基于声电放大效应的集成式射频声表面波新器件研究

Increasing quantities were required for surface acoustic wave filters in mobile communication system in recent years, making improvement on the device integration has become an urgent need. This project proposes to study a new type of RF SAW device based on the acoustoelectric amplification effect to improve the integration of the RF front-end system. Acoustoelectric amplification effect occurring in the SAW propagation area were adopted to amplify the acoustic wave signal, combined with the original SAW filter function, which makes two function being integrated on a single device. At present, the amplification factor of acoustoelectric amplifier device at low driving voltage cannot meet the actual demand, while the noise level is very high. To increase the magnification, devices with Love wave layered structure will be designed to confine the acoustic wave energy to the semiconductor thin layer where the acoustic wave can well interact with the driven carriers, while high mobility, low defect, suitable carrier concentration of high-quality semiconductor thin layer will be prepared. Theoretical analysis on the SAW propagation characteristics in the thin layer and the interaction with the driving carriers will be performed to suppress the device noise level. A multi-scale device model that includes acoustoelectric amplification will be constructed to optimize the device performance. The SAW amplification devices will be presented with amplification voltage threshold < 10V, amplification factor > 30 dB/mm, noise level < 10 dB. Several new device structures will be explored for the next-generation RF systems and new SAW prototypes are intended to be presented such as isolators and oscillators.

近年来声表面波（SAW）滤波器在移动通讯系统的单机用量不断增长，提高器件集成度成为迫切需求。本项目提出研究基于声电放大效应的新型射频SAW器件，提高射频前端模块集成度。利用声波传播区域的声电放大效应对声波放大，同时结合SAW原有的滤波功能，在单一器件上实现两种功能。目前声电放大器件在低驱动电压下的放大倍数还不能满足实际需求，且噪声水平很高。项目拟通过构造Love波层状结构器件，使声波能量限制在半导体薄层内，与载流子更好的作用；同时制备高迁移率、低缺陷、合适载流子浓度的高质量半导体薄层，提高放大倍数。理论上阐明SAW在薄层中的传播特性及与驱动载流子的相互作用，抑制放大器噪声，构建包含声电放大效应的跨尺度器件模型。制备出声电放大器件，放大电压阈值小于10V，放大系数>30dB/mm，噪声小于10dB。探索声电放大效应在下一代射频系统中的器件应用，设计出隔离器、振荡器等新型原型器件。

近年来声表面波（SAW）滤波器在移动通讯系统的单机用量不断增长，提高器件集成度成为迫切需求。本项目提出研究基于声电放大效应的新型射频SAW器件，提高射频前端模块集成度。利用声波传播区域的声电放大效应对声波放大，同时结合SAW原有的滤波功能，在单一器件上实现两种功能。然而目前声电放大器件在低驱动电压下的放大倍数还不能满足实际需求，且噪声水平很高。本项目的研究有利于声电放大效应在下一代射频系统中的应用。本项目的主要研究内容如下：.一、开展多层结构、跨尺度的三维力电耦合建模。通过研究声电耦合效应、质量加载效应和粘弹效应对声表面波传播方式的影响，首次将声表面波气体传感器传感机理计入层次级联技术，通过MATLAB软件编写的有限元-层次级联技术（FEM-HCT）软件，实现了声表面波器件整体性能的模拟计算，并一定程度上解决了纯有限元方法计算速度慢的问题。.二、基于声电放大机理的新型射频器件设计。借鉴传统声表面波滤波器的相关设计方法，结合具有放大功能区域的非互易性等新特点，采用声子晶体的最新发展成果，设计单相单向叉指换能器、双端口谐振型声表面波器件与LCRF一、三谐振型声表面波器件等器件。.三、声表面波在半导体薄层中的传播及与被驱动载流子的微观作用机制。由于载流子在被电场驱动的过程中，还存在着向衬底深度方向的扩散，同时还有被半导体材料中缺陷的捕获等微观行为，这对器件性能会造成一定影响，本课题仔细分析载流子在电压驱动下与声波相互作用的微观机理，明确了增益最大值对应的半导体薄膜参数，为器件优化设计提供理论依据。.四、最优化放大器件结构的实现。首先是在器件制备过程中，对制备工艺进行优化，制作出高迁移率、低缺陷密度、低载流子浓度的SiOx/InSb/SiOx三明治结构半导体薄膜。对于放大倍数的影响，有多个因素。并能从制备工艺角度对薄膜性能进行优化。优化目的主要是提高放大倍数、降低器件噪声水平、同时降低器件的放大电压施加阈值。