近日，第70屆國(guó)際電子器件大會(huì)（IEDM 2024）在美國(guó)舊金山召開(kāi)。上海微系統(tǒng)所歐欣研究員課題組以口頭報(bào)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(huì)議被譽(yù)為半導(dǎo)體領(lǐng)域的“奧林匹克盛會(huì)”，是報(bào)告半導(dǎo)體和電子器件技術(shù)、設(shè)計(jì)、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(duì)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(wú)法同時(shí)滿足如此高的頻率和帶寬要求。與此同時(shí)，由垂直電場(chǎng)激發(fā)的體聲波（BAW）等技術(shù)無(wú)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(chǎng)景

本工作中，上海微系統(tǒng)所歐欣研究團(tuán)隊(duì)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(guò)預(yù)設(shè)的底部電極，選擇性地利用水平電場(chǎng)或縱向電場(chǎng)激勵(lì)聲波模式，極大地?cái)U(kuò)展可用的聲學(xué)模式和功能（圖1b），其中由縱向電場(chǎng)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(duì)通過(guò)“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(jiàn)（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(yàn)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(chǎng)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(chǎng)激發(fā)的一階水平剪切（SH1）模式、一階反對(duì)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(shí)，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(cè)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(cè)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(shí)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(dòng)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(lái)的極具潛力的解決方案。本研究成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和上海市啟明星計(jì)劃等項(xiàng)目支持。