近日，中國科大微電子學(xué)院左成杰教授課題組兩篇論文入選2023年國際微波會(huì )議（IMS，全稱(chēng)為：IEEE International Microwave Symposium）。IEEE IMS是國際微波領(lǐng)域的全球著(zhù)名學(xué)術(shù)會(huì )議，IMS 2023于6月11日至16日在美國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，其中包括中國科大的2篇。
隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信從5G向Beyond 5G(B5G)和6G發(fā)展，有些國家已經(jīng)將6 GHz全頻段授權用于Wi-Fi 7，而更多的國家在考慮將此頻段部分用于蜂窩無(wú)線(xiàn)通信（5.5G或者6G）。因此，源于對不同制式和頻段間信號的隔離需求，工作在6 GHz的高品質(zhì)因數（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(xiàn)通信發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。另一方面，Sub-7 GHz頻段的大規模使用（包括6G、Wi-Fi 7、UWB等）將會(huì )導致頻帶越發(fā)地擁擠，所以針對更高頻率（甚至毫米波頻段）的無(wú)線(xiàn)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6G以及Wi-Fi產(chǎn)業(yè)發(fā)展必須要自主可控的基礎元器件和核心芯片技術(shù)。該課題組針對上述戰略需求做了以下兩項工作：
1、高滾降無(wú)雜散S1模態(tài)高頻聲波濾波器
針對6 GHz頻段的濾波器，該課題組前期實(shí)現了一階對稱(chēng)蘭姆波（簡(jiǎn)稱(chēng)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)復雜，在濾波器設計中使用S1模態(tài)諧振器仍然存在很大的挑戰。雜散振動(dòng)不僅會(huì )導致濾波器帶內紋波大，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，研究了自由壓電區域和金屬覆蓋區域對于雜散模態(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型拓撲結構的濾波器電路，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。最終測試結果表明，濾波器中的串聯(lián)諧振器的工作頻率在6.4GHz附近，帶內雜散模態(tài)被抑制，具有989的品質(zhì)因數（Q值）和3.3%的機電耦合系數（k2）。基于帶內無(wú)雜散的S1模態(tài)諧振器，所制備的濾波器測試結果表明，中心頻率為6.4 GHz，插入損耗為2.6dB，帶內紋波小于0.5 dB，帶外抑制點(diǎn)深度為40dB。在通帶右側，基于諧振器高達989的Qp，濾波器在55 MHz的過(guò)渡帶內實(shí)現了從插入損耗2.6dB到40dB帶外抑制的陡峭滾降。這是國際上首次實(shí)現基于S1模態(tài)的6 GHz聲波濾波器，其性能證明了諧振器高Q值對于高頻濾波器設計的重要性。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，第一作者為我校微電子學(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）諧振器測試導納曲線(xiàn)，（d）測試所得濾波器傳輸特性
2、高機電耦合系數超高頻聲波諧振器
當前，提高超高頻（> 20GHz）聲波諧振器的性能仍然存在很大的挑戰，頻率提高帶來(lái)的更大損耗導致諧振器難以實(shí)現高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構都是業(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稱(chēng)蘭姆波（簡(jiǎn)稱(chēng)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，成功制備出高機電耦合系數（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)，從而獲得最大的機電耦合系數。刻蝕工藝的優(yōu)化能夠使諧振器的側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，進(jìn)而提升諧振器Q值。最終測試結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（Q值）和6.95%的機電耦合系數（k2），表現出良好的器件優(yōu)值（FoM =Q·k2= 32），這是當前已報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。第一作者為我校微電子學(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）諧振器測試導納曲線(xiàn)
圖3、參會(huì )人員合照
該兩項研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃和國家自然科學(xué)基金的資助，也得到了中國科大微電子學(xué)院、中國科大信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院、中國科大微納研究與制造中心、中國科大先進(jìn)技術(shù)研究院、中國科學(xué)院無(wú)線(xiàn)光電通信重點(diǎn)實(shí)驗室的支持。
IMS 2023會(huì )議官網(wǎng)：https://ims-ieee.org
（微電子學(xué)院、科研部）
