上海微系統(tǒng)所異質集成XOI課題組利用“萬能離子刀”剝離和轉移技術，將單晶壓電薄膜與高聲速、高導熱的支撐襯底集成，研制出可同時激發(fā)聲表面波和蘭姆波的壓電異質襯底，并基于上述襯底驗證了適用于3G、4G、5G應用的高性能射頻聲學器件。相關技術方案于12月15日以“Surface Wave and Lamb Wave Acoustic Devices on Heterogenous Substrate for 5G Front-Ends”為題在國際微電子領域頂級會議IEEE Electron Devices Meeting（IEDM）以口頭報告形式發(fā)布。

射頻前端模塊是移動通信系統(tǒng)的核心組件，射頻濾波器是射頻前端的核心部件之一。國內在高端濾波器研究基礎十分薄弱，相關產(chǎn)品完全依賴進口。5G NR頻段的加入對射頻濾波器的頻率、帶寬、功率容量等都提出了更高要求。聲表面波（SAW）和體聲波（BAW）濾波器憑借其優(yōu)良的頻率選擇性、高Q值、低插入損耗等優(yōu)勢成為移動射頻前端濾波器的主流選擇。相較于BAW濾波器，SAW濾波器具有明顯的成本優(yōu)勢，但其較低的中心頻率和Q值、溫漂大、功率容量小等問題限制了其在5G通訊中的應用。然而，我國射頻濾波器產(chǎn)業(yè)主要集中在SAW濾波器上。因此研究如何在保持SAW濾波器件的結構和工藝優(yōu)勢的同時大幅提升其性能，使其滿足4G、5G通信應用需求，具有重要的戰(zhàn)略意義。

圖1（a）SAW濾波器向高頻、大寬帶方向發(fā)展的路線圖；（b）基于高聲速、高導熱壓電異質襯底的濾波器芯片示意圖；圖（b）所示壓電異質襯底的（c）聲速頻散特性曲線仿真結果和（d）瞬態(tài)熱反射曲線測試結果

圖1（a）展示了本報告提出的基于單晶壓電異質襯底技術，SAW濾波器向高頻、大帶寬方向發(fā)展的技術路線圖。受限于目標聲學模式的聲速與機電耦合系數(shù)、光刻極限、叉指區(qū)（IDT）功率密度等因素，傳統(tǒng)SAW和溫補TC-SAW通常應用于2GHz以下的頻段，高性能IHP-SAW通常應用于3GHz以下頻段。雖然基于布拉格反射柵或基于懸空壓電薄膜的蘭姆波器件可實現(xiàn)高頻大帶寬，但布拉格反射柵工藝復雜且成本高昂，而懸空型蘭姆波器件的功率容量較小。因此，研究可同時實現(xiàn)高頻、大帶寬和大功率容量的聲學器件至關重要。

通常，高頻意味著目標聲學模式聲速高（相同波長條件下），大帶寬意味著目標聲學模式機電耦合系數(shù)大，而大功率意味著支撐襯底具有優(yōu)異的熱導率（電極電阻足夠小且機械強度足夠強條件下）。鑒于上述分析，上海微系統(tǒng)所異質集成XOI課題組將單晶壓電薄膜（LiNbO3）與高聲速、高導熱支撐襯底（如SiC等）集成，形成如圖1（b）所示異質襯底結構（LNOSiC）。上述異質襯底既可以有效地約束壓電薄膜中激發(fā)的聲表面波（大機電耦合系數(shù)）和蘭姆波（高頻、大機電耦合系數(shù)），還具有極其優(yōu)異的導熱特性，如圖1（c）和1（d）所示。因此，圖1（b）所示異質襯底理論上可同時支撐應用于3G、4G和5G通信的多頻段射頻濾波器陣列，是一種“All-in-One”的解決方案。

圖2 基于圖1（b）所示壓電異質襯底的不同波長的諧振器導納曲線測試結果：（a）&（c）水平剪切波模式（SH0 mode），（b）&（d）對稱型蘭姆波模式（S0 mode）

圖2（a）和2（b）所示實驗結果表明該異質襯底可有效激發(fā)SH0模式和S0模式，其對應諧振器的工作頻率可覆蓋2.0~4.72 GHz頻段，機電耦合系數(shù)大于20%。通過調整壓電薄膜厚度和目標模式波長的比值，可進一步降低或提高器件工作頻率和機電耦合系數(shù)。圖2（c）所示實驗結果為典型SH0諧振器的導納響應，其兼顧較高的工作頻率、較大的機電耦合系數(shù)和Bode-Q。圖2（d）所示實驗結果為典型S0諧振器的導納響應，其諧振頻率大于3.3GHz，機電耦合系數(shù)大于20%，基本滿足5G應用需求，后期將通過器件優(yōu)化設計提高其Bode-Q。

目前，高性能SAW濾波器技術仍在發(fā)展中，而異質襯底材料技術將是實現(xiàn)高性能SAW濾波器的關鍵。歐欣研究員領導的異質集成XOI課題組將致力于通過異質集成技術構建滿足具有實際應用需求的新型異質襯底；同時，從物理本質出發(fā)，探索各向異性異質襯底中聲波傳輸特性、挖掘新聲學模式、研發(fā)新器件結構。

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