1工作簡介

中國科學院上海微系統與信息技術研究所異質集成XOI課題組利用“萬能離子刀”剝離和轉移技術，成功將4英寸Y42切LiTaO3單晶薄膜轉移到藍寶石（Sapphire）襯底上(LTOS)，并據此初步驗證了低損耗聲表面波諧振器（SUPSAW）。相較于傳統單晶壓電體材料，異質界面（LiTaO3-Sapphire）的引入大大提高了聲波能量的表面約束能力，從而有效降低SUPSAW器件的機械損耗，提高了器件Q值。相較于近幾年關注度較高的LTOI襯底（LiTaO3/SiO2/Si與LiTaO3/SiO2/Poly-Si/Si），LTOS異質襯底結構更為簡單，且藍寶石極高的電阻率和優秀的射頻特性使得LTOS異質襯底的界面（LiTaO3-Sapphire）射頻損耗較小，有效避免了SiO2-Si界面的電荷積累PSC效應，從而降低SUPSAW器件的電學損耗。相關研究結果在線發表于國際聲學領域知名會議IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS)上，論文第一作者為博士研究生吳進波同學，共同通訊作者為張師斌助理研究員與歐欣研究員。

2研究背景

近年來聲表面波(SAW)器件已經廣泛應用于無線通信系統中。隨著現代通信系統的發展，更陡的裙邊、更低的插入損耗(IL)、以及更高的溫度穩定性已經成為高性能濾波器的基本需要。在濾波器拓撲結構確定的情況下，裙邊陡直度和IL主要由品質因子(Q)決定。傳統的基于壓電晶體(如LiTaO3、LiNbO3)的聲表面波器件由于Q值有限而難以滿足快速增長的射頻無線通信需求。基于LiTaO3/SiO2/Si (LTOI)異質結構的I.H.P-SAW已經被證實了具有非常優秀的性能。然而LTOI襯底的制備工藝必須要十分精確，否則在SiO2-Si界面會由于寄生表面電導(PSC)效應，如圖1（a）所示，導致硅表面等效電阻率下降一個數量級以上，因此產生額外的射頻損耗將導致Q值大幅下降。為解決這一問題, Ultra-SAW ，如圖1（b）所示，在SiO2/Si界面引入了富陷阱層（trap-rich layer），然而更復雜的器件結構導致了上升的成本。

圖1.（a）LTOI-SAW、（b）Ultra-SAW和（c）LTOS-SAW的示意圖。

3研究亮點

上海微系統所異質集成XOI課題組利用“萬能離子刀”剝離與轉移技術制備了晶圓級LiTaO3/Sapphire異質襯底(LTOS)，并據此初步驗證了低損耗聲表面波諧振器（SUPSAW），器件結構如圖1（c）所示。基于LTOS襯底的SAW諧振器的光鏡圖以及測試結果如圖2所示。由于藍寶石的電阻率高達1014Ω×cm，遠遠超過了高阻硅，PSC效應對其影響微乎其微，因此LTOS可實現極低的射頻損耗。如圖所示，SUPSAW在2.2GHz附近Q值超過了2000。

圖2.(a)SUPSAW的OM圖及（b）局部放大圖。(c)實測(實線)和擬合(虛線)的頻率響應。(d)測量及擬合的SUPSAW的Bode-Q曲線。

此外，根據SUPSAW的測試結果設計和制備的低階梯形濾波器的測試結果如圖3所示，其在2.2GHz左右的插損為0.61 dB，相對帶寬為3.6%。LTOS襯底、對應的諧振器與濾波器的優化設計進行中，可以期待性能更加優異的SUPSAW器件。

圖3.測試得到的低階梯形濾波器的S參數

4總結與展望

得益于XOI課題組在壓電異質集成材料技術上的長期發展，通過鉭酸鋰單晶薄膜與極高電阻率且低射頻損耗低的支撐襯底相結合，實現了結構簡單的低損耗聲表面波（SAW）諧振器。通過進一步地優化襯底和器件結構，可以期待綜合性能更高的SAW濾波器。因此，SUPSAW器件在射頻無線通信應用中具有十分廣闊的應用前景。

原文標題：基于鉭酸鋰/藍寶石異質集成襯底的低損耗SAW諧振器

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審核編輯：湯梓紅