碳化硅基鉭酸鋰異質(zhì)晶圓上實(shí)現(xiàn)超高Q值SAW諧振器的色散調(diào)控新機(jī)制

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工作簡介

中科院上海微系統(tǒng)所異質(zhì)集成XOI課題組基于自主研制的高質(zhì)量LiTaO3-on-SiC單晶壓電異質(zhì)襯底，揭示了其中水平剪切波模式（SH-SAW）的主偏振分量（Y分量）的調(diào)控機(jī)制和伴生雜散偏振分量（X+Z分量）的抑制機(jī)制，通過調(diào)控厚度波長比以抑制散射損耗，據(jù)此實(shí)現(xiàn)了Q值超10000的聲表面波（SAW）諧振器件。相關(guān)研究工作以“Ultra-High Q of 11000 in Surface Acoustic Wave Resonators by Dispersive Modulation”為題發(fā)表于國際微電子器件領(lǐng)域標(biāo)志性期刊IEEE Electron Device Letters(IEEE EDL)，并入選編輯精選。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副研究員，論文通訊作者為上海微系統(tǒng)所張師斌副研究員和歐欣研究員。

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研究背景

5G時(shí)代，無線通訊系統(tǒng)的發(fā)展為世界帶來諸多可能性，為滿足高速傳輸和大規(guī)模的無線通訊，頻譜頻段的布局愈發(fā)密集，用于移動(dòng)終端的射頻前端架構(gòu)也必須支持更多的頻段，這將導(dǎo)致射頻前端模塊中濾波器、雙工器數(shù)目的持續(xù)上升。聲表面波（SAW）濾波器由于其小體積和高性能，是移動(dòng)終端不可或缺的濾波器件。為了實(shí)現(xiàn)較低的傳輸損耗、陡峭的過渡帶邊、高溫度穩(wěn)定性和高帶外抑制的SAW濾波器，設(shè)計(jì)具有高品質(zhì)因數(shù)（Q）和低頻率溫度漂移的高性能諧振器單元至關(guān)重要。

LiTaO3/SiC襯底可制備具有高頻、高Q值、低頻率溫漂的SAW諧振器和濾波器而成為目前研究的熱點(diǎn)襯底。然而，據(jù)分析，聲表面波在襯底面內(nèi)的縱向腔方向傳播時(shí)，還存在潛在的邊界散射，如聲波在縱向遇不連續(xù)界面（如IDT/反射柵界面）發(fā)生反射、衍射等會(huì)造成顯著的能量損耗。本文從聲波色散的角度入手，研究了對(duì)聲波分量的調(diào)控機(jī)制和雜散分量的抑制手段，以提升器件Q值。

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研究亮點(diǎn)

如圖1（a）所示，異質(zhì)襯底中激發(fā)的水平剪切波SH-SAW的極化包含X，Y和Z三種分量。對(duì)于42°YX LiTaO3單晶，Y分量為純水平剪切分量，在LiTaO3薄膜中占比最大，為主分量；X和Z分量分別為縱波分量和垂直剪切分量。當(dāng)SH-SAW聲波在IDT和反射柵邊界發(fā)生散射泄漏到SiC襯底中，水平剪切分量不會(huì)轉(zhuǎn)化或和體波耦合產(chǎn)生能量損耗；縱波和垂直剪切波則不同，它們會(huì)由于互相耦合和與體波耦合而產(chǎn)生額外的能量損耗。因此，這里X和Z分量還可被稱為伴隨雜散分量。此外，在異質(zhì)襯底中，聲波具有色散特點(diǎn)，即聲波的傳播特點(diǎn)（如聲速、機(jī)電耦合系數(shù)等）隨厚度波長比（hLT/λ）變化而變化。如圖1（b）和（c）所示，相較于無法得以有效調(diào)節(jié)的LiTaO3單晶體襯底，LiTaO3/SiC襯底的hLT/λ能夠在（0~1）之間有效調(diào)整，可有效利用聲波及其分量的色散特點(diǎn)。

圖1（d）展示了利用有限元仿真的X+Z分量在LiTaO3/SiC襯底厚度方向的歸一化能量占比，其中，令hLT不變，λ逐漸增大。在SiC襯底中任意深度位置，伴隨雜散分量X+Z占比均hLT/λ隨減小逐漸降低，說明由于X+Z聲波分量在邊界處散射造成聲波斜入射的能量逐漸減少，這意味著聲波損耗的降低，說明通過調(diào)控hLT/λ能夠有效聲波的色散特點(diǎn)

圖1. (a)異質(zhì)襯底中SH-SAW的分量和傳播特點(diǎn)。(b) LiTaO3單晶襯底中厚度波長比不同的SH-SAW波。(c) LiTaO3/SiC襯底中厚度波長比不同的SH-SAW波。(d) X+Z分量在LiTaO3/SiC襯底厚度方向的歸一化能量占比仿真結(jié)果。

圖2展示了利用縱向切片模型對(duì)LiTaO3/SiC襯底中不同波長SH-SAW進(jìn)行的有限元仿真和二維傅里葉變換圖像。如圖2（a）-（c）的振型圖，SH-SAW都能夠被有效地限制在LiTaO3薄膜內(nèi)部，且在SiC表面有所滲透。hLT/λ在[0.11, 0.42]范圍內(nèi)，從振型圖無法觀察到聲波散射與否以及散射波的傳播特點(diǎn)。對(duì)應(yīng)圖2（d）-（f）所示的Y分量的2D-FFT圖像，隨hLT/λ減小，Y分量無變化，表明SH-SAW主模在LiTaO3薄膜中的良好約束，且不與體聲波耦合造成損耗。

如圖2（g）-（i）所示，隨hLT/λ減小，圖中弧線（II）的亮點(diǎn)數(shù)目和強(qiáng)度都減少，一是說明散射的角度大大減少，二是X+Z分量引起的散射也變?nèi)?。尤其?dāng)λ=4.8 μm時(shí)，hLT/λ進(jìn)一步減小，只有很弱的亮點(diǎn)表明Z分量在特殊的角度傳播，且已不存在X分量和弧線（II）所標(biāo)注的亮點(diǎn)，說明散射及其損耗已非常微弱，分量得以有效調(diào)控抑制。

圖2. (a)-(c) 基于LiTaO3/SiC襯底，波長分別為1.2 μm、2.4 μm和4.8 μm的SH-SAW的仿真位移振型。(d)-(f)波長分別為1.2 μm、2.4 μm和4.8 μm的SH-SAW的Y分量在波數(shù)空間中的2D-FFT圖像。(g)-(i) SH-SAW的X+Z分量在波數(shù)空間中的2D-FFT圖像。

圖3為通過在LiTaO3/SiC襯底上制備延遲線結(jié)構(gòu)提取聲波傳播損耗的組圖。（a）展示了制備的異質(zhì)襯底截面SEM圖像，（b）展示了SH延遲線器件的形貌，圖（c）繪制了λ=4.4 μm器件隨變化的測試S21曲線，可提取出其傳輸損耗水平，采用此方法，（d）繪制了傳播損耗PL隨hLT/λ的變化（hLT不變，實(shí)則是隨λ的變化）曲線。當(dāng)hLT/λ≤0.14時(shí)，PL顯著降低，且恒保持在較低的水平，并在0.1左右取得了最低值PLmin=0.018 dB/λ，表明通過調(diào)控器件的能夠有效降低聲波在器件中的傳輸損耗，從而能夠提高器件Q值。

圖3. (a) LiTaO3/SiC異質(zhì)襯底的截面SEM圖。(b) LiTaO3/SiC襯底上的延遲線器件。(c) 不同傳輸距離的延遲線器件測試S21曲線。(d) 不同波長λ的延遲線提取的傳輸損耗。

圖4（a）及其組圖（i）和（ii）展示了制備的SH-SAW諧振器及其叉指電極的細(xì)節(jié)放大圖。采用piston的叉指電極設(shè)計(jì)，以抑制橫向高階雜散模式，減少橫向能量損耗。圖4（b）為上述三種波長的諧振器測試結(jié)果，隨降低，導(dǎo)納曲線的導(dǎo)納比顯著增大，對(duì)應(yīng)Qmax值從1170升到5050再升到11000，意味著諧振器的能量損耗降低，體現(xiàn)出hLT/λ對(duì)傳播損耗和Q值的有效調(diào)控。其中，當(dāng)SH-SAW諧振器的hLT/λ約為0.10時(shí)，諧振頻率為1.16 GHz，Q值達(dá)11000，約為基于單晶襯底SAW諧振器的10倍，F(xiàn)oM值達(dá)620，表現(xiàn)出較高的綜合性能，為設(shè)計(jì)具有低損耗和抗帶外干擾的濾波器提供了新思路。

圖4. (a)制備的SH-SAW諧振器的光學(xué)顯微鏡下圖像。(b) 波長分別為1.2 μm、2.4 μm和4.8 μm的SH-SAW諧振器的導(dǎo)納和Bode-Q曲線。

圖5展示了基于多種LiTaO3薄膜基異質(zhì)襯底和LiTaO3體襯底的SH-SAW諧振器的f和Qmax性能對(duì)比。在如圖所示的頻段內(nèi)，得益于較小的hLT/λ和調(diào)控后較低的傳輸損耗，基于LiTaO3/SiC襯底的SH-SAW諧振器表現(xiàn)出更高的Q值。而且，由于SiC的高聲速特點(diǎn)，LiTaO3薄膜中的SH-SAW聲速相對(duì)更高，為取得相同頻段的器件，基于LiTaO3/SiC襯底的叉指寬度可以適當(dāng)放寬，還有利于功率容量的提升，而在相同的叉指線寬下基于LiTaO3/SiC襯底的SAW器件則可以實(shí)現(xiàn)更高的頻率。

圖5. 基于LiTaO3薄膜基不同襯底的SH-SAW諧振器的性能對(duì)比（f和Qmax）。

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總結(jié)與展望

通過調(diào)制和雜散偏振分量，證明了在LiTaO3/SiC襯底上SH-SAW諧振器Q值的有效增強(qiáng)。所制備的SAW諧振器普遍具有高Q性能，其中調(diào)制的SH-SAW諧振器在1.16 GHz時(shí)具有11000的超高Bode-Q。Bode-Q和FoM值的色散行為展示出基于LiTaO3/SiC襯底的SH-SAW在超高Q電子器件應(yīng)用中的巨大潛力。

審核編輯：劉清