陶桂龙, 支国伟, 罗添友, 欧阳佩东, 衣新燕, 李国强

无机材料学报 2025, 40 (2): 128-144. DOI:10.15541/jim20240355

摘要（332）

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随着通信技术升级以及5G通信应用的驱动, 各种智能设备所需的滤波器数量激增, 促进了滤波器市场的繁荣, 但对其性能要求也越来越高, 例如大带宽、高频率、高功率容量、微型化、集成化以及低成本等指标是学术界与产业界重点关注的方向, 而基于薄膜体声波谐振器(Thin Film Bulk Acoustic Resonator, FBAR)技术的FBAR滤波器已成为最有前景的滤波器之一。另外, 当前空腔型FBAR滤波器已取得了一定的商业成功, 但是仍面临性能不足、工艺复杂、成本略高、技术受限等困境。为此, 本文试图从器件理论研究与结构优化、高性能压电材料制备与优化、新型工艺开发及技术融合三方面对FBAR滤波器的相关问题与关键技术进行综述, 旨在为该研究领域的学者梳理FBAR滤波器技术进阶与迭代的脉络, 以期为未来研究的路径与方向提供若干启发性思考。

FBAR滤波器是一款利用压电薄膜在厚度方向上的声学谐振而实现电学选频的器件, 将基本构成单元FBAR按特定电路拓扑结构级联之后便可构成。其中FBAR的电学特性如图1(a)所示, 在不同频率的输入信号作用下, 其表现出不同的电学特征。当信号频率

f = f_{s}

时, FBAR发生串联谐振, 阻抗呈极小值; 当信号频率

f = f_{p}

时, FBAR发生并联谐振, 阻抗呈极大值。受限于半导体IC工艺制程等因素, 并考虑在晶圆上的集成化、可制造性、生产良率等原因, 当前实用的FBAR滤波器在拓扑结构上广泛采取了梯形结构的级联形式, 而

L

型结构是梯形滤波器中最基础的单元之一, 如图1(b)所示, 其中横向与纵向器件分别称为串联FBAR、并联FBAR, 其传输特性如图1(c)所示。

在图1(b)所示的FBAR滤波器中, 设串联FBAR的串/并联谐振频率分别为

f_{s}^{s} 、 f_{p}^{s}

, 并联FBAR的串/并联谐振频率分别为

f_{s}^{p} 、 f_{p}^{p}

。在实际制备FBAR滤波器时, 串/并联FBAR的结构一般相同, 但会通过一些工艺使两器件在电极面积等方面有细微差异, 以形成不同的谐振频率, 且后者的谐振频率低于前者, 理想状态下制备的器件中应有

f_{s}^{s} = f_{p}^{p}

。基于理想情况,

L

型FBAR滤波器的工作原理如下: 当输入信号

f = f_{s}^{p}

时, 串联FBAR的阻抗呈容抗但数值较小, 并联FBAR的阻抗呈极小值, 可类比为短路, 此时信号通过串联FBAR但被并联FBAR短接入地而滤除; 当输入信号

f = f_{s}^{s} = f_{p}^{p}

时, 串联FBAR的阻抗呈极小值, 并联FBAR的阻抗呈极大值, 可类比为串联FBAR短路, 并联FBAR断路, 则该信号通过滤波器; 当输入信号

f = f_{p}^{s}

时, 串联FBAR阻抗呈极大值, 可类比为断路, 并联FBAR阻抗呈容抗但数值较小, 就算有信号分量通过串联FBAR泄漏也会被并联FBAR再次过滤。此外, FBAR滤波器常用的基础单元还有

T

型/

π

型结构。根据工艺制程以及不同的应用需求与性能指标, 常将若干

L

型/

T

型/

π

型结构通过不同形式的级联而构成所需滤波器。但要实现一款真正实用的滤波器则需对系统的整体性能指标进行全面考量以及综合分析, 并在不同性能需求之间做出合理权衡, 故其拓扑网络的构建过程必将更为复杂。