碳化硅基铌酸锂异质集成实现超高Q值SAW延迟线器件简析
1
工作简介
上海微系统所异质集成xoi课题组基于自主研制的高质量linbo3-on-sic单晶压电异质衬底实现了超高q值（qmax=11174）的声表面波（saw）延迟线器件，为ghz频段当前国际报道的最高值。相关研究工作以“gigahertz acoustic delay lines in lithium niobate on silicon carbide with propagation-q of 11174”为题发表于国际微电子器件领域标志性期刊ieee electron device letters (ieee edl)。
2
研究背景
射频延迟线器件广泛应用于通信系统、雷达、精密仪器等领域。由于声表面波的传播速度比电磁波低5个数量级，声表面波延迟线可实现微型化封装，且传输损耗不足微波传输线的百分之一。近年来，随着各类基于声表面波延迟线结构的新型射频器件（如耦合器、放大器、环行器等）被相继报道，集成声学射频芯片有望成为未来研究热点。因此，确定低损耗、大带宽、高稳定性的压电材料平台是关键一环。
图1 linbo3与4种常见衬底材料的关键物理性能对比
基于传统linbo3体材料的延迟线器件主要基于瑞利模态，其存在带宽不足的问题；而基于悬空linbo3薄膜的延迟线器件机械稳定性和功率容量不足。为全方位提升saw延迟线的器件性能，本团队提出了linbo3-on-sic的异质集成结构。图1为linbo3与4种常见衬底材料的关键物理性能对比，可以发现sic相比于其它材料有着最高的体波声速、热导率以及f*q值，且sic的射频损耗亦远低于si。因此通过linbo3与sic的异质集成有望实现saw延迟线的性能飞跃。
3
研究亮点
上海微系统所异质集成xoi课题组利用“万能离子刀”智能剥离和转移技术制备了4英寸x切linbo3-on-sic压电异质集成衬底，并基于图2(a-b)所示的结构制备了一系列的ghz延迟线器件。对于双端口的延迟线，输出端口尽可能地“捕获”输入端口的能量是低损耗的关键所在，虽然高声速sic衬底可抑制体波辐射损耗，但在水平方向上由于能流角（pfa）的存在，使得声波波束偏向，从而提高了损耗。
图2 基于linbo3-on-sic衬底的声表面波延迟线的(a)俯视结构示意图和(b)截面结构示意图。声速和机电耦合系数随(c)波长λ和(d)器件面内方向的变化曲线[仿真]。仿真得到的saw延迟线的(e)俯视和(f)截面振型图。
通过分析声波声速和sh模态机电耦合系数随器件面内方向θ的变化曲线（图2(d)），得到θ=-3°时可同时实现零能流角和较高的机电耦合系数，图2(e)的能流仿真结果印证了上述分析。图2(f)为saw延迟线的截面仿真振型图，可以看出声波以倏逝波的形态在两种材料的交界面进行传输，且最大振幅点位于sic中。而由于sic拥有最高的f*q值（最低的声子损耗），因此linbo3-on-sic异质衬底是实现高q值声学延迟线的潜力平台。
图3(a)为所制备的sh模态saw延迟线的光镜图，所有器件均采用单相单向换能器结构（spudt），并进行共轭匹配以滤除端口反射引入的损耗。图3(b-c)为一组不同波长的器件测试结果，平均插损仅为3.7db。图3(d-e)为一组不同对数的器件测试结果，实现了3-db带宽从2.7%~11.5%的大范围调控。
图3 (a)制备器件的光镜图。不同波长的延迟线的测试(b)插入损耗和(c)回波损耗。不同换能器对数的延迟线的测试(d)插入损耗和(e)回波损耗。
图4(a-b)为所制备的一组不同延迟距离的saw延迟线测试结果。当间距增加时，器件插损和群延时呈线性增长，拟合得到的声传输损耗仅为0.71db/mm(或3.66db/μs)。图4(c)为不同面内方向的延迟线的声传输损耗变化分布，当θ=-3°时可获得最低的传输损耗，印证了仿真的分析。图4(d)为零能流角时的多组器件的q值结果，器件工作频率范围为1.18~2.1ghz，均呈现出极高的q值水平（5730~11174），为目前国际报道的最高值。
图4 一组不同延迟距离的延迟线的测试(a)插损和(b)群延时。(c)不同面内方向延迟线的传输损耗。(d)在最佳传播角上的不同波长器件的q值。
4
总结与展望
基于高质量的单晶linbo3-on-sic压电异质集成衬底，所制备的ghz声表面波延迟线具有大于10%的相对带宽和大于10,000的q值（已报道最高值）。因此，linbo3-on-sic基saw器件在声学射频芯片领域具有极佳的应用前景。
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图2 基于linbo3-on-sic衬底的声表面波延迟线的(a)俯视结构示意图和(b)截面结构示意图。声速和机电耦合系数随(c)波长λ和(d)器件面内方向的变化曲线[仿真]。仿真得到的saw延迟线的(e)俯视和(f)截面振型图。
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图3(a)为所制备的sh模态saw延迟线的光镜图，所有器件均采用单相单向换能器结构（spudt），并进行共轭匹配以滤除端口反射引入的损耗。图3(b-c)为一组不同波长的器件测试结果，平均插损仅为3.7db。图3(d-e)为一组不同对数的器件测试结果，实现了3-db带宽从2.7%~11.5%的大范围调控。
图3 (a)制备器件的光镜图。不同波长的延迟线的测试(b)插入损耗和(c)回波损耗。不同换能器对数的延迟线的测试(d)插入损耗和(e)回波损耗。
图4(a-b)为所制备的一组不同延迟距离的saw延迟线测试结果。当间距增加时，器件插损和群延时呈线性增长，拟合得到的声传输损耗仅为0.71db/mm(或3.66db/μs)。图4(c)为不同面内方向的延迟线的声传输损耗变化分布，当θ=-3°时可获得最低的传输损耗，印证了仿真的分析。图4(d)为零能流角时的多组器件的q值结果，器件工作频率范围为1.18~2.1ghz，均呈现出极高的q值水平（5730~11174），为目前国际报道的最高值。
图4 一组不同延迟距离的延迟线的测试(a)插损和(b)群延时。(c)不同面内方向延迟线的传输损耗。(d)在最佳传播角上的不同波长器件的q值。
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