隨著5G的落地和普及，對相關(guān)芯片元器件的數(shù)量和質(zhì)量要求越來越高，特別是射頻前端，包括功率放大器(PA)、雙工器(Duplexer和Diplexer)、射頻開關(guān)(Switch)、濾波器(Filter)、低噪放大器(LNA)等組成部分。這其中，設(shè)計難度最大的非濾波器莫屬了，目前，全球范圍內(nèi)能夠設(shè)計具備優(yōu)良性能并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的5G射頻濾波器廠商很少，相應(yīng)的技術(shù)門檻很高。
據(jù)YoleDevelopment統(tǒng)計，2018年射頻濾波器的市場規(guī)模是31億美元，2025年將上升到約51億美元。
目前，射頻濾波器主要有兩種技術(shù)，即聲表面波（SAW）和BAW（體聲波）。然而，這兩種技術(shù)都有一定的局限性。SAW的最大問題是對溫度過于敏感，溫度變化會影響頻率，溫度帶來的變化叫做TCF（頻率溫度系數(shù)），但是，這種溫度的敏感是可以改善的，方法就是通過TC-SAW（溫度補(bǔ)償型SAW）加上溫度補(bǔ)償層。
BAW是高端濾波器技術(shù)，它的實(shí)現(xiàn)過程特別復(fù)雜，而且需要很多步驟才能搭建一個聲學(xué)上需要的“腔”。
新材料技術(shù)助力SAW
為了改善射頻濾波器的性能，Soitec公司推出了POI襯技術(shù)。據(jù)Soitec濾波器業(yè)務(wù)經(jīng)理ChristopheDidier介紹，基于POI襯底的SAW優(yōu)勢就是能源效率更高，比TC-SAW的能源損耗更小，所以相對于傳統(tǒng)SAW和TC-SAW，頻率會更高、帶寬更廣。另外，相對于BAW來說，基于POI襯底的SAW工藝流程更簡單且成本更低。因?yàn)榭梢詫⒑芏鄠€濾波器集成在同一個芯片上，所以面積也更小。它的生產(chǎn)流程跟SAW很相似，但是比TC-SAW和BAW都要簡單。
POI襯底的結(jié)構(gòu)是這樣的：在最頂部是一層大概幾百納米厚的單晶壓電層，在它之下是一層氧化埋層，大概也是幾百納米厚，底部的基底是高電阻率硅材料。
據(jù)ChristopheDidier介紹，POI用的壓電材料和傳統(tǒng)SAW濾波器用的材料是一樣的，主要包括兩種：鉭酸鋰和鈮酸鋰。如下圖所示，這里的氧化埋層相當(dāng)于溫度補(bǔ)償層，作用是抑制壓電材料，因?yàn)閴弘姴牧显跍囟茸兓瘯r可能會擴(kuò)張或收縮，從而影響頻率，因而需要氧化埋層抑制壓電材料，即器件層的鉭酸鋰或鈮酸鋰。而底層的高電阻率硅的作用是減少損耗。能夠在極薄的壓電層限制波能等效（equativewaveenergy）。由于能很好地控制整個壓電層，可以在壓電層獲得更好的等效波傳播（equativewavepropagation）。因此，主要的射頻前端生產(chǎn)商已經(jīng)開始生產(chǎn)以POI為襯底的濾波器，主要采用的規(guī)格是150mm晶圓的POI，目前，這款POI產(chǎn)品已經(jīng)在Soitec法國貝寧3廠實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
“在Soitec的發(fā)展路線圖里，我們計劃使用鈮酸鋰代替鉭酸鋰，這樣可以更好地把握濾波器的帶寬，同時，我們也在開發(fā)200mm晶圓的POI襯底，以降低總成本。濾波器在5G智能手機(jī)上是非常關(guān)鍵的組件，鑒于5G的MIMO、載波聚合等技術(shù)的使用，我們預(yù)期智能手機(jī)在5G時代的射頻濾波器面積將會增加50%”，ChristopheDidier說。
談到成本，ChristopheDidier表示：“我們要從整個系統(tǒng)視角來看，POI會給系統(tǒng)級的成本帶來一些增益。第一、能耗的節(jié)約帶來的成本增益；第二、賦能更高的集成是降低成本的另一大因素，多個濾波器可集成在同一個芯片上；第三、降低生產(chǎn)成本，基于POI襯底的SAW生產(chǎn)步驟比BAW簡單很多，所以也會促進(jìn)降低成本。”
另外，Soitec獨(dú)有的晶圓切割技術(shù)SmartCut可以用于不同的材料。作為第一個使用SmartCut技術(shù)生產(chǎn)非硅類材料的優(yōu)化襯底，POI襯底已實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)。
測試對比
下面通過幾組測試數(shù)據(jù)來說明一下基于POI襯底的SAW性能與優(yōu)勢。第一個系數(shù)是品質(zhì)系數(shù)，采用BodeQ來測量中頻段的諧振器參數(shù)，測出來的參數(shù)大于4000。第二個參數(shù)是耦合系數(shù)，涉及可以實(shí)現(xiàn)更高帶寬的濾波功能，這里，測出的耦合系數(shù)k2大于8%。第三個參數(shù)是TCF，這是跟溫度相關(guān)的、導(dǎo)致頻率的變化的一個系數(shù)，測得的TCF小于10ppm.K-1。總之，基于POI襯底的SAW濾波器能夠讓設(shè)計師設(shè)計出性能更佳的5G濾波架構(gòu)。
總體來看，TC-SAW是用于低頻段和中頻段的濾波技術(shù)，BAW一般用于中頻段和高頻段。而在超高頻段就比較復(fù)雜，比如說會采用LTCC、XBAR、BAW，還有IPD（IntegratedPassiveDevice），目前在超高頻段的技術(shù)比較復(fù)雜，POI襯底主要用于Sub-6GHz頻段的濾波器，毫米波頻段目前沒有應(yīng)用，ChristopheDidier認(rèn)為目前談毫米波段的應(yīng)用為時尚早。總之，在5G濾波器方面，基于POI襯底的SAW是取代TC-SAW和BAW的更優(yōu)解。
市場拓展
目前，POI襯底已經(jīng)進(jìn)入市場，ChristopheDidier表示：“就其價值而言，我們認(rèn)為POI襯底會成為未來幾年的一項(xiàng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。到2024年，我們預(yù)測POI襯底的可服務(wù)市場規(guī)模將達(dá)到100萬片晶圓。”
目前，Soitec在5G生態(tài)系統(tǒng)里面正在與國際范圍內(nèi)的很多公司合作，包括中國公司。最近，Soitec與高通公司達(dá)成了一項(xiàng)關(guān)于POI襯底的協(xié)議，高通采用了POI襯底，以用于它們的UltraSAW濾波器。這對Soitec來說是一項(xiàng)重要合作協(xié)議。
關(guān)于與高通的合作，ChristopheDidier表示：“在選擇合作伙伴時，高通非常看重兩點(diǎn)：一是要具有創(chuàng)新精神，能夠以不斷創(chuàng)新的優(yōu)化襯底帶來高價值；二是能夠?qū)崿F(xiàn)創(chuàng)新技術(shù)的量產(chǎn)。”“而創(chuàng)新和量產(chǎn)始終是Soitec的靈魂，是我們的DNA。過去幾年，我們在創(chuàng)新襯底和量產(chǎn)方面都有過實(shí)實(shí)在在的成績，比如PD-SOI、RF-SOI和FD-SOI技術(shù)。”
