基于AlN的体声波滤波器材料、器件与应用研究进展

在5G通信时代，体声波（BAW）滤波器成为实现高性能射频（RF）滤波的有效解决方案。作为Ⅲ族氮化物的典型代表，氮化铝（AlN）具有宽带隙、耐辐射、耐高温等优点，同时，对比目前BAW器件的其他两种主要压电薄膜材料锆钛酸铅（PZT）和氧化锌（ZnO），AlN虽然机电耦合系数最低（6.5%），介电常数（9.5）比ZnO稍高，但其纵波声速高达10400 m/s，材料固有损耗很低，同时温度系数为-25 × 10⁻⁶℃⁻¹，制备工艺与互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容。因此，自AlN薄膜被作为压电材料用于制备BAW谐振器起，其质量与性能成为BAW器件的研究重点。

目前，国内外针对AlN薄膜做了大量研究工作，包括AlN薄膜质量的提升、AlN基BAW器件的制备及应用等。在当前BAW器件发展最成熟的薄膜体声波谐振器（FBAR）技术和专利被少数几家公司持有的大环境下，对压电薄膜生长、器件的制备工艺等方面进行突破，形成独有的BAW器件技术路线显得尤为重要。

据麦姆斯咨询报道，针对该领域近些年的研究进展，华南理工大学李国强教授团队进行了综述分析，在《人工晶体学报》期刊发表了题为“基于AlN的体声波滤波器材料、器件与应用研究进展”的文章，综述了AlN薄膜的生长、AlN材料在BAW滤波器件的发展、基于AlN的BAW器件的制备及其应用等内容。

AlN薄膜的生长

前期研究中，由于单晶AlN材料涉及到晶粒取向控制问题，制备难度较大，因此研究人员制备的多为多晶AlN材料。但多晶AlN材料中存在大量位错和晶界等缺陷。因此，发展缺陷更少、质量更高的单晶AlN薄膜对于提高谐振器的机电耦合系数、减小器件损耗、精确控制器件的谐振频率具有重要意义。在多晶AlN制备日趋完善后，单晶AlN生长的研究开始越来越受到重视。

图1 AlN体单晶生长

单晶AlN外延薄膜主要通过金属有机物化学气相沉积（MOCVD）法、分子束外延（MBE）法或脉冲激光沉积（PLD）法制备。MOCVD法制备单晶AlN薄膜因为生长温度高，AlN前驱体的寄生预反应剧烈，从而生长速率较慢，同时某些衬底的物理化学性质不够稳定，容易与薄膜发生剧烈的界面反应，外延薄膜应力较大且难以控制。MBE法外延制备单晶AlN薄膜对真空度的要求很高，沉积速率较低，不适合企业大规模生产。而PLD法制备的单晶AlN薄膜过程中气化膨胀产生的反冲力对一部分熔融靶材的冲击，导致一些熔融的液滴溅射沉积于基底，对薄膜的质量有一定的损害，使得薄膜均匀性较差、缺陷密度较高并且同样沉积速率较低。2016年，李国强教授团队在采用PLD技术生长了高均匀性低应力AlN薄膜的基础上，基于对提高沉积速率和薄膜厚度精确控制的需求，开发了一种PLD结合MOCVD的两步生长技术，该方法充分结合了两者的优势，在6英寸的Si衬底上实现了高均匀性、低应力、低缺陷密度的高质量AlN薄膜生长。

图2 采用MOCVD和MBE法在不同衬底上沉积的AlN

图3 采用PLD法在不同衬底上沉积的AlN

BAW器件制备

由于AlN材料沿c轴取向压电效应明显，并且具有高热导率、低膨胀系数、高强度等优良特性，基于AlN材料的BAW器件得到了快速发展。其后，在晶体质量进一步优化的多晶AlN薄膜及单晶AlN材料的推动下，BAW器件的性能得到了进一步的提升。由于多晶AlN薄膜存在大量位错和晶界等缺陷，会造成声波能量的损耗，基于多晶AlN薄膜的FBAR器件也存在着器件损耗高、能量转换效率低、功率容量难以突破的限制，基于多晶AlN的BAW器件性能提升遇到瓶颈。2017年，Hodge等人制备了以碳化硅（SiC）衬底上外延生长的单晶AlN为压电薄膜的BAW器件，滤波器通带响应如图4（a）所示，相比于传统多晶AlN材料制备的FBAR滤波器，性能得到大幅提升。

然而，对于各研究团队更重要的是，FBAR器件制备的核心专利被少数几家公司持有，在国际竞争愈加激烈的大环境下，后续团队在进行FBAR器件的研究时，产业化的道路不免被专利限制，处于不利环境。基于此，在成功采用两步生长技术制备了单晶AlN薄膜的同时，李国强教授团队另辟蹊径，独创了独立自主知识产权的基于单晶AlN的体声波谐振器（SABAR）技术路线，创新性地采用倒装键合技术制备BAW器件的空腔结构，减小了谐振器的损伤，所制备的SABAR串联谐振点Q值超过3400。2022年，李国强教授团队又采用MOCVD结合物理气相沉积PVD的两步生长技术，使器件的性能得到了进一步提升，谐振器的阻抗特性如图4（b）所示。

图4 BAW和SABAR器件性能：（a）SiC衬底BAW滤波器通带响应；（b）两步法制备的SABAR谐振器阻抗特性

未来BAW器件将随着单晶AlN薄膜制备工艺的日趋成熟而逐步完成对多晶AlN薄膜的替代，基于单晶AlN的AlScN薄膜也将因其高机电耦合系数在高频宽带领域得到广泛应用；另一方面，由于SABAR器件采用了两步法生长技术制备单晶AlN薄膜，制备工艺也不涉及CMP和牺牲层释放工艺，减少了对器件的损伤，发展潜力和性能上限将比FBAR器件更高。

BAW器件应用

目前，基于AIN的BAW器件已在射频滤波领域得到广泛应用，依靠BAW器件的高频特性，射频通信的频率也得以从2G时代的800 ~ 900 MHz进入sub-6G高频频段。此外，BAW谐振器由于具有高灵敏度、易于与CMOS电路集成、易于阵列以实现多通道功能的优点，近年来，其被广泛应用于质量、生物传感和压力传感器中。

在射频通信领域向高频方向发展的时代，BAW器件以其高频、高Q值、宽通带、大功率容量等优势在射频滤波器件中占据了越来越重要的位置；同时，也由于其高灵敏度、易集成等特性在传感器领域获得了发展。在未来，环境、生物、医学等领域将越来越多地出现BAW器件的身影，SABAR器件也将在不断深入研究和协作下，打破滤波器行业现有格局。

图5 Han等人提出的基于免疫球蛋白G的BAW传感器结构示意图

图6 Hashwan等人提出的用于检测H2S的BAW传感器结构示意图

研究展望

通过多年的技术革新，国内外研究学者们虽然不断降低了多晶AlN薄膜缺陷密度、提升了晶体质量，但目前质量提升已遇到瓶颈；作为BAW器件当前发展最成熟的一类，FBAR器件可在5 GHz以上频率达到Q值1500以上、带宽超过150 MHz，实现高频宽带通信的初步需求，但在高频段应用仍面临功率容量以及带宽难以进一步提升的困境，单晶AlN因具有机械强度高、晶体质量高等优势，非常有利于BAW器件功率容量的提升，有望成为未来BAW滤波器的主要材料。

随着对AlN材料的深入研究，通过单晶AlN薄膜生长方法的革新，制备工艺将越来越成熟。应用单晶AlN制备BAW器件的工艺也将日益成熟，单晶AlN高纵向声速、高晶体质量的优势使得BAW器件的Q值、带宽以及功率容量也可进一步提高。同时，在国内研究者的努力下，基于单晶AlN的SABAR器件，通过在材料生长方法及制备工艺上的独立自主创新，使得器件性能得到了进一步的提升，有望给受到国外掣肘的国内射频滤波行业带来了一条摆脱国外“卡脖子”问题的新路线。

审核编辑：刘清