硅基铌酸锂异质晶圆实现界面增强的薄膜SAW器件

MEMS 2025-06-16 07:00

【技术公开课】四大精密仪器方案，破解电子研发“速度与成本”难题 超越单处理器嵌入式系统的演进

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导读

本文主要介绍香港科技大学RFMY LAB近期收录于国际微波与射频领域权威期刊IEEE Microwave and Wireless Technology Letter的工作《Heterogeneous Interface-Enhanced Thin-Film SAW Devices Using Lithium Niobate on Si》。本工作利用与衬底单晶硅声阻抗接近的非晶硅作为键合缓冲层来提升界面键合质量，旨在消除铌酸锂直接键合于单晶硅衬底上引起的寄生电容效应以及减小低界面质量引入的机械衰减。我们首先介绍硅基薄膜铌酸锂异质晶圆在构建高性能滤波器的优势及不足，并讨论研究动机。其后，基于此迭代后的晶圆平台，我们将从理论分析和实验验证解决声表面波滤波器杂散响应的问题，实现高平坦度低插入损耗的滤波器构建。

中文：硅基铌酸锂异质晶圆实现界面增强的薄膜声表面波器件

论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/10750486

研究主页链接：https://www.yansongyang.com/home

PART/1

研究背景

硅基薄膜铌酸锂异质晶圆近年来已成为应用于超宽频率范围内高性能滤波器构建的热门候选者。然而，由于铌酸锂和单晶硅衬底在热膨胀系数上的巨大差异以及在热处理过程中产生的寄生效应，将薄膜铌酸锂直接键合在硅衬底上一直都很有挑战性。本文提出利用非晶硅层来改善铌酸锂与衬底之间的界面质量，从而减少低键合质量导致的机械损耗并增强界面反射。较之传统的氧化硅缓冲层，非晶硅具备更高的声阻抗，可以实现更有效的声波能量约束，在衬底的选择上可提供更高的设计自由度。

此外，杂散模的抑制也是研制先进声表面波滤波器的另一项重要挑战。于水平剪切声表面波而言，常见的杂散模有0阶非对称兰姆模（A0模）和横向高阶杂散模。这些寄生模大体可以分为本征激发和非本征激发两种。本征激发的A0模可以通过色散工程，电极厚度调控，和利用铌酸锂优异的各向异性进行抑制。而非本征激发的杂散模抑制策略可以分为以下三类：沉积材料、慢度曲线调控以及器件版图设计。

沉积材料：高阶横向杂散模的产生与交趾和假趾电极区域的速度高度关联，通过选择性沉积材料来调控剪切声波在这两部分区域的速度分布，寄生模可以被有效抑制，但是增加了工艺复杂度和成本。

慢度曲线调控：通过调节电极厚度或者键合特殊的正方晶体衬底可实现慢度曲线的平坦化，然而其抑制效果对工艺敏感度较高，同时器件后处理难度大，这使得它们在实际商用中受到限制。

器件版图设计：直接从凸形状的慢度曲线出发，采用倾斜交趾电极的设计，可以打破交趾电极两端的对称性从而散射掉高阶寄生模。然而其无法抑制A0模，因此需要辅助以其他的抑制策略获得无寄生的频谱响应。

随着愈发逼仄频谱频段的布局，射频前端模组的设计需要无杂散的频谱响应。因此，开发一种设计简单又能同时抑制所有杂散模的抑制策略显得尤为重要。

通过引入非晶硅缓冲层，键合损伤层的厚度有效降低，现有结构的寄生效应也得到有效抑制。在此优化后的晶圆平台上，我们创新性地提出一种版图设计方案，巧妙地对交趾电极进行倾斜的同时对面内电场方向进行再分布，利用压电材料的面内各向异性成功地在不牺牲其他性能指标的前提下，保证了滤波器低插入损耗的同时消除了通带内外全频段的杂散响应。

PART/2

研究方法介绍

图1

铌酸锂与单晶硅键合界面的（a）透射电子显微(TEM)截面缩小图，（b）高分辨TEM图，显示出近13纳米的损伤厚度及（c）竖直方向具有不同声阻抗的声波导结构示意图。

图1首先利用高分辨透射电镜表征了将铌酸锂直接键合于单晶硅衬底上的界面，可看出上层铌酸锂和下层单晶硅均出现了较厚的非晶相，晶体质量遭受严重破坏，为了探究损伤层厚度对器件响应的影响，我们基于此进行了有限元仿真分析。从图2仿真结果可以看出在相同损耗因子设置下，较厚的损伤层会显著恶化器件响应。因此，减小损伤层厚度是我们研究的首要目标。

图2

（a）硅基薄膜铌酸锂声表面波谐振器结构示意图，高亮区域为声波能量衰减层示意图。（b）对应于（a）图中不同厚度能量衰减层的导纳响应图。

基于以上表征和仿真分析，我们提出非晶硅作为键合缓冲层来减小因材料热膨胀系数失配产生损伤层厚度的策略。同时，相较之于传统的氧化硅缓冲层，非晶硅具备更高的声速和截止频率，可以实现更好的声波导效应和能量约束，进而可在下部衬底的选择上提供更高的设计自由度。图3展示了采用非晶硅作为缓冲层的键合界面TEM表征结果，可以看出键合损伤层厚度降低至仅1.4纳米，显示了优异的键合质量。

图3

（a）非晶硅辅助键合的透射电子显微截面缩小图，（b）铌酸锂与非晶硅键合界面高分辨TEM图，显示出仅1.4纳米的损伤厚度和未受破坏的铌酸锂晶体相（c）非晶硅与下方单晶硅衬底的高分辨TEM界面图。

在上述实现界面提升后的晶圆基础上，我们随后根据克里斯托弗方程对水平剪切声波在不同材料中的相速度和偏振方向进行数值计算，旨在分析在硅基薄膜铌酸锂平台上横向高阶寄生模的成因以及抑制策略。计算结果表明单晶硅衬底可以显著减少水平剪切声波的慢度曲线曲率，进而一定程度上缓解杂散模问题。诚然，单晶硅衬底可以有效减少水平剪切声波的慢度曲线曲率，但曲率仍为正数，尚未达到抑制高阶杂散模的慢度曲线平坦化需求。

图4

在（a）铝，（b）铌酸锂，（c）非晶硅，（d）硅（111）衬底中传导的三种弹性波慢度曲线。（e）对应实际器件结构的三种弹性波慢度曲线。

因此，将水平剪切声波的传播方向与其坡印廷角度对齐可以实现高阶杂散模的抑制。基于实际器件参数的仿真分析表明坡印廷角度为14.6度。有别于传统的倾斜交趾电极设计，我们所提出的版图设计可以同时对电场方向进行再分布，利用铌酸锂优异的各向异性将A0模消除掉。从图5中可以看出，与未经调整的设计相比，优化后的滤波器设计保证了滤波器低插入损耗（~1.2 dB）的同时消除了通带内外全频段的杂散响应，而其3-dB相对带宽（8.9%）也显著优于传统设计滤波器（8.13%）

图5

优化版图设计前后的滤波器频谱响应对比（a）全域图和（b）细节图。（c）为优化版图后的滤波器光镜图

PART/3

总结

本研究旨在通过引入非晶硅键合缓冲层来改善硅基薄膜铌酸锂异质晶圆的界面质量，并抑制优化前晶圆结构的寄生效应。随后，我们在基于此优化后的X切铌酸锂/非晶硅/Si (111) 衬底晶圆上进行进一步的杂散模抑制设计，创新性地提出一种有别于传统倾斜交趾电极的版图设计，成功实现了在不削弱其他性能指标的情况下低插入损耗（~1.2 dB）和宽频域范围内无杂散的滤波响应，且其3-dB相对带宽也优于传统设计。展望未来，我们坚信异质集成薄膜铌酸锂晶圆凭借其低成本，高性能以及高频率可扩展性在面向未来无线通信射频前端模组设计中具有十分广阔的前景。

作者：Fangsheng Qian（RFMY LAB博士生）