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中国科大在铌酸锂高频声波器件领域取得重要进展
近日，中国科大微电子学院左成杰教授课题组两篇论文入选2023年国际微波会议（IMS，全称为：IEEE International Microwave Symposium）。IEEE IMS是国际微波领域的全球著名学术会议，IMS 2023于6月11日至16日在美国San Diego举办，今年在微波声学方向总共只收录了6篇Oral论文，其中包括中国科大的2篇。
随着无线通信从5G向Beyond 5G (B5G)和6G发展，有些国家已经将6 GHz全频段授权用于Wi-Fi 7，而更多的国家在考虑将此频段部分用于蜂窝无线通信（5.5G或者6G）。因此，源于对不同制式和频段间信号的隔离需求，工作在6 GHz的高品质因数（Q值）声波谐振器以及高性能滤波器将会成为下一阶段无线通信发展的关键技术。另一方面，Sub-7 GHz频段的大规模使用（包括6G、Wi-Fi 7、UWB等）将会导致频带越发地拥挤，所以针对更高频率（甚至毫米波频段）的无线通信技术的布局与探索也显得至关重要。因此，6 GHz及以上的高频、高性能声波谐振器和滤波器都是我国6G以及Wi-Fi产业发展必须要自主可控的基础元器件和核心芯片技术。左成杰教授课题组针对上述战略需求做了以下两项工作：
1、高滚降无杂散S1模态高频声波滤波器
针对6 GHz频段的滤波器，该课题组前期实现了一阶对称兰姆波（简称S1模态）谐振器Q值的突破（Zhongbin Dai, et al., IEEE Electron Device Letters, vol. 43, no. 7, 2022），但由于这一模态的寄生振动复杂，在滤波器设计中使用S1模态谐振器仍然存在很大的挑战。杂散振动不仅会导致滤波器带内纹波大，还会恶化插入损耗。因此，基于已有谐振器的高Q值特性，抑制S1模态的杂散振动，是实现高滚降滤波器的有效方案。
该课题组研究了基于X切向的铌酸锂压电薄膜中S1模态的传播特性，分析了杂散模态产生的原因，研究了自由压电区域和金属覆盖区域对于杂散模态振动频率和振动幅度的影响，选取了最佳的金属间距和电极宽度，成功制备出了无杂散的S1模态高频声波谐振器。该研究采用一阶T型拓扑结构的滤波器电路，能够最大化地利用S1模态的高Q值特性，从而获得最陡峭的滚降。最终测试结果表明，滤波器中的串联谐振器的工作频率在6.4GHz附近，带内杂散模态被抑制，具有989的品质因数（Q值）和3.3%的机电耦合系数（k²）。基于带内无杂散的S1模态谐振器，所制备的滤波器测试结果表明，中心频率为6.4 GHz，插入损耗为2.6dB，带内纹波小于0.5 dB，带外抑制点深度为40dB。在通带右侧，基于谐振器高达989的Qp，滤波器在55 MHz的过渡带内实现了从插入损耗2.6dB到40dB带外抑制的陡峭滚降。这是国际上首次实现基于S1模态的6 GHz声波滤波器，其性能证明了谐振器高Q值对于高频滤波器设计的重要性。研究成果以“A 6.4-GHz Spurious-Free Acoustic Filter based on Lithium Niobate S1-Mode Resonator”为题发表在IMS 2023上，第一作者为中国科大微电子学院硕士生刘雪彦，微电子学院左成杰教授为论文的通讯作者。
图1 S1高频无杂散声波器件（a）谐振器截面示意图，（b）谐振器SEM图像，（c）谐振器测试导纳曲线，（d）测试所得滤波器传输特性
2、高机电耦合系数超高频声波谐振器
当前，提高超高频（> 20GHz）声波谐振器的性能仍然存在很大的挑战，频率提高带来的更大损耗导致谐振器难以实现高Q值；同时，更高的谐振频率要求压电薄膜更薄，这会导致器件的鲁棒性降低。因此，寻找新的振动模态，以及革新压电薄膜的衬底结构都是业界追逐的焦点。
该课题组基于Y128°切向的铌酸锂压电薄膜中第三阶反对称兰姆波（简称A3模态）的传播特性，选取了最佳的电极排布方向，并优化了薄膜的刻蚀工艺，成功制备出高机电耦合系数（k²）的超高频声波谐振器。该研究采用了X方向的电极排布，能够最大化地激发铌酸锂薄膜中的A3模态，从而获得最大的机电耦合系数。刻蚀工艺的优化能够使谐振器的侧边具有更好的垂直度，从而能有效反射声波能量回到谐振器体内，进而提升谐振器Q值。最终测试结果表明该器件的工作频率在20.4GHz附近，具有461的品质因数（Q值）和6.95%的机电耦合系数（k²），表现出良好的器件优值（FoM =Q·k²= 32），这是当前已报道的工作在该频段的最大谐振器优值。研究成果以“A 20.4-GHz Lithium Niobate A3-Mode Resonator with High Electromechanical Coupling of 6.95%”为题发表在IMS 2023上。第一作者为中国科大微电子学院博士生林福宏，微电子学院左成杰教授为论文的通讯作者。
图2 A3超高频高耦合声波谐振器 （a）谐振器SEM图像，（b）谐振器测试导纳曲线
该两项研究工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助，也得到了中国科大微电子学院、中国科大信息科学技术学院、中国科大微纳研究与制造中心、中国科大先进技术研究院、中国科学院无线光电通信重点实验室的支持。
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1、高滚降无杂散S1模态高频声波滤波器
针对6 GHz频段的滤波器，该课题组前期实现了一阶对称兰姆波（简称S1模态）谐振器Q值的突破（Zhongbin Dai, et al., IEEE Electron Device Letters, vol. 43, no. 7, 2022），但由于这一模态的寄生振动复杂，在滤波器设计中使用S1模态谐振器仍然存在很大的挑战。杂散振动不仅会导致滤波器带内纹波大，还会恶化插入损耗。因此，基于已有谐振器的高Q值特性，抑制S1模态的杂散振动，是实现高滚降滤波器的有效方案。
该课题组研究了基于X切向的铌酸锂压电薄膜中S1模态的传播特性，分析了杂散模态产生的原因，研究了自由压电区域和金属覆盖区域对于杂散模态振动频率和振动幅度的影响，选取了最佳的金属间距和电极宽度，成功制备出了无杂散的S1模态高频声波谐振器。该研究采用一阶T型拓扑结构的滤波器电路，能够最大化地利用S1模态的高Q值特性，从而获得最陡峭的滚降。最终测试结果表明，滤波器中的串联谐振器的工作频率在6.4GHz附近，带内杂散模态被抑制，具有989的品质因数（Q值）和3.3%的机电耦合系数（k²）。基于带内无杂散的S1模态谐振器，所制备的滤波器测试结果表明，中心频率为6.4 GHz，插入损耗为2.6dB，带内纹波小于0.5 dB，带外抑制点深度为40dB。在通带右侧，基于谐振器高达989的Qp，滤波器在55 MHz的过渡带内实现了从插入损耗2.6dB到40dB带外抑制的陡峭滚降。这是国际上首次实现基于S1模态的6 GHz声波滤波器，其性能证明了谐振器高Q值对于高频滤波器设计的重要性。研究成果以“A 6.4-GHz Spurious-Free Acoustic Filter based on Lithium Niobate S1-Mode Resonator”为题发表在IMS 2023上，第一作者为中国科大微电子学院硕士生刘雪彦，微电子学院左成杰教授为论文的通讯作者。
图1 S1高频无杂散声波器件（a）谐振器截面示意图，（b）谐振器SEM图像，（c）谐振器测试导纳曲线，（d）测试所得滤波器传输特性
2、高机电耦合系数超高频声波谐振器
当前，提高超高频（> 20GHz）声波谐振器的性能仍然存在很大的挑战，频率提高带来的更大损耗导致谐振器难以实现高Q值；同时，更高的谐振频率要求压电薄膜更薄，这会导致器件的鲁棒性降低。因此，寻找新的振动模态，以及革新压电薄膜的衬底结构都是业界追逐的焦点。
该课题组基于Y128°切向的铌酸锂压电薄膜中第三阶反对称兰姆波（简称A3模态）的传播特性，选取了最佳的电极排布方向，并优化了薄膜的刻蚀工艺，成功制备出高机电耦合系数（k²）的超高频声波谐振器。该研究采用了X方向的电极排布，能够最大化地激发铌酸锂薄膜中的A3模态，从而获得最大的机电耦合系数。刻蚀工艺的优化能够使谐振器的侧边具有更好的垂直度，从而能有效反射声波能量回到谐振器体内，进而提升谐振器Q值。最终测试结果表明该器件的工作频率在20.4GHz附近，具有461的品质因数（Q值）和6.95%的机电耦合系数（k²），表现出良好的器件优值（FoM =Q·k²= 32），这是当前已报道的工作在该频段的最大谐振器优值。研究成果以“A 20.4-GHz Lithium Niobate A3-Mode Resonator with High Electromechanical Coupling of 6.95%”为题发表在IMS 2023上。第一作者为中国科大微电子学院博士生林福宏，微电子学院左成杰教授为论文的通讯作者。
图2 A3超高频高耦合声波谐振器 （a）谐振器SEM图像，（b）谐振器测试导纳曲线
该两项研究工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助，也得到了中国科大微电子学院、中国科大信息科学技术学院、中国科大微纳研究与制造中心、中国科大先进技术研究院、中国科学院无线光电通信重点实验室的支持。
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