基于SOI襯底的寬帶低損耗聲表面波濾波器研究

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.中國科學院聲學研究所，北京100190)

0 引言

聲表面波(SAW)濾波器廣泛應用于雷達、通信電臺等技術，具有信號隔離、選通、抑制干擾信號的作用。隨著通信技術的發展，對射頻濾波器提出了更高的要求，如大帶寬、低損耗、高溫度穩定性等,常規的SAW濾波器難以滿足上述新需求。近年來，SOI襯底能很好地應對這些挑戰[1]。日本村田(Murata)公司報道了結構為LiTaO3/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。法國Soitec公司制備的LiTaO3/SiO2/Si的SOI襯底同樣具有優異的性能，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LiTaO3/SiO2/Si的SOI襯底進行分析，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，優化設計參數，抑制橫向模式，研制出高品質因數(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電耦合系數密切相關。SOI襯底的各層材料厚度對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)。采用有限元法對42°Y-XLiTaO3襯底和42°Y-XLiTaO3(600 nm)/SiO2(500 nm)/Si層狀結構SOI襯底進行分析，二者的機電耦合系數(K2)如圖1所示。

圖1 42°Y-X LiTaO3和42°Y-X LiTaO3/SiO2/Si層狀結構的機電耦合系數

由圖1可見，42°Y-XLiTaO3/SiO2/Si層狀結構的襯底在金屬膜厚波長比為0.02～0.10，其機電耦合系數均大于14%，比常規的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結構的SOI襯底能將聲表面波能量集中在表面，能量損耗較常規的42°Y-XLiTaO3單晶體材料更小，故能得到更高的Q值，進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點位移分量(見圖2)可知，42°Y-XLiTaO3/SiO2/Si層狀結構的質點位移更集中在表面，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體材料質點位移

2 器件設計與分析

2.1 諧振器設計與分析

采用42°Y-XLiTaO3/SiO2/Si層狀結構的SOI襯底制備單端諧振器，并測試其BodeQ值。該單端諧振器換能區域為200根叉指，左右反射柵分別為20根指條，孔徑為20λ。圖3為單端諧振器的導納圖。由圖可見，諧振器的諧振頻率為1.5 GHz，阻抗比高達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，在諧振頻率和反諧振頻率之間存在寄生響應，這是由橫向模式諧振引起的。

圖3 制備的單端諧振器的導納圖

圖4 諧振器的Bode Q值

橫向模式引起的寄生響應會在濾波器的通帶中造成波紋，導致損耗增大，帶寬減小，故而需要抑制此響應[3]。切趾加權是常見的抑制橫向模式的方法，但此方式會導致Q值下降。Piston模式是另一種抑制橫向模式的方法，但其在高頻細線寬時的加工難度較大。橫向模式是垂直于SAW傳播方向的波導中的諧振，如果抑制波導在該方向兩個邊界的對稱性，則橫模的產生將會減少。因此，本文采用傾斜換能器來抑制橫向模式。諧振器結構如圖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 諧振器傾斜結構示意圖

同樣測試該傾斜結構諧振器的導納，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，這表明傾斜結構可用于濾波器的設計。

圖6 傾斜結構諧振器的導納

2.2 濾波器設計與分析濾波器設計與制備

對于SAW器件的優化設計，耦合模(COM)模型是常用的一種方法。COM模型是唯象模型，參數需要外部提取，COM參數的精確度直接影響SAW器件的模擬結果。對于SOI襯底而言，COM參數是色散的，因此需要精確提取色散COM參數。本文采用有限元法對SOI襯底進行分析，建立有限長單端對諧振器模型，并計算其導納曲線，找出與柵格中傳播的SAW色散關系相關的特征量，提取COM參數。同時結合所使用的材料和工藝，精確修正了COM參數，得到的耦合模參數如圖7所示。圖中，η為穿透系數，ε為反射系數，K2為機電耦合系數，c為聲速修正系數。

圖7 42°Y-X LiTaO3/SiO2/Si襯底的耦合模參數

在2.1節諧振器設計的基礎上，采用梯形結構設計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，相對帶寬達到5.4%，阻帶抑制大于40 dB，插入損耗僅為-1.2 dB，測試結果與仿真結果基本吻合。測試曲線的通帶波動與仿真曲線也吻合較好，證明所使用的COM參數準確。此外，由實測頻響曲線放大圖(圖中藍線)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。此濾波器性能優于常規LiTaO3單晶體材料制備的濾波器性能，具有很高的實用價值。

圖8 濾波器的仿真和測試頻響曲線

2.2.2 溫度穩定性分析

溫度穩定性對于高頻聲波器件的應用非常重要。提高溫度穩定性的常用途徑有兩種：

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

2) 將SiO2作為中間層而非表面覆蓋層來提高溫度穩定性。SiO2作為覆蓋層能有效起到溫度補償作用，但此法易導致表面不平坦，進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，可應對濾波器在更大溫度范圍內的挑戰。在SOI襯底中，SiO2作為中間層能起到溫度補償的作用，且其位于壓電層下方，不會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由彈性溫度系數和熱膨脹系數(TCE)決定。LiTaO3的TCE較大，通過將鉭酸鋰與低TCE材料二氧化硅結合，人為抑制頻率溫度系數中的TCE部分，從而獲得較小的頻率溫度系數[5]。

圖9為對制備的濾波器進行在線三溫測試圖。由圖可見，該濾波器的溫度系數在-55～+85 ℃優于-9×10-6/℃，具有很高的溫度穩定性。這表明，此SOI襯底具有優于常規體材料的溫度穩定性，可用于高溫度穩定性器件的設計與制備。

圖9 濾波器的在線三溫測試頻響曲線

3 結束語

采用42°Y-XLiTaO3(600 nm)/SiO2(500 nm)/Si層狀結構的SOI襯底，制備了諧振頻率為1.5 GHz，Q值高達4 000的單端諧振器，并驗證了傾斜換能器對橫向模式抑制的有效性。采用梯形結構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，相對帶寬達到5.4%，阻帶抑制大于40 dB，在-55～+85 ℃的溫度系數優于-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，性能優于常規單晶體材料制備的濾波器。實驗結果表明，該SOI襯底不僅能在較寬的范圍內實現高Q值，而且能夠靈活實現較寬的帶寬和高溫度穩定性，很好地滿足了現代通信系統對大容量信息交換、低損耗、高頻、寬帶、高抑制的需求。