近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所微电子材料课题组俞文杰研究员的科研团队在基于单晶氮化铝(AlN)和铝钪氮(AlScN)的高频体声波(BAW)滤波器研究方面取得了一系列重要进展。这些器件研究成果涵盖了从4 GHz到15 GHz的频率范围，展示了高晶体质量、高频率、大带宽和高机电耦合系数等特点，展示了在5G和6G射频通信应用中巨大的潜力。相关研究成果发表于微电子器件领域顶级国际期刊《IEEE Transactions on Electron Devices》(论文DOI: 10.1109/TED.2024.3443237)以及多篇射频声学器件领域顶级会议2024 IEEE Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control Joint Symposium (UFFC-JS)。
4-7 GHz高频体声波谐振器的开发
在4 GHz-7 GHz频率范围内，团队开发了6.5 GHz的单晶AlN BAW谐振器和滤波器。通过两步法生长的单晶AlN薄膜，显著提高了结晶质量和热导率，制备的谐振器在6.5 GHz的频率下展示了优异的性能，其Qmax达到811，keff2为4.9%。此外，制备的滤波器在6.5 GHz的中心频率下，3 dB带宽为194 MHz，最小插入损耗为3.36 dB，带外抑制超过22 dB， 如图1所示。这些成果展示了单晶AlN薄膜在超高频(UHF)应用中的巨大潜力，相关研究发表于2024 IEEE UFFC-JS (DOI: 10.1109/UFFC-JS60046.2024.10794068)。
为了进一步提升器件的机电耦合系数和带宽，团队开发了掺杂30%钪(Sc)的单晶铝钪氮化物(Al1−xScxN)BAW谐振器。这一创新的材料制备技术显著提高了薄膜的结晶质量，将(0002)X射线衍射(XRD)摇摆曲线的半高宽从2°以上降低到0.73°，表面粗糙度从4.01 nm降低到0.65 nm。基于这种高性能的单晶Al0.7Sc0.3N薄膜，制备的4.39 GHz BAW谐振器展示了21%的k2eff， 如图2所示。此外，基于该单晶薄膜的梯形滤波器，其-3 dB相对带宽达到9.0%，是目前已知Al1−xScxN滤波器中最高的相对带宽值。这些成果为高频大带宽滤波器的发展铺平了道路，相关研究发表于《IEEE Transactions on Electron Devices》(DOI: 10.1109/TED.2024.3443237)。
图1：6.5 GHz单晶AlN BAW谐振器和滤波器
图2：高Sc掺杂单晶Al0.7Sc0.3N BAW谐振器
超高频10-16GHz频段谐振器开发
为了进一步提升高频谐振器的性能，团队通过创新的生长工艺和器件设计实现了多项技术突破。首先，通过极性反转技术，团队成功开发了基于单晶Al1−xScxN的高频BAW谐振器。通过优化极性反转双层的厚度，谐振器的k2eff显著提升，其谐振频率超过14 GHz，k2eff达到9.7%，Q因子为439。这一设计不仅最大化了谐振器的机电耦合效率，还为Ku波段(12-18 GHz)的应用提供了新的解决方案，相关成果发表于2024 IEEE UFFC-JS(DOI: 10.1109/UFFC-JS60046.2024.10793833)。
图3：基于极性反转单晶AlScN的超高频FBAR谐振器
其次，团队通过器件设计实现了对TE1基模的完全抑制。基于双层极性反转单晶AlN薄膜，团队制备的Ku波段二阶模式FBAR在14.5 GHz的频率下展示了单一的TE2模式响应，keff2为5.13%，最大Q因子为551。这一设计不仅完全抑制了TE1基模，还显著提升了谐振器的频率选择性和抑制，为高频应用提供了重要的技术支持。该成果发表于2024 IEEE UFFC-JS(DOI: 10.1109/UFFC-JS60046.2024.10793659)。
图4：基于双层极性反转单晶AlN的Ku频段FBAR谐振器
最后，团队还研究了布拉格反射器(BR)在极性反转AlN BAW谐振器中的应用。通过设计和制备基于钨(W)和钼(Mo)的BR，团队成功制备了单晶极性反转AlN谐振器。Mo-SiO2 BR表现出优越的应力管理和厚度控制能力，制备的谐振器在12.79 GHz和12.88 GHz的谐振频率下，Q因子分别达到696和460，k²eff值为1.7%。这一研究不仅展示了BR在高频BAW谐振器中的应用潜力，还为超高频(SHF)带声学滤波器的发展提供了新的思路。该成果发表于2024 IEEE UFFC-JS(DOI: 10.1109/UFFC-JS60046.2024.10793731)
图5：极性反转AlN SMR-BAW谐振器研究
应用前景和意义
这些研究工作展示了单晶AlN和AlScN压电薄膜在高频、宽带声学滤波器和谐振器中的巨大潜力。随着5G、Wi-Fi 6E/7以及未来6G通信技术的发展，对高频、低损耗、高功率处理能力的声学滤波器和谐振器的需求日益增加。这些研究不仅在材料制备技术上取得了突破，如两步生长法和极性反转技术，还在器件设计和制造工艺上进行了创新，如腔体嵌入式工艺和无侧空气隙设计。这些技术的结合，使得制备的器件在高频下仍能保持高Q因子和高机电耦合系数，显著提升了器件性能。这些成果不仅为当前的移动通信技术提供了高性能的解决方案，也为未来6G等更高频段的通信应用奠定了坚实的基础，推动了无线通信技术的进一步发展。
上述研究成果得到国家自然科学基金项目和上海市科技创新项目等项目支持。
