近日，第70屆國際電子器件大會（IEDM 2024）在美國舊金山召開。上海微系統(tǒng)所歐欣研究員課題組以口頭報告形式發(fā)表了題為 “Predefined Novel Piezo-on-Insulator (PN-POI) Substrates for 5G/6G Acoustic Devices” 的[敏感詞]研究成果，博士生柯新建、吳進(jìn)波博士、張師斌研究員為本論文共同[敏感詞]作者，黃凱副研究員、張師斌研究員、歐欣研究員為論文共同通訊作者。IEDM會議被譽(yù)為半導(dǎo)體領(lǐng)域的“奧林匹克盛會”，是報告半導(dǎo)體和電子器件技術(shù)、設(shè)計、制造、物理和建模等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)突破的[敏感詞]論壇。

5G和6G頻段需要射頻濾波器具有更高的工作頻率和更大的帶寬，這對聲波諧振器的聲速和機(jī)電耦合系數(shù)提出了更高的要求。基于傳統(tǒng)壓電異質(zhì)襯底(Normal-POI)的聲表面波（SAW）技術(shù)由于光刻精度或材料壓電系數(shù)的限制無法同時滿足如此高的頻率和帶寬要求。與此同時，由垂直電場激發(fā)的體聲波（BAW）等技術(shù)無法在傳統(tǒng)壓電異質(zhì)襯底上實(shí)現(xiàn)，壓電異質(zhì)襯底的發(fā)展達(dá)到了瓶頸。

圖1. (a)預(yù)定義壓電異質(zhì)襯底的演變, (b)預(yù)定義壓電異質(zhì)襯底的應(yīng)用場景

本工作中，上海微系統(tǒng)所歐欣研究團(tuán)隊發(fā)布了面向5G/6G聲波器件的新型預(yù)定義壓電異質(zhì)襯底（PN-POI）解決方案（圖1a）。預(yù)定義壓電異質(zhì)襯底可以通過預(yù)設(shè)的底部電極，選擇性地利用水平電場或縱向電場激勵聲波模式，極大地擴(kuò)展可用的聲學(xué)模式和功能（圖1b），其中由縱向電場激發(fā)的高階聲波模式兼具更大機(jī)電耦合系數(shù)和更高聲速。團(tuán)隊通過“離子刀”異質(zhì)集成技術(shù)，制備了高質(zhì)量的6英寸預(yù)定義碳化硅基鈮酸鋰異質(zhì)襯底，轉(zhuǎn)移后的鈮酸鋰薄膜材料搖擺曲線半高寬為68.4 arcsec，表面粗糙度為0.22nm，襯底各層之間界面清晰可見（圖 2）。

圖 2. (a) 預(yù)定義壓電異質(zhì)襯底的制備流程,（b）預(yù)定義壓電異質(zhì)襯底的截面TEM圖像，（c）多種不同的壓電異質(zhì)襯底圖像

為了進(jìn)一步驗證預(yù)定義壓電異質(zhì)襯底在5G/6G聲學(xué)器件中的應(yīng)用潛力，本工作還制備了多種聲波模式的諧振器（圖3）。基于預(yù)定義壓電異質(zhì)襯底結(jié)構(gòu)，不僅實(shí)現(xiàn)了橫向電場激發(fā)的零階水平剪切（SH0）模式和縱向泄漏表面聲波（LL-SAW）諧振器，還實(shí)現(xiàn)了垂直電場激發(fā)的一階水平剪切（SH1）模式、一階反對稱（A1）蘭姆模式諧振器以及高次諧波體聲波諧振器（HBAR），這些器件可用于濾波器、振蕩器和傳感器等應(yīng)用。其中SH1模式諧振器相速度為7035m/s，高于LL-SAW的6845m/s。同時，SH1模式諧振器的機(jī)電耦合系數(shù)達(dá)到了36.1%，高于SH0模式的35.8%。

圖 3. (a)基于預(yù)定義壓電襯底的SH1模式諧振器的概念圖、光鏡圖以及實(shí)測結(jié)果圖， (b) 基于預(yù)定義壓電襯底的五種不同工作模式的諧振器的實(shí)測結(jié)果。

本研究工作充分證明了預(yù)定義壓電異質(zhì)襯底不僅可以突破聲學(xué)器件的性能瓶頸，還可以同時實(shí)現(xiàn)多種聲學(xué)模式器件的集成，是本課題組相繼發(fā)展碳化硅基鈮酸鋰異質(zhì)襯底結(jié)構(gòu)（IEDM 2020，2023）后的又一大新突破，將進(jìn)一步推動壓電異質(zhì)襯底材料的發(fā)展，為突破5G和6G射頻前端聲學(xué)器件帶寬和頻率瓶頸帶來的極具潛力的解決方案。本研究成果得到了國家自然科學(xué)基金項目和上海市啟明星計劃等項目支持。