中國(guó)科大在鈮酸鋰高頻聲波器件領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

近日，中國(guó)科大微電子學(xué)院左成杰教授課題組兩篇論文入選2023年國(guó)際微波會(huì)議（IMS，全稱為：IEEE International Microwave Symposium）。IEEE IMS是國(guó)際微波領(lǐng)域的全球著名學(xué)術(shù)會(huì)議，IMS 2023于6月11日至16日在美國(guó)San Diego舉辦，今年在微波聲學(xué)方向總共只收錄了6篇Oral論文，其中包括中國(guó)科大的2篇。

隨著無(wú)線通信從5G向Beyond 5G (B5G)和6G發(fā)展，有些國(guó)家已經(jīng)將6 GHz全頻段授權(quán)用于Wi-Fi 7，而更多的國(guó)家在考慮將此頻段部分用于蜂窩無(wú)線通信（5.5G或者6G）。因此，源于對(duì)不同制式和頻段間信號(hào)的隔離需求，工作在6 GHz的高品質(zhì)因數(shù)（Q值）聲波諧振器以及高性能濾波器將會(huì)成為下一階段無(wú)線通信發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。另一方面，Sub-7 GHz頻段的大規(guī)模使用（包括6G、Wi-Fi 7、UWB等）將會(huì)導(dǎo)致頻帶越發(fā)地?fù)頂D，所以針對(duì)更高頻率（甚至毫米波頻段）的無(wú)線通信技術(shù)的布局與探索也顯得至關(guān)重要。因此，6 GHz及以上的高頻、高性能聲波諧振器和濾波器都是我國(guó)6G以及Wi-Fi產(chǎn)業(yè)發(fā)展必須要自主可控的基礎(chǔ)元器件和核心芯片技術(shù)。左成杰教授課題組針對(duì)上述戰(zhàn)略需求做了以下兩項(xiàng)工作：

1、高滾降無(wú)雜散S1模態(tài)高頻聲波濾波器

針對(duì)6 GHz頻段的濾波器，該課題組前期實(shí)現(xiàn)了一階對(duì)稱蘭姆波（簡(jiǎn)稱S1模態(tài)）諧振器Q值的突破（Zhongbin Dai, et al., IEEE Electron Device Letters, vol. 43, no. 7, 2022），但由于這一模態(tài)的寄生振動(dòng)復(fù)雜，在濾波器設(shè)計(jì)中使用S1模態(tài)諧振器仍然存在很大的挑戰(zhàn)。雜散振動(dòng)不僅會(huì)導(dǎo)致濾波器帶內(nèi)紋波大，還會(huì)惡化插入損耗。因此，基于已有諧振器的高Q值特性，抑制S1模態(tài)的雜散振動(dòng)，是實(shí)現(xiàn)高滾降濾波器的有效方案。

該課題組研究了基于X切向的鈮酸鋰壓電薄膜中S1模態(tài)的傳播特性，分析了雜散模態(tài)產(chǎn)生的原因，研究了自由壓電區(qū)域和金屬覆蓋區(qū)域?qū)τ陔s散模態(tài)振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅度的影響，選取了最佳的金屬間距和電極寬度，成功制備出了無(wú)雜散的S1模態(tài)高頻聲波諧振器。該研究采用一階T型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的濾波器電路，能夠最大化地利用S1模態(tài)的高Q值特性，從而獲得最陡峭的滾降。最終測(cè)試結(jié)果表明，濾波器中的串聯(lián)諧振器的工作頻率在6.4GHz附近，帶內(nèi)雜散模態(tài)被抑制，具有989的品質(zhì)因數(shù)（Q值）和3.3%的機(jī)電耦合系數(shù)（k2）?；趲?nèi)無(wú)雜散的S1模態(tài)諧振器，所制備的濾波器測(cè)試結(jié)果表明，中心頻率為6.4 GHz，插入損耗為2.6dB，帶內(nèi)紋波小于0.5 dB，帶外抑制點(diǎn)深度為40dB。在通帶右側(cè)，基于諧振器高達(dá)989的Qp，濾波器在55 MHz的過(guò)渡帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)了從插入損耗2.6dB到40dB帶外抑制的陡峭滾降。這是國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)基于S1模態(tài)的6 GHz聲波濾波器，其性能證明了諧振器高Q值對(duì)于高頻濾波器設(shè)計(jì)的重要性。研究成果以“A 6.4-GHz Spurious-Free Acoustic Filter based on Lithium Niobate S1-Mode Resonator”為題發(fā)表在IMS 2023上，第一作者為中國(guó)科大微電子學(xué)院碩士生劉雪彥，微電子學(xué)院左成杰教授為論文的通訊作者。

圖1 S1高頻無(wú)雜散聲波器件（a）諧振器截面示意圖，（b）諧振器SEM圖像，（c）諧振器測(cè)試導(dǎo)納曲線，（d）測(cè)試所得濾波器傳輸特性

2、高機(jī)電耦合系數(shù)超高頻聲波諧振器

當(dāng)前，提高超高頻（> 20GHz）聲波諧振器的性能仍然存在很大的挑戰(zhàn)，頻率提高帶來(lái)的更大損耗導(dǎo)致諧振器難以實(shí)現(xiàn)高Q值；同時(shí)，更高的諧振頻率要求壓電薄膜更薄，這會(huì)導(dǎo)致器件的魯棒性降低。因此，尋找新的振動(dòng)模態(tài)，以及革新壓電薄膜的襯底結(jié)構(gòu)都是業(yè)界追逐的焦點(diǎn)。

該課題組基于Y128°切向的鈮酸鋰壓電薄膜中第三階反對(duì)稱蘭姆波（簡(jiǎn)稱A3模態(tài)）的傳播特性，選取了最佳的電極排布方向，并優(yōu)化了薄膜的刻蝕工藝，成功制備出高機(jī)電耦合系數(shù)（k2）的超高頻聲波諧振器。該研究采用了X方向的電極排布，能夠最大化地激發(fā)鈮酸鋰薄膜中的A3模態(tài)，從而獲得最大的機(jī)電耦合系數(shù)。刻蝕工藝的優(yōu)化能夠使諧振器的側(cè)邊具有更好的垂直度，從而能有效反射聲波能量回到諧振器體內(nèi)，進(jìn)而提升諧振器Q值。最終測(cè)試結(jié)果表明該器件的工作頻率在20.4GHz附近，具有461的品質(zhì)因數(shù)（Q值）和6.95%的機(jī)電耦合系數(shù)（k2），表現(xiàn)出良好的器件優(yōu)值（FoM =Q·k2= 32），這是當(dāng)前已報(bào)道的工作在該頻段的最大諧振器優(yōu)值。研究成果以“A 20.4-GHz Lithium Niobate A3-Mode Resonator with High Electromechanical Coupling of 6.95%”為題發(fā)表在IMS 2023上。第一作者為中國(guó)科大微電子學(xué)院博士生林福宏，微電子學(xué)院左成杰教授為論文的通訊作者。

圖2 A3超高頻高耦合聲波諧振器 （a）諧振器SEM圖像，（b）諧振器測(cè)試導(dǎo)納曲線

該兩項(xiàng)研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金的資助，也得到了中國(guó)科大微電子學(xué)院、中國(guó)科大信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院、中國(guó)科大微納研究與制造中心、中國(guó)科大先進(jìn)技術(shù)研究院、中國(guó)科學(xué)院無(wú)線光電通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。