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基于压电异质集成技术的5G高性能射频滤波器

2022-01-11

 

射频滤波器是移动通信射频前端的核心组件,目前我国5G终端滤波器供给严重依赖于美国和日本的数家巨头公司,已经对我国5G芯片产业发展形成战略制约和威胁。据Yole预测,滤波器的市场规模将从2017年的80亿美元增加到2023年的225亿美元,年复合增长率高达19%。然而国产化率不足5%,国内适用于5G的高频宽带滤波器技术接近空白,射频滤波器芯片被《科技日报》列为35项卡脖子技术之一,急需发展有自主知识产权的高频、大带宽和高功率容量的高性能射频滤波器技术。声表面波(SAW)和体声波(BAW)滤波器凭借其优良的频率选择性、高Q值、低插入损耗等优势成为移动射频前端滤波器的主流选择。相较于BAW,传统基于压电晶圆的SAW器件结构和工艺更简单,但其中心频率和Q值较低,温漂大,功率容量小。因此,如何在保持(类)声表面波器件的结构和工艺优势的同时提升其性能,使其满足5G通信应用需求,一直是产业界和学术界的焦点。

图1.(a)声表面波器件向高频、大宽带方向发展的路线图;(b)高声速、高导热压电异质衬底的结构示意图;(c)声速频散特性曲线仿真结果和(d)瞬态热反射曲线测试结果。

2021年,中国科学院上海微系统与信息技术研究所欧欣研究员团队利用“万能离子刀”剥离与键合转移技术,突破晶格失配等问题,将亚微米厚度的单晶铌酸锂(LiNbO3)薄膜从铌酸锂晶圆剥离并转移到高声速、高导热的碳化硅(SiC)晶圆,首次制备了4英寸LiNbO3/SiC压电异质衬底,如图2(a)-(d)所示。SiC相对LiNbO3具有更高的声阻抗、更高的热导率、更低的介电常数和更小的热膨胀系数,因此,相较于传统LiNbO3晶圆,LiNbO3/SiC压电异质衬底中的“LiNbO3-SiC异质界面”可实现更有效的声波(弹性波)能量和电场能量约束、提高器件散热、降低器件热膨胀,从而显著提高射频声波器件性能与设计自由度。基于LiNbO3/SiC异质衬底,研究团队研制了高频、高Q、大带宽的水平剪切波(SH0)模式声波谐振器与滤波器,如图2(e)-(h)所示。此外,还利用SiC的高声速特性研制了具有极高声速(>6000 m/s)的对称型兰姆波(S0)模式的高频器件,突破了传统SAW器件的频率限制。有望应用于5G N77和N79频段。此外,目前的射频前端模组通过封装的方式将基于不同衬底、结构与工艺的声表面波、体声波滤波器集成,成本高、集成度低、难以适应5G通信频段数急增的需求。研究团队提出了基于LiNbO3/SiC异质衬底的单片集成多频段(1.0~6.0 GHz)射频声波滤波器技术,并对多种声波模式的约束,滤波器拓扑结构以及带内杂波抑制等物理问题进行了研究,最终单片集成高性能滤波器阵列的仿真计算结果如图2(i)-(k)所示。

图2. (a)压电单晶晶圆与(b)单晶压电异质衬底示意图;(c)制备的4英寸LiNbO3/SiC异质衬底及其(d)截面TEM图;基于(e)压电晶圆与(f)压电异质衬底的声波谐振器示意图;(g)制备的谐振器导纳曲线测试结果;(h)制备的滤波器S参数测试结果;(i)封装集成与(j)单芯片集成示意图;(k)单片集成滤波器仿真结果。

相关研究成果于2021年3月11日以“Surface Wave and Lamb Wave Acoustic Devices on Heterogenous Substrate for 5G Front-Ends”为题发表于IEEE International Electron Devices Meeting(IEDM)及射频领域标志性期刊及会议IEEE TMTT和IEEE IMS。中科院上海微系统所博士研究生周鸿燕、助理研究员张师斌博士为论文共同第一作者;中科院微系统所张师斌博士、欧欣研究员为论文共同通讯作者。此外,欧欣研究员课题组在单晶压电薄膜及射频滤波器应用方面获得授权专利超过60项,42项专利实现成果转化超过3000万元人民币。为推动射频滤波器创新技术发展,2021年该团队发起并成功组织了国内第一届射频滤波器创新技术大会,未来形成射频滤波器领域重要的创新技术论坛。

详情请点击论文链接:https://ieeexplore.ieee.org/document/9372128

来源:半导体学报微信公众号

 

 

 

 



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