碳化硅基铌酸锂异质集成实现超高Q值SAW延迟线器件简析

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工作简介

上海微系统所异质集成XOI课题组基于自主研制的高质量LiNbO3-on-SiC单晶压电异质衬底实现了超高Q值（Qmax=11174）的声表面波（SAW）延迟线器件，为GHz频段当前国际报道的最高值。相关研究工作以“Gigahertz Acoustic Delay Lines in Lithium Niobate on Silicon Carbide with Propagation-Q of 11174”为题发表于国际微电子器件领域标志性期刊IEEE Electron Device Letters (IEEE EDL)。

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研究背景

射频延迟线器件广泛应用于通信系统、雷达、精密仪器等领域。由于声表面波的传播速度比电磁波低5个数量级，声表面波延迟线可实现微型化封装，且传输损耗不足微波传输线的百分之一。近年来，随着各类基于声表面波延迟线结构的新型射频器件（如耦合器、放大器、环行器等）被相继报道，集成声学射频芯片有望成为未来研究热点。因此，确定低损耗、大带宽、高稳定性的压电材料平台是关键一环。

图1 LiNbO3与4种常见衬底材料的关键物理性能对比

基于传统LiNbO3体材料的延迟线器件主要基于瑞利模态，其存在带宽不足的问题；而基于悬空LiNbO3薄膜的延迟线器件机械稳定性和功率容量不足。为全方位提升SAW延迟线的器件性能，本团队提出了LiNbO3-on-SiC的异质集成结构。图1为LiNbO3与4种常见衬底材料的关键物理性能对比，可以发现SiC相比于其它材料有着最高的体波声速、热导率以及f*Q值，且SiC的射频损耗亦远低于Si。因此通过LiNbO3与SiC的异质集成有望实现SAW延迟线的性能飞跃。

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研究亮点

上海微系统所异质集成XOI课题组利用“万能离子刀”智能剥离和转移技术制备了4英寸X切LiNbO3-on-SiC压电异质集成衬底，并基于图2(a-b)所示的结构制备了一系列的GHz延迟线器件。对于双端口的延迟线，输出端口尽可能地“捕获”输入端口的能量是低损耗的关键所在，虽然高声速SiC衬底可抑制体波辐射损耗，但在水平方向上由于能流角（PFA）的存在，使得声波波束偏向，从而提高了损耗。

图2 基于LiNbO3-on-SiC衬底的声表面波延迟线的(a)俯视结构示意图和(b)截面结构示意图。声速和机电耦合系数随(c)波长λ和(d)器件面内方向的变化曲线[仿真]。仿真得到的SAW延迟线的(e)俯视和(f)截面振型图。

通过分析声波声速和SH模态机电耦合系数随器件面内方向θ的变化曲线（图2(d)），得到θ=-3°时可同时实现零能流角和较高的机电耦合系数，图2(e)的能流仿真结果印证了上述分析。图2(f)为SAW延迟线的截面仿真振型图，可以看出声波以倏逝波的形态在两种材料的交界面进行传输，且最大振幅点位于SiC中。而由于SiC拥有最高的f*Q值（最低的声子损耗），因此LiNbO3-on-SiC异质衬底是实现高Q值声学延迟线的潜力平台。

图3(a)为所制备的SH模态SAW延迟线的光镜图，所有器件均采用单相单向换能器结构（SPUDT），并进行共轭匹配以滤除端口反射引入的损耗。图3(b-c)为一组不同波长的器件测试结果，平均插损仅为3.7dB。图3(d-e)为一组不同对数的器件测试结果，实现了3-dB带宽从2.7%~11.5%的大范围调控。

图3 (a)制备器件的光镜图。不同波长的延迟线的测试(b)插入损耗和(c)回波损耗。不同换能器对数的延迟线的测试(d)插入损耗和(e)回波损耗。

图4(a-b)为所制备的一组不同延迟距离的SAW延迟线测试结果。当间距增加时，器件插损和群延时呈线性增长，拟合得到的声传输损耗仅为0.71dB/mm(或3.66dB/μs)。图4(c)为不同面内方向的延迟线的声传输损耗变化分布，当θ=-3°时可获得最低的传输损耗，印证了仿真的分析。图4(d)为零能流角时的多组器件的Q值结果，器件工作频率范围为1.18~2.1GHz，均呈现出极高的Q值水平（5730~11174），为目前国际报道的最高值。

图4 一组不同延迟距离的延迟线的测试(a)插损和(b)群延时。(c)不同面内方向延迟线的传输损耗。(d)在最佳传播角上的不同波长器件的Q值。

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总结与展望

基于高质量的单晶LiNbO3-on-SiC压电异质集成衬底，所制备的GHz声表面波延迟线具有大于10%的相对带宽和大于10,000的Q值（已报道最高值）。因此，LiNbO3-on-SiC基SAW器件在声学射频芯片领域具有极佳的应用前景。

审核编辑：刘清