上海微系統所發布面向5G Wi-Fi 6的雙模SAW濾波器

近日，第 69 屆國際電子器件大會（IEDM 2023）在美國舊金山召開。上海微系統所歐欣研究員課題組以口頭報告形式發表了題為「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 會議被譽為半導體領域的「奧林匹克盛會」，是報告半導體和電子器件技術、設計、制造、物理和建模等領域的關鍵技術突破的頂尖論壇。

本工作中，課題組基于自主研制的 6 英寸高質量 X-cut LiNbO3/SiC 異質集成襯底，在國際上率先提出面向 5G/6G、WiFi 6/7 應用的「雙模激勵，多頻集成」的高性能、低成本的聲表面波（SAW）濾波器技術。傳統的 SAW 濾波器通常在單一設計方向上激發單一的聲波模式（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 4G LTE 頻段，難以在高頻段與 FBAR、IPD 等技術抗衡。

如圖 1 所示，由于 X-cut LiNbO3 面內的強各向異性以及 SiC 襯底極高聲速的特性，高機電耦合系數、高 Q 值的 LL-SAW 和 SH-SAW 模式可同時在 LiNbO3/SiC 異質襯底的不同面內方向上激發，即利用完全相同的器件設計，在不同面內方向上可分別得到高頻、中頻兩種濾波器響應。如圖 2(a-b) 中，在 1.0~1.5μm 的波長下，SH-SAW 和 LL-SAW 諧振器分別在 3~4GHz 和 4.7~6.3GHz 的頻率范圍內展現出高機電耦合系數和高 Q 值。圖 2(c) 中，兩顆 SH-SAW 濾波器在 5G N77 頻段展現出 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 頻段亦展現出大帶寬和低損耗。

圖 1：雙模態 SAW 濾波器技術示意圖

圖 2：雙模態 (a-b) 諧振器和 (c-d) 濾波器的實測結果

為進一步驗證雙模態 SAW 技術在復雜網絡（如雙工器、多工器等）中的應用前景，本工作中還設計了 5G N79 & Wi-Fi 6 和 5G N77 & 5G N79 的高性能雙通帶濾波器響應（圖 3），版圖尺寸<1mm2。本工作從高質量異質晶圓、高頻諧振器、高性能分立濾波器和雙通帶濾波器 4 個維度，全面驗證了碳基 SAW 技術在 3~7GHz 頻段的應用潛力，有望形成一條獨具特色的高性能、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 應用的雙通帶濾波器

值得一提的是，自從在國際上首次驗證 SiC 基異質集成 SAW 濾波器技術（IEEE T-MTT, vol. 68, no. 9, pp. 3653-3666, Sept. 2020）以來，本團隊一直致力于高聲速異質集成材料的工程化批量制備與高性能 SAW 濾波器技術的前沿探索。圖 4 展示了本團隊在 2023 年度 SiC 基 SAW 技術上的代表性工作：(a) 實現了 Q 值高達 11000 的 LiTaO3/SiC 基 SAW 諧振器，并揭示了高 Q 值的新物理機制（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，無溫補層的前提下實現近零溫漂（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，團隊還榮獲 2022 年度 IEEE Microwave Prize、首屆全國顛覆性技術創新大賽總決賽優勝獎、「國科大杯」創新創業大賽總決賽一等獎等榮譽。本團隊將瞄準 5G/6G、Wi-Fi 6/7 應用需求，持續發力壓電異質集成材料與 SAW 濾波器技術的創新研發、知識產權布局、工程化制備，為高端射頻前端/濾波器的國產替代保駕護航。

圖 4：2023 年度課題組碳基 SAW 技術代表性成果一覽：(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