高性能聲學(xué)濾波器技術(shù)研究進(jìn)展

李 暉，米 佳，胡少勤，李左翰，邱海蓮

(1. 中國電子科技集團公司第二十六研究所, 重慶 400060；2. 中國電子科技集團公司第二十四研究所, 重慶 400060；3. 云南省機電一體化應(yīng)用技術(shù)重點實驗室 云南省先進(jìn)制造技術(shù)研究中心，云南 昆明 650031)

0 引言

濾波器能濾除信號通道中不需要的頻率分量，同時保留需要的頻率分量。因此,從電子通信發(fā)展的初期，濾波器就在信號處理電路中發(fā)揮著重要的作用，并隨著通信技術(shù)的發(fā)展而取得不斷進(jìn)步。

目前，在移動通信中所使用的頻段數(shù)量已從2000年初的4個頻段大幅增加到如今的40多個頻段，特別是在第五代(5G)移動通信和其他新無線傳輸技術(shù)，如大規(guī)模多輸入多輸出(MIMO)和多載波聚合(MCA)技術(shù)等引入后，需支持的無線通信頻段也越來越多[1-2]。頻段數(shù)越多則要求濾波器數(shù)量也越多。雖然實現(xiàn)信號處理的濾波器種類較多，但基于性能、尺寸和成本方面的綜合考慮，聲學(xué)濾波器已成為目前射頻(RF)信號通路中的主要技術(shù)。

一般而言，聲學(xué)濾波器包括聲表面波(SAW)和聲體波(BAW)濾波器，可在低頻(約400 MHz)和高頻(高達(dá)6 GHz)下進(jìn)行工作[3]。SAW濾波器能滿足最高1.9 GHz標(biāo)準(zhǔn)濾波器應(yīng)用，包括第一代(1G)至第三代(3G)移動通信等標(biāo)準(zhǔn)頻段，以及部分第四代(4G)頻段；而BAW濾波器可處理的頻率高達(dá)6 GHz，在頻率高于1.9 GHz的4G頻段和5G頻段(sub-6 GHz)的應(yīng)用優(yōu)勢更明顯[4-5]。因此，這兩種聲學(xué)濾波器在當(dāng)代移動通信設(shè)備中具有互補優(yōu)勢，共存使用，成為其RF信號通路中的關(guān)鍵組成部分。

隨著RF濾波器數(shù)量的增長及RF前端性能要求的不斷提高，也要求聲學(xué)濾波器具有更高的性能(如低插入損耗、寬帶寬、高溫度穩(wěn)定性及帶外抑制能力等)。近年來，為適應(yīng)新的應(yīng)用需求，在一些新架構(gòu)、新材料和先進(jìn)建模技術(shù)的加持下，通過引入新的封裝方法不斷減小尺寸，已研制出很多高性能聲學(xué)濾波器，持續(xù)在RF系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。本文對近年來國內(nèi)外的一些高性能聲學(xué)濾波器技術(shù)的研究情況進(jìn)行了分析與評述。

1 SAW濾波器技術(shù)

雖然如今的SAW濾波器技術(shù)已很成熟，但在RF前端市場需求的推動下，近年來仍在持續(xù)發(fā)展。常規(guī)的SAW濾波器由于本身的局限性，在頻率約2.5 GHz時，其僅限于中等性能需求的應(yīng)用，且其性能易受溫度變化的影響。

2018年，Yuichi Takamine等[6]研制出一種被稱為“超高性能SAW(I.H.P. SAW)”的濾波器，將SAW技術(shù)發(fā)揮到接近4 GHz，目前該公司量產(chǎn)的頻率可達(dá)3.5 GHz。這種濾波器具有高品質(zhì)因數(shù)(Q)值、低頻率溫度系數(shù)(TCF)和高散熱性的特點，可實現(xiàn)與BAW濾波器相同或高于BAW濾波器的特性。其最大Q值為3 000，TCF小于±8×10-6/℃，同時，這種濾波器可將電極產(chǎn)生的熱量高效地從基板一側(cè)散發(fā)出去，可將通電時的溫度上升幅度降至以往SAW的一半以下。

2019年，Alina-Cristina Bunea等[7]利用GaN/Si諧振器(見圖1)設(shè)計出一種工作頻率高達(dá)5 GHz的微波SAW帶通濾波器。圖1中，hmet,hGaN分別為金屬層和GaN層的厚度，w為寬度，s為間距。模擬結(jié)果顯示，在5.5 GHz時該濾波器的插入損耗為10.4 dB，3 dB帶寬為8 MHz。

圖1 GaN/Si基SAW諧振器結(jié)構(gòu)的剖面示意圖

2020年，美國高通公司突破性地推出了一種面向4G和5G移動終端應(yīng)用的被稱為“UltraSAW”的濾波器。這種濾波器具有優(yōu)異的高頻率選擇性和極低插入損耗，其Q≈5 000(比BAW濾波器的Q值高)，且其溫度穩(wěn)定性較好，溫度漂移極低[8]。UltraSAW濾波器采用了由法國Soite公司提供的一種被稱為絕緣體基壓電材料(POI)作為襯底。如圖2所示，POI襯底材料以高阻硅作為基底，中層為氧化埋層，頂部是一層薄且均勻的單晶壓電層，通過Soitec自主研發(fā)的Smart CutTM工藝制成[9]。利用POI襯底可改善濾波器的品質(zhì)因數(shù)、耦合系數(shù)及頻率溫度系數(shù)等性能。

圖2 用于SAW濾波器制作的POI襯底結(jié)構(gòu)示意圖

2020年，上海微系統(tǒng)研究所將LiNbO3單晶薄膜與高聲速、高導(dǎo)熱的支撐襯底進(jìn)行異質(zhì)集成，并利用這種POI襯底結(jié)構(gòu)制作了一種高性能的SAW濾波器[10]。圖3為該濾波器的測試結(jié)果。由圖可看出，其中心頻率約為2.29 GHz，3 dB相對帶寬約為9.9%，通帶內(nèi)最小插入損耗為1.38 dB，帶外抑制約為40 dB[11]。利用這種異質(zhì)集成技術(shù)來研制射頻濾波器，可進(jìn)一步提高射頻SAW濾波器的工作頻率和綜合性能。

圖3 利用異質(zhì)集成POI技術(shù)來制作的SAW濾波器的測試結(jié)果

由于SAW濾波器易受溫度的影響，特別是當(dāng)溫度升高時，其基片材料的剛度逐漸變小，聲速降低。因此，在此使用場合下，通常的替代解決方案是使用溫度補償型(TC-SAW)濾波器。目前實現(xiàn)TC-SAW濾波器的方式有：

1) 將壓電基片與具有低熱膨脹系數(shù)(TEC)的基片(如藍(lán)寶石或Si)進(jìn)行鍵和，以改善器件的TEC[12]。

2) 在具有負(fù)聲速溫度系數(shù)(TCV)的基片上沉積正TCV的輔助材料(如SiO2)[13-14]。

圖4為兩種TC-SAW濾波器的基本結(jié)構(gòu)形式和常用的材料類型。由圖4(b)可看出，由于SiO2不是壓電材料，在制備過程中，SiO2特性(如彈性溫度系數(shù)(TCE))會因材料制取條件而急劇變化，故較薄的SiO2對于器件性能表現(xiàn)更好。

圖4 TC-SAW濾波器器件類型及所使用的材料

美國Qorvo公司目前解決溫度漂移問題的方法之一是采用該公司特有的LowDriftTM和NoDriftTM技術(shù)。利用這些技術(shù)不僅實現(xiàn)了低插入損耗，還可確保溫度波動時的可靠性能。如圖5所示，在-30～+85 ℃時,LowDriftTM濾波器的TCF為(-15～-25)×10-6/℃，NoDriftTM濾波器 的TCF約為0[15]。2020年，文獻(xiàn)[16]報道了利用化學(xué)機械拋光SiO2薄膜工藝來制備滿足TC-SAW要求的高密度、無孔隙平坦SiO2薄膜的方法，并在此基礎(chǔ)上研制出一種濾波器樣品，其常溫中心頻率為136.2 MHz，在-55～+85 ℃內(nèi)頻率漂移僅388.2 kHz，其TCF僅-2.035×10-6/℃。

圖5 LowDriftTM和 NoDriftTMSAW器件的TCF特點

常規(guī)的TC-SAW結(jié)構(gòu)都屬于多層結(jié)構(gòu)，因其排線的固有波導(dǎo)特性將在諧振器中產(chǎn)生很強的橫向模式。通常橫向模式會使通帶產(chǎn)生過度的頻率波紋，繼而導(dǎo)致更高的通帶損耗，也使生產(chǎn)率降低。為此，美國加利福利亞大學(xué)的研究人員提出一種新的諧振器結(jié)構(gòu)來抑制TC-SAW器件中的橫向寄生效應(yīng)。圖6為這種新型諧振器結(jié)構(gòu)示意圖[17]。由圖可看出，此諧振器結(jié)構(gòu)中，將聲波諧振器的波導(dǎo)進(jìn)行彎曲，其彎曲角度(θ)為諧振器叉指換能器(IDT)區(qū)域的長度與半徑(ρ)之比。當(dāng)SAW諧振器被彎曲后，仍可進(jìn)行誘導(dǎo)基本模式，但因輻射損耗增加，高次橫向模式將被泄露掉。與其他橫向模式抑制方法相比，這種新諧振器彎曲方法只是改變結(jié)構(gòu)的外形，工藝流程無需進(jìn)行特殊處理。這種方法比電極切趾法更有效，其原因是切趾法會因諧振器邊緣處TC-SAW孔徑的減小而使有效耦合降低。

圖6 彎曲型諧振器結(jié)構(gòu)示意圖

2 BAW濾波器技術(shù)

從近兩年全球5G移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的部署情況來看，已包含第一階段3～5.9 GHz的sub-6G頻段，以及下一階段24 GHz以上的毫米波頻段[18]。因此，通過利用更高頻段及頻段重組來實現(xiàn)5G移動通信，使聲學(xué)濾波器面臨新的技術(shù)挑戰(zhàn)。與SAW濾波器技術(shù)相比，在高頻范圍下，BAW濾波器技術(shù)的通帶插損小，選擇性高，可承受高功率的時間長，靜電放電(ESD)保護好，且溫度特性穩(wěn)定[19-20]。

雖然在20世紀(jì)60年代BAW濾波器已有相關(guān)研究[21]，但直到90年代才體現(xiàn)出其在吉赫茲頻段應(yīng)用的優(yōu)勢。近年來，因微機電系統(tǒng)(MEMS)等制備工藝的成熟，BAW濾波器的研究與應(yīng)用也取得了良好進(jìn)展，但其重點研究工作仍圍繞寬帶化、高功率化、高溫度穩(wěn)定性及小型化等方向進(jìn)行開展[22-23]。

1995年，K. M. Lakin 等[24]對實現(xiàn)BAW濾波器的聲諧振器進(jìn)行了分類。根據(jù)聲能反射方式和結(jié)構(gòu)方式的不同，BAW濾波器的聲諧振器可分為薄膜體聲波諧振器(FBAR)及固體裝配型(SMR，又稱為固貼型)BAW諧振器[25]。FBAR濾波器可提供更大的帶寬，具有更好的濾波性能。SMR型濾波器因其結(jié)構(gòu)中有一條導(dǎo)熱通路通向襯底，可通過襯底進(jìn)行散熱，但其Q值相對較低。而FBAR濾波器由于諧振器結(jié)構(gòu)里有氣隙，因為空氣是不良熱導(dǎo)體，因此導(dǎo)熱能力相對較弱[26]。如Qorvo公司開發(fā)的SMR型BAW濾波器，其諧振器結(jié)構(gòu)中的聲發(fā)射層很薄，與下方的Si基板直接相連，從而使濾波器內(nèi)產(chǎn)生的熱量能有效地從壓電諧振器散開，并通過反射層傳遞至基板[27]。如圖7所示，Qorvo公司使用SMR諧振器結(jié)構(gòu)的器件每瓦發(fā)射功率的溫度只上升20 ℃，而使用FBAR結(jié)構(gòu)時，每瓦發(fā)射功率的溫度則上升70 ℃[28]。因此，SMR濾波器更能滿足系統(tǒng)在大功率和高溫條件下對插入損耗和帶外衰減的要求。

圖7 SMR與FBAR濾波器結(jié)構(gòu)的功率和熱量處理對比

為滿足5G通信技術(shù)發(fā)展要求，美國Resonant Inc.公司于2019年2月研制了一種新型的高性能FBAR型濾波器[28]。該濾波器采用XBARTM的諧振器進(jìn)行制作，具有很大的耦合系數(shù)，在5 GHz時可實現(xiàn)500 MHz的大帶寬，且在31 GHz時，Q>500。典型的XBARTM諧振器采用厚400 nm 的單晶ZY-LiNbO3薄晶片進(jìn)行制作，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示[29]。利用此諧振器制作的XBARTM濾波器可支持5G或WiFi高達(dá)7 000 MHz(802.11 ax)頻段，且?guī)挸^1 000 MHz(相對帶寬為18%)。同時，這種濾波器還可以在整個頻段上實現(xiàn)低損耗(<1.5 dB)，并能抑制相鄰頻率的干擾(>50 dB)。

圖8 XBARTM諧振器結(jié)構(gòu)示意圖

Akoustis技術(shù)公司是一家新興的專門提供高頻RF BAW濾波器的集成器件企業(yè)，其利用獨有的XBAWTM專利技術(shù)，開發(fā)出了基于單晶壓電薄膜的商用3～7 GHz FBAR濾波器產(chǎn)品[30]。該公司在BAW濾波器制作過程中使用了高純度單晶壓電AlN材料。與使用物理氣相沉積(PVD)法制備的多晶AlN相比，通過外延生長的金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)法制備的單晶AlN具有更高的固有晶體質(zhì)量，能改善聲波速度和壓電機械耦合系數(shù)，從而獲得高帶寬、高工作頻率和高輸出功率[31]。圖9為Akoustis技術(shù)公司采用的BAW諧振器結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)類型結(jié)構(gòu)對比[32]。圖9(c)為Akoustis技術(shù)公司所采用的BAW諧振器結(jié)構(gòu)。

圖9 3種BAW諧振器的截面結(jié)構(gòu)對比

3 結(jié)束語

當(dāng)代通信技術(shù)不斷演進(jìn)，給RF濾波器的發(fā)展帶來良好的機遇。近年來，在4G和5G通信技術(shù)的連續(xù)推動下，聲學(xué)濾波器技術(shù)不斷創(chuàng)新，器件進(jìn)一步朝向小型化、高頻化及集成化等方向邁進(jìn)。一些高性能器件(如I.H.P SAW、 UltraSAW、XBARTM、XBAW等)技術(shù)給業(yè)界注入了新的活力，使聲學(xué)濾波器持續(xù)在射頻前端通信領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

當(dāng)前，聲學(xué)濾波器技術(shù)已步入到面向5G的Sub-6G頻段范圍的研究層面，同時，針對更高頻段范圍的下一代通信技術(shù)(6G)的應(yīng)用研究也受到業(yè)界的關(guān)注。除進(jìn)一步減小器件的物理尺寸、降低成本和提高頻率外，仍期望器件的性能能得到提高。因此，聲學(xué)濾波器的未來發(fā)展必將面臨一些技術(shù)挑戰(zhàn)，即進(jìn)一步減少輻射損耗、溫度穩(wěn)定性、增強功率耐受性及開發(fā)新材料等技術(shù)問題。