[00142302]超宽带光纤通信系统中关键元器件——2.5GHz高频宽带SiO2/ZnO/IDT/金刚石膜声表面波滤波器的研究

由于声表面波（SAW）器件具有小型化、高可靠、多功能、一致性好等特点,在雷达、电子战、声纳、无线通信、光纤通信及广播电视系统中具有广泛的应用前景。声表面波（SAW）技术应用的最大市场～高频通信SAW器件正在迅速生长和发展,是SAW技术空前绝后的机会。移动收发机的发射端（TX）滤波器是对功率放大以后的高频、大功率信号滤波,公安使用的对讲机发射功率一般是33dBm（2W）;军队使用的车载、机载、舰载对讲机发射功率一般是37dBm～42dBm（5W～16W）;电子战中小范围射频干扰使用的发射功率一般是45dBm（33W）。对于体积很小的SAW 滤波器,以上要求的功率承受能力是很高的。但对于常规SAW 材料（例如,石英、LiNbO3、LiTaO3 等）,声速较低,用其制作2.5GHz 的SAW 器件,其IDT 指宽d 一般小于0.4μm,5GHz 对应的指宽d 小于0.2μm,逼近目前半导体工业水平的极限,造成断指严重,严重制约了SAW 器件频率的进一步提高;而且,发射端（TX）滤波器是对大功率信号滤波,如此细的指宽d,会产生大量的耗散热,加之以上常规SAW 材料热导率很低,所以承受大功率是不可能的。而选择高弹性摸量、低密度、高热导率的材料就成了最佳选择。金刚石具有所有物质中最高的弹性摸量（1098GPa）,较低的质量密度（3.51 g/cm3）,从而声速在所有物质中最高,2.5GHz 对应的指宽d 可以≥1 μm,5GHz 对应的指宽d 可以≥0.5μm,所以,金刚石多层薄膜结构SAW 器件可在很高频率范围工作。加上金刚石具有所有物质中最高的热导率,所以,金刚石多层膜结构SAW 器件具有大功率通信的能力,使得它的性能甚至在低频率下也可以超过常规的SAW 器件。然而,金刚石本身并不是压电材料,无法进行电磁波与声表面波的能量转换,因此需要在其上面沉积一层压电薄膜（如ZnO、LiNbO3、、AlN 等）,制成多层膜SAW 器件。SAW 性能由压电薄膜和金刚石衬底共同决定。高频、大功率SAW 器件要求多层膜结构具有相速度（V）高、机电耦合系数（K2）高、传播损耗小、频率温度系数低、极好的散热机制。这就要求对压电薄膜/CVD 金刚石膜多层膜体系进行系统和深入的研究。为此,本项目研究了制备SiO2/ZnO/IDT/金刚石多层膜声表面波滤波器。通过本项目的研究, 1.提出了一种适用SAW器件的纳米金刚石膜及制备方法（该项目研究人员的发明专利：CN 1718852）,首先采用Ar/O2/CH4/H2混合气体沉积工艺,在镜面硅基底上制备出致密、光滑、高弹性模量的纳米金刚石膜,为高频、大功率SAW器件的研究奠定了技术基础。 2.提出了多层膜结构SAW器件的各层薄膜厚度无损测量方法,（该项目研究人员的发明专利：CN 1673673）,不需特殊制备样件,特别适用于多层结构的各层膜厚的无损测量（各层薄膜厚度偏差对SAW传播速度有很大影响）。 3.在金刚石膜上制备出高C-轴取向的氧化锌薄膜,在叉指换能器（IDTs）相邻电极中心距放宽到1.7μm时,仍可制成2.5GHz金刚石SAW滤波器,在该技术指标上超过国际领先的日本。 4.在高水平学术刊物上发表了论文4篇;获得了发明专利授权2项,实审1项,申请1项,获得了2007年度教育部技术发明奖二等奖。该声表面波滤波器的研制成功,为超宽带光纤通信中关键元器件产品化打下理论和工艺基础。