LL-SAW器件的設計要點

工作簡介

上海微系統所異質集成XOI課題組基于自主研制的高單晶質量6英寸LiNbO3/SiC壓電異質晶圓，開發了國際上首款基于單晶壓電薄膜異質集成襯底的5G N79頻段的高性能聲表面波（SAW）濾波器方案，相關研究工作以“Near 5 GHzLongitudinal Leaky Surface Acoustic Wave Devices on LiNbO3/SiCSubstrates”為題發表于國際微波與射頻領域權威期刊IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques (IEEE TMTT)。論文共同第一作者為上海微系統所的博士研究生鄭鵬程和張師斌副研究員，論文通訊作者為上海微系統所張師斌副研究員和歐欣研究員。

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研究背景

目前，聲表面波（SAW）技術是面向Sub-3GHz頻段高性能、微型化濾波器的首選。由于聲波模式聲速限制，SAW濾波器被普遍認為無法應用于5G N79（4.4 GHz ~ 5.0 GHz）和Wi-Fi 6等頻段。體聲波（BAW）、LTCC等技術在上述頻段仍占據主流地位。突破SAW器件的工作頻率瓶頸，核心在于在相同的特征尺寸下激發更高聲速的聲學模式。得益于>6000m/s的模式聲速和高機電耦合系數，縱向泄露聲表面波模式（LL-SAW）受到學術界長期關注。然而，常規的壓電體材料或硅基壓電異質襯底，由于支撐襯底聲速偏低無法形成良好的聲波導效應，進而導致LL-SAW濾波器插入損耗過高，難以產業化應用。

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研究亮點

本工作中，上海微系統所異質集成XOI課題組利用“萬能離子刀”剝離和轉移技術，制備了6英寸的高質量SiC基單晶LiNbO3薄膜，全面梳理分析了LL-SAW器件的設計要點，并研制了大于4GHz的高Q值LL-SAW諧振器和面向N79頻段的大帶寬、低插損濾波器。

圖1對比了3種壓電異質襯底的諧振器響應和截面振型圖，可看出材料中同時激發了低頻的SH和高頻的LL兩種諧振響應。襯底材料的聲速直接決定了電導曲線中截止頻率（cut-offfrequency）的位置，當截止頻率高于模式頻率，才可實現良好的聲波導效應。對于（b）圖中的藍寶石基異質襯底，截止頻率位于SH和LL二者之間，則SH模式的衰減因子δ幾乎為0，而LL模式仍存在0.18dB/λ的衰減；而當采用體波聲速高達7.1km/s的SiC襯底時（圖c），截止頻率高于LL模式，因此LL模式的衰減因子亦接近為0。

圖1 基于（a）體單晶、（b）藍寶石基LiNbO3薄膜、（c）SiC基LiNbO3薄膜的SAW諧振器仿真結果。

圖2展示了一組所制備的LL-SAW諧振器實測曲線。LL-SAW諧振器可在>4GHz的工作頻率下實現>60dB的阻抗比和接近20%的機電耦合系數，是傳統SH模式頻率的1.7倍。

圖2（a）LL-SAW諧振器實測結果，（b）諧振器導納比和機電耦合系數曲線。

面向5G N79頻段的應用，設計了一組5階濾波器，頻響曲線如圖3所示。所制備的LL-SAW濾波器在約4.9GHz的中心頻率實現了高達457MHz的帶寬、小于1dB的插入損耗、低頻側26dB的帶外抑制。

圖3 面向N79頻段的LL-SAW濾波器實測結果

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總結與展望

本工作通過LiNbO3單晶薄膜與高聲速SiC襯底的異質集成，有效地激發了極高聲速、大帶寬的LL-SAW模式，突破傳統SAW器件的頻率瓶頸，在國際上首次利用SAW技術實現高性能5G N79頻段濾波器，技術相關專利已獲得中、美兩國專利授權。后續本團隊將進一步提升材料、器件的性能，推動SiC基LL-SAW技術在5G、Wi-Fi 6頻段的規?；瘧?，為國內濾波器產業換道超車發展提供全新思路。

審核編輯：彭菁