超高频声表面波谐振器的温度漂移与补偿机理研究

Surface acoustic wave (SAW) resonators are key components of radio frequency front-end modules for wireless communication systems. As the frequency bands allocated for wireless communication move to super-high-frequency (SHF) bands, it is important to realize SHF SAW resonators for future wireless communication systems. Temperature shift of the resonance frequency poses important reliability issues considering the ambient temperature changes and the self-heating effect of the electrodes. In this project, we study the mechanism of acoustic wave propagation and self-heating effect in the presence of coupled electric field, acoustic field and thermal field. With this understanding, we propose novel multilayered structures for the realization of temperature-compensated SHF SAW resonators. With the application of novel electrode material and fabrication strategy aiming to reduce self-heating effect, we realize the integration of temperature-compensation materials into the process for fabricating SHF SAW resonators and obtain the temperature-compensated SHF SAW resonators. The temperature-compensated SHF SAW resonators will play an important role in future wireless communication systems and high-performance space communication systems.

声表面波（SAW）谐振器是无线通信系统射频前端的关键电子器件。随着通信频带逐渐向超高频(> 3 GHz)频段的布局，相应的SAW谐振器也开始向超高频方向发展。环境温度的变化加上电极自热效应引起的温度上升，导致SAW谐振器的频率温度漂移，将严重影响无线通信系统的可靠性。本项目针对电场、声场和热场耦合作用下的声波传输和电极自热效应等关键科学问题展开研究。通过研究获得超高频SAW谐振器的温度漂移与补偿机理，提出适用于温度补偿型超高频SAW谐振器的新型叠层器件结构。在此基础上，采用新型电极材料和制备方案，降低电极的自热效应；实现温度补偿材料在超高频SAW谐振器中应用的集成方案，最终获得具有温度补偿效果的超高频SAW谐振器。本项目的实施将为实现无线通信系统的一种核心电子器件奠定基础，在下一代无线通信系统和高性能空间通信中具有广泛的应用前景。

声表面波（SAW）谐振器是无线通信系统射频前端的关键电子器件。随着通信频带逐渐向超高频(> 3 GHz)频段的布局，相应的SAW谐振器也开始向超高频方向发展。环境温度的变化加上电极自热效应引起的温度上升，导致SAW谐振器的频率温度漂移，将严重影响无线通信系统的可靠性。本项目针对电场、声场和热场耦合作用下的声波传输和电极自热效应等关键科学问题展开研究。通过研究获得超高频SAW谐振器的温度漂移与补偿机理，提出适用于温度补偿型超高频SAW谐振器的新型叠层器件结构。. 本项目在超高频声表面波的叠层器件结构理论计算和建模方面，较为系统的研究了多层材料的声表面波传播特性，包括SiO2/IDT/LN、IDT/AlN/Diamond、LiNbO3/metal/Diamond等多种衬底结构。该研究揭示了这些叠层结构所支持的声表面波模式的多样性，并对每一种模式的声表面波的相速度、耦合系数、温度漂移系数等进行了计算。所得的理论计算结果对于我们确定优化的器件结构奠定了基础。对于SiO2/IDT/LN叠层结构，确定了其前三阶的传播模式，结合有限元分析获得振型的精确结果分别为瑞利波、勒夫波和西沙瓦波模式。理论计算的结果和实验结果进行了对比分析，获得的相速度和耦合系数的色散关系均证实了理论计算的准确度。在温度补偿方面，也通过实验获得了温度漂移系数小于-20 ppm/℃的多种谐振频率在3GHz以上的声表面波器件，其最高频率可到10GHz以上。此外，本项目还探索研究了基于单晶铁电薄膜的高频声学器件和柔性谐振器件，在器件的工作频率和品质因子方面获得了较为领先的水平。. 在叠层结构的材料制备方面，本项目采用2寸硅片作为生长衬底，生长了厚度为15微米及以上的金刚石薄膜。所生长的金刚石薄膜为多晶薄膜，表面粗糙度为1.69 nm。进一步的本项目在高声速衬底上获得了AlN和ZnO等压电薄膜的制备，并进行了声表面波谐振器的试制工作，初步获得了高频的多种器件。在新型电极材料的探索研究方面，研究了基于碳基纳米材料的新型电极。该电极结合两种碳基纳米材料：石墨烯和碳纳米管等综合实现。对石墨烯电极的可靠性进行了研究，测试结果显示可以达到1mA/um以上的电流承载能力，可以满足未来大功率声学谐振器和滤波器的使用要求。