2020 年IEDM会议发布上海微系统所在5G射频滤波器领域的重要进展

  

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,將單晶壓電薄膜與高聲速、高導熱的支撐襯底集成,研制出可同時激發聲表面波和蘭姆波的壓電異質襯底,並基于上述襯底驗證了適用于3G4G5G應用的高性能射频声学器件。相关技术方案于1215日以“Surface Wave and Lamb Wave Acoustic Devices on Heterogenous Substrate for 5G Front-Ends”爲題在國際微電子領域頂級會議IEEE Electron Devices MeetingIEDM)以口頭報告形式發布。

射頻前端模塊是移動通信系統的核心組件,射頻濾波器是射頻前端的核心部件之一。國內在高端濾波器研究基礎十分薄弱,相關産品完全依賴進口。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)濾波器憑借其優良的頻率選擇性、高Q值、低插入損耗等優勢成爲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通讯中的應用。然而,我国射频滤波器产业主要集中在SAW濾波器上。因此研究如何在保持SAW濾波器件的結構和工藝優勢的同時大幅提升其性能,使其滿足4G5G通信應用需求,具有重要的战略意义。

1a)展示了本報告提出的基于單晶壓電異質襯底技術,SAW滤波器向高频、大带宽方向发展的技术路线圖。受限于目標聲學模式的聲速與機電耦合系數、光刻極限、叉指區(IDT)功率密度等因素,傳統SAW和溫補TC-SAW通常應用于2GHz以下的頻段,高性能IHP-SAW通常應用于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現高頻大帶寬,但布拉格反射柵工藝複雜且成本高昂,而懸空型蘭姆波器件的功率容量較小。因此,研究可同時實現高頻、大帶寬和大功率容量的聲學器件至關重要。

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,上海微系統所異質集成XOI課題組將單晶壓電薄膜(LiNbO3)與高聲速、高導熱支撐襯底(如SiC等)集成,形成如圖1b)所示異質襯底結構(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,如圖1c)和1d)所示。因此,圖1b)所示异质衬底理论上可同时支撑應用于3G4G5G通信的多頻段射頻濾波器陣列,是一種“All-in-One”的解決方案。

2a)和2b)所示實驗結果表明該異質襯底可有效激發SH0模式和S0模式,其對應諧振器的工作頻率可覆蓋2.0~4.72 GHz頻段,機電耦合系數大于20%。通过调整压电薄膜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。圖2c)所示實驗結果爲典型SH0諧振器的導納響應,其兼顧較高的工作頻率、較大的機電耦合系數和Bode-Q。圖2d)所示實驗結果爲典型S0諧振器的導納響應,其諧振頻率大于3.3GHz,機電耦合系數大于20%,基本滿足5G應用需求,后期将通过器件优化设计提高其Bode-Q

目前,高性能SAW波濾波器技術仍在發展中,而異質襯底材料技術將是實現高性能SAW濾波器的關鍵。歐欣研究員領導的異質集成XOI课题组将致力于通过异质集成技术构建满足具有实际應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。

IEDM會議日程鏈接:https://ieee-iedm.org/wp-content/uploads/2020/10/20-ap-1.pdf

1aSAW滤波器向高频、大宽带方向发展的路线圖;(b)基于高声速、高导热压电异质衬底的滤波器芯片示意圖;圖(b)所示壓電異質襯底的(c)聲速頻散特性曲線仿真結果和(d)瞬態熱反射曲線測試結果

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