射频声学滤波器技术的发展趋势

图 1：移动通信技术的发展历程。

随着5G时代的来临，从零售到教育，从交通到娱乐，从智能家居到医疗保健，人们的生活方式将迎来深刻的变化。通信服务供应商的业务范围和基础建设在迅速发展，移动终端设备及其衍生应用的价值量也在快速增长。相应地，移动通信技术的更新迭代使得数据的传输从一开始的仅有音频逐渐过渡到现在的万物互联，移动数据流量呈爆炸式增长。我们需要更高频率、更宽通信频带的设备来应对大幅增长的移动数据流量。

手机芯片中的射频前端模块（示意图如图二所示）主要用于无线信号的发送和接收，包含滤波器、双工器、射频开关、功率放大器（PA）和低噪放大器（LNA）等。其中射频滤波器是无线通信系统中最重要的元件之一，也是近年来射频前端领域增长最快的细分方向，主要用于筛选和处理信号。射频滤波器技术主要包括：低温共烧陶瓷（LTCC）、集成无源器件（IPD）、以及声学滤波器技术。其中声学滤波器技术，主要包括声表面波（SAW）和体声波（BAW）滤波器技术，因为其在小尺寸和低损耗方面的巨大优势，成为了当前移动终端射频滤波器技术的主流。根据3GPP的划分，5G通信频段的范围包括Sub-6 GHz频段和毫米波频段，而Sub-6 GHz频段又是当前全球最主要的使用频段。

两种声学滤波器技术的示意图如图二所示。其中声表面波器件由压电材料和顶部叉指电极所组成，工作频率主要由目标声波模式的声速和电极周期决定。体声波器件主要由压电薄膜和上下电极组成，工作频率主要由目标声波模式的声速和压电薄膜厚度决定，因此可以在较为宽松的光刻条件下实现更高的频率。

声表面波滤波器技术的发展历程

从1885年瑞利发现声表面波的数学描述，再到1965年怀特等人发明叉指换能器（IDT），声表面波技术如今已经被广泛应用到无线通信系统中，用以实现信号处理功能。在过去数十年中，声表面波技术已经实现了多次迭代和突破，性能和应用频率不断得到提升，其主要分类如图三所示。传统的声表面波器件主要由压电晶体以及位于表面的梳状电极结构组成，其可以在发射声表面波的同时探测声表面波，并将其转换回电能。该技术结构简单、成本极低,因而在较低的频段具有相当大的竞争力。然而随着通信频带的增加，频带之间越来越靠近，这对滤波器的温度稳定性提出了更高的要求，温度补偿型声表面波（TC SAW）技术应运而生。该技术包括在传统声表面波器件上覆盖具有互补温度系数的材料，以及将较厚的压电薄膜与低热膨胀系数的材料结合以降低热膨胀带来的温度漂移两种。

2016年，基于硅基压电异质衬底的高性能声表面波器件（I.H.P. SAW）问世，其采用了亚微米厚度的压电薄膜，并在压电层和硅支撑衬底之间插入了氧化硅层。氧化硅和支撑衬底组成的高低声速交替结构实现了声波能量的约束，与此同时氧化硅还可以作为温度补偿层。I.H.P. SAW技术实现了SAW器件性能的重要突破，品质因子超过传统SAW器件的四倍以上，对应滤波器矩形度极大改善。类似的采用压电异质衬底的SAW技术还包括Layered SAW、HAL SAW、Ultra SAW等。我们团队也提出了超高性能声表面波滤波器（SUPSAW）的发展思路，在硅基压电异质晶圆的基础上开发出了蓝宝石基、石英基等低损耗衬底。这些技术无一例外都实现了非常高的性能。然而，由于硅等常用支撑衬底本身的声速限制，目标模式仅能采用声速在4000 m/s左右的水平剪切波模式，受限于光刻精度，应用频率难以进一步提高，这也成为了声表面波技术向高频发展的最大挑战。