面向5G高频应用的双模声表面波滤波器混合集成技术研究

《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》：Hybrid Integration of Dual-Mode SAW Resonators for High-Power and Wideband High-Frequency Filters

本文针对5G高频宽带滤波器对功率容量和带宽的严苛要求，提出了一种基于X切LiNbO3/SiO2/SiC异质衬底的双模声表面波滤波器混合集成新方案。研究团队通过并联谐振器采用高机电耦合系数的剪切水平模式，串联谐振器采用高功率容量的纵向泄漏模式，成功实现了n79波段滤波器12.4%的3dB分数带宽、1.05dB低插入损耗和29dBm高功率处理能力。该研究为5G通信系统提供了兼具宽带特性和高功率性能的滤波器解决方案。

　　

随着5G时代对高速大容量数据传输需求的爆发式增长，第三代合作伙伴计划发布的5G新无线电技术规范对信号处理能力提出了前所未有的要求。特别是在增强移动宽带应用场景下，技术指标要求系统容量比4G提升1000倍，峰值速率达到多Gbps级别。这一性能飞跃推动了3GHz以上高频频谱的采用，以及超过12%至24%的分数带宽分配需求。

作为频率选择和干扰抑制的关键射频处理组件，声学滤波器面临着在高频条件下实现更宽带宽的重大技术挑战。传统的声表面波器件基于LiNbO₃和LiTaO₃材料，相比氮化铝体声波器件具有带宽更宽、尺寸更小、工艺更简单等优势。近年来，基于压电异质衬底的声表面波器件取得多项突破并已实现商业化应用。通过将压电薄膜与高速度衬底键合，利用波导效应显著增强声能限制，可以获得更高的品质因数和机电耦合系数。

然而，当前声表面波滤波器技术仍存在明显局限性。剪切水平模式器件虽然具有较大的机电耦合系数，但其工作频率受到声速的限制，在3.5GHz以上频段工作时，电极周期的减小会导致电极电阻和功率密度增加，显著降低器件功率处理能力。特别是在梯形宽带滤波器中，串联谐振器与并联谐振器的工作频率存在较大差异，具有更窄指条的串联谐振器成为滤波器功率处理能力的瓶颈。

另一方面，纵向泄漏声表面波模式具有约6000m/s的相位速度，是SH-SAW的1.7倍，使其成为3.5GHz以上频段的有力竞争者。基于高速度SiC衬底的LL-SAW器件已展现出高频低损耗特性，但其机电耦合系数通常低于20%，难以满足5G新无线电对带宽和回波损耗的要求。虽然通过增加集总元件或采用横向滤波器拓扑可以有效增加滤波器带宽，但这些方法会引入更高的损耗、更大的尺寸以及更复杂的拓扑结构和制造工艺。

针对这些技术挑战，研究人员开展了一项创新性研究，提出了一种混合双模滤波器设计方案，该方案结合了SH-SAW的大带宽优势和LL-SAW的高功率处理能力，在X切LiNbO₃/SiO₂/SiC衬底上实现了高性能的高频宽带滤波器。

关键技术方法包括：采用离子切片技术制备6英寸LNOSiC晶圆，通过氦离子注入、晶圆键合和化学机械抛光工艺实现LiNbO₃薄膜的转移和厚度控制；基于有限元分析优化异质衬底结构和IDT电极参数，确定薄膜厚度范围为260-350nm，IDT厚度为90-110nm；通过电子束光刻、金属蒸发和剥离工艺制作IDT电极图案，采用Ti/Al金属化堆叠；针对SH-SAW和LL-SAW模式分别优化取向角度(10°和135°)和IDT周期设计。

II. 混合双模SAW滤波器设计

研究人员设计了一种基于X切LNOSiC衬底的混合双模SAW滤波器，其内置的串联和并联谐振器分别选择性地激发LL-SAW和SH-SAW作为工作模式。通过有限元分析发现，SH-SAW模式在10°附近具有约40%的机电耦合系数，而LL-SAW模式在135°附近具有约25%的机电耦合系数。由于LL-SAW的声速更高，在相同工作频率下，LL-SAW谐振器的IDT周期是SH-SAW的1.6倍。

III. 异质衬底和SAW器件的制备

成功制备的6英寸LNOSiC晶圆显示LiNbO₃薄膜平均厚度为279nm，整个晶圆的不均匀性为±3.2%。XRD摇摆曲线半高宽为0.02°，表明晶体质量良好。器件制作采用电子束光刻技术，IDT电极采用2nm Ti/90nm Al的金属化堆叠。

IV. 实验结果与讨论

制作的SH-SAW和LL-SAW谐振器在覆盖整个5G n79波段的同时表现出无横模响应。SH-SAW谐振器的导纳比为68-73dB，k_t²约为32%；LL-SAW谐振器的导纳比为56-64dB，k_t²约为20%。功率耐久性测试表明，LL-SAW谐振器在相似工作频率下比SH-SAW对应器件具有4-7dBm的功率处理增强。

针对5G n79波段应用的七阶滤波器测试结果显示，双模滤波器的中心频率为4.61GHz，3dB分数带宽为12.4%，最小插入损耗为1.05dB。相比纯SH-SAW滤波器，双模滤波器在高频侧实现了25dB/56MHz的陡峭滚降，且在宽频率范围内具有38dB的高带外抑制。功率处理测试表明，双模滤波器的P1dB达到29dBm，是SH-SAW滤波器的2.5倍，与LL-SAW滤波器性能相当。

研究结论与意义

本研究成功展示了一种在X切LNOSiC衬底上实现高频、高功率处理能力和宽带SAW滤波器的新设计方案。通过利用SiC的高声速和LiNbO₃的强面内各向异性，同时激发了具有大k_t²的SH-SAW响应和高速LL-SAW响应。混合双模滤波器通过串联谐振器采用LL-SAW模式、并联谐振器采用SH-SAW模式的创新设计，实现了带宽与功率处理能力的优化平衡。

该滤波器在n79波段表现出12.4%的3dB分数带宽、1.05dB的低插入损耗、约29dBm的峰值功率能力以及宽频率范围内38dB的高带外抑制。双模滤波器的带宽与SH-SAW滤波器相当，功率处理能力与LL-SAW滤波器相近，有效结合了两种模式的优势。这些结果表明该混合滤波器方案在先进5G通信系统中具有强大应用潜力，为满足5G新无线电技术规范对高频宽带滤波器的严苛要求提供了可行的技术路径。

研究成果发表在《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》期刊，为高频声学滤波器设计提供了新的思路和方法，有望推动5G通信前端模块的进一步发展。通过添加钝化层和采用Al-Cu合金电极、多级联谐振器结构等措施，有望将功率处理能力进一步提升至31dBm，满足5G NR功率等级1规范要求。