張師斌1，吳進波1,2，張麗萍1,2，鄭鵬程1,2，姚虎林1,2，歐欣1,2
（1. 中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所信息功能材料國家重點實驗室，上海 200050；2. 中國科學院大學材料科學與光電技術學院，北京 100049；）
摘要：在5G及未來6G無線通信系統(tǒng)中，射頻前端技術被視為一項關鍵技術，而射頻濾波器作為射頻前端的核心部件，具有頻率選擇以及抑制干擾信號的功能。基于壓電效應的聲波濾波器，憑借性能、體積、工藝等優(yōu)勢已成為移動射頻前端的主流選擇。近幾年，隨著異質(zhì)集成材料制備技術的突破，基于單晶壓電薄膜異質(zhì)襯底（如LiTaO3/SiO2/Si）的聲表面波、體聲波與板波濾波器技術屢有突破。本文結合當下研究熱點，依次對單晶壓電薄膜異質(zhì)襯底制備、聲波器件仿真、聲表面波與板波濾波器技術的研究進展進行介紹與分析，并對未來聲波濾波器的發(fā)展做出展望。
關鍵詞：5G通信；射頻前端；聲波濾波器；單晶壓電薄膜；異質(zhì)襯底
0 引言
作為新一代信息通信技術領域的引領性技術，第五代（5G）移動通信是支撐經(jīng)濟社會數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化轉(zhuǎn)型的關鍵信息基礎設施。在無線通信系統(tǒng)中，射頻前端技術被視為一項關鍵技術，而射頻濾波器作為射頻前端的核心部件，具有頻率選擇以及抑制干擾信號的功能。基于壓電效應的聲波濾波器，主要包括聲表面波（Surface Acoustic Wave, SAW）、體聲波（Bulk Acoustic Wave, BAW）和板波（Plate Wave, LW）濾波器，憑借性能、體積、工藝等優(yōu)勢已成為移動射頻前端的主流選擇。5G及未來6G無線通信系統(tǒng)對射頻前端聲波濾波器的頻率、損耗、帶寬、功率容量、溫度穩(wěn)定性等性能提出了更高要求；同時，大規(guī)模多輸入多輸出和多載波聚合等技術引入后，移動終端對濾波器數(shù)量的需求也越來越多。然而，基于鉭酸鋰（LiTaO3）與鈮酸鋰（LiNbO3）等壓電晶體的傳統(tǒng)SAW濾波器的頻率、Q值、溫度穩(wěn)定性等始終難以突破；基于氮化鋁（AlN）的BAW濾波器的帶寬難以滿足5G通信需求；基于摻雜氮化鋁的BAW濾波器帶寬可進一步提高，然而其材料損耗與工藝難度也急劇增加。近幾年發(fā)展的基于單晶壓電薄膜異質(zhì)襯底（Piezoelectric Heterogeneous Substrates）的射頻聲波器件展現(xiàn)出突破性性能，可實現(xiàn)更高頻率、更低損耗、更大帶寬與更高功率容量，具有廣泛應用前景。
1 單晶壓電薄膜異質(zhì)襯底制備技術
壓電異質(zhì)晶圓制備技術主要包括 “離子束剝離與轉(zhuǎn)移技術”與“晶圓鍵合與減薄技術”，以下分別簡稱“轉(zhuǎn)移技術”與“減薄技術”。如圖1所示，轉(zhuǎn)移技術的基本步驟包括對待轉(zhuǎn)移的壓電晶圓進行離子注入（H離子或He離子），然后將其與支撐襯底鍵合，通過退火等方式使離子注入后的壓電晶圓沿離子富集層劈裂，最終在支撐襯底上留下特定厚度的單晶壓電薄膜。圖2展示了4英寸硅基、藍寶石基與碳化硅基壓電異質(zhì)襯底。值得注意，轉(zhuǎn)移技術制備的單晶壓電薄膜具有極佳的厚度均勻性，但受限于離子注入能量，其主要適用于亞微米厚度（<1μm）薄膜制備。
圖1 離子束剝離與轉(zhuǎn)移技術工藝流程示意圖
圖2 4英寸壓電異質(zhì)晶圓
如圖3所示，減薄技術的基本步驟包括將壓電晶圓與支撐襯底鍵合，通過研磨、化學機械拋光、離子束修飾等步驟最終在支撐襯底上留下特定厚度的單晶壓電薄膜，其要應用于具有較小溫度漂移的溫補型聲表面波（TC-SAW）濾波器。減薄技術的優(yōu)勢在于制備厚度為5μm~30μm的單晶壓電膜，但所制備的壓電膜的面內(nèi)均勻性較差或需要匹配復雜的拋光等表面處理工藝。
圖3 晶圓鍵合與減薄技術工藝流程示意圖
2 聲波諧振器與濾波器仿真技術
聲波諧振器的振動特性和電學響應可以通過多物理場有限元仿真模擬，聲學濾波器（聲學諧振器串并聯(lián)構成）可以由等效電路模型（Modified Butterworth-Van Dyke，MBVD）模擬。針對有限元仿真耗時長，內(nèi)存占用高的缺點，Koskela和Plessky于2016年提出分層級聯(lián)技術（Hierarchical Cascading Technique，HCT）并將其應用于縱向切片有限元模型。該技術利用諧振器準周期性結構特征，對單元模塊的有限元方程內(nèi)部自由度作舒爾補運算，而后將單元模塊按照器件實際結構級聯(lián)，最終計算得到縱向模型的導納，如圖4(a)所示。HCT技術還可以應用于橫向切片和三維全尺寸有限元模型的仿真加速，并且與行波模型（Traveling Wave Excitation Source）、二維傅里葉變換相結合，獲取諸如聲學不連續(xù)邊界處聲波的反射系數(shù)、波矢空間模式轉(zhuǎn)換分析等，以更好地輔助諧振器設計。
圖4(b)所示為MBVD等效電路模型和自加熱反饋回路示意圖。濾波器在工作時的溫度升高會影響其每個諧振器的頻率響應特性，其熱耦合仿真模型需要在等效電路模型中構建“耗散功率-溫度升高-頻率偏移”的熱反饋回路。在等效電路模型中，諧振頻率由動態(tài)電容和動態(tài)電感決定，諧振器自身在高頻振動時的耗散功率可以通過電路模型中流過電阻的電流計算。Qorvo公司Michael Fattinger等通過電路仿真中定義電熱節(jié)點，實現(xiàn)了基于體聲波諧振器的濾波器熱耦合仿真。
圖4(a) 有限元-分層仿真級聯(lián)流程示意圖
圖4(b)?MBVD等效電路模型和自加熱反饋回路示意圖
3 基于單晶壓電薄膜異質(zhì)襯底的聲表面波濾波器技術
相比于壓電晶圓，壓電異質(zhì)襯底中的異質(zhì)界面能夠有效地將高聲速聲波模式的能量約束在壓電薄膜中，提高器件的頻率與Q值；此外，低熱膨脹系數(shù)、高熱導率的支撐襯底還有利于提高SAW器件的溫度穩(wěn)定性。
3.1 硅基壓電異質(zhì)襯底及聲表面波濾波器技術
日本村田公司（Murata）于2016年率先發(fā)布了基于硅基鉭酸鋰（LiTaO3）單晶壓電薄膜異質(zhì)襯底（LiTaO3/SiO2/AlN/Si與LiTaO3/SiO2/Si）的高Q值、低溫漂和高功率耐受性的超高性能I.H.P. SAW（Incredible High-performance SAW）濾波器技術。其中，硅基鉭酸鋰壓電異質(zhì)襯底又被稱作絕緣襯底上的鉭酸鋰（LiTaO3-On-Insulator），簡寫為LTOI襯底。I.H.P. SAW諧振器響應如圖5左與圖5中所示，2GHz左右Bode-Qmax高達4000，而傳統(tǒng)SAW僅有1000左右，充分體現(xiàn)了LTOI襯底高Q值優(yōu)勢。2020年，美國高通利用LTOI襯底開發(fā)出UltraSAW技術，其在氧化硅與硅襯底之間引入富陷阱層（Poly-Silicon）以抑制PSC（Parasitic Surface Conduction）效應。圖5右的諧振器頻率響應測試結果顯示UltraSAW在1.6 GHz左右Bode-Qmax高達6000，表明富陷阱層的引入極大程度降低了襯底的射頻損耗。
圖5 基于三種不同LTOI襯底的SAW諧振器的阻抗（導納）曲線和品質(zhì)因子曲線
3.2 基于藍寶石、石英基壓電異質(zhì)襯底的聲表面波濾波器技術
美國威訊（Qorvo）公司于2018年提出基于藍寶石、石英基鉭酸鋰單晶壓電薄膜異質(zhì)襯底（LiTaO3/Sapphire與LiTaO3/Quartz）的Layered SAW，其Q值相對于傳統(tǒng)SAW大幅提高，1GHz附近的Bode-Qmax分別超過7000與6000，如圖6(a)與6(b)所示。國內(nèi)，本文研究團隊研制了基于LiTaO3/Sapphire異質(zhì)襯底的SUP SAW器件，未經(jīng)優(yōu)化的前提下，在2GHz附近實現(xiàn)了超過3000的Bode-Q值，如圖6(c)所示。通過對異質(zhì)襯底退火（缺陷恢復）工藝與器件叉指電極進一步優(yōu)化后可期待同國外先進企業(yè)與研究機構相媲美的器件性能。
圖6 傳統(tǒng)SAW、Layered SAW和SUP SAW的導納曲線與Bode-Q曲線
3.3 基于碳化硅基壓電異質(zhì)襯底的聲表面波濾波器技術
2020年，本文研究團隊聯(lián)合美國伊利諾伊大學Songbin Gong團隊在國際上首次報道了采用離子束剝離與轉(zhuǎn)移技術制備的碳化硅基鈮酸鋰單晶壓電薄膜異質(zhì)襯底（LiNbO3/SiC），并據(jù)此驗證了2GHz左右機電耦合系數(shù)（k2）達27.8%，Bode-Qmax達1920，性能優(yōu)值（figure of merit，F(xiàn)oM）達530的SAW諧振器與3dB相對帶寬為9.9%的SAW濾波器，如圖7(a)所示。后續(xù)研究中，本文研究團隊還研制了晶圓級LiTaO3/SiC異質(zhì)襯底，并分別基于LiNbO3/SiC與LiTaO3/SiC襯底實現(xiàn)了寬帶SAW和高頻LL-SAW（Longitudinal Leaky Surface Acoustic Wave）諧振器與濾波器。其中，基于LiTaO3/SiC襯底的SAW與LL-SAW諧振器的Bode-Qmax分別高達7400和1180，均為目前報道最高值（同類型器件），如圖7(b)所示。此外，基于LiTaO3/SiC襯底的SAW器件還可實現(xiàn)小于-10ppm/K的頻率溫度系數(shù)。
圖7 LiNbO3/SiC和LiTaO3/SiC襯底上濾波器、諧振器測試結果
2021年，清華大學潘峰團隊報道了基于LiNbO3/SiO2/SiC異質(zhì)襯底，中心頻率約1.3GHz，3dB相對帶寬達16.65%，峰值功率達33.2dBm的聲波濾波器。其中，嵌入SiO2介質(zhì)層可提高諧振器的k2，但也一定程度降低了異質(zhì)襯底的瞬態(tài)熱傳導能力。同年，該團隊還報道了基于LiTaO3/SiC異質(zhì)襯底，峰值功率達35.7dBm的聲波濾波器，其變溫S參數(shù)、峰值功率與失效時間如圖8所示。綜合來看，針對高頻、高Q、高功率、高溫度穩(wěn)定性應用，碳化硅基壓電異質(zhì)襯底有巨大潛力。
圖8 對比三種壓電襯底的SAW濾波器的溫度和功率容量特性曲線
4 基于單晶壓電薄膜異質(zhì)襯底的板波濾波器技術
理論上，懸空壓電薄膜為板狀結構，上下為自由邊界，可視為完美的聲波導，實現(xiàn)極佳聲場能量約束，因此稱為板波濾波器技術。懸空結構可通過先正面刻蝕窗口，再干法刻蝕壓電薄膜下的SiO2/Si，或直接在背面通過深硅刻蝕實現(xiàn)。基于懸空壓電膜的板波（聲波）濾波器技術主要包含橫向振動諧振器（Laterally Vibrating Resonators, LVRs）與剪切體聲波諧振器技術。
4.1 橫向振動諧振器技術
橫向振動諧振器主要基于零階水平剪切波（SH0）和零階對稱型蘭姆波（S0），依靠叉指電極在懸空的LiNbO3或LiTaO3薄膜中產(chǎn)生聲波且其能流主要沿水平方向，類似于SAW器件。如圖9所示，基于SH0模式的諧振器k2極大但聲速偏低（<4000m/s），而基于S0模式的諧振器可實現(xiàn)較高的k2和聲速，有望實現(xiàn)3GHz以上的高頻、大帶寬濾波器應用。
圖9 基于懸空LiNbO3薄膜的LVR器件
圖9(a)為2014年Olsson III制備的高性能SH0 LVR，其在101 MHz展現(xiàn)出高達12.4%的k2和185的FoM值，兩項指標均為當時的最高紀錄。2018年，Gianluca Piazza課題組制備了S0模式的LVR諧振器，k2高達30.7%的同時實現(xiàn)1560的FoM值，如圖9(b)所示。然而，LVR器件需要在四周設置通孔用于薄膜的釋放，光刻的偏差和刻蝕側壁的不陡直會導致強烈的雜散模式。該問題使得這項技術陷入瓶頸，難以進一步發(fā)展。
4.2 剪切體聲波諧振器技術
近年來，基于懸空LiNbO3薄膜的高階蘭姆波諧振器由于其極高的聲速和機電耦合系數(shù)成為研究熱點，其頻率與厚度成反比，類似于FBAR，因此亦可稱為剪切體聲波諧振器。圖10(a)為Songbin Gong團隊制備的A1模式諧振器，在3.28GHz實現(xiàn)了高達46.4%的k2。雖然這項技術展現(xiàn)出高頻、大帶寬的應用前景，但存在兩大致命缺陷：1）溫漂嚴重（|TCF|>50 ppm/K），2）功率容量低（<10dBm）。因此，利用介質(zhì)層補償LiNbO3的性能短板有望成為該技術的重要發(fā)展方向。圖10(b)中，Songbin Gong團隊基于LiNbO3-SiO2雙層結構實現(xiàn)了TCF=0的3.5GHz A3模式諧振器。圖10(c)中，本文研究團隊提出了基于AlN- LiNbO3雙層結構的A1模式諧振器，對比單層結構，雙層結構的諧振器具有更高的聲速、k2、Q值和功率容量。
圖10?三種不同材料結構的剪切體聲波諧振器
5 聲波濾波器技術展望
5G、WIFI 6E及未來6G無線通信系統(tǒng)對更高頻率、更大帶寬、更高密度的射頻前端濾波器提出需求，學術界與產(chǎn)業(yè)界也積極探索并爭先布局相關技術。
5.1 極高頻率聲波濾波器
SAW和LVR器件受限于聲波聲速和電極線條尺寸，難以實現(xiàn)高于10GHz的工作頻率。而剪切體聲波諧振器的截止工作頻率f與階數(shù)n成正比且與厚度h成反比，有望實現(xiàn)10GHz以上的極高頻應用。如圖11為Songbin Gong團隊所展示的高階剪切體聲波諧振器的器件測試結果，頻率覆蓋10GHz~60GHz，該工作為聲波器件在毫米波頻段的應用提供了重要的理論和實驗基礎。
圖11 高階剪切體聲波諧振器響應曲線
5.2 極大帶寬聲波濾波器
在聲波濾波器設計中，常見的梯形（Ladder）與格型（Lattice）拓撲結構濾波器的帶寬受諧振器機電耦合系數(shù)（k2）限制。為了滿足5G大帶寬需求，研究人員一方面不斷探索新的材料和諧振器結構以提高諧振器的k2，另一方面提出新的拓撲結構以突破k2限制實現(xiàn)大帶寬設計。如圖12所示，Jordi Mateu等人提出了一種基于聲波諧振器的新型濾波器結構——橫向（Transversal）拓撲結構，該拓撲結構帶寬不受諧振器的k2限制。Jordi Mateu等人將BAW諧振器與該拓撲結構結合，實現(xiàn)了適用于5G N77頻段的濾波器設計，其頻率響應如圖13所示。其中，箭頭所指示的雜散模式響應需要進一步抑制。該拓撲結構為極大帶寬聲學濾波器的提供了一個可行的思路。
圖12? 濾波器拓撲結構示意圖及分數(shù)帶寬與k2的關系
圖13? 橫向濾波器的頻率響應
5.3 單片集成波濾波器
多頻段、高性能的濾波器單片式集成將是高密度射頻前端模組發(fā)展的重要趨勢之一。傳統(tǒng)的SAW聲速單一，難以覆蓋較寬工作頻率，且不同頻段的最佳電極厚度不同；BAW器件工作頻率取決于懸空結構厚度，片上集成的可實施性較差。2020年，Skyworks發(fā)布了在RF-SOI上實現(xiàn)射頻開關和多顆聲學濾波器的單片集成方案，包含一顆BAW和多顆蘭姆波濾波器，如圖14所示。然而AlN材料損耗較高且壓電系數(shù)較小，難以實現(xiàn)大帶寬、低損耗的集成濾波器方案。本文研究團隊的前期研究表明：單晶壓電異質(zhì)集成襯底（如LiNbO3/SiC）具備極佳的聲能約束、可多模式激發(fā)的優(yōu)勢。因此，基于壓電異質(zhì)集成襯底有望實現(xiàn)低損耗、大帶寬、寬頻覆蓋的濾波器陣列的單片式集成。這將是高密度、低成本射頻前端模組的另一條重要發(fā)展思路。
圖14 基于RF-SOI的單片集成射頻前端模式架構圖
6 結論
隨著壓電異質(zhì)集成材料制備技術的發(fā)展，新結構單晶壓電薄膜異質(zhì)襯底的研制不斷取得突破，為高性能射頻聲波濾波器提供了核心材料支撐。基于硅基等高阻材料的壓電異質(zhì)襯底的聲表面波濾波器可實現(xiàn)極低的插入損耗、優(yōu)秀的矩形度與溫度穩(wěn)定性，滿足3GHz以下頻段需求；基于碳化硅等高聲速材料的壓電異質(zhì)襯底的聲表面波濾波器兼顧高頻、大帶寬、高功率與高溫度穩(wěn)定性的特性，有望應用于5G N77與N79頻段；懸空薄膜型器件可實現(xiàn)極高頻率與極大帶寬，待散熱問題解決后將有望應用與5G N77、N79、WIFI 6E等頻段。此外，聲波濾波器計算仿真、拓撲結構、單片集成等方面的研究也取得了可喜的進展。總的來說，壓電異質(zhì)襯底結構與工藝的創(chuàng)新將從底層進一步推動射頻微聲器件的發(fā)展。
本文已在《導航與控制》2022年第3/4期發(fā)表。
延伸閱讀：
《5G技術及市場-2022版》
《5G熱管理技術及市場-2022版》
《射頻（RF）氮化鎵技術及廠商專利全景分析-2020版》
《射頻（RF）聲波濾波器專利全景分析-2019版》
