近日，第69屆國際電子器件大會（IEDM 2023）在美國舊金山召開。中國科學院上海微系統與信息技術研究所（簡稱：上海微系統所）歐欣研究員課題組以口頭報告形式發表了題為“Miniaturized Dual-Mode SAW Filters using 6-inch LiNbO3-on-SiC for 5G NR and WiFi 6”的最新研究成果，博士生鄭鵬程、張師斌副研究員、華南理工大學徐金旭副教授為本論文共同第一作，張師斌副研究員、歐欣研究員為論文共同通訊作者。IEDM會議被譽為半導體領域的“奧林匹克盛會”，是報告半導體和電子器件技術、設計、制造、物理和建模等領域的關鍵技術突破的頂尖論壇。
本工作中，歐欣研究員課題組基于自主研制的6英寸高質量X-cut LiNbO3/SiC異質集成襯底，在國際上率先提出面向5G/6G、WiFi 6/7應用的“雙模激勵，多頻集成”的高性能、低成本的聲表面波（SAW）濾波器技術。傳統的SAW濾波器通常在單一設計方向上激發單一的聲波模式（例如瑞利波、水平剪切波SH-SAW、縱向漏波LL-SAW等），且工作頻率難以突破3GHz，僅適合于傳統4G LTE頻段，難以在高頻段與FBAR、IPD等技術抗衡。
如圖1所示，由于X-cut LiNbO3面內的強各向異性以及SiC襯底極高聲速的特性，高機電耦合系數、高Q值的LL-SAW和SH-SAW模式可同時在LiNbO3/SiC異質襯底的不同面內方向上激發，即利用完全相同的器件設計，在不同面內方向上可分別得到高頻、中頻兩種濾波器響應。如圖2（a-b）中，在1.0~1.5 μm的波長下，SH-SAW和LL-SAW諧振器分別在3~4 GHz和4.7~6.3 GHz的頻率范圍內展現出高機電耦合系數和高Q值。圖2（c）中，兩顆SH-SAW濾波器在5G N77頻段展現出495 MHz和391 MHz的帶寬以及<1 dB的插損；圖2（d）中，一組LL-SAW濾波器在Wi-Fi 6頻段亦展現出大帶寬和低損耗。
圖1：雙模態SAW濾波器技術示意圖
圖2：雙模態（a-b）諧振器和（c-d）濾波器的實測結果
為進一步驗證雙模態SAW技術在復雜網絡（如雙工器、多工器等）中的應用前景，本工作中還設計了5G N79 & Wi-Fi 6和5G N77 & 5G N79的高性能雙通帶濾波器響應（圖3），版圖尺寸<1 mm2。本工作從高質量異質晶圓、高頻諧振器、高性能分立濾波器和雙通帶濾波器4個維度，全面驗證了碳基SAW技術在3~7 GHz頻段的應用潛力，有望形成一條獨具特色的高性能、低成本、高集成度射頻濾波器解決方案。
圖3：面向5G/6G、Wi-Fi 6/7應用的雙通帶濾波器
值得一提的是，自從在國際上首次驗證SiC基異質集成SAW濾波器技術（IEEE T-MTT, vol. 68, no. 9, pp. 3653-3666, Sept. 2020）以來，歐欣研究員課題組一直致力于高聲速異質集成材料的工程化批量制備與高性能SAW濾波器技術的前沿探索。圖4展示了歐欣研究員課題組在2023年度SiC基SAW技術上的代表性工作：(a) 實現了Q值高達11000的LiTaO3/SiC基SAW諧振器，并揭示了高Q值的新物理機制（IEEE EDL, vol. 44, no. 5, pp. 813-816, May 2023.）；(b) 基于LiTaO3/SiC的高性能SAW諧振器和濾波器，無溫補層的前提下實現近零溫漂（IEEE T-MTT, vol. 71, no. 10, pp. 4182-4192, Oct. 2023.）；(c) 基于LiNbO3/SiC的低損耗、大帶寬LL-SAW濾波器（IEEE T-MTT, doi: 10.1109/TMTT.2023.3305078.）。同時，團隊還榮獲2022年度IEEE Microwave Prize、首屆全國顛覆性技術創新大賽總決賽優勝獎、“國科大杯”創新創業大賽總決賽一等獎等榮譽。歐欣研究員課題組將瞄準5G/6G、Wi-Fi 6/7應用需求，持續發力壓電異質集成材料與SAW濾波器技術的創新研發、知識產權布局、工程化制備，為高端射頻前端/濾波器的國產替代保駕護航。
圖4：2023年度課題組碳基SAW技術代表性成果一覽。(a) 極高Q值（~11000）LiTaO3/SiC基SAW諧振器；(b) 基于LiTaO3/SiC的近零溫漂高性能諧振器/濾波器；(c) 面向5G N79頻段的高性能LL-SAW濾波器。
