日期:2023-06-20點(diǎn)擊:
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)
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