兩個(gè)邊界的對(duì)稱性，則橫模的產(chǎn)生將會(huì)減少。因此，本文采用傾斜換能器來抑制橫向模式。諧振器結(jié)構(gòu)如圖5所示。通過將圖3所示的諧振器向孔徑方向傾斜5°得到該諧振器，成功抑制了橫向模式。

圖5 諧振器傾斜結(jié)構(gòu)示意圖

同樣測(cè)試該傾斜結(jié)構(gòu)諧振器的導(dǎo)納，如圖6所示。由圖可見，傾斜諧振器的諧振頻率和反諧振頻率之間的橫向寄生模式被完全抑制，其他性能并未惡化，這表明傾斜結(jié)構(gòu)可用于濾波器的設(shè)計(jì)。

圖6 傾斜結(jié)構(gòu)諧振器的導(dǎo)納

2.2 濾波器設(shè)計(jì)與分析濾波器設(shè)計(jì)與制備

對(duì)于SAW器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，耦合模(COM)模型是常用的一種方法。COM模型是唯象模型，參數(shù)需要外部提取，COM參數(shù)的精確度直接影響SAW器件的模擬結(jié)果。對(duì)于SOI襯底而言，COM參數(shù)是色散的，因此需要精確提取色散COM參數(shù)。本文采用有限元法對(duì)SOI襯底進(jìn)行分析，建立有限長(zhǎng)單端對(duì)諧振器模型，并計(jì)算其導(dǎo)納曲線，找出與柵格中傳播的SAW色散關(guān)系相關(guān)的特征量，提取COM參數(shù)。同時(shí)結(jié)合所使用的材料和工藝，精確修正了COM參數(shù)，得到的耦合模參數(shù)如圖7所示。圖中，η為穿透系數(shù)，ε為反射系數(shù)，K2為機(jī)電耦合系數(shù)，c為聲速修正系數(shù)。

圖7 42°Y-X LiTaO3/SiO2/Si襯底的耦合模參數(shù)

在2.1節(jié)諧振器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用梯形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款無需外匹配的濾波器。濾波器頻響曲線如圖8所示。由圖可知，該濾波器中心頻率為1 370 MHz，1 dB帶寬為74 MHz，相對(duì)帶寬達(dá)到5.4%，阻帶抑制大于40 dB，插入損耗僅為-1.2 dB，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合。測(cè)試曲線的通帶波動(dòng)與仿真曲線也吻合較好，證明所使用的COM參數(shù)準(zhǔn)確。此外，由實(shí)測(cè)頻響曲線放大圖(圖中藍(lán)線)可知，濾波器頻響曲線光滑無毛刺，表明橫向模式被完全消除，未引起通帶波紋。此濾波器性能優(yōu)于常規(guī)LiTaO3單晶體材料制備的濾波器性能，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

圖8 濾波器的仿真和測(cè)試頻響曲線

2.2.2 溫度穩(wěn)定性分析

溫度穩(wěn)定性對(duì)于高頻聲波器件的應(yīng)用非常重要。提高溫度穩(wěn)定性的常用途徑有兩種：

1) 將具有正頻率溫度系數(shù)(TCF)的材料覆蓋在具有負(fù)頻率溫度系數(shù)的壓電材料上，用于溫度補(bǔ)償。常用的溫度補(bǔ)償材料為SiO2。

2) 將SiO2作為中間層而非表面覆蓋層來提高溫度穩(wěn)定性。SiO2作為覆蓋層能有效起到溫度補(bǔ)償作用，但此法易導(dǎo)致表面不平坦，進(jìn)而制約了器件的性能。

SOI襯底提供了一種突破性的解決方案，可應(yīng)對(duì)濾波器在更大溫度范圍內(nèi)的挑戰(zhàn)。在SOI襯底中，SiO2作為中間層能起到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔?，且其位于壓電層下方，不?huì)因頂部不平坦而造成器件性能惡化[4]。此外，SiO2厚度可控，能有效改善TCF。

SAW器件的頻率溫度系數(shù)由彈性溫度系數(shù)和熱膨脹系數(shù)(TCE)決定。LiTaO3的TCE較大，通過將鉭酸鋰與低TCE材料二氧化硅結(jié)合，人為抑制頻率溫度系數(shù)中的TCE部分，從而獲得較小的頻率溫度系數(shù)[5]。

圖9為對(duì)制備的濾波器進(jìn)行在線三溫測(cè)試圖。由圖可見，該濾波器的溫度系數(shù)在-55～+85 ℃優(yōu)于-9×10-6/℃，具有很高的溫度穩(wěn)定性。這表明，此SOI襯底具有優(yōu)于常規(guī)體材料的溫度穩(wěn)定性，可用于高溫度穩(wěn)定性器件的設(shè)計(jì)與制備。

圖9 濾波器的在線三溫測(cè)試頻響曲線

3 結(jié)束語

采用42°Y-XLiTaO3(600 nm)/SiO2(500 nm)/Si層狀結(jié)構(gòu)的SOI襯底，制備了諧振頻率為1.5 GHz，Q值高達(dá)4 000的單端諧振器，并驗(yàn)證了傾斜換能器對(duì)橫向模式抑制的有效性。采用梯形結(jié)構(gòu)制備了無需外匹配的濾波器，其中心頻率為1 370 MHz，插入損耗為-1.2 dB，1 dB帶寬為74 MHz，相對(duì)帶寬達(dá)到5.4%，阻帶抑制大于40 dB，在-55～+85 ℃的溫度系數(shù)優(yōu)于-9×10-6/℃。此器件具有大帶寬、低損耗、高阻帶抑制、低溫漂等特點(diǎn)，性能優(yōu)于常規(guī)單晶體材料制備的濾波器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該SOI襯底不僅能在較寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高Q值，而且能夠靈活實(shí)現(xiàn)較寬的帶寬和高溫度穩(wěn)定性，很好地滿足了現(xiàn)代通信系統(tǒng)對(duì)大容量信息交換、低損耗、高頻、寬帶、高抑制的需求。