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工作简介
近日，上海微系统与信息技术研究所异质集成XOI课题组，基于LiNbO3/Si异质集成衬底平台，设计并制备了基于倒T型电极新结构的A1模式声学谐振器与滤波器。该结构在不额外引入杂模的情况下，使谐振器的静态电容密度获得了最高95.8%的提升，基于该结构制备的滤波器，内部谐振器的面积分别缩减了53.8%和51.4%，且谐振器与滤波器的功率容量均有提升。相关研究工作以“Miniaturized A1 Mode Acoustic Resonators and Filters Using Inverted T-shaped Electrodes”为题发表于国际微波与射频领域权威期刊IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques (IEEE TMTT)。论文第一作者为上海微系统所博士研究生隋东辰，论文通讯作者为邵率博士、张师斌研究员和欧欣研究员。
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研究背景
随着5G通信的快速发展与未来6G技术的布局，移动终端射频前端所承载的通信频段数量急剧增加，对滤波器等核心元器件的小型化与集成度提出了更高的要求。在众多声学滤波技术中，基于薄膜铌酸锂的横向激励体声波谐振器（XBAR），因其兼具高机电耦合系数与优良的高频特性，在宽带滤波器应用中展现出显著优势。然而，该技术路线面临一个关键的工程挑战：为了抑制杂散模式，实现较纯净的导纳响应，常规XBAR器件通常采用小金属化率的电极设计，但这直接导致了其静态电容密度（C0）偏低。在典型的滤波器电路设计中，为了实现与50欧姆系统的阻抗匹配，谐振器需要达到一个特定的静态电容值。因此，较低的电容密度意味着需要更大的芯片面积（通过增加叉指对数或孔径）来满足电容要求，这与射频前端小型化的发展趋势相悖。因此，如何在不牺牲器件原有性能的基础上，有效提升其静态电容密度，已成为推动该技术进一步发展和应用的关键。
为提高静态电容密度，研究人员提出了设计大金属占空比器件的解决方案。特定的技术如嵌入式电极（Y. Yang et al., TUFFC, 2021），特定的晶体取向（N. F. Naumenko, TUFFC, 2023），刻蚀LN结构（K. Dai et al., IUS, 2025），能够在具有高占空比的同时保持较纯净的响应。然而，这些技术伴随的设计和制造的复杂性、特定晶圆取向的要求、性能折衷问题限制了这些解决方案的普遍适用性。本工作旨在抛砖引玉，提出一种较为通用的器件结构，在不恶化器件性能的前提下实现XBAR静态电容密度的提升。
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研究亮点
在声学谐振器中，一种直接提升静态电容密度的方法是增大电极的金属占空比。然而，在传统的单层电极结构的XBAR中，简单地增大金属占空比会带来显著的负面效应，即引入更多的杂散模式，劣化器件性能。这是因为XBAR利用横向电场激励体声波，而金属电极与非金属区域之间存在显著的声学阻抗失配。当金属占空比增大时，这种不连续性会加剧声波在器件内部的反射，从而激发不必要的寄生谐振。鉴于此，传统单层电极结构的谐振器通常采用较小的金属占空比来保证模式的纯净度，但这又不可避免地导致了其静态电容密度过低的问题，从而形成了设计上的两难困境。
本文提出的倒T型电极结构如图1(a)和(b)所示，将传统的单层电极在垂直方向上分解为上下两部分：一个较厚且较窄的顶部电极，其主要功能是通过质量负载效应来约束声学能量，从而精确地定义谐振模式；以及一个较薄但更宽的底部电极，其主要功能是在不显著影响声学特性的前提下，通过增大电极覆盖面积来提供所需的大静态电容。这种设计的核心思想在于将影响声学边界的质量负载分布与决定电容大小的电学边界分离开来，从而缓解了传统结构中二者之间相互耦合的制约。
图1（a）倒T型电极谐振器的 IDT 区域的模型视图，（b）倒T型电极谐振器的正面视图。
图2通过仿真结果，将采用倒T型电极的谐振器与采用传统单层电极的谐振器（其顶部电极的金属占空比均为0.1）的导纳曲线进行了直接对比，并展示了两种结构的示意图。 从图中可以清晰地看到，在非谐振区（例如3.5 GHz处），倒T型电极结构的导纳值相比传统结构提升了7.1分贝，这意味着其静态电容密度得到了显著增强。通过对曲线进行拟合计算，其静态电容密度从传统结构的3.2×10⁻⁵ pF/µm²提升至7.3×10⁻⁵ pF/µm²，增幅至2.28倍。更为重要的是，这种电容的大幅提升并未引入额外的杂散模式，器件的响应曲线依然纯净，证明了该结构在解决电容密度瓶颈方面的有效性。仿真分析表明，A1模式主要受质量负载分布的影响，而与电学边界的相关性较弱。倒T型电极结构正是利用了这一特性，通过低占空比的厚顶层电极来约束A1模式，同时利用高占空比的薄底层电极来显著提升静态电容。
基于倒T型电极谐振器和常规XBAR谐振器，本文构建了相应的三阶滤波器。基于倒T型电极的谐振器提升的静态电容密度直接带来了器件尺寸的显著小型化，串联谐振器面积减小了53.8%，并联谐振器面积减小了51.4%。这一成果有力地证明了倒T型电极技术在推动射频前端器件小型化方面的应用潜力。
图5 倒T型电极与传统单层电极三阶滤波器的实测性能及光镜照片对比
除了性能与尺寸上的优势，倒T型电极结构还表现出更强的功率处理能力。图6展示了功率扫描测试的结果，相较于传统结构，采用倒T型电极的单个谐振器和滤波器的功率处理能力分别提升了约4 dBm和3 dBm。这种性能的提升，主要得益于倒T型电极增大了总体的电极覆盖面积，从而优化了器件的散热能力和电流承载能力，进一步拓展了其在高性能应用场景中的潜力。
图6 谐振器与滤波器的功率处理能力测试系统及结果
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总结与展望
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原文传递
论文链接：
https://ieeexplore.ieee.org/document/11178111
