电子产品世界

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 1.0~1.5μm 的波长下，SH-SAW 和 LL-SAW 谐振器分别在 3~4GHz 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<1mm2。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

关键词： 滤波器

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