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工作簡介

中科院上海微系統所異質集成XOI課題組基于自主研制的高質量LiTaO3-on-SiC單晶壓電異質襯底，揭示了其中水平剪切波模式（SH-SAW）的主偏振分量（Y分量）的調控機制和伴生雜散偏振分量（X+Z分量）的抑制機制，通過調控厚度波長比以抑制散射損耗，據此實現了Q值超10000的聲表面波（SAW）諧振器件。相關研究工作以“Ultra-High Q of 11000 in Surface Acoustic Wave Resonators by Dispersive Modulation”為題發表于國際微電子器件領域標志性期刊IEEE Electron Device Letters(IEEE EDL)，并入選編輯精選。論文共同第一作者為上海微系統所的博士研究生張麗萍和張師斌副研究員，論文通訊作者為上海微系統所張師斌副研究員和歐欣研究員。

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研究背景

5G時代，無線通訊系統的發展為世界帶來諸多可能性，為滿足高速傳輸和大規模的無線通訊，頻譜頻段的布局愈發密集，用于移動終端的射頻前端架構也必須支持更多的頻段，這將導致射頻前端模塊中濾波器、雙工器數目的持續上升。聲表面波（SAW）濾波器由于其小體積和高性能，是移動終端不可或缺的濾波器件。為了實現較低的傳輸損耗、陡峭的過渡帶邊、高溫度穩定性和高帶外抑制的SAW濾波器，設計具有高品質因數（Q）和低頻率溫度漂移的高性能諧振器單元至關重要。

LiTaO3/SiC襯底可制備具有高頻、高Q值、低頻率溫漂的SAW諧振器和濾波器而成為目前研究的熱點襯底。然而，據分析，聲表面波在襯底面內的縱向腔方向傳播時，還存在潛在的邊界散射，如聲波在縱向遇不連續界面（如IDT/反射柵界面）發生反射、衍射等會造成顯著的能量損耗。本文從聲波色散的角度入手，研究了對聲波分量的調控機制和雜散分量的抑制手段，以提升器件Q值。

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研究亮點

如圖1（a）所示，異質襯底中激發的水平剪切波SH-SAW的極化包含X，Y和Z三種分量。對于42°YX LiTaO3單晶，Y分量為純水平剪切分量，在LiTaO3薄膜中占比最大，為主分量；X和Z分量分別為縱波分量和垂直剪切分量。當SH-SAW聲波在IDT和反射柵邊界發生散射泄漏到SiC襯底中，水平剪切分量不會轉化或和體波耦合產生能量損耗；縱波和垂直剪切波則不同，它們會由于互相耦合和與體波耦合而產生額外的能量損耗。因此，這里X和Z分量還可被稱為伴隨雜散分量。此外，在異質襯底中，聲波具有色散特點，即聲波的傳播特點（如聲速、機電耦合系數等）隨厚度波長比（hLT/λ）變化而變化。如圖1（b）和（c）所示，相較于無法得以有效調節的LiTaO3單晶體襯底，LiTaO3/SiC襯底的hLT/λ能夠在（0~1）之間有效調整，可有效利用聲波及其分量的色散特點。

圖1（d）展示了利用有限元仿真的X+Z分量在LiTaO3/SiC襯底厚度方向的歸一化能量占比，其中，令hLT不變，λ逐漸增大。在SiC襯底中任意深度位置，伴隨雜散分量X+Z占比均hLT/λ隨減小逐漸降低，說明由于X+Z聲波分量在邊界處散射造成聲波斜入射的能量逐漸減少，這意味著聲波損耗的降低，說明通過調控hLT/λ能夠有效聲波的色散特點

圖1. (a)異質襯底中SH-SAW的分量和傳播特點。(b) LiTaO3單晶襯底中厚度波長比不同的SH-SAW波。(c) LiTaO3/SiC襯底中厚度波長比不同的SH-SAW波。(d) X+Z分量在LiTaO3/SiC襯底厚度方向的歸一化能量占比仿真結果。

圖2展示了利用縱向切片模型對LiTaO3/SiC襯底中不同波長SH-SAW進行的有限元仿真和二維傅里葉變換圖像。如圖2（a）-（c）的振型圖，SH-SAW都能夠被有效地限制在LiTaO3薄膜內部，且在SiC表面有所滲透。hLT/λ在[0.11, 0.42]范圍內，從振型圖無法觀察到聲波散射與否以及散射波的傳播特點。對應圖2（d）-（f）所示的Y分量的2D-FFT圖像，隨hLT/λ減小，Y分量無變化，表明SH-SAW主模在LiTaO3薄膜中的良好約束，且不與體聲波耦合造成損耗。

如圖2（g）-（i）所示，隨hLT/λ減小，圖中弧線（II）的亮點數目和強度都減少，一是說明散射的角度大大減少，二是X+Z分量引起的散射也變弱。尤其當λ=4.8 μm時，hLT/λ進一步減小，只有很弱的亮點表明Z分量在特殊的角度傳播，且已不存在X分量和弧線（II）所標注的亮點，說明散射及其損耗已非常微弱，分量得以有效調控抑制。

圖2. (a)-(c) 基于LiTaO3/SiC襯底，波長分別為1.2 μm、2.4 μm和4.8 μm的SH-SAW的仿真位移振型。(d)-(f)波長分別為1.2 μm、2.4 μm和4.8 μm的SH-SAW的Y分量在波數空間中的2D-FFT圖像。(g)-(i) SH-SAW的X+Z分量在波數空間中的2D-FFT圖像。

圖3為通過在LiTaO3/SiC襯底上制備延遲線結構提取聲波傳播損耗的組圖。（a）展示了制備的異質襯底截面SEM圖像，（b）展示了SH延遲線器件的形貌，圖（c）繪制了λ=4.4 μm器件隨變化的測試S21曲線，可提取出其傳輸損耗水平，采用此方法，（d）繪制了傳播損耗PL隨hLT/λ的變化（hLT不變，實則是隨λ的變化）曲線。當hLT/λ≤0.14時，PL顯著降低，且恒保持在較低的水平，并在0.1左右取得了最低值PLmin=0.018 dB/λ，表明通過調控器件的能夠有效降低聲波在器件中的傳輸損耗，從而能夠提高器件Q值。

圖3. (a) LiTaO3/SiC異質襯底的截面SEM圖。(b) LiTaO3/SiC襯底上的延遲線器件。(c) 不同傳輸距離的延遲線器件測試S21曲線。(d) 不同波長λ的延遲線提取的傳輸損耗。

圖4（a）及其組圖（i）和（ii）展示了制備的SH-SAW諧振器及其叉指電極的細節放大圖。采用piston的叉指電極設計，以抑制橫向高階雜散模式，減少橫向能量損耗。圖4（b）為上述三種波長的諧振器測試結果，隨降低，導納曲線的導納比顯著增大，對應Qmax值從1170升到5050再升到11000，意味著諧振器的能量損耗降低，體現出hLT/λ對傳播損耗和Q值的有效調控。其中，當SH-SAW諧振器的hLT/λ約為0.10時，諧振頻率為1.16 GHz，Q值達11000，約為基于單晶襯底SAW諧振器的10倍，FoM值達620，表現出較高的綜合性能，為設計具有低損耗和抗帶外干擾的濾波器提供了新思路。

圖4. (a)制備的SH-SAW諧振器的光學顯微鏡下圖像。(b) 波長分別為1.2 μm、2.4 μm和4.8 μm的SH-SAW諧振器的導納和Bode-Q曲線。

圖5展示了基于多種LiTaO3薄膜基異質襯底和LiTaO3體襯底的SH-SAW諧振器的f和Qmax性能對比。在如圖所示的頻段內，得益于較小的hLT/λ和調控后較低的傳輸損耗，基于LiTaO3/SiC襯底的SH-SAW諧振器表現出更高的Q值。而且，由于SiC的高聲速特點，LiTaO3薄膜中的SH-SAW聲速相對更高，為取得相同頻段的器件，基于LiTaO3/SiC襯底的叉指寬度可以適當放寬，還有利于功率容量的提升，而在相同的叉指線寬下基于LiTaO3/SiC襯底的SAW器件則可以實現更高的頻率。

圖5. 基于LiTaO3薄膜基不同襯底的SH-SAW諧振器的性能對比（f和Qmax）。

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總結與展望

通過調制和雜散偏振分量，證明了在LiTaO3/SiC襯底上SH-SAW諧振器Q值的有效增強。所制備的SAW諧振器普遍具有高Q性能，其中調制的SH-SAW諧振器在1.16 GHz時具有11000的超高Bode-Q。Bode-Q和FoM值的色散行為展示出基于LiTaO3/SiC襯底的SH-SAW在超高Q電子器件應用中的巨大潛力。

審核編輯：劉清