张师斌1，吴进波1,2，张丽萍1,2，郑鹏程1,2，姚虎林1,2，欧欣1,2
（1. 中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室，上海 200050；2. 中国科学院大学材料科学与光电技术学院，北京 100049；）
摘要：在5G及未来6G无线通信系统中，射频前端技术被视为一项关键技术，而射频滤波器作为射频前端的核心部件，具有频率选择以及抑制干扰信号的功能。基于压电效应的声波滤波器，凭借性能、体积、工艺等优势已成为移动射频前端的主流选择。近几年，随着异质集成材料制备技术的突破，基于单晶压电薄膜异质衬底（如LiTaO3/SiO2/Si）的声表面波、体声波与板波滤波器技术屡有突破。本文结合当下研究热点，依次对单晶压电薄膜异质衬底制备、声波器件仿真、声表面波与板波滤波器技术的研究进展进行介绍与分析，并对未来声波滤波器的发展做出展望。
关键词：5G通信；射频前端；声波滤波器；单晶压电薄膜；异质衬底
0 引言
作为新一代信息通信技术领域的引领性技术，第五代（5G）移动通信是支撑经济社会数字化、网络化、智能化转型的关键信息基础设施。在无线通信系统中，射频前端技术被视为一项关键技术，而射频滤波器作为射频前端的核心部件，具有频率选择以及抑制干扰信号的功能。基于压电效应的声波滤波器，主要包括声表面波（Surface Acoustic Wave, SAW）、体声波（Bulk Acoustic Wave, BAW）和板波（Plate Wave, LW）滤波器，凭借性能、体积、工艺等优势已成为移动射频前端的主流选择。5G及未来6G无线通信系统对射频前端声波滤波器的频率、损耗、带宽、功率容量、温度稳定性等性能提出了更高要求；同时，大规模多输入多输出和多载波聚合等技术引入后，移动终端对滤波器数量的需求也越来越多。然而，基于钽酸锂（LiTaO3）与铌酸锂（LiNbO3）等压电晶体的传统SAW滤波器的频率、Q值、温度稳定性等始终难以突破；基于氮化铝（AlN）的BAW滤波器的带宽难以满足5G通信需求；基于掺杂氮化铝的BAW滤波器带宽可进一步提高，然而其材料损耗与工艺难度也急剧增加。近几年发展的基于单晶压电薄膜异质衬底（Piezoelectric Heterogeneous Substrates）的射频声波器件展现出突破性性能，可实现更高频率、更低损耗、更大带宽与更高功率容量，具有广泛应用前景。
1 单晶压电薄膜异质衬底制备技术
压电异质晶圆制备技术主要包括 “离子束剥离与转移技术”与“晶圆键合与减薄技术”，以下分别简称“转移技术”与“减薄技术”。如图1所示，转移技术的基本步骤包括对待转移的压电晶圆进行离子注入（H离子或He离子），然后将其与支撑衬底键合，通过退火等方式使离子注入后的压电晶圆沿离子富集层劈裂，最终在支撑衬底上留下特定厚度的单晶压电薄膜。图2展示了4英寸硅基、蓝宝石基与碳化硅基压电异质衬底。值得注意，转移技术制备的单晶压电薄膜具有极佳的厚度均匀性，但受限于离子注入能量，其主要适用于亚微米厚度（<1μm）薄膜制备。
图1 离子束剥离与转移技术工艺流程示意图
图2 4英寸压电异质晶圆
如图3所示，减薄技术的基本步骤包括将压电晶圆与支撑衬底键合，通过研磨、化学机械抛光、离子束修饰等步骤最终在支撑衬底上留下特定厚度的单晶压电薄膜，其要应用于具有较小温度漂移的温补型声表面波（TC-SAW）滤波器。减薄技术的优势在于制备厚度为5μm~30μm的单晶压电膜，但所制备的压电膜的面内均匀性较差或需要匹配复杂的抛光等表面处理工艺。
图3 晶圆键合与减薄技术工艺流程示意图
2 声波谐振器与滤波器仿真技术
声波谐振器的振动特性和电学响应可以通过多物理场有限元仿真模拟，声学滤波器（声学谐振器串并联构成）可以由等效电路模型（Modified Butterworth-Van Dyke，MBVD）模拟。针对有限元仿真耗时长，内存占用高的缺点，Koskela和Plessky于2016年提出分层级联技术（Hierarchical Cascading Technique，HCT）并将其应用于纵向切片有限元模型。该技术利用谐振器准周期性结构特征，对单元模块的有限元方程内部自由度作舒尔补运算，而后将单元模块按照器件实际结构级联，最终计算得到纵向模型的导纳，如图4(a)所示。HCT技术还可以应用于横向切片和三维全尺寸有限元模型的仿真加速，并且与行波模型（Traveling Wave Excitation Source）、二维傅里叶变换相结合，获取诸如声学不连续边界处声波的反射系数、波矢空间模式转换分析等，以更好地辅助谐振器设计。
图4(b)所示为MBVD等效电路模型和自加热反馈回路示意图。滤波器在工作时的温度升高会影响其每个谐振器的频率响应特性，其热耦合仿真模型需要在等效电路模型中构建“耗散功率-温度升高-频率偏移”的热反馈回路。在等效电路模型中，谐振频率由动态电容和动态电感决定，谐振器自身在高频振动时的耗散功率可以通过电路模型中流过电阻的电流计算。Qorvo公司Michael Fattinger等通过电路仿真中定义电热节点，实现了基于体声波谐振器的滤波器热耦合仿真。
图4(a) 有限元-分层仿真级联流程示意图
图4(b) MBVD等效电路模型和自加热反馈回路示意图
3 基于单晶压电薄膜异质衬底的声表面波滤波器技术
相比于压电晶圆，压电异质衬底中的异质界面能够有效地将高声速声波模式的能量约束在压电薄膜中，提高器件的频率与Q值；此外，低热膨胀系数、高热导率的支撑衬底还有利于提高SAW器件的温度稳定性。
3.1 硅基压电异质衬底及声表面波滤波器技术
日本村田公司（Murata）于2016年率先发布了基于硅基钽酸锂（LiTaO3）单晶压电薄膜异质衬底（LiTaO3/SiO2/AlN/Si与LiTaO3/SiO2/Si）的高Q值、低温漂和高功率耐受性的超高性能I.H.P. SAW（Incredible High-performance SAW）滤波器技术。其中，硅基钽酸锂压电异质衬底又被称作绝缘衬底上的钽酸锂（LiTaO3-On-Insulator），简写为LTOI衬底。I.H.P. SAW谐振器响应如图5左与图5中所示，2GHz左右Bode-Qmax高达4000，而传统SAW仅有1000左右，充分体现了LTOI衬底高Q值优势。2020年，美国高通利用LTOI衬底开发出UltraSAW技术，其在氧化硅与硅衬底之间引入富陷阱层（Poly-Silicon）以抑制PSC（Parasitic Surface Conduction）效应。图5右的谐振器频率响应测试结果显示UltraSAW在1.6 GHz左右Bode-Qmax高达6000，表明富陷阱层的引入极大程度降低了衬底的射频损耗。
图5 基于三种不同LTOI衬底的SAW谐振器的阻抗（导纳）曲线和品质因子曲线
3.2 基于蓝宝石、石英基压电异质衬底的声表面波滤波器技术
美国威讯（Qorvo）公司于2018年提出基于蓝宝石、石英基钽酸锂单晶压电薄膜异质衬底（LiTaO3/Sapphire与LiTaO3/Quartz）的Layered SAW，其Q值相对于传统SAW大幅提高，1GHz附近的Bode-Qmax分别超过7000与6000，如图6(a)与6(b)所示。国内，本文研究团队研制了基于LiTaO3/Sapphire异质衬底的SUP SAW器件，未经优化的前提下，在2GHz附近实现了超过3000的Bode-Q值，如图6(c)所示。通过对异质衬底退火（缺陷恢复）工艺与器件叉指电极进一步优化后可期待同国外先进企业与研究机构相媲美的器件性能。
图6 传统SAW、Layered SAW和SUP SAW的导纳曲线与Bode-Q曲线
3.3 基于碳化硅基压电异质衬底的声表面波滤波器技术
2020年，本文研究团队联合美国伊利诺伊大学Songbin Gong团队在国际上首次报道了采用离子束剥离与转移技术制备的碳化硅基铌酸锂单晶压电薄膜异质衬底（LiNbO3/SiC），并据此验证了2GHz左右机电耦合系数（k²）达27.8%，Bode-Qmax达1920，性能优值（figure of merit，FoM）达530的SAW谐振器与3dB相对带宽为9.9%的SAW滤波器，如图7(a)所示。后续研究中，本文研究团队还研制了晶圆级LiTaO3/SiC异质衬底，并分别基于LiNbO3/SiC与LiTaO3/SiC衬底实现了宽带SAW和高频LL-SAW（Longitudinal Leaky Surface Acoustic Wave）谐振器与滤波器。其中，基于LiTaO3/SiC衬底的SAW与LL-SAW谐振器的Bode-Qmax分别高达7400和1180，均为目前报道最高值（同类型器件），如图7(b)所示。此外，基于LiTaO3/SiC衬底的SAW器件还可实现小于-10ppm/K的频率温度系数。
图7 LiNbO3/SiC和LiTaO3/SiC衬底上滤波器、谐振器测试结果
2021年，清华大学潘峰团队报道了基于LiNbO3/SiO2/SiC异质衬底，中心频率约1.3GHz，3dB相对带宽达16.65%，峰值功率达33.2dBm的声波滤波器。其中，嵌入SiO2介质层可提高谐振器的k²，但也一定程度降低了异质衬底的瞬态热传导能力。同年，该团队还报道了基于LiTaO3/SiC异质衬底，峰值功率达35.7dBm的声波滤波器，其变温S参数、峰值功率与失效时间如图8所示。综合来看，针对高频、高Q、高功率、高温度稳定性应用，碳化硅基压电异质衬底有巨大潜力。
图8 对比三种压电衬底的SAW滤波器的温度和功率容量特性曲线
4 基于单晶压电薄膜异质衬底的板波滤波器技术
理论上，悬空压电薄膜为板状结构，上下为自由边界，可视为完美的声波导，实现极佳声场能量约束，因此称为板波滤波器技术。悬空结构可通过先正面刻蚀窗口，再干法刻蚀压电薄膜下的SiO2/Si，或直接在背面通过深硅刻蚀实现。基于悬空压电膜的板波（声波）滤波器技术主要包含横向振动谐振器（Laterally Vibrating Resonators, LVRs）与剪切体声波谐振器技术。
4.1 横向振动谐振器技术
横向振动谐振器主要基于零阶水平剪切波（SH0）和零阶对称型兰姆波（S0），依靠叉指电极在悬空的LiNbO3或LiTaO3薄膜中产生声波且其能流主要沿水平方向，类似于SAW器件。如图9所示，基于SH0模式的谐振器k²极大但声速偏低（<4000m/s），而基于S0模式的谐振器可实现较高的k²和声速，有望实现3GHz以上的高频、大带宽滤波器应用。
图9 基于悬空LiNbO3薄膜的LVR器件
图9(a)为2014年Olsson III制备的高性能SH0 LVR，其在101 MHz展现出高达12.4%的k²和185的FoM值，两项指标均为当时的最高纪录。2018年，Gianluca Piazza课题组制备了S0模式的LVR谐振器，k²高达30.7%的同时实现1560的FoM值，如图9(b)所示。然而，LVR器件需要在四周设置通孔用于薄膜的释放，光刻的偏差和刻蚀侧壁的不陡直会导致强烈的杂散模式。该问题使得这项技术陷入瓶颈，难以进一步发展。
4.2 剪切体声波谐振器技术
近年来，基于悬空LiNbO3薄膜的高阶兰姆波谐振器由于其极高的声速和机电耦合系数成为研究热点，其频率与厚度成反比，类似于FBAR，因此亦可称为剪切体声波谐振器。图10(a)为Songbin Gong团队制备的A1模式谐振器，在3.28GHz实现了高达46.4%的k²。虽然这项技术展现出高频、大带宽的应用前景，但存在两大致命缺陷：1）温漂严重（|TCF|>50 ppm/K），2）功率容量低（<10dBm）。因此，利用介质层补偿LiNbO3的性能短板有望成为该技术的重要发展方向。图10(b)中，Songbin Gong团队基于LiNbO3-SiO2双层结构实现了TCF=0的3.5GHz A3模式谐振器。图10(c)中，本文研究团队提出了基于AlN- LiNbO3双层结构的A1模式谐振器，对比单层结构，双层结构的谐振器具有更高的声速、k²、Q值和功率容量。
图10 三种不同材料结构的剪切体声波谐振器
5 声波滤波器技术展望
5G、WIFI 6E及未来6G无线通信系统对更高频率、更大带宽、更高密度的射频前端滤波器提出需求，学术界与产业界也积极探索并争先布局相关技术。
5.1 极高频率声波滤波器
SAW和LVR器件受限于声波声速和电极线条尺寸，难以实现高于10GHz的工作频率。而剪切体声波谐振器的截止工作频率f与阶数n成正比且与厚度h成反比，有望实现10GHz以上的极高频应用。如图11为Songbin Gong团队所展示的高阶剪切体声波谐振器的器件测试结果，频率覆盖10GHz~60GHz，该工作为声波器件在毫米波频段的应用提供了重要的理论和实验基础。
图11 高阶剪切体声波谐振器响应曲线
5.2 极大带宽声波滤波器
在声波滤波器设计中，常见的梯形（Ladder）与格型（Lattice）拓扑结构滤波器的带宽受谐振器机电耦合系数（k²）限制。为了满足5G大带宽需求，研究人员一方面不断探索新的材料和谐振器结构以提高谐振器的k²，另一方面提出新的拓扑结构以突破k²限制实现大带宽设计。如图12所示，Jordi Mateu等人提出了一种基于声波谐振器的新型滤波器结构——横向（Transversal）拓扑结构，该拓扑结构带宽不受谐振器的k²限制。Jordi Mateu等人将BAW谐振器与该拓扑结构结合，实现了适用于5G N77频段的滤波器设计，其频率响应如图13所示。其中，箭头所指示的杂散模式响应需要进一步抑制。该拓扑结构为极大带宽声学滤波器的提供了一个可行的思路。
图12 滤波器拓扑结构示意图及分数带宽与k²的关系
图13 横向滤波器的频率响应
5.3 单片集成波滤波器
多频段、高性能的滤波器单片式集成将是高密度射频前端模组发展的重要趋势之一。传统的SAW声速单一，难以覆盖较宽工作频率，且不同频段的最佳电极厚度不同；BAW器件工作频率取决于悬空结构厚度，片上集成的可实施性较差。2020年，Skyworks发布了在RF-SOI上实现射频开关和多颗声学滤波器的单片集成方案，包含一颗BAW和多颗兰姆波滤波器，如图14所示。然而AlN材料损耗较高且压电系数较小，难以实现大带宽、低损耗的集成滤波器方案。本文研究团队的前期研究表明：单晶压电异质集成衬底（如LiNbO3/SiC）具备极佳的声能约束、可多模式激发的优势。因此，基于压电异质集成衬底有望实现低损耗、大带宽、宽频覆盖的滤波器阵列的单片式集成。这将是高密度、低成本射频前端模组的另一条重要发展思路。
图14 基于RF-SOI的单片集成射频前端模式架构图
6 结论
随着压电异质集成材料制备技术的发展，新结构单晶压电薄膜异质衬底的研制不断取得突破，为高性能射频声波滤波器提供了核心材料支撑。基于硅基等高阻材料的压电异质衬底的声表面波滤波器可实现极低的插入损耗、优秀的矩形度与温度稳定性，满足3GHz以下频段需求；基于碳化硅等高声速材料的压电异质衬底的声表面波滤波器兼顾高频、大带宽、高功率与高温度稳定性的特性，有望应用于5G N77与N79频段；悬空薄膜型器件可实现极高频率与极大带宽，待散热问题解决后将有望应用与5G N77、N79、WIFI 6E等频段。此外，声波滤波器计算仿真、拓扑结构、单片集成等方面的研究也取得了可喜的进展。总的来说，压电异质衬底结构与工艺的创新将从底层进一步推动射频微声器件的发展。
本文已在《导航与控制》2022年第3/4期发表。
延伸阅读：
《5G技术及市场-2022版》
《5G热管理技术及市场-2022版》
《射频（RF）氮化镓技术及厂商专利全景分析-2020版》
《射频（RF）声波滤波器专利全景分析-2019版》
