碳化硅基钽酸锂异质晶圆上实现超高Q值SAW谐振器的色散调控新机制

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工作简介

中科院上海微系统所异质集成XOI课题组基于自主研制的高质量LiTaO3-on-SiC单晶压电异质衬底，揭示了其中水平剪切波模式（SH-SAW）的主偏振分量（Y分量）的调控机制和伴生杂散偏振分量（X+Z分量）的抑制机制，通过调控厚度波长比以抑制散射损耗，据此实现了Q值超10000的声表面波（SAW）谐振器件。相关研究工作以“Ultra-High Q of 11000 in Surface Acoustic Wave Resonators by Dispersive Modulation”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)，并入选编辑精选。论文共同第一作者为上海微系统所的博士研究生张丽萍和张师斌副研究员，论文通讯作者为上海微系统所张师斌副研究员和欧欣研究员。

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研究背景

5G时代，无线通讯系统的发展为世界带来诸多可能性，为满足高速传输和大规模的无线通讯，频谱频段的布局愈发密集，用于移动终端的射频前端架构也必须支持更多的频段，这将导致射频前端模块中滤波器、双工器数目的持续上升。声表面波（SAW）滤波器由于其小体积和高性能，是移动终端不可或缺的滤波器件。为了实现较低的传输损耗、陡峭的过渡带边、高温度稳定性和高带外抑制的SAW滤波器，设计具有高品质因数（Q）和低频率温度漂移的高性能谐振器单元至关重要。

LiTaO3/SiC衬底可制备具有高频、高Q值、低频率温漂的SAW谐振器和滤波器而成为目前研究的热点衬底。然而，据分析，声表面波在衬底面内的纵向腔方向传播时，还存在潜在的边界散射，如声波在纵向遇不连续界面（如IDT/反射栅界面）发生反射、衍射等会造成显著的能量损耗。本文从声波色散的角度入手，研究了对声波分量的调控机制和杂散分量的抑制手段，以提升器件Q值。

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研究亮点

如图1（a）所示，异质衬底中激发的水平剪切波SH-SAW的极化包含X，Y和Z三种分量。对于42°YX LiTaO3单晶，Y分量为纯水平剪切分量，在LiTaO3薄膜中占比最大，为主分量；X和Z分量分别为纵波分量和垂直剪切分量。当SH-SAW声波在IDT和反射栅边界发生散射泄漏到SiC衬底中，水平剪切分量不会转化或和体波耦合产生能量损耗；纵波和垂直剪切波则不同，它们会由于互相耦合和与体波耦合而产生额外的能量损耗。因此，这里X和Z分量还可被称为伴随杂散分量。此外，在异质衬底中，声波具有色散特点，即声波的传播特点（如声速、机电耦合系数等）随厚度波长比（hLT/λ）变化而变化。如图1（b）和（c）所示，相较于无法得以有效调节的LiTaO3单晶体衬底，LiTaO3/SiC衬底的hLT/λ能够在（0~1）之间有效调整，可有效利用声波及其分量的色散特点。

图1（d）展示了利用有限元仿真的X+Z分量在LiTaO3/SiC衬底厚度方向的归一化能量占比，其中，令hLT不变，λ逐渐增大。在SiC衬底中任意深度位置，伴随杂散分量X+Z占比均hLT/λ随减小逐渐降低，说明由于X+Z声波分量在边界处散射造成声波斜入射的能量逐渐减少，这意味着声波损耗的降低，说明通过调控hLT/λ能够有效声波的色散特点

图1. (a)异质衬底中SH-SAW的分量和传播特点。(b) LiTaO3单晶衬底中厚度波长比不同的SH-SAW波。(c) LiTaO3/SiC衬底中厚度波长比不同的SH-SAW波。(d) X+Z分量在LiTaO3/SiC衬底厚度方向的归一化能量占比仿真结果。

图2展示了利用纵向切片模型对LiTaO3/SiC衬底中不同波长SH-SAW进行的有限元仿真和二维傅里叶变换图像。如图2（a）-（c）的振型图，SH-SAW都能够被有效地限制在LiTaO3薄膜内部，且在SiC表面有所渗透。hLT/λ在[0.11, 0.42]范围内，从振型图无法观察到声波散射与否以及散射波的传播特点。对应图2（d）-（f）所示的Y分量的2D-FFT图像，随hLT/λ减小，Y分量无变化，表明SH-SAW主模在LiTaO3薄膜中的良好约束，且不与体声波耦合造成损耗。

如图2（g）-（i）所示，随hLT/λ减小，图中弧线（II）的亮点数目和强度都减少，一是说明散射的角度大大减少，二是X+Z分量引起的散射也变弱。尤其当λ=4.8 μm时，hLT/λ进一步减小，只有很弱的亮点表明Z分量在特殊的角度传播，且已不存在X分量和弧线（II）所标注的亮点，说明散射及其损耗已非常微弱，分量得以有效调控抑制。

图2. (a)-(c) 基于LiTaO3/SiC衬底，波长分别为1.2 μm、2.4 μm和4.8 μm的SH-SAW的仿真位移振型。(d)-(f)波长分别为1.2 μm、2.4 μm和4.8 μm的SH-SAW的Y分量在波数空间中的2D-FFT图像。(g)-(i) SH-SAW的X+Z分量在波数空间中的2D-FFT图像。

图3为通过在LiTaO3/SiC衬底上制备延迟线结构提取声波传播损耗的组图。（a）展示了制备的异质衬底截面SEM图像，（b）展示了SH延迟线器件的形貌，图（c）绘制了λ=4.4 μm器件随变化的测试S21曲线，可提取出其传输损耗水平，采用此方法，（d）绘制了传播损耗PL随hLT/λ的变化（hLT不变，实则是随λ的变化）曲线。当hLT/λ≤0.14时，PL显著降低，且恒保持在较低的水平，并在0.1左右取得了最低值PLmin=0.018 dB/λ，表明通过调控器件的能够有效降低声波在器件中的传输损耗，从而能够提高器件Q值。

图3. (a) LiTaO3/SiC异质衬底的截面SEM图。(b) LiTaO3/SiC衬底上的延迟线器件。(c) 不同传输距离的延迟线器件测试S21曲线。(d) 不同波长λ的延迟线提取的传输损耗。

图4（a）及其组图（i）和（ii）展示了制备的SH-SAW谐振器及其叉指电极的细节放大图。采用piston的叉指电极设计，以抑制横向高阶杂散模式，减少横向能量损耗。图4（b）为上述三种波长的谐振器测试结果，随降低，导纳曲线的导纳比显著增大，对应Qmax值从1170升到5050再升到11000，意味着谐振器的能量损耗降低，体现出hLT/λ对传播损耗和Q值的有效调控。其中，当SH-SAW谐振器的hLT/λ约为0.10时，谐振频率为1.16 GHz，Q值达11000，约为基于单晶衬底SAW谐振器的10倍，FoM值达620，表现出较高的综合性能，为设计具有低损耗和抗带外干扰的滤波器提供了新思路。

图4. (a)制备的SH-SAW谐振器的光学显微镜下图像。(b) 波长分别为1.2 μm、2.4 μm和4.8 μm的SH-SAW谐振器的导纳和Bode-Q曲线。

图5展示了基于多种LiTaO3薄膜基异质衬底和LiTaO3体衬底的SH-SAW谐振器的f和Qmax性能对比。在如图所示的频段内，得益于较小的hLT/λ和调控后较低的传输损耗，基于LiTaO3/SiC衬底的SH-SAW谐振器表现出更高的Q值。而且，由于SiC的高声速特点，LiTaO3薄膜中的SH-SAW声速相对更高，为取得相同频段的器件，基于LiTaO3/SiC衬底的叉指宽度可以适当放宽，还有利于功率容量的提升，而在相同的叉指线宽下基于LiTaO3/SiC衬底的SAW器件则可以实现更高的频率。

图5. 基于LiTaO3薄膜基不同衬底的SH-SAW谐振器的性能对比（f和Qmax）。

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总结与展望

通过调制和杂散偏振分量，证明了在LiTaO3/SiC衬底上SH-SAW谐振器Q值的有效增强。所制备的SAW谐振器普遍具有高Q性能，其中调制的SH-SAW谐振器在1.16 GHz时具有11000的超高Bode-Q。Bode-Q和FoM值的色散行为展示出基于LiTaO3/SiC衬底的SH-SAW在超高Q电子器件应用中的巨大潜力。

审核编辑：刘清