空腔型薄膜体声波滤波器的关键技术进展
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
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。
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图8
基于单晶和多晶AlN的3.55 GHz FBAR滤波器[54]
正文中引用本图/表的段落
2016年Shealy等[51]报道了一款单晶AlN-FBAR, 其相比于多晶AlN-FBAR至少提升一倍, FOM也增长了30%。该团队还在碳化硅衬底上成功设计了一款为7.63%的单晶AlN-FBAR[52], 这在一定程度上证明了单晶AlN薄膜有助于提升器件性能。2018年Vetury等[53]在硅衬底上制备了单晶AlN- FBAR, 测试显示由其制备得到的器件具有5.2 GHz的工作频率, 且为6.26%, Q值为2136。此外该工作表明单晶AlN-FBAR展现出更优异的功率处理性能和更高的器件可靠性。2020年Shen等[54]介绍了基于单晶与多晶AlN薄膜的两种3.55 GHz FBAR滤波器。由于两者使用相同掩模板和相同工艺进行制造, 且封装在相同的层压板中, 故带宽性能非常相似。分析两种滤波器通带右侧边缘的功率扫描结果以及滤波器的插入损耗与其输入功率的关系(图8)可知: 单晶AlN-FBAR滤波器最大处理功率可达40.6 W, 同时保持了1.2~1.4 dB范围的低插入损耗; 而多晶AlN-FBAR滤波器最大处理功率为22.5 W, 且插入损耗在1.6~2.0 dB之间。
(a) Schematic representation of discretized resonator model; (b) Two resonators in series and connected by broad lead; (c) Single resonator connected by narrow lead ... Design and fabrication of temperature-compensated film bulk acoustic resonator filter based on the stress compensation effect 1 2022 ... 制备FBAR滤波器的多数材料具有负温度系数的特征, 当环境温度发生变化时, 器件频率将出现温漂现象, 若滤波器的带宽较窄, 则很难有效滤除相邻频段的噪声干扰.通常在器件结构中增设SiO2薄膜等具有正温度系数的叠层结构来解决此问题.Liu等[37]建立了FBAR的温补结构及其一维Mason等效电路模型, 并利用ADS、HFSS、COMSOL软件对温补型FBAR进行了仿真, 研究SiO2厚度对温度补偿特性的影响.该研究表明在合适的SiO2厚度下, 温补型FBAR的温度系数可以达0 ℃?1.Wu等[38]同样对温补型FBAR进行了建模仿真, 随后利用所优化的一维电学模型建立了FBAR滤波器模型, 结果显示该滤波器的频率温度系数绝对值可达7.09×10?6 ℃?1.这些研究为温度要求苛刻的高频应用提供了方案参考. ... Design and modeling of film bulk acoustic resonator considering temperature compensation for 5G communication 1 2024 ... 制备FBAR滤波器的多数材料具有负温度系数的特征, 当环境温度发生变化时, 器件频率将出现温漂现象, 若滤波器的带宽较窄, 则很难有效滤除相邻频段的噪声干扰.通常在器件结构中增设SiO2薄膜等具有正温度系数的叠层结构来解决此问题.Liu等[37]建立了FBAR的温补结构及其一维Mason等效电路模型, 并利用ADS、HFSS、COMSOL软件对温补型FBAR进行了仿真, 研究SiO2厚度对温度补偿特性的影响.该研究表明在合适的SiO2厚度下, 温补型FBAR的温度系数可以达0 ℃?1.Wu等[38]同样对温补型FBAR进行了建模仿真, 随后利用所优化的一维电学模型建立了FBAR滤波器模型, 结果显示该滤波器的频率温度系数绝对值可达7.09×10?6 ℃?1.这些研究为温度要求苛刻的高频应用提供了方案参考. ... An investigation on extraction of material parameters in longitudinal mode of FBAR 1 2020 ... 为进一步优化FBAR模型及所设计的滤波器, 已有研究分析了从制备器件中提取的压电薄膜材料的参数[39], 研究人员也尝试了其它电极材料的可能性(如碳纳米管)[40].另外, 目前对FBAR滤波器整体电磁兼容性、版图布局及自动布局的工具开发等尚需深入钻研.为了微调FBAR的频率, 一般可在顶电极上沉积和图案化频率调节层[41], 但FBAR滤波器的响应曲线主要是通过拓扑结构中各个串/并联FBAR的面积比来实现调控, 从前述内容可以预料到不同形状、不同面积的电极以及框架结构将极其考验实际的制备工艺能力.总而言之, 开发FBAR滤波器是一个工程性问题, 其涉及的理论解析、实际结构优化尚需深入挖掘以及进一步综合性、系统性的剖析. ... Carbon nanotube as electrode in film bulk acoustic wave resonator for improved performance 1 2020 ... 为进一步优化FBAR模型及所设计的滤波器, 已有研究分析了从制备器件中提取的压电薄膜材料的参数[39], 研究人员也尝试了其它电极材料的可能性(如碳纳米管)[40].另外, 目前对FBAR滤波器整体电磁兼容性、版图布局及自动布局的工具开发等尚需深入钻研.为了微调FBAR的频率, 一般可在顶电极上沉积和图案化频率调节层[41], 但FBAR滤波器的响应曲线主要是通过拓扑结构中各个串/并联FBAR的面积比来实现调控, 从前述内容可以预料到不同形状、不同面积的电极以及框架结构将极其考验实际的制备工艺能力.总而言之, 开发FBAR滤波器是一个工程性问题, 其涉及的理论解析、实际结构优化尚需深入挖掘以及进一步综合性、系统性的剖析. ... A 1 resonators in 128° Y-cut lithium niobate with electromechanical coupling of 46.4% 1 2020 ... 为进一步优化FBAR模型及所设计的滤波器, 已有研究分析了从制备器件中提取的压电薄膜材料的参数[39], 研究人员也尝试了其它电极材料的可能性(如碳纳米管)[40].另外, 目前对FBAR滤波器整体电磁兼容性、版图布局及自动布局的工具开发等尚需深入钻研.为了微调FBAR的频率, 一般可在顶电极上沉积和图案化频率调节层[41], 但FBAR滤波器的响应曲线主要是通过拓扑结构中各个串/并联FBAR的面积比来实现调控, 从前述内容可以预料到不同形状、不同面积的电极以及框架结构将极其考验实际的制备工艺能力.总而言之, 开发FBAR滤波器是一个工程性问题, 其涉及的理论解析、实际结构优化尚需深入挖掘以及进一步综合性、系统性的剖析. ... Development of piezoelectric thin film resonator and its impact on future wireless communication systems 1 2005 ... 高质量的压电薄膜材料无疑是获得高性能FBAR滤波器的关键.在目前可商业生产的FBAR滤波器所用压电薄膜材料中, 多晶AlN薄膜在经过多年的技术迭代之后, 技术已然十分成熟, 但仍存在一个问题: 多晶AlN薄膜内部众多的位错和晶界等微观缺陷会引起声波能量的散射和衰减, 导致多晶AlN-FBAR的基本都小于7.1%[18,42 -43], 进而使多晶AlN-FBAR滤波器的最大相对带宽多为3%左右.这显然无法充分满足5G通信中宽频带的频谱需求, 故滤波器的带宽扩展亟需突破现有限制[5-6,44 -45].另外, 更需注意的是, 目前基于多晶AlN薄膜的技术路线已相当完善, 而且滤波器领域内的国际巨头企业已建立了坚固的专利壁垒.因此, 为研发可商业实施的FBAR滤波器, 研究人员便将更多目光投放到基于单晶或掺杂AlN薄膜材料的技术路线上. ... Sputtered AlN thin films for piezoelectric MEMS devices 1 2006 ... 高质量的压电薄膜材料无疑是获得高性能FBAR滤波器的关键.在目前可商业生产的FBAR滤波器所用压电薄膜材料中, 多晶AlN薄膜在经过多年的技术迭代之后, 技术已然十分成熟, 但仍存在一个问题: 多晶AlN薄膜内部众多的位错和晶界等微观缺陷会引起声波能量的散射和衰减, 导致多晶AlN-FBAR的基本都小于7.1%[18,42 -43], 进而使多晶AlN-FBAR滤波器的最大相对带宽多为3%左右.这显然无法充分满足5G通信中宽频带的频谱需求, 故滤波器的带宽扩展亟需突破现有限制[5-6,44 -45].另外, 更需注意的是, 目前基于多晶AlN薄膜的技术路线已相当完善, 而且滤波器领域内的国际巨头企业已建立了坚固的专利壁垒.因此, 为研发可商业实施的FBAR滤波器, 研究人员便将更多目光投放到基于单晶或掺杂AlN薄膜材料的技术路线上. ... The 5G effect on RF filter technologies 1 2017 ... 高质量的压电薄膜材料无疑是获得高性能FBAR滤波器的关键.在目前可商业生产的FBAR滤波器所用压电薄膜材料中, 多晶AlN薄膜在经过多年的技术迭代之后, 技术已然十分成熟, 但仍存在一个问题: 多晶AlN薄膜内部众多的位错和晶界等微观缺陷会引起声波能量的散射和衰减, 导致多晶AlN-FBAR的基本都小于7.1%[18,42 -43], 进而使多晶AlN-FBAR滤波器的最大相对带宽多为3%左右.这显然无法充分满足5G通信中宽频带的频谱需求, 故滤波器的带宽扩展亟需突破现有限制[5-6,44 -45].另外, 更需注意的是, 目前基于多晶AlN薄膜的技术路线已相当完善, 而且滤波器领域内的国际巨头企业已建立了坚固的专利壁垒.因此, 为研发可商业实施的FBAR滤波器, 研究人员便将更多目光投放到基于单晶或掺杂AlN薄膜材料的技术路线上. ... BAW filters for 5G bands 1 2018 ... 高质量的压电薄膜材料无疑是获得高性能FBAR滤波器的关键.在目前可商业生产的FBAR滤波器所用压电薄膜材料中, 多晶AlN薄膜在经过多年的技术迭代之后, 技术已然十分成熟, 但仍存在一个问题: 多晶AlN薄膜内部众多的位错和晶界等微观缺陷会引起声波能量的散射和衰减, 导致多晶AlN-FBAR的基本都小于7.1%[18,42 -43], 进而使多晶AlN-FBAR滤波器的最大相对带宽多为3%左右.这显然无法充分满足5G通信中宽频带的频谱需求, 故滤波器的带宽扩展亟需突破现有限制[5-6,44 -45].另外, 更需注意的是, 目前基于多晶AlN薄膜的技术路线已相当完善, 而且滤波器领域内的国际巨头企业已建立了坚固的专利壁垒.因此, 为研发可商业实施的FBAR滤波器, 研究人员便将更多目光投放到基于单晶或掺杂AlN薄膜材料的技术路线上. ... Epitaxial growth of single- crystalline AlN films on tungsten substrates 1 2006 ... 相较于多晶AlN薄膜, 单晶AlN薄膜有着更少的微观缺陷和更高的薄膜材料质量, 而且即使厚度较薄也能维持优异的压电特性, 这使单晶AlN- FBAR应用能够扩展至更高频段.Li等[46]早在2006年就报道了高质量单晶AlN薄膜的研究成果, 并率先指出单晶AlN薄膜为高性能FBAR的发展提供了良好契机, 接着对单晶AlN薄膜及其应用开展了持续研究并进行了大量的技术积累以及成果报道[47??-50], 各国研究人员随之也对单晶AlN-FBAR表现出了极高的热情. ... Epitaxial growth of 2 inch diameter homogeneous AlN single-crystalline films by pulsed laser deposition 1 2013 ... 相较于多晶AlN薄膜, 单晶AlN薄膜有着更少的微观缺陷和更高的薄膜材料质量, 而且即使厚度较薄也能维持优异的压电特性, 这使单晶AlN- FBAR应用能够扩展至更高频段.Li等[46]早在2006年就报道了高质量单晶AlN薄膜的研究成果, 并率先指出单晶AlN薄膜为高性能FBAR的发展提供了良好契机, 接着对单晶AlN薄膜及其应用开展了持续研究并进行了大量的技术积累以及成果报道[47??-50], 各国研究人员随之也对单晶AlN-FBAR表现出了极高的热情. ... High-quality crack-free GaN epitaxial films grown on Si substrates by a two-step growth of AlN buffer layer 1 2016 ... 相较于多晶AlN薄膜, 单晶AlN薄膜有着更少的微观缺陷和更高的薄膜材料质量, 而且即使厚度较薄也能维持优异的压电特性, 这使单晶AlN- FBAR应用能够扩展至更高频段.Li等[46]早在2006年就报道了高质量单晶AlN薄膜的研究成果, 并率先指出单晶AlN薄膜为高性能FBAR的发展提供了良好契机, 接着对单晶AlN薄膜及其应用开展了持续研究并进行了大量的技术积累以及成果报道[47??-50], 各国研究人员随之也对单晶AlN-FBAR表现出了极高的热情. ... AlN/nitrided sapphire and AlN/non-nitrided sapphire hetero-structures epitaxially grown by pulsed laser deposition: a comparative study 1 2017 ... 相较于多晶AlN薄膜, 单晶AlN薄膜有着更少的微观缺陷和更高的薄膜材料质量, 而且即使厚度较薄也能维持优异的压电特性, 这使单晶AlN- FBAR应用能够扩展至更高频段.Li等[46]早在2006年就报道了高质量单晶AlN薄膜的研究成果, 并率先指出单晶AlN薄膜为高性能FBAR的发展提供了良好契机, 接着对单晶AlN薄膜及其应用开展了持续研究并进行了大量的技术积累以及成果报道[47??-50], 各国研究人员随之也对单晶AlN-FBAR表现出了极高的热情. ... Growth mechanisms of GaN epitaxial films grown on ex situ low-temperature AlN templates on Si substrates by the combination methods of PLD and MOCVD 1 2017 ... 相较于多晶AlN薄膜, 单晶AlN薄膜有着更少的微观缺陷和更高的薄膜材料质量, 而且即使厚度较薄也能维持优异的压电特性, 这使单晶AlN- FBAR应用能够扩展至更高频段.Li等[46]早在2006年就报道了高质量单晶AlN薄膜的研究成果, 并率先指出单晶AlN薄膜为高性能FBAR的发展提供了良好契机, 接着对单晶AlN薄膜及其应用开展了持续研究并进行了大量的技术积累以及成果报道[47??-50], 各国研究人员随之也对单晶AlN-FBAR表现出了极高的热情. ... Single crystal aluminum nitride film bulk acoustic resonators 1 2016 ... 2016年Shealy等[51]报道了一款单晶AlN-FBAR, 其相比于多晶AlN-FBAR至少提升一倍, FOM也增长了30%.该团队还在碳化硅衬底上成功设计了一款为7.63%的单晶AlN-FBAR[52], 这在一定程度上证明了单晶AlN薄膜有助于提升器件性能.2018年Vetury等[53]在硅衬底上制备了单晶AlN- FBAR, 测试显示由其制备得到的器件具有5.2 GHz的工作频率, 且为6.26%, Q值为2136.此外该工作表明单晶AlN-FBAR展现出更优异的功率处理性能和更高的器件可靠性.2020年Shen等[54]介绍了基于单晶与多晶AlN薄膜的两种3.55 GHz FBAR滤波器.由于两者使用相同掩模板和相同工艺进行制造, 且封装在相同的层压板中, 故带宽性能非常相似.分析两种滤波器通带右侧边缘的功率扫描结果以及滤波器的插入损耗与其输入功率的关系(图8)可知: 单晶AlN-FBAR滤波器最大处理功率可达40.6 W, 同时保持了1.2~1.4 dB范围的低插入损耗; 而多晶AlN-FBAR滤波器最大处理功率为22.5 W, 且插入损耗在1.6~2.0 dB之间. ... Low loss, 3.7 GHz wideband BAW filters, using high power single crystal AlN-on-SiC resonators 1 2017 ... 2016年Shealy等[51]报道了一款单晶AlN-FBAR, 其相比于多晶AlN-FBAR至少提升一倍, FOM也增长了30%.该团队还在碳化硅衬底上成功设计了一款为7.63%的单晶AlN-FBAR[52], 这在一定程度上证明了单晶AlN薄膜有助于提升器件性能.2018年Vetury等[53]在硅衬底上制备了单晶AlN- FBAR, 测试显示由其制备得到的器件具有5.2 GHz的工作频率, 且为6.26%, Q值为2136.此外该工作表明单晶AlN-FBAR展现出更优异的功率处理性能和更高的器件可靠性.2020年Shen等[54]介绍了基于单晶与多晶AlN薄膜的两种3.55 GHz FBAR滤波器.由于两者使用相同掩模板和相同工艺进行制造, 且封装在相同的层压板中, 故带宽性能非常相似.分析两种滤波器通带右侧边缘的功率扫描结果以及滤波器的插入损耗与其输入功率的关系(图8)可知: 单晶AlN-FBAR滤波器最大处理功率可达40.6 W, 同时保持了1.2~1.4 dB范围的低插入损耗; 而多晶AlN-FBAR滤波器最大处理功率为22.5 W, 且插入损耗在1.6~2.0 dB之间. ... High power, wideband single crystal XBAW technology for sub-6 GHz micro RF filter applications 1 2018 ... 2016年Shealy等[51]报道了一款单晶AlN-FBAR, 其相比于多晶AlN-FBAR至少提升一倍, FOM也增长了30%.该团队还在碳化硅衬底上成功设计了一款为7.63%的单晶AlN-FBAR[52], 这在一定程度上证明了单晶AlN薄膜有助于提升器件性能.2018年Vetury等[53]在硅衬底上制备了单晶AlN- FBAR, 测试显示由其制备得到的器件具有5.2 GHz的工作频率, 且为6.26%, Q值为2136.此外该工作表明单晶AlN-FBAR展现出更优异的功率处理性能和更高的器件可靠性.2020年Shen等[54]介绍了基于单晶与多晶AlN薄膜的两种3.55 GHz FBAR滤波器.由于两者使用相同掩模板和相同工艺进行制造, 且封装在相同的层压板中, 故带宽性能非常相似.分析两种滤波器通带右侧边缘的功率扫描结果以及滤波器的插入损耗与其输入功率的关系(图8)可知: 单晶AlN-FBAR滤波器最大处理功率可达40.6 W, 同时保持了1.2~1.4 dB范围的低插入损耗; 而多晶AlN-FBAR滤波器最大处理功率为22.5 W, 且插入损耗在1.6~2.0 dB之间. ... 40.6 watt, high power 3.55 GHz single crystal XBAW RF filters for 5G infrastructure applications 3 2020 ... 2016年Shealy等[51]报道了一款单晶AlN-FBAR, 其相比于多晶AlN-FBAR至少提升一倍, FOM也增长了30%.该团队还在碳化硅衬底上成功设计了一款为7.63%的单晶AlN-FBAR[52], 这在一定程度上证明了单晶AlN薄膜有助于提升器件性能.2018年Vetury等[53]在硅衬底上制备了单晶AlN- FBAR, 测试显示由其制备得到的器件具有5.2 GHz的工作频率, 且为6.26%, Q值为2136.此外该工作表明单晶AlN-FBAR展现出更优异的功率处理性能和更高的器件可靠性.2020年Shen等[54]介绍了基于单晶与多晶AlN薄膜的两种3.55 GHz FBAR滤波器.由于两者使用相同掩模板和相同工艺进行制造, 且封装在相同的层压板中, 故带宽性能非常相似.分析两种滤波器通带右侧边缘的功率扫描结果以及滤波器的插入损耗与其输入功率的关系(图8)可知: 单晶AlN-FBAR滤波器最大处理功率可达40.6 W, 同时保持了1.2~1.4 dB范围的低插入损耗; 而多晶AlN-FBAR滤波器最大处理功率为22.5 W, 且插入损耗在1.6~2.0 dB之间. ...
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