據麥姆斯咨詢報道，微波聲學器件在信號處理和傳感領域有著廣泛的應用，一直廣受研究機構和商業機構的關注。往前追溯，微波聲學器件在雷達、廣播和通信等眾多微波系統中早已得到應用。隨著5G時代的到來，以聲表面波（SAW）濾波器、體聲波（BAW）濾波器為代表的微波聲學器件成為通信產業的熱門器件。麥姆斯咨詢翻譯整理了美國伊利諾伊厄巴納-香檳大學龔頌斌教授及其團隊近期發表在IEEE上的一篇綜述文章。文章回顧了最近5~10年微波聲學技術的最新進展，并展望了微波聲學技術的未來發展。
美國伊利諾伊厄巴納-香檳大學龔頌斌教授
關鍵指標分析
在回顧之前，必須先定義評估微波聲學器件或微系統的標準。這些標準應該具有足夠廣泛的適用性，并與各種材料體系無關聯性，以便在目標應用范圍內進行公平比較。對未來的低損耗和寬帶應用來講，首先要考慮的指標應該是機電耦合系數（k2），而不是品質因數（quality factor）。原因很簡單。任何器件或系統要從聲學技術優勢中獲益，首先要保證研究領域是聲學。高效的機電換能機理，即將電學信號轉換成聲學信號或將聲學信號轉換成電學信號，都非常重要，因為這決定了系統的帶寬、損耗、阻抗以及其它參數規格。k2的改善，通常伴隨著新材料（或現有材料的新配置和生長方法）的發現。對材料或其成分進行選擇需要考量其k2值的潛力。然而，k2的改善，不僅取決于材料，還與設計有關，同時還需要權衡其它參數規格。
第二個指標是聲學器件的損耗，用品質因數（Q）表示，其數值由材料、工作模式、設計和制造決定。通常，許多因素會影響Q值。因此，要試圖改善Q值，就必須全面解決造成損耗的各種“元兇”。當然，這是一個相當復雜的研究課題，損耗機理可能是純聲學的，也可能同時交叉有聲學和電磁學，因此需要從物理層面深刻理解損耗機理。
最后一項基本指標是頻率可擴展性。工作頻率范圍就能決定某一特定技術的應用市場。早期SAW濾波器與BAW濾波器的競爭證明，頻率可擴展性就能主導市場細分，相比之下其它指標則是輔助因素。在5G時代，頻帶分配遍布整個頻譜，并且不同國家的頻譜分配也各不相同，頻率可擴展性就顯得尤為重要。任何能夠適應不同頻率的技術（不限于聲學技術）都必定會在未來的微波系統中發揮重要作用。
除了上面討論的k2、Q和頻率（f）三項指標以外，通常微波聲學產品將不同指標組合在一起并稱為不同的綜合性能品質優值（FoM），例如k2·Q、f·Q或k2·f·Q，還有一系列次要指標（但并不代表不關鍵），包括溫度穩定性、功率處理、非線性、集成兼容性和封裝，用以評估某一特定聲學技術的可行性。一般而言，在選擇材料和考慮商業因素時，上述指標并非如k2和Q等需要作為基本指標。但在某些應用實例中，其重要性卻超過k2和Q。在本文中，針對不同的基本指標，我們將進行分類并逐項討論，從而對相關技術進展進行綜述。不過，與任何復雜的工程問題一樣，這些參數常常是相互關聯的。在實踐中，已經盡可能平衡并改善所有參數。盡管如此，我們也將強調某一指標對其它指標（包括次要指標）的影響，雖然在文中無法全部羅列。在對該復雜課題進行細致分析的同時，我們也會展望未來可能面臨的挑戰。
更高的耦合工作模式
標準明確之后，相關材料及支持工作模式的基礎性改善工作就是水到渠成的事情了。壓電換能器是最具代表性的器件，展現了在高耦合度、高線性度和高集成度方面的平衡特性，成為微波頻段機電機理的最常見產品。目前已取得商業成功的關鍵材料包括氮化鋁（AlN）、鉭酸鋰（LT）和鈮酸鋰（LN）?；谏鲜鰤弘姴牧弦呀涢_發出滿足手機和其它移動設備濾波需求的BAW濾波器和SAW濾波器。
根據邊界條件（懸空型或固態裝配型），AlN可以為厚度擴張模式（thickness-extensional mode）提供4-6%的機電耦合，為橫向振動模式（lateral vibrating modes）提供1-2%的機電耦合（零階對稱型（S0）蘭姆波）。前者已成為薄膜體聲波諧振器（FBAR）和固態裝配諧振器（SMR）的主要配置。后者則吸引了越來越多的研究人員通過光刻工藝改善AlN技術頻率特性。為了進一步提高AlN的機電耦合系數，主要有兩種方法：一種依賴于混合模式（2D模式或截面蘭姆波模式)保證壓電常數d??和d??都具有更大的耦合能力，典型的FBAR可提高1-2%。另一種方法是選用摻鈧氮化鋁（Sc-doped AlN，簡稱：ScAlN）壓電材料，這是十年前提出并已驗證可提高d??和d??的方法。
第一種方法，主要由高校研究人員主導，結合厚度模式和橫向擴展模式的2D模式可以巧妙地結合各自的優點，即大機電耦合系數和依靠光刻技術調整頻率，見圖1（a）和圖1（b）。精心設計電極可以避免偽模（spurious mode），這激發出了復雜的設計靈感。從根本上說，腔體的2D結構越明顯，即叉指換能器（IDT）的間距與AlN厚度相當，則能夠增加本征模密度（即每單位頻率范圍的本征模數量），降低雜散模的激勵機率，從而有望提高k2。展望未來，如果用于ScAIN，將對高頻應用產生更深遠的影響。
圖1：（a）截面蘭姆波諧振器的光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）圖像；(b）提取BVD值的實測響應圖；(c）FBAR的SEM圖像；(d）諧振器的多層結構橫截面SEM圖像；（e）測量和修正后的BVD擬合圖；(f）C軸取向ScAlN剪切模式的k2計算值；(g）掠射角濺射技術；(h）C軸取向ScAlN薄膜的X射線衍射圖。
第二種方法：ScAlN [見圖1(c)–(e)]，自首次引入以來，中等摻雜濃度的產品已經實現商業化。業界對ScAlN靶材反應濺射法的研究已經非常充足，這種方法沉積出摻雜濃度和應力均勻的薄膜。摻雜水平和實驗驗證的Q值數據關系每年都會更新，在幾乎不犧牲Q值的情況下獲得了越來越高的k2，并鼓舞著研究人員為得到更高的k2而實現更高的摻雜水平。同時，針對AlN薄膜沉積的新技術如金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）和分子束外延（MBE）也在持續開發中，旨在更精確地控制成分并提高結晶度。新型摻雜元素（例如：鎂（Mg））具有可比的形成能（forming energy）水平但成本更低，也被嘗試作為鈧（Sc）的替代品。然而，除了需要開發最佳物理氣相沉積（PVD）工藝之外，還需要精確地控制成分，因此仍然存在挑戰。
除上述兩種方法之外，第三種方法仍處于早期階段，采用C軸取向AlN來獲得剪切模式，如摻雜或其他方法[圖1(f)-(h)]。這類似于鉭酸鋰（LT）和鈮酸鋰（LN）的不同切割平面。但對于AlN來講，通過旋轉晶軸，dij可以被定制出取向生長方式能實現的張量矩陣旋轉。在這種情況下，剪切模式可產生比傳統厚度模式更高的機電耦合系數。到目前為止，實驗結果表明取向晶粒對Q值有一定的不利影響，是否可以解決該問題還有待觀察。
除了AlN，在過去十年中，基于鉭酸鋰（LiTaO?）和鈮酸鋰（LiNbO?）的技術也取得了令人興奮的進展。與基于AlN的FBAR濾波器和SMR濾波器一樣，即使LiTaO?和LiNbO?都具有更高的k2，但基于這兩種材料的傳統SAW濾波器如果要實現更先進的模式，例如蘭姆波族中的零階剪切水平（SH0）模式或S0模式、一階反對稱（A1）模式，要提高k2也遇到了瓶頸。為此，必須采用LiTaO?和LiNbO?基板和薄膜，并設置薄膜表面反射邊界。這種方法已經衍生出多種襯底/絕緣體上LiTaO?和LiNbO?薄膜技術。轉移技術是常用方法，將一片塊體型LiTaO?和LiNbO?鍵合到載體襯底（carrier substrate）上，以進行后續的器件工程。這項突破帶來了幾項重要優勢。首先，薄膜轉移技術使得塊體型壓電材料以任何切型的單晶薄膜鍵合在與之兼容的襯底。如今，設計人員在給定模式時對dij的選擇很多，盡管不是完全無限的。其次，這些薄膜的結晶和聲學損耗性能都更勝一籌，不存在物理氣相沉積（PVD）薄膜出現的典型結晶問題。最后，與高度依賴于下層膜的薄膜生長方法相比，轉移技術的薄膜質量對載體襯底的依賴性小很多，從材料角度來看，可以得到更高的Q值。
上述探討的模式包括S0模式[見圖2(a)、(b)]、SH0模式[見圖2(c)、(d)]和A1模式[見圖2(e)、(f)]。模式的分類方法取決于在不同的邊界條件下如何嚴格地處理和解釋模式失真及其商業目的。然而，在某些情況下LiNbO?薄膜有出色的機電耦合表現，k2是傳統SAW模式的兩到四倍，同時Q值相當。
圖2：（a）和（b）分別為X切型LiNbO?薄膜的SEM圖像、S0模式的導納測量曲線；（c）和（d）分別為X切型LiNbO?薄膜的SEM圖像、SH0模式的導納測量曲線；（e）和（f）分別為128-Y切型LiNbO?薄膜的光學顯微鏡圖像、S0模式的導納測量曲線。
利弊分析如下。除了追求出色的k2，認識到高k2值帶來的挑戰也很重要。目標模式的高k2意味著LiTaO?和LiNbO?切面的高dij可能被附近頻率范圍內的其他本征模影響。抑制偽模變得很有挑戰性，尤其是S0模式和A1模式濾波器。對于S0模式，允許最優S0激勵的切割平面也能實現優秀的SH0激勵。迄今為止，S0的限制方案也很好地束縛了SH0和其它蘭姆波（如A0）。考慮到額外的高階橫向或縱向S0偽模，問題更為復雜。盡管如此，由于速度比S0快，以及相對非色散特性，出于頻率擴展的目的，人們對S0仍然充滿興趣，因此，如果某些問題難以解決，則仍有待定論。
另一方面，A1模式的傳播速度比現有任何聲學模式都快得多。它具有在AlN截面模式中發現的2D特性，因此在高模密度方面面臨類似的變化。然而，LiNbO?的A1模式比蘭姆波模式更分散。LiNbO?的壓電常數dij也比AlN更高。兩者的結合允許在更寬的間距厚度比（pitch-to-thickness ratio）范圍內激發A1模式，而k2變化不大[見圖2(e)–(f)]。這樣的靈活性有利于利用電極間距的偽模抑制技術。但這并不是意味著A1偽模已得到解決。通過調整間距寬度來解決橫模和其它本征模是行不通的，必須采取更具創新性的方法加以克服（例如，嵌入式電極或周期化排布的釋放窗口）。也許，已經獲得了高k2的模式案例為大家解決這些技術難題提供了動力。
也許有人會說，AlN與LiTaO?/LiNbO?技術之正在形成競爭態勢。AlN技術利用現有設計和制造基礎設施就能實現更高的摻雜水平，這是寬帶應用快速布局新器件的關鍵所在。未摻雜的AlN在設計和制造方面已經積累了大量的技術訣竅，摻雜材料的成熟度可能是主要的障礙。然而，隨著AlN摻雜水平的提高，設計創新也將隨之而來，重點是開發出最佳的、更復雜、可重構的壓電系數矩陣（蘭姆波和剪切模式已出現了很好的范例）。
表1：LiTaO?和LiNbO?不同工作模式比較
通過離子切片或薄膜轉移技術，已經制造出單晶質量的LiTaO?和LiNbO?壓電材料。但要獲得更精確的厚度控制，制備工藝仍有改進空間，晶圓尺寸還有待增加以實現更低的成本，才能具備與摻雜AlN競爭的實力。此外，與AlN不同的是，在LiTaO?和LiNbO?薄膜中新出現的模式，讓設計人員仍在與偽模、功率處理、溫度穩定性等特性作斗爭。解決上述問題，需要對結構進一步創新，不僅僅是電極布局優化。值得慶幸的是，將薄膜轉移到各種襯底和結構上的靈活性給予了解決上述問題的希望。
改善品質因數（Q）、降低損耗
提高聲學諧振器品質因數的方法，主要集中在提升材料質量、開發先進的鍵合工藝和新的能量限制方法。為了更好地控制較薄的壓電薄膜質量，人們對壓電薄膜（如ScAlN、AlN）進行了廣泛的研究。采用新的外延方法和改進后的濺射技術所制備的壓電薄膜，表現出較低的損耗[見圖3(a)-(b)]。薄膜轉移和鍵合技術的改進是提高Q值的另一要素，這些技術使以前難以實施的結構創新得以實現。更具體地說，新型的薄膜堆棧方式利用了SMR壓電薄膜，例如超高性能聲表面濾波器（IHP-SAW），同時顯示出更高的Q值和更低的頻率溫度系數（TCF）。研究人員研究了高速襯底和多層襯底，以便更好地限制聲波器件的能量[見圖3(c)-(d)]。研究人員還通過將壓電薄膜與低聲學損耗襯底相結合，用于提高無支撐型薄膜器件的Q值。最后，通過研究光子晶體結構的聲學結構和聲學禁帶分布，仍在努力推動可實現的射頻聲學諧振器性能極限[見圖3(e)-(f)]。
圖3：（a）硅上摻鈧氮化鋁（AlScN on Si）的原子力顯微鏡圖像；（b）不同摻雜濃度的AlScN的Q值和k2值分布；（c）和（d）分別為工作在2.4 GHz的IHP-SAW濾波器的薄膜堆疊示意圖和Bode Q值；（e）和（f）分別為工作在32 GHz的諧振鰭式晶體管（resonant-fin transistor）的設計和跨導測量曲線。
除了上述聲學改進之外，還需要解決電磁損耗問題。為了減少介質損耗，采用了新型結構、低損耗介質。結果表明，不僅Q值有了很大的提高，而且非線性度的改善也很大。
可以預測，材料和制造工藝很快就會成為提高Q值的瓶頸，這是因為設計的改進徹底地擠壓了所有可能提高Q值的空間，例如錨固損耗（anchor loss）、模式限制。在較低的射頻頻段，未摻雜和摻雜AlN微系統的Q值可能已經達到了由AlN和金屬材料、不均勻性、粗糙度和其他制造工藝不精確共同構成的“天花板”。然而，基于LiTaO?和LiNbO?薄膜的聲學器件，至少在某些模式下，距離“天花板”還有一定的空間。
近年來，對LiNbO?薄膜聲波傳播損耗的大量研究表明，該材料的Q值極限為6000，而器件的Q值僅300～1000。基于此研發出的聲延遲線（ADL）是兩端口器件，在聲波導的另一端有一對壓電換能器。不同于聲學諧振器的各種損耗因子相互影響（例如錨固損耗、熱彈性阻尼和電極損耗），ADL的損耗機制相對單一。在換能器設計相同但波導長度不同的情況下，可以直接提取聲學傳播損耗。利用AlN薄膜的S0模式，LiNbO?薄膜的S0、SH0、A1和高階蘭姆波模式，以及SMR LiNbO?薄膜水平剪切波（SH-SAW）模式，可以設計工作在吉赫茲（GHz）的低損耗寬帶ADL。據報道，LiNbO?器件工作在GHz處的傳播損耗約為0.005 db/λ ~ 0.03 db/λ，其中S0模式的損失最小。對于工作在GHz的LiNbO?薄膜器件，這樣的傳輸損耗相當于最大Q值達到1000~6000。有趣的是，Q值的預測最大值與在LiNbO?橫向高階體聲波諧振器（LOBAR）中測得的最高Q值一致。LOBAR采用未金屬化的LiNbO?薄膜，其Q值遠高于已報道的諧振器Q值，表明電極損耗和錨固損耗是當前LiNbO?諧振器的主要損耗。
向高頻擴展
在過去的幾年中，向高頻擴展可能是微波聲學研究界中最激動人心的課題。聲學器件在3 GHz以下的應用已經贏得了良好的聲譽，頻率超過3 GHz后則Q值不理想，電磁器件則表現更佳。在芯片級無源器件中，電磁波導比聲學的損耗更低，兩者的交叉點很難確定，而且隨著時間的推移，兩者的性能都在不斷提高，交叉點還會繼續變化。不過可以肯定的是，在室溫下，交叉點不會低于6 GHz，即聲學器件在損耗方面仍具優勢（不考慮尺寸）。基于FBAR和SMR的產品已投放到WiFi 6和C-V2X頻段市場，Q值達1000的數量級。但是，如果推動聲學器件達到更高頻率，如10 GHz、20 GHz甚至60 GHz，那么問題就開始顯現。隨著更高頻率、更高階多輸入多輸出（MIMO）或相控陣的出現，對更高頻率聲學器件的需求正在醞釀之中。所有這些都表明，隨著在手機共存頻帶越來越多，對微型濾波器的需求數量也會增加。盡管在未來的系統中，頻域濾波“應該或必須”、“用于何處”及“如何應用”，還存在爭議，但不可否認的是都會追求高性能聲學濾波器。
如圖4的波長與頻率關系圖可見，在6-60 GHz范圍內，電磁學和聲學在尺寸和頻率的設計空間中確實存在巨大差距。認識到這一問題，研究人員提出了三種不同的觀點。第一種方法是簡單直接地進行縮放，即調整影響諧振頻率的尺寸因素。對BAW來講，就是調整AlN厚度；對SAW[見圖5(a)–(b)]或面內伸縮模態諧振器（contour-mode resonator，簡稱CMR，即S0蘭姆波）[見圖5(c)–(d)]，即電極間距和光刻分辨率；對于2D模式[即蘭姆波或A1模式[見圖5(e)–(f)]來講，即厚度和間距。這種方法很簡單，但面臨多個方面的挑戰。隨著尺寸減小，越來越接近制造設備的工藝能力極限，很難保證厚度和間距精度。隨著厚度的減小，濺射薄膜的結晶性也逐漸消失，其它性能如導熱性也會逐漸退化。此外，BAW的金屬厚度和SAW的金屬寬度必須相應地減小，導致電負載加重。功率處理能力也將降低，需要進一步的定量研究。
圖4：橫向電磁波和橫向聲波的波長與頻率關系比較。三種頻率擴展方法均已標記，包括減小尺寸（綠色箭頭），通過厚度調整實現高階模式（黑色箭頭），未來采用雙層互補取向LiNbO?薄膜的過模（藍色箭頭）。
第二種方法是增加模式階數，同時保證相比低頻時的尺寸不變。過模（overmode）解決了第一種方法面臨的挑戰，但帶來的代價是犧牲k2。為了擴展頻率并最終得到具有應用價值的k2，通常需要從高k2模式開始。目標頻率越高，選擇的基準應具有越高的k2，以便有充足的空間調整k2。這樣的方法對于之前提到的A1模式很有效，也曾在蘭姆波模式嘗試過。
第三種方法則基于第二種方法發展起來，仍然旨在實現過模，但能減少k2的損失。通過復合結構的過模來實現這一目標。在一個實例[見圖5(g)-(h)]中，可采用雙層互補取向器件讓諧振頻率變為雙倍或三倍，而k2幾乎沒有損失甚至完全沒有損失。還可以利用絕緣體上的壓電雙晶片實現三階，足以彌補傳統過模的k2損失，并在此過程中實現溫度補償。希望以上所有方法都能在未來的高頻聲學器件中尋得一席之地，特別是如果應用允許在電磁域中設計補償方案。
圖5：（a）和（b）分別為高頻SAW的SEM圖像和響應頻率曲線；（c）和（d）分別為AlN橫向振動諧振器（LVR）的SEM圖像和導納測試曲線；（e）和（f）分別為LiNbO?高階不對稱模式諧振器的SEM圖像和高達60 GHz的響應頻率值；（g）和（h）分別為采用層互補取向LiNbO?薄膜的21 GHz諧振器的光學顯微鏡和SEM圖像和導納測試曲線。
頻率超過10 GHz的聲波的傳播路徑較短，因此很難描繪出向高頻方向擴展的技術路線圖。目前業內對頻率或模式階數相關損耗的物理理解仍顯不足，還需更多的研究和調查。正是這樣的不確定性，才使其成為未來幾年里令人興奮的研究沃土。
結論
盡管歷史悠久，微波聲學仍在不斷地激發人類創新并取得令人興奮的進展。隨著更大機電耦合系數、更高Q值和更高頻率的微波聲學平臺的成熟，更復雜的微系統將展現出前所未有的信號處理能力。
論文鏈接：
https://ieeexplore.ieee.org/document/9398244
延伸閱讀：
《射頻（RF）聲波濾波器專利全景分析-2019版》
