隨著5G的落地和普及，對相關芯片元器件的數量和質量要求越來越高，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(Switch)、濾波器(Filter)、低噪放大器(LNA)等組成部分。這其中，設計難度最大的非濾波器莫屬了，目前，全球范圍內能夠設計具備優良性能并實現量產的5G射頻濾波器廠商很少，相應的技術門檻很高。

據YoleDevelopment統計，2018年射頻濾波器的市場規模是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，即聲表面波（SAW）和BAW（體聲波）。然而，這兩種技術都有一定的局限性。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），但是，這種溫度的敏感是可以改善的，方法就是通過TC-SAW（溫度補償型SAW）加上溫度補償層。

BAW是高端濾波器技術，它的實現過程特別復雜，而且需要很多步驟才能搭建一個聲學上需要的“腔”。

新材料技術助力SAW

為了改善射頻濾波器的性能，Soitec公司推出了POI襯技術。據Soitec濾波器業務經理ChristopheDidier介紹，基于POI襯底的SAW優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。因為可以將很多個濾波器集成在同一個芯片上，所以面積也更小。它的生產流程跟SAW很相似，但是比TC-SAW和BAW都要簡單。

POI襯底的結構是這樣的：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ChristopheDidier介紹，POI用的壓電材料和傳統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于溫度補償層，作用是抑制壓電材料，因為壓電材料在溫度變化時可能會擴張或收縮，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商已經開始生產以POI為襯底的濾波器，主要采用的規格是150mm晶圓的POI，目前，這款POI產品已經在Soitec法國貝寧3廠實現量產。

“在Soitec的發展路線圖里，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200mm晶圓的POI襯底，以降低總成本。濾波器在5G智能手機上是非常關鍵的組件，鑒于5G的MIMO、載波聚合等技術的使用，我們預期智能手機在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：“我們要從整個系統視角來看，POI會給系統級的成本帶來一些增益。第一、能耗的節約帶來的成本增益；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、降低生產成本，基于POI襯底的SAW生產步驟比BAW簡單很多，所以也會促進降低成本?！?

另外，Soitec獨有的晶圓切割技術SmartCut可以用于不同的材料。作為第一個使用SmartCut技術生產非硅類材料的優化襯底，POI襯底已實現了量產。

測試對比

下面通過幾組測試數據來說明一下基于POI襯底的SAW性能與優勢。第一個系數是品質系數，采用BodeQ來測量中頻段的諧振器參數，測出來的參數大于4000。第二個參數是耦合系數，涉及可以實現更高帶寬的濾波功能，這里，測出的耦合系數k2大于8%。第三個參數是TCF，這是跟溫度相關的、導致頻率的變化的一個系數，測得的TCF小于10ppm.K-1?？傊?，基于POI襯底的SAW濾波器能夠讓設計師設計出性能更佳的5G濾波架構。

總體來看，TC-SAW是用于低頻段和中頻段的濾波技術，BAW一般用于中頻段和高頻段。而在超高頻段就比較復雜，比如說會采用LTCC、XBAR、BAW，還有IPD（IntegratedPassiveDevice），目前在超高頻段的技術比較復雜，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用，ChristopheDidier認為目前談毫米波段的應用為時尚早。總之，在5G濾波器方面，基于POI襯底的SAW是取代TC-SAW和BAW的更優解。

市場拓展

目前，POI襯底已經進入市場，ChristopheDidier表示：“就其價值而言，我們認為POI襯底會成為未來幾年的一項行業標準。到2024年，我們預測POI襯底的可服務市場規模將達到100萬片晶圓?！?

目前，Soitec在5G生態系統里面正在與國際范圍內的很多公司合作，包括中國公司。最近，Soitec與高通公司達成了一項關于POI襯底的協議，高通采用了POI襯底，以用于它們的UltraSAW濾波器。這對Soitec來說是一項重要合作協議。

關于與高通的合作，ChristopheDidier表示：“在選擇合作伙伴時，高通非?？粗貎牲c：一是要具有創新精神，能夠以不斷創新的優化襯底帶來高價值；二是能夠實現創新技術的量產?！?span>“而創新和量產始終是Soitec的靈魂，是我們的DNA。過去幾年，我們在創新襯底和量產方面都有過實實在在的成績，比如PD-SOI、RF-SOI和FD-SOI技術?！?/span>