聲表面波濾波放大器研究進展

袁 洋，陳 發(fā)，羅 為,2

(1.華中科技大學 光學與電子信息學院，湖北 武漢 430074；2.深圳華中科技大學研究院，廣東 深圳 518063)

0 引言

未來的世界是一個無線互聯(lián)的世界，無線聯(lián)網(wǎng)設備的數(shù)量和產(chǎn)值將迅猛增長。同時，無線設備功能隨之不斷豐富，其支持的無線連接協(xié)議也急劇增加。在此趨勢下，無線設備的關(guān)鍵部件——射頻前端模塊的需求也逐年增多。目前，手機中運用的射頻濾波器主要包括聲表面波(SAW)濾波器和體聲波(BAW)濾波器兩種。隨著高頻網(wǎng)絡的不斷部署，在高頻更具性能優(yōu)勢的體聲波濾波器正在不斷擴展其市場份額。然而大多數(shù)無線通信都使用低頻段，因此，聲表面波濾波器在未來一段時間仍將主導整個市場。

近些年，聲表面波濾波器主要向高性能和高集成度方向發(fā)展，如何進一步優(yōu)化濾波器和放大器的集成成為值得關(guān)注的重點科學問題。聲表面波聲電效應的發(fā)現(xiàn)和材料的快速發(fā)展有望解決這一難題。

1953年，Parmenter首次提出了聲電效應(AE)的概念，認為聲波可以驅(qū)動載流子產(chǎn)生電流[1]。1957年，Weinreich在N型鍺中觀察到了聲電現(xiàn)象[2-3]。1961年，Hutson等提出在CdS壓電半導體中，如果電子速度超過聲波速度，則聲波也能被電子驅(qū)動放大[4]。1969年，Lakin和Shaw研究了延遲線型聲表面波放大器，描述了組合介質(zhì)放大器和分離介質(zhì)放大器，其中分離介質(zhì)放大器顯示了高達40 dB的增益[5]。但是由于高電壓和低噪聲的問題，聲表面波與電子在塊體、薄膜半導體中相互作用的研究[6-8]未能得到廣泛應用，關(guān)鍵在于其競爭對手——半導體集成器件發(fā)展太快。半導體集成器件的性能較好，體積偏小，故而對發(fā)展放大器件的需求不多。

半導體材料的發(fā)展為聲表面波濾波放大器提供了新方向。理想中的高性能聲表面波濾波放大器應具有如下特點：

1) 輸出兼顧持續(xù)性與穩(wěn)定性的正增益。

2) 低偏置電壓。

3) 高頻率。

4) 低噪聲。

5) 高度集成化。

6) 成本低且易于批量生產(chǎn)。

1 聲表面波聲電放大效應機理

1.1 聲電效應

聲電效應指超聲波在壓電體中傳播時，其伴隨電場與半導體中的載流子相互作用引發(fā)的效應[9]。聲電相互作用不僅會發(fā)生在塊體材料中，而且會發(fā)生在表面波與載流子之間。聲表面波激發(fā)的振蕩電場在壓電襯底上傳播，與半導體層中的載流子相互作用。當載流子的運動速度大于聲表面波速度，且方向相同時，載流子能量會轉(zhuǎn)移到聲波中，從而使聲波振幅變大；當載流子的運動速度小于聲波(同方向)或者載流子的運動方向與聲波傳播方向相反時，聲波能量會部分轉(zhuǎn)移到載流子中，從而使聲波振幅變小。

聲表面波沿襯底表面?zhèn)鞑サ铰曤姳∧^(qū)域并與薄膜相互作用，引起聲波能量的衰減與速度的偏移為

(1)

(2)

圖1 薄膜面電導對聲波的影響

1.2 聲電放大增益分析

聲表面波伴隨的正弦電壓勢場使聲電薄膜載流子聚集，電導率周期性變化。此時，在聲電薄膜上施加額外的直流電場，周期性電導率會導致額外的移動周期電勢，最終表現(xiàn)為晶格畸變和聲表面波的放大或衰減。

聲表面波在傳播過程中與聲電薄膜載流子相互作用，聲表面波放大系數(shù)為

(3)

與載流子相互作用的聲表面波單位長度功率增益為

G=10lg(eα)2(dB/mm)

(4)

若忽略kΛ，由式(3)、(4)可得：

(5)

當σS/(σMγ)=1，vd>vS時，增益存在理論上的最大值：

(6)

2 基于聲電放大效應的聲表面波器件結(jié)構(gòu)

2.1 二維電子氣異質(zhì)結(jié)構(gòu)

二維電子氣(2DES)異質(zhì)結(jié)構(gòu)是將濾波器異質(zhì)結(jié)構(gòu)和放大器集成在同一個襯底上，利用如GaN/AlGaN等形成的高遷移率晶體管(HEMT)作為放大器，同時利用GaN為壓電襯底制作諧振器或濾波器以實現(xiàn)濾波功能。兩個器件同時集成在一個芯片上，集成度相比現(xiàn)有技術(shù)的集成模塊更高[10-11]。

2.2 聲表面波延遲線結(jié)合高遷移率半導體薄膜

在傳統(tǒng)的高機電耦合系數(shù)壓電襯底上沉積高遷移率半導體薄膜，這也是聲表面波聲電效應研究的常用結(jié)構(gòu)，如在LiNbO3單晶襯底上沉積石墨烯、碳納米管等新型二維材料[12]，利用輸入叉指換能器將射頻信號轉(zhuǎn)化成聲表面波，聲表面波延遲線本身具有信號濾波處理功能;同時結(jié)合延遲區(qū)域內(nèi)的半導體薄膜實現(xiàn)對聲波的放大，最后經(jīng)輸出叉指換能器將聲表面波轉(zhuǎn)化成電信號輸出。如此在一個器件上將同時具有濾波和放大兩種功能，其中聲波的放大須由聲電效應實現(xiàn)[13-14]。

這種壓電襯底配合半導體薄膜的結(jié)構(gòu)，預計將提高聲波放大倍數(shù)，減小所需的放大電壓閾值。新型二維材料可以與目前廣泛使用的普通聲表面波器件兼容，有助于將來以較小的成本對產(chǎn)線進行升級改造;同時也可以在硅基襯底上沉積高質(zhì)量的壓電薄膜，再沉積半導體薄膜進行器件配置，從而提高集成度。

3 基于聲電放大效應的聲表面波器件發(fā)展趨勢

在聲表面波濾波放大器工作過程中，高電壓導致的焦耳熱會持續(xù)加熱器件，使其無法長期穩(wěn)定地工作。在實際應用中常期望在低電壓驅(qū)動下實現(xiàn)高聲波增益需求。針對該問題的解決方法有:

1) 采用高機電耦合系數(shù)的壓電襯底。

2) 降低直流偏壓作用寬度。

3) 調(diào)控聲電薄膜電學參數(shù)，制作具有顯著聲致電效應的薄膜。

3.1 采用高機電耦合系數(shù)的壓電襯底

在早期的二維電子氣異質(zhì)結(jié)構(gòu)研究中多采用GaAs/Ga1-xAlxAs、AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)[15-16]，然而GaN等材料與壓電單晶LiNbO3等相比，其機電耦合系數(shù)低一個數(shù)量級，致使器件插入損耗非常大，較難實現(xiàn)器件終端增益。在此基礎(chǔ)上延伸發(fā)展出將LiNbO3與GaAs/Ga1-xAlxAs異質(zhì)結(jié)構(gòu)相結(jié)合的思路[17]，用以提高器件的機電耦合系數(shù)。研究表明，以41°YXLiNbO3為襯底的器件，其機電耦合系數(shù)高達17%[18]。

3.2 降低直流偏壓作用寬度

在聲表面波聲電放大研究中往往期望在低直流偏壓和低功耗下實現(xiàn)高增益目標。由于載流子漂移速度與電場強度成正比，若施加電壓不變，需降低直偏壓作用寬度。現(xiàn)有研究中的直流偏壓作用寬度常小于1 mm，乃至150 μm[19]，且也有研究將聲電薄膜與多電極耦合，電極數(shù)達480個周期，以降低直流偏壓作用寬度[20]。偏壓作用寬度的降低，伴隨著聲電薄膜尺寸的縮小，但過小的薄膜尺寸會導致薄膜均勻性下降、缺陷增加等，使薄膜更易被擊穿。

3.3 調(diào)控聲電薄膜電學參數(shù)

聲電效應強度在較大程度上取決于聲電薄膜的電學特性，即載流子濃度和遷移率。利用二維電子氣異質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生聲波增益所面臨的困境主要在于載流子濃度過高，使聲表面波的伴隨電場被屏蔽，聲電效應被抑制，所以需要采取措施來降低載流子濃度。針對該問題，Rocke在材料表面的金屬柵極施加偏壓，實現(xiàn)載流子濃度的調(diào)控[21]。但材料表面的金屬柵極將屏蔽部分壓電電勢，導致有效機電耦合系數(shù)降低，進而影響聲電效應的顯著性。Ghosh在AlGaN勢壘中摻入氟基等離子體，降低了載流子濃度，得到高次瑞利波的非互易特性，其正向和反向傳輸特性有明顯差異，但由于遷移率降低或表面耗盡效應影響，增益并不明顯[22]。若未能滿足半導體薄層高遷移率、合適載流子濃度的要求，還會導致下述問題：

1) 在源極和漏極之間所施加的電壓不能過高，否則將進入飽和區(qū)，無法進一步增加載流子速度。

2) 通過施加柵壓調(diào)控載流子濃度的方法僅對柵電極寬度以下范圍有效，其他區(qū)域放大系數(shù)仍然很小。如果增加柵極寬度，則有可能出現(xiàn)截斷現(xiàn)象，導致聲電效應消失。

4 基于聲電放大效應的聲表面波器件性能總結(jié)

在上述內(nèi)容基礎(chǔ)上，本文對近5年部分聲表面波器件聲電放大效應的研究結(jié)果進行了總結(jié)，如表1所示。其中大部分研究所施加的直流偏壓較大，不利于器件的實際應用；雖然器件S21與S12存在非互易性，但實現(xiàn)器件終端正增益的研究較少，并未實現(xiàn)真正意義上的聲電放大。值得注意的是，2021年美國桑迪亞國家實驗室的Hackett等提出了全聲射頻信號處理器的概念[18]，將無源延遲線濾波器、放大器和環(huán)行器集中于同一襯底上，其中用于聲波放大的直流功率損耗僅為15 mW。該研究為基于聲電效應的芯片級全聲射頻信號處理系統(tǒng)的開發(fā)利用提供了一種具有發(fā)展?jié)摿Φ乃悸贰?/p>

表1 基于電放大效應的聲表面波器件增益性能總結(jié)

5 總結(jié)與展望

本文介紹了聲表面波濾波放大器的研究進展情況。聲表面波濾波放大器具有高集成度、非互異性等優(yōu)勢，符合小型化射頻前端模塊的發(fā)展趨勢，但仍存在缺乏精確的理論分析、器件性能優(yōu)化升級、聲電薄膜載流子濃度調(diào)控等問題。在產(chǎn)業(yè)需求的推動下，預計今后幾年結(jié)合新型半導體二維材料對聲電放大效應的研究將會迎來爆發(fā)式增長。