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的世界，無線聯網設備的數量和產值將迅猛增長。同時，無線設備功能隨之不斷豐富，其支持的無線連接協議也急劇增加。在此趨勢下，無線設備的關鍵部件——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注的重點科學問題。聲表面波聲電效應的發(fā)現和材料的快速發(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，認為聲波可以驅動載流子產生電流[1]。1957年，Weinreich在N型鍺中觀察到了聲電現象[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，描述了組合介質放大器和分離介質放大器，其中分離介質放大器顯示了高達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。

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構

2.1 二維電子氣異質結構

二維電子氣(2DES)異質結構是將濾波器異質結構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濾波功能。兩個器件同時集成在一個芯片上，集成度相比現有技術的集成模塊更高[10-11]。

2.2 聲表面波延遲線結合高遷移率半導體薄膜

在傳統的高機電耦合系數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構，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;同時結合延遲區(qū)域內的半導體薄膜實現對聲波的放大，最后經輸出叉指換能器將聲表面波轉化成電信號輸出。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[13-14]。

這種壓電襯底配合半導體薄膜的結構，預計將提高聲波放大倍數，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線進行升級改造;同時也可以在硅基襯底上沉積高質量的壓電薄膜，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動下實現高聲波增益需求。針對該問題的解決方法有:

1) 采用高機電耦合系數的壓電襯底。

2) 降低直流偏壓作用寬度。

3) 調控聲電薄膜電學參數，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的壓電襯底

在早期的二維電子氣異質結構研究中多采用GaAs/Ga1-xAlxAs、AlGaN/GaN異質結構[15-16]，然而GaN等材料與壓電單晶LiNbO3等相比，其機電耦合系數低一個數量級，致使器件插入損耗非常大，較難實現器件終端增益。在此基礎上延伸發(fā)展出將LiNbO3與GaAs/Ga1-xAlxAs異質結構相結合的思路[17]，用以提高器件的機電耦合系數。研究表明，以41°YXLiNbO3為襯底的器件，其機電耦合系數高達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?，F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 調控聲電薄膜電學參數

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結構產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，實現載流子濃度的調控[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)域放大系數仍然很小。如果增加柵極寬度，則有可能出現截斷現象，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

在上述內容基礎上，本文對近5年部分聲表面波器件聲電放大效應的研究結果進行了總結，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，但實現器件終端正增益的研究較少，并未實現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

5 總結與展望

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控等問題。在產業(yè)需求的推動下，預計今后幾年結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。