РЧ-фильтры на подложке нового типа
В статье описана многослойная подложка пьезоэлектрик-на-изоляторе. Фильтры, изготовленные на этой подложке, удовлетворяют требованиям систем связи 4G и 5G. Рассматриваются примеры таких фильтров.
Введение
Развертывание сетей 4G и 5G с частотой менее 6 ГГц требует применения новых технологий. Для обеспечения доступа к более широкой полосе пропускания данных связь между базовой станцией и устройством пользователя должна быть основана на комбинации полос. Соответственно, значительно увеличивается сложность входного РЧ-модуля. В нем используется более 100 фильтров для поддержки всех режимов связи.
Большинство технологий изготовления фильтров соответствует требованиям сетей 5G. Так, например, новые подложки из пьезоэлектрика, нанесенного на изолятор (piezo-on-insulator, POI), позволяют изготавливать интегральные ПАВ-фильтры для сетей 5G. Они предназначены для входных каскадов смартфонов наряду с силовыми усилителями, коммутаторами, блоками настройки антенны, которые могут изготавливаться на подложках других типов.
Рисунок 1
а) структура POI-подложки; б) распространение ПАВ по ней
Сложности
В системах 5G используется более широкий спектр радиосигнала, чтобы обеспечить скорость данных в 20 раз выше, чем в 4G-связи. При подключении нескольких устройств скорость умножается, т. е. плотность соединений увеличивается в 1000 раз по сравнению с той, что доступна в настоящее время. Появление нового стандарта затронет все мобильные устройства.
Для обеспечения скорости данных выше 20 Гбит/с акустические фильтры должны отвечать более жестким требованиям по полосе пропускания, работать на более высоких частотах, а также в нескольких полосах одновременно для реализации разных режимов агрегации несущих и работы с множественными антеннами.
Для удовлетворения этим новым требованиям селективность сигнала должна быть более точной. При этом необходимо предусмотреть, чтобы резонаторы имели очень низкий температурный коэффициент – менее 10 ppm/K, и обеспечивали высокую добротность (типичное значение: более 2000). Кроме того, необходимо следить за тем, что происходит вне полосы, чтобы поддерживать разные режимы агрегации несущих и работу с несколькими антеннами (MIMO).
Оптимизация энергопотребления во входном каскаде остается наиболее важной задачей. Необходимо свести к минимуму вносимые потери, чтобы при заданном уровне мощности сигнал проходил как можно дальше, а устройство рассеивало как можно меньше.
Увеличение количества компонентов во входном каскаде существенно ограничивает доступное пространство. На текущий момент в этом каскаде имеется более 60 фильтров, а в следующем поколении связи потребуется больше 100. Каждый фильтр предназначен для отдельной РЧ-полосы, имеет уникальные характеристики и схему. Учитывая, что на малой площади расположено столь большое количество устройств, следует отнестись особенно внимательно к размеру элементов и рассеиваемому теплу.
Потребности рынка
До недавнего времени использовались две основные технологии фильтров для смартфонов: на поверхностных и объемных волнах. Пьезоэлектрический материал генерирует поверхностные акустические волны (ПАВ), которые распространяются свободно по его поверхности или внутри него (объемные акустические волны).
Современные ПАВ-фильтры хорошо подходят для низких и средних частот 4G, однако в устройствах 5G и на более высоких частотах их применение ограничено. Кроме того, их частотный отклик в значительной мере зависит от температурных изменений из-за высокого коэффициента температурного расширения подложки (как правило, из танталата или ниобата лития). Частично этот эффект компенсируется за счет добавления слоя поверх металлизации в конце процесса изготовления устройства. Однако этот слой вызывает небольшое ухудшение других характеристик фильтра.
Фильтры на объемных акустических волнах работают на более высоких частотах, однако у них более высокий профиль, что усложняет интеграцию компонентов. К тому же, процесс их изготовления сложнее, вследствие чего не всегда можно расположить мультиплексор и переключатель фильтров на одном кристалле.
Таблица
Характеристики фильтра на POI-подложке
Рисунок 2
Рисунок 3
Расчет ПАВ-резонатора
Измерение k2 фильтра на подложке из танталата лития и POI-подложке
Тонкопленочный пьезоэлектрик-на-изоляторе
Для систем связи 5G компания Soitec разработала подложку нового типа, которая позволяет обойти упомянутые сложности. Подложки из пьезоэлектрика-на-изоляторе состоят из тонкого слоя монокристаллического пьезоэлектрического материала (в настоящее время применяется танталат лития), нанесенного поверх слоя оксида кремния (SiO2), и кремниевого слоя с высоким сопротивлением (см. рис. 1а). Толщина верхнего слоя танталата лития находится в пределах 0,3–1 мкм. Подложка изготавливается с применением технологии Soitec Smart-Cut, которая позволяет массово изготавливать слои с одинаковыми характеристиками.
Структура проводит акустические волны по поверхности подложки так, что их энергия находится только в верхнем слое из танталата лития, благодаря чему сокращаются потери (см. рис. 1б). Таким образом, обеспечивается наилучший коэффициент связи (k2) и меньший коэффициент температурного расширения.
Как упоминалось, POI-подложка состоит из трех слоев. В верхнем слое из пьезоэлектрического материала (танталат лития) проходит акустическая волна, слой оксида кремния проводит только волны с высокой скоростью, а также ограничивает температурное расширение пьезоэлектрического слоя. Эта структура проще в изготовлении по сравнению с ПАВ-фильтрами с температурной компенсацией, поскольку производителям фильтров не приходится добавлять толстый слой поверх пьезоэлектрического материала, что способствует повышению коэффициента связи.
Благодаря очень низким вносимым потерям ПАВ-фильтры на POI-подложке позволяют эффективно расходовать энергию. В таблице приведены для сравнения характеристики альтернативных типов фильтров.
Кроме того, проектирование фильтров на POI-подложках очень похоже на проектирование ПАВ-фильтров на подложках из пьезоэлектрика, и производство данных устройств является стандартным процессом, состоящим из малого числа стадий. Основной операцией является осаждение металлических слоев.
Рисунок 4
Рисунок 5
Характеристики резонатора на POI-подложке. Видна максимальная добротность при антирезонансе
Зависимость скорости от температуры
Рисунок 6
Передаточная функция и групповая задержка ПАВ-фильтра 2 ГГц на POI-подложке: широкополосный (a) и полосовой (б)
Пример ПАВ-Резонатора
Рассмотрим пример ПАВ-резонатора на тонкой подложке из танталата лития. Как показывают измерения, характеристики резонаторов на POI-подложке лучше, чем у других резонаторов. В рассматриваемом случае был изготовлен резонатор из 120 пар штырей и 20 электродов на каждой стороне, работающих как зеркало.
Акустическая апертура равна 40λ, расстояние между штырями и электродами – 1,2 мкм, отношение металл/расстояние составляет 0,5 (см. рис. 2).
Центральная частота резонаторов равна 1,6 ГГц. Подложка состоит из слоя LiTaO3 толщиной 600 нм (YX)/42°, нанесенного на оксид кремния толщиной 500 нм, под которым находится кремниевый слой (100 кристаллов).
Коэффициент Q
Еще одним важным преимуществом POI-подложки является высокая добротность при антирезонансе. При прочих равных условиях добротность объемного слоя LiTaO3 достигает 935 по сравнению с 2200 в случае POI-подложки (см. рис. 4). Это значение позволяет использовать ПАВ-фильтры вместо фильтров на объемных волнах в L- и C-полосах.
Коэффициент компенсации теплового расширения
Коэффициент компенсации теплового расширения POI-подложки также существенно ниже и может быть намного меньше 20 ppm/K (типовое значение – ниже 10 ppm/K), в то время как у объемного слоя LiTaO3 он составляет 40 ppm/K. На рисунке 5 показана квазикомпенсация эффекта теплового расширения на резонаторе 1,4 ГГц. заметен эффект 2-го порядка: TCF1 = –1,93 ppm/K, TCF2 = 403,5 ppb/K.
Была разработана и смоделирована ступенчатая структура для ПАВ-фильтра на 2 ГГц. Резонаторы фильтра выполнены на POI-подложке.
Полоса экстраполированного фильтра равна 80 МГц (полоса 1 дБ), вносимые потери – менее 2 дБ, коэффициент заграждения превышает 40 дБ, групповая задержка – не более 50 нс. Абсолютный коэффициент компенсации теплового расширения не превышает 10 ppm/K во всем рабочем диапазоне. На рисунке 6 показана выходная характеристика фильтра. При необходимости ее можно улучшить схемотехническими методами.
Выводы
Для систем 5G требуются более сложные устройства с лучшими характеристиками, особенно по размеру, рассеиваемой мощности и производительности. Фильтры являются одним из ключевых элементов, поскольку используются во входном каскаде в большом количестве для обеспечения работы в нескольких полосах и режимах.
Компания Soitec разработала новый тип подложки, благодаря которому удается значительно улучшить характеристики фильтров.
Разработка и производство фильтров на POI-подложке не представляет сложностей и мало отличается от проектирования стандартных ПАВ-фильтров. Одним из главных преимуществ новой подложки является высокая воспроизводимость характеристик.