射频声学滤波器技术的发展趋势
2024/3/26 9:32:56 材料来源：ACT化合物半导体
作者：欧欣1、张师斌1、吴进波1、凌丹1、章秀银2,
1中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海，中国
2华南理工大学，广州，中国
射频声学滤波器是目前移动射频前端主流滤波器技术，包括声表面波和体声波滤波器技术。随着移动通信系统的发展演进，两种技术不断得到改进以适应移动射频前端的更新迭代。当5G时代到来时，高频率和大带宽成为滤波器技术的主要发展目标，两种声学滤波器技术在频率和带宽上各有优劣，但还不能完全满足5G频段的需求。一些新的技术有望被用来解决这一问题，但仍遭遇各种挑战。尽管如此，多种方案的同台竞技使得射频声学技术的发展百花齐放。
移动通信技术在过去数十年中经历了1G时代到5G时代的变迁，数据的传输能力得到了巨大提升，其发展历程如图一所示。第一代无线通信技术于1980年代诞生于美国芝加哥，当时仅能应用于语音传输，且信号不稳定、品质低，笨重的“大哥大”便是1G时代的典型标志。2G则开启了数字网络时代，短信开始出现在大众生活中。随后的3G、4G时代中随着数据传输能力的逐渐提高，图片和视频的传输也不在话下。
随着5G时代的来临，从零售到教育，从交通到娱乐，从智能家居到医疗保健，人们的生活方式将迎来深刻的变化。通信服务供应商的业务范围和基础建设在迅速发展，移动终端设备及其衍生应用的价值量也在快速增长。相应地，移动通信技术的更新迭代使得数据的传输从一开始的仅有音频逐渐过渡到现在的万物互联，移动数据流量呈爆炸式增长。我们需要更高频率、更宽通信频带的设备来应对大幅增长的移动数据流量。
手机芯片中的射频前端�？椋ㄊ疽馔既缤级荆┲饕糜谖尴咝藕诺姆⑺秃徒邮�，包含滤波器、双工器、射频开关、功率放大器（PA）和低噪放大器（LNA）等。其中射频滤波器是无线通信系统中最重要的元件之一，也是近年来射频前端领域增长最快的细分方向，主要用于筛选和处理信号。射频滤波器技术主要包括：低温共烧陶瓷（LTCC）、集成无源器件（IPD）、以及声学滤波器技术。其中声学滤波器技术，主要包括声表面波（SAW）和体声波（BAW）滤波器技术，因为其在小尺寸和低损耗方面的巨大优势，成为了当前移动终端射频滤波器技术的主流。根据3GPP的划分，5G通信频段的范围包括Sub-6 GHz频段和毫米波频段，而Sub-6 GHz频段又是当前全球最主要的使用频段。
两种声学滤波器技术的示意图如图二所示。其中声表面波器件由压电材料和顶部叉指电极所组成，工作频率主要由目标声波模式的声速和电极周期决定。体声波器件主要由压电薄膜和上下电极组成，工作频率主要由目标声波模式的声速和压电薄膜厚度决定，因此可以在较为宽松的光刻条件下实现更高的频率。
声表面波滤波器技术的发展历程
从1885年瑞利发现声表面波的数学描述，再到1965年怀特等人发明叉指换能器（IDT），声表面波技术如今已经被广泛应用到无线通信系统中，用以实现信号处理功能。在过去数十年中，声表面波技术已经实现了多次迭代和突破，性能和应用频率不断得到提升，其主要分类如图三所示。传统的声表面波器件主要由压电晶体以及位于表面的梳状电极结构组成，其可以在发射声表面波的同时探测声表面波，并将其转换回电能。该技术结构简单、成本极低,因而在较低的频段具有相当大的竞争力。然而随着通信频带的增加，频带之间越来越靠近，这对滤波器的温度稳定性提出了更高的要求，温度补偿型声表面波（TC SAW）技术应运而生。该技术包括在传统声表面波器件上覆盖具有互补温度系数的材料，以及将较厚的压电薄膜与低热膨胀系数的材料结合以降低热膨胀带来的温度漂移两种。
2016年，基于硅基压电异质衬底的高性能声表面波器件（I.H.P. SAW）问世，其采用了亚微米厚度的压电薄膜，并在压电层和硅支撑衬底之间插入了氧化硅层。氧化硅和支撑衬底组成的高低声速交替结构实现了声波能量的约束，与此同时氧化硅还可以作为温度补偿层。I.H.P. SAW技术实现了SAW器件性能的重要突破，品质因子超过传统SAW器件的四倍以上，对应滤波器矩形度极大改善。类似的采用压电异质衬底的SAW技术还包括Layered SAW、HAL SAW、Ultra SAW等。我们团队也提出了超高性能声表面波滤波器（SUPSAW）的发展思路，在硅基压电异质晶圆的基础上开发出了蓝宝石基、石英基等低损耗衬底。这些技术无一例外都实现了非常高的性能。然而，由于硅等常用支撑衬底本身的声速限制，目标模式仅能采用声速在4000 m/s左右的水平剪切波模式，受限于光刻精度，应用频率难以进一步提高，这也成为了声表面波技术向高频发展的最大挑战。
纵向泄漏声表面波（LLSAW）的声速通常在6000 m/s，因而可以在较为宽松的光刻条件下实现超过5 GHz的工作频率。为了约束高声速的声波模式，通常需要采用布拉格反射层结构，这使得衬底的加工工艺更加复杂。为了简化结构，我们团队在国际上率先实现了具有高声速特性的碳化硅基压电单晶薄膜异质晶圆的高频SUPSAW技术，该方案用高声速衬底取代布拉格反射层结构，可激发并有效约束声速超过6000 m/s的声学模式，将声表面波滤波器的工作频率从3 GHz进一步扩展到了5 GHz以上，并有望提升到12 GHz，使之具有与体声波BAW滤波器相媲美的性能。因此，5G时代，为了满足高频率、大带宽的需求，SAW技术的发展趋势无疑包括在简化结构的前提下提高目标模式的声速。
体声波滤波器技术的发展历程
体声波（BAW）器件于1980年被提出， 到了2009年就几乎主导了高端移动设备，其分类如图三所示。早期的基于多晶氮化铝的BAW谐振器技术包括薄膜体声波谐振器（FBAR）和固态装配型谐振器（SMR）两种类型。其中FBAR采用空腔， BAW-SMR则是采用布拉格反射层来实现声波能量的约束。由于体声波器件的工作频率主要由压电薄膜厚度决定，因此其可以在较为宽松的光刻条件下实现6 GHz频段的应用。近年，为了进一步提高体声波器件的性能，基于单晶氮化铝的体声波（XBAW）技术被提出，其应用频率和品质因子得到了进一步提高。
然而，氮化铝的缺点在于本征机电耦合系数较小，带宽一般小于5%。即便在采用了掺钪技术之后，其带宽可以提高一倍以上，但仍然无法满足5G频段中大带宽频带（N77、N79等）的需求。与集总元件相结合，或者采用新的滤波器拓扑结构，或许能为大带宽频带提供解决方案，但由此带来的额外损耗和器件面积又成了新的挑战。因此，基于单晶铌酸锂薄膜的高阶模式声学器件被提出。包括基于铌酸锂薄膜和叉指顶电极的一阶或更高阶反对称型兰姆波谐振器（XBAR），以及包含底电极的一阶或更高阶水平剪切模式谐振器（YBAR）。当压电薄膜的厚度与叉指电极周期的比值足够小时，这两种模式都可以近似为体声波模式中的厚度剪切模式。这两种技术可以实现的最大带宽，足以满足任一Sub-6 GHz频段的完全覆盖。尽管相比于氮化铝基体声波滤波器技术来说，这两种新技术并不成熟，还有许多技术问题需要攻克，例如器件散热问题、良率问题等。但这也表示了，对于5G中的Sub-6 GHz频段，体声波滤波器技术的最大挑战不是在于频率，而是在带宽。如何提高带宽成为当下首要需要解决的问题，以及未来的主要发展方向。
致谢：感谢国家自然科学基金重大项目—“基于智能剥离技术的晶圆级异质集成材料与器件”（62293520）项目的支持。
图 1：移动通信技术的发展历程。
图 2：射频前端�？橛肷淦瞪瞬ㄆ骷际酢�
图 3：射频声学滤波器技术分类及应用频段。
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