如何实现结构简单的低损耗声表面波谐振器

1工作简介

中国科学院上海微系统与信息技术研究所异质集成XOI课题组利用“万能离子刀”剥离和转移技术，成功将4英寸Y42切LiTaO3单晶薄膜转移到蓝宝石（Sapphire）衬底上(LTOS)，并据此初步验证了低损耗声表面波谐振器（SUPSAW）。相较于传统单晶压电体材料，异质界面（LiTaO3-Sapphire）的引入大大提高了声波能量的表面约束能力，从而有效降低SUPSAW器件的机械损耗，提高了器件Q值。相较于近几年关注度较高的LTOI衬底（LiTaO3/SiO2/Si与LiTaO3/SiO2/Poly-Si/Si），LTOS异质衬底结构更为简单，且蓝宝石极高的电阻率和优秀的射频特性使得LTOS异质衬底的界面（LiTaO3-Sapphire）射频损耗较小，有效避免了SiO2-Si界面的电荷积累PSC效应，从而降低SUPSAW器件的电学损耗。相关研究结果在线发表于国际声学领域知名会议IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS) 上，论文第一作者为博士研究生吴进波同学，共同通讯作者为张师斌助理研究员与欧欣研究员。    

2研究背景

近年来声表面波(SAW)器件已经广泛应用于无线通信系统中。随着现代通信系统的发展，更陡的裙边、更低的插入损耗(IL)、以及更高的温度稳定性已经成为高性能滤波器的基本需要。在滤波器拓扑结构确定的情况下，裙边陡直度和IL主要由品质因子(Q)决定。传统的基于压电晶体(如LiTaO3、LiNbO3)的声表面波器件由于Q值有限而难以满足快速增长的射频无线通信需求。基于LiTaO3/SiO2/Si (LTOI)异质结构的I.H.P-SAW已经被证实了具有非常优秀的性能。然而LTOI衬底的制备工艺必须要十分精确，否则在SiO2-Si界面会由于寄生表面电导(PSC)效应，如图1（a）所示，导致硅表面等效电阻率下降一个数量级以上，因此产生额外的射频损耗将导致Q值大幅下降。为解决这一问题, Ultra-SAW ，如图1（b）所示，在SiO2/Si界面引入了富陷阱层（trap-rich layer），然而更复杂的器件结构导致了上升的成本。

图1.（a）LTOI-SAW、（b）Ultra-SAW和（c）LTOS-SAW的示意图。

3研究亮点

上海微系统所异质集成XOI课题组利用“万能离子刀”剥离与转移技术制备了晶圆级LiTaO3/Sapphire异质衬底(LTOS)，并据此初步验证了低损耗声表面波谐振器（SUPSAW），器件结构如图1（c）所示。基于LTOS衬底的SAW谐振器的光镜图以及测试结果如图2所示。由于蓝宝石的电阻率高达1014Ω×cm，远远超过了高阻硅，PSC效应对其影响微乎其微，因此LTOS可实现极低的射频损耗。如图所示，SUPSAW在2.2GHz附近Q值超过了2000。

图2.  (a) SUPSAW的OM图及（b）局部放大图。(c)实测(实线)和拟合(虚线)的频率响应。(d)测量及拟合的SUPSAW的Bode-Q曲线。

此外，根据SUPSAW的测试结果设计和制备的低阶梯形滤波器的测试结果如图3所示，其在2.2GHz左右的插损为0.61 dB，相对带宽为3.6%。LTOS衬底、对应的谐振器与滤波器的优化设计进行中，可以期待性能更加优异的SUPSAW器件。

图3. 测试得到的低阶梯形滤波器的S参数   

4总结与展望

得益于XOI课题组在压电异质集成材料技术上的长期发展，通过钽酸锂单晶薄膜与极高电阻率且低射频损耗低的支撑衬底相结合，实现了结构简单的低损耗声表面波（SAW）谐振器。通过进一步地优化衬底和器件结构，可以期待综合性能更高的SAW滤波器。因此，SUPSAW器件在射频无线通信应用中具有十分广阔的应用前景。    

原文标题：基于钽酸锂/蓝宝石异质集成衬底的低损耗SAW谐振器

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　　审核编辑：汤梓红