近日，第70届国际电子器件大会（IEDM 2024）在美国旧金山召开。中国科学院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 “Predefined Novel Piezo-on-Insulator (PN-POI) Substrates for 5G/6G Acoustic Devices” 的最新研究成果，博士生柯新建、吴进波博士、张师斌研究员为本论文共同第一作者，黄凯副研究员、张师斌研究员、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。
5G和6G频段需要射频滤波器具有更高的工作频率和更大的带宽，这对声波谐振器的声速和机电耦合系数提出了更高的要求。基于传统压电异质衬底（Normal-POI）的声表面波（SAW）技术由于光刻精度或材料压电系数的限制无法同时满足如此高的频率和带宽要求。与此同时，由垂直电场激发的体声波（BAW）等技术无法在传统压电异质衬底上实现，压电异质衬底的发展达到了瓶颈。
图1 (a)预定义压电异质衬底的演变；(b)预定义压电异质衬底的应用场景
本工作中，上海微系统所欧欣研究团队发布了面向5G/6G声波器件的新型预定义压电异质衬底（PN-POI）解决方案（图1a）。预定义压电异质衬底可以通过预设的底部电极，选择性地利用水平电场或纵向电场激励声波模式，极大地扩展可用的声学模式和功能（图1b），其中由纵向电场激发的高阶声波模式兼具更大机电耦合系数和更高声速。欧欣研究团队通过“离子刀”异质集成技术，制备了高质量的6英寸预定义碳化硅基铌酸锂异质衬底，转移后的铌酸锂薄膜材料摇摆曲线半高宽为68.4 arcsec，表面粗糙度为0.22nm，衬底各层之间界面清晰可见（图 2）。
图2 (a) 预定义压电异质衬底的制备流程；（b）预定义压电异质衬底的截面TEM图像；（c）多种不同的压电异质衬底图像
为了进一步验证预定义压电异质衬底在5G/6G声学器件中的应用潜力，本工作还制备了多种声波模式的谐振器（图3）。基于预定义压电异质衬底结构，不仅实现了横向电场激发的零阶水平剪切（SH0）模式和纵向泄漏表面声波（LL-SAW）谐振器，还实现了垂直电场激发的一阶水平剪切（SH1）模式、一阶反对称（A1）兰姆模式谐振器以及高次谐波体声波谐振器（HBAR），这些器件可用于滤波器、振荡器和传感器等应用。其中SH1模式谐振器相速度为7035m/s，高于LL-SAW的6845m/s。同时，SH1模式谐振器的机电耦合系数达到了36.1%，高于SH0模式的35.8%。
图3 (a)基于预定义压电衬底的SH1模式谐振器的概念图、光镜图以及实测结果图；(b) 基于预定义压电衬底的五种不同工作模式的谐振器的实测结果
本研究工作充分证明了预定义压电异质衬底不仅可以突破声学器件的性能瓶颈，还可以同时实现多种声学模式器件的集成，是本课题组相继发展碳化硅基铌酸锂异质衬底结构（IEDM 2020，2023）后的又一大新突破，将进一步推动压电异质衬底材料的发展，为突破5G和6G射频前端声学器件带宽和频率瓶颈带来的极具潜力的解决方案。本研究成果得到了国家自然科学基金项目和上海市启明星计划等项目支持。
延伸阅读：
《射频（RF）声波滤波器专利全景分析-2024版》
