中國(guó)電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
工作簡(jiǎn)介
無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的不斷演進(jìn)對(duì)射頻前端設(shè)備提出了更高數(shù)據(jù)傳輸速率和更大帶寬等需求，除了繼續(xù)開(kāi)發(fā)日益擁擠的Sub-6GHz頻譜，基于異質(zhì)集成襯底探索面向6 GHz及以上更高頻段的高性能聲表面波濾波器也是重要的解決方案之一。近日，上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所歐欣研究員帶領(lǐng)異質(zhì)集成XOI課題組，基于自主研制的高性能LiTaO3/SiC異質(zhì)集成襯底，研制出工作頻率跨越4-10 GHz的高頻、低損耗和無(wú)雜散模式的聲表面波諧振器和濾波器，初步探索并實(shí)現(xiàn)了X波段的SAW濾波器。相關(guān)研究工作以“High-Performance Surface Acoustic Wave Filters for X-Band Applications”為題發(fā)表于國(guó)際微波與射頻領(lǐng)域權(quán)威期刊IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques (IEEE TMTT)。論文共同第一作者為上海微系統(tǒng)所的博士研究生張麗萍和張師斌研究員，論文通訊作者為上海微系統(tǒng)所張師斌研究員和歐欣研究員。
研究背景
壓電聲學(xué)濾波器技術(shù)主要分為兩大類(lèi)，體聲波(BAW)濾波器和聲表面波(SAW)濾波器，二者在商用射頻前端領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，它們的工作頻率均被限制在6 GHz以下：BAW器件工作頻率的提升依賴(lài)于AlN或Sc-AlN壓電薄膜厚度的減薄，X頻段對(duì)應(yīng)的壓電薄膜厚度在200 nm以下，這對(duì)薄膜質(zhì)量和厚度均勻性提出了非常嚴(yán)格的要求。此外，工作在不同頻段的多個(gè)濾波器需要不同厚度的AlN薄膜，單片集成多頻段BAW濾波器需要較為復(fù)雜的制造工藝和高昂的成本。SAW器件的工作頻率通常取決于叉指換能器(IDT)的線(xiàn)寬，具有靈活的頻率調(diào)節(jié)特性，但聲波模式聲速有限與光刻工藝極限的問(wèn)題阻礙了高頻SAW器件的發(fā)展，高聲速高性能異質(zhì)集成襯底的引入可以使SAW器件在相同的特征尺寸下激發(fā)更高聲速的聲學(xué)模式。目前已經(jīng)報(bào)道的中心頻率(fc)高達(dá)5.1 GHz的SH-SAW濾波器和fc高達(dá)4.8-5.9 GHz的LL-SAW濾波器將SAW濾波器的應(yīng)用擴(kuò)展到了5G NR頻段[1-3]。然而，迄今為止，工作頻率超過(guò)6 GHz的高性能SAW濾波器及對(duì)其溫度穩(wěn)定性、頻率溫度系數(shù)(TCF)和功率耐久性方面的研究還鮮有報(bào)道。
研究亮點(diǎn)
在這項(xiàng)工作中，異質(zhì)集成XOI課題組基于高速、低損耗和高溫穩(wěn)定性的LiTaO3/SiC異質(zhì)集成襯底，設(shè)計(jì)并制備了具有良好溫度穩(wěn)定性的超高頻(4-10 GHz)、低損耗和無(wú)雜散模式的SAW諧振器與濾波器，并對(duì)器件的TCF與峰值功率容量進(jìn)行了表征，實(shí)現(xiàn)了X波段SAW濾波器的初步探索。
首先，基于LiTaO3/SiC異質(zhì)襯底設(shè)計(jì)并制備了一組高頻X-band SH-SAW諧振器，器件性能如圖1所示表征。X-band SH-SAW諧振器的工作頻率覆蓋8~10 GHz，機(jī)電耦合系數(shù)(kt2)約為7.4 %~9.6 %，Q值為350~1270，在較寬的頻率范圍內(nèi)無(wú)雜散響應(yīng)，表現(xiàn)出較為優(yōu)越的綜合性能。
圖1 基于LiTaO3/SiC的X-band SH-SAW諧振器的性能表征
(a) 導(dǎo)納曲線(xiàn)；(b) Bode-Q曲線(xiàn)
在上述高性能諧振器的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步設(shè)計(jì)并制備了由16個(gè)單頻SH-SAW梯型濾波器組成的濾波器陣列，其工作頻率覆蓋4-10 GHz，最小插入損耗(ILmin)低至0.78-1.92 dB， 3-dB帶寬為203-424 MHz，帶外抑制(OoB Rejection)超過(guò)27 dB。此濾波器陣列的優(yōu)良性能展示出LiTaO3/SiC異質(zhì)襯底的高頻高性能優(yōu)勢(shì)，有望基于此襯底實(shí)現(xiàn)高頻SAW濾波器的工程化制備。
圖2 基于LiTaO3/SiC的X-band與C-band SH-SAW濾波器的S21測(cè)試結(jié)果
(a) F1~F4：fc為8~10 GHz；(b) F5~F8：fc為6~8 GHz；(c) F9~F16：fc為4~6 GHz
為了表征所設(shè)計(jì)器件的溫度穩(wěn)定性，在298~358 K溫度范圍內(nèi)測(cè)量了3個(gè)濾波器F1，F(xiàn)3和F5的帶內(nèi)頻率響應(yīng)。圖3詳細(xì)展示了濾波器F1的變溫響應(yīng)，濾波器F1的8-dB帶寬左邊沿(TCFL)與右邊沿(TCFR)分別為+18.0和-22.6 ppm/K，約為L(zhǎng)iTaO3單晶的一半左右，表現(xiàn)出SiC支撐襯底對(duì)SAW器件的頻率溫度性能的有效補(bǔ)償，因此，基于LiTaO3/SiC異質(zhì)襯底的SAW諧振器與濾波器具有較為出色的溫度穩(wěn)定性。
圖3 濾波器F1在不同溫度下(298~358 K)的(a) S21測(cè)試結(jié)果, (b) 8-dB帶寬左邊沿頻率隨溫度的變化和(c) 8-dB帶寬右邊沿頻率隨溫度的變化
本工作首次對(duì)X-band SAW濾波器的峰值功率處理能力進(jìn)行了表征，圖4結(jié)果顯示峰值功率容量為21.5 dBm，與工作在較低頻率上的濾波器性能相比，基于LiTaO3/SiC異質(zhì)襯底的高性能X-band濾波器的功率處理能力已經(jīng)超出了預(yù)期。未來(lái)將繼續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)以進(jìn)一步提升功率容量。
圖4 X-band SH-SAW濾波器在不同輸入功率下的S21測(cè)試結(jié)果
總結(jié)與展望
本工作基于LiTaO3/SiC異質(zhì)集成襯底設(shè)計(jì)了工作頻率在X-band和C-band的SAW諧振器與濾波器，這些聲表面波器件具備高頻、低損耗、無(wú)雜散模式、高溫度穩(wěn)定性與大功率容量等特性，出色的綜合器件性能表明LiTaO3/SiC異質(zhì)集成襯底和X-band和C-band的SAW濾波器有望成為未來(lái)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵構(gòu)件。后續(xù)本團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步提升材料、器件的性能，推動(dòng)LiTaO3/SiC異質(zhì)襯底在未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信平臺(tái)中的應(yīng)用！
參考文獻(xiàn)
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