AS | 南京大学陈延峰,卢明辉,张子栋:摆脱底电极依赖的高泛音体声波谐振器新架构

高泛音体声波谐振器（HBAR）能够在千兆赫兹（GHz）频段提供高品质因子、多模谐振和长声子寿命，是微波滤波、频率控制、延迟线和片上声子系统的重要器件平台。传统HBAR通常采用上下金属电极夹持压电薄膜的“三明治”结构，通过压电层激发声波并在衬底中形成高阶泛音共振。然而，金属底电极会引入额外声学界面，造成声阻抗失配、声能反射和杂散模式，从而限制器件性能。如何在保持高效电声转换的同时去除底电极，是高性能体声波器件设计中的关键问题。

近日，南京大学陈延峰教授、卢明辉教授与张子栋研究员，报道了一种无需底电极的横向激励高泛音厚度剪切体声波谐振器（X-HTBAR）。该工作基于128°Y切铌酸锂薄膜与高阻硅衬底异质集成平台，利用顶部共平面电极产生横向电场，激发厚度剪切体声波并将声能耦合进入硅衬底，实现高阶泛音谐振。该结构避免了传统金属底电极带来的声阻抗不连续问题，为高频、高品质因子（Q）、可扩展体声波器件提供了新的设计思路。

研究团队首先对传统HBAR、单顶电极HBAR和本工作提出的X-HTBAR进行了结构与声场对比。传统结构依赖底电极完成垂直电场激励，但底电极同时成为声传播路径中的阻抗扰动源；导电衬底方案虽然可以替代金属底电极，但对材料体系存在限制。相比之下，X-HTBAR仅在铌酸锂薄膜表面设置共平面电极，通过横向电场激发厚度剪切模，使压电层与高阻硅声学腔体直接耦合，从结构上减少界面损耗并提升声能传输效率。

图1.传统HBAR、单顶电极HBAR与X-HTBAR的结构示意及声场分布对比。该图展示了从上下电极夹持结构、导电衬底替代底电极结构，到本工作无底电极横向激励结构的设计演进。进一步地，研究表明，该器件能够有效激发一阶和三阶反对称厚度剪切模，并在高阻硅衬底中形成多次反射，从而产生规则的高阶泛音共振。由于器件不再依赖金属底电极，声波在铌酸锂薄膜与硅衬底之间的耦合更加直接，有助于降低反射损耗、改善模态间隔稳定性并抑制不必要的杂散响应

图2.横向激励高泛音厚度剪切体声波谐振器的工作机理示意。顶部共平面电极产生横向电场，激发铌酸锂薄膜中的厚度剪切模，并将声能耦合至高阻硅衬底中形成高阶泛音谐振。实验结果显示，X-HTBAR在0.1–1.8 GHz频段内表现出清晰的梳状多模谐振谱。器件机械品质因子达到10³–10⁵量级，频率–品质因子乘积超过10¹³，显示出优异的低损耗声学特性。同时，研究团队通过调控电极结构实现了杂散模式抑制，并展示了0.008–0.064 mm³范围内的模态体积调控能力，说明该器件具有良好的结构可设计性和尺寸可扩展性

图3.X-HTBAR器件性能表征。包括器件结构与材料质量表征、导纳谱和谐振特性、模态频率间隔、时域响应、机械品质因子、频率–品质因子乘积以及声子弛豫时间等结果

总体来看，该工作提出的无底电极X-HTBAR突破了传统高泛音体声波谐振器对金属底电极或导电衬底的依赖，在声阻抗匹配、低损耗传输、杂散模式控制和模态体积调控方面展现出优势。铌酸锂薄膜与高阻硅衬底的异质集成方案兼具优异压电性能和CMOS工艺兼容潜力，有望服务于微波滤波器、低相噪振荡器、声子频率梳、多模声子耦合系统以及5G/6G射频前端器件等应用。