面向5G／Wi－Fi 6异质集成双模SAW射频滤波器技术方案

近日，第69届国际电子器件大会（IEDM 2023）在美国旧金山召开。中国科学院上海微系统与信息技术研究所（简称：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“Miniaturized Dual-Mode SAW Filters using 6-inch LiNbO3-on-SiC for 5G NR and WiFi 6”的最新研究成果，博士生郑鹏程、张师斌副研究员、华南理工大学徐金旭副教授为本论文共同第一作，张师斌副研究员、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。

本工作中，欧欣研究员课题组基于自主研制的6英寸高质量X-cut LiNbO3/SiC异质集成衬底，在国际上率先提出面向5G/6G、WiFi 6/7应用的“双模激励，多频集成”的高性能、低成本的声表面波（SAW）滤波器技术。传统的SAW滤波器通常在单一设计方向上激发单一的声波模式（例如瑞利波、水平剪切波SH-SAW、纵向漏波LL-SAW等），且工作频率难以突破3GHz，仅适合于传统4G LTE频段，难以在高频段与FBAR、IPD等技术抗衡。

如图1所示，由于X-cut LiNbO3面内的强各向异性以及SiC衬底极高声速的特性，高机电耦合系数、高Q值的LL-SAW和SH-SAW模式可同时在LiNbO3/SiC异质衬底的不同面内方向上激发，即利用完全相同的器件设计，在不同面内方向上可分别得到高频、中频两种滤波器响应。如图2（a-b）中，在1.0~1.5 μm的波长下，SH-SAW和LL-SAW谐振器分别在3~4 GHz和4.7~6.3 GHz的频率范围内展现出高机电耦合系数和高Q值。图2（c）中，两颗SH-SAW滤波器在5G N77频段展现出495 MHz和391 MHz的带宽以及<1 dB的插损；图2（d）中，一组LL-SAW滤波器在Wi-Fi 6频段亦展现出大带宽和低损耗。

图1：双模态SAW滤波器技术示意图


图2：双模态（a-b）谐振器和（c-d）滤波器的实测结果

为进一步验证双模态SAW技术在复杂网络（如双工器、多工器等）中的应用前景，本工作中还设计了5G N79 & Wi-Fi 6和5G N77 & 5G N79的高性能双通带滤波器响应（图3），版图尺寸<1 mm²。本工作从高质量异质晶圆、高频谐振器、高性能分立滤波器和双通带滤波器4个维度，全面验证了碳基SAW技术在3~7 GHz频段的应用潜力，有望形成一条独具特色的高性能、低成本、高集成度射频滤波器解决方案。

图3：面向5G/6G、Wi-Fi 6/7应用的双通带滤波器

值得一提的是，自从在国际上首次验证SiC基异质集成SAW滤波器技术（IEEE T-MTT, vol. 68, no. 9, pp. 3653-3666, Sept. 2020）以来，欧欣研究员课题组一直致力于高声速异质集成材料的工程化批量制备与高性能SAW滤波器技术的前沿探索。图4展示了欧欣研究员课题组在2023年度SiC基SAW技术上的代表性工作：(a) 实现了Q值高达11000的LiTaO3/SiC基SAW谐振器，并揭示了高Q值的新物理机制（IEEE EDL, vol. 44, no. 5, pp. 813-816, May 2023.）；(b) 基于LiTaO3/SiC的高性能SAW谐振器和滤波器，无温补层的前提下实现近零温漂（IEEE T-MTT, vol. 71, no. 10, pp. 4182-4192, Oct. 2023.）；(c) 基于LiNbO3/SiC的低损耗、大带宽LL-SAW滤波器（IEEE T-MTT, doi: 10.1109/TMTT.2023.3305078.）。同时，团队还荣获2022年度IEEE Microwave Prize、首届全国颠覆性技术创新大赛总决赛优胜奖、“国科大杯”创新创业大赛总决赛一等奖等荣誉。欧欣研究员课题组将瞄准5G/6G、Wi-Fi 6/7应用需求，持续发力压电异质集成材料与SAW滤波器技术的创新研发、知识产权布局、工程化制备，为高端射频前端/滤波器的国产替代保驾护航。

图4：2023年度课题组碳基SAW技术代表性成果一览。(a) 极高Q值（~11000）LiTaO3/SiC基SAW谐振器；(b) 基于LiTaO3/SiC的近零温漂高性能谐振器/滤波器；(c) 面向5G N79频段的高性能LL-SAW滤波器。