中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
聯(lián)系人：李鋒
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1工作簡介
近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所異質(zhì)集成XOI課題組，基于自主研發(fā)的藍(lán)寶石基和硅基鉭酸鋰異質(zhì)集成襯底，提出面內(nèi)旋轉(zhuǎn)叉指換能器(IDT)匹配優(yōu)選的聲波導(dǎo)邊界的二維電極結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了橫向高階模式的抑制、帶外寄生響應(yīng)的削弱、以及最大諧振器Q值超過5000的的聲表面波(SAW)諧振器。在單個壓電異質(zhì)襯底上實(shí)現(xiàn)了頻率相近且相對帶寬不同的SAW濾波器，均具有低插入損耗、陡直的裙邊以及高帶外抑制的特點(diǎn)。該技術(shù)有望減少壓電異質(zhì)襯底規(guī)格種數(shù)的需求，降低射頻前端模塊的成本。相關(guān)研究工作以“Rotated Interdigital Transducers With Matched Waveguide Boundaries for High-Performance Surface Acoustic Wave Devices”為題發(fā)表于國際微波與射頻領(lǐng)域權(quán)威期刊IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques (IEEE TMTT)。論文的共同第一作者分別為博士生吳進(jìn)波、張師斌研究員及博士生柯新建，共同通訊作者為張師斌研究員與歐欣研究員。
2研究背景
在SAW技術(shù)中，鉭酸鋰(LiTaO3)薄膜與功能襯底組成的結(jié)構(gòu)是最常用的材料平臺。更重要的是，相應(yīng)的壓電異質(zhì)晶圓和SAW器件(濾波器、雙工器等)都已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)[1,2]。此外，薄膜LiTaO3還展示出其在光子集成電路中的應(yīng)用潛力[3]。LiTaO3具有很強(qiáng)的面內(nèi)各向異性，但基于薄膜LiTaO3通過改變面內(nèi)取向來調(diào)節(jié)kt2的技術(shù)卻尚未得到充分討論。主要是因?yàn)槊鎯?nèi)旋轉(zhuǎn)會帶來的新的挑戰(zhàn)，例如過大的能流角和增強(qiáng)的寄生模式(包括橫向高階模、瑞利模式、LL-SAW、SH1、Sezawa等)。如果能夠在不犧牲其他性能的前提下基于薄膜LiTaO3實(shí)現(xiàn)具有不同帶寬的濾波器，則射頻前端模塊的成本將大大降低。
3研究亮點(diǎn)
本工作中，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所異質(zhì)集成XOI課題組提出并驗(yàn)證了一種由旋轉(zhuǎn)叉指換能器 (IDT) 和傾斜波導(dǎo)邊界組成的二維電極結(jié)構(gòu)，利用“萬能離子刀”智能剝離和轉(zhuǎn)移技術(shù)制備了高質(zhì)量單晶LiTaO3薄膜，基于Y42切LiTaO3/SiO2/Sapphire (LiTaO3-on-Sapphire, LTOS) 襯底及二維電極結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了帶寬可調(diào)的低損耗水平剪切SAW (SH-SAW) 器件。
如圖1(a)和(b)所示為二維電極結(jié)構(gòu)的示意圖，其中旋轉(zhuǎn)的IDT用于調(diào)節(jié)kt2。如圖1(c)和(d)所示為主模SH-SAW及雜波的能流角(PFA)、γ=θ+7°時的能流入射角隨面內(nèi)方向的變化(能流方向與傳播方向的夾角為PFA，能流方向與波導(dǎo)邊界的夾角為能流入射角)。當(dāng)傾斜角γ=θ+7°時，主模SH-SAW的能流入射角控制在10°以內(nèi)，寄生模式的最大能流入射角則超過30°。因此，根據(jù)能流方向匹配的傾斜波導(dǎo)邊界可以顯著減少能量泄漏和削弱各種寄生模式。如圖2所示，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角達(dá)到20°時的SH-SAW諧振器的3D振型圖，此時能流角約為-20°，過大的能流入射角導(dǎo)致主模能量大量泄漏到匯流條區(qū)域。在匹配了合適的波導(dǎo)邊界以后，即γ為27°，主模的泄漏幾乎被完全抑制。
圖1 (a)二維電極結(jié)構(gòu)的演進(jìn)過程；(b)二維電極結(jié)構(gòu)的俯視圖；(c)γ=0°時SH-SAW和雜波Ⅰ、Ⅱ的能流角隨面內(nèi)方向的變化；(d)γ=θ+7°時各模式能流入射角隨面內(nèi)方向的變化
圖2 (a)θ=20°的SH-SAW諧振器的3D振型圖；(b)θ=20°且γ=27°的SH-SAW諧振器的3D振型圖
不同旋轉(zhuǎn)角θ和傾斜角γ的SH-SAW諧振器的實(shí)測結(jié)果如圖3和4所示，當(dāng)γ-θ在7°或-6°左右時，諧振器具有較大Q值，且橫向高階模式得到了抑制，其中最大的Q值達(dá)到5231，最大優(yōu)值因子(FoM)達(dá)到653.4(同頻段無橫模SAW諧振器的最高值)。隨著θ的變化，諧振器的實(shí)測kt2從12.6%變化到5.9%。應(yīng)用本技術(shù)的諧振器的Q值均超過了3000，而僅旋轉(zhuǎn)IDT的諧振器的Q值在θ=20°時下降到了736；與僅旋轉(zhuǎn)IDT的諧振器相比，寄生模式的導(dǎo)納比也從49.7 dB降低到18.5 dB。
圖3 具有不同θ和γ的SH-SAW諧振器的測試結(jié)果
圖4 典型諧振器的導(dǎo)納曲線和Bode-Q曲線
基于同一個LTOS襯底，其中兩個應(yīng)用本技術(shù)的SH-SAW濾波器的3 dB帶寬(BW3dB)分別為47 MHz和63 MHz，最小插入損耗(ILmin)分別為0.96 dB和0.83 dB，且兩個濾波器的鄰帶帶外抑制水平均達(dá)到50 dB，如圖5所示。該技術(shù)還在已經(jīng)得到量產(chǎn)的Y42切LiTaO3/SiO2/poly-Si/Si晶圓上進(jìn)行了驗(yàn)證，顯示出在單一材料平臺上實(shí)現(xiàn)多個具有不同帶寬的低損耗濾波器的巨大潛力。
4總結(jié)與展望 5原文傳遞
文章鏈接：
https://ieeexplore.ieee.org/document/10745116
6參考文獻(xiàn)
[1] T. Takai, H. Iwamoto, Y. Takamine, T. Fuyutsume, T. Nakao, M. Hiramoto, T. Toi, and M. Koshino, “High-performance SAW resonator with simplified LiTaO3/SiO2double layer structure on Si substrate,” IEEE Trans. Ultrason., Ferroelectr., Freq. Control, vol. 66, no. 5, pp. 1006–1013, May 2019, doi: 10.1109/TUFFC.2019.2898046.
來源：上海微系統(tǒng)所，集成電路材料實(shí)驗(yàn)室，異質(zhì)集成XOI課題組
