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)，將單晶壓電薄膜與高聲速、高導(dǎo)熱的支撐襯底集成，研制出可同時(shí)激發(fā)聲表面波和蘭姆波的壓電異質(zhì)襯底，并基于上述襯底驗(yàn)證了適用于3G、4G、5G應(yīng)用的高性能射頻聲學(xué)器件。相關(guān)技術(shù)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(lǐng)域頂級會議IEEE Electron Devices Meeting（IEDM）以口頭報(bào)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(nèi)在高端濾波器研究基礎(chǔ)十分薄弱，相關(guān)產(chǎn)品完全依賴進(jìn)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(yīng)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(jié)構(gòu)和工藝優(yōu)勢的同時(shí)大幅提升其性能，使其滿足4G、5G通信應(yīng)用需求，具有重要的戰(zhàn)略意義。

圖1（a）展示了本報(bào)告提出的基于單晶壓電異質(zhì)襯底技術(shù)，SAW濾波器向高頻、大帶寬方向發(fā)展的技術(shù)路線圖。受限于目標(biāo)聲學(xué)模式的聲速與機(jī)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(bǔ)TC-SAW通常應(yīng)用于2GHz以下的頻段，高性能IHP-SAW通常應(yīng)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(shí)現(xiàn)高頻大帶寬，但布拉格反射柵工藝復(fù)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(shí)實(shí)現(xiàn)高頻、大帶寬和大功率容量的聲學(xué)器件至關(guān)重要。

通常，高頻意味著目標(biāo)聲學(xué)模式聲速高（相同波長條件下），大帶寬意味著目標(biāo)聲學(xué)模式機(jī)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(dǎo)率（電極電阻足夠小且機(jī)械強(qiáng)度足夠強(qiáng)條件下）。鑒于上述分析，上海微系統(tǒng)所異質(zhì)集成XOI課題組將單晶壓電薄膜（LiNbO3）與高聲速、高導(dǎo)熱支撐襯底（如SiC等）集成，形成如圖1（b）所示異質(zhì)襯底結(jié)構(gòu)（LNOSiC）。上述異質(zhì)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(jī)電耦合系數(shù)）和蘭姆波（高頻、大機(jī)電耦合系數(shù)），還具有極其優(yōu)異的導(dǎo)熱特性，如圖1（c）和1（d）所示。因此，圖1（b）所示異質(zhì)襯底理論上可同時(shí)支撐應(yīng)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(dǎo)熱壓電異質(zhì)襯底的濾波器芯片示意圖；圖（b）所示壓電異質(zhì)襯底的（c）聲速頻散特性曲線仿真結(jié)果和（d）瞬態(tài)熱反射曲線測試結(jié)果

圖2（a）和2（b）所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該異質(zhì)襯底可有效激發(fā)SH0模式和S0模式，其對應(yīng)諧振器的工作頻率可覆蓋2.0~4.72 GHz頻段，機(jī)電耦合系數(shù)大于20%。通過調(diào)整壓電薄膜厚度和目標(biāo)模式波長的比值，可進(jìn)一步降低或提高器件工作頻率和機(jī)電耦合系數(shù)。圖2（c）所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果為典型SH0諧振器的導(dǎo)納響應(yīng)，其兼顧較高的工作頻率、較大的機(jī)電耦合系數(shù)和Bode-Q。圖2（d）所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果為典型S0諧振器的導(dǎo)納響應(yīng)，其諧振頻率大于3.3GHz，機(jī)電耦合系數(shù)大于20%，基本滿足5G應(yīng)用需求，后期將通過器件優(yōu)化設(shè)計(jì)提高其Bode-Q。

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

目前，高性能SAW濾波器技術(shù)仍在發(fā)展中，而異質(zhì)襯底材料技術(shù)將是實(shí)現(xiàn)高性能SAW濾波器的關(guān)鍵。歐欣研究員領(lǐng)導(dǎo)的異質(zhì)集成XOI課題組將致力于通過異質(zhì)集成技術(shù)構(gòu)建滿足具有實(shí)際應(yīng)用需求的新型異質(zhì)襯底；同時(shí)，從物理本質(zhì)出發(fā)，探索各向異性異質(zhì)襯底中聲波傳輸特性、挖掘新聲學(xué)模式、研發(fā)新器件結(jié)構(gòu)。