中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
聯(lián)系人：李鋒
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近日，上海微系統(tǒng)與信息技術研究所異質(zhì)集成XOI課題組在《化合物半導體》雜志2023年10/11月刊上發(fā)表了專欄文章《射頻聲學濾波器技術的發(fā)展趨勢》。文章從聲表面波濾波器技術和體聲波濾波器技術兩方面詳細介紹了聲學濾波器技術的發(fā)展趨勢，并對兩種技術的未來發(fā)展方向進行了展望。
《化合物半導體》雜志是全球半導體領域最重要和最權威的雜志Compound Semiconductor的中國版，也是國內(nèi)唯一專注于化合物半導體產(chǎn)業(yè)的權威雜志。
研究背景
移動通信技術在過去數(shù)十年中經(jīng)歷了1G時代到5G時代的變遷，數(shù)據(jù)的傳輸能力得到了巨大提升，其發(fā)展歷程如圖1所示。第一代無線通信技術于1980年代誕生于美國芝加哥，當時僅能應用于語音傳輸，且信號不穩(wěn)定、品質(zhì)低，笨重的“大哥大”便是1G時代的典型標志。2G則開啟了數(shù)字網(wǎng)絡時代，短信開始出現(xiàn)在大眾生活中。隨后的3G、4G時代中隨著數(shù)據(jù)傳輸能力的逐漸提高，圖片和視頻的傳輸也不在話下。
圖1 移動通信技術的發(fā)展歷程
射頻聲學濾波器是目前移動射頻前端主流濾波器技術，包括聲表面波和體聲波濾波器技術。隨著移動通信系統(tǒng)的發(fā)展演進，兩種技術不斷得到改進以適應移動射頻前端的更新迭代。當5G時代到來時，高頻率和大帶寬成為濾波器技術的主要發(fā)展目標，兩種聲學濾波器技術在頻率和帶寬上各有優(yōu)劣，但還不能完全滿足5G頻段的需求。一些新的技術有望被用來解決這一問題，但仍遭遇各種挑戰(zhàn)。盡管如此，多種方案的同臺競技使得射頻聲學技術的發(fā)展百花齊放。
圖2 射頻前端模塊
聲表面波濾波器技術的發(fā)展趨勢
聲表面波器件由壓電材料和頂部叉指電極所組成，工作頻率主要由目標聲波模式的聲速和電極周期決定。聲表面波濾波器技術的示意圖如圖3所示。
圖3 聲表面波濾波器技術
從1885年瑞利發(fā)現(xiàn)聲表面波的數(shù)學描述，再到1965年懷特等人發(fā)明叉指換能器（IDT），聲表面波技術如今已經(jīng)被廣泛應用到無線通信系統(tǒng)中，用以實現(xiàn)信號處理功能。在過去數(shù)十年中，聲表面波技術已經(jīng)實現(xiàn)了多次迭代和突破，性能和應用頻率不斷得到提升，其主要分類如圖4所示。傳統(tǒng)的聲表面波器件主要由壓電晶體以及位于表面的梳狀電極結構組成，其可以在發(fā)射聲表面波的同時探測聲表面波，并將其轉換回電能。該技術結構簡單、成本極低，因而在較低的頻段具有相當大的競爭力。然而隨著通信頻帶的增加，頻帶之間越來越靠近，這對濾波器的溫度穩(wěn)定性提出了更高的要求，溫度補償型聲表面波（TC-SAW）技術應運而生。該技術包括在傳統(tǒng)聲表面波器件上覆蓋具有互補溫度系數(shù)的材料，以及將較厚的壓電薄膜與低熱膨脹系數(shù)的材料結合以降低熱膨脹帶來的溫度漂移兩種。
圖4 射頻聲學濾波器技術分類及應用頻段
2016年，基于硅基壓電異質(zhì)襯底的高性能聲表面波器件（I.H.P. SAW）問世，其采用了亞微米厚度的壓電薄膜，并在壓電層和硅支撐襯底之間插入了氧化硅層。氧化硅和支撐襯底組成的高低聲速交替結構實現(xiàn)了聲波能量的約束，與此同時氧化硅還可以作為溫度補償層。I.H.P. SAW技術實現(xiàn)了SAW器件性能的重要突破，品質(zhì)因子超過傳統(tǒng)SAW器件的四倍以上，對應濾波器矩形度極大改善。類似的采用壓電異質(zhì)襯底的SAW技術還包括Layered SAW、HAL SAW、Ultra SAW等。上海微系統(tǒng)與信息技術研究所異質(zhì)集成XOI課題組也提出了超高性能聲表面波濾波器（SUPSAW）的發(fā)展思路，在硅基壓電異質(zhì)晶圓的基礎上開發(fā)出了藍寶石基、石英基等低損耗襯底。這些技術無一例外都實現(xiàn)了非常高的性能。然而，由于硅等常用支撐襯底本身的聲速限制，目標模式僅能采用聲速在4000 m/s左右的水平剪切波模式，受限于光刻精度，應用頻率難以進一步提高，這也成為了聲表面波技術向高頻發(fā)展的最大挑戰(zhàn)。
縱向泄漏聲表面波（LLSAW）的聲速通常在6000 m/s，因而可以在較為寬松的光刻條件下實現(xiàn)超過5 GHz的工作頻率。為了約束高聲速的聲波模式，通常需要采用布拉格反射層結構，這使得襯底的加工工藝更加復雜。為了簡化結構，上海微系統(tǒng)與信息技術研究所異質(zhì)集成XOI課題組在國際上率先實現(xiàn)了具有高聲速特性的碳化硅基壓電單晶薄膜異質(zhì)晶圓的高頻SUPSAW技術，該方案用高聲速襯底取代布拉格反射層結構，可激發(fā)并有效約束聲速超過6000 m/s的聲學模式，將聲表面波濾波器的工作頻率從3 GHz進一步擴展到了5 GHz以上，并有望提升到12 GHz，使之具有與體聲波BAW濾波器相媲美的性能。因此，5G時代，為了滿足高頻率、大帶寬的需求，SAW技術的發(fā)展趨勢無疑包括在簡化結構的前提下提高目標模式的聲速。
體聲波濾波器技術的發(fā)展趨勢
體聲波器件主要由壓電薄膜和上下電極組成，工作頻率主要由目標聲波模式的聲速和壓電薄膜厚度決定，因此可以在較為寬松的光刻條件下實現(xiàn)更高的頻率。體聲波濾波器技術的示意圖如圖5所示。
圖5 體聲波濾波器技術
體聲波（BAW）器件于1980年被提出，到了2009年就幾乎主導了高端移動設備，其分類如圖4所示。早期的基于多晶氮化鋁的BAW諧振器技術包括薄膜體聲波諧振器（FBAR）和固態(tài)裝配型諧振器（SMR）兩種類型。其中FBAR采用空腔，BAW-SMR則是采用布拉格反射層來實現(xiàn)聲波能量的約束。由于體聲波器件的工作頻率主要由壓電薄膜厚度決定，因此其可以在較為寬松的光刻條件下實現(xiàn)6 GHz頻段的應用。近年，為了進一步提高體聲波器件的性能，基于單晶氮化鋁的體聲波（XBAW）技術被提出，其應用頻率和品質(zhì)因子得到了進一步提高。
然而，氮化鋁的缺點在于本征機電耦合系數(shù)較小，帶寬一般小于5%。即便在采用了摻鈧技術之后，其帶寬可以提高一倍以上，但仍然無法滿足5G頻段中大帶寬頻帶（N77、N79等）的需求。與集總元件相結合，或者采用新的濾波器拓撲結構，或許能為大帶寬頻帶提供解決方案，但由此帶來的額外損耗和器件面積又成了新的挑戰(zhàn)。因此，基于單晶鈮酸鋰薄膜的高階模式聲學器件被提出。包括基于鈮酸鋰薄膜和叉指頂電極的一階或更高階反對稱型蘭姆波諧振器（XBAR），以及包含底電極的一階或更高階水平剪切模式諧振器（YBAR）。當壓電薄膜的厚度與叉指電極周期的比值足夠小時，這兩種模式都可以近似為體聲波模式中的厚度剪切模式。這兩種技術可以實現(xiàn)的最大帶寬，足以滿足任一Sub-6 GHz頻段的完全覆蓋。盡管相比于氮化鋁基體聲波濾波器技術來說，這兩種新技術并不成熟，還有許多技術問題需要攻克，例如器件散熱問題、良率問題等。但這也表示了，對于5G中的Sub-6 GHz頻段，體聲波濾波器技術的最大挑戰(zhàn)不是在于頻率，而是在帶寬。如何提高帶寬成為當下首要需要解決的問題，以及未來的主要發(fā)展方向。
