中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
蘭姆波諧振器（LWR）是一種新興的壓電MEMS聲學(xué)器件，由叉指換能器（IDT）和壓電薄膜構成，兼具聲表面波（SAW）和體聲波（BAW）諧振器二者的特征，具有高工作頻率、高機電耦合系數、高品質(zhì)因數值（Q）及低功耗等特點(diǎn)。其制造工藝與集成電路工藝兼容，可在單片晶圓上實(shí)現多頻率器件?；贚WR的聲學(xué)濾波器是實(shí)現高性能射頻前端組件的有效解決方案之一，能夠滿(mǎn)足未來(lái)通信設備多頻率及集成化的發(fā)展要求，相關(guān)研究已成為微聲器件領(lǐng)域的熱點(diǎn)。
近期，來(lái)自中國電子科技集團公司第二十四研究所和第二十六研究所的研究團隊在《壓電與聲光》聯(lián)合發(fā)表了題為“壓電MEMS蘭姆波器件技術(shù)的最新進(jìn)展與展望”的綜述文章，對蘭姆波基本原理及技術(shù)發(fā)展歷程做了梳理，重點(diǎn)介紹了基于不同材料平臺的5G通信和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）用蘭姆波器件的最新進(jìn)展，并對該技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。
根據聲波傳播時(shí)介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移分布形態(tài)的不同，蘭姆波分為反對稱(chēng)型蘭姆波（A型）和對稱(chēng)型蘭姆波（S型）兩種。不同模式的蘭姆波具有不同聲速，其中最低階蘭姆波的聲速一般為10000m/s，而高階蘭姆波聲速通常大于10000m/s。
高階蘭姆波模式在一定的薄膜厚度范圍內具有良好的機電耦合性能、高的相速度和Q值，擁有實(shí)現更高頻率諧振器和濾波器的潛力，無(wú)需在一些關(guān)鍵參數上妥協(xié)，有望在5G高頻段（6GHz~毫米波頻段）實(shí)現傳統聲學(xué)濾波技術(shù)難以實(shí)現的高耦合系數諧振器和高頻、大帶寬濾波器，且易于實(shí)現器件小型化，被認為是最有希望滿(mǎn)足5G通信應用要求的競爭性解決方案之一。
研究人員以高階蘭姆波器件為重點(diǎn)，分別分析了基于氮化鋁（AIN）和鈮酸鋰薄膜材料的蘭姆波器件技術(shù)的最新進(jìn)展。
在A(yíng)IN X~Ka波段AIN芯片級蘭姆波器件研究領(lǐng)域，AIN高次諧波組合模式諧振器（CORs）、AIN截面拉梅模式諧振器（CLMRs）等是當前主流的技術(shù)路徑。AIN LWR技術(shù)因其可覆蓋頻率范圍較廣，且具有低動(dòng)態(tài)電阻及高Q值等優(yōu)良特性，非常適用于窄帶濾波器和振蕩器應用。晶圓級頻率調諧能力和高性能的結合使CORs有望成為未來(lái)5G毫米波前端架構用低損耗微型化多頻率濾波器的一種候選方案。對于載波聚合應用平臺而言，CLMR技術(shù)是實(shí)現單片集成連續或非連續預選濾波器的最有前景的解決方案之一。
AIN CORs的蘭姆波模式形狀（引自《High-Q X Band Aluminum Nitride Combined Overtone Resonators》）
AIN CLMR制作工藝流程（引自《11 GHz Lateral-Field-Excited Aluminum Nitride Cross-Sectional Lamé Mode Resonator》）
高壓電系數的鈮酸鋰有利于實(shí)現高耦合系數的諧振器，從而實(shí)現大帶寬濾波器。為了實(shí)現較高的耦合系數，需要不斷改良器件制作工藝，以滿(mǎn)足高性能器件的性能需求。得益于鈮酸鋰薄膜層轉移技術(shù)的成熟和微納加工工藝的進(jìn)步，采用橫向激勵聲體波諧振器（XBAR）技術(shù)有望解決SAW/BAW在5G時(shí)代面臨的困境。此外，利用先進(jìn)的薄膜加工技術(shù)和高頻振動(dòng)模式，也是實(shí)現工作頻率大于6GHz的高性能微聲濾波器的一種理想解決方案。
改進(jìn)后的XBARs制作工藝（引自《Fabrication and Analysis of Thin Film Lithum Niobate Resonators for 5GHz Frequency and Large Kt2 Applications》）
采用局部減薄的LiNbO3蘭姆波濾波器工藝流程（引自《A 14.7 GHz Lithium Niobate Acoustic Filter with Fractional Bandwidth of 2.93%》）
性能優(yōu)越的蘭姆波器件能夠更好地滿(mǎn)足未來(lái)通信設備多頻率及集成化的發(fā)展要求，研究突破現有的制造工藝限制并采用超高相速（聲速）的薄膜材料，對于推動(dòng)蘭姆波器件進(jìn)一步發(fā)展至關(guān)重要。
目前，AIN材料平臺發(fā)展已較成熟，不過(guò)，進(jìn)一步提高AIN摻雜材料的成熟度仍是AIN材料平臺面臨的主要挑戰，探尋AIN材料新的諧振模式以實(shí)現工作在X~Ka波段的芯片級濾波器是推動(dòng)微聲器件未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵。在鈮酸鋰薄膜器件研究方面，制作工藝的突破和新結構設計將是未來(lái)關(guān)鍵的研究方向之一，通過(guò)工藝和設計改良，有望推動(dòng)鈮酸鋰薄膜材料成為實(shí)現高性能聲學(xué)器件的通用聲學(xué)材料平臺。
