上海微系統(tǒng)所發(fā)布面向5G Wi-Fi 6的雙模SAW濾波器

近日，第 69 屆國(guó)際電子器件大會(huì)（IEDM 2023）在美國(guó)舊金山召開。上海微系統(tǒng)所歐欣研究員課題組以口頭報(bào)告形式發(fā)表了題為「Miniaturized Dual-Mode SAW Filters using 6-inch LiNbO3-on-SiC for 5G NR and WiFi 6」的最新研究成果，博士生鄭鵬程、張師斌副研究員、華南理工大學(xué)徐金旭副教授為本論文共同第一作，張師斌副研究員、歐欣研究員為論文共同通訊作者。IEDM 會(huì)議被譽(yù)為半導(dǎo)體領(lǐng)域的「奧林匹克盛會(huì)」，是報(bào)告半導(dǎo)體和電子器件技術(shù)、設(shè)計(jì)、制造、物理和建模等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)突破的頂尖論壇。

本工作中，課題組基于自主研制的 6 英寸高質(zhì)量 X-cut LiNbO3/SiC 異質(zhì)集成襯底，在國(guó)際上率先提出面向 5G/6G、WiFi 6/7 應(yīng)用的「雙模激勵(lì)，多頻集成」的高性能、低成本的聲表面波（SAW）濾波器技術(shù)。傳統(tǒng)的 SAW 濾波器通常在單一設(shè)計(jì)方向上激發(fā)單一的聲波模式（例如瑞利波、水平剪切波 SH-SAW、縱向漏波 LL-SAW 等），且工作頻率難以突破 3GHz，僅適合于傳統(tǒng) 4G LTE 頻段，難以在高頻段與 FBAR、IPD 等技術(shù)抗衡。

如圖 1 所示，由于 X-cut LiNbO3 面內(nèi)的強(qiáng)各向異性以及 SiC 襯底極高聲速的特性，高機(jī)電耦合系數(shù)、高 Q 值的 LL-SAW 和 SH-SAW 模式可同時(shí)在 LiNbO3/SiC 異質(zhì)襯底的不同面內(nèi)方向上激發(fā)，即利用完全相同的器件設(shè)計(jì)，在不同面內(nèi)方向上可分別得到高頻、中頻兩種濾波器響應(yīng)。如圖 2(a-b) 中，在 1.0~1.5μm 的波長(zhǎng)下，SH-SAW 和 LL-SAW 諧振器分別在 3~4GHz 和 4.7~6.3GHz 的頻率范圍內(nèi)展現(xiàn)出高機(jī)電耦合系數(shù)和高 Q 值。圖 2(c) 中，兩顆 SH-SAW 濾波器在 5G N77 頻段展現(xiàn)出 495MHz 和 391MHz 的帶寬以及<1dB 的插損；圖 2(d) 中，一組 LL-SAW 濾波器在 Wi-Fi 6 頻段亦展現(xiàn)出大帶寬和低損耗。

圖 1：雙模態(tài) SAW 濾波器技術(shù)示意圖

圖 2：雙模態(tài) (a-b) 諧振器和 (c-d) 濾波器的實(shí)測(cè)結(jié)果

為進(jìn)一步驗(yàn)證雙模態(tài) SAW 技術(shù)在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)（如雙工器、多工器等）中的應(yīng)用前景，本工作中還設(shè)計(jì)了 5G N79 & Wi-Fi 6 和 5G N77 & 5G N79 的高性能雙通帶濾波器響應(yīng)（圖 3），版圖尺寸<1mm2。本工作從高質(zhì)量異質(zhì)晶圓、高頻諧振器、高性能分立濾波器和雙通帶濾波器 4 個(gè)維度，全面驗(yàn)證了碳基 SAW 技術(shù)在 3~7GHz 頻段的應(yīng)用潛力，有望形成一條獨(dú)具特色的高性能、低成本、高集成度射頻濾波器解決方案。

圖 3：面向 5G/6G、Wi-Fi 6/7 應(yīng)用的雙通帶濾波器

值得一提的是，自從在國(guó)際上首次驗(yàn)證 SiC 基異質(zhì)集成 SAW 濾波器技術(shù)（IEEE T-MTT, vol. 68, no. 9, pp. 3653-3666, Sept. 2020）以來，本團(tuán)隊(duì)一直致力于高聲速異質(zhì)集成材料的工程化批量制備與高性能 SAW 濾波器技術(shù)的前沿探索。圖 4 展示了本團(tuán)隊(duì)在 2023 年度 SiC 基 SAW 技術(shù)上的代表性工作：(a) 實(shí)現(xiàn)了 Q 值高達(dá) 11000 的 LiTaO3/SiC 基 SAW 諧振器，并揭示了高 Q 值的新物理機(jī)制（IEEE EDL, vol. 44, no. 5, pp. 813-816, May 2023.）；(b) 基于 LiTaO3/SiC 的高性能 SAW 諧振器和濾波器，無溫補(bǔ)層的前提下實(shí)現(xiàn)近零溫漂（IEEE T-MTT, vol. 71, no. 10, pp. 4182-4192, Oct. 2023.）；(c) 基于 LiNbO3/SiC 的低損耗、大帶寬 LL-SAW 濾波器（IEEE T-MTT, doi: 10.1109/TMTT.2023.3305078.）。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還榮獲 2022 年度 IEEE Microwave Prize、首屆全國(guó)顛覆性技術(shù)創(chuàng)新大賽總決賽優(yōu)勝獎(jiǎng)、「國(guó)科大杯」創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽總決賽一等獎(jiǎng)等榮譽(yù)。本團(tuán)隊(duì)將瞄準(zhǔn) 5G/6G、Wi-Fi 6/7 應(yīng)用需求，持續(xù)發(fā)力壓電異質(zhì)集成材料與 SAW 濾波器技術(shù)的創(chuàng)新研發(fā)、知識(shí)產(chǎn)權(quán)布局、工程化制備，為高端射頻前端/濾波器的國(guó)產(chǎn)替代保駕護(hù)航。

圖 4：2023 年度課題組碳基 SAW 技術(shù)代表性成果一覽：(a) 極高 Q 值 (~11000)LiTaO3/SiC 基 SAW 諧振器；(b) 基于 LiTaO3/SiC 的近零溫漂高性能諧振器/濾波器；(c) 面向 5G N79 頻段的高性能 LL-SAW 濾波器