摘要
宽频带频率缩放的声学器件对于射频（RF）前端来说，能够满足通信场景中的不同频段需求。本工作展示了一种具有成本效益的频率缩放解决方案，涵盖了从6 GHz以下到X波段的频率，通过在单片锂铌酸盐/4H-SiC（LN/SiC）异质结构上的平面表面声波（SAW）工艺实现。通过选择性地激发三种声学模式，即横向剪切表面声波（SH-SAW）、纵向泄漏表面声波（LLSAW）和高阶剪切垂直（SV）模式，利用模式特定的激发，我们在统一的LN/SiC平台上集成了多频段功能。使用单一掩模KrF光刻工艺，在高质量的LN/SiC晶圆上制造了从3 GHz到12 GHz的高性能谐振器和滤波器。这些器件涵盖了5G NR的关键频段（n77/n79）和Wi-Fi 6/6E通道，同时进一步扩展了SAW器件的应用至X波段。本方法为宽带声学器件的集成提供了一个低成本且可扩展的制造路径。

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作者：李斌1、#，高家军1、#，付素蕾1、#、，肖博远1，徐秋峰1，周新晨1，马浩琴1，谢寿仁1，徐志斌2，张帅3，王瑞1，宋成1、，曾飞1，王伟彪3，潘峰1、

单位：* 1中国清华大学材料科学与工程学院先进材料重点实验室，北京，中国。2中国东南大学机械工程学院，南京，中国。3江苏无锡好达电子有限公司，中国。

I. 引言
下一代无线通信系统，如5G、6G及以后，要求具有频率可缩放、微型化并高度集成的多频段滤波器解决方案。高频声学滤波技术主要包括体声波（BAW）器件，如薄膜体声波谐振器（FBAR）和固体安装谐振器（SMR），以及横向激发体声波谐振器（XBAR）。这些架构普遍需要复杂的多步骤工艺来构建核心组件，如气腔或布拉格反射器，从而导致高昂的制造成本和有限的可扩展性。尽管通过修整技术可以实现频率缩放，但这进一步增加了工艺的复杂性。

相比之下，低成本表面声波（SAW）技术的结构进展，如温度补偿SAW（TC-SAW）和高性能SAW（IHP-SAW），改善了温度稳定性（TCF）和传播损耗。然而，由于固有的声速限制，SAW器件仍然仅限于3 GHz以下的频率，并且难以满足5G新无线电（NR）的宽带需求。虽然商业化的BAW和SAW技术提供了互补的性能指标，但它们在射频前端的高密度集成中常常存在妥协。因此，解决高频可扩展性与低成本制造之间的差距仍然是一个未解决的问题。

在本工作中，我们展示了一种在LN/SiC平台上实现的具有成本效益的频率缩放解决方案，涵盖了从6 GHz以下到X波段的声学器件。通过在这一异质结构上策略性地激发三种不同的声学模式（SH-SAW、LLSAW和高阶SV模式），我们实现了多频段功能，而无需在架构之间做出妥协。通过标准KrF光刻工艺制造的晶圆级谐振器和滤波器，操作频率范围为3-12 GHz（涵盖5G n77/n79、Wi-Fi 6/6E，并扩展至X波段），验证了该平台固有的可扩展性。

II. 设备设计与仿真
为了更准确地捕捉三种声学模式的色散特性，我们对大耦合锂铌酸盐（LN）进行了特征模态有限元分析（FEM）。模拟得到的色散相速度和耦合系数（K²）如图3所示。SH-SAW具有固有的较低速度（约4000 m/s）和巨大的K²（40%-50%），即使操作频率通常低于5 GHz，仍具有实现宽带设备的潜力，特别是针对5G n77和n79频段。作为一种非常有前景的候选模式，LLSAW的相速度为约7000 m/s，比SH-SAW高出至少1.5倍，并具有较大的K²，使其适合于高频操作并具有较大的带宽。此外，高阶SV模式具有超过10000 m/s的高相速度和适中的K²，表明其在SAW技术上有极大的潜力，可以扩展到X波段应用。

III. 制造与测量
根据上述分析，三种类型的6英寸LNOI晶圆（15°Y-X LN（190nm）/SiC、X-LN（250nm）/SiC和128°Y-X LN（210nm）/SiC）通过智能切割技术结合化学机械抛光（CMP）制造。随后，利用成本效益的KrF光刻和剥离工艺，在薄膜LN/SiC晶圆上图案化SAW器件。图5显示了所使用的不同LN/SiC晶圆和制备过程。
在测量方面，图6展示了SH-SAW、LLSAW和高阶SV模式谐振器的测量阻抗响应，所有谐振器在三种LN/SiC平台上都展现出出色的信号，操作频率扩展到11 GHz，并几乎没有旁通模式，表明通过采用LN/SiC双层结构，使用标准KrF光刻和剥离技术设计不同的带通滤波器是可行的。

IV. 结论
本研究建立了一种高效的声学集成方法，利用LN/SiC平台上多种模式的互补特性。所展示的器件涵盖了广泛的频率范围，采用成本效益的工艺流程，提供了一条面向5G和6G射频前端应用的低成本、宽带解决方案的实际路径。

致谢
感谢中国国家重点研发计划（项目编号：2022YFB3606700）的支持。