上海微系统所利用异质集成POI技术研制出高性能SAW滤波器

上海微系统所异质集成XOI课题组利用“万能离子刀”剥离与转移技术，将LiNbO3单晶薄膜与高声速、高导热的支撑衬底异质集成（如图1所示），与美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校合作，研制出高性能声表面波（SAW）器件。声表面波谐振器的谐振频率约1.95 GHz，导纳比高达80.1 dB，机电耦合系数高达27.8%，Q值接近2000，谐振器的综合性能品质优值（FoM）高达530，为已报道的最高值 （如图2所示）；制备的声表面波滤波器中心频率约为2.29 GHz，3-dB相对带宽约为9.9%，通带内最小插入损耗为1.38 dB，带外抑制约为40 dB（如图3所示）。相关结果于2020年7月13日在线发表于微波领域著名期刊IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques（DOI：10.1109/TMTT.2020.3006294）；并将在国际微波领域顶级会议IEEE MTT-S International Microwave Symposium 2020以口头报告形式发布。 

滤波器是射频前端模块中的核心部件之一，占据了射频前端市场中的最大份额。随着5G时代的到来，手机等移动终端需要支持的频带数目大幅增加，因而对滤波器的需求也不断增长。射频滤波器主要有两种技术路线：声表面波（Surface Acoustic Wave, SAW）滤波器和体声波滤波器（Bulk Acoustic Wave, BAW）滤波器。射频SAW和BAW滤波器由于插入损耗低（<2dB）、带外抑制高、成本低和微型化等优势成为移动通信射频前端无可替代的元器件日企Murata、TDK等占据声表面波(SAW)滤波器主要市场，美企Avago、Qorvo等占据体声波(BAW/FBAR)滤波器主要市场，这些厂商经过多年的积累，已经形成高大的技术壁垒和专利壁垒，国内厂商在该领域的技术能力与国外厂商相比仍有很大差距。因此，实现具有自主知识产权的高性能射频声学滤波器件具有重要的战略意义和经济价值。 

目前，高性能SAW滤波器技术在快速发展中，日本Murata的代表产品IHP-SAW（Incredible High Performance SAW）有着业界最佳的综合性能，但受限于工作频率难以突破3 GHz，较难应用于5G通信n77（3.3 GHz~4.2 GHz）、n79（4.4 GHz~5.0 GHz）等重要频段。XOI课题组利用异质集成技术，将LiNbO3/LiTaO3单晶压电薄膜与高声速、高导热衬底结合，进一步提高射频声表面波滤波器的工作频率和综合性能，对于推动高性能射频滤波器件发展和应用具有指导意义。 

图1 制备的压电异质集成衬底的（a）实物图和（b）面内均匀性表征结果

图2 基于压电异质集成衬底的谐振器的（a）导纳曲线和（b）Bode_Q的测试与拟合结果

图3 制备的滤波器的测试结果

中国科学院上海微系统与信息技术研究所原名中国科学院上海冶金研究所，前身是成立于1928年的国立中央研究院工程研究所，是我国最早的工学研究机构之一。新中国成立后隶属中国科学院，曾命名中国科学院工学实验馆、中国科学院冶金陶瓷研究所。2001年8月，根据学科领域和科研目标的调整，更名为中国科学院上海微系统与信息技术研究所，简称上海微系统所。

在八十多年的发展进程中，上海微系统所始终围绕国家战略需求，调整科研布局，发挥了对国民经济建设的骨干引领作用。上世纪五十年代，在国内率先研制成功球墨铸铁，成功解决了包钢高含氟铁矿的冶炼和稀土元素回收。六十年代中期，发展微电子和集成电路制造技术，与工业部门合作研制出国内第一块工业实用PN结隔离集成电路、ECL高速电路和国内第一块8位、16位微处理器。八十年代中期，开展微电子机械系统（MEMS）和绝缘体上硅（SOI）材料研究，居国内领先地位，并在国际上占据了重要的一席之地。  

1998年进入知识创新工程后，上海微系统所成功发射创新一号01、02和03星、“神舟七号”伴星，是我国微小卫星的重要研制基地；实施了上海世博会防入侵传感网、浦东机场防入侵系统、太湖水质监控传感网、南水北调中线安防系统等物联网应用示范工程，引领物联网核心技术，推升为国家战略性新兴产业；研发出具有自主知识产权的宽带无线通信系统，应用于汶川和玉树抗震抢险、上海世博会等重大事件，在抗震救灾、维稳、公共安全、数字化城市等方面发挥了不可替代作用；SOI材料实现产业化，填补国内空白，应用于国家重大关键工程，控股的上海新傲科技股份有限公司是国内唯一一个具有国际先进水平的国家级高端硅基材料产业化基地。  

“十二五”以来，上海微系统所作为中科院第一个系统级型号任务的技术总体单位，突破了多功能复合传感器等关键技术，确立了特种宽带无线传感网系统解决方案，实现了在我国相关单元的大规模应用和通信体制由窄带向宽带的技术跨越。研制成功国内第一颗基于SOI材料的0.13um工艺大规模高可靠专用集成电路ASIC芯片，应用于北斗导航卫星等国家关键工程，为我国航天核心元器件的自主可控奠定坚实基础。超导单光子探测器SNSPD助力中科大潘建伟院士在国际上首次实现防止黑客攻击的200公里测量器件无关量子密钥分发，成果入选两院院士评选2014年中国十大科技进展。超高g加速度传感器为我国战略装备提供了不可替代产品，打破国际禁运。发起设立的MEMS技术产业化平台-上海微技术工业研究院被列为上海建设具有全球影响力科创中心的“四梁八柱”。 

自建国以来，上海微系统所获得国家级科技奖项46项、部省级347项，其中“甲种分离膜”技术获国家科技进步特等奖，“高速、超高速双极型数字集成电路”、“高端硅基SOI材料研发和产业化”获国家科技进步一等奖。

上海微系统所现有传感技术、信息功能材料、微系统技术三个国家级重点实验室，有无线传感网与通信、太赫兹固态技术两个中科院重点实验室，并依托上海微系统所成立了中国科学院超导电子学卓越创新中心。 

上海微系统所设有传感技术、纳米材料与器件、太赫兹固态技术、微系统技术、物联网技术、宽带无线、硅基材料与集成器件、超导、仿生视觉等九个研究室，在上海、南京、杭州、嘉兴、南通与地方合作共建了六个分支机构，与德国亥姆霍兹联合会于利希研究中心共建了超导与生物电子学联合实验室，与中科院微小卫星创新研究院共建了高可靠器件协同创新设计中心，与中国科技大学共建了超导量子器件与量子信息联合实验室等。

“十三五”接近尾声、“十四五”即将启航的关键历史节点，上海微系统所将按照“面向世界科技前沿、面向国家重大需求、面向国民经济主战场”的新时期办院方针，充分发挥电子科学与技术、信息与通信工程两大学科优势，解决智能感知微系统、超导量子器件与电路、高端硅基材料等方向的重大关键科学和技术难题，实现创新跨越并推广应用，成为信息网络/通信（ICT）领域不可替代、“四个一流”的国立研究机构，为建设创新型国家和世界科技强国做出更大贡献。