一種面向5G/Wi-Fi 6異質(zhì)集成雙模SAW射頻濾波器技術(shù)方案

近日，第69屆國(guó)際電子器件大會(huì)（IEDM 2023）在美國(guó)舊金山召開。中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所（簡(jiǎn)稱：上海微系統(tǒng)所）歐欣研究員課題組以口頭報(bào)告形式發(fā)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(xué)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(huì)議被譽(yù)為半導(dǎo)體領(lǐng)域的“奧林匹克盛會(huì)”，是報(bào)告半導(dǎo)體和電子器件技術(shù)、設(shè)計(jì)、制造、物理和建模等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)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(zhì)量X-cut LiNbO3/SiC異質(zhì)集成襯底，在國(guó)際上率先提出面向5G/6G、WiFi 6/7應(yīng)用的“雙模激勵(lì)，多頻集成”的高性能、低成本的聲表面波（SAW）濾波器技術(shù)。傳統(tǒng)的SAW濾波器通常在單一設(shè)計(jì)方向上激發(fā)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(tǒng)4G LTE頻段，難以在高頻段與FBAR、IPD等技術(shù)抗衡。

如圖1所示，由于X-cut LiNbO3面內(nèi)的強(qiáng)各向異性以及SiC襯底極高聲速的特性，高機(jī)電耦合系數(shù)、高Q值的LL-SAW和SH-SAW模式可同時(shí)在LiNbO3/SiC異質(zhì)襯底的不同面內(nèi)方向上激發(fā)，即利用完全相同的器件設(shè)計(jì)，在不同面內(nèi)方向上可分別得到高頻、中頻兩種濾波器響應(yīng)。如圖2（a-b）中，在1.0~1.5 μm的波長(zhǎng)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(nèi)展現(xiàn)出高機(jī)電耦合系數(shù)和高Q值。圖2（c）中，兩顆SH-SAW濾波器在5G N77頻段展現(xiàn)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(xiàn)出大帶寬和低損耗。

圖1：雙模態(tài)SAW濾波器技術(shù)示意圖

圖2：雙模態(tài)（a-b）諧振器和（c-d）濾波器的實(shí)測(cè)結(jié)果

為進(jìn)一步驗(yàn)證雙模態(tài)SAW技術(shù)在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)（如雙工器、多工器等）中的應(yīng)用前景，本工作中還設(shè)計(jì)了5G N79 & Wi-Fi 6和5G N77 & 5G N79的高性能雙通帶濾波器響應(yīng)（圖3），版圖尺寸<1 mm2。本工作從高質(zhì)量異質(zhì)晶圓、高頻諧振器、高性能分立濾波器和雙通帶濾波器4個(gè)維度，全面驗(yàn)證了碳基SAW技術(shù)在3~7 GHz頻段的應(yīng)用潛力，有望形成一條獨(dú)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(yīng)用的雙通帶濾波器

值得一提的是，自從在國(guó)際上首次驗(yàn)證SiC基異質(zhì)集成SAW濾波器技術(shù)（IEEE T-MTT, vol. 68, no. 9, pp. 3653-3666, Sept. 2020）以來(lái)，歐欣研究員課題組一直致力于高聲速異質(zhì)集成材料的工程化批量制備與高性能SAW濾波器技術(shù)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(shù)上的代表性工作：(a) 實(shí)現(xiàn)了Q值高達(dá)11000的LiTaO3/SiC基SAW諧振器，并揭示了高Q值的新物理機(jī)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(wú)溫補(bǔ)層的前提下實(shí)現(xiàn)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(shí)，團(tuán)隊(duì)還榮獲2022年度IEEE Microwave Prize、首屆全國(guó)顛覆性技術(shù)創(chuàng)新大賽總決賽優(yōu)勝獎(jiǎng)、“國(guó)科大杯”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽總決賽一等獎(jiǎng)等榮譽(yù)。歐欣研究員課題組將瞄準(zhǔn)5G/6G、Wi-Fi 6/7應(yīng)用需求，持續(xù)發(fā)力壓電異質(zhì)集成材料與SAW濾波器技術(shù)的創(chuàng)新研發(fā)、知識(shí)產(chǎn)權(quán)布局、工程化制備，為高端射頻前端/濾波器的國(guó)產(chǎn)替代保駕護(hù)航。

圖4：2023年度課題組碳基SAW技術(shù)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。

審核編輯：劉清