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工作简介
近日，上海微系统所异质集成XOI课题组，基于自主开发的Y42切LiTaO3/SiO2/Sapphire衬底以及Y42切LiTaO3/SiO2/poly-Si/Si衬底，利用一个较小的但不为零的能流角(Power Flow Angle, PFA)实现了对横向高阶模式的抑制。其中，非零的能流角仅通过旋转叉指电极（IDT）实现，结构十分简单且易于布局。谐振器在抑制横向高阶模的同时最大Q值超过4000，与国际上先进的SAW器件（I.H.P SAW、Ultra SAW等）性能相当。相关研究工作以“Non-zero Power Flow Angles in Surface Acoustic Wave Resonators for Transverse Mode Suppression”为题发表于国际微电子器件领域知名期刊IEEE Electron Device Letters上，论文的共同第一作者分别为博士生吴进波、张师斌研究员及博士生姚虎林，共同通讯作者为张师斌研究员与欧欣研究员。
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研究背景
近年来，基于压电异质衬底的声表面波（SAW）器件凭借其在高Q值、温度稳定等方面的优势，已经广泛应用于5G通信系统中。然而引入的声学界面在实现对声波能量有效约束、提高谐振器Q值的同时，也会改变SAW的面内各向异性。这导致谐振频率与反谐振频率之间以及反谐振频率的右侧出现横向高阶模式，这类寄生模式最终会造成滤波器通带内的起伏（ripple）。为了实现平坦的通带，多种抑制横向高阶模式的方案得到研究。这些方案包括使慢速度曲线垂直，添加活塞模式（piston mode）结构，变迹电极以及倾斜电极。其中垂直的慢速度曲线对于器件的叠层结构要求十分苛刻。活塞模式需要一个加宽的电极末端或额外的负载层，无疑提高了光刻的精度需求或增加了工艺步骤。变迹电极和倾斜电极则会增加器件面积，造成布局时一定面积的浪费。鉴于以上方案的不足，本团队基于自己开发的压电异质晶圆，通过对SAW的面内各向异性进行研究，探索出一种新的横向高阶模抑制方案，该方案既不会牺牲谐振器的Q值，也不改变器件的几何形貌。
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研究亮点
图1 (a)倾斜电极结构以及提出的旋转电极方案的示意图; (b)基于绝缘体上钽酸锂的SAW谐振器的截面示意图; (c)相速度以及能流角随面内取向变化的示意图。
图3为具有不同面内取向θ的谐振器的测试结果，从图中可以看出，当θ增加到4°及以上时，横向高阶模式基本消失，且θ=5°的谐振器具有最高的Q值。这意味着合适的面内取向可以在实现横向高阶模式的抑制的同时保持较高的Q值。
图3 (a)实测的不同θ的谐振器的电导曲线; (b)实测的不同θ的谐振器的k2和Qp。
图4展示Y42切LiTaO3/SiO2/Sapphire衬底以及Y42切LiTaO3/SiO2/poly-Si/Si衬底上的旋转电极的实测结果，尽管最优的面内取向略有不同，但都实现了对横向高阶模式的抑制以及较高的Q值，证明了该方案的普遍适用性，为SAW器件中的横向高阶模的抑制提供了新思路。
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总结与展望
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原文传递
