📡 BAW / FBAR Devices
📘 概要 / Overview
本ページでは、薄膜圧電材料（AlN, ScAlN, HfO₂, PZT など）を用いた BAW/FBAR デバイスについて解説します。
これらはスマートフォンや無線通信の RFフロントエンドモジュール（FEM） の中核を担う技術です。
This page covers BAW/FBAR devices using thin-film piezoelectric materials such as AlN, ScAlN, HfO₂, and PZT.
These devices form the backbone of RF front-end modules (FEMs) in smartphones and wireless systems.
🕰️ 歴史的背景 / Historical Background
- 1990年代後半：GaAs FETやLCフィルタからの置き換えとして、AlN系FBARが登場。
- 2000年代：3G携帯電話の普及に伴い、BroadcomやAgilentがBAW技術を製品化。
- 2010年代：スマートフォンの多バンド化により、Murata・Qorvo・Broadcomが市場を独占。
- 現在：ハイエンドスマホ1台に 50個以上のBAW/FBARフィルタ が搭載される。
From GaAs FETs and LC filters to thin-film resonators, FBAR/BAW technology became the mainstream in 3G/4G/5G front-ends, with today’s smartphones integrating 50+ filters per device.
🏗️ 構造と動作原理 / Structure & Principle
- FBAR (Film Bulk Acoustic Resonator)
- 薄膜圧電層を上下電極で挟み、厚み方向に音響波を励起する構造。
- サスペンション膜またはBragg反射鏡により、基板からの音響損失を遮断。
- BAW (Bulk Acoustic Wave Filter)
- FBARをフィルタ構造に組み合わせたもので、狭帯域・広帯域の両方に対応可能。
- ダイプレクサやマルチプレクサに発展し、複数周波数バンドを同時に処理可能。
FBAR uses thickness-mode acoustic waves in thin films, while BAW filters combine resonators into multiplexers for multi-band operation.
🧪 材料技術 / Material Technologies
| 材料 / Material | 特徴 / Characteristics | 利点 / Advantages | 課題 / Challenges |
|---|---|---|---|
| AlN | 高音速・安定性良好 | 高Q, CMOS互換 | 結合係数が小さい |
| ScAlN | AlNにScを添加 | 高結合係数, 5G帯向け | 結晶欠陥による歩留まり低下 |
| PZT | 強誘電体圧電 | 大きな結合係数, 教育用に有用 | CMOS互換性低, 鉛フリー課題 |
| HfO₂ | 強誘電特性を持つ新興材料 | CMOS互換性, 将来のRF応用候補 | 実用化は初期段階 |
📡 応用分野 / Applications
| 分野 / Field | 用途 / Application | 目標仕様 / Key Specs |
|---|---|---|
| スマートフォン | フィルタ / マルチプレクサ | Q > 1000, f = 2–6 GHz |
| Wi-Fi (2.4/5/6 GHz) | フィルタ / チューナブル構成 | 高選択度, 小型化 |
| IoT | アンテナ整合 / 簡易フィルタ | 低電力, 低コスト |
| 自動車 (V2X/Telematics) | 耐環境RFフィルタ | −40〜125°C動作 |
| インフラ (5G/6G Sub-6, FR2) | 高周波・広帯域フィルタ | mmWave帯対応, 高信頼性 |
📊 産業動向 / Industry Trends
- Murata：世界シェアNo.1、スマホ向けBAW/FBARの大量供給。
- Broadcom：高性能マルチプレクサでAppleなど大手OEMに採用。
- Qorvo / Skyworks：米国勢、PAと統合したSiP構成に強み。
- 新興研究：ScAlNベースで6GHz超帯域に対応、研究室レベルでHfO₂圧電も模索。
Murata leads global share, Broadcom dominates in premium smartphones, and U.S. vendors focus on SiP with PA integration. Emerging research targets ScAlN and HfO₂-based devices.
⚠️ 課題と展望 / Challenges & Outlook
- 多バンド爆発：スマホ1台に50+フィルタ、さらなる小型化が必要。
- 材料課題：ScAlNの歩留まり改善、PZTの鉛フリー化。
- 6Gへの拡張：7–20 GHz帯でのQ維持と低損失化。
- 再構成可能RF：FeVarやFeFETスイッチと組み合わせ、動的フィルタ実現の可能性。
👨🏫 教育的視点 / Educational Note
- BAW/FBARは 「電気 → 音響 → 電気」へのエネルギー変換デバイス である。
- FeRAMのキャパシタ積層と似ており、教育モデルでは キャパシタ設計から音響共振への発展 を示せる。
- 半導体教育において「電気-機械連成」を理解する最適教材。
👤 著者・ライセンス / Author & License
| 項目 / Item | 内容 / Details |
|---|---|
| 著者 / Author | 三溝 真一（Shinichi Samizo） |
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| GitHub |  |
| ライセンス / License |  |
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