【儀表網 研發快訊】近日，中國科學院上海微系統與信息技術研究所微電子材料課題組俞文杰研究員的科研團隊在基于單晶氮化鋁(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，展示了高晶體質量、高頻率、大帶寬和高機電耦合系數等特點，展示了在5G和6G射頻通信應用中巨大的潛力。相關研究成果發表于微電子器件領域頂級國際期刊《IEEE Transactions on Electron Devices》(論文DOI: 10.1109/TED.2024.3443237)以及多篇射頻聲學器件領域頂級會議2024 IEEE Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control Joint Symposium (UFFC-JS)。
4-7 GHz高頻體聲波諧振器的開發
在4 GHz-7 GHz頻率范圍內，團隊開發了6.5 GHz的單晶AlN BAW諧振器和濾波器。通過兩步法生長的單晶AlN薄膜，顯著提高了結晶質量和熱導率，制備的諧振器在6.5 GHz的頻率下展示了優異的性能，其Qmax達到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)應用中的巨大潛力，相關研究發表于2024 IEEE UFFC-JS (DOI: 10.1109/UFFC-JS60046.2024.10794068)。
為了進一步提升器件的機電耦合系數和帶寬，團隊開發了摻雜30%鈧(Sc)的單晶鋁鈧氮化物(Al1−xScxN)BAW諧振器。這一創新的材料制備技術顯著提高了薄膜的結晶質量，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相對帶寬達到9.0%，是目前已知Al1−xScxN濾波器中最高的相對帶寬值。這些成果為高頻大帶寬濾波器的發展鋪平了道路，相關研究發表于《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頻段諧振器開發
為了進一步提升高頻諧振器的性能，團隊通過創新的生長工藝和器件設計實現了多項技術突破。首先，通過極性反轉技術，團隊成功開發了基于單晶Al1−xScxN的高頻BAW諧振器。通過優化極性反轉雙層的厚度，諧振器的k2eff顯著提升，其諧振頻率超過14 GHz，k2eff達到9.7%，Q因子為439。這一設計不僅最大化了諧振器的機電耦合效率，還為Ku波段(12-18 GHz)的應用提供了新的解決方案，相關成果發表于2024 IEEE UFFC-JS(DOI: 10.1109/UFFC-JS60046.2024.10793833)。
圖3：基于極性反轉單晶AlScN的超高頻FBAR諧振器
其次，團隊通過器件設計實現了對TE1基模的完全抑制。基于雙層極性反轉單晶AlN薄膜，團隊制備的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，keff2為5.13%，最大Q因子為551。這一設計不僅完全抑制了TE1基模，還顯著提升了諧振器的頻率選擇性和抑制，為高頻應用提供了重要的技術支持。該成果發表于2024 IEEE UFFC-JS(DOI: 10.1109/UFFC-JS60046.2024.10793659)。
圖4：基于雙層極性反轉單晶AlN的Ku頻段FBAR諧振器
最后，團隊還研究了布拉格反射器(BR)在極性反轉AlN BAW諧振器中的應用。通過設計和制備基于鎢(W)和鉬(Mo)的BR，團隊成功制備了單晶極性反轉AlN諧振器。Mo-SiO2 BR表現出優越的應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諧振器中的應用潛力，還為超高頻(SHF)帶聲學濾波器的發展提供了新的思路。該成果發表于2024 IEEE UFFC-JS(DOI: 10.1109/UFFC-JS60046.2024.10793731)
圖5：極性反轉AlN SMR-BAW諧振器研究
應用前景和意義
這些研究工作展示了單晶AlN和AlScN壓電薄膜在高頻、寬帶聲學濾波器和諧振器中的巨大潛力。隨著5G、Wi-Fi 6E/7以及未來6G通信技術的發展，對高頻、低損耗、高功率處理能力的聲學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上取得了突破，如兩步生長法和極性反轉技術，還在器件設計和制造工藝上進行了創新，如腔體嵌入式工藝和無側空氣隙設計。這些技術的結合，使得制備的器件在高頻下仍能保持高Q因子和高機電耦合系數，顯著提升了器件性能。這些成果不僅為當前的移動通信技術提供了高性能的解決方案，也為未來6G等更高頻段的通信應用奠定了堅實的基礎，推動了無線通信技術的進一步發展。
上述研究成果得到國家自然科學基金項目和上海市科技創新項目等項目支持。
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