引言

無(wú)線通信技術(shù)在過(guò)去的幾十年中，迅速發(fā)展，通信行業(yè)經(jīng)歷了從2G、3G、4G到5G的巨大跨越。濾波器作為選頻濾波器件，直接決定了通信設(shè)備的工作頻段和帶寬，在射頻前端扮演了舉足輕重的角色。伴隨5G通信極高的數(shù)據(jù)傳輸能力而來(lái)的是對(duì)濾波器高帶寬需求。如今，對(duì)各種通信制式的支持，使得現(xiàn)代智能手機(jī)中需要的濾波器多達(dá)幾十個(gè)。日益擁擠的Sub-6GHz通信頻帶，對(duì)射頻系統(tǒng)提出了更嚴(yán)苛的要求。低插損、高帶寬、高滾降系數(shù)和低溫漂的濾波器成為了通信行業(yè)的迫切需求。

由微納加工工藝制造的壓電聲學(xué)射頻濾波器，憑借體積小、低成本等優(yōu)勢(shì)和出色的性能，在過(guò)去的30年中，廣泛應(yīng)用在各類移動(dòng)便攜設(shè)備的射頻前端。其主流技術(shù)包括聲表面波（surfaceacoustic wave，SAW）和體聲波（bulkacoustic wave，BAW）器件。在早期，表面波濾波器占據(jù)了無(wú)線通信射頻前端濾波器和頻分雙工器的主流，其性能完全符合當(dāng)時(shí)的通信標(biāo)準(zhǔn)。然而，隨著通信的載波頻率的提高，SAW器件的缺點(diǎn)也隨之暴露，首先是其體積大且無(wú)法與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體集成電路工藝（CMOS）兼容，而更為致命的問(wèn)題是其諧振頻率受限于襯底表面波波速和叉指電極的光刻精度，因此很難實(shí)現(xiàn)很高的工作頻率。此外，過(guò)小的電極會(huì)導(dǎo)致額外的歐姆損耗。BAW器件利用了厚度方向的縱波，縱波聲速較高。而其頻率由厚度決定，使用μm級(jí)別的薄膜就可以實(shí)現(xiàn)約GHz的頻率，因此BAW在工作頻率上擁有天然的優(yōu)勢(shì)。此外，基于氮化鋁（AlN）的BAW器件還具有高功率容量、與CMOS工藝兼容、重復(fù)性好，品質(zhì)因子（Q）高等優(yōu)勢(shì)，使其在過(guò)去的十幾年中成為射頻濾波器領(lǐng)域的主流器件。

然而5G通信的出現(xiàn)，給聲學(xué)濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。首先，5G NR（new radio）使用了頻率更高的頻段，BAW濾波器的聲學(xué)和歐姆損耗隨著工作頻率急劇上升，這將導(dǎo)致濾波器插入損耗的增加。更為關(guān)鍵的是，5G NR頻段N78、N79和N77分別需要500、600和900 MHz的帶寬。其要求的分?jǐn)?shù)帶寬（FBW）>10%，對(duì)目前市場(chǎng)上主流的基于AlN的BAW濾波器而言是難以實(shí)現(xiàn)的，因其帶寬受限于AlN的機(jī)電耦合系數(shù)。本文最后一節(jié)所介紹的基于LiNbO3的橫向體波激發(fā)器件（XBAR）或許是突破這一困境的有效解決方案之一。

圖1展示了不同濾波器技術(shù)對(duì)應(yīng)的頻段和性能區(qū)間。傳統(tǒng)SAW/TC-SAW的頻率通常小于2.5 GHz，IHP-SAW使用高聲速層/襯底部分彌補(bǔ)了這一缺點(diǎn)，但也僅能達(dá)到3.5 GHz。BAW器件則可以工作在約1~7GHz。而XBAR則可以工作在>3 GHz的區(qū)間內(nèi)，在高頻和高帶寬應(yīng)用上都有很大的優(yōu)勢(shì)。

壓電諧振器作為壓電濾波器的基本構(gòu)成單元，直接決定了濾波器件的性能。本文將從壓電材料的選擇出發(fā)，討論各類常見(jiàn)壓電材料的特點(diǎn)，著重突出了LiNbO3薄膜的高耦合系數(shù)在高帶寬濾波器應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。然后簡(jiǎn)單地涉及了聲波諧振器的原理、類型、等效模型、關(guān)鍵參數(shù)等，以及基于壓電諧振器的濾波器拓?fù)洹Ｗ詈螅榻B了兩種有望應(yīng)用于5G頻段的基于LiNbO3薄膜諧振器的相關(guān)技術(shù)，著重突出了橫向電場(chǎng)激發(fā)體聲波諧振器（XBAR）的原理、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，這一技術(shù)有望在5G的Sub-6GHz頻段乃至毫米波頻段下實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)聲學(xué)濾波技術(shù)所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的高耦合系數(shù)的諧振器及高帶寬濾波器。

圖1 射頻濾波器的市場(chǎng)應(yīng)用和頻段分配

1、壓電諧振器/濾波器基本原理

1.1 壓電材料的選擇

壓電諧振器結(jié)構(gòu)與壓電材料的選擇是密不可分的，因?yàn)閴弘姴牧系牟牧咸匦詻Q定了諧振器中可被電學(xué)激發(fā)的聲波或聲學(xué)模式，因此通常需要針對(duì)材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以求最大程度地激發(fā)相應(yīng)的聲波或聲學(xué)模式。

常見(jiàn)的壓電材料包括鋯鈦酸鉛壓電陶瓷（PZT）、氧化鋅（ZnO）、氮化鎵（GaN）、氮化鋁（AlN）和鈮酸鋰（LiNbO3）。表1總結(jié)了這幾種壓電材料的特性，下面將分別討論各個(gè)材料的特性。

表1 幾種常見(jiàn)壓電材料的材料特性

PZT廣泛應(yīng)用于各種MEMS驅(qū)動(dòng)器中，而且基于PZT的低頻諧振器（<20 MHz）的應(yīng)用曾經(jīng)有過(guò)很成功的歷史，但其在射頻諧振器和濾波器中卻鮮有應(yīng)用。盡管有研究顯示基于PZT的FBAR器件可以在GHz的頻段下工作，并實(shí)現(xiàn)高達(dá)35%的機(jī)電耦合系數(shù)（kt2），但材料損耗導(dǎo)致基于PZT的FBAR的實(shí)測(cè)和理論Q值均小于100。此外，復(fù)雜的制備工藝、與CMOS工藝兼容性以及較高的材料和機(jī)械損耗都阻礙了PZT的射頻諧振器的進(jìn)一步研究。

ZnO是一種直接帶隙的寬禁帶半導(dǎo)體材料，在SAW器件、傳感器、液晶顯示、發(fā)光顯示器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。ZnO具有較穩(wěn)定的介電常數(shù)（8.8）、略高于AlN的機(jī)電耦合系數(shù)（kt2=7.8%），縱波聲速約6350 m/s，橫波聲速2720 m/s。早期的FBAR研究都基于ZnO，但ZnO在聲速及機(jī)電耦合系數(shù)（kt2）方面沒(méi)有特別顯著的優(yōu)勢(shì)，kt2雖略大于后面提及的AlN但遠(yuǎn)小于LiNbO3。此外，Zn在CMOS工藝容易引入污染，因此逐漸淡出了主流射頻濾波器領(lǐng)域。

GaN擁有較好電學(xué)性能和機(jī)械性能，具有較寬的直接帶隙（Eg=3.4 eV），廣泛用于高電子遷移率晶體管（HEMT）、高功率器件、發(fā)光二極管中。無(wú)下電極的GaN蘭姆波諧振器的f·Q的值非常高。1.9GHzGaN蘭姆波諧振器已經(jīng)證實(shí)在真空條件可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)1.56×1013的f·Q值，這是目前記錄中最高的f·Q值之一，該值已經(jīng)十分接近材料中由聲子損耗所限制的f·Q的極限。唯一令人遺憾的是GaN的機(jī)電耦合系數(shù)僅有2%，是所介紹的材料中最小的。

AlN和ZnO晶格類似，都是纖鋅礦結(jié)構(gòu)，比后面提及的LiNbO3更容易以薄膜形式生長(zhǎng)，材料機(jī)械Q值高，這些優(yōu)點(diǎn)使其在GHz頻段的壓電濾波器應(yīng)用中占有一席之地。AlN是一種由輕質(zhì)原子構(gòu)成的硬質(zhì)材料，AlN聲速約是ZnO的兩倍，縱波聲速約11300 m/s，橫波聲速約6000 m/s。由于AlN薄膜制備工藝成熟，沉積薄膜質(zhì)量好，是迄今為止唯一在大批量生產(chǎn)中表現(xiàn)出極高的工藝穩(wěn)定性、可重復(fù)性和可制造性的壓電薄膜材料，所以目前為止AlN是BAW器件的首選壓電材料。除非另有說(shuō)明，本文中默認(rèn)的BAW器件基于AlN材料。

LiNbO3因其擁有很高的壓電系數(shù)和機(jī)械Q值而廣受關(guān)注，是一種擁有很強(qiáng)壓電性的鐵電材料。與前面提到的ZnO、AlN、GaN相比，LiNbO3擁有明顯更高的壓電系數(shù)。高壓電系數(shù)有利于實(shí)現(xiàn)高耦合系數(shù)的諧振器，從而實(shí)現(xiàn)高帶寬的濾波器。因此LiNbO3在20世紀(jì)60年代晚期就已經(jīng)廣泛應(yīng)用于SAW器件。但一方面 LiNbO3薄膜沉積效果很差，另一方面缺乏將高質(zhì)量LiNbO3單晶薄膜轉(zhuǎn)移到其他載體上的技術(shù)，因此關(guān)于LiNbO3的新型體聲波器件的研究沉寂了一段時(shí)間。后來(lái)，受到絕緣體上硅（SOI）中使用的Smart-Cut離子切割技術(shù)的啟發(fā)，研究人員用離子切割技術(shù)將不同切向的LiNbO3薄膜鍵合到其他襯底上，例如硅或碳化硅襯底等。LiNbO3壓電系數(shù)在很多方向的分量都十分可觀，得到LiNbO3薄膜后，除了可以實(shí)現(xiàn)利用e33的BAW器件外，還可以實(shí)現(xiàn)利用剪切波或蘭姆波的橫向振動(dòng)諧振器。某些特定切向的LiNbO3 FBAR、橫向振動(dòng)諧振器表現(xiàn)出非常高的kt2和Q。

1.2 聲波諧振器原理及類型

正/逆壓電效應(yīng)存在于某些晶格不對(duì)稱的晶體中。當(dāng)電壓施加到這種晶體上時(shí)，靜電力使晶體發(fā)生機(jī)械形變，由于逆壓電效應(yīng)，內(nèi)部極化，過(guò)程中電場(chǎng)做功，電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。當(dāng)晶體壓縮或膨脹時(shí)，則由于正壓電效應(yīng)，產(chǎn)生極化電荷，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)激勵(lì)信號(hào)頻率等于固體結(jié)構(gòu)的固有頻率時(shí)，在每半個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)，電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生了諧振現(xiàn)象。

交替的機(jī)械變形產(chǎn)生了以4000～12000 m/s的速度傳播的聲波。在固體內(nèi)傳播的彈性波有縱波和剪切波（橫波），剪切波根據(jù)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與媒介表面垂直和平行，又可以分為豎直（SV）、水平剪切（SH）波。在媒介表面縱波和豎直剪切波耦合形成瑞利波，縱波和水平剪切波耦合形成LOVE波。這2種在媒介表面?zhèn)鞑サ穆暡ńy(tǒng)稱為表面波（SAW）。而所謂的BAW器件中的“體聲波”則特指固體內(nèi)縱波。一般而言，縱波比2種剪切波以及2種表面波都更快。這使得體聲波諧振器在同樣的波長(zhǎng)下，更容易實(shí)現(xiàn)較高的頻率。

如圖2所示，展示了不同的壓電諧振器結(jié)構(gòu)、聲波類型、傳播方向以及每種器件的工作頻率范圍。一般在諧振器結(jié)構(gòu)中利用了表面波的器件稱為SAW器件，利用了體聲波則稱為BAW器件。由此可看出基于SAW和BAW技術(shù)的器件可實(shí)現(xiàn)覆蓋不同頻率的應(yīng)用，其中基于LiNbO3的XBAR器件由于可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)3 GHz的工作頻率而在5G應(yīng)用中備受關(guān)注。圖2中的SAW特指基于LiNbO3的SAW器件，而B(niǎo)AW則特指的是基于AlN的BAW器件。下面將對(duì)SAW和BAW器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行展開(kāi)討論。

傳統(tǒng)的SAW器件由叉指電極和壓電襯底構(gòu)成。其原理是叉指電極施加的交變電場(chǎng)使得壓電襯底材料產(chǎn)生周期形變，形成了沿著襯底面內(nèi)傳播的表面波。溫度補(bǔ)償?shù)谋砻娌ㄆ骷?a href="http://www.xsypw.cn/tags/te/" target="_blank">temperature -compensated SAW，TC-SAW）則在壓電材料表面覆蓋了一層很薄的二氧化硅（SiO2），用于實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，并在一定程度上提高了Q值。然而由于LiNbO3表面波波速較低（<4000 m/s），針對(duì)某一特定頻率設(shè)計(jì)時(shí)，需要的波長(zhǎng)就相對(duì)較小。因此，高性能聲表面波器件（incredible high performance SAW，I.H.P.SAW）在壓電晶體層下引入了高聲速層和功能層。所謂功能層通常用于頻率補(bǔ)償，是可選項(xiàng)，高聲速層則用于限制能量的傳播，高聲速層的存在提高了表面波的波速，一定程度上改善了SAW器件的頻率表現(xiàn)。

圖2 不同聲波諧振器結(jié)構(gòu)的示意圖及工作頻段

BAW器件核心是壓電層被上下電極所夾持的三明治結(jié)構(gòu)。上下電極施加周期電壓時(shí)，壓電層在面外方向產(chǎn)生周期性伸縮，形成體聲波。根據(jù)實(shí)現(xiàn)方式，主要包含兩類型：緊固型體聲波諧振器（solidly mounted type resonator，SMR-BAW）和薄膜體聲波諧振器（thin film bulk acoustic resonator，F(xiàn)BAR）。二者的區(qū)別在于其使用的下面的反射邊界不同，前者利用1/4介質(zhì)波長(zhǎng)的高低聲速交替生長(zhǎng)的布拉格反射層作為反射邊界；后者則使用固體—空氣交界面作為反射邊界。AlN FBAR從約2000年開(kāi)始實(shí)現(xiàn)商業(yè)化后取得了巨大的成功，成為了主流的體聲波技術(shù)。因?yàn)楣腆w—空氣反射界面相比布拉格反射層反射效果更好，使得FBAR在Q值和耦合系數(shù)方面更有優(yōu)勢(shì)。而SMR-BAW的優(yōu)勢(shì)則在于更高的功率容量和較好的溫漂系數(shù)，因?yàn)椴祭穹瓷淦飨啾瓤諝飧跓崃總鲗?dǎo)，而且使用SiO2作為低聲阻抗層可補(bǔ)償部分溫漂系數(shù)。

對(duì)高速無(wú)線通信的追求，推動(dòng)了通信系統(tǒng)采用更高的載波頻率和更高的信道帶寬，催生了對(duì)高頻和高帶寬濾波器的需求。例如，最新投入使用的通信頻段：3.3～3.8 GHz（B78）、3.3～4.2 GHz（B77）、4.4～5.0 GHz（B79）、24.25～29.5 GHz（B257，B258、B261）和37～40 GHz（B260），無(wú)論是絕對(duì)帶寬或相對(duì)帶寬，都比傳統(tǒng)通信服務(wù)高得多。如今的移動(dòng)智能電話需要支持多個(gè)頻段，需要大量的微型高性能濾波器。通常，頻率小于2.5 GHz，是傳統(tǒng)SAW和TC-SAW器件的應(yīng)用場(chǎng)景，因其工藝簡(jiǎn)單，成本方面更有優(yōu)勢(shì)。2.5～3.5 GHz是SAW與BAW器件的過(guò)渡區(qū)。當(dāng)頻率高于3.5 GHz后，SAW器件需要越來(lái)越窄的電極，一方面導(dǎo)致更高的光刻成本，另一方面，窄電極引入了更高的損耗，電極發(fā)熱的增加，又導(dǎo)致功率承受能力下降。在3~6 GHz是常規(guī)多晶BAW器件的應(yīng)用場(chǎng)景，然而隨著頻率增加，多晶中的缺陷導(dǎo)致的介電損耗越來(lái)越不能忽視，因而出現(xiàn)了基于單晶的BAW器件。單晶BAW相比多晶BAW在功率容量、工作頻率、器件Q值上都更有優(yōu)勢(shì)。

區(qū)別于前面提到的SAW和BAW器件，橫向激發(fā)體聲波器件（laterally-excited bulk-waveresonators，XBAR）是一種相對(duì)較新的諧振器。其用于激發(fā)模式的叉指電極類似SAW，而懸空的薄膜又使其更像FBAR器件。圖3展示了基于XBAR結(jié)構(gòu)5G射頻器件展示的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)：高帶寬、高頻率范圍、具有額定功率以及高Q。以上優(yōu)勢(shì)為基于聲學(xué)諧振器的5G射頻器件發(fā)展開(kāi)拓了新的思路。XBAR器件的特性將在下一節(jié)進(jìn)行詳細(xì)討論。

圖3 基于XBAR結(jié)構(gòu)的5G射頻器件的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)

1.3 諧振器等效模型

在表征諧振器參數(shù)和濾波器拓?fù)?a target="_blank">仿真時(shí)，往往需要用到諧振器的電學(xué)等效模型。通過(guò)二階微分方程對(duì)機(jī)電轉(zhuǎn)換過(guò)程進(jìn)行描述，將機(jī)械域參數(shù)等效到電學(xué)域中，便得到了butterworth–van dyke（BVD）模型。進(jìn)一步添加電極的歐姆損耗和材料的介質(zhì)損耗后，得到了MBVD模型。

圖4（a）中顯示了壓電諧振器的MBVD模型，其中Lm、Cm、Rm分別稱為動(dòng)態(tài)電感、動(dòng)態(tài)電容和動(dòng)態(tài)電阻，分別由機(jī)械域中的有效質(zhì)量、彈性系數(shù)、粘度等效而來(lái)；C0為電學(xué)靜態(tài)電容；RS和R0分別對(duì)應(yīng)電極的歐姆損耗和壓電層的介電損耗。

典型的壓電諧振器的導(dǎo)納響應(yīng)如圖4（b），導(dǎo)納的幅值響應(yīng)中有一個(gè)最大值和最小值，分別對(duì)應(yīng)諧振器的諧振頻率fs和反諧振頻率fp。

圖4 單個(gè)壓電諧振器的等效響應(yīng)

1.4 諧振器關(guān)鍵參數(shù)

在將諧振器構(gòu)成濾波器前，有必要梳理諧振器的機(jī)電耦合系數(shù)和品質(zhì)因子等關(guān)鍵參數(shù)。

（1）品質(zhì)因子

諧振器的品質(zhì)因子Q表示在一個(gè)周期內(nèi)存儲(chǔ)的峰值能量與耗散能量的比值，由器件的損耗機(jī)制決定。諧振器中存在幾種不同的損耗機(jī)制，包括電極上的歐姆損耗、壓電損耗、聲學(xué)損耗和粘彈性損耗。以BAW諧振器為例，其主要損耗機(jī)制是剪切波和橫向泄漏波導(dǎo)致面內(nèi)方向的能量泄漏（聲學(xué)損耗），另一方面，BAW的聲學(xué)反射邊界并不理想也會(huì)導(dǎo)致在面外方向的能量泄漏，這使得SMR-BAW相比FBAR結(jié)構(gòu)可能存在更多的損耗。在高頻時(shí)，諧振器電極的厚度遠(yuǎn)小于電磁波在金屬中的趨膚深度，頻率的增加或者電極厚度的減小會(huì)讓歐姆損耗增加，互連線電阻也引入了額外的歐姆損耗。此外，壓電層不是完美晶體還會(huì)導(dǎo)致壓電損耗和介電損耗。

實(shí)際中很難用品質(zhì)因子的定義來(lái)測(cè)量諧振器的Q值。有幾種方法可以估計(jì)諧振器的Q。常用的定義是基于3 dB帶寬和Δfs諧振頻率fs來(lái)定義的，即圖4（b）中所示的Q=fs/Δfs。另一種方式利用相位求導(dǎo)來(lái)計(jì)算，但這種方法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的質(zhì)量要求很高，且只能對(duì)諧振頻率和反諧振頻率的Q值進(jìn)行表征。有一種計(jì)算在某個(gè)頻率范圍內(nèi)的Q的方法，稱為Bode-Q的方法，對(duì)此作了更具體的分析和討論。

（2）機(jī)電耦合系數(shù)

機(jī)電耦合系數(shù)表示機(jī)械域和電學(xué)域之間的準(zhǔn)靜態(tài)能量轉(zhuǎn)換效率，決定了由諧振器構(gòu)成的濾波器的帶寬。高的諧振器的機(jī)電耦合系數(shù)意味著由其組成的濾波器具有更高的帶寬。另外耦合系數(shù)和品質(zhì)因子的乘積還決定了壓電濾波器的插入損耗和滾降系數(shù)。因此，高的機(jī)電耦合系數(shù)、高品質(zhì)因子成為MEMS諧振器和濾波器研究的普遍追求。特別是在評(píng)估無(wú)線通信系統(tǒng)時(shí)都一致追求更寬的帶寬，更低的插損以及在復(fù)雜的環(huán)境中對(duì)鄰近頻帶更好的抑制。

首先，壓電諧振器的壓電耦合因子（K2），K2用來(lái)描述材料在機(jī)械域和電學(xué)域之間的能量轉(zhuǎn)換效率的無(wú)量綱數(shù)。從能量角度的定義為：

其中WM是壓電材料中的機(jī)械能，WE是壓電材料中的電能，值得注意的是公式（1）定義的是材料特性，與器件結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)，但這樣的定義很難直接應(yīng)用于計(jì)算和測(cè)量。因此出現(xiàn)了許多不同類型的替代的定義。尤其是針對(duì)諧振器，有許多不同形式機(jī)電耦合系數(shù)的定義出現(xiàn)在公開(kāi)發(fā)表的論文中。其中，最常用的形式包括等效耦合系數(shù)（k2eff），壓電耦合因子（K2）以及機(jī)電耦合系數(shù)（kt 2）。其中等效耦合系數(shù)keff2的計(jì)算公式為：

其中fs為某個(gè)模態(tài)的導(dǎo)納最大值所對(duì)應(yīng)的諧振頻率，fp為某個(gè)模態(tài)的導(dǎo)納最小值所對(duì)應(yīng)的反諧振頻率，同時(shí)K2也可以用keff2定義，具體表達(dá)為：

從公式中可以看出來(lái)壓電耦合K2比有效耦合系數(shù)keff2要大，當(dāng)keff2的值比較小時(shí)2個(gè)系數(shù)的值接近，可以使用K2估計(jì)keff2。

最后一種變化形式是機(jī)電耦合系數(shù)kt2，它最初在厚度拉伸模式的諧振器中，被定義為：

在其他的報(bào)告中有一些不同的近似的形式

對(duì)于這些不同的定義方式，當(dāng)機(jī)電耦合系數(shù)較小時(shí)，這些不同的定義方式得到的結(jié)果差別不大，但是當(dāng)耦合系數(shù)較大時(shí)，這幾種方式計(jì)算的結(jié)果就會(huì)有較大差異，為了方便進(jìn)行同一標(biāo)準(zhǔn)的比較，后文提及的機(jī)電耦合系數(shù)以及相應(yīng)的計(jì)算方法全部采用機(jī)電耦合系數(shù)kt2。

1.5 濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于各種不同類型的濾波器拓?fù)洌蓪⒅C振器構(gòu)成濾波器。主流的壓電濾波器拓?fù)浒▋煞N類型：梯型（Ladder）和格子型（Lattice）。梯型結(jié)構(gòu)最為常用，因?yàn)榕c其他需要在機(jī)械域和電學(xué)域之間使用復(fù)雜耦合方式的結(jié)構(gòu)不同，它所有的電學(xué)連接都在同一平面 ，很容易布局布線。盡管有時(shí)需要在插入損耗和帶外抑制之間折衷選擇，但多數(shù)情況下足夠滿足不同應(yīng)用需求。事實(shí)上對(duì)于SAW 濾波器而言，其電極都分布在薄膜或襯底的同一側(cè)平面，因此只能采用這種拓?fù)鋪?lái)實(shí)現(xiàn)濾波器。

圖5（a）顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的梯型濾波器的電路圖、諧振器導(dǎo)納響應(yīng)和濾波器傳輸響應(yīng)。該濾波器由串聯(lián)諧振器和并聯(lián)到地的諧振器組成，分別標(biāo)記為Zs和Zp。所有串聯(lián)和并聯(lián)諧振器分別具有相同的諧振頻率。Zs的諧振頻率通常比Zp略低，使其諧振頻率之間存在一定的偏移量，這一偏移量大致決定了壓電帶通濾波器的帶寬。圖5（a）中，阻抗曲線Z1和Z2表示了Zs和Zp的頻率響應(yīng)。在通帶中心頻率處，Z1最小，對(duì)信號(hào)通路的衰減最小，而Z2最大表現(xiàn)得像開(kāi)路，因此幾乎所有信號(hào)都可以從串聯(lián)支路通過(guò)，極少信號(hào)會(huì)泄漏到地。通過(guò)降低諧振器諧振時(shí)的等效電阻，即提高Q值，可以降低通帶的插入損耗。這也是為何Q值是諧振器的關(guān)鍵指標(biāo)之一。

圖5（b）顯示了格子型濾波器拓?fù)涞碾娐穲D、諧振器頻率響應(yīng)和濾波器傳輸響應(yīng)。與梯型濾波器類似的，串聯(lián)支路和并聯(lián)支路的諧振器分別標(biāo)記為Zs和Zp，Zp頻率略低于Zs。所不同的是這一拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)帶外抑制比相同數(shù)量諧振器的梯型濾波器要高得多，但滾降系數(shù)變差。因此，在BAW濾波器中，通常結(jié)合這兩種拓?fù)渫瑫r(shí)使用，從而實(shí)現(xiàn)較高的抑制比和滾降系數(shù)。

圖5 主流壓電濾波器濾波器拓?fù)?/p>

圖6展示了一個(gè)BAW濾波器實(shí)例的拓?fù)洹?shí)物圖和S參數(shù)頻率響應(yīng)。其應(yīng)用了前面提到的兩種拓?fù)洌瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)了高抑制比和高滾降系數(shù)的濾波器。

圖6 實(shí)用的BAW濾波器

2 、基于LiNbO3薄膜的5G諧振器和濾波器

5G通信對(duì)單個(gè)射頻前端器件的性能、功耗和頻譜利用效率等方面都提出了更高的要求，因此開(kāi)發(fā)下一代射頻（RF）前端器件已經(jīng)引起了廣泛的研究興趣。如今LiNbO3 SAW、AlN BAW，尤其是AlN BAW器件，正廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信終端。然而，如今這些商業(yè)上主流的聲學(xué)濾波技術(shù)在應(yīng)對(duì)5G通信的高頻和高寬帶需求時(shí)捉襟見(jiàn)肘，因此亟需一種新型的技術(shù)來(lái)替代現(xiàn)有的技術(shù)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，LiNbO3薄膜的制造逐漸成熟。人們已經(jīng)可以將LiNbO3單晶薄膜高質(zhì)量地轉(zhuǎn)移到其他襯底上。LiNbO3擁有的高壓電性，低損耗特性有助于實(shí)現(xiàn)高帶寬、低插損的濾波器，這一點(diǎn)已經(jīng)在SAW器件上得以體現(xiàn)，薄膜的出現(xiàn)意味著有望實(shí)現(xiàn)高頻率器件。高頻和高帶寬雙特性的加持，使LiNbO3有望成為可用于5G頻段的高性能諧振器與濾波器。下面將介紹LiNbO3切向的選型，并以2種基于LiNbO3薄膜的器件來(lái)舉例說(shuō)明LiNbO3平臺(tái)在5G應(yīng)用前景。

2.1 LiNbO3切向選型

LiNbO3晶體具有高度各向異性，除了材料本身以外，還需要關(guān)注其切向。特定聲學(xué)模式的激發(fā)與特定切向是密切相關(guān)的，因?yàn)楫?dāng)切向變化的時(shí)候，其材料參數(shù)也發(fā)生了變化。其中最為關(guān)鍵的是與壓電效應(yīng)有關(guān)的參數(shù)。

表2中顯示了LiNbO3的幾種常見(jiàn)切向的壓電應(yīng)力常數(shù)：e33、e15和e16。

表2 幾種常見(jiàn)切向的LiNbO3的壓電應(yīng)力常數(shù)

如今，豎直方向縱波主要利用e33；厚度剪切波主要利用e15；水平剪切波主要利用e16。所以，理論上對(duì)于FBAR器件較為優(yōu)選的切向是Y-36切向；厚度剪切波較為優(yōu)選的是Z和Y-128切向；水平剪切（SH）波則可以是X，Y和Y-36。然而實(shí)際中的器件，由于壓電系數(shù)在很多方向存在較大分量的緣故，常常導(dǎo)致在一個(gè)頻率附近可能存在很多其他模式的諧振峰，導(dǎo)致導(dǎo)納曲線看起來(lái)雜亂無(wú)章。因此壓電系數(shù)的相對(duì)大小僅能給器件的切向選型做一個(gè)大致的參考。

事實(shí)上，壓電系數(shù)只決定了耦合系數(shù)，而決定器件頻率的另一個(gè)非常重要的指標(biāo)是聲波的波速。近期，基于LiNbO3薄膜的S0、SH0器件已經(jīng)展示出了極高的耦合系數(shù)，但這些模式的低波速使得光刻精度較差條件下的實(shí)現(xiàn)的器件頻率較低，尚未有合適的應(yīng)用場(chǎng)景。縱波和高階蘭姆波都有較高的波速或許是可利用的聲學(xué)模式，后面將詳細(xì)對(duì)其進(jìn)行討論。

2.2 基于LiNbO 3薄膜的FBAR諧振器

AlN FBAR在商業(yè)上取得了巨大的成功，因此自然而然的，人們也設(shè)想將類似的結(jié)構(gòu)應(yīng)用在LiNbO3薄膜上。但由于LiNbO3無(wú)法實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量生長(zhǎng)，且沉積技術(shù)局限于生長(zhǎng)c軸取向（Z切）的薄膜，但基于Z切LiNbO3的FBAR效果并不理想。因而目前只能借助離子切割技術(shù)將LiNbO3單晶薄膜鍵合到所需的襯底上，這也給基于LiNbO3的FBAR制造造成了一定困難，因?yàn)橥ǔiNbO3薄膜會(huì)鍵合到整塊金屬層上，而很難對(duì)底電極進(jìn)行圖形化。盡管如此，還是有研究者通過(guò)較為復(fù)雜的工藝實(shí)現(xiàn)了FBAR的實(shí)例。

表3展示了部分基于LiNbO3薄膜的FBAR的研究成果。可以看到表中的器件大多都使用了在Y-36或其對(duì)稱的Y-164附近的切向（由于晶格對(duì)稱性Y-36與Y-164切向的材料屬性完全一致）。值得一提的是，其中唯一的Z-切的FBAR使用的是由CVD生長(zhǎng)的LiNbO3薄膜，與其他轉(zhuǎn)移的單晶薄膜相比，無(wú)論是kt2還是Q都相形見(jiàn)絀。然而轉(zhuǎn)移的LiNbO3薄膜厚度直接確定了FBAR的頻率。受限于薄膜厚度，目前LiNbO3的FBAR尚未超過(guò)3 GHz，盡管仍然可應(yīng)用于5G N41（2515-2675MHz）頻段，但還無(wú)法滿足5G其他頻段（N77/N78/N79）的需求。

表3 LiNbO3薄膜的FBAR器件性能

2018 年，Yang等實(shí)現(xiàn)了一種基于LiNbO3薄膜的反對(duì)稱蘭姆波諧振器，2019年時(shí)也被Plessky等稱為橫向激發(fā)體聲波諧振器（XBAR）。這一技術(shù)的出現(xiàn)有望解決FBAR所面臨的困境。

2.3 LiNbO3薄膜的XBAR諧振器

2.3.1 反對(duì)稱型蘭姆波

在深入XBAR的技術(shù)細(xì)節(jié)之前，有必要了解其所利用反對(duì)稱蘭姆波。

蘭姆波是板波的一種，是由兩個(gè)平行表面限定的縱波和剪切波（橫波）相互耦合形成的應(yīng)力波。參與振動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)位移，不僅在傳播方向上存在分量，在垂直方向上也有，其運(yùn)動(dòng)軌跡呈橢圓形。蘭姆波有2種基本類型，即對(duì)稱型和反對(duì)稱型蘭姆波。兩種類型的區(qū)別在于質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于板的中心線是做對(duì)稱還是反對(duì)稱型運(yùn)動(dòng)。

圖7是典型的對(duì)稱和反對(duì)稱型蘭姆波剖面圖。圖7（a）中，質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向相對(duì)中心線是對(duì)稱的（鏡像對(duì)稱，即中線兩側(cè)垂直分量相反，水平分量相同）；圖7（b）中質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)相對(duì)中心線是反對(duì)稱的（在中線兩側(cè)垂直分量相同，水平分量相反）。

圖7 基本蘭姆波模式

當(dāng)蘭姆波在垂直傳播的方向存在n個(gè)半周期，稱其為第n階的蘭姆波。將第n階對(duì)稱型蘭姆波記為Sn，第n階反對(duì)稱型蘭姆波記為An。特別的，若厚度方向不存在周期，則記為S0或A0。圖8顯示了從第1到第7階的反對(duì)稱型蘭姆波，即 A1～A7的模態(tài)。這的二維模態(tài)在左右兩側(cè)都使用了周期邊界條件，即對(duì)應(yīng)無(wú)限大平面的情形。圖中彩色表示位移量的大小，箭頭表示位移方向，而黑色虛線表示應(yīng)力分布。實(shí)際上，在偶次諧波中，電場(chǎng)和應(yīng)力積分為零，機(jī)電耦合系數(shù)為零，偶次模態(tài)是無(wú)法被激發(fā)的。

從圖8的模態(tài)中可以看出，高階的反對(duì)稱蘭姆波主要表現(xiàn)為厚度剪切波，因此主要靠e15激發(fā)。

圖8（a）~（g）分別表示第1到第7階的反對(duì)稱蘭姆波模態(tài)，分別記為A1到A7（表面的彩色表示質(zhì)點(diǎn)位移量，箭頭表示位移方向。黑色虛線表示縱向的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度）

2.3.2 LiNbO3薄膜XBAR諧振器

前面提到，XBAR利用的是反對(duì)稱型蘭姆波。事實(shí)上，盡管工作在射頻頻段的基于LiNbO3薄膜的A1諧振器最近才被展示，但早在1986年，Mizutaui已經(jīng)對(duì)LiNbO3中的A1模式進(jìn)行過(guò)理論研究，并且當(dāng)時(shí)已說(shuō)明Z和Y-128切向是較為優(yōu)選的實(shí)現(xiàn)A1蘭姆波的切向。1994年，Jin展示了基于Y-128切向LiNbO3體材料沿著x軸方向傳播的A1模式諧振器，指出了厚度波長(zhǎng)比越小，耦合系數(shù)和波速越高；并且進(jìn)一步指出，當(dāng)厚度波長(zhǎng)比很小時(shí)，高階反對(duì)稱蘭姆波主要進(jìn)行厚度方向的剪切運(yùn)動(dòng)，即準(zhǔn)厚度剪切波。

圖9（a）顯示了，Z切薄膜A1～A7的頻率(f)與厚度(t)乘積和厚度波長(zhǎng)比(t/λL)的關(guān)系。可以看到，當(dāng)t/λL較小時(shí)，An模式的f·t幾乎不變。這意味著當(dāng)t/λL較小時(shí)，頻率與橫向的波長(zhǎng)λL幾乎無(wú)關(guān)。n階模式的f·t相應(yīng)地近似為一階的n倍。圖9（b）則顯示，對(duì)A1模式而言，t/λL越小，耦合系數(shù)越高，而An (n>1)則幾乎不隨t/λ L變化。

如今，得益于LiNbO3薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù)的出現(xiàn)和微納加工工藝的進(jìn)步，使的工作在射頻頻段的A1模式諧振器即XBAR，成為了現(xiàn)實(shí)。圖10展示了典型XBAR的器件結(jié)構(gòu)，包括（a）俯視圖、（b）正視圖和（c）側(cè)視圖。

圖9 Z切LiNbO3薄膜中A1，A3，A5和A7模式

圖11（a）顯示了典型的XBAR從A1～A7模式的頻率響應(yīng)。圖11（b）則顯示只有2個(gè)電極，兩側(cè)加周期邊界條件時(shí)，薄膜在x方向的位移。與圖9類似，在厚度A1～A7的位移分別形成了1、3、5和7個(gè)半周期。An模式的耦合系數(shù)隨n的增加依次減弱。只是在電極下方橫向電場(chǎng)變?nèi)酰虼宋灰瓶雌饋?lái)被電極隔斷了。事實(shí)上，An模式耦合系數(shù)大約是A1模式的1/n2倍，即耦合系數(shù)與階次n的平方成反比。

圖10 XBAR的三視圖

表4總結(jié)了一些較為突出的XBAR的工作，主要是A1模態(tài)，也有少量基于A3、A5模態(tài)。如前所述，Z和Y-128切向是厚度剪切波較為理想的切型，因此多數(shù)設(shè)計(jì)都基于這兩個(gè)切向。另外，與表2所反映出的特性基本一致：Y-128切向的LiNbO3擁有最大的e15，所以表4中Y-128切諧振器擁有最高的耦合系數(shù)。

圖11 基于XBAR的非對(duì)稱模式（A1-A7）

表4 基于LiNbO3薄膜的XBAR性能

此外，從表4中可知大部分的設(shè)計(jì)使用的厚度波長(zhǎng)比都遠(yuǎn)小于1，以實(shí)現(xiàn)較高的耦合系數(shù)。并且一些高階的XBAR非對(duì)稱模態(tài)已經(jīng)接近或達(dá)到了5G毫米波對(duì)應(yīng)的頻段。

2.4 基于XBAR的5G濾波器

至此已經(jīng)較為完整的討論了基于LiNbO3薄膜XBAR的優(yōu)選切向、聲學(xué)模式、器件結(jié)構(gòu)和不同切向下的性能，下面將討論XBAR在5G濾波器中的應(yīng)用。

在壓電濾波器拓?fù)渲校辽傩枰獌煞N頻率的諧振器構(gòu)成濾波器。為了實(shí)現(xiàn)較高的耦合系數(shù)，大多情況下厚度波長(zhǎng)比很小，使得XBAR頻率幾乎只與厚度相關(guān)，很難通過(guò)叉指實(shí)現(xiàn)較大范圍的頻率調(diào)整（大約是數(shù)百M(fèi)Hz）。為此，研究人員提出了類似AlN FBAR上的解決方案。一種方案是采取局部減薄的工藝，通過(guò)刻蝕使一部分壓電薄膜減薄，實(shí)現(xiàn)較高的頻率諧振器。另一種方案則在相對(duì)較低頻率的諧振器上額外覆蓋一層材料，例如SiO2。這樣可以得到可用于構(gòu)建濾波器的2種諧振器。

圖12中顯示了一種采用局部減薄工藝的XBAR濾波器制造。其流程為：（1）轉(zhuǎn)移的LiNbO3薄膜襯底；（2）使用ICP-RIE工藝刻蝕釋放孔；（3）對(duì)部分區(qū)域的LiNbO3薄膜進(jìn)行減薄；（4）沉積頂電極和電感等；（5）～（7）為沉積和定義用于減小互連線；（8）氣相刻蝕釋放器件。此工藝通過(guò)控制LiNbO3薄膜不同區(qū)域的厚度實(shí)現(xiàn)了不同器件的工作頻率進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了同一襯底上構(gòu)建濾波器的目的。

圖13展示了局部減薄工藝中所實(shí)現(xiàn)的XBAR濾波器實(shí)例，包括其在電磁仿真軟件中的三維設(shè)計(jì)圖，加工后器件的SEM圖和濾波器的傳輸特性測(cè)量結(jié)果。所展示的基于7階反對(duì)稱Lamb波模式（A7）的諧振器具有0.7％的機(jī)電耦合，在19GHz時(shí)具有2.4％的3 dB FBW和1.4 mm2的占位面積。

圖12 一種采用局部減薄的XBAR濾波器工藝流程

圖14展示了一個(gè)實(shí)際的XBAR濾波器的電路拓?fù)洹?a href="http://www.xsypw.cn/v/tag/4854/" target="_blank">光學(xué)顯微鏡圖像和實(shí)測(cè)圖。這一濾波器采用了在部分區(qū)域沉積額外的SiO2，來(lái)降低圖14（a）Sh1和Sh2諧振器諧振頻率。該濾波器實(shí)現(xiàn)了約2 dB的插損，600 MHz的帶寬，可滿足5G N79頻段的要求。

濾波器所關(guān)注的技術(shù)指標(biāo)包括中心頻率、帶寬與插損等，表5總結(jié)了一些突出XBAR濾波器的工作。部分工作已經(jīng)可以滿足5G NR某些頻段的需求。

圖13 由局部減薄工藝所實(shí)現(xiàn)的XBAR濾波器實(shí)例

圖14 一種局部增加SiO2的XBAR濾波器

表5 XBAR濾波器的性能

3、結(jié)論

基于鈮酸鋰（LiNbO3）的體聲波諧振器/濾波器，其頻率和帶寬都與5G NR完美契合。基于LiNbO3薄膜的XBAR器件可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有的SAW和AlN BAW無(wú)法企及的高頻率和高耦合系數(shù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)相對(duì)較高的Q。這些特性，使得這一技術(shù)有望在未來(lái)廣泛應(yīng)用于高性能的5G頻段的諧振器/濾波器。

在本綜述中，介紹了壓電諧振器的原理、類型和關(guān)鍵參數(shù)。總結(jié)了有關(guān)壓電諧振器的不同材料、設(shè)計(jì)和特性的詳細(xì)信息，突出了基于LiNbO3薄膜的諧振器/濾波器具有高耦合系數(shù)、高帶寬、高諧振頻率的特性，這些特性使得LiNbO3平臺(tái)有望滿足5G通信對(duì)濾波器的需求。最后，以FBAR和XBAR兩種有望應(yīng)用于 5G頻段器件為例，介紹了其相關(guān)技術(shù)與研究現(xiàn)狀，著重突出了XBAR的原理、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。基于特定切向的LiNbO3薄膜的反對(duì)稱Lamb波模式諧振器可實(shí)現(xiàn)3 GHz至毫米波頻段的高、寬頻率響應(yīng)。借助局部減薄和氧化層覆蓋2種工藝可在LiNbO3薄膜上得到兩種以上的不同頻率諧振器，實(shí)現(xiàn)了5G NR頻段至毫米波頻段的濾波器制造。基于XBAR技術(shù)的諧振器/濾波器已經(jīng)在5G的應(yīng)用中展示出強(qiáng)大潛力。

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