赵 钊,高 杨,2,张树民

(1. 西南科技大学 信息工程学院，四川 绵阳 621010；2. 特殊环境机器人技术 四川省重点实验室，四川 绵阳 621010；3. 杭州左蓝微电子技术有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

自20世纪60年代末期声表面波(SAW)技术问世以来，凭借半导体制作工艺，通过光刻大批量生产，各类SAW器件(如SAW滤波器、SAW传感器等)在雷达、通信、导航和电子对抗等领域获得了广泛应用。

通信产业的高速发展为SAW滤波器提供了更广阔的市场空间，同时也带来了更多的挑战。第五代移动通信时代的到来，对SAW滤波器性能(如工作频率、带宽、矩形系数和插损等)提出了越来越高的要求。同时，微声SAW滤波器通常采用多个串、并联SAW谐振器的梯形、格型或两者混合型的电路结构级联而成，SAW谐振器的性能(如频率、机电耦合系数、品质因数等)直接决定着滤波器的各项指标，其中以谐振器的品质因数(Q)值最重要。如对于微声滤波器中应用最广的带通滤波器(BPF)，谐振器的频率决定了滤波器的工作频率，机电耦合系数决定了BPF的带宽，谐振器的Q值则直接影响BPF的矩形度和插入损耗。因此，研究高Q值SAW谐振器对于高性能SAW滤波器至关重要。

SAW谐振器是各类新型SAW传感器表头的核心元件。传感器灵敏度受谐振器Q值的影响，对于应用范围更大的无源无线SAW传感器，SAW谐振器Q值还直接决定传感器的无线查询距离[1]。因此，研究高Q值SAW谐振器不仅能提升各类SAW传感器的灵敏度，还是提升无源无线SAW传感器信号查询距离的有效措施。

本文介绍了影响SAW谐振器Q值的因素，概述了日本Murata公司的IHP SAW系列产品，引出了高Q值SAW谐振器的衬底结构,即异质声学层结构，指出异质声学层结构本质为一维声子晶体。介绍了可通过在谐振器压电层面内构建2D声子晶体的方式，进一步改善压电层面内声能约束。最后展望了高Q值SAW谐振器的整体结构：以氮化铝基材料薄膜为压电层、在谐振器多个位置构建声子晶体进行声场能量约束的结构。

1 影响SAW谐振器Q值的因素

SAW谐振器Q值是谐振器中能量损失的度量，其可表征为

(1)

式中：q1为存储峰值能量；q2为每个周期消耗的能量。图1为影响SAW谐振器Q值的因素(即能量泄露情况)[2]，即：

图1 影响SAW谐振器Q值的因素

1) 在衬底的深度方向上存在目标声学模式能量的泄露,以及其与体波分量耦合导致的模式转换。

2) 在压电层面内存在SAW工作模式能量的横向泄露和侧向辐射。

3) 电极方面存在电极欧姆损耗。

4) 在材料方面存在材料的粘性损失。

能量在衬底深度方向和压电层面内的损失是导致SAW谐振器Q值较低的主要原因。由此可见，研究高Q值SAW谐振器的重点在于研究能有效地减少声场能量耗散的衬底结构。

2 IHP SAW

目前，在高Q值SAW谐振器的研究进程中，最具代表性的产品当属日本Murata公司的IHP SAW系列产品。为有效约束声场能量，Murata公司提出了两种衬底结构[3]，如图2所示。

图2 Murata公司两种SAW谐振器衬底结构

图2(a)中，通过在压电薄膜下构建布喇格声反射层，形成具有高能量反射效率的复合支撑衬底。低声阻抗层和高声阻抗层间的阻抗差异大小决定了布喇格声反射层对目标声学模式的反射率大小，其差异越大，反射率越大。基于此，Murata公司先后以纵向漏型声表面波(LLSAW)为工作模式，设计了两款SAW谐振器，其结构及激发的波位移分布如图3所示。图中λIDT为设计谐振器的周期。

图3 两种基于布喇格反射层的SAW谐振器结构及其波位移分布

2013年，基于LiNbO3(LN)/SiO2-AlN布喇格声反射层/玻璃基板的衬底结构SAW谐振器[4]被提出，如图3(b)所示。由于SiO2与AlN的声阻抗差异不大，导致此布喇格反射层结构对目标声学模式的反射率不高，对能量的约束力度不足。由此，2018年，以声阻抗差异更大的SiO2-Pt代替SiO2-AlN组合[5]，构成布喇格反射层，加上Si基板组成谐振器衬底结构，如图3(a)所示。由两种结构的波位移分布对比可知，以LN/SiO2-Pt布喇格声反射层/Si基板为衬底结构能够更好地将声场能量约束在压电层表面，其制备的谐振器性能较好(在3.5 GHz处Q=664，5 GHz处Q=565，高于传统LN单层衬底谐振器)。

由图2(b)可看出，利用声波在高声速层和低声速层界面传播时会被引导至低声速层，以压电薄膜和高低声速层构建衬底结构来限制声波能量向衬底泄露。基于此结构，2019年，Murata公司报道了一种制作在50°YX-LiTaO3/SiO2/AlN/Si衬底上、工作模式为水平剪切型漏声表面波(SH-LSAW)的谐振器[6]。对比传统单层LT衬底结构和基于图2(b)结构的SAW谐振器能量集中度(见图4)[6]可见，SiO2和AlN的高低声速特性几乎将声波完全集中在压电层表面，使得制备的谐振器具有高Q值(1.9 GHz处Q值达4 000，0.9 GHz处Q值可达6 000，传统结构的LT基SAW谐振器在1.9 GHz处Q值最高仅1 000)。即使将50°YX-LT/SiO2/AlN/Si衬底结构中的高声速层AlN去除(基底Si中体波声速高于压电层中工作模式的声速，由此可将Si层作为高声速层)，将结构简化为3层(50°YX-LT/SiO2/Si)，仍能很好地将声场能量约束在压电层。

图4 高低声速层构建的IHP SAW谐振器衬底结构及其能量集中度

图2的两种衬底结构统称为“异质声学层”(HAL)结构，即以压电薄膜作为压电层，复合结构(如布喇格反射层加Si基底)作为异质支撑基底构成的谐振器衬底结构。分析IHP SAW系列谐振器中HAL结构的实质作用，由此可发现其本质是一种一维声子晶体，论述如下：

1) 当Murata公司开始强调叠层HAL结构中材料声速特性时，证明此时的HAL结构已不是布喇格声反射器。

2) 2009年，A. Khelif等[7]在以铝、钨周期性排列构建的一维叠层声子晶体中，引入压电层作为缺陷层，提出了一种基于一维声子晶体的“用于SAW的全向带隙反射器”，即在一个特定频段内可实现压电层(缺陷层)任意入射/极化方向声波的全反射，将弹性能约束在压电层。反观HAL结构，同样认为利用压电层和叠层结构(布喇格反射层或高低声速层)可实现将弹性波约束在压电层(缺陷层)的功效。

3) 布喇格声反射器是全向带隙反射器在特定条件下(波矢量为0处)的退化形式。

由此可见，HAL结构本质上作为一维声子晶体，能够很好地引导SAW谐振器中目标声学模式在压电层表面传播，极大地减少谐振器深度方向上的能量损耗，从而提升谐振器Q值。

3 声子晶体

声子晶体一般由不同材料通过周期性排列构成，其基本特性：带隙范围内弹性波在声子晶体中传播时会被抑制，而处于其他频率的弹性波可传播[8]。并由此可在周期性结构中引入缺陷结构，利用声子晶体实现对特定频率声波的波导特性(即当在一个完美声子晶体结构中去掉一些周期结构或使某些周期结构的结构参数或材料参数改变时，声子晶体中将会引入缺陷层或缺陷带，导致弹性波只能沿缺陷层或缺陷带传播[9])。

由第2节可知，在SAW谐振器衬底结构中构建一维声子晶体(即HAL结构)能实现深度方向上的能量约束。此外还可利用声子晶体的两种特性在压电层面内构建二维声子晶体结构，进一步减小声场能量损耗、约束目标声学模式的传播路径，提升谐振器Q值。结合声子晶体对特定频段声波的强反射特性，可在SAW谐振器电极的汇流条两端插入二维声子晶体结构，以抑制声场能量的横向泄露，同时还可有效地减小如在兰姆波谐振器中由声波通过悬臂梁泄漏到基板的锚点损耗[10]。2021年，Yinjie Tong等[11]在AlN基SAW谐振器上构建了由铂柱组成的声子晶体阵列，如图5所示。由图可看出，声子晶体的构建对谐振器谐振频率无影响，不会引入杂散模式。通过对构建声子晶体的优化设计，使谐振器Q值提升了约53%(在532 MHz频点处，谐振器Q值由1 545提升至2 361)。

图5 在谐振器汇流条两端构建Pt柱声子晶体阵列

根据声子晶体对特定频率声波的波导特性，可在SAW谐振器声波的传播路径上构建二维声子晶体，以减小能量损失。在输出、输入叉指换能器间构建2D声子晶体，其结构如图6所示。通过在周期性声子晶体结构中改变材料参数或其结构参数，引入缺陷带，引导SAW无耗散的在两个IDT间传播，减少声波能量的侧向辐射，进而提升Q值。M Richardson等[12]为提高石英衬底SAW延迟线的功率传输能力，在发送与接收叉指换能器间添加了1组嵌入到石英压电衬底的钽(Ta)填充微腔面阵(即2D声子晶体)，利用声子晶体的波导特性，将器件插入损耗降低了17.93 dB(延迟线插入损耗与其谐振器Q值成反比)。

图6 在SAW传播路径上构建声子晶体波导结构

综上所述，通过在衬底纵向上构建1D声子晶体和在压电层面内构建2D声子晶体可实现对SAW谐振器声场能量的全3D约束，进而提升谐振器Q值。

4 AlN基SAW谐振器

IHP SAW系列谐振器的结构完全基于铌酸锂或钽酸锂薄膜而成，其产品性能基本代表了商用级SAW器件的最高水平。目前能够与IHP SAW系列谐振器在性能方面有竞争力的SAW器件有AlN基SAW谐振器。

AlN凭借自身材料机械Q值高，薄膜制备工艺成熟，沉积薄膜质量好，一直是体声波(BAW)器件的首选压电材料[13]。近年来，随着对掺杂AlN材料的深入研究，材料压电性显著提升[14]，使其在SAW领域受到越来越广泛的关注。

针对基于掺杂AlN的SAW谐振器已有一系列的基础研究。如Masashi Suzuki团队[15-17]先后在2018年和2020年研究了LLSAW和LSAW在AlScN薄膜/高速基板(如石英、蓝宝石)上的传播特性。实验发现，当改变AlScN薄膜的欧拉角和膜厚、石英基板的切向等条件时，工作声波模态(LSAW和LLSAW)与其他泄露声波模态(各种体波)的耦合关系发生了明显的改变。图7是LLSAW谐振器中以不同切向的石英为支撑基板，各声波分量与掺Sc氮化铝薄膜厚度(h/λ，λ为波长)的关系[16]。由图可知，当石英切向为X30°Y、h/λ=0.09时，与LLSAW发生耦合的快剪切体波分量和慢剪切体波分量达到最小值，表明此时LLSAW与快剪切分量和慢剪切分量发生明显解耦，此结构对应的LLSAW谐振器Q值最大，仿真值为3 160(针对LSAW，Masashi Suzuki团队仿真得到的SAW谐振器最高Q值达21 610)。此外，2021年， Farouk Ldoudi等[18]报道了掺铬氮化铝薄膜在c切蓝宝石衬底上的SAW谐振器性能。研究表明，掺铬量的变化可改变材料压电性，并影响谐振器Q值，1 250 MHz处Q值可达8 314。

图7 不同石英切向中各声波分量与h/λ的关系

在LN/LT基HAL结构的基础上，2021年，HuiLing Liu等[19]提出了一种基于AlScN薄膜/SiO2/AlN/Si基板的HAL结构SAW谐振器，如图8所示。由图可知，在特定频段(2～3 GHz)，该结构激发了3种SAW模态(瑞利型LSAW、水平剪切型LSAW和Sezawa模(一种高阶声表面波))。通过改变ScAlN薄膜欧拉角和膜厚，能够调节压电层激发的声波模态，从而根据实际谐振器性能需求选择最合适的声波作为工作模式。如选择传播衰减最小的瑞利型LSAW，制得的谐振器具有最大Q值(2.3 GHz频点处谐振Q值达2 004)。

图8 基于AlScN薄膜/SiO2/AlN/Si的HAL结构SAW谐振器

通过对掺杂AlN基SAW谐振器的一系列研究发现，AlN基SAW谐振器发展前景较好。与基于LT/LN的SAW谐振器相比，其优势如下：

1) AlN薄膜制备工艺成熟，且各种异质集成的AlN晶圆可借用商业化成膜集群设备制备。对于LN/LT薄膜，目前主要采用smart-cut工艺进行制备[20]。

2) 纯AlN的相速度可达6 000 m/s，远高于LT/LN的适宜相速度(通常为4 200 m/s)[21-22],尽管掺杂在一定程度上可能会降低声波速度，但与LT/LN相比，其更易满足5G通信的高频设计。

3) 基于掺杂AlN叠层结构的SAW谐振器不仅能够通过改变压电层下高速基板的切向和AlN膜厚来改变目标声波模态与其泄露体波的耦合关系，还可通过改变自身压电材料的欧拉角调节声场分布。两者都可实现对谐振器性能的优化设计。

4) AlN中的掺杂材料具有多样性，且同种材料的掺杂量不同，对谐振器性能影响也不同。由此基于AlN的谐振器具有更多的选择性和可能性。

5) 通过构建声子晶体可实现对谐振器能量的三维约束。与LT/LN相比，AlN材料体系有更好的IC工艺兼容性，更有利于声子晶体的构建。

综上所述，基于掺杂AlN的SAW谐振器在设计方面具有更大的设计自由度，在创新研究方面则具有更多的可能性。从诸多文献的共同作者、发表日期分析表明，近年来，日本山梨大学关于AlN基高性能SAW器件方面的基础研究得到了Murata公司的相关支持，这表明AlN基SAW谐振器具备良好的研究发展前景。

5 结论

本文通过概述目前高Q值SAW谐振器的研究进展，综合得出以下结论：

1) 对SAW谐振器衬底深度方向的能量约束，主要结构为异质声学层(HAL)结构。

2) HAL结构本质为基于一维声子晶体的波导结构。

3) 通过在谐振器压电层面内构建多个2D声子晶体，可进一步改善压电层面内的声能约束。

4) AlN基SAW谐振器具备良好的发展前景，且未来高Q值SAW谐振器的理想结构可能是以AlN基材料薄膜为压电层，衬底和压电层面内多个位置构建声子晶体，实现声能的全方位约束。