工作簡介

上海微系統(tǒng)所異質(zhì)集成XOI課題組基于自主研制的高單晶質(zhì)量6英寸LiNbO3/SiC壓電異質(zhì)晶圓，開發(fā)了國際上首款基于單晶壓電薄膜異質(zhì)集成襯底的5G N79頻段的高性能聲表面波（SAW）濾波器方案，相關(guān)研究工作以“Near 5 GHzLongitudinal Leaky Surface Acoustic Wave Devices on LiNbO3/SiCSubstrates”為題發(fā)表于國際微波與射頻領(lǐng)域權(quán)威期刊IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques (IEEE TMTT)。論文共同第一作者為上海微系統(tǒng)所的博士研究生鄭鵬程和張師斌副研究員，論文通訊作者為上海微系統(tǒng)所張師斌副研究員和歐欣研究員。

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研究背景

目前，聲表面波（SAW）技術(shù)是面向Sub-3GHz頻段高性能、微型化濾波器的首選。由于聲波模式聲速限制，SAW濾波器被普遍認(rèn)為無法應(yīng)用于5G N79（4.4 GHz ~ 5.0 GHz）和Wi-Fi 6等頻段。體聲波（BAW）、LTCC等技術(shù)在上述頻段仍占據(jù)主流地位。突破SAW器件的工作頻率瓶頸，核心在于在相同的特征尺寸下激發(fā)更高聲速的聲學(xué)模式。得益于>6000m/s的模式聲速和高機電耦合系數(shù)，縱向泄露聲表面波模式（LL-SAW）受到學(xué)術(shù)界長期關(guān)注。然而，常規(guī)的壓電體材料或硅基壓電異質(zhì)襯底，由于支撐襯底聲速偏低無法形成良好的聲波導(dǎo)效應(yīng)，進而導(dǎo)致LL-SAW濾波器插入損耗過高，難以產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

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研究亮點

本工作中，上海微系統(tǒng)所異質(zhì)集成XOI課題組利用“萬能離子刀”剝離和轉(zhuǎn)移技術(shù)，制備了6英寸的高質(zhì)量SiC基單晶LiNbO3薄膜，全面梳理分析了LL-SAW器件的設(shè)計要點，并研制了大于4GHz的高Q值LL-SAW諧振器和面向N79頻段的大帶寬、低插損濾波器。

圖1對比了3種壓電異質(zhì)襯底的諧振器響應(yīng)和截面振型圖，可看出材料中同時激發(fā)了低頻的SH和高頻的LL兩種諧振響應(yīng)。襯底材料的聲速直接決定了電導(dǎo)曲線中截止頻率（cut-offfrequency）的位置，當(dāng)截止頻率高于模式頻率，才可實現(xiàn)良好的聲波導(dǎo)效應(yīng)。對于（b）圖中的藍寶石基異質(zhì)襯底，截止頻率位于SH和LL二者之間，則SH模式的衰減因子δ幾乎為0，而LL模式仍存在0.18dB/λ的衰減；而當(dāng)采用體波聲速高達7.1km/s的SiC襯底時（圖c），截止頻率高于LL模式，因此LL模式的衰減因子亦接近為0。

圖1 基于（a）體單晶、（b）藍寶石基LiNbO3薄膜、（c）SiC基LiNbO3薄膜的SAW諧振器仿真結(jié)果。

圖2展示了一組所制備的LL-SAW諧振器實測曲線。LL-SAW諧振器可在>4GHz的工作頻率下實現(xiàn)>60dB的阻抗比和接近20%的機電耦合系數(shù)，是傳統(tǒng)SH模式頻率的1.7倍。

圖2（a）LL-SAW諧振器實測結(jié)果，（b）諧振器導(dǎo)納比和機電耦合系數(shù)曲線。

面向5G N79頻段的應(yīng)用，設(shè)計了一組5階濾波器，頻響曲線如圖3所示。所制備的LL-SAW濾波器在約4.9GHz的中心頻率實現(xiàn)了高達457MHz的帶寬、小于1dB的插入損耗、低頻側(cè)26dB的帶外抑制。

圖3 面向N79頻段的LL-SAW濾波器實測結(jié)果

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總結(jié)與展望

本工作通過LiNbO3單晶薄膜與高聲速SiC襯底的異質(zhì)集成，有效地激發(fā)了極高聲速、大帶寬的LL-SAW模式，突破傳統(tǒng)SAW器件的頻率瓶頸，在國際上首次利用SAW技術(shù)實現(xiàn)高性能5G N79頻段濾波器，技術(shù)相關(guān)專利已獲得中、美兩國專利授權(quán)。后續(xù)本團隊將進一步提升材料、器件的性能，推動SiC基LL-SAW技術(shù)在5G、Wi-Fi 6頻段的規(guī)模化應(yīng)用，為國內(nèi)濾波器產(chǎn)業(yè)換道超車發(fā)展提供全新思路。

審核編輯：彭菁