基于AlN的體聲波濾波器材料、器件與應(yīng)用研究進展

在5G通信時代，體聲波（BAW）濾波器成為實現(xiàn)高性能射頻（RF）濾波的有效解決方案。作為Ⅲ族氮化物的典型代表，氮化鋁（AlN）具有寬帶隙、耐輻射、耐高溫等優(yōu)點，同時，對比目前BAW器件的其他兩種主要壓電薄膜材料鋯鈦酸鉛（PZT）和氧化鋅（ZnO），AlN雖然機電耦合系數(shù)最低（6.5%），介電常數(shù)（9.5）比ZnO稍高，但其縱波聲速高達10400 m/s，材料固有損耗很低，同時溫度系數(shù)為-25 × 10??℃?1，制備工藝與互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）兼容。因此，自AlN薄膜被作為壓電材料用于制備BAW諧振器起，其質(zhì)量與性能成為BAW器件的研究重點。

目前，國內(nèi)外針對AlN薄膜做了大量研究工作，包括AlN薄膜質(zhì)量的提升、AlN基BAW器件的制備及應(yīng)用等。在當(dāng)前BAW器件發(fā)展最成熟的薄膜體聲波諧振器（FBAR）技術(shù)和專利被少數(shù)幾家公司持有的大環(huán)境下，對壓電薄膜生長、器件的制備工藝等方面進行突破，形成獨有的BAW器件技術(shù)路線顯得尤為重要。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，針對該領(lǐng)域近些年的研究進展，華南理工大學(xué)李國強教授團隊進行了綜述分析，在《人工晶體學(xué)報》期刊發(fā)表了題為“基于AlN的體聲波濾波器材料、器件與應(yīng)用研究進展”的文章，綜述了AlN薄膜的生長、AlN材料在BAW濾波器件的發(fā)展、基于AlN的BAW器件的制備及其應(yīng)用等內(nèi)容。

AlN薄膜的生長

前期研究中，由于單晶AlN材料涉及到晶粒取向控制問題，制備難度較大，因此研究人員制備的多為多晶AlN材料。但多晶AlN材料中存在大量位錯和晶界等缺陷。因此，發(fā)展缺陷更少、質(zhì)量更高的單晶AlN薄膜對于提高諧振器的機電耦合系數(shù)、減小器件損耗、精確控制器件的諧振頻率具有重要意義。在多晶AlN制備日趨完善后，單晶AlN生長的研究開始越來越受到重視。

圖1 AlN體單晶生長

單晶AlN外延薄膜主要通過金屬有機物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）法、分子束外延（MBE）法或脈沖激光沉積（PLD）法制備。MOCVD法制備單晶AlN薄膜因為生長溫度高，AlN前驅(qū)體的寄生預(yù)反應(yīng)劇烈，從而生長速率較慢，同時某些襯底的物理化學(xué)性質(zhì)不夠穩(wěn)定，容易與薄膜發(fā)生劇烈的界面反應(yīng)，外延薄膜應(yīng)力較大且難以控制。MBE法外延制備單晶AlN薄膜對真空度的要求很高，沉積速率較低，不適合企業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)。而PLD法制備的單晶AlN薄膜過程中氣化膨脹產(chǎn)生的反沖力對一部分熔融靶材的沖擊，導(dǎo)致一些熔融的液滴濺射沉積于基底，對薄膜的質(zhì)量有一定的損害，使得薄膜均勻性較差、缺陷密度較高并且同樣沉積速率較低。2016年，李國強教授團隊在采用PLD技術(shù)生長了高均勻性低應(yīng)力AlN薄膜的基礎(chǔ)上，基于對提高沉積速率和薄膜厚度精確控制的需求，開發(fā)了一種PLD結(jié)合MOCVD的兩步生長技術(shù)，該方法充分結(jié)合了兩者的優(yōu)勢，在6英寸的Si襯底上實現(xiàn)了高均勻性、低應(yīng)力、低缺陷密度的高質(zhì)量AlN薄膜生長。

圖2 采用MOCVD和MBE法在不同襯底上沉積的AlN

圖3 采用PLD法在不同襯底上沉積的AlN

BAW器件制備

由于AlN材料沿c軸取向壓電效應(yīng)明顯，并且具有高熱導(dǎo)率、低膨脹系數(shù)、高強度等優(yōu)良特性，基于AlN材料的BAW器件得到了快速發(fā)展。其后，在晶體質(zhì)量進一步優(yōu)化的多晶AlN薄膜及單晶AlN材料的推動下，BAW器件的性能得到了進一步的提升。由于多晶AlN薄膜存在大量位錯和晶界等缺陷，會造成聲波能量的損耗，基于多晶AlN薄膜的FBAR器件也存在著器件損耗高、能量轉(zhuǎn)換效率低、功率容量難以突破的限制，基于多晶AlN的BAW器件性能提升遇到瓶頸。2017年，Hodge等人制備了以碳化硅（SiC）襯底上外延生長的單晶AlN為壓電薄膜的BAW器件，濾波器通帶響應(yīng)如圖4（a）所示，相比于傳統(tǒng)多晶AlN材料制備的FBAR濾波器，性能得到大幅提升。

然而，對于各研究團隊更重要的是，F(xiàn)BAR器件制備的核心專利被少數(shù)幾家公司持有，在國際競爭愈加激烈的大環(huán)境下，后續(xù)團隊在進行FBAR器件的研究時，產(chǎn)業(yè)化的道路不免被專利限制，處于不利環(huán)境。基于此，在成功采用兩步生長技術(shù)制備了單晶AlN薄膜的同時，李國強教授團隊另辟蹊徑，獨創(chuàng)了獨立自主知識產(chǎn)權(quán)的基于單晶AlN的體聲波諧振器（SABAR）技術(shù)路線，創(chuàng)新性地采用倒裝鍵合技術(shù)制備BAW器件的空腔結(jié)構(gòu)，減小了諧振器的損傷，所制備的SABAR串聯(lián)諧振點Q值超過3400。2022年，李國強教授團隊又采用MOCVD結(jié)合物理氣相沉積PVD的兩步生長技術(shù)，使器件的性能得到了進一步提升，諧振器的阻抗特性如圖4（b）所示。

圖4 BAW和SABAR器件性能：（a）SiC襯底BAW濾波器通帶響應(yīng)；（b）兩步法制備的SABAR諧振器阻抗特性

未來BAW器件將隨著單晶AlN薄膜制備工藝的日趨成熟而逐步完成對多晶AlN薄膜的替代，基于單晶AlN的AlScN薄膜也將因其高機電耦合系數(shù)在高頻寬帶領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用；另一方面，由于SABAR器件采用了兩步法生長技術(shù)制備單晶AlN薄膜，制備工藝也不涉及CMP和犧牲層釋放工藝，減少了對器件的損傷，發(fā)展?jié)摿托阅苌舷迣⒈菷BAR器件更高。

BAW器件應(yīng)用

目前，基于AIN的BAW器件已在射頻濾波領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，依靠BAW器件的高頻特性，射頻通信的頻率也得以從2G時代的800 ~ 900 MHz進入sub-6G高頻頻段。此外，BAW諧振器由于具有高靈敏度、易于與CMOS電路集成、易于陣列以實現(xiàn)多通道功能的優(yōu)點，近年來，其被廣泛應(yīng)用于質(zhì)量、生物傳感和壓力傳感器中。

在射頻通信領(lǐng)域向高頻方向發(fā)展的時代，BAW器件以其高頻、高Q值、寬通帶、大功率容量等優(yōu)勢在射頻濾波器件中占據(jù)了越來越重要的位置；同時，也由于其高靈敏度、易集成等特性在傳感器領(lǐng)域獲得了發(fā)展。在未來，環(huán)境、生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域?qū)⒃絹碓蕉嗟爻霈F(xiàn)BAW器件的身影，SABAR器件也將在不斷深入研究和協(xié)作下，打破濾波器行業(yè)現(xiàn)有格局。

圖5 Han等人提出的基于免疫球蛋白G的BAW傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 Hashwan等人提出的用于檢測H2S的BAW傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

研究展望

通過多年的技術(shù)革新，國內(nèi)外研究學(xué)者們雖然不斷降低了多晶AlN薄膜缺陷密度、提升了晶體質(zhì)量，但目前質(zhì)量提升已遇到瓶頸；作為BAW器件當(dāng)前發(fā)展最成熟的一類，F(xiàn)BAR器件可在5 GHz以上頻率達到Q值1500以上、帶寬超過150 MHz，實現(xiàn)高頻寬帶通信的初步需求，但在高頻段應(yīng)用仍面臨功率容量以及帶寬難以進一步提升的困境，單晶AlN因具有機械強度高、晶體質(zhì)量高等優(yōu)勢，非常有利于BAW器件功率容量的提升，有望成為未來BAW濾波器的主要材料。

隨著對AlN材料的深入研究，通過單晶AlN薄膜生長方法的革新，制備工藝將越來越成熟。應(yīng)用單晶AlN制備BAW器件的工藝也將日益成熟，單晶AlN高縱向聲速、高晶體質(zhì)量的優(yōu)勢使得BAW器件的Q值、帶寬以及功率容量也可進一步提高。同時，在國內(nèi)研究者的努力下，基于單晶AlN的SABAR器件，通過在材料生長方法及制備工藝上的獨立自主創(chuàng)新，使得器件性能得到了進一步的提升，有望給受到國外掣肘的國內(nèi)射頻濾波行業(yè)帶來了一條擺脫國外“卡脖子”問題的新路線。

審核編輯：劉清