射频滤波器是移动通信射频前端的核心组件，目前我国5G终端滤波器供给严重依赖于美国和日本的数家巨头公司，已经对我国5G芯片产业发展形成战略制约和威胁。据Yole预测，滤波器的市场规模将从2017年的80亿美元增加到2023年的225亿美元，年复合增长率高达19%。然而国产化率不足5%，国内适用于5G的高频宽带滤波器技术接近空白，射频滤波器芯片被《科技日报》列为35项卡脖子技术之一，急需发展有自主知识产权的高频、大带宽和高功率容量的高性能射频滤波器技术。声表面波（SAW）和体声波（BAW）滤波器凭借其优良的频率选择性、高Q值、低插入损耗等优势成为移动射频前端滤波器的主流选择。相较于BAW，传统基于压电晶圆的SAW器件结构和工艺更简单，但其中心频率和Q值较低，温漂大，功率容量小。因此，如何在保持（类）声表面波器件的结构和工艺优势的同时提升其性能，使其满足5G通信应用需求，一直是产业界和学术界的焦点。

图1.（a）声表面波器件向高频、大宽带方向发展的路线图；（b）高声速、高导热压电异质衬底的结构示意图；（c）声速频散特性曲线仿真结果和（d）瞬态热反射曲线测试结果。

2021年，中国科学院上海微系统与信息技术研究所欧欣研究员团队利用“万能离子刀”剥离与键合转移技术，突破晶格失配等问题，将亚微米厚度的单晶铌酸锂（LiNbO₃）薄膜从铌酸锂晶圆剥离并转移到高声速、高导热的碳化硅（SiC）晶圆，首次制备了4英寸LiNbO₃/SiC压电异质衬底，如图2（a）-（d）所示。SiC相对LiNbO₃具有更高的声阻抗、更高的热导率、更低的介电常数和更小的热膨胀系数，因此，相较于传统LiNbO₃晶圆，LiNbO₃/SiC压电异质衬底中的“LiNbO₃-SiC异质界面”可实现更有效的声波（弹性波）能量和电场能量约束、提高器件散热、降低器件热膨胀，从而显著提高射频声波器件性能与设计自由度。基于LiNbO₃/SiC异质衬底，研究团队研制了高频、高Q、大带宽的水平剪切波（SH0）模式声波谐振器与滤波器，如图2（e）-（h）所示。此外，还利用SiC的高声速特性研制了具有极高声速（>6000 m/s）的对称型兰姆波（S0）模式的高频器件，突破了传统SAW器件的频率限制。有望应用于5G N77和N79频段。此外，目前的射频前端模组通过封装的方式将基于不同衬底、结构与工艺的声表面波、体声波滤波器集成，成本高、集成度低、难以适应5G通信频段数急增的需求。研究团队提出了基于LiNbO₃/SiC异质衬底的单片集成多频段（1.0~6.0 GHz）射频声波滤波器技术，并对多种声波模式的约束，滤波器拓扑结构以及带内杂波抑制等物理问题进行了研究，最终单片集成高性能滤波器阵列的仿真计算结果如图2（i）-（k）所示。

图2. （a）压电单晶晶圆与（b）单晶压电异质衬底示意图；（c）制备的4英寸LiNbO₃/SiC异质衬底及其（d）截面TEM图；基于（e）压电晶圆与（f）压电异质衬底的声波谐振器示意图；（g）制备的谐振器导纳曲线测试结果；（h）制备的滤波器S参数测试结果；（i）封装集成与（j）单芯片集成示意图；（k）单片集成滤波器仿真结果。

周鸿燕，中国科学院上海微系统所在读博士研究生。

主要从事基于异质集成技术的5G高性能射频滤波器研究。多篇论文发表于IEEE IEDM、IEEE IUS、IEEE MEMS、IEEE EDL、Adv. Electron. Mater等会议/期刊。

共同第一作者兼共同通讯作者

张师斌，助理研究员，于东南大学/中科院上海微系统与信息技术研究所获学士/博士学位。

博士在读期间曾获得国家留学基金委（CSC）资助，作为联合培养博士生在美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（UIUC）Songbin Gong教授课题组交流学习一年；以第一/共一&共同通讯作者身份在IEEE IEDM、IEEE IMS、IEEE TMTT、IEEE EDL、Optica、Adv. Electron. Mater等会议/期刊上发表相关成果；申请30余项中国发明专利（12项已授权）、3项美国发明专利。获“上海市超级博士后”计划、“中国科学院特别研究助理资助”项目、中国博士后科学基金“第70批面上资助”项目支持，作为课题骨干承担国家重点研发计划《硅基MEMS压电薄膜及器件关键技术与平台》相关研究等。

欧欣，中科院上海微系统与信息技术研究所-信息功能材料国家重点实验室，二级研究员。

2009年博士毕业于中科院上海微系统所，2010-2015年先后在德国马普微结构物理研究所和德国亥姆霍兹HZDR研究中心学习和工作。面向5G声、光、电核心芯片对异质集成材料的重要需求，发展“万能离子刀”异质集成材料技术，成功开发出多种硅基化合物、硅基宽禁带半导体及功能薄膜制备技术并应用于射频、光电和功率芯片，先后发表SCI论文120余篇，其中以第一/通讯作者在Nature Com.、PRL、Adv. Mater.、Nanoletters、IEDM等著名期刊和国际顶会发表论文80余篇，申请专利120件，转化42项，创建上海新硅聚合半导体有限公司。先后获得北京市科技进步一等奖、中国产学研合作创新奖、中国光学十大进展、国际离子束与材料改性IBMM Prize、国际离子注入技术青年科学家奖、德国亥姆霍兹HZDR研究中心年度研究奖等荣誉。

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