1工作简介

近日，中国科学院上海微系统所异质集成XOI课题组，基于自主研发的蓝宝石基和硅基钽酸锂异质集成衬底，提出面内旋转叉指换能器(IDT)匹配优选的声波导边界的二维电极结构，实现了横向高阶模式的抑制、带外寄生响应的削弱、以及最大谐振器Q值超过5000的的声表面波(SAW)谐振器。在单个压电异质衬底上实现了频率相近且相对带宽不同的SAW滤波器，均具有低插入损耗、陡直的裙边以及高带外抑制的特点。该技术有望减少压电异质衬底规格种数的需求，降低射频前端模块的成本。相关研究工作以“Rotated Interdigital Transducers With Matched Waveguide Boundaries for High-Performance Surface Acoustic Wave Devices”为题发表于国际微波与射频领域权威期刊IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques (IEEE TMTT)。论文的共同第一作者分别为博士生吴进波、张师斌研究员及博士生柯新建，共同通讯作者为张师斌研究员与欧欣研究员。

在SAW技术中，钽酸锂(LiTaO₃)薄膜与功能衬底组成的结构是最常用的材料平台。更重要的是，相应的压电异质晶圆和SAW器件(滤波器、双工器等)都已实现量产^[1,2]。此外，薄膜LiTaO₃还展示出其在光子集成电路中的应用潜力^[3]。LiTaO₃具有很强的面内各向异性，但基于薄膜LiTaO₃通过改变面内取向来调节k_t²的技术却尚未得到充分讨论。主要是因为面内旋转会带来的新的挑战，例如过大的能流角和增强的寄生模式(包括横向高阶模、瑞利模式、LL-SAW、SH₁、Sezawa等)。如果能够在不牺牲其他性能的前提下基于薄膜LiTaO₃实现具有不同带宽的滤波器，则射频前端模块的成本将大大降低。

本工作中，中国科学院上海微系统所异质集成XOI课题组提出并验证了一种由旋转叉指换能器 (IDT) 和倾斜波导边界组成的二维电极结构，利用“万能离子刀”智能剥离和转移技术制备了高质量单晶LiTaO₃薄膜，基于Y42切LiTaO₃/SiO₂/Sapphire (LiTaO₃-on-Sapphire, LTOS) 衬底及二维电极结构实现了带宽可调的低损耗水平剪切SAW (SH-SAW) 器件。

如图1(a)和(b)所示为二维电极结构的示意图，其中旋转的IDT用于调节k_t²。如图1(c)和(d)所示为主模SH-SAW及杂波的能流角(PFA)、γ=θ+7°时的能流入射角随面内方向的变化(能流方向与传播方向的夹角为PFA，能流方向与波导边界的夹角为能流入射角)。当倾斜角γ=θ+7°时，主模SH-SAW的能流入射角控制在10°以内，寄生模式的最大能流入射角则超过30°。因此，根据能流方向匹配的倾斜波导边界可以显著减少能量泄漏和削弱各种寄生模式。如图2所示，当旋转角达到20°时的SH-SAW谐振器的3D振型图，此时能流角约为-20°，过大的能流入射角导致主模能量大量泄漏到汇流条区域。在匹配了合适的波导边界以后，即γ为27°，主模的泄漏几乎被完全抑制。

图1 (a)二维电极结构的演进过程；(b)二维电极结构的俯视图；(c)γ=0°时SH-SAW和杂波Ⅰ、Ⅱ的能流角随面内方向的变化；(d)γ=θ+7°时各模式能流入射角随面内方向的变化

图2 (a)θ=20°的SH-SAW谐振器的3D振型图；(b)θ=20°且γ=27°的SH-SAW谐振器的3D振型图

不同旋转角θ和倾斜角γ的SH-SAW谐振器的实测结果如图3和4所示，当γ-θ在7°或-6°左右时，谐振器具有较大Q值，且横向高阶模式得到了抑制，其中最大的Q值达到5231，最大优值因子(FoM)达到653.4(同频段无横模SAW谐振器的最高值)。随着θ的变化，谐振器的实测k_t²从12.6%变化到5.9%。应用本技术的谐振器的Q值均超过了3000，而仅旋转IDT的谐振器的Q值在θ=20°时下降到了736；与仅旋转IDT的谐振器相比，寄生模式的导纳比也从49.7 dB降低到18.5 dB。

图3 具有不同θ和γ的SH-SAW谐振器的测试结果

图4 典型谐振器的导纳曲线和Bode-Q曲线

基于同一个LTOS衬底，其中两个应用本技术的SH-SAW滤波器的3 dB带宽(BW_3dB)分别为47 MHz和63 MHz，最小插入损耗(IL_min)分别为0.96 dB和0.83 dB，且两个滤波器的邻带带外抑制水平均达到50 dB，如图5所示。该技术还在已经得到量产的Y42切LiTaO₃/SiO₂/poly-Si/Si晶圆上进行了验证，显示出在单一材料平台上实现多个具有不同带宽的低损耗滤波器的巨大潜力。

文章链接：
https://ieeexplore.ieee.org/document/10745116

[1] T. Takai, H. Iwamoto, Y. Takamine, T. Fuyutsume, T. Nakao, M. Hiramoto, T. Toi, and M. Koshino, “High-performance SAW resonator with simplified LiTaO₃/SiO₂double layer structure on Si substrate,” IEEE Trans. Ultrason., Ferroelectr., Freq. Control, vol. 66, no. 5, pp. 1006–1013, May 2019, doi: 10.1109/TUFFC.2019.2898046.

来源：上海微系统所，集成电路材料实验室，异质集成XOI课题组