【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所微電子材料課題組俞文杰研究員的科研團(tuán)隊(duì)在基于單晶氮化鋁(AlN)和鋁鈧氮(AlScN)的高頻體聲波(BAW)濾波器研究方面取得了一系列重要進(jìn)展。這些器件研究成果涵蓋了從4 GHz到15 GHz的頻率范圍，展示了高晶體質(zhì)量、高頻率、大帶寬和高機(jī)電耦合系數(shù)等特點(diǎn)，展示了在5G和6G射頻通信應(yīng)用中巨大的潛力。相關(guān)研究成果發(fā)表于微電子器件領(lǐng)域頂級(jí)國(guó)際期刊《IEEE Transactions on Electron Devices》(論文DOI: 10.1109/TED.2024.3443237)以及多篇射頻聲學(xué)器件領(lǐng)域頂級(jí)會(huì)議2024 IEEE Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control Joint Symposium (UFFC-JS)。
 

　　4-7 GHz高頻體聲波諧振器的開(kāi)發(fā)
 

　　在4 GHz-7 GHz頻率范圍內(nèi)，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了6.5 GHz的單晶AlN BAW諧振器和濾波器。通過(guò)兩步法生長(zhǎng)的單晶AlN薄膜，顯著提高了結(jié)晶質(zhì)量和熱導(dǎo)率，制備的諧振器在6.5 GHz的頻率下展示了優(yōu)異的性能，其Qmax達(dá)到811，keff2為4.9%。此外，制備的濾波器在6.5 GHz的中心頻率下，3 dB帶寬為194 MHz，最小插入損耗為3.36 dB，帶外抑制超過(guò)22 dB， 如圖1所示。這些成果展示了單晶AlN薄膜在超高頻(UHF)應(yīng)用中的巨大潛力，相關(guān)研究發(fā)表于2024 IEEE UFFC-JS (DOI: 10.1109/UFFC-JS60046.2024.10794068)。
 

　　為了進(jìn)一步提升器件的機(jī)電耦合系數(shù)和帶寬，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了摻雜30%鈧(Sc)的單晶鋁鈧氮化物(Al1−xScxN)BAW諧振器。這一創(chuàng)新的材料制備技術(shù)顯著提高了薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，將(0002)X射線衍射(XRD)搖擺曲線的半高寬從2°以上降低到0.73°，表面粗糙度從4.01 nm降低到0.65 nm。基于這種高性能的單晶Al0.7Sc0.3N薄膜，制備的4.39 GHz BAW諧振器展示了21%的k2eff， 如圖2所示。此外，基于該單晶薄膜的梯形濾波器，其-3 dB相對(duì)帶寬達(dá)到9.0%，是目前已知Al1−xScxN濾波器中最高的相對(duì)帶寬值。這些成果為高頻大帶寬濾波器的發(fā)展鋪平了道路，相關(guān)研究發(fā)表于《IEEE Transactions on Electron Devices》(DOI: 10.1109/TED.2024.3443237)。
 

圖1：6.5 GHz單晶AlN BAW諧振器和濾波器
 

圖2：高Sc摻雜單晶Al0.7Sc0.3N BAW諧振器
 

　　超高頻10-16GHz頻段諧振器開(kāi)發(fā)
 

　　為了進(jìn)一步提升高頻諧振器的性能，團(tuán)隊(duì)通過(guò)創(chuàng)新的生長(zhǎng)工藝和器件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)技術(shù)突破。首先，通過(guò)極性反轉(zhuǎn)技術(shù)，團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)了基于單晶Al1−xScxN的高頻BAW諧振器。通過(guò)優(yōu)化極性反轉(zhuǎn)雙層的厚度，諧振器的k2eff顯著提升，其諧振頻率超過(guò)14 GHz，k2eff達(dá)到9.7%，Q因子為439。這一設(shè)計(jì)不僅最大化了諧振器的機(jī)電耦合效率，還為Ku波段(12-18 GHz)的應(yīng)用提供了新的解決方案，相關(guān)成果發(fā)表于2024 IEEE UFFC-JS(DOI: 10.1109/UFFC-JS60046.2024.10793833)。
 

圖3：基于極性反轉(zhuǎn)單晶AlScN的超高頻FBAR諧振器
 

　　其次，團(tuán)隊(duì)通過(guò)器件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)TE1基模的完全抑制。基于雙層極性反轉(zhuǎn)單晶AlN薄膜，團(tuán)隊(duì)制備的Ku波段二階模式FBAR在14.5 GHz的頻率下展示了單一的TE2模式響應(yīng)，keff2為5.13%，最大Q因子為551。這一設(shè)計(jì)不僅完全抑制了TE1基模，還顯著提升了諧振器的頻率選擇性和抑制，為高頻應(yīng)用提供了重要的技術(shù)支持。該成果發(fā)表于2024 IEEE UFFC-JS(DOI: 10.1109/UFFC-JS60046.2024.10793659)。
 

圖4：基于雙層極性反轉(zhuǎn)單晶AlN的Ku頻段FBAR諧振器
 

　　最后，團(tuán)隊(duì)還研究了布拉格反射器(BR)在極性反轉(zhuǎn)AlN BAW諧振器中的應(yīng)用。通過(guò)設(shè)計(jì)和制備基于鎢(W)和鉬(Mo)的BR，團(tuán)隊(duì)成功制備了單晶極性反轉(zhuǎn)AlN諧振器。Mo-SiO2 BR表現(xiàn)出優(yōu)越的應(yīng)力管理和厚度控制能力，制備的諧振器在12.79 GHz和12.88 GHz的諧振頻率下，Q因子分別達(dá)到696和460，k²eff值為1.7%。這一研究不僅展示了BR在高頻BAW諧振器中的應(yīng)用潛力，還為超高頻(SHF)帶聲學(xué)濾波器的發(fā)展提供了新的思路。該成果發(fā)表于2024 IEEE UFFC-JS(DOI: 10.1109/UFFC-JS60046.2024.10793731)
 

圖5：極性反轉(zhuǎn)AlN SMR-BAW諧振器研究
 

　　應(yīng)用前景和意義
 

　　這些研究工作展示了單晶AlN和AlScN壓電薄膜在高頻、寬帶聲學(xué)濾波器和諧振器中的巨大潛力。隨著5G、Wi-Fi 6E/7以及未來(lái)6G通信技術(shù)的發(fā)展，對(duì)高頻、低損耗、高功率處理能力的聲學(xué)濾波器和諧振器的需求日益增加。這些研究不僅在材料制備技術(shù)上取得了突破，如兩步生長(zhǎng)法和極性反轉(zhuǎn)技術(shù)，還在器件設(shè)計(jì)和制造工藝上進(jìn)行了創(chuàng)新，如腔體嵌入式工藝和無(wú)側(cè)空氣隙設(shè)計(jì)。這些技術(shù)的結(jié)合，使得制備的器件在高頻下仍能保持高Q因子和高機(jī)電耦合系數(shù)，顯著提升了器件性能。這些成果不僅為當(dāng)前的移動(dòng)通信技術(shù)提供了高性能的解決方案，也為未來(lái)6G等更高頻段的通信應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，推動(dòng)了無(wú)線通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。
 

　　上述研究成果得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和上海市科技創(chuàng)新項(xiàng)目等項(xiàng)目支持。