碳化硅基鈮酸鋰異質(zhì)集成實現(xiàn)超高Q值SAW延遲線器件簡析

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工作簡介

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LiNbO3-on-SiC單晶壓電異質(zhì)襯底實現(xiàn)了超高Q值（Qmax=11174）的聲表面波（SAW）延遲線器件，為GHz頻段當(dāng)前國際報道的最高值。相關(guān)研究工作以“Gigahertz Acoustic Delay Lines in Lithium Niobate on Silicon Carbide with Propagation-Q of 11174”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)。

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研究背景

射頻延遲線器件廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)、雷達(dá)、精密儀器等領(lǐng)域。由于聲表面波的傳播速度比電磁波低5個數(shù)量級，聲表面波延遲線可實現(xiàn)微型化封裝，且傳輸損耗不足微波傳輸線的百分之一。近年來，隨著各類基于聲表面波延遲線結(jié)構(gòu)的新型射頻器件（如耦合器、放大器、環(huán)行器等）被相繼報道，集成聲學(xué)射頻芯片有望成為未來研究熱點。因此，確定低損耗、大帶寬、高穩(wěn)定性的壓電材料平臺是關(guān)鍵一環(huán)。

圖1 LiNbO3與4種常見襯底材料的關(guān)鍵物理性能對比

基于傳統(tǒng)LiNbO3體材料的延遲線器件主要基于瑞利模態(tài)，其存在帶寬不足的問題；而基于懸空LiNbO3薄膜的延遲線器件機(jī)械穩(wěn)定性和功率容量不足。為全方位提升SAW延遲線的器件性能，本團(tuán)隊提出了LiNbO3-on-SiC的異質(zhì)集成結(jié)構(gòu)。圖1為LiNbO3與4種常見襯底材料的關(guān)鍵物理性能對比，可以發(fā)現(xiàn)SiC相比于其它材料有著最高的體波聲速、熱導(dǎo)率以及f*Q值，且SiC的射頻損耗亦遠(yuǎn)低于Si。因此通過LiNbO3與SiC的異質(zhì)集成有望實現(xiàn)SAW延遲線的性能飛躍。

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研究亮點

上海微系統(tǒng)所異質(zhì)集成XOI課題組利用“萬能離子刀”智能剝離和轉(zhuǎn)移技術(shù)制備了4英寸X切LiNbO3-on-SiC壓電異質(zhì)集成襯底，并基于圖2(a-b)所示的結(jié)構(gòu)制備了一系列的GHz延遲線器件。對于雙端口的延遲線，輸出端口盡可能地“捕獲”輸入端口的能量是低損耗的關(guān)鍵所在，雖然高聲速SiC襯底可抑制體波輻射損耗，但在水平方向上由于能流角（PFA）的存在，使得聲波波束偏向，從而提高了損耗。

圖2 基于LiNbO3-on-SiC襯底的聲表面波延遲線的(a)俯視結(jié)構(gòu)示意圖和(b)截面結(jié)構(gòu)示意圖。聲速和機(jī)電耦合系數(shù)隨(c)波長λ和(d)器件面內(nèi)方向的變化曲線[仿真]。仿真得到的SAW延遲線的(e)俯視和(f)截面振型圖。

通過分析聲波聲速和SH模態(tài)機(jī)電耦合系數(shù)隨器件面內(nèi)方向θ的變化曲線（圖2(d)），得到θ=-3°時可同時實現(xiàn)零能流角和較高的機(jī)電耦合系數(shù)，圖2(e)的能流仿真結(jié)果印證了上述分析。圖2(f)為SAW延遲線的截面仿真振型圖，可以看出聲波以倏逝波的形態(tài)在兩種材料的交界面進(jìn)行傳輸，且最大振幅點位于SiC中。而由于SiC擁有最高的f*Q值（最低的聲子損耗），因此LiNbO3-on-SiC異質(zhì)襯底是實現(xiàn)高Q值聲學(xué)延遲線的潛力平臺。

圖3(a)為所制備的SH模態(tài)SAW延遲線的光鏡圖，所有器件均采用單相單向換能器結(jié)構(gòu)（SPUDT），并進(jìn)行共軛匹配以濾除端口反射引入的損耗。圖3(b-c)為一組不同波長的器件測試結(jié)果，平均插損僅為3.7dB。圖3(d-e)為一組不同對數(shù)的器件測試結(jié)果，實現(xiàn)了3-dB帶寬從2.7%~11.5%的大范圍調(diào)控。

圖3 (a)制備器件的光鏡圖。不同波長的延遲線的測試(b)插入損耗和(c)回波損耗。不同換能器對數(shù)的延遲線的測試(d)插入損耗和(e)回波損耗。

圖4(a-b)為所制備的一組不同延遲距離的SAW延遲線測試結(jié)果。當(dāng)間距增加時，器件插損和群延時呈線性增長，擬合得到的聲傳輸損耗僅為0.71dB/mm(或3.66dB/μs)。圖4(c)為不同面內(nèi)方向的延遲線的聲傳輸損耗變化分布，當(dāng)θ=-3°時可獲得最低的傳輸損耗，印證了仿真的分析。圖4(d)為零能流角時的多組器件的Q值結(jié)果，器件工作頻率范圍為1.18~2.1GHz，均呈現(xiàn)出極高的Q值水平（5730~11174），為目前國際報道的最高值。

圖4 一組不同延遲距離的延遲線的測試(a)插損和(b)群延時。(c)不同面內(nèi)方向延遲線的傳輸損耗。(d)在最佳傳播角上的不同波長器件的Q值。

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總結(jié)與展望

基于高質(zhì)量的單晶LiNbO3-on-SiC壓電異質(zhì)集成襯底，所制備的GHz聲表面波延遲線具有大于10%的相對帶寬和大于10,000的Q值（已報道最高值）。因此，LiNbO3-on-SiC基SAW器件在聲學(xué)射頻芯片領(lǐng)域具有極佳的應(yīng)用前景。

審核編輯：劉清