高性能聲學濾波器技術研究進展

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用技術重點實驗室 云南省先進制造技術研究中心，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,從電子通信發展的初期，濾波器就在信號處理電路中發揮著重要的作用，并隨著通信技術的發展而取得不斷進步。

目前，在移動通信中所使用的頻段數量已從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，如大規模多輸入多輸出(MIMO)和多載波聚合(MCA)技術等引入后，需支持的無線通信頻段也越來越多[1-2]。頻段數越多則要求濾波器數量也越多。雖然實現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，聲學濾波器已成為目前射頻(RF)信號通路中的主要技術。

一般而言，聲學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6 GHz)下進行工作[3]。SAW濾波器能滿足最高1.9 GHz標準濾波器應用，包括第一代(1G)至第三代(3G)移動通信等標準頻段，以及部分第四代(4G)頻段；而BAW濾波器可處理的頻率高達6 GHz，在頻率高于1.9 GHz的4G頻段和5G頻段(sub-6 GHz)的應用優勢更明顯[4-5]。因此，這兩種聲學濾波器在當代移動通信設備中具有互補優勢，共存使用，成為其RF信號通路中的關鍵組成部分。

隨著RF濾波器數量的增長及RF前端性能要求的不斷提高，也要求聲學濾波器具有更高的性能(如低插入損耗、寬帶寬、高溫度穩定性及帶外抑制能力等)。近年來，為適應新的應用需求，在一些新架構、新材料和先進建模技術的加持下，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濾波器，持續在RF系統中發揮著重要作用。本文對近年來國內外的一些高性能聲學濾波器技術的研究情況進行了分析與評述。

1 SAW濾波器技術

雖然如今的SAW濾波器技術已很成熟，但在RF前端市場需求的推動下，近年來仍在持續發展。常規的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技術發揮到接近4 GHz，目前該公司量產的頻率可達3.5 GHz。這種濾波器具有高品質因數(Q)值、低頻率溫度系數(TCF)和高散熱性的特點，可實現與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生的熱量高效地從基板一側散發出去，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)設計出一種工作頻率高達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諧振器結構的剖面示意圖

2020年，美國高通公司突破性地推出了一種面向4G和5G移動終端應用的被稱為“UltraSAW”的濾波器。這種濾波器具有優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自主研發的Smart CutTM工藝制成[9]。利用POI襯底可改善濾波器的品質因數、耦合系數及頻率溫度系數等性能。

圖2 用于SAW濾波器制作的POI襯底結構示意圖

2020年，上海微系統研究所將LiNbO3單晶薄膜與高聲速、高導熱的支撐襯底進行異質集成，并利用這種POI襯底結構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]。利用這種異質集成技術來研制射頻濾波器，可進一步提高射頻SAW濾波器的工作頻率和綜合性能。

圖3 利用異質集成POI技術來制作的SAW濾波器的測試結果

由于SAW濾波器易受溫度的影響，特別是當溫度升高時，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TC-SAW濾波器的方式有：

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

2) 在具有負聲速溫度系數(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濾波器的基本結構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(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。利用這些技術不僅實現了低插入損耗，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[16]報道了利用化學機械拋光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

常規的TC-SAW結構都屬于多層結構，因其排線的固有波導特性將在諧振器中產生很強的橫向模式。通常橫向模式會使通帶產生過度的頻率波紋，繼而導致更高的通帶損耗，也使生產率降低。為此，美國加利福利亞大學的研究人員提出一種新的諧振器結構來抑制TC-SAW器件中的橫向寄生效應。圖6為這種新型諧振器結構示意圖[17]。由圖可看出，此諧振器結構中，將聲波諧振器的波導進行彎曲，其彎曲角度(θ)為諧振器叉指換能器(IDT)區域的長度與半徑(ρ)之比。當SAW諧振器被彎曲后，仍可進行誘導基本模式，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構的外形，工藝流程無需進行特殊處理。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 彎曲型諧振器結構示意圖

2 BAW濾波器技術

從近兩年全球5G移動通信網絡技術的部署情況來看，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5G移動通信，使聲學濾波器面臨新的技術挑戰。與SAW濾波器技術相比，在高頻范圍下，BAW濾波器技術的通帶插損小，選擇性高，可承受高功率的時間長，靜電放電(ESD)保護好，且溫度特性穩定[19-20]。

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

1995年，K. M. Lakin 等[24]對實現BAW濾波器的聲諧振器進行了分類。根據聲能反射方式和結構方式的不同，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型濾波器因其結構中有一條導熱通路通向襯底，可通過襯底進行散熱，但其Q值相對較低。而FBAR濾波器由于諧振器結構里有氣隙，因為空氣是不良熱導體，因此導熱能力相對較弱[26]。如Qorvo公司開發的SMR型BAW濾波器，其諧振器結構中的聲發射層很薄，與下方的Si基板直接相連，從而使濾波器內產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諧振器結構的器件每瓦發射功率的溫度只上升20 ℃，而使用FBAR結構時，每瓦發射功率的溫度則上升70 ℃[28]。因此，SMR濾波器更能滿足系統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濾波器結構的功率和熱量處理對比

為滿足5G通信技術發展要求，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的諧振器進行制作，具有很大的耦合系數，在5 GHz時可實現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薄晶片進行制作，其結構示意圖如圖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7 000 MHz(802.11 ax)頻段，且帶寬超過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諧振器結構示意圖

Akoustis技術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，其利用獨有的XBAWTM專利技術，開發出了基于單晶壓電薄膜的商用3～7 GHz FBAR濾波器產品[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氣相沉積(MOCVD)法制備的單晶AlN具有更高的固有晶體質量，能改善聲波速度和壓電機械耦合系數，從而獲得高帶寬、高工作頻率和高輸出功率[31]。圖9為Akoustis技術公司采用的BAW諧振器結構與傳統類型結構對比[32]。圖9(c)為Akoustis技術公司所采用的BAW諧振器結構。

圖9 3種BAW諧振器的截面結構對比

3 結束語

當代通信技術不斷演進，給RF濾波器的發展帶來良好的機遇。近年來，在4G和5G通信技術的連續推動下，聲學濾波器技術不斷創新，器件進一步朝向小型化、高頻化及集成化等方向邁進。一些高性能器件(如I.H.P SAW、 UltraSAW、XBARTM、XBAW等)技術給業界注入了新的活力，使聲學濾波器持續在射頻前端通信領域發揮重要作用。

當前，聲學濾波器技術已步入到面向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(6G)的應用研究也受到業界的關注。除進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，聲學濾波器的未來發展必將面臨一些技術挑戰，即進一步減少輻射損耗、溫度穩定性、增強功率耐受性及開發新材料等技術問題。