上海微系统所在5G射频滤波器领域取得重要进展

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，将单晶压电薄膜与高声速、高导热的支撑衬底集成，研制出可同时激发声表面波和兰姆波的压电异质衬底，并基于上述衬底验证了适用于3G、4G、5G应用的高性能射频声学器件。相关技术方案于12月15日以“Surface Wave and Lamb Wave Acoustic Devices on Heterogenous Substrate for 5G Front-Ends”为题在国际微电子领域顶级会议IEEE Electron Devices Meeting（IEDM）以口头报告形式发布。

射频前端模块是移动通信系统的核心组件，射频滤波器是射频前端的核心部件之一。国内在高端滤波器研究基础十分薄弱，相关产品完全依赖进口。5G NR频段的加入对射频滤波器的频率、带宽、功率容量等都提出了更高要求。声表面波（SAW）和体声波（BAW）滤波器凭借其优良的频率选择性、高Q值、低插入损耗等优势成为移动射频前端滤波器的主流选择。相较于BAW滤波器，SAW滤波器具有明显的成本优势，但其较低的中心频率和Q值、温漂大、功率容量小等问题限制了其在5G通讯中的应用。然而，我国射频滤波器产业主要集中在SAW滤波器上。因此研究如何在保持SAW滤波器件的结构和工艺优势的同时大幅提升其性能，使其满足4G、5G通信应用需求，具有重要的战略意义。

图1（a）SAW滤波器向高频、大宽带方向发展的路线图；（b）基于高声速、高导热压电异质衬底的滤波器芯片示意图；图（b）所示压电异质衬底的（c）声速频散特性曲线仿真结果和（d）瞬态热反射曲线测试结果

图1（a）展示了本报告提出的基于单晶压电异质衬底技术，SAW滤波器向高频、大带宽方向发展的技术路线图。受限于目标声学模式的声速与机电耦合系数、光刻极限、叉指区（IDT）功率密度等因素，传统SAW和温补TC-SAW通常应用于2GHz以下的频段，高性能IHP-SAW通常应用于3GHz以下频段。虽然基于布拉格反射栅或基于悬空压电薄膜的兰姆波器件可实现高频大带宽，但布拉格反射栅工艺复杂且成本高昂，而悬空型兰姆波器件的功率容量较小。因此，研究可同时实现高频、大带宽和大功率容量的声学器件至关重要。

通常，高频意味着目标声学模式声速高（相同波长条件下），大带宽意味着目标声学模式机电耦合系数大，而大功率意味着支撑衬底具有优异的热导率（电极电阻足够小且机械强度足够强条件下）。鉴于上述分析，上海微系统所异质集成XOI课题组将单晶压电薄膜（LiNbO3）与高声速、高导热支撑衬底（如SiC等）集成，形成如图1（b）所示异质衬底结构（LNOSiC）。上述异质衬底既可以有效地约束压电薄膜中激发的声表面波（大机电耦合系数）和兰姆波（高频、大机电耦合系数），还具有极其优异的导热特性，如图1（c）和1（d）所示。因此，图1（b）所示异质衬底理论上可同时支撑应用于3G、4G和5G通信的多频段射频滤波器阵列，是一种“All-in-One”的解决方案。

图2 基于图1（b）所示压电异质衬底的不同波长的谐振器导纳曲线测试结果：（a）&（c）水平剪切波模式（SH0 mode），（b）&（d）对称型兰姆波模式（S0 mode）

图2（a）和2（b）所示实验结果表明该异质衬底可有效激发SH0模式和S0模式，其对应谐振器的工作频率可覆盖2.0~4.72 GHz频段，机电耦合系数大于20%。通过调整压电薄膜厚度和目标模式波长的比值，可进一步降低或提高器件工作频率和机电耦合系数。图2（c）所示实验结果为典型SH0谐振器的导纳响应，其兼顾较高的工作频率、较大的机电耦合系数和Bode-Q。图2（d）所示实验结果为典型S0谐振器的导纳响应，其谐振频率大于3.3GHz，机电耦合系数大于20%，基本满足5G应用需求，后期将通过器件优化设计提高其Bode-Q。

目前，高性能SAW滤波器技术仍在发展中，而异质衬底材料技术将是实现高性能SAW滤波器的关键。欧欣研究员领导的异质集成XOI课题组将致力于通过异质集成技术构建满足具有实际应用需求的新型异质衬底；同时，从物理本质出发，探索各向异性异质衬底中声波传输特性、挖掘新声学模式、研发新器件结构。