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摘要——本文设计并制造了一系列基于复合基板结构的高性能纵向漏泄声表面波 (LLSAW) 器件，专门针对 5G 新无线电 (NR) n78 频段。基板包括 X 切割铌酸锂 (LN) 薄膜和由 SiO2 和 Ta2O5 交替层组成的布拉格反射器。制造的 LLSAW 谐振器在 3.2–3.7 GHz 的频率范围内表现出卓越的性能，具有高导纳比 (AR) 和大机电耦合系数 (k2t)。具体而言，以 3.317 GHz 为中心的谐振器实现了 67 dB 的 AR、20.4% 的 k2t 和 1219 的 Bode-Qmax。此外，中心频率为 3.4 GHz 的制造滤波器的最小插入损耗 (IL) 为 1.35 dB，3-dB 带宽为 433 MHz，n41 频段的衰减为 43 dB。该滤波器还表现出 −35.6/−40.2 ppm/◦C 的低温度频率系数 (TCF)。该滤波器的 1-dB 压缩点 (P1dB) 为 15.2 dBm，输入三阶截点 (IIP3) 为 52.3 dBm，使其适用于高线性度、中等功率 RF 应用。这些结果证明了基于 X-cut LN 薄膜和 SiO2/Ta2O5 反射器的 LLSAW 技术在先进 5G 通信应用中的潜力。

索引词—布拉格反射器、滤波器、铌酸锂（LN）、纵向漏表面声波（LLSAW）、n78 波段、非线性、谐振器。

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引言 

近年来,随着微波通信技术的发展,微波通信设备尤其是移动通信设备对不同频段滤波器的需求日益增加[1],[2],[3]。随着单台设备中滤波器数量的增加,表面声波(SAW)滤波器因体积小、成本低、重复性高、易于集成等优点,受到了广泛的关注[4],[5],[6]。然而,5G时代对滤波器的工作频率和带宽提出了新的要求。与4G长期演进(LTE)相比,5G新无线电(NR)滤波器的频谱从1-2.5变为2.5-6 GHz,5G NR滤波器的最大分数带宽(FBW)增加了24%(n77,3300-4200MHz)[7],[8]。同时，5G通信需要具有较低插入损耗（IL）的滤波器来提高信号传输效率[9]。

基于单晶钽酸锂（LT）或铌酸锂（LN）的普通SAW滤波器的速度约为4000 m / s。低速度和光刻的局限性使SAW滤波器的工作频率保持在3 GHz以下[10]，[11]。即使通过减小叉指换能器（IDT）的线宽来提高工作频率，器件的功率容量也会严重下降。同时，基于LT和LN晶体的SAW谐振器的机电耦合系数（k2 t）通常小于15％，不能满足5G NR的FBW。近年来，基于LN薄膜、低速层和高速支撑衬底的多层衬底的高性能SAW（I.H.P. SAW）结构被广泛报道。基于I.H.P.结构的滤波器表现出超高的Q因子和较小的频率温度系数（TCF）[12]，[13]。然而，工作频率和FBW的上限尚未解决，因为I.H.P. SAW的声学模式仍然是SH0模式，这与使用LT或LN晶体作为基板的普通SAW相同。

X-cut LN中的S0模式兰姆波表现出超过6000 m / s的高速度和超过20％的大k2t [14]，[15]。因此，基于S0模式兰姆波的滤波器是5G NR滤波器的合适选择。为了获得较高的器件性能，人们进行了许多研究来防止 S0 模式兰姆波能量泄漏到基板中，例如在压电薄膜下方创建气隙或将薄膜放置在由低声阻抗 (LAI) 层和高声阻抗 (HAI) 层组成的布拉格反射器上 [16]。在后一种情况下，S0 模式的行为更像表面波，通常称为纵向泄漏 SAW (LLSAW) [17]。几年前曾报道过一种基于 LN 薄膜和 SiO2/AlN 反射器基板的 LLSAW 谐振器，但由于 AlN 的声阻抗不足，其性能并不令人满意 [18]。通过在基板的反射器中使用 Pt 代替 AlN，LLSAW 谐振器的性能得到了显着改善 [19]，[20]。然而，使用金属作为 HAI 层会引入寄生电容 [21]。近年来，已报道了许多基于高速支撑衬底，尤其是SiC衬底的LLSAW器件。LLSAW器件的工作频率得到了显著提高，但谐振器的导纳比（AR）和Q因子小于基于布拉格反射器结构的LLSAW谐振器[17]，[22]，[23]。同时，Ta2O5和HfO2等金属氧化物材料在SMR-BAW谐振器和带布拉格反射器的A1模式谐振器（SMR-A1）中被广泛用作布拉格反射器结构中的HAI层[24]，[25]，[26]。这些研究证实，这两种材料可以有效地用作HAI层，而不会引入寄生电容，为进一步提高LLSAW器件的性能提供了新的研究方向。

在本研究中，设计并制造了一个 n78 波段 SAW 滤波器，该滤波器在具有 X-LN 薄膜和 SiO2/Ta2O5 布拉格反射器的分层基板上。在该基板上制造的一系列 LLSAW 谐振器在 3.2–3.7 GHz 的频率范围内表现出高 AR 和大 k2t。中心频率为 3.4 GHz 的滤波器表现出较大的 3-dB 带宽、低 IL 和出色的阻带衰减。

II. 基板和谐振器设计

图 1. (a) 基板结构示意图。(b) 不同厚度 Ta2O5 的透射系数

基板的结构如图 1(a) 所示。通过模拟确定了布拉格反射器的层数，结果表明五层足以抑制体波辐射进入基板。LAI 层的材料是 SiO2，由于其正温度系数，它具有双重用途，既可以作为 LAI 层，又可以提供温度补偿[27]。HAI 层由 Ta2O5 组成。寄生电容可以忽略不计，因为 Ta2O5 是绝缘氧化物材料，而不是金属材料。理论上，每层的厚度为四分之一波长厚度 (λz/4)，其中 λz 不是 IDT 的周期 (λIDT)，而是厚度方向的波长[20]，计算方法为 [28]

其中，f为谐振频率，v为剪切波在反射层中传播的速度，λx为IDT的周期。通过有限元法（FEM）进一步优化了各层厚度。图1（b）显示了Ta2O5厚度为200、300和400nm时的透射系数。不同厚度的Ta2O5的最佳频率分别约为4.0、3.1和2.5 GHz。因此，根据n78带滤波器的应用要求，可以通过FEM计算出使最佳频率接近3.45 GHz的Ta2O5厚度。用同样的方法计算和模拟SiO2层的厚度。结合理论计算和仿真，确定SiO2和Ta2O5层厚度分别为350和280nm。基于上述布拉格反射层厚度，采用80nm Al电极和1.8μm IDT周期（λ）的有限元法模拟了LN厚度对谐振器性能的影响。传播方向为37°，这是通过模拟确定的，以使S0模式LLSAW谐振器的k2t最大化。相应的欧拉角为（90°，90°，37°）。LN基板采用与LN压电薄膜相同的欧拉角。图2（a）给出了不同厚度X-cut LN单晶压电薄膜谐振器的导纳曲线。随着薄膜厚度从 180 增加到 450 nm（0.1λ-0.25λ），谐振频率 (fr) 从 3332 MHz 略微增加到 3370 MHz。

图 2. (a) 具有不同 LN 厚度的谐振器的模拟导纳曲线。(b) 基于布拉格衬底和 SiC 衬底的谐振器具有不同 hLN/λ 值的速度。(c) 基于布拉格衬底的谐振器的模拟 AR 和 k2t，具有不同的 hLN/λ 值。(d) 基于布拉格反射器的谐振器的模拟导纳曲线，具有不同的支撑衬底。

图 2（b）示出了基于布拉格基板（LN/Bragg 基板）（如图 1（a）所示）和不带布拉格反射器的 SiC 基板（LN/SiC 基板）的 LLSAW 谐振器的速度。对于 LN/Bragg 基板，当 LN 厚度从 0.1λ 增加到 0.25λ 时，LLSAW 谐振器的速度范围为 5998 至 6066 m/s。随着厚度的进一步增加，速度逐渐下降。当厚度达到 0.4λ 时，速度降低到 5740 m/s。值得注意的是，当 LN 厚度在如此宽的范围内变化时，声速不会相应地出现大的变化。作为比较，当 LN/SiC 基板的 LN 薄膜厚度从 0.15λ 增加到 0.4λ 时，LLSAW 的速度从 8046 米/秒迅速降至 6235 米/秒。虽然 LN/SiC 基板中的速度较高，但它高度依赖于 LN 薄膜的厚度。相比之下，基于 LN/Bragg 基板的谐振器对薄膜厚度的敏感性较低，LN 厚度波动对速度的影响最小。这种降低的敏感性有助于减轻制造不稳定性，使其更有利于滤波器的大规模生产。对于谐振器的性能，不同于 LN/SiC 衬底，其归一化 LN 厚度需要在 0.25λ 至 0.33λ 之间 [23]，基于 LN/Bragg 衬底的谐振器在 LN 厚度为 0.1λ 至 0.25λ 时具有优异的性能。如图 2(c) 所示，LN 厚度较薄的谐振器具有较高的 AR，而 LN 厚度较厚的谐振器具有较大的 k2t。在工艺允许的范围内，应考虑需要更大的 k2t 或更高的 AR 来选择 LN 薄膜的厚度。

图 3. (a) S0 模式 LLSAW 谐振器和 (b) SH0 模式谐振器的模拟导纳曲线以及插图中显示的模拟模式形状。

关于支撑衬底的材料，尽管材料速度存在显著差异，但具有LN衬底，硅衬底和碳化硅衬底的谐振器表现出几乎相同的BAW辐射谐振频率和截止频率，如图2（d）所示。这表明布拉格反射器有效地将声波限制在反射层内，防止泄漏到支撑衬底中。然而，硅衬底和碳化硅衬底的较高热导率可能会增加器件的工作温度。综合考虑器件性能和制造难度，最终的结构设计参数如表I所示。图3（a）显示了传播方向为37°的模拟谐振器。谐振器的fr和fa分别为3304和3643MHz，k2t由[29]计算

为 23.0%。在约 2.8 GHz 处存在 SH0 模式杂散响应。杂散响应不影响滤波器的通带，但会导致带外抑制性能下降。在 160◦ 的传播方向，SH0 模式响应强度达到最大值。

图 3（b）显示了 IDT 周期为 1.3 µm 的模拟谐振器。与 S0 模式 LLSAW 谐振器相比，SH0 模式谐振器的 fr 较低，为 2886 MHz，k2t 较大，为 25.9%。因此，传播方向更适合于低频但宽带滤波器中的应用。

图 3 插图中显示的模拟模态形状表明声波能量被有效地限制在压电层和布拉格反射层内。

III。实验结果与讨论

A. 制造工艺与测量

图 4. (a) 光刻后制备的 4 英寸基板的图像。

(b) IDT 和多层基板的横截面 TEM 图像。

(c) LN 薄膜的高分辨率 TEM 图像和 (d) TEM 电子衍射图案

Chimems Company Ltd. 制造了具有 X-LN 压电薄膜/布拉格反射器/X-LN 基板结构的 4 英寸晶片。谐振器和滤波器采用剥离工艺制造。滤波器采用陶瓷封装（SMD 3030）。图 4(a) 显示了光刻后制造的 4 英寸基板的图像。

所制备的器件采用矢量网络分析仪 Anritsu MS46524B 进行表征。LN 薄膜和布拉格反射器的横截面微结构采用 TEM（Tecnai G2 F20）进行表征，用于 TEM 表征的样品采用 Helios 5 CX 聚焦离子束 (FIB) 制备。IDT 的形态采用 SEM（GeminiSEM 300）进行表征。

B. 谐振器

图 4（b）显示了表面具有 IDT 的多层基板的横截面图像。它清楚地显示了 LN 单晶薄膜和由三个 SiO2 层和两个 Ta2O5 层组成的布拉格反射器。所有层都具有准确的厚度和明确的边界。图 4(c) 和 (d) 分别显示了图 4(b) 中虚线区域内的 LN 薄膜的高分辨率 TEM 图像和 TEM 电子衍射图案。这两幅图显示了规则的晶格结构，证明了 LN 薄膜具有单晶性质，从而提供了良好的压电性能。

图 5. (a) 和 (b) S0 模式 LLSAW 谐振器的 IDT 的 SEM 图像。测量的 (c) S0 模式 LLSAW 谐振器的导纳曲线和 (d) Bode-Q。测量的 (e) SH0 模式谐振器的导纳曲线和 (f) Bode-Q

基于上述衬底，制作并测量了IDT周期为1.82μm、传播方向为37°的S0模式LLSAW谐振器。IDT的SEM图像如图5（a）和（b）所示。谐振器的导纳曲线如图5（c）所示。谐振器的AR约为67.0dB。fr和fa分别为3317和3617MHz，k2t约为20.4%。与模拟结果相比，测量谐振器的fr增加了13MHz。频率偏差小于0.4%，表明模拟与测试之间具有良好的一致性。然而，与模拟谐振器相比，测量谐振器的k2t下降了2.6%。图 5(d) 显示了 Bode-Q 的测量曲线和 mBVD 拟合曲线。测量的 Bode-Qmax 为 1230，拟合的 Bode-Qmax 为 1219，远高于目前报道的 S0 模式 LLSAW 谐振器。

图 5(e) 和 (f) 分别显示了 SH0 模式谐振器在 160◦ 传播方向的导纳曲线和 Bode-Q。SH0 模式谐振器的 k2t 约为 26.3%，拟合的 Bode-Qmax 为 451。AR 的差异预计主要源于 IDT 欧姆电阻的差异。

图 6. (a) 测量不同波长谐振器的导纳曲线。(b) 测量不同中心频率谐振器的 AR 和 k2t

由于 k2t 较大，SH0 谐振器的谐振 Qmax 下降明显。如此大的 k2t 使得在较低频率下产生大带宽滤波器成为可能。为了分析谐振器在不同频率下的性能，在传播方向为 37° 处制作了几个波长从 1.6 到 2.2 µm 的谐振器。图 6(a) 显示了几个波长从 1.68 到 2.08 µm 的谐振器的导纳曲线，它表明反谐振频率在 3.5 GHz 左右的谐振器在 −65 dB 以上具有最佳性能。对于谐振点，导纳的性能应遵循相同的规则。然而，这在测量结果中并不明显，因为谐振点的导纳受到测量过程的影响。图 6(b) 显示了具有不同中心频率的一系列谐振器的 AR 和 k2t[定义为 (fr + fa)/2]。结果表明, 谐振器具有最佳的 AR (68.8 dB) , 其中心频率为 3374 MHz , 中心频率在 3.2 至 3.7 GHz 范围内的谐振器均具有良好的性能。当频率低于 3.2 GHz 或高于 3.7 GHz 时, 谐振器的 AR 急剧下降。然而, 谐振器的 k2t 似乎不受布拉格反射器结构工作频率的影响, 随着频率的增加, 从 17.6% 增加到 22.6%

表 II 列出了本研究中谐振器与其他 3 GHz 以上最先进谐振器的性能比较。不同报告的 k2t

使用 (2) 计算。基于 AlN 或 AlScN 压电薄膜的谐振器通常表现出超过 100 的高 Qmax，但它们的特点是 k2t相对较低，约为 10%，无论是在 FBAR 还是 SMR-BAW 配置中 [30], [31]。基于 LN 薄膜的 A1 模式谐振器表现出较高的 k2t

但 Qmax 相对较低，而具有气腔结构的 XBAR 谐振器表现出较大的 TCF [26], [32]。与基于布拉格反射器的 LLSAW 谐振器相比，本研究中谐振器的 AR和 k2t介于 AlN 反射器和金属反射器之间。采用AlN反射器和金属反射器的谐振器的TCF较低，而采用Ta2O5反射器的谐振器的Qmax较高。与基于LN / SiC衬底的LLSAW谐振器相比，本文中的LLSAW谐振器的AR较大，Qmax高得多。

C.滤波器

图 7. (a) 模拟的 S 参数和 (b) 滤波器的拓扑结构。

针对5G n78频段应用，基于上述谐振器设计和制作了滤波器。滤波器采用模式耦合（COMs）模型进行设计和优化。考虑到n78频段滤波器的实际应用场景，在设计过程中应注意IL和阻带衰减，尤其是n41和n79频段的衰减。图7（a）显示了滤波器的模拟S参数。滤波器的设计带宽为 300 MHz，目标频率范围为 3300 至 3600 MHz 的 n78 频段，如图 7(a) 中的阴影区域所示。七阶滤波器由 12 个谐振器组成，拓扑结构如图 7(b) 所示。组成滤波器的谐振器参数如表 III 所示。图 8(a) 和 (b) 显示了滤波器的测量 S21 曲线。滤波器的中心频率为 3.4 GHz，3-dB 带宽为 433 MHz，FBW 为 12.7%。滤波器的最小 IL 为 1.31 dB。 WiFi、n41、表三滤波器中谐振器的参数和 n79 频段的衰减分别为 38、43 和 34 dB。请注意，中心频率从 3450 偏移了 50 MHz，这可能是由于使用的 COM 参数存在误差，可以通过从谐振器中提取准确参数并修改滤波器设计来改进。

图 8. (a) 和 (b) 测量的滤波器 S21 曲线。(c) SMD3030 封装的滤波器图像。(d) 在不同工作温度下测量的滤波器 S21 曲线。(e) 测量并拟合 3.3 GHz SAW 滤波器的输出功率和 IM3 功率与输入功率的关系。

图 8(c) 显示了由 SMD3030 封装的滤波器图像。谐振器的传播方向为 37◦。滤波器中的所有谐振器都顺时针旋转了 53◦，因晶圆平面的方向垂直于 Z 轴

为了计算滤波器的 TCF，分别在 −45 ◦C、+20 ◦C 和 +85 ◦C 的温度下测试了五个封装滤波器。图 8(d) 显示了其中一个滤波器在不同温度下的 S21 曲线。观察到当温度升高时，滤波器的工作频率会移至较低频率。为了减少测量误差，分别计算了五个滤波器的 TCF。谐振器的谐振点和反谐振点具有不同的 TCF。因此对于滤波器，左通带和右通带的 TCF 也不同。左通带和右通带的 TCF 平均值分别为 −35.6 和 −40.2 ppm/◦C。图 8(e) 显示了在 3.3 GHz 下测试的 SAW 滤波器的输出功率、三阶互调 (IM3) 功率和输入功率之间的关系，突出显示了 1-dB 压缩点 (P1dB) 和输入三阶截点 (IIP3)。P1dB 是在 15.2 dBm 的输入功率下测量的，表示输出信号开始压缩。IIP3 确定为 52.3 dBm，标志着 IM3 功率曲线和扩展线性输出功率曲线的交点。滤波器的最大功率处理能力为 31 dBm，在相同的 3.3 GHz 频率下测试。这些结果表明该滤波器适用于中等功率、高线性应用。然而，应该注意的是，本研究中的谐振器中存在一系列横向杂散模式。横向杂散模式会导致测量滤波器的幅度明显变化，并且如果反谐振点接近 fa，则会导致反谐振点的性能下降。可以通过更好地设计 IDT 来抑制横向杂散模式，这将在后续工作中进行。

IV. 结论

综上所述，本文提出了一种由 X-LN 薄膜和 SiO2/Ta2O5 反射器组成的复合基板，以抑制 LLSAW 谐振器的能量泄漏并防止金属反射器的寄生电容。基于该基板制造的谐振器在 3.2-3.7 GHz 频率范围内表现出高性能。 fr 为 3317 MHz 的谐振器显示出 67 dB 的高 AR、20.4% 的大 k2t 和 1219 的出色 Bode-Qmax。中心频率为 3.4 GHz 的制造滤波器的最小 IL 为 1.35 dB，3-dB 带宽为 433 MHz，n41 频段的衰减为 43 dB，TCF 低至 −35.6/−40.2 ppm/◦C。滤波器的性能为 P1dB 为 15.2 dBm，IIP3 为 52.3 dBm，证实了其对于高线性、中功率 RF 系统的可靠性。这些结果表明，基于 X-LN 薄膜和 SiO2/Ta2O5 反射器的 LLSAW 技术为 5G NR 滤波器提供了有效的解决方案。

作者：Wei Fan , Graduate Student Member, IEEE, Dahao Wu , Graduate Student Member, IEEE, Zijie Wei,

Peiran Li, Yuedong Wang , Zijiang Yang, Jingfu Bao , Senior Member, IEEE, Yao Shuai , Bin Peng ,Chuangui Wu, Ken-Ya Hashimoto

High-Performance LLSAW Devices on X-CutLiNbO3 Thin Film With Bragg Reflector forn78 Band Applications