引言

無線通信技術在過去的幾十年中，迅速發展，通信行業經歷了從2G、3G、4G到5G的巨大跨越。濾波器作為選頻濾波器件，直接決定了通信設備的工作頻段和帶寬，在射頻前端扮演了舉足輕重的角色。伴隨5G通信極高的數據傳輸能力而來的是對濾波器高帶寬需求。如今，對各種通信制式的支持，使得現代智能手機中需要的濾波器多達幾十個。日益擁擠的Sub-6GHz通信頻帶，對射頻系統提出了更嚴苛的要求。低插損、高帶寬、高滾降系數和低溫漂的濾波器成為了通信行業的迫切需求。

由微納加工工藝制造的壓電聲學射頻濾波器，憑借體積小、低成本等優勢和出色的性能，在過去的30年中，廣泛應用在各類移動便攜設備的射頻前端。其主流技術包括聲表面波（surfaceacoustic wave，SAW）和體聲波（bulkacoustic wave，BAW）器件。在早期，表面波濾波器占據了無線通信射頻前端濾波器和頻分雙工器的主流，其性能完全符合當時的通信標準。然而，隨著通信的載波頻率的提高，SAW器件的缺點也隨之暴露，首先是其體積大且無法與互補金屬氧化物半導體集成電路工藝（CMOS）兼容，而更為致命的問題是其諧振頻率受限于襯底表面波波速和叉指電極的光刻精度，因此很難實現很高的工作頻率。此外，過小的電極會導致額外的歐姆損耗。BAW器件利用了厚度方向的縱波，縱波聲速較高。而其頻率由厚度決定，使用μm級別的薄膜就可以實現約GHz的頻率，因此BAW在工作頻率上擁有天然的優勢。此外，基于氮化鋁（AlN）的BAW器件還具有高功率容量、與CMOS工藝兼容、重復性好，品質因子（Q）高等優勢，使其在過去的十幾年中成為射頻濾波器領域的主流器件。

然而5G通信的出現，給聲學濾波器結構設計帶來了新的挑戰。首先，5G NR（new radio）使用了頻率更高的頻段，BAW濾波器的聲學和歐姆損耗隨著工作頻率急劇上升，這將導致濾波器插入損耗的增加。更為關鍵的是，5G NR頻段N78、N79和N77分別需要500、600和900 MHz的帶寬。其要求的分數帶寬（FBW）>10%，對目前市場上主流的基于AlN的BAW濾波器而言是難以實現的，因其帶寬受限于AlN的機電耦合系數。本文最后一節所介紹的基于LiNbO3的橫向體波激發器件（XBAR）或許是突破這一困境的有效解決方案之一。

圖1展示了不同濾波器技術對應的頻段和性能區間。傳統SAW/TC-SAW的頻率通常小于2.5 GHz，IHP-SAW使用高聲速層/襯底部分彌補了這一缺點，但也僅能達到3.5 GHz。BAW器件則可以工作在約1~7GHz。而XBAR則可以工作在>3 GHz的區間內，在高頻和高帶寬應用上都有很大的優勢。

壓電諧振器作為壓電濾波器的基本構成單元，直接決定了濾波器件的性能。本文將從壓電材料的選擇出發，討論各類常見壓電材料的特點，著重突出了LiNbO3薄膜的高耦合系數在高帶寬濾波器應用中的優勢。然后簡單地涉及了聲波諧振器的原理、類型、等效模型、關鍵參數等，以及基于壓電諧振器的濾波器拓撲。最后，介紹了兩種有望應用于5G頻段的基于LiNbO3薄膜諧振器的相關技術，著重突出了橫向電場激發體聲波諧振器（XBAR）的原理、設計和實現，這一技術有望在5G的Sub-6GHz頻段乃至毫米波頻段下實現傳統聲學濾波技術所無法實現的高耦合系數的諧振器及高帶寬濾波器。

圖1 射頻濾波器的市場應用和頻段分配

1、壓電諧振器/濾波器基本原理

1.1 壓電材料的選擇

壓電諧振器結構與壓電材料的選擇是密不可分的，因為壓電材料的材料特性決定了諧振器中可被電學激發的聲波或聲學模式，因此通常需要針對材料進行結構的設計以求最大程度地激發相應的聲波或聲學模式。

常見的壓電材料包括鋯鈦酸鉛壓電陶瓷（PZT）、氧化鋅（ZnO）、氮化鎵（GaN）、氮化鋁（AlN）和鈮酸鋰（LiNbO3）。表1總結了這幾種壓電材料的特性，下面將分別討論各個材料的特性。

表1 幾種常見壓電材料的材料特性

PZT廣泛應用于各種MEMS驅動器中，而且基于PZT的低頻諧振器（<20 MHz）的應用曾經有過很成功的歷史，但其在射頻諧振器和濾波器中卻鮮有應用。盡管有研究顯示基于PZT的FBAR器件可以在GHz的頻段下工作，并實現高達35%的機電耦合系數（kt2），但材料損耗導致基于PZT的FBAR的實測和理論Q值均小于100。此外，復雜的制備工藝、與CMOS工藝兼容性以及較高的材料和機械損耗都阻礙了PZT的射頻諧振器的進一步研究。

ZnO是一種直接帶隙的寬禁帶半導體材料，在SAW器件、傳感器、液晶顯示、發光顯示器等領域有著廣泛的應用。ZnO具有較穩定的介電常數（8.8）、略高于AlN的機電耦合系數（kt2=7.8%），縱波聲速約6350 m/s，橫波聲速2720 m/s。早期的FBAR研究都基于ZnO，但ZnO在聲速及機電耦合系數（kt2）方面沒有特別顯著的優勢，kt2雖略大于后面提及的AlN但遠小于LiNbO3。此外，Zn在CMOS工藝容易引入污染，因此逐漸淡出了主流射頻濾波器領域。

GaN擁有較好電學性能和機械性能，具有較寬的直接帶隙（Eg=3.4 eV），廣泛用于高電子遷移率晶體管（HEMT）、高功率器件、發光二極管中。無下電極的GaN蘭姆波諧振器的f·Q的值非常高。1.9GHzGaN蘭姆波諧振器已經證實在真空條件可以實現高達1.56×1013的f·Q值，這是目前記錄中最高的f·Q值之一，該值已經十分接近材料中由聲子損耗所限制的f·Q的極限。唯一令人遺憾的是GaN的機電耦合系數僅有2%，是所介紹的材料中最小的。

AlN和ZnO晶格類似，都是纖鋅礦結構，比后面提及的LiNbO3更容易以薄膜形式生長，材料機械Q值高，這些優點使其在GHz頻段的壓電濾波器應用中占有一席之地。AlN是一種由輕質原子構成的硬質材料，AlN聲速約是ZnO的兩倍，縱波聲速約11300 m/s，橫波聲速約6000 m/s。由于AlN薄膜制備工藝成熟，沉積薄膜質量好，是迄今為止唯一在大批量生產中表現出極高的工藝穩定性、可重復性和可制造性的壓電薄膜材料，所以目前為止AlN是BAW器件的首選壓電材料。除非另有說明，本文中默認的BAW器件基于AlN材料。

LiNbO3因其擁有很高的壓電系數和機械Q值而廣受關注，是一種擁有很強壓電性的鐵電材料。與前面提到的ZnO、AlN、GaN相比，LiNbO3擁有明顯更高的壓電系數。高壓電系數有利于實現高耦合系數的諧振器，從而實現高帶寬的濾波器。因此LiNbO3在20世紀60年代晚期就已經廣泛應用于SAW器件。但一方面 LiNbO3薄膜沉積效果很差，另一方面缺乏將高質量LiNbO3單晶薄膜轉移到其他載體上的技術，因此關于LiNbO3的新型體聲波器件的研究沉寂了一段時間。后來，受到絕緣體上硅（SOI）中使用的Smart-Cut離子切割技術的啟發，研究人員用離子切割技術將不同切向的LiNbO3薄膜鍵合到其他襯底上，例如硅或碳化硅襯底等。LiNbO3壓電系數在很多方向的分量都十分可觀，得到LiNbO3薄膜后，除了可以實現利用e33的BAW器件外，還可以實現利用剪切波或蘭姆波的橫向振動諧振器。某些特定切向的LiNbO3 FBAR、橫向振動諧振器表現出非常高的kt2和Q。

1.2 聲波諧振器原理及類型

正/逆壓電效應存在于某些晶格不對稱的晶體中。當電壓施加到這種晶體上時，靜電力使晶體發生機械形變，由于逆壓電效應，內部極化，過程中電場做功，電能轉化為機械能。當晶體壓縮或膨脹時，則由于正壓電效應，產生極化電荷，機械能轉化為電能。當激勵信號頻率等于固體結構的固有頻率時，在每半個振動周期內，電能與機械能相互轉換，產生了諧振現象。

交替的機械變形產生了以4000～12000 m/s的速度傳播的聲波。在固體內傳播的彈性波有縱波和剪切波（橫波），剪切波根據質點振動方向與媒介表面垂直和平行，又可以分為豎直（SV）、水平剪切（SH）波。在媒介表面縱波和豎直剪切波耦合形成瑞利波，縱波和水平剪切波耦合形成LOVE波。這2種在媒介表面傳播的聲波統稱為表面波（SAW）。而所謂的BAW器件中的“體聲波”則特指固體內縱波。一般而言，縱波比2種剪切波以及2種表面波都更快。這使得體聲波諧振器在同樣的波長下，更容易實現較高的頻率。

如圖2所示，展示了不同的壓電諧振器結構、聲波類型、傳播方向以及每種器件的工作頻率范圍。一般在諧振器結構中利用了表面波的器件稱為SAW器件，利用了體聲波則稱為BAW器件。由此可看出基于SAW和BAW技術的器件可實現覆蓋不同頻率的應用，其中基于LiNbO3的XBAR器件由于可以實現超過3 GHz的工作頻率而在5G應用中備受關注。圖2中的SAW特指基于LiNbO3的SAW器件，而BAW則特指的是基于AlN的BAW器件。下面將對SAW和BAW器件結構進行展開討論。

傳統的SAW器件由叉指電極和壓電襯底構成。其原理是叉指電極施加的交變電場使得壓電襯底材料產生周期形變，形成了沿著襯底面內傳播的表面波。溫度補償的表面波器件（temperature -compensated SAW，TC-SAW）則在壓電材料表面覆蓋了一層很薄的二氧化硅（SiO2），用于實現溫度補償，并在一定程度上提高了Q值。然而由于LiNbO3表面波波速較低（<4000 m/s），針對某一特定頻率設計時，需要的波長就相對較小。因此，高性能聲表面波器件（incredible high performance SAW，I.H.P.SAW）在壓電晶體層下引入了高聲速層和功能層。所謂功能層通常用于頻率補償，是可選項，高聲速層則用于限制能量的傳播，高聲速層的存在提高了表面波的波速，一定程度上改善了SAW器件的頻率表現。

圖2 不同聲波諧振器結構的示意圖及工作頻段

BAW器件核心是壓電層被上下電極所夾持的三明治結構。上下電極施加周期電壓時，壓電層在面外方向產生周期性伸縮，形成體聲波。根據實現方式，主要包含兩類型：緊固型體聲波諧振器（solidly mounted type resonator，SMR-BAW）和薄膜體聲波諧振器（thin film bulk acoustic resonator，FBAR）。二者的區別在于其使用的下面的反射邊界不同，前者利用1/4介質波長的高低聲速交替生長的布拉格反射層作為反射邊界；后者則使用固體—空氣交界面作為反射邊界。AlN FBAR從約2000年開始實現商業化后取得了巨大的成功，成為了主流的體聲波技術。因為固體—空氣反射界面相比布拉格反射層反射效果更好，使得FBAR在Q值和耦合系數方面更有優勢。而SMR-BAW的優勢則在于更高的功率容量和較好的溫漂系數，因為布拉格反射器相比空氣更利于熱量傳導，而且使用SiO2作為低聲阻抗層可補償部分溫漂系數。

對高速無線通信的追求，推動了通信系統采用更高的載波頻率和更高的信道帶寬，催生了對高頻和高帶寬濾波器的需求。例如，最新投入使用的通信頻段：3.3～3.8 GHz（B78）、3.3～4.2 GHz（B77）、4.4～5.0 GHz（B79）、24.25～29.5 GHz（B257，B258、B261）和37～40 GHz（B260），無論是絕對帶寬或相對帶寬，都比傳統通信服務高得多。如今的移動智能電話需要支持多個頻段，需要大量的微型高性能濾波器。通常，頻率小于2.5 GHz，是傳統SAW和TC-SAW器件的應用場景，因其工藝簡單，成本方面更有優勢。2.5～3.5 GHz是SAW與BAW器件的過渡區。當頻率高于3.5 GHz后，SAW器件需要越來越窄的電極，一方面導致更高的光刻成本，另一方面，窄電極引入了更高的損耗，電極發熱的增加，又導致功率承受能力下降。在3~6 GHz是常規多晶BAW器件的應用場景，然而隨著頻率增加，多晶中的缺陷導致的介電損耗越來越不能忽視，因而出現了基于單晶的BAW器件。單晶BAW相比多晶BAW在功率容量、工作頻率、器件Q值上都更有優勢。

區別于前面提到的SAW和BAW器件，橫向激發體聲波器件（laterally-excited bulk-waveresonators，XBAR）是一種相對較新的諧振器。其用于激發模式的叉指電極類似SAW，而懸空的薄膜又使其更像FBAR器件。圖3展示了基于XBAR結構5G射頻器件展示的關鍵優勢：高帶寬、高頻率范圍、具有額定功率以及高Q。以上優勢為基于聲學諧振器的5G射頻器件發展開拓了新的思路。XBAR器件的特性將在下一節進行詳細討論。

圖3 基于XBAR結構的5G射頻器件的關鍵優勢

1.3 諧振器等效模型

在表征諧振器參數和濾波器拓撲仿真時，往往需要用到諧振器的電學等效模型。通過二階微分方程對機電轉換過程進行描述，將機械域參數等效到電學域中，便得到了butterworth–van dyke（BVD）模型。進一步添加電極的歐姆損耗和材料的介質損耗后，得到了MBVD模型。

圖4（a）中顯示了壓電諧振器的MBVD模型，其中Lm、Cm、Rm分別稱為動態電感、動態電容和動態電阻，分別由機械域中的有效質量、彈性系數、粘度等效而來；C0為電學靜態電容；RS和R0分別對應電極的歐姆損耗和壓電層的介電損耗。

典型的壓電諧振器的導納響應如圖4（b），導納的幅值響應中有一個最大值和最小值，分別對應諧振器的諧振頻率fs和反諧振頻率fp。

圖4 單個壓電諧振器的等效響應

1.4 諧振器關鍵參數

在將諧振器構成濾波器前，有必要梳理諧振器的機電耦合系數和品質因子等關鍵參數。

（1）品質因子

諧振器的品質因子Q表示在一個周期內存儲的峰值能量與耗散能量的比值，由器件的損耗機制決定。諧振器中存在幾種不同的損耗機制，包括電極上的歐姆損耗、壓電損耗、聲學損耗和粘彈性損耗。以BAW諧振器為例，其主要損耗機制是剪切波和橫向泄漏波導致面內方向的能量泄漏（聲學損耗），另一方面，BAW的聲學反射邊界并不理想也會導致在面外方向的能量泄漏，這使得SMR-BAW相比FBAR結構可能存在更多的損耗。在高頻時，諧振器電極的厚度遠小于電磁波在金屬中的趨膚深度，頻率的增加或者電極厚度的減小會讓歐姆損耗增加，互連線電阻也引入了額外的歐姆損耗。此外，壓電層不是完美晶體還會導致壓電損耗和介電損耗。

實際中很難用品質因子的定義來測量諧振器的Q值。有幾種方法可以估計諧振器的Q。常用的定義是基于3 dB帶寬和Δfs諧振頻率fs來定義的，即圖4（b）中所示的Q=fs/Δfs。另一種方式利用相位求導來計算，但這種方法對測量數據的質量要求很高，且只能對諧振頻率和反諧振頻率的Q值進行表征。有一種計算在某個頻率范圍內的Q的方法，稱為Bode-Q的方法，對此作了更具體的分析和討論。

（2）機電耦合系數

機電耦合系數表示機械域和電學域之間的準靜態能量轉換效率，決定了由諧振器構成的濾波器的帶寬。高的諧振器的機電耦合系數意味著由其組成的濾波器具有更高的帶寬。另外耦合系數和品質因子的乘積還決定了壓電濾波器的插入損耗和滾降系數。因此，高的機電耦合系數、高品質因子成為MEMS諧振器和濾波器研究的普遍追求。特別是在評估無線通信系統時都一致追求更寬的帶寬，更低的插損以及在復雜的環境中對鄰近頻帶更好的抑制。

首先，壓電諧振器的壓電耦合因子（K2），K2用來描述材料在機械域和電學域之間的能量轉換效率的無量綱數。從能量角度的定義為：

其中WM是壓電材料中的機械能，WE是壓電材料中的電能，值得注意的是公式（1）定義的是材料特性，與器件結構無關，但這樣的定義很難直接應用于計算和測量。因此出現了許多不同類型的替代的定義。尤其是針對諧振器，有許多不同形式機電耦合系數的定義出現在公開發表的論文中。其中，最常用的形式包括等效耦合系數（k2eff），壓電耦合因子（K2）以及機電耦合系數（kt 2）。其中等效耦合系數keff2的計算公式為：

其中fs為某個模態的導納最大值所對應的諧振頻率，fp為某個模態的導納最小值所對應的反諧振頻率，同時K2也可以用keff2定義，具體表達為：

從公式中可以看出來壓電耦合K2比有效耦合系數keff2要大，當keff2的值比較小時2個系數的值接近，可以使用K2估計keff2。

最后一種變化形式是機電耦合系數kt2，它最初在厚度拉伸模式的諧振器中，被定義為：

在其他的報告中有一些不同的近似的形式

對于這些不同的定義方式，當機電耦合系數較小時，這些不同的定義方式得到的結果差別不大，但是當耦合系數較大時，這幾種方式計算的結果就會有較大差異，為了方便進行同一標準的比較，后文提及的機電耦合系數以及相應的計算方法全部采用機電耦合系數kt2。

1.5 濾波器拓撲結構

基于各種不同類型的濾波器拓撲，可將諧振器構成濾波器。主流的壓電濾波器拓撲包括兩種類型：梯型（Ladder）和格子型（Lattice）。梯型結構最為常用，因為與其他需要在機械域和電學域之間使用復雜耦合方式的結構不同，它所有的電學連接都在同一平面 ，很容易布局布線。盡管有時需要在插入損耗和帶外抑制之間折衷選擇，但多數情況下足夠滿足不同應用需求。事實上對于SAW 濾波器而言，其電極都分布在薄膜或襯底的同一側平面，因此只能采用這種拓撲來實現濾波器。

圖5（a）顯示了一個簡單的梯型濾波器的電路圖、諧振器導納響應和濾波器傳輸響應。該濾波器由串聯諧振器和并聯到地的諧振器組成，分別標記為Zs和Zp。所有串聯和并聯諧振器分別具有相同的諧振頻率。Zs的諧振頻率通常比Zp略低，使其諧振頻率之間存在一定的偏移量，這一偏移量大致決定了壓電帶通濾波器的帶寬。圖5（a）中，阻抗曲線Z1和Z2表示了Zs和Zp的頻率響應。在通帶中心頻率處，Z1最小，對信號通路的衰減最小，而Z2最大表現得像開路，因此幾乎所有信號都可以從串聯支路通過，極少信號會泄漏到地。通過降低諧振器諧振時的等效電阻，即提高Q值，可以降低通帶的插入損耗。這也是為何Q值是諧振器的關鍵指標之一。

圖5（b）顯示了格子型濾波器拓撲的電路圖、諧振器頻率響應和濾波器傳輸響應。與梯型濾波器類似的，串聯支路和并聯支路的諧振器分別標記為Zs和Zp，Zp頻率略低于Zs。所不同的是這一拓撲實現帶外抑制比相同數量諧振器的梯型濾波器要高得多，但滾降系數變差。因此，在BAW濾波器中，通常結合這兩種拓撲同時使用，從而實現較高的抑制比和滾降系數。

圖5 主流壓電濾波器濾波器拓撲

圖6展示了一個BAW濾波器實例的拓撲、實物圖和S參數頻率響應。其應用了前面提到的兩種拓撲，同時實現了高抑制比和高滾降系數的濾波器。

圖6 實用的BAW濾波器

2 、基于LiNbO3薄膜的5G諧振器和濾波器

5G通信對單個射頻前端器件的性能、功耗和頻譜利用效率等方面都提出了更高的要求，因此開發下一代射頻（RF）前端器件已經引起了廣泛的研究興趣。如今LiNbO3 SAW、AlN BAW，尤其是AlN BAW器件，正廣泛應用于移動通信終端。然而，如今這些商業上主流的聲學濾波技術在應對5G通信的高頻和高寬帶需求時捉襟見肘，因此亟需一種新型的技術來替代現有的技術。隨著技術的進步，LiNbO3薄膜的制造逐漸成熟。人們已經可以將LiNbO3單晶薄膜高質量地轉移到其他襯底上。LiNbO3擁有的高壓電性，低損耗特性有助于實現高帶寬、低插損的濾波器，這一點已經在SAW器件上得以體現，薄膜的出現意味著有望實現高頻率器件。高頻和高帶寬雙特性的加持，使LiNbO3有望成為可用于5G頻段的高性能諧振器與濾波器。下面將介紹LiNbO3切向的選型，并以2種基于LiNbO3薄膜的器件來舉例說明LiNbO3平臺在5G應用前景。

2.1 LiNbO3切向選型

LiNbO3晶體具有高度各向異性，除了材料本身以外，還需要關注其切向。特定聲學模式的激發與特定切向是密切相關的，因為當切向變化的時候，其材料參數也發生了變化。其中最為關鍵的是與壓電效應有關的參數。

表2中顯示了LiNbO3的幾種常見切向的壓電應力常數：e33、e15和e16。

表2 幾種常見切向的LiNbO3的壓電應力常數

如今，豎直方向縱波主要利用e33；厚度剪切波主要利用e15；水平剪切波主要利用e16。所以，理論上對于FBAR器件較為優選的切向是Y-36切向；厚度剪切波較為優選的是Z和Y-128切向；水平剪切（SH）波則可以是X，Y和Y-36。然而實際中的器件，由于壓電系數在很多方向存在較大分量的緣故，常常導致在一個頻率附近可能存在很多其他模式的諧振峰，導致導納曲線看起來雜亂無章。因此壓電系數的相對大小僅能給器件的切向選型做一個大致的參考。

事實上，壓電系數只決定了耦合系數，而決定器件頻率的另一個非常重要的指標是聲波的波速。近期，基于LiNbO3薄膜的S0、SH0器件已經展示出了極高的耦合系數，但這些模式的低波速使得光刻精度較差條件下的實現的器件頻率較低，尚未有合適的應用場景。縱波和高階蘭姆波都有較高的波速或許是可利用的聲學模式，后面將詳細對其進行討論。

2.2 基于LiNbO 3薄膜的FBAR諧振器

AlN FBAR在商業上取得了巨大的成功，因此自然而然的，人們也設想將類似的結構應用在LiNbO3薄膜上。但由于LiNbO3無法實現高質量生長，且沉積技術局限于生長c軸取向（Z切）的薄膜，但基于Z切LiNbO3的FBAR效果并不理想。因而目前只能借助離子切割技術將LiNbO3單晶薄膜鍵合到所需的襯底上，這也給基于LiNbO3的FBAR制造造成了一定困難，因為通常LiNbO3薄膜會鍵合到整塊金屬層上，而很難對底電極進行圖形化。盡管如此，還是有研究者通過較為復雜的工藝實現了FBAR的實例。

表3展示了部分基于LiNbO3薄膜的FBAR的研究成果。可以看到表中的器件大多都使用了在Y-36或其對稱的Y-164附近的切向（由于晶格對稱性Y-36與Y-164切向的材料屬性完全一致）。值得一提的是，其中唯一的Z-切的FBAR使用的是由CVD生長的LiNbO3薄膜，與其他轉移的單晶薄膜相比，無論是kt2還是Q都相形見絀。然而轉移的LiNbO3薄膜厚度直接確定了FBAR的頻率。受限于薄膜厚度，目前LiNbO3的FBAR尚未超過3 GHz，盡管仍然可應用于5G N41（2515-2675MHz）頻段，但還無法滿足5G其他頻段（N77/N78/N79）的需求。

表3 LiNbO3薄膜的FBAR器件性能

2018 年，Yang等實現了一種基于LiNbO3薄膜的反對稱蘭姆波諧振器，2019年時也被Plessky等稱為橫向激發體聲波諧振器（XBAR）。這一技術的出現有望解決FBAR所面臨的困境。

2.3 LiNbO3薄膜的XBAR諧振器

2.3.1 反對稱型蘭姆波

在深入XBAR的技術細節之前，有必要了解其所利用反對稱蘭姆波。

蘭姆波是板波的一種，是由兩個平行表面限定的縱波和剪切波（橫波）相互耦合形成的應力波。參與振動的質點位移，不僅在傳播方向上存在分量，在垂直方向上也有，其運動軌跡呈橢圓形。蘭姆波有2種基本類型，即對稱型和反對稱型蘭姆波。兩種類型的區別在于質點相對于板的中心線是做對稱還是反對稱型運動。

圖7是典型的對稱和反對稱型蘭姆波剖面圖。圖7（a）中，質點運動方向相對中心線是對稱的（鏡像對稱，即中線兩側垂直分量相反，水平分量相同）；圖7（b）中質點運動相對中心線是反對稱的（在中線兩側垂直分量相同，水平分量相反）。

圖7 基本蘭姆波模式

當蘭姆波在垂直傳播的方向存在n個半周期，稱其為第n階的蘭姆波。將第n階對稱型蘭姆波記為Sn，第n階反對稱型蘭姆波記為An。特別的，若厚度方向不存在周期，則記為S0或A0。圖8顯示了從第1到第7階的反對稱型蘭姆波，即 A1～A7的模態。這的二維模態在左右兩側都使用了周期邊界條件，即對應無限大平面的情形。圖中彩色表示位移量的大小，箭頭表示位移方向，而黑色虛線表示應力分布。實際上，在偶次諧波中，電場和應力積分為零，機電耦合系數為零，偶次模態是無法被激發的。

從圖8的模態中可以看出，高階的反對稱蘭姆波主要表現為厚度剪切波，因此主要靠e15激發。

圖8（a）~（g）分別表示第1到第7階的反對稱蘭姆波模態，分別記為A1到A7（表面的彩色表示質點位移量，箭頭表示位移方向。黑色虛線表示縱向的應力場強度）

2.3.2 LiNbO3薄膜XBAR諧振器

前面提到，XBAR利用的是反對稱型蘭姆波。事實上，盡管工作在射頻頻段的基于LiNbO3薄膜的A1諧振器最近才被展示，但早在1986年，Mizutaui已經對LiNbO3中的A1模式進行過理論研究，并且當時已說明Z和Y-128切向是較為優選的實現A1蘭姆波的切向。1994年，Jin展示了基于Y-128切向LiNbO3體材料沿著x軸方向傳播的A1模式諧振器，指出了厚度波長比越小，耦合系數和波速越高；并且進一步指出，當厚度波長比很小時，高階反對稱蘭姆波主要進行厚度方向的剪切運動，即準厚度剪切波。

圖9（a）顯示了，Z切薄膜A1～A7的頻率(f)與厚度(t)乘積和厚度波長比(t/λL)的關系。可以看到，當t/λL較小時，An模式的f·t幾乎不變。這意味著當t/λL較小時，頻率與橫向的波長λL幾乎無關。n階模式的f·t相應地近似為一階的n倍。圖9（b）則顯示，對A1模式而言，t/λL越小，耦合系數越高，而An (n>1)則幾乎不隨t/λ L變化。

如今，得益于LiNbO3薄膜轉移技術的出現和微納加工工藝的進步，使的工作在射頻頻段的A1模式諧振器即XBAR，成為了現實。圖10展示了典型XBAR的器件結構，包括（a）俯視圖、（b）正視圖和（c）側視圖。

圖9 Z切LiNbO3薄膜中A1，A3，A5和A7模式

圖11（a）顯示了典型的XBAR從A1～A7模式的頻率響應。圖11（b）則顯示只有2個電極，兩側加周期邊界條件時，薄膜在x方向的位移。與圖9類似，在厚度A1～A7的位移分別形成了1、3、5和7個半周期。An模式的耦合系數隨n的增加依次減弱。只是在電極下方橫向電場變弱，因此位移看起來被電極隔斷了。事實上，An模式耦合系數大約是A1模式的1/n2倍，即耦合系數與階次n的平方成反比。

圖10 XBAR的三視圖

表4總結了一些較為突出的XBAR的工作，主要是A1模態，也有少量基于A3、A5模態。如前所述，Z和Y-128切向是厚度剪切波較為理想的切型，因此多數設計都基于這兩個切向。另外，與表2所反映出的特性基本一致：Y-128切向的LiNbO3擁有最大的e15，所以表4中Y-128切諧振器擁有最高的耦合系數。

圖11 基于XBAR的非對稱模式（A1-A7）

表4 基于LiNbO3薄膜的XBAR性能

此外，從表4中可知大部分的設計使用的厚度波長比都遠小于1，以實現較高的耦合系數。并且一些高階的XBAR非對稱模態已經接近或達到了5G毫米波對應的頻段。

2.4 基于XBAR的5G濾波器

至此已經較為完整的討論了基于LiNbO3薄膜XBAR的優選切向、聲學模式、器件結構和不同切向下的性能，下面將討論XBAR在5G濾波器中的應用。

在壓電濾波器拓撲中，至少需要兩種頻率的諧振器構成濾波器。為了實現較高的耦合系數，大多情況下厚度波長比很小，使得XBAR頻率幾乎只與厚度相關，很難通過叉指實現較大范圍的頻率調整（大約是數百MHz）。為此，研究人員提出了類似AlN FBAR上的解決方案。一種方案是采取局部減薄的工藝，通過刻蝕使一部分壓電薄膜減薄，實現較高的頻率諧振器。另一種方案則在相對較低頻率的諧振器上額外覆蓋一層材料，例如SiO2。這樣可以得到可用于構建濾波器的2種諧振器。

圖12中顯示了一種采用局部減薄工藝的XBAR濾波器制造。其流程為：（1）轉移的LiNbO3薄膜襯底；（2）使用ICP-RIE工藝刻蝕釋放孔；（3）對部分區域的LiNbO3薄膜進行減薄；（4）沉積頂電極和電感等；（5）～（7）為沉積和定義用于減小互連線；（8）氣相刻蝕釋放器件。此工藝通過控制LiNbO3薄膜不同區域的厚度實現了不同器件的工作頻率進而實現了同一襯底上構建濾波器的目的。

圖13展示了局部減薄工藝中所實現的XBAR濾波器實例，包括其在電磁仿真軟件中的三維設計圖，加工后器件的SEM圖和濾波器的傳輸特性測量結果。所展示的基于7階反對稱Lamb波模式（A7）的諧振器具有0.7％的機電耦合，在19GHz時具有2.4％的3 dB FBW和1.4 mm2的占位面積。

圖12 一種采用局部減薄的XBAR濾波器工藝流程

圖14展示了一個實際的XBAR濾波器的電路拓撲、光學顯微鏡圖像和實測圖。這一濾波器采用了在部分區域沉積額外的SiO2，來降低圖14（a）Sh1和Sh2諧振器諧振頻率。該濾波器實現了約2 dB的插損，600 MHz的帶寬，可滿足5G N79頻段的要求。

濾波器所關注的技術指標包括中心頻率、帶寬與插損等，表5總結了一些突出XBAR濾波器的工作。部分工作已經可以滿足5G NR某些頻段的需求。

圖13 由局部減薄工藝所實現的XBAR濾波器實例

圖14 一種局部增加SiO2的XBAR濾波器

表5 XBAR濾波器的性能

3、結論

基于鈮酸鋰（LiNbO3）的體聲波諧振器/濾波器，其頻率和帶寬都與5G NR完美契合。基于LiNbO3薄膜的XBAR器件可實現現有的SAW和AlN BAW無法企及的高頻率和高耦合系數，同時實現相對較高的Q。這些特性，使得這一技術有望在未來廣泛應用于高性能的5G頻段的諧振器/濾波器。

在本綜述中，介紹了壓電諧振器的原理、類型和關鍵參數。總結了有關壓電諧振器的不同材料、設計和特性的詳細信息，突出了基于LiNbO3薄膜的諧振器/濾波器具有高耦合系數、高帶寬、高諧振頻率的特性，這些特性使得LiNbO3平臺有望滿足5G通信對濾波器的需求。最后，以FBAR和XBAR兩種有望應用于 5G頻段器件為例，介紹了其相關技術與研究現狀，著重突出了XBAR的原理、設計和實現。基于特定切向的LiNbO3薄膜的反對稱Lamb波模式諧振器可實現3 GHz至毫米波頻段的高、寬頻率響應。借助局部減薄和氧化層覆蓋2種工藝可在LiNbO3薄膜上得到兩種以上的不同頻率諧振器，實現了5G NR頻段至毫米波頻段的濾波器制造。基于XBAR技術的諧振器/濾波器已經在5G的應用中展示出強大潛力。

責任編輯：lq6