總結(jié)微波聲學(xué)器件最新進(jìn)展及技術(shù)的未來發(fā)展

據(jù)麥姆斯咨詢報道，微波聲學(xué)器件在信號處理和傳感領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，一直廣受研究機(jī)構(gòu)和商業(yè)機(jī)構(gòu)的關(guān)注。往前追溯，微波聲學(xué)器件在雷達(dá)、廣播和通信等眾多微波系統(tǒng)中早已得到應(yīng)用。隨著5G時代的到來，以聲表面波（SAW）濾波器、體聲波（BAW）濾波器為代表的微波聲學(xué)器件成為通信產(chǎn)業(yè)的熱門器件。

麥姆斯咨詢翻譯整理了美國伊利諾伊厄巴納-香檳大學(xué)龔頌斌教授及其團(tuán)隊近期發(fā)表在IEEE上的一篇綜述文章。文章回顧了最近5~10年微波聲學(xué)技術(shù)的最新進(jìn)展，并展望了微波聲學(xué)技術(shù)的未來發(fā)展。

關(guān)鍵指標(biāo)分析

在回顧之前，必須先定義評估微波聲學(xué)器件或微系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該具有足夠廣泛的適用性，并與各種材料體系無關(guān)聯(lián)性，以便在目標(biāo)應(yīng)用范圍內(nèi)進(jìn)行公平比較。對未來的低損耗和寬帶應(yīng)用來講，首先要考慮的指標(biāo)應(yīng)該是機(jī)電耦合系數(shù)（k2），而不是品質(zhì)因數(shù)（quality factor）。原因很簡單。

任何器件或系統(tǒng)要從聲學(xué)技術(shù)優(yōu)勢中獲益，首先要保證研究領(lǐng)域是聲學(xué)。高效的機(jī)電換能機(jī)理，即將電學(xué)信號轉(zhuǎn)換成聲學(xué)信號或?qū)⒙晫W(xué)信號轉(zhuǎn)換成電學(xué)信號，都非常重要，因?yàn)檫@決定了系統(tǒng)的帶寬、損耗、阻抗以及其它參數(shù)規(guī)格。k2的改善，通常伴隨著新材料（或現(xiàn)有材料的新配置和生長方法）的發(fā)現(xiàn)。

對材料或其成分進(jìn)行選擇需要考量其k2值的潛力。然而，k2的改善，不僅取決于材料，還與設(shè)計有關(guān)，同時還需要權(quán)衡其它參數(shù)規(guī)格。

第二個指標(biāo)是聲學(xué)器件的損耗，用品質(zhì)因數(shù)（Q）表示，其數(shù)值由材料、工作模式、設(shè)計和制造決定。通常，許多因素會影響Q值。因此，要試圖改善Q值，就必須全面解決造成損耗的各種“元兇”。當(dāng)然，這是一個相當(dāng)復(fù)雜的研究課題，損耗機(jī)理可能是純聲學(xué)的，也可能同時交叉有聲學(xué)和電磁學(xué)，因此需要從物理層面深刻理解損耗機(jī)理。

最后一項基本指標(biāo)是頻率可擴(kuò)展性。工作頻率范圍就能決定某一特定技術(shù)的應(yīng)用市場。早期SAW濾波器與BAW濾波器的競爭證明，頻率可擴(kuò)展性就能主導(dǎo)市場細(xì)分，相比之下其它指標(biāo)則是輔助因素。在5G時代，頻帶分配遍布整個頻譜，并且不同國家的頻譜分配也各不相同，頻率可擴(kuò)展性就顯得尤為重要。任何能夠適應(yīng)不同頻率的技術(shù)（不限于聲學(xué)技術(shù)）都必定會在未來的微波系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。

除了上面討論的k2、Q和頻率（f）三項指標(biāo)以外，通常微波聲學(xué)產(chǎn)品將不同指標(biāo)組合在一起并稱為不同的綜合性能品質(zhì)優(yōu)值（FoM），例如k2·Q、f·Q或k2·f·Q，還有一系列次要指標(biāo)（但并不代表不關(guān)鍵），包括溫度穩(wěn)定性、功率處理、非線性、集成兼容性和封裝，用以評估某一特定聲學(xué)技術(shù)的可行性。

一般而言，在選擇材料和考慮商業(yè)因素時，上述指標(biāo)并非如k2和Q等需要作為基本指標(biāo)。但在某些應(yīng)用實(shí)例中，其重要性卻超過k2和Q。在本文中，針對不同的基本指標(biāo)，我們將進(jìn)行分類并逐項討論，從而對相關(guān)技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行綜述。不過，與任何復(fù)雜的工程問題一樣，這些參數(shù)常常是相互關(guān)聯(lián)的。

在實(shí)踐中，已經(jīng)盡可能平衡并改善所有參數(shù)。盡管如此，我們也將強(qiáng)調(diào)某一指標(biāo)對其它指標(biāo)（包括次要指標(biāo)）的影響，雖然在文中無法全部羅列。在對該復(fù)雜課題進(jìn)行細(xì)致分析的同時，我們也會展望未來可能面臨的挑戰(zhàn)。

更高的耦合工作模式

標(biāo)準(zhǔn)明確之后，相關(guān)材料及支持工作模式的基礎(chǔ)性改善工作就是水到渠成的事情了。壓電換能器是最具代表性的器件，展現(xiàn)了在高耦合度、高線性度和高集成度方面的平衡特性，成為微波頻段機(jī)電機(jī)理的最常見產(chǎn)品。目前已取得商業(yè)成功的關(guān)鍵材料包括氮化鋁（AlN）、鉭酸鋰（LT）和鈮酸鋰（LN）。基于上述壓電材料已經(jīng)開發(fā)出滿足手機(jī)和其它移動設(shè)備濾波需求的BAW濾波器和SAW濾波器。

根據(jù)邊界條件（懸空型或固態(tài)裝配型），AlN可以為厚度擴(kuò)張模式（thickness-extensional mode）提供4-6%的機(jī)電耦合，為橫向振動模式（lateral vibrating modes）提供1-2%的機(jī)電耦合（零階對稱型（S0）蘭姆波）。前者已成為薄膜體聲波諧振器（FBAR）和固態(tài)裝配諧振器（SMR）的主要配置。

后者則吸引了越來越多的研究人員通過光刻工藝改善AlN技術(shù)頻率特性。為了進(jìn)一步提高AlN的機(jī)電耦合系數(shù)，主要有兩種方法：一種依賴于混合模式（2D模式或截面蘭姆波模式）保證壓電常數(shù)d??和d??都具有更大的耦合能力，典型的FBAR可提高1-2%。另一種方法是選用摻鈧氮化鋁（Sc-doped AlN，簡稱：ScAlN）壓電材料，這是十年前提出并已驗(yàn)證可提高d??和d??的方法。

第一種方法，主要由高校研究人員主導(dǎo)，結(jié)合厚度模式和橫向擴(kuò)展模式的2D模式可以巧妙地結(jié)合各自的優(yōu)點(diǎn)，即大機(jī)電耦合系數(shù)和依靠光刻技術(shù)調(diào)整頻率，見圖1（a）和圖1（b）。精心設(shè)計電極可以避免偽模（spurious mode），這激發(fā)出了復(fù)雜的設(shè)計靈感。

從根本上說，腔體的2D結(jié)構(gòu)越明顯，即叉指換能器（IDT）的間距與AlN厚度相當(dāng)，則能夠增加本征模密度（即每單位頻率范圍的本征模數(shù)量），降低雜散模的激勵機(jī)率，從而有望提高k2。展望未來，如果用于ScAIN，將對高頻應(yīng)用產(chǎn)生更深遠(yuǎn)的影響。

第二種方法：ScAlN，自首次引入以來，中等摻雜濃度的產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。業(yè)界對ScAlN靶材反應(yīng)濺射法的研究已經(jīng)非常充足，這種方法沉積出摻雜濃度和應(yīng)力均勻的薄膜。摻雜水平和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的Q值數(shù)據(jù)關(guān)系每年都會更新，在幾乎不犧牲Q值的情況下獲得了越來越高的k2，并鼓舞著研究人員為得到更高的k2而實(shí)現(xiàn)更高的摻雜水平。

同時，針對AlN薄膜沉積的新技術(shù)如金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）和分子束外延（MBE）也在持續(xù)開發(fā)中，旨在更精確地控制成分并提高結(jié)晶度。新型摻雜元素（例如：鎂（Mg））具有可比的形成能（forming energy）水平但成本更低，也被嘗試作為鈧（Sc）的替代品。然而，除了需要開發(fā)最佳物理氣相沉積（PVD）工藝之外，還需要精確地控制成分，因此仍然存在挑戰(zhàn)。

除上述兩種方法之外，第三種方法仍處于早期階段，采用C軸取向AlN來獲得剪切模式，如摻雜或其他方法［圖1（f）-（h）］。這類似于鉭酸鋰（LT）和鈮酸鋰（LN）的不同切割平面。但對于AlN來講，通過旋轉(zhuǎn)晶軸，dij可以被定制出取向生長方式能實(shí)現(xiàn)的張量矩陣旋轉(zhuǎn)。在這種情況下，剪切模式可產(chǎn)生比傳統(tǒng)厚度模式更高的機(jī)電耦合系數(shù)。到目前為止，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明取向晶粒對Q值有一定的不利影響，是否可以解決該問題還有待觀察。

除了AlN，在過去十年中，基于鉭酸鋰（LiTaO?）和鈮酸鋰（LiNbO?）的技術(shù)也取得了令人興奮的進(jìn)展。與基于AlN的FBAR濾波器和SMR濾波器一樣，即使LiTaO?和LiNbO?都具有更高的k2，但基于這兩種材料的傳統(tǒng)SAW濾波器如果要實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)的模式，例如蘭姆波族中的零階剪切水平（SH0）模式或S0模式、一階反對稱（A1）模式，要提高k2也遇到了瓶頸。

為此，必須采用LiTaO?和LiNbO?基板和薄膜，并設(shè)置薄膜表面反射邊界。這種方法已經(jīng)衍生出多種襯底/絕緣體上LiTaO?和LiNbO?薄膜技術(shù)。轉(zhuǎn)移技術(shù)是常用方法，將一片塊體型LiTaO?和LiNbO?鍵合到載體襯底（carrier substrate）上，以進(jìn)行后續(xù)的器件工程。

這項突破帶來了幾項重要優(yōu)勢。首先，薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù)使得塊體型壓電材料以任何切型的單晶薄膜鍵合在與之兼容的襯底。如今，設(shè)計人員在給定模式時對dij的選擇很多，盡管不是完全無限的。其次，這些薄膜的結(jié)晶和聲學(xué)損耗性能都更勝一籌，不存在物理氣相沉積（PVD）薄膜出現(xiàn)的典型結(jié)晶問題。

最后，與高度依賴于下層膜的薄膜生長方法相比，轉(zhuǎn)移技術(shù)的薄膜質(zhì)量對載體襯底的依賴性小很多，從材料角度來看，可以得到更高的Q值。

上述探討的模式包括S0模式的分類方法取決于在不同的邊界條件下如何嚴(yán)格地處理和解釋模式失真及其商業(yè)目的。然而，在某些情況下LiNbO?薄膜有出色的機(jī)電耦合表現(xiàn)，k2是傳統(tǒng)SAW模式的兩到四倍，同時Q值相當(dāng)。

利弊分析如下。除了追求出色的k2，認(rèn)識到高k2值帶來的挑戰(zhàn)也很重要。目標(biāo)模式的高k2意味著LiTaO?和LiNbO?切面的高dij可能被附近頻率范圍內(nèi)的其他本征模影響。抑制偽模變得很有挑戰(zhàn)性，尤其是S0模式和A1模式濾波器。對于S0模式，允許最優(yōu)S0激勵的切割平面也能實(shí)現(xiàn)優(yōu)秀的SH0激勵。

迄今為止，S0的限制方案也很好地束縛了SH0和其它蘭姆波（如A0）?？紤]到額外的高階橫向或縱向S0偽模，問題更為復(fù)雜。盡管如此，由于速度比S0快，以及相對非色散特性，出于頻率擴(kuò)展的目的，人們對S0仍然充滿興趣，因此，如果某些問題難以解決，則仍有待定論。

另一方面，A1模式的傳播速度比現(xiàn)有任何聲學(xué)模式都快得多。它具有在AlN截面模式中發(fā)現(xiàn)的2D特性，因此在高模密度方面面臨類似的變化。然而，LiNbO?的A1模式比蘭姆波模式更分散。LiNbO?的壓電常數(shù)dij也比AlN更高。兩者的結(jié)合允許在更寬的間距厚度比（pitch-to-thickness ratio）范圍內(nèi)激發(fā)A1模式，而k2變化不大。

這樣的靈活性有利于利用電極間距的偽模抑制技術(shù)。但這并不是意味著A1偽模已得到解決。通過調(diào)整間距寬度來解決橫模和其它本征模是行不通的，必須采取更具創(chuàng)新性的方法加以克服（例如，嵌入式電極或周期化排布的釋放窗口）。也許，已經(jīng)獲得了高k2的模式案例為大家解決這些技術(shù)難題提供了動力。

也許有人會說，AlN與LiTaO?/LiNbO?技術(shù)之正在形成競爭態(tài)勢。AlN技術(shù)利用現(xiàn)有設(shè)計和制造基礎(chǔ)設(shè)施就能實(shí)現(xiàn)更高的摻雜水平，這是寬帶應(yīng)用快速布局新器件的關(guān)鍵所在。未摻雜的AlN在設(shè)計和制造方面已經(jīng)積累了大量的技術(shù)訣竅，摻雜材料的成熟度可能是主要的障礙。然而，隨著AlN摻雜水平的提高，設(shè)計創(chuàng)新也將隨之而來，重點(diǎn)是開發(fā)出最佳的、更復(fù)雜、可重構(gòu)的壓電系數(shù)矩陣（蘭姆波和剪切模式已出現(xiàn)了很好的范例）。

通過離子切片或薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù)，已經(jīng)制造出單晶質(zhì)量的LiTaO?和LiNbO?壓電材料。但要獲得更精確的厚度控制，制備工藝仍有改進(jìn)空間，晶圓尺寸還有待增加以實(shí)現(xiàn)更低的成本，才能具備與摻雜AlN競爭的實(shí)力。

此外，與AlN不同的是，在LiTaO?和LiNbO?薄膜中新出現(xiàn)的模式，讓設(shè)計人員仍在與偽模、功率處理、溫度穩(wěn)定性等特性作斗爭。解決上述問題，需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)一步創(chuàng)新，不僅僅是電極布局優(yōu)化。值得慶幸的是，將薄膜轉(zhuǎn)移到各種襯底和結(jié)構(gòu)上的靈活性給予了解決上述問題的希望。

改善品質(zhì)因數(shù)（Q）、降低損耗

提高聲學(xué)諧振器品質(zhì)因數(shù)的方法，主要集中在提升材料質(zhì)量、開發(fā)先進(jìn)的鍵合工藝和新的能量限制方法。為了更好地控制較薄的壓電薄膜質(zhì)量，人們對壓電薄膜（如ScAlN、AlN）進(jìn)行了廣泛的研究。采用新的外延方法和改進(jìn)后的濺射技術(shù)所制備的壓電薄膜，表現(xiàn)出較低的損耗。

薄膜轉(zhuǎn)移和鍵合技術(shù)的改進(jìn)是提高Q值的另一要素，這些技術(shù)使以前難以實(shí)施的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新得以實(shí)現(xiàn)。更具體地說，新型的薄膜堆棧方式利用了SMR壓電薄膜，例如超高性能聲表面濾波器（IHP-SAW），同時顯示出更高的Q值和更低的頻率溫度系數(shù)（TCF）。

研究人員研究了高速襯底和多層襯底，以便更好地限制聲波器件的能量。研究人員還通過將壓電薄膜與低聲學(xué)損耗襯底相結(jié)合，用于提高無支撐型薄膜器件的Q值。最后，通過研究光子晶體結(jié)構(gòu)的聲學(xué)結(jié)構(gòu)和聲學(xué)禁帶分布，仍在努力推動可實(shí)現(xiàn)的射頻聲學(xué)諧振器性能極限。

除了上述聲學(xué)改進(jìn)之外，還需要解決電磁損耗問題。為了減少介質(zhì)損耗，采用了新型結(jié)構(gòu)、低損耗介質(zhì)。結(jié)果表明，不僅Q值有了很大的提高，而且非線性度的改善也很大。

可以預(yù)測，材料和制造工藝很快就會成為提高Q值的瓶頸，這是因?yàn)樵O(shè)計的改進(jìn)徹底地擠壓了所有可能提高Q值的空間，例如錨固損耗（anchor loss）、模式限制。在較低的射頻頻段，未摻雜和摻雜AlN微系統(tǒng)的Q值可能已經(jīng)達(dá)到了由AlN和金屬材料、不均勻性、粗糙度和其他制造工藝不精確共同構(gòu)成的“天花板”。然而，基于LiTaO?和LiNbO?薄膜的聲學(xué)器件，至少在某些模式下，距離“天花板”還有一定的空間。

近年來，對LiNbO?薄膜聲波傳播損耗的大量研究表明，該材料的Q值極限為6000，而器件的Q值僅300～1000?；诖搜邪l(fā)出的聲延遲線（ADL）是兩端口器件，在聲波導(dǎo)的另一端有一對壓電換能器。不同于聲學(xué)諧振器的各種損耗因子相互影響（例如錨固損耗、熱彈性阻尼和電極損耗），ADL的損耗機(jī)制相對單一。

在換能器設(shè)計相同但波導(dǎo)長度不同的情況下，可以直接提取聲學(xué)傳播損耗。利用AlN薄膜的S0模式，LiNbO?薄膜的S0、SH0、A1和高階蘭姆波模式，以及SMR LiNbO?薄膜水平剪切波（SH-SAW）模式，可以設(shè)計工作在吉赫茲（GHz）的低損耗寬帶ADL。

據(jù)報道，LiNbO?器件工作在GHz處的傳播損耗約為0.005 db/λ ~ 0.03 db/λ，其中S0模式的損失最小。對于工作在GHz的LiNbO?薄膜器件，這樣的傳輸損耗相當(dāng)于最大Q值達(dá)到1000~6000。有趣的是，Q值的預(yù)測最大值與在LiNbO?橫向高階體聲波諧振器（LOBAR）中測得的最高Q值一致。LOBAR采用未金屬化的LiNbO?薄膜，其Q值遠(yuǎn)高于已報道的諧振器Q值，表明電極損耗和錨固損耗是當(dāng)前LiNbO?諧振器的主要損耗。

向高頻擴(kuò)展

在過去的幾年中，向高頻擴(kuò)展可能是微波聲學(xué)研究界中最激動人心的課題。聲學(xué)器件在3 GHz以下的應(yīng)用已經(jīng)贏得了良好的聲譽(yù)，頻率超過3 GHz后則Q值不理想，電磁器件則表現(xiàn)更佳。在芯片級無源器件中，電磁波導(dǎo)比聲學(xué)的損耗更低，兩者的交叉點(diǎn)很難確定，而且隨著時間的推移，兩者的性能都在不斷提高，交叉點(diǎn)還會繼續(xù)變化。

不過可以肯定的是，在室溫下，交叉點(diǎn)不會低于6 GHz，即聲學(xué)器件在損耗方面仍具優(yōu)勢（不考慮尺寸）?；贔BAR和SMR的產(chǎn)品已投放到WiFi 6和C-V2X頻段市場，Q值達(dá)1000的數(shù)量級。但是，如果推動聲學(xué)器件達(dá)到更高頻率，如10 GHz、20 GHz甚至60 GHz，那么問題就開始顯現(xiàn)。

隨著更高頻率、更高階多輸入多輸出（MIMO）或相控陣的出現(xiàn)，對更高頻率聲學(xué)器件的需求正在醞釀之中。所有這些都表明，隨著在手機(jī)共存頻帶越來越多，對微型濾波器的需求數(shù)量也會增加。盡管在未來的系統(tǒng)中，頻域?yàn)V波“應(yīng)該或必須”、“用于何處”及“如何應(yīng)用”，還存在爭議，但不可否認(rèn)的是都會追求高性能聲學(xué)濾波器。

在6-60 GHz范圍內(nèi)，電磁學(xué)和聲學(xué)在尺寸和頻率的設(shè)計空間中確實(shí)存在巨大差距。認(rèn)識到這一問題，研究人員提出了三種不同的觀點(diǎn)。第一種方法是簡單直接地進(jìn)行縮放，即調(diào)整影響諧振頻率的尺寸因素。對BAW來講，就是調(diào)整AlN厚度；對SAW或面內(nèi)伸縮模態(tài)諧振器（contour-mode resonator，簡稱CMR，即S0蘭姆波），即電極間距和光刻分辨率；

對于2D模式［即蘭姆波或A1模式來講，即厚度和間距。這種方法很簡單，但面臨多個方面的挑戰(zhàn)。隨著尺寸減小，越來越接近制造設(shè)備的工藝能力極限，很難保證厚度和間距精度。隨著厚度的減小，濺射薄膜的結(jié)晶性也逐漸消失，其它性能如導(dǎo)熱性也會逐漸退化。此外，BAW的金屬厚度和SAW的金屬寬度必須相應(yīng)地減小，導(dǎo)致電負(fù)載加重。功率處理能力也將降低，需要進(jìn)一步的定量研究。

第二種方法是增加模式階數(shù)，同時保證相比低頻時的尺寸不變。過模（overmode）解決了第一種方法面臨的挑戰(zhàn)，但帶來的代價是犧牲k2。為了擴(kuò)展頻率并最終得到具有應(yīng)用價值的k2，通常需要從高k2模式開始。目標(biāo)頻率越高，選擇的基準(zhǔn)應(yīng)具有越高的k2，以便有充足的空間調(diào)整k2。這樣的方法對于之前提到的A1模式很有效，也曾在蘭姆波模式嘗試過。

第三種方法則基于第二種方法發(fā)展起來，仍然旨在實(shí)現(xiàn)過模，但能減少k2的損失。通過復(fù)合結(jié)構(gòu)的過模來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。在一個實(shí)例［見圖5（g）-（h）］中，可采用雙層互補(bǔ)取向器件讓諧振頻率變?yōu)殡p倍或三倍，而k2幾乎沒有損失甚至完全沒有損失。還可以利用絕緣體上的壓電雙晶片實(shí)現(xiàn)三階，足以彌補(bǔ)傳統(tǒng)過模的k2損失，并在此過程中實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。希望以上所有方法都能在未來的高頻聲學(xué)器件中尋得一席之地，特別是如果應(yīng)用允許在電磁域中設(shè)計補(bǔ)償方案。

頻率超過10 GHz的聲波的傳播路徑較短，因此很難描繪出向高頻方向擴(kuò)展的技術(shù)路線圖。目前業(yè)內(nèi)對頻率或模式階數(shù)相關(guān)損耗的物理理解仍顯不足，還需更多的研究和調(diào)查。正是這樣的不確定性，才使其成為未來幾年里令人興奮的研究沃土。

結(jié)論

盡管歷史悠久，微波聲學(xué)仍在不斷地激發(fā)人類創(chuàng)新并取得令人興奮的進(jìn)展。隨著更大機(jī)電耦合系數(shù)、更高Q值和更高頻率的微波聲學(xué)平臺的成熟，更復(fù)雜的微系統(tǒng)將展現(xiàn)出前所未有的信號處理能力。

論文鏈接：

https://ieeexplore.ieee.org/document/9398244

編輯：jq