中國(guó)電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
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(shù)研究所異質(zhì)集成XOI課題組在《化合物半導(dǎo)體》雜志2023年10/11月刊上發(fā)表了專欄文章《射頻聲學(xué)濾波器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)》。文章從聲表面波濾波器技術(shù)和體聲波濾波器技術(shù)兩方面詳細(xì)介紹了聲學(xué)濾波器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，并對(duì)兩種技術(shù)的未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望。
《化合物半導(dǎo)體》雜志是全球半導(dǎo)體領(lǐng)域最重要和最權(quán)威的雜志Compound Semiconductor的中國(guó)版，也是國(guó)內(nèi)唯一專注于化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的權(quán)威雜志。
研究背景
移動(dòng)通信技術(shù)在過去數(shù)十年中經(jīng)歷了1G時(shí)代到5G時(shí)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(wú)線通信技術(shù)于1980年代誕生于美國(guó)芝加哥，當(dāng)時(shí)僅能應(yīng)用于語(yǔ)音傳輸，且信號(hào)不穩(wěn)定、品質(zhì)低，笨重的“大哥大”便是1G時(shí)代的典型標(biāo)志。2G則開啟了數(shù)字網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，短信開始出現(xiàn)在大眾生活中。隨后的3G、4G時(shí)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(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展歷程
射頻聲學(xué)濾波器是目前移動(dòng)射頻前端主流濾波器技術(shù)，包括聲表面波和體聲波濾波器技術(shù)。隨著移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展演進(jìn)，兩種技術(shù)不斷得到改進(jìn)以適應(yīng)移動(dòng)射頻前端的更新迭代。當(dāng)5G時(shí)代到來時(shí)，高頻率和大帶寬成為濾波器技術(shù)的主要發(fā)展目標(biāo)，兩種聲學(xué)濾波器技術(shù)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(shù)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(tái)競(jìng)技使得射頻聲學(xué)技術(shù)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(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
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(biāo)聲波模式的聲速和電極周期決定。聲表面波濾波器技術(shù)的示意圖如圖3所示。
圖3 聲表面波濾波器技術(shù)
從1885年瑞利發(fā)現(xiàn)聲表面波的數(shù)學(xué)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(shù)如今已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到無(wú)線通信系統(tǒng)中，用以實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理功能。在過去數(shù)十年中，聲表面波技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多次迭代和突破，性能和應(yīng)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(jié)構(gòu)組成，其可以在發(fā)射聲表面波的同時(shí)探測(cè)聲表面波，并將其轉(zhuǎn)換回電能。該技術(shù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本極低，因而在較低的頻段具有相當(dāng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。然而隨著通信頻帶的增加，頻帶之間越來越靠近，這對(duì)濾波器的溫度穩(wěn)定性提出了更高的要求，溫度補(bǔ)償型聲表面波（TC-SAW）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)包括在傳統(tǒng)聲表面波器件上覆蓋具有互補(bǔ)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(jié)合以降低熱膨脹帶來的溫度漂移兩種。
圖4 射頻聲學(xué)濾波器技術(shù)分類及應(yīng)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(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了聲波能量的約束，與此同時(shí)氧化硅還可以作為溫度補(bǔ)償層。I.H.P. SAW技術(shù)實(shí)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(duì)應(yīng)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(shù)還包括Layered SAW、HAL SAW、Ultra SAW等。上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)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(chǔ)上開發(fā)出了藍(lán)寶石基、石英基等低損耗襯底。這些技術(shù)無(wú)一例外都實(shí)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(biāo)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(yīng)用頻率難以進(jìn)一步提高，這也成為了聲表面波技術(shù)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(shí)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(jié)構(gòu)，這使得襯底的加工工藝更加復(fù)雜。為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所異質(zhì)集成XOI課題組在國(guó)際上率先實(shí)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(shù)，該方案用高聲速襯底取代布拉格反射層結(jié)構(gòu)，可激發(fā)并有效約束聲速超過6000 m/s的聲學(xué)模式，將聲表面波濾波器的工作頻率從3 GHz進(jìn)一步擴(kuò)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(shí)代，為了滿足高頻率、大帶寬的需求，SAW技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)無(wú)疑包括在簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的前提下提高目標(biāo)模式的聲速。
體聲波濾波器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
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(biāo)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(shí)現(xiàn)更高的頻率。體聲波濾波器技術(shù)的示意圖如圖5所示。
圖5 體聲波濾波器技術(shù)
體聲波（BAW）器件于1980年被提出，到了2009年就幾乎主導(dǎo)了高端移動(dòng)設(shè)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(shù)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(shí)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(shí)現(xiàn)6 GHz頻段的應(yīng)用。近年，為了進(jìn)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(shù)被提出，其應(yīng)用頻率和品質(zhì)因子得到了進(jìn)一步提高。
然而，氮化鋁的缺點(diǎn)在于本征機(jī)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(shù)之后，其帶寬可以提高一倍以上，但仍然無(wú)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(jié)合，或者采用新的濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(xué)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(duì)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(dāng)壓電薄膜的厚度與叉指電極周期的比值足夠小時(shí)，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(shù)可以實(shí)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(shù)來說，這兩種新技術(shù)并不成熟，還有許多技術(shù)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(duì)于5G中的Sub-6 GHz頻段，體聲波濾波器技術(shù)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(dāng)下首要需要解決的問題，以及未來的主要發(fā)展方向。
