1工作簡介

中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所異質(zhì)集成XOI課題組利用“萬能離子刀”剝離和轉(zhuǎn)移技術(shù)，成功將4英寸Y42切LiTaO3單晶薄膜轉(zhuǎn)移到藍寶石（Sapphire）襯底上(LTOS)，并據(jù)此初步驗證了低損耗聲表面波諧振器（SUPSAW）。相較于傳統(tǒng)單晶壓電體材料，異質(zhì)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(guān)注度較高的LTOI襯底（LiTaO3/SiO2/Si與LiTaO3/SiO2/Poly-Si/Si），LTOS異質(zhì)襯底結(jié)構(gòu)更為簡單，且藍寶石極高的電阻率和優(yōu)秀的射頻特性使得LTOS異質(zhì)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(yīng)，從而降低SUPSAW器件的電學(xué)損耗。相關(guān)研究結(jié)果在線發(fā)表于國際聲學(xué)領(lǐng)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(xué)，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(jīng)廣泛應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)中。隨著現(xiàn)代通信系統(tǒng)的發(fā)展，更陡的裙邊、更低的插入損耗(IL)、以及更高的溫度穩(wěn)定性已經(jīng)成為高性能濾波器的基本需要。在濾波器拓撲結(jié)構(gòu)確定的情況下，裙邊陡直度和IL主要由品質(zhì)因子(Q)決定。傳統(tǒng)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?；贚iTaO3/SiO2/Si (LTOI)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的I.H.P-SAW已經(jīng)被證實了具有非常優(yōu)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(dǎo)(PSC)效應(yīng)，如圖1（a）所示，導(dǎo)致硅表面等效電阻率下降一個數(shù)量級以上，因此產(chǎn)生額外的射頻損耗將導(dǎo)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(fù)雜的器件結(jié)構(gòu)導(dǎo)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(tǒng)所異質(zhì)集成XOI課題組利用“萬能離子刀”剝離與轉(zhuǎn)移技術(shù)制備了晶圓級LiTaO3/Sapphire異質(zhì)襯底(LTOS)，并據(jù)此初步驗證了低損耗聲表面波諧振器（SUPSAW），器件結(jié)構(gòu)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(jié)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(yīng)對其影響微乎其微，因此LTOS可實現(xiàn)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(yīng)。(d)測量及擬合的SUPSAW的Bode-Q曲線。

此外，根據(jù)SUPSAW的測試結(jié)果設(shè)計和制備的低階梯形濾波器的測試結(jié)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(yīng)的諧振器與濾波器的優(yōu)化設(shè)計進行中，可以期待性能更加優(yōu)異的SUPSAW器件。

圖3.測試得到的低階梯形濾波器的S參數(shù)

4總結(jié)與展望

得益于XOI課題組在壓電異質(zhì)集成材料技術(shù)上的長期發(fā)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(jié)合，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)簡單的低損耗聲表面波（SAW）諧振器。通過進一步地優(yōu)化襯底和器件結(jié)構(gòu)，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(yīng)用中具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

原文標題：基于鉭酸鋰/藍寶石異質(zhì)集成襯底的低損耗SAW諧振器

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審核編輯：湯梓紅