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。

事实上, AlScN薄膜确实有利于获得更大带宽的FBAR滤波器, 但有研究表明Sc的掺杂量越大越难获得高质量的压电薄膜[67], 故研究人员为获得性能更优的FBAR滤波器, 对Sc掺杂量进行了探索。Momida等[67]研究了AlN薄膜中Sc含量为0~ 87.5%(原子分数)的掺杂情况, 结果显示Sc掺杂量大于50%(原子分数)时, 所获薄膜的压电特性将丧失。另外有研究显示当AlScN薄膜中Sc掺杂量超过6%(原子分数)时, 随着掺杂量继续增大, 器件的Q值将低于2400且急剧下降, 以至于器件失去实用价值。Bogner等[68]曾探讨Sc掺杂量对AlScN薄膜及SMR-BAW器件性能的影响, 研究发现当Sc掺杂量提升至35%(原子分数)时,

k_{eff}^{2}

相较于未掺杂器件实现了翻倍。然而伴随薄膜表面不规则晶粒数量增加, 器件的Q值明显下降, 此成果对FBAR的研究同样非常重要。另外, Mertin等[69]通过一系列表征手段详细分析了基于磁控溅射技术制备的AlScN薄膜的结构特性和表面形貌。结果显示随着Sc掺杂量增加, 薄膜(002)晶面的X射线衍射峰的半高峰宽从1.30°增大至2°, 这表明晶粒在晶体c轴方向上的取向出现了偏离。当Sc掺杂量增至42%(原子分数)时, 在薄膜表面存在大量呈三角锥形的异常晶粒, 而掺杂量较低时, 这类异常晶粒的出现频率相对较低, 如图12所示。

(a) Transmission response of FBAR filter; (b) Return loss of the FBAR filter ...

Super-high-frequency bulk acoustic resonators based on aluminum scandium nitride for wideband applications

2023

... 接着, Zou等[65]基于Al_0.8Sc_0.2N薄膜制备了一款

k_{eff}^{2}

为14.5%、FOM为62的FBAR.该器件

f_{s}

和

f_{p}

的温度系数分别为-19.2×10?6和-21.1×10?6 ℃?1, 表现出良好的温度稳定性, 且在此基础上所构筑的FBAR滤波器中心频率为4.24 GHz, -3 dB带宽为215 MHz, 插入损耗为1.881 dB, 带外抑制大于32 dB, 在中心频率处测量到的回波损耗低于-12 dB, 如图11所示.Dou等[66]则基于Al_0.7Sc_0.3N薄膜与非对称的电极形状和边界框架结构设计了一款

k_{eff}^{2}

为17.8%、

f_{p}

为4.75 GHz的FBAR, 该器件同样具有非常高的温度稳定性. ...

Strong enhancement of piezoelectric constants in Sc_xAl_1-_xN: first-principles calculations

2016

... 事实上, AlScN薄膜确实有利于获得更大带宽的FBAR滤波器, 但有研究表明Sc的掺杂量越大越难获得高质量的压电薄膜[67], 故研究人员为获得性能更优的FBAR滤波器, 对Sc掺杂量进行了探索.Momida等[67]研究了AlN薄膜中Sc含量为0~ 87.5%(原子分数)的掺杂情况, 结果显示Sc掺杂量大于50%(原子分数)时, 所获薄膜的压电特性将丧失.另外有研究显示当AlScN薄膜中Sc掺杂量超过6%(原子分数)时, 随着掺杂量继续增大, 器件的Q值将低于2400且急剧下降, 以至于器件失去实用价值.Bogner等[68]曾探讨Sc掺杂量对AlScN薄膜及SMR-BAW器件性能的影响, 研究发现当Sc掺杂量提升至35%(原子分数)时,

k_{eff}^{2}

相较于未掺杂器件实现了翻倍.然而伴随薄膜表面不规则晶粒数量增加, 器件的Q值明显下降, 此成果对FBAR的研究同样非常重要.另外, Mertin等[69]通过一系列表征手段详细分析了基于磁控溅射技术制备的AlScN薄膜的结构特性和表面形貌.结果显示随着Sc掺杂量增加, 薄膜(002)晶面的X射线衍射峰的半高峰宽从1.30°增大至2°, 这表明晶粒在晶体c轴方向上的取向出现了偏离.当Sc掺杂量增至42%(原子分数)时, 在薄膜表面存在大量呈三角锥形的异常晶粒, 而掺杂量较低时, 这类异常晶粒的出现频率相对较低, 如图12所示. ...

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