上海微系統(tǒng)所利用異質(zhì)集成POI技術(shù)研制出高性能SAW濾波器

上海微系統(tǒng)所異質(zhì)集成XOI課題組利用“萬能離子刀”剝離與轉(zhuǎn)移技術(shù)，將LiNbO3單晶薄膜與高聲速、高導(dǎo)熱的支撐襯底異質(zhì)集成（如圖1所示），與美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校合作，研制出高性能聲表面波（SAW）器件。聲表面波諧振器的諧振頻率約1.95 GHz，導(dǎo)納比高達(dá)80.1 dB，機電耦合系數(shù)高達(dá)27.8%，Q值接近2000，諧振器的綜合性能品質(zhì)優(yōu)值（FoM）高達(dá)530，為已報道的最高值 （如圖2所示）；制備的聲表面波濾波器中心頻率約為2.29 GHz，3-dB相對帶寬約為9.9%，通帶內(nèi)最小插入損耗為1.38 dB，帶外抑制約為40 dB（如圖3所示）。相關(guān)結(jié)果于2020年7月13日在線發(fā)表于微波領(lǐng)域著名期刊IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques（DOI：10.1109/TMTT.2020.3006294）；并將在國際微波領(lǐng)域頂級會議IEEE MTT-S International Microwave Symposium 2020以口頭報告形式發(fā)布。

濾波器是射頻前端模塊中的核心部件之一，占據(jù)了射頻前端市場中的最大份額。隨著5G時代的到來，手機等移動終端需要支持的頻帶數(shù)目大幅增加，因而對濾波器的需求也不斷增長。射頻濾波器主要有兩種技術(shù)路線：聲表面波（Surface Acoustic Wave, SAW）濾波器和體聲波濾波器（Bulk Acoustic Wave, BAW）濾波器。射頻SAW和BAW濾波器由于插入損耗低（<2dB）、帶外抑制高、成本低和微型化等優(yōu)勢成為移動通信射頻前端無可替代的元器件日企Murata、TDK等占據(jù)聲表面波(SAW)濾波器主要市場，美企Avago、Qorvo等占據(jù)體聲波(BAW/FBAR)濾波器主要市場，這些廠商經(jīng)過多年的積累，已經(jīng)形成高大的技術(shù)壁壘和專利壁壘，國內(nèi)廠商在該領(lǐng)域的技術(shù)能力與國外廠商相比仍有很大差距。因此，實現(xiàn)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能射頻聲學(xué)濾波器件具有重要的戰(zhàn)略意義和經(jīng)濟(jì)價值。?

目前，高性能SAW濾波器技術(shù)在快速發(fā)展中，日本Murata的代表產(chǎn)品IHP-SAW（Incredible High Performance SAW）有著業(yè)界最佳的綜合性能，但受限于工作頻率難以突破3 GHz，較難應(yīng)用于5G通信n77（3.3 GHz~4.2 GHz）、n79（4.4 GHz~5.0 GHz）等重要頻段。XOI課題組利用異質(zhì)集成技術(shù)，將LiNbO3/LiTaO3單晶壓電薄膜與高聲速、高導(dǎo)熱襯底結(jié)合，進(jìn)一步提高射頻聲表面波濾波器的工作頻率和綜合性能，對于推動高性能射頻濾波器件發(fā)展和應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

圖1制備的壓電異質(zhì)集成襯底的（a）實物圖和（b）面內(nèi)均勻性表征結(jié)果

圖2基于壓電異質(zhì)集成襯底的諧振器的（a）導(dǎo)納曲線和（b）Bode_Q的測試與擬合結(jié)果

圖3制備的濾波器的測試結(jié)果

中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所原名中國科學(xué)院上海冶金研究所，前身是成立于1928年的國立中央研究院工程研究所，是我國最早的工學(xué)研究機構(gòu)之一。新中國成立后隸屬中國科學(xué)院，曾命名中國科學(xué)院工學(xué)實驗館、中國科學(xué)院冶金陶瓷研究所。2001年8月，根據(jù)學(xué)科領(lǐng)域和科研目標(biāo)的調(diào)整，更名為中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，簡稱上海微系統(tǒng)所。

在八十多年的發(fā)展進(jìn)程中，上海微系統(tǒng)所始終圍繞國家戰(zhàn)略需求，調(diào)整科研布局，發(fā)揮了對國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的骨干引領(lǐng)作用。上世紀(jì)五十年代，在國內(nèi)率先研制成功球墨鑄鐵，成功解決了包鋼高含氟鐵礦的冶煉和稀土元素回收。六十年代中期，發(fā)展微電子和集成電路制造技術(shù)，與工業(yè)部門合作研制出國內(nèi)第一塊工業(yè)實用PN結(jié)隔離集成電路、ECL高速電路和國內(nèi)第一塊8位、16位微處理器。八十年代中期，開展微電子機械系統(tǒng)（MEMS）和絕緣體上硅（SOI）材料研究，居國內(nèi)領(lǐng)先地位，并在國際上占據(jù)了重要的一席之地。

1998年進(jìn)入知識創(chuàng)新工程后，上海微系統(tǒng)所成功發(fā)射創(chuàng)新一號01、02和03星、“神舟七號”伴星，是我國微小衛(wèi)星的重要研制基地；實施了上海世博會防入侵傳感網(wǎng)、浦東機場防入侵系統(tǒng)、太湖水質(zhì)監(jiān)控傳感網(wǎng)、南水北調(diào)中線安防系統(tǒng)等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范工程，引領(lǐng)物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)，推升為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)；研發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的寬帶無線通信系統(tǒng)，應(yīng)用于汶川和玉樹抗震搶險、上海世博會等重大事件，在抗震救災(zāi)、維穩(wěn)、公共安全、數(shù)字化城市等方面發(fā)揮了不可替代作用；SOI材料實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，填補國內(nèi)空白，應(yīng)用于國家重大關(guān)鍵工程，控股的上海新傲科技股份有限公司是國內(nèi)唯一一個具有國際先進(jìn)水平的國家級高端硅基材料產(chǎn)業(yè)化基地。

“十二五”以來，上海微系統(tǒng)所作為中科院第一個系統(tǒng)級型號任務(wù)的技術(shù)總體單位，突破了多功能復(fù)合傳感器等關(guān)鍵技術(shù)，確立了特種寬帶無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)解決方案，實現(xiàn)了在我國相關(guān)單元的大規(guī)模應(yīng)用和通信體制由窄帶向?qū)拵У募夹g(shù)跨越。研制成功國內(nèi)第一顆基于SOI材料的0.13um工藝大規(guī)模高可靠專用集成電路ASIC芯片，應(yīng)用于北斗導(dǎo)航衛(wèi)星等國家關(guān)鍵工程，為我國航天核心元器件的自主可控奠定堅實基礎(chǔ)。超導(dǎo)單光子探測器SNSPD助力中科大潘建偉院士在國際上首次實現(xiàn)防止黑客攻擊的200公里測量器件無關(guān)量子密鑰分發(fā)，成果入選兩院院士評選2014年中國十大科技進(jìn)展。超高g加速度傳感器為我國戰(zhàn)略裝備提供了不可替代產(chǎn)品，打破國際禁運。發(fā)起設(shè)立的MEMS技術(shù)產(chǎn)業(yè)化平臺-上海微技術(shù)工業(yè)研究院被列為上海建設(shè)具有全球影響力科創(chuàng)中心的“四梁八柱”。

自建國以來，上海微系統(tǒng)所獲得國家級科技獎項46項、部省級347項，其中“甲種分離膜”技術(shù)獲國家科技進(jìn)步特等獎，“高速、超高速雙極型數(shù)字集成電路”、“高端硅基SOI材料研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化”獲國家科技進(jìn)步一等獎。

上海微系統(tǒng)所現(xiàn)有傳感技術(shù)、信息功能材料、微系統(tǒng)技術(shù)三個國家級重點實驗室，有無線傳感網(wǎng)與通信、太赫茲固態(tài)技術(shù)兩個中科院重點實驗室，并依托上海微系統(tǒng)所成立了中國科學(xué)院超導(dǎo)電子學(xué)卓越創(chuàng)新中心。

上海微系統(tǒng)所設(shè)有傳感技術(shù)、納米材料與器件、太赫茲固態(tài)技術(shù)、微系統(tǒng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、寬帶無線、硅基材料與集成器件、超導(dǎo)、仿生視覺等九個研究室，在上海、南京、杭州、嘉興、南通與地方合作共建了六個分支機構(gòu)，與德國亥姆霍茲聯(lián)合會于利希研究中心共建了超導(dǎo)與生物電子學(xué)聯(lián)合實驗室，與中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院共建了高可靠器件協(xié)同創(chuàng)新設(shè)計中心，與中國科技大學(xué)共建了超導(dǎo)量子器件與量子信息聯(lián)合實驗室等。

“十三五”接近尾聲、“十四五”即將啟航的關(guān)鍵歷史節(jié)點，上海微系統(tǒng)所將按照“面向世界科技前沿、面向國家重大需求、面向國民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場”的新時期辦院方針，充分發(fā)揮電子科學(xué)與技術(shù)、信息與通信工程兩大學(xué)科優(yōu)勢，解決智能感知微系統(tǒng)、超導(dǎo)量子器件與電路、高端硅基材料等方向的重大關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)難題，實現(xiàn)創(chuàng)新跨越并推廣應(yīng)用，成為信息網(wǎng)絡(luò)/通信（ICT）領(lǐng)域不可替代、“四個一流”的國立研究機構(gòu)，為建設(shè)創(chuàng)新型國家和世界科技強國做出更大貢獻(xiàn)。