中国半导体十大研究进展候选推荐（2021-045）——基于压电异质集成技术的5G高性能射频滤波器

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工作简介

         ——基于压电异质集成技术的5G高性能射频滤波器

射频滤波器是移动通信射频前端的核心组件，目前我国5G终端滤波器供给严重依赖于美国和日本的数家巨头公司，已经对我国5G芯片产业发展形成战略制约和威胁。据Yole预测，滤波器的市场规模将从2017年的80亿美元增加到2023年的225亿美元，年复合增长率高达19%。然而国产化率不足5%，国内适用于5G的高频宽带滤波器技术接近空白，射频滤波器芯片被《科技日报》列为35项卡脖子技术之一，急需发展有自主知识产权的高频、大带宽和高功率容量的高性能射频滤波器技术。声表面波（SAW）和体声波（BAW）滤波器凭借其优良的频率选择性、高Q值、低插入损耗等优势成为移动射频前端滤波器的主流选择。相较于BAW，传统基于压电晶圆的SAW器件结构和工艺更简单，但其中心频率和Q值较低，温漂大，功率容量小。因此，如何在保持（类）声表面波器件的结构和工艺优势的同时提升其性能，使其满足5G通信应用需求，一直是产业界和学术界的焦点。

图1.（a）声表面波器件向高频、大宽带方向发展的路线图；（b）高声速、高导热压电异质衬底的结构示意图；（c）声速频散特性曲线仿真结果和（d）瞬态热反射曲线测试结果。

2021年，中国科学院上海微系统与信息技术研究所欧欣研究员团队利用“万能离子刀”剥离与键合转移技术，突破晶格失配等问题，将亚微米厚度的单晶铌酸锂（LiNbO₃）薄膜从铌酸锂晶圆剥离并转移到高声速、高导热的碳化硅（SiC）晶圆，首次制备了4英寸LiNbO₃/SiC压电异质衬底，如图2（a）-（d）所示。SiC相对LiNbO₃具有更高的声阻抗、更高的热导率、更低的介电常数和更小的热膨胀系数，因此，相较于传统LiNbO₃晶圆，LiNbO₃/SiC压电异质衬底中的“LiNbO₃-SiC异质界面”可实现更有效的声波（弹性波）能量和电场能量约束、提高器件散热、降低器件热膨胀，从而显著提高射频声波器件性能与设计自由度。基于LiNbO₃/SiC异质衬底，研究团队研制了高频、高Q、大带宽的水平剪切波（SH0）模式声波谐振器与滤波器，如图2（e）-（h）所示。此外，还利用SiC的高声速特性研制了具有极高声速（>6000 m/s）的对称型兰姆波（S0）模式的高频器件，突破了传统SAW器件的频率限制。有望应用于5G N77和N79频段。此外，目前的射频前端模组通过封装的方式将基于不同衬底、结构与工艺的声表面波、体声波滤波器集成，成本高、集成度低、难以适应5G通信频段数急增的需求。研究团队提出了基于LiNbO₃/SiC异质衬底的单片集成多频段（1.0~6.0 GHz）射频声波滤波器技术，并对多种声波模式的约束，滤波器拓扑结构以及带内杂波抑制等物理问题进行了研究，最终单片集成高性能滤波器阵列的仿真计算结果如图2（i）-（k）所示。

图2. （a）压电单晶晶圆与（b）单晶压电异质衬底示意图；（c）制备的4英寸LiNbO₃/SiC异质衬底及其（d）截面TEM图；基于（e）压电晶圆与（f）压电异质衬底的声波谐振器示意图；（g）制备的谐振器导纳曲线测试结果；（h）制备的滤波器S参数测试结果；（i）封装集成与（j）单芯片集成示意图；（k）单片集成滤波器仿真结果。

相关研究成果于2021年3月11日以“Surface Wave and Lamb Wave Acoustic Devices on Heterogenous Substrate for 5G Front-Ends”为题发表于IEEE International Electron Devices Meeting（IEDM）及射频领域标志性期刊及会议IEEE TMTT和IEEE IMS。中科院上海微系统所博士研究生周鸿燕、助理研究员张师斌博士为论文共同第一作者；中科院微系统所张师斌博士、欧欣研究员为论文共同通讯作者。此外，欧欣研究员课题组在单晶压电薄膜及射频滤波器应用方面获得授权专利超过60项，42项专利实现成果转化超过3000万元人民币。为推动射频滤波器创新技术发展，2021年该团队发起并成功组织了国内第一届射频滤波器创新技术大会，未来形成射频滤波器领域重要的创新技术论坛。

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作者简介

第一作者

周鸿燕，中国科学院上海微系统所在读博士研究生。

主要从事基于异质集成技术的5G高性能射频滤波器研究。多篇论文发表于IEEE IEDM、IEEE IUS、IEEE MEMS、IEEE EDL、Adv. Electron. Mater等会议/期刊。

共同第一作者兼共同通讯作者

张师斌，助理研究员，于东南大学/中科院上海微系统与信息技术研究所获学士/博士学位。

博士在读期间曾获得国家留学基金委（CSC）资助，作为联合培养博士生在美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（UIUC）Songbin Gong教授课题组交流学习一年；以第一/共一&共同通讯作者身份在IEEE IEDM、IEEE IMS、IEEE TMTT、IEEE EDL、Optica、Adv. Electron. Mater等会议/期刊上发表相关成果；申请30余项中国发明专利（12项已授权）、3项美国发明专利。获“上海市超级博士后”计划、“中国科学院特别研究助理资助”项目、中国博士后科学基金“第70批面上资助”项目支持，作为课题骨干承担国家重点研发计划《硅基MEMS压电薄膜及器件关键技术与平台》相关研究等。

通讯作者

欧欣，中科院上海微系统与信息技术研究所-信息功能材料国家重点实验室，二级研究员。

2009年博士毕业于中科院上海微系统所，2010-2015年先后在德国马普微结构物理研究所和德国亥姆霍兹HZDR研究中心学习和工作。面向5G声、光、电核心芯片对异质集成材料的重要需求，发展“万能离子刀”异质集成材料技术，成功开发出多种硅基化合物、硅基宽禁带半导体及功能薄膜制备技术并应用于射频、光电和功率芯片，先后发表SCI论文120余篇，其中以第一/通讯作者在Nature Com.、PRL、Adv. Mater.、Nanoletters、IEDM等著名期刊和国际顶会发表论文80余篇，申请专利120件，转化42项，创建上海新硅聚合半导体有限公司。先后获得北京市科技进步一等奖、中国产学研合作创新奖、中国光学十大进展、国际离子束与材料改性IBMM Prize、国际离子注入技术青年科学家奖、德国亥姆霍兹HZDR研究中心年度研究奖等荣誉。

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原文传递

详情请点击论文链接：

https://ieeexplore.ieee.org/document/9372128

《半导体学报》简介：

《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是中科院副院长、国科大校长李树深院士。2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2020年，JOS被EI收录。

“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：

《半导体学报》在创刊四十年之际，启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：[e-mail]，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。

JOSarXiv预发布平台简介：

半导体科技发展迅猛，科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台，保障优秀科研成果首发权的认定，促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立，编辑部负责运行和管理，是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台，提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务。

JOSarXiv于2020年1月1日正式上线（http://arxiv.jos.ac.cn/），通过《半导体学报》官网（http://www.jos.ac.cn/）亦可访问。敬请关注和投稿！

扩展阅读

 

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