面向5G通訊的高性能LLSAW壓電異質(zhì)聲學(xué)諧振器設(shè)計(jì)

01

研究?jī)?nèi)容

近年來移動(dòng)通訊技術(shù)不斷快速迭代革新，為支持更快的數(shù)據(jù)傳輸速率，射頻器件正向更高的頻譜范圍進(jìn)行拓展遷移。6 GHz是5G通信或WiFi應(yīng)用部署的關(guān)鍵頻段。作為目前移動(dòng)通訊的主流濾波方案，聲表面波（SAW）濾波器也亟需提升中心頻率和帶寬以匹配未來頻段的使用需求。然而，目前SAW濾波器所利用的傳統(tǒng)聲學(xué)模式如瑞利波、水平剪切波由于其聲速較低，頻率向上兼容性差，在面向5G n79、WiFi 6E等高頻頻段應(yīng)用時(shí)，存在叉指電極加工難度大，器件歐姆損耗高，壓電轉(zhuǎn)化效率低等問題，因此亟待設(shè)計(jì)開發(fā)新型高聲速聲波模式，研制在更高的中心頻率下具有更大機(jī)電耦合系數(shù)的聲學(xué)諧振器，為制備高頻大帶寬SAW濾波器提供技術(shù)基礎(chǔ)。

清華大學(xué)潘峰教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)這一科學(xué)難題，提出將亞微米壓電單晶薄膜與高聲速襯底相結(jié)合，構(gòu)筑LiNbO?/SiC雙層壓電異質(zhì)結(jié)構(gòu)體系，并激發(fā)出具有較強(qiáng)聲電轉(zhuǎn)化能力的高速漏縱波（LLSAW）聲學(xué)模式。雙層壓電異質(zhì)結(jié)構(gòu)依托SiC襯底強(qiáng)烈的聲反射作用，將LLSAW聲波能量局限于壓電層中，從而降低傳播損耗，改善聲電耦合能力。該工作通過有限元模擬充分研究了X切鈮酸鋰材料中縱漏聲表面波的傳播特性，并針對(duì)LiNbO?薄膜厚度和面內(nèi)傳播角等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，嘗試探索獲得無雜散模式干擾的高頻高耦合系數(shù)的LLSAW諧振響應(yīng)。最終在X-35°Y LiNbO?/SiC 壓電基片上成功制備工作頻率超6 GHz，機(jī)電耦合系數(shù)高達(dá)22.7%的 LLSAW諧振器。得益于SiC襯底具有良好的導(dǎo)熱性和較小的熱膨脹系數(shù)，LiNbO?/SiC異質(zhì)結(jié)構(gòu)諧振器在6.5 GHz處的頻率溫度系數(shù)為–64.61 ppm/℃，相比傳統(tǒng)體材料器件提升30%。該工作進(jìn)一步拓寬SAW器件的使用頻率，并為 5G 甚至 6G 時(shí)代高頻寬帶頻譜的濾波方案提供了新的解決思路。

圖1(a) 壓電異質(zhì)雙層結(jié)構(gòu)諧振器的周期性模型示意圖 (b) 采用不同襯底的異質(zhì)結(jié)構(gòu)諧振器的導(dǎo)納模擬響應(yīng)。(c) 采用不同襯底的異質(zhì)結(jié)構(gòu)諧振器的位移模擬分布圖。

圖2(a) 不同傳播角下LiNbO?/SiC諧振器的導(dǎo)納模擬響應(yīng) (b) 不同LiNbO?薄膜厚度下LiNbO?/SiC諧振器的導(dǎo)納模擬響應(yīng)。

圖3(a) LiNbO?/SiC諧振器的光鏡照片 (b) LiNbO?/SiC諧振器實(shí)測(cè)導(dǎo)納、相位曲線及mBVD電路模型擬合結(jié)果。

圖4(a) LiNbO?/SiC諧振器在不同溫度下的導(dǎo)納響應(yīng) (b) LiNbO?體材料諧振器在不同溫度下的導(dǎo)納響應(yīng)。

02

團(tuán)隊(duì)介紹

清華大學(xué)材料學(xué)院潘峰教授領(lǐng)導(dǎo)的“薄膜材料結(jié)構(gòu)與性能調(diào)控技術(shù)”團(tuán)隊(duì)，針對(duì)移動(dòng)通信高密度信息存儲(chǔ)等重大需求，開展了聲表面波、阻變存儲(chǔ)器、自旋電子學(xué)及類腦計(jì)算新材料、器件及其制備方法研究，突破了聲表面波濾波器高功率、大帶寬、高頻微型化、設(shè)計(jì)與加工等關(guān)鍵技術(shù)，產(chǎn)學(xué)研合作完成了高性能濾波器工程化制備和規(guī)?；瘧?yīng)用。團(tuán)隊(duì)已發(fā)表SCI論文400余篇，授權(quán)發(fā)明專利40余項(xiàng)，出版專著2部。先后獲得五項(xiàng)國家級(jí)科技成果獎(jiǎng)勵(lì)和多項(xiàng)省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)，為國家培養(yǎng)了一批優(yōu)秀人才。

審核編輯：劉清