上海微系统所发布面向5G NR与WiFi6的双模SAW滤波器

射频滤波器技术含量很高，多家中国本土企事业单位在攻关。

近日，第69届国际电子器件大会（IEDM 2023）在美国旧金山召开。上海微系统所欧欣研究员课题组以口头报告形式发表了题为“Miniaturized Dual-Mode SAW Filters using 6-inch LiNbO3-on-SiC for 5G NR and WiFi 6”的最新研究成果，博士生郑鹏程、张师斌副研究员、华南理工大学徐金旭副教授为本论文共同第一作，张师斌副研究员、欧欣研究员为论文共同通讯作者。IEDM会议被誉为半导体领域的“奥林匹克盛会”，是报告半导体和电子器件技术、设计、制造、物理和建模等领域的关键技术突破的顶尖论坛。

本工作中，课题组基于自主研制的6英寸高质量X-cut LiNbO3/SiC异质集成衬底，在国际上率先提出面向5G/6G、WiFi 6/7应用的“双模激励，多频集成”的高性能、低成本的声表面波（SAW）滤波器技术。传统的SAW滤波器通常在单一设计方向上激发单一的声波模式（例如瑞利波、水平剪切波SH-SAW、纵向漏波LL-SAW等），且工作频率难以突破3GHz，仅适合于传统4G LTE频段，难以在高频段与FBAR、IPD等技术抗衡。

如图1所示，由于X-cut LiNbO3面内的强各向异性以及SiC衬底极高声速的特性，高机电耦合系数、高Q值的LL-SAW和SH-SAW模式可同时在LiNbO3/SiC异质衬底的不同面内方向上激发，即利用完全相同的器件设计，在不同面内方向上可分别得到高频、中频两种滤波器响应。如图2(a-b)中，在1.01.5μm的波长下，SH-SAW和LL-SAW谐振器分别在34GHz和4.7~6.3GHz的频率范围内展现出高机电耦合系数和高Q值。图2(c)中，两颗SH-SAW滤波器在5G N77频段展现出495MHz和391MHz的带宽以及<1dB的插损；图2(d)中，一组LL-SAW滤波器在Wi-Fi 6频段亦展现出大带宽和低损耗。

图1：双模态SAW滤波器技术示意图

图2：双模态(a-b)谐振器和(c-d)滤波器的实测结果

为进一步验证双模态SAW技术在复杂网络（如双工器、多工器等）中的应用前景，本工作中还设计了5G N79 & Wi-Fi 6和5G N77 & 5G N79的高性能双通带滤波器响应（图3），版图尺寸<1mm 2。本工作从高质量异质晶圆、高频谐振器、高性能分立滤波器和双通带滤波器4个维度，全面验证了碳基SAW技术在3~7GHz频段的应用潜力，有望形成一条独具特色的高性能、低成本、高集成度射频滤波器解决方案。

图3：面向5G/6G、Wi-Fi 6/7应用的双通带滤波器

值得一提的是，自从在国际上首次验证SiC基异质集成SAW滤波器技术（IEEE T-MTT, vol. 68, no. 9, pp. 3653-3666, Sept. 2020）以来，本团队一直致力于高声速异质集成材料的工程化批量制备与高性能SAW滤波器技术的前沿探索。图4展示了本团队在2023年度SiC基SAW技术上的代表性工作：(a) 实现了Q值高达11000的LiTaO3/SiC基SAW谐振器，并揭示了高Q值的新物理机制（IEEE EDL, vol. 44, no. 5, pp. 813-816, May 2023.）；(b) 基于LiTaO3/SiC的高性能SAW谐振器和滤波器，无温补层的前提下实现近零温漂（IEEE T-MTT, vol. 71, no. 10, pp. 4182-4192, Oct. 2023.）；(c) 基于LiNbO3/SiC的低损耗、大带宽LL-SAW滤波器（IEEE T-MTT, doi: 10.1109/TMTT.2023.3305078.）。同时，团队还荣获2022年度IEEE Microwave Prize、首届全国颠覆性技术创新大赛总决赛优胜奖、“国科大杯”创新创业大赛总决赛一等奖等荣誉。本团队将瞄准5G/6G、Wi-Fi 6/7应用需求，持续发力压电异质集成材料与SAW滤波器技术的创新研发、知识产权布局、工程化制备，为高端射频前端/滤波器的国产替代保驾护航。

图4：2023年度课题组碳基SAW技术代表性成果一览：(a) 极高Q值(~11000)LiTaO3/SiC基SAW谐振器；(b) 基于LiTaO3/SiC的近零温漂高性能谐振器/滤波器；(c) 面向5G N79频段的高性能LL-SAW滤波器

审核编辑：刘清