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压电MEMS兰姆波器件技术最新进展与展望
2022-06-15    来源:麦姆斯咨询  浏览次数:
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兰姆波谐振器(LWR)是一种新兴的压电MEMS声学器件,由叉指换能器(IDT)和压电薄膜构成,兼具声表面波(SAW)和体声波(BAW)谐振器二者的特征,具有高工作频率、高机电耦合系数、高品质因数值(Q)及低功耗等特点。其制造工艺与集成电路工艺兼容,可在单片晶圆上实现多频率器件。基于LWR的声学滤波器是实现高性能射频前端组件的有效解决方案之一,能够满足未来通信设备多频率及集成化的发展要求,相关研究已成为微声器件领域的热点。


近期,来自中国电子科技集团公司第二十四研究所和第二十六研究所的研究团队在《压电与声光》联合发表了题为“压电MEMS兰姆波器件技术的最新进展与展望”的综述文章,对兰姆波基本原理及技术发展历程做了梳理,重点介绍了基于不同材料平台的5G通信和物联网(IoT)用兰姆波器件的最新进展,并对该技术未来发展趋势进行了展望。


根据声波传播时介质中质点振动位移分布形态的不同,兰姆波分为反对称型兰姆波(A型)和对称型兰姆波(S型)两种。不同模式的兰姆波具有不同声速,其中最低阶兰姆波的声速一般为10000m/s,而高阶兰姆波声速通常大于10000m/s。


高阶兰姆波模式在一定的薄膜厚度范围内具有良好的机电耦合性能、高的相速度和Q值,拥有实现更高频率谐振器和滤波器的潜力,无需在一些关键参数上妥协,有望在5G高频段(6GHz~毫米波频段)实现传统声学滤波技术难以实现的高耦合系数谐振器和高频、大带宽滤波器,且易于实现器件小型化,被认为是最有希望满足5G通信应用要求的竞争性解决方案之一。


研究人员以高阶兰姆波器件为重点,分别分析了基于氮化铝(AIN)和铌酸锂薄膜材料的兰姆波器件技术的最新进展。


在AIN X~Ka波段AIN芯片级兰姆波器件研究领域,AIN高次谐波组合模式谐振器(CORs)、AIN截面拉梅模式谐振器(CLMRs)等是当前主流的技术路径。AIN LWR技术因其可覆盖频率范围较广,且具有低动态电阻及高Q值等优良特性,非常适用于窄带滤波器和振荡器应用。晶圆级频率调谐能力和高性能的结合使CORs有望成为未来5G毫米波前端架构用低损耗微型化多频率滤波器的一种候选方案。对于载波聚合应用平台而言,CLMR技术是实现单片集成连续或非连续预选滤波器的最有前景的解决方案之一。


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AIN CORs的兰姆波模式形状(引自《High-Q X Band Aluminum Nitride Combined Overtone Resonators》)


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AIN CLMR制作工艺流程(引自《11 GHz Lateral-Field-Excited Aluminum Nitride Cross-Sectional Lamé Mode Resonator》)


高压电系数的铌酸锂有利于实现高耦合系数的谐振器,从而实现大带宽滤波器。为了实现较高的耦合系数,需要不断改良器件制作工艺,以满足高性能器件的性能需求。得益于铌酸锂薄膜层转移技术的成熟和微纳加工工艺的进步,采用横向激励声体波谐振器(XBAR)技术有望解决SAW/BAW在5G时代面临的困境。此外,利用先进的薄膜加工技术和高频振动模式,也是实现工作频率大于6GHz的高性能微声滤波器的一种理想解决方案。


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改进后的XBARs制作工艺(引自《Fabrication and Analysis of Thin Film Lithum Niobate Resonators for 5GHz Frequency and Large Kt2 Applications》)


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采用局部减薄的LiNbO3兰姆波滤波器工艺流程(引自《A 14.7 GHz Lithium Niobate Acoustic Filter with Fractional Bandwidth of 2.93%》)


性能优越的兰姆波器件能够更好地满足未来通信设备多频率及集成化的发展要求,研究突破现有的制造工艺限制并采用超高相速(声速)的薄膜材料,对于推动兰姆波器件进一步发展至关重要。


目前,AIN材料平台发展已较成熟,不过,进一步提高AIN掺杂材料的成熟度仍是AIN材料平台面临的主要挑战,探寻AIN材料新的谐振模式以实现工作在X~Ka波段的芯片级滤波器是推动微声器件未来发展的关键。在铌酸锂薄膜器件研究方面,制作工艺的突破和新结构设计将是未来关键的研究方向之一,通过工艺和设计改良,有望推动铌酸锂薄膜材料成为实现高性能声学器件的通用声学材料平台。