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9
单晶AlN-FBAR滤波器[55]
正文中引用本图/表的段落
2022年Ding等[55]设计了一款单晶AlN-FBAR滤波器, 如图9所示。通过在碳化硅衬底上外延生长单晶AlN薄膜, 然后将该薄膜转移到另一片碳化硅衬底, 获得了高达72%、最大Q值为837的FBAR, 基于该FBAR所制备的滤波器的中心频率为3.38 GHz, -3 dB带宽为160 MHz, 插入损耗为1.5 dB, 带外抑制大于31 dB。2023年Qin等[56]利用晶片键合与层转移技术制作了一款单晶AlN-FBAR, 其谐振频率为3.3 GHz, Q值为865, 为5.0%。这些研究显示了单晶AlN薄膜在提升FBAR及其滤波器性能方面的潜力。
(a) Measured power sweep at right band edge of the filters; (b) Measured insertion loss of the filters versus input power ... The 3.4 GHz BAW RF filter based on single crystal AlN resonator for 5G application 3 2022 ... 2022年Ding等[55]设计了一款单晶AlN-FBAR滤波器, 如图9所示.通过在碳化硅衬底上外延生长单晶AlN薄膜, 然后将该薄膜转移到另一片碳化硅衬底, 获得了高达72%、最大Q值为837的FBAR, 基于该FBAR所制备的滤波器的中心频率为3.38 GHz, -3 dB带宽为160 MHz, 插入损耗为1.5 dB, 带外抑制大于31 dB.2023年Qin等[56]利用晶片键合与层转移技术制作了一款单晶AlN-FBAR, 其谐振频率为3.3 GHz, Q值为865, 为5.0%.这些研究显示了单晶AlN薄膜在提升FBAR及其滤波器性能方面的潜力. ...
(a) Actual layout; (b) Simulated and measured transmission response curves ... 3.3 GHz BAW resonators fabricated on single crystal AlN templates 1 2023 ... 2022年Ding等[55]设计了一款单晶AlN-FBAR滤波器, 如图9所示.通过在碳化硅衬底上外延生长单晶AlN薄膜, 然后将该薄膜转移到另一片碳化硅衬底, 获得了高达72%、最大Q值为837的FBAR, 基于该FBAR所制备的滤波器的中心频率为3.38 GHz, -3 dB带宽为160 MHz, 插入损耗为1.5 dB, 带外抑制大于31 dB.2023年Qin等[56]利用晶片键合与层转移技术制作了一款单晶AlN-FBAR, 其谐振频率为3.3 GHz, Q值为865, 为5.0%.这些研究显示了单晶AlN薄膜在提升FBAR及其滤波器性能方面的潜力. ... Enhancement of piezoelectric response in scandium aluminum nitride alloy thin films prepared by dual reactive cosputtering 1 2009 ... 2009年Akiyama等[57]实验证实了掺Sc可显著提升AlN薄膜的压电特性, 随后业界对AlScN薄膜愈发重视.Moreira等[58]是较早将AlScN薄膜应用到FBAR的研究者, 他们在2011年报道了当Sc掺杂量达到15%(原子分数)时, 所获FBAR的可达12.07%.Umeda等[59]则在2013年介绍了Sc掺杂量为35%(原子分数)的AlN-FBAR, 该器件的为15.5%.2017年Sano等[60]基于Al0.61Sc0.39N薄膜实现了为18.5%的FBAR.2019年Park等[61]以外延生长的Mo作为底电极, 研究了基于Al0.88Sc0.12N与Mo堆叠结构的FBAR, 该器件是一款多频点器件, 模拟所得最高工作频率达18.99 GHz.2020年Moe等[62]通过对AlN薄膜掺杂28%(原子分数)的Sc而制备了一款FBAR.该器件的最高可达16%, 其在3.5 GHz工作时Q值高达1070, FOM为158.同年Wang等[63]通过Al0.7Sc0.3N实现了达18.1%的FBAR器件.这些工作为FBAR滤波器领域的研究人员打开了思路, 例如Kim等[64]利用高掺杂AlScN薄膜开发了一款为13.2%、最大Q值可达1789的FBAR, 并基于此设计了一款在整个6 GHz频段性能表现良好的FBAR滤波器, 如图10所示. ... Aluminum scandium nitride thin-film bulk acoustic resonators for wide band applications 1 2011 ... 2009年Akiyama等[57]实验证实了掺Sc可显著提升AlN薄膜的压电特性, 随后业界对AlScN薄膜愈发重视.Moreira等[58]是较早将AlScN薄膜应用到FBAR的研究者, 他们在2011年报道了当Sc掺杂量达到15%(原子分数)时, 所获FBAR的可达12.07%.Umeda等[59]则在2013年介绍了Sc掺杂量为35%(原子分数)的AlN-FBAR, 该器件的为15.5%.2017年Sano等[60]基于Al0.61Sc0.39N薄膜实现了为18.5%的FBAR.2019年Park等[61]以外延生长的Mo作为底电极, 研究了基于Al0.88Sc0.12N与Mo堆叠结构的FBAR, 该器件是一款多频点器件, 模拟所得最高工作频率达18.99 GHz.2020年Moe等[62]通过对AlN薄膜掺杂28%(原子分数)的Sc而制备了一款FBAR.该器件的最高可达16%, 其在3.5 GHz工作时Q值高达1070, FOM为158.同年Wang等[63]通过Al0.7Sc0.3N实现了达18.1%的FBAR器件.这些工作为FBAR滤波器领域的研究人员打开了思路, 例如Kim等[64]利用高掺杂AlScN薄膜开发了一款为13.2%、最大Q值可达1789的FBAR, 并基于此设计了一款在整个6 GHz频段性能表现良好的FBAR滤波器, 如图10所示. ... Piezoelectric properties of ScAlN thin films for piezo-MEMS devices 1 2013 ... 2009年Akiyama等[57]实验证实了掺Sc可显著提升AlN薄膜的压电特性, 随后业界对AlScN薄膜愈发重视.Moreira等[58]是较早将AlScN薄膜应用到FBAR的研究者, 他们在2011年报道了当Sc掺杂量达到15%(原子分数)时, 所获FBAR的可达12.07%.Umeda等[59]则在2013年介绍了Sc掺杂量为35%(原子分数)的AlN-FBAR, 该器件的为15.5%.2017年Sano等[60]基于Al0.61Sc0.39N薄膜实现了为18.5%的FBAR.2019年Park等[61]以外延生长的Mo作为底电极, 研究了基于Al0.88Sc0.12N与Mo堆叠结构的FBAR, 该器件是一款多频点器件, 模拟所得最高工作频率达18.99 GHz.2020年Moe等[62]通过对AlN薄膜掺杂28%(原子分数)的Sc而制备了一款FBAR.该器件的最高可达16%, 其在3.5 GHz工作时Q值高达1070, FOM为158.同年Wang等[63]通过Al0.7Sc0.3N实现了达18.1%的FBAR器件.这些工作为FBAR滤波器领域的研究人员打开了思路, 例如Kim等[64]利用高掺杂AlScN薄膜开发了一款为13.2%、最大Q值可达1789的FBAR, 并基于此设计了一款在整个6 GHz频段性能表现良好的FBAR滤波器, 如图10所示. ... High electromechanical coefficient kt2=19% thick ScAlN piezoelectric films for ultrasonic transducer in low frequency of 80 MHz 1 2017 ... 2009年Akiyama等[57]实验证实了掺Sc可显著提升AlN薄膜的压电特性, 随后业界对AlScN薄膜愈发重视.Moreira等[58]是较早将AlScN薄膜应用到FBAR的研究者, 他们在2011年报道了当Sc掺杂量达到15%(原子分数)时, 所获FBAR的可达12.07%.Umeda等[59]则在2013年介绍了Sc掺杂量为35%(原子分数)的AlN-FBAR, 该器件的为15.5%.2017年Sano等[60]基于Al0.61Sc0.39N薄膜实现了为18.5%的FBAR.2019年Park等[61]以外延生长的Mo作为底电极, 研究了基于Al0.88Sc0.12N与Mo堆叠结构的FBAR, 该器件是一款多频点器件, 模拟所得最高工作频率达18.99 GHz.2020年Moe等[62]通过对AlN薄膜掺杂28%(原子分数)的Sc而制备了一款FBAR.该器件的最高可达16%, 其在3.5 GHz工作时Q值高达1070, FOM为158.同年Wang等[63]通过Al0.7Sc0.3N实现了达18.1%的FBAR器件.这些工作为FBAR滤波器领域的研究人员打开了思路, 例如Kim等[64]利用高掺杂AlScN薄膜开发了一款为13.2%、最大Q值可达1789的FBAR, 并基于此设计了一款在整个6 GHz频段性能表现良好的FBAR滤波器, 如图10所示. ... Super high-frequency scandium aluminum nitride crystalline film bulk acoustic resonators 1 2019 ... 2009年Akiyama等[57]实验证实了掺Sc可显著提升AlN薄膜的压电特性, 随后业界对AlScN薄膜愈发重视.Moreira等[58]是较早将AlScN薄膜应用到FBAR的研究者, 他们在2011年报道了当Sc掺杂量达到15%(原子分数)时, 所获FBAR的可达12.07%.Umeda等[59]则在2013年介绍了Sc掺杂量为35%(原子分数)的AlN-FBAR, 该器件的为15.5%.2017年Sano等[60]基于Al0.61Sc0.39N薄膜实现了为18.5%的FBAR.2019年Park等[61]以外延生长的Mo作为底电极, 研究了基于Al0.88Sc0.12N与Mo堆叠结构的FBAR, 该器件是一款多频点器件, 模拟所得最高工作频率达18.99 GHz.2020年Moe等[62]通过对AlN薄膜掺杂28%(原子分数)的Sc而制备了一款FBAR.该器件的最高可达16%, 其在3.5 GHz工作时Q值高达1070, FOM为158.同年Wang等[63]通过Al0.7Sc0.3N实现了达18.1%的FBAR器件.这些工作为FBAR滤波器领域的研究人员打开了思路, 例如Kim等[64]利用高掺杂AlScN薄膜开发了一款为13.2%、最大Q值可达1789的FBAR, 并基于此设计了一款在整个6 GHz频段性能表现良好的FBAR滤波器, 如图10所示. ... Highly doped AlScN 3.5 GHz XBAW resonators with 16% keff2 for 5G RF filter applications 1 2020 ... 2009年Akiyama等[57]实验证实了掺Sc可显著提升AlN薄膜的压电特性, 随后业界对AlScN薄膜愈发重视.Moreira等[58]是较早将AlScN薄膜应用到FBAR的研究者, 他们在2011年报道了当Sc掺杂量达到15%(原子分数)时, 所获FBAR的可达12.07%.Umeda等[59]则在2013年介绍了Sc掺杂量为35%(原子分数)的AlN-FBAR, 该器件的为15.5%.2017年Sano等[60]基于Al0.61Sc0.39N薄膜实现了为18.5%的FBAR.2019年Park等[61]以外延生长的Mo作为底电极, 研究了基于Al0.88Sc0.12N与Mo堆叠结构的FBAR, 该器件是一款多频点器件, 模拟所得最高工作频率达18.99 GHz.2020年Moe等[62]通过对AlN薄膜掺杂28%(原子分数)的Sc而制备了一款FBAR.该器件的最高可达16%, 其在3.5 GHz工作时Q值高达1070, FOM为158.同年Wang等[63]通过Al0.7Sc0.3N实现了达18.1%的FBAR器件.这些工作为FBAR滤波器领域的研究人员打开了思路, 例如Kim等[64]利用高掺杂AlScN薄膜开发了一款为13.2%、最大Q值可达1789的FBAR, 并基于此设计了一款在整个6 GHz频段性能表现良好的FBAR滤波器, 如图10所示. ... A film bulk acoustic resonator based on ferroelectric aluminum scandium nitride films 1 2020 ... 2009年Akiyama等[57]实验证实了掺Sc可显著提升AlN薄膜的压电特性, 随后业界对AlScN薄膜愈发重视.Moreira等[58]是较早将AlScN薄膜应用到FBAR的研究者, 他们在2011年报道了当Sc掺杂量达到15%(原子分数)时, 所获FBAR的可达12.07%.Umeda等[59]则在2013年介绍了Sc掺杂量为35%(原子分数)的AlN-FBAR, 该器件的为15.5%.2017年Sano等[60]基于Al0.61Sc0.39N薄膜实现了为18.5%的FBAR.2019年Park等[61]以外延生长的Mo作为底电极, 研究了基于Al0.88Sc0.12N与Mo堆叠结构的FBAR, 该器件是一款多频点器件, 模拟所得最高工作频率达18.99 GHz.2020年Moe等[62]通过对AlN薄膜掺杂28%(原子分数)的Sc而制备了一款FBAR.该器件的最高可达16%, 其在3.5 GHz工作时Q值高达1070, FOM为158.同年Wang等[63]通过Al0.7Sc0.3N实现了达18.1%的FBAR器件.这些工作为FBAR滤波器领域的研究人员打开了思路, 例如Kim等[64]利用高掺杂AlScN薄膜开发了一款为13.2%、最大Q值可达1789的FBAR, 并基于此设计了一款在整个6 GHz频段性能表现良好的FBAR滤波器, 如图10所示. ... Wideband 6 GHz RF filters for Wi-Fi 6E using a unique BAW process and highly Sc-doped AlN thin film 3 2021 ... 2009年Akiyama等[57]实验证实了掺Sc可显著提升AlN薄膜的压电特性, 随后业界对AlScN薄膜愈发重视.Moreira等[58]是较早将AlScN薄膜应用到FBAR的研究者, 他们在2011年报道了当Sc掺杂量达到15%(原子分数)时, 所获FBAR的可达12.07%.Umeda等[59]则在2013年介绍了Sc掺杂量为35%(原子分数)的AlN-FBAR, 该器件的为15.5%.2017年Sano等[60]基于Al0.61Sc0.39N薄膜实现了为18.5%的FBAR.2019年Park等[61]以外延生长的Mo作为底电极, 研究了基于Al0.88Sc0.12N与Mo堆叠结构的FBAR, 该器件是一款多频点器件, 模拟所得最高工作频率达18.99 GHz.2020年Moe等[62]通过对AlN薄膜掺杂28%(原子分数)的Sc而制备了一款FBAR.该器件的最高可达16%, 其在3.5 GHz工作时Q值高达1070, FOM为158.同年Wang等[63]通过Al0.7Sc0.3N实现了达18.1%的FBAR器件.这些工作为FBAR滤波器领域的研究人员打开了思路, 例如Kim等[64]利用高掺杂AlScN薄膜开发了一款为13.2%、最大Q值可达1789的FBAR, 并基于此设计了一款在整个6 GHz频段性能表现良好的FBAR滤波器, 如图10所示. ...
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