Piezo-On-Insulator Engineered Substrates for 4G/5G RF Front-End Filters

Christophe Didier, Eric Butaud and Sylvain Ballandras，Soitec, France

部署先进的4G及5G网络的6GHz以下频段需要运营商和手机制造商采用新功能、新技术。

为了利用新网络即将提供的更大数据带宽，基站和用户设备间的射频通信必须依赖于更复杂的频带设置。因此，射频前端模块的复杂度急剧增加，需要集成一百多个滤波器才能支持所有的通信模式。

目前已有各种技术可应对日益增长的滤波器市场需求，但大部分都无法满足5G网络更严格的要求。不过，采用新型的绝缘压电（POI）基板可制造能满足5G网络要求的高性能集成式面声波（SAW）滤波器组件。这些滤波器可与使用RF-ROI基板等制成的功率放大器、开关及天线调谐器一起应用于智能手机前端模块。

前端模块的5G挑战

5G更宽的射频频谱可实现比4G快20倍的数据速率。同时在线的设备将成倍增加，从而导致连接密度比现在高出一千倍。这一新标准的诞生将影响所有使用移动网络的设备。

为了提供超过20Gb/s的数据速率，声波滤波器需要应对5G网络的复杂挑战：更多的波段、更大的带宽、更高的频率以及诸多支持不同载波聚合（CA）模式和MIMO天线设计的波段组合。

为实现这些新要求，信号选择性需要更加精确。因此，重要的是要让谐振器具备极低的温度系数因子（TCF），通常低于10ppm/K；同时兼备高Q因子，Bode Q一般要高于2000。此外，为了支持不同载波聚合及MIMO功能，还需要更加细致地考虑带外抑制情况。

前端模块的能耗优化仍然是关键问题。必须限制其组件的插入损耗，以便在同等功率水平下，使信号传播得尽可能远，同时设备要能够高效地使用能源。

智能手机前端模块的内部组件急剧增加，极大地限制了可用空间。目前的高端手机中已装有超过六十多个滤波器，可以预见下一代会有一百余个。每个滤波器都针对特定射频波段，需要独特的设计与性能特征。在非常有限的空间里集成如此大量不同的组件会给设计和制造团队带来许多挑战。出于这些原因，外形尺寸、散热和性能提升已成为前端模块内部滤波器的关键特性。

市场需求

到目前为止，智能手机的信号选择主要通过两种滤波技术。压电材料产生声波，能够在材料表面（SAW：面声波）或有源层间（BAW：体声波）自由传播。

当前的SAW滤波器非常适合中低4G频段，但难以满足5G的更高要求（高TCF、低Q因子、低耦合系数）及频率。由于其基板（一般为钽酸锂或铌酸锂）的热膨胀性高，SAW滤波器的频率响应对温度变化敏感。在器件制造过程的最后一步，通过向金属层顶部额外添加一层能够在一定程度上补偿温度敏感性问题，但同时新加层又会影响滤波器的耦合效率以及最终性能。

BAW滤波器能够在较高频率下维持良好的工作性能，但尺寸无法做到SAW滤波器那样薄，对于模块集成是一大挑战。此外，它的制造工艺更复杂，同时在同一芯片上能集成的多工器和双工器也有限。

薄膜POI

由于不可能在某些性能指标上做出折衷，为应对5G网络新功能更严格的需求，Soitec开发了一款新型基板，以帮助运营商和手机制造商迎接挑战。POI基板由单晶压电材料薄层（目前为单晶钽酸锂）覆盖二氧化硅层及高电阻率基板构成，如图1a所示。顶层钽酸锂的厚度一般在0.3至1 μm间。这种薄膜POI基板采用Soitec的Smart-Cut™工艺制成，该技术可保证板层的高均匀度以及高质量的批量生产。此结构能够在基板表面引导声波，将其能量聚集在顶部钽酸锂薄层中，损耗极小（如图1b）。采取这种新型基板，滤波器设计人员能够使用耦合系数（k²）更佳、热膨胀系数更低的基板材料，从而设计出较高频率下品质因数高的谐振器以及温度敏感度低、带宽较大的滤波器。同时，还能实现在同一芯片上集成多个滤波器。

图1：POI基板架构（a）SAW传播结果（b）。

POI基板包含压电材料层、埋氧层及硅层三层。均匀度很高的压电薄层限制导波的能量，实现了高性能的声学特性。埋氧层只针对性地引导高速波，并抑制压电材料，从而减少了热膨胀并由此降低了温度敏感性。这种结构可以实现较高的信号选择性及温度变化时的频率稳定性。由于滤波器件制造商不需要再在顶部添加厚层来约束压电材料，与TC-SAW相比，它还简化了制造过程、提高了耦合效率。

采用POI基板的SAW滤波器能实现极低的插入损耗，使器件制造商得以有效地进行能耗管理。与其他方案相比，基于POI的SAW滤波器具有高Q因子、对高带宽滤波器的高耦合性、极低的TCF以及同芯片上高度集成滤波器的优势（见表1）。

此外值得注意的是，基于POI基板的滤波器设计与基于块状压电晶片的SAW滤波器设计所需技术非常类似；同时其制造过程亦只需简单几步（主体部分采用标准金属层沉积）。

基于POI的SAW谐振器和滤波器的设计

我们测量并表征了基于钽酸锂晶片以及薄膜POI的SAW谐振器的实际性能，结果显示了POI基板对性能的提升。本实验采用一个偶极子单端口谐振器，每侧共有120组叉指对及20个电极实现镜像。声孔径设为40 λ，叉指与电极之间的距离为1.2μm，金属/间距比为0.5（如图2）。

图2：SAW谐振器设计。

我们为这些谐振器设定了1.5GHz的中心频率，并使用探针来测量其特性。实验采用的POI基板具备如下特性：600nm厚（YX）/42°LiTaO₃层接500nm厚二氧化硅层接高电阻率硅层（100）。

耦合系数k²

POI的耦合系数k²可达8.13%，而传统TC-SAW器件的块状LiTaO₃晶片仅为5.98%（见图3）。k²由1-fr²/fa²算得（其中fr为谐振频率，fa为反谐振频率）。POI基板所具备的高k²使得设计出的大带宽滤波器能够涵盖5G部分新频段（最高达中心频率的6%带宽）。

图3：块状和POI基板的谐振k²测量结果。

Q因子

POI基板在性能方面的另一大明显提升表现在反共振时的Bode Q因子上。在相同条件下，块状LiTaO₃的Q因子为935，而POI基板的为2200（见图4）。这一结果让SAW滤波器在L波段及C波段也能和BAW滤波器一较高下。

图4：基于POI的谐振响应——Q值在反共振时达到最大。

温度补偿系数（TCF）

POI基板的TCF（三次多项式拟合）也大幅减小，可降至22ppm/K以下（通常低于10ppm/K），而块状LiTaO₃则约为40ppm/K。图5为1.4GHz谐振器温度效应的准补偿，可以明显观察到二阶效应（TCF₁ = −1.93 ppm/K，TCF₂ = 403.5 ppb/K）。

图5：速度对温度的灵敏度。

我们根据对谐振器的表征，为2GHz下SAW滤波器设计了一个梯形架构，并进行了仿真。POI晶圆上集成了滤波器谐振器，且测量了性能。滤波器没有设置目标频带，而是利用POI基板可实现的传播模式。

所得到的外推滤波器带宽为80MHz（1dB频带）、插入损耗小于2dB、抑制度超过40dB、群时延变化不差于50ns。在整个工作范围内，绝对TCF值低于10ppm/K。带通特性还可随滤波器设计进一步优化，但这些数字已展现了这一新平台可实现的结果（见图6）。

图6：由POI制成的2GHz SAW滤波器的传输及群时延情况：宽带（a）和通带（b）性能。

总结

5G的登场给前端模块设备带来了一系列新挑战，包括尺寸、散热及性能。要成功部署就需要提高性能。其中，滤波器是关键一环，因为为了支持前端模块的新频段要求，它们的数量正急剧增加。

Soitec采用其独家Smart Cut™技术开发了一种新型基板，包含了极薄且均匀的单晶钽酸锂层下接薄氧化硅层再接高电阻率衬底。本文提出的解决方案帮助滤波器谐振器实现了5G性能要求，特别是在质量和耦合系数方面，与使用大块压电材料的标准SAW相比得到了极大的改善。

在POI晶圆上设计、集成和制造滤波器的过程很简单，用到的技术与研制SAW器件的类似。基于POI的SAW滤波器可与BAW滤波器一同竞争L频段及S频段的指定频率，因为它们也能够实现所需性能。

Soitec借助自身在压电材料方面的丰富经验，结合Smart Cut™技术，可在其专用生产线上大批量制造同款基板，能够满足5G对滤波器的严格要求。