LL-SAW器件的设计要点

工作简介

    上海微系统所异质集成XOI课题组基于自主研制的高单晶质量6英寸LiNbO3/SiC压电异质晶圆，开发了国际上首款基于单晶压电薄膜异质集成衬底的5G N79频段的高性能声表面波（SAW）滤波器方案，相关研究工作以“Near 5 GHzLongitudinal Leaky Surface Acoustic Wave Devices on LiNbO3/SiCSubstrates”为题发表于国际微波与射频领域权威期刊IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques (IEEE TMTT)。论文共同第一作者为上海微系统所的博士研究生郑鹏程和张师斌副研究员，论文通讯作者为上海微系统所张师斌副研究员和欧欣研究员。

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研究背景

    目前，声表面波（SAW）技术是面向Sub-3GHz频段高性能、微型化滤波器的首选。由于声波模式声速限制，SAW滤波器被普遍认为无法应用于5G N79（4.4 GHz ~ 5.0 GHz）和Wi-Fi 6等频段。体声波（BAW）、LTCC等技术在上述频段仍占据主流地位。突破SAW器件的工作频率瓶颈，核心在于在相同的特征尺寸下激发更高声速的声学模式。得益于>6000m/s的模式声速和高机电耦合系数，纵向泄露声表面波模式（LL-SAW）受到学术界长期关注。然而，常规的压电体材料或硅基压电异质衬底，由于支撑衬底声速偏低无法形成良好的声波导效应，进而导致LL-SAW滤波器插入损耗过高，难以产业化应用。

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研究亮点

    本工作中，上海微系统所异质集成XOI课题组利用“万能离子刀”剥离和转移技术，制备了6英寸的高质量SiC基单晶LiNbO3薄膜，全面梳理分析了LL-SAW器件的设计要点，并研制了大于4GHz的高Q值LL-SAW谐振器和面向N79频段的大带宽、低插损滤波器。

    图1对比了3种压电异质衬底的谐振器响应和截面振型图，可看出材料中同时激发了低频的SH和高频的LL两种谐振响应。衬底材料的声速直接决定了电导曲线中截止频率（cut-offfrequency）的位置，当截止频率高于模式频率，才可实现良好的声波导效应。对于（b）图中的蓝宝石基异质衬底，截止频率位于SH和LL二者之间，则SH模式的衰减因子δ几乎为0，而LL模式仍存在0.18dB/λ的衰减；而当采用体波声速高达7.1km/s的SiC衬底时（图c），截止频率高于LL模式，因此LL模式的衰减因子亦接近为0。

图1 基于（a）体单晶、（b）蓝宝石基LiNbO3薄膜、（c）SiC基LiNbO3薄膜的SAW谐振器仿真结果。

    图2展示了一组所制备的LL-SAW谐振器实测曲线。LL-SAW谐振器可在>4GHz的工作频率下实现>60dB的阻抗比和接近20%的机电耦合系数，是传统SH模式频率的1.7倍。

图2（a）LL-SAW谐振器实测结果，（b）谐振器导纳比和机电耦合系数曲线。

    面向5G N79频段的应用，设计了一组5阶滤波器，频响曲线如图3所示。所制备的LL-SAW滤波器在约4.9GHz的中心频率实现了高达457MHz的带宽、小于1dB的插入损耗、低频侧26dB的带外抑制。

图3 面向N79频段的LL-SAW滤波器实测结果

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总结与展望

    本工作通过LiNbO3单晶薄膜与高声速SiC衬底的异质集成，有效地激发了极高声速、大带宽的LL-SAW模式，突破传统SAW器件的频率瓶颈，在国际上首次利用SAW技术实现高性能5G N79频段滤波器，技术相关专利已获得中、美两国专利授权。后续本团队将进一步提升材料、器件的性能，推动SiC基LL-SAW技术在5G、Wi-Fi 6频段的规模化应用，为国内滤波器产业换道超车发展提供全新思路。

        审核编辑：彭菁