近日，第70屆國際電子器件大會（IEDM 2024）在美國舊金山召開。中國科學院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 “Predefined Novel Piezo-on-Insulator (PN-POI) Substrates for 5G/6G Acoustic Devices” 的最新研究成果，博士生柯新建、吳進波博士、張師斌研究員為本論文共同第一作者，黃凱副研究員、張師斌研究員、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。
5G和6G頻段需要射頻濾波器具有更高的工作頻率和更大的帶寬，這對聲波諧振器的聲速和機電耦合系數提出了更高的要求。基于傳統壓電異質襯底（Normal-POI）的聲表面波（SAW）技術由于光刻精度或材料壓電系數的限制無法同時滿足如此高的頻率和帶寬要求。與此同時，由垂直電場激發的體聲波（BAW）等技術無法在傳統壓電異質襯底上實現，壓電異質襯底的發展達到了瓶頸。
圖1 (a)預定義壓電異質襯底的演變；(b)預定義壓電異質襯底的應用場景
本工作中，上海微系統所歐欣研究團隊發布了面向5G/6G聲波器件的新型預定義壓電異質襯底（PN-POI）解決方案（圖1a）。預定義壓電異質襯底可以通過預設的底部電極，選擇性地利用水平電場或縱向電場激勵聲波模式，極大地擴展可用的聲學模式和功能（圖1b），其中由縱向電場激發的高階聲波模式兼具更大機電耦合系數和更高聲速。歐欣研究團隊通過“離子刀”異質集成技術，制備了高質量的6英寸預定義碳化硅基鈮酸鋰異質襯底，轉移后的鈮酸鋰薄膜材料搖擺曲線半高寬為68.4 arcsec，表面粗糙度為0.22nm，襯底各層之間界面清晰可見（圖 2）。
圖2 (a) 預定義壓電異質襯底的制備流程；（b）預定義壓電異質襯底的截面TEM圖像；（c）多種不同的壓電異質襯底圖像
為了進一步驗證預定義壓電異質襯底在5G/6G聲學器件中的應用潛力，本工作還制備了多種聲波模式的諧振器（圖3）。基于預定義壓電異質襯底結構，不僅實現了橫向電場激發的零階水平剪切（SH0）模式和縱向泄漏表面聲波（LL-SAW）諧振器，還實現了垂直電場激發的一階水平剪切（SH1）模式、一階反對稱（A1）蘭姆模式諧振器以及高次諧波體聲波諧振器（HBAR），這些器件可用于濾波器、振蕩器和傳感器等應用。其中SH1模式諧振器相速度為7035m/s，高于LL-SAW的6845m/s。同時，SH1模式諧振器的機電耦合系數達到了36.1%，高于SH0模式的35.8%。
圖3 (a)基于預定義壓電襯底的SH1模式諧振器的概念圖、光鏡圖以及實測結果圖；(b) 基于預定義壓電襯底的五種不同工作模式的諧振器的實測結果
本研究工作充分證明了預定義壓電異質襯底不僅可以突破聲學器件的性能瓶頸，還可以同時實現多種聲學模式器件的集成，是本課題組相繼發展碳化硅基鈮酸鋰異質襯底結構（IEDM 2020，2023）后的又一大新突破，將進一步推動壓電異質襯底材料的發展，為突破5G和6G射頻前端聲學器件帶寬和頻率瓶頸帶來的極具潛力的解決方案。本研究成果得到了國家自然科學基金項目和上海市啟明星計劃等項目支持。
延伸閱讀：
《射頻（RF）聲波濾波器專利全景分析-2024版》
