中國科大在鈮酸鋰高頻聲波器件領(lǐng)域取得重要進展

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年國際微波會議（IMS，全稱為：IEEE International Microwave Symposium）。IEEE IMS是國際微波領(lǐng)域的全球著名學(xué)術(shù)會議，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。

隨著無線通信從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(quán)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線通信（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(shù)（Q值）聲波諧振器以及高性能濾波器將會成為下一階段無線通信發(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）將會導(dǎo)致頻帶越發(fā)地?fù)頂D，所以針對更高頻率（甚至毫米波頻段）的無線通信技術(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上述戰(zhàn)略需求做了以下兩項工作：

1、高滾降無雜散S1模態(tài)高頻聲波濾波器

針對6 GHz頻段的濾波器，該課題組前期實現(xiàn)了一階對稱蘭姆波（簡稱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)的寄生振動復(fù)雜，在濾波器設(shè)計中使用S1模態(tài)諧振器仍然存在很大的挑戰(zhàn)。雜散振動不僅會導(dǎo)致濾波器帶內(nèi)紋波大，還會惡化插入損耗。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，是實現(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)振動頻率和振動幅度的影響，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%的機電耦合系數(shù)（k2）?；趲?nèi)無雜散的S1模態(tài)諧振器，所制備的濾波器測試結(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的過渡帶內(nèi)實現(xiàn)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值對于高頻濾波器設(shè)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，第一作者為中國科大微電子學(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(dǎo)納曲線，（d）測試所得濾波器傳輸特性

2、高機電耦合系數(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)，頻率提高帶來的更大損耗導(dǎo)致諧振器難以實現(xiàn)高Q值；同時，更高的諧振頻率要求壓電薄膜更薄，這會導(dǎo)致器件的魯棒性降低。因此，尋找新的振動模態(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。

該課題組基于Y128°切向的鈮酸鋰壓電薄膜中第三階反對稱蘭姆波（簡稱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)，進而提升諧振器Q值。最終測試結(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）諧振器測試導(dǎo)納曲線

該兩項研究工作得到了國家重點研發(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、中國科大先進技術(shù)研究院、中國科學(xué)院無線光電通信重點實驗室的支持。