中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
近日，2024年國際微波會議（IMS 2024，全稱為：2024 IEEE International Microwave Symposium）在美國華盛頓哥倫比亞特區(qū)舉辦。IEEE IMS是國際微波領域的全球著名學術會議，今年在微波聲學方向僅收錄5篇Oral論文，其中中國科學技術大學左成杰教授課題組的1篇論文成功入選。
圖1 參會人員在IMS 2024做口頭報告
在現(xiàn)代無線通信技術的發(fā)展過程中，隨著數(shù)據(jù)傳輸需求的大幅增加，毫米波頻段因其具有大帶寬和高數(shù)據(jù)速率的優(yōu)勢而受到廣泛關注。國際標準化組織3GPP針對5G NR分配了兩個頻率區(qū)間：410 MHz至7.125 GHz的FR1，以及24.25 GHz至71.0 GHz的FR2（毫米波頻段）。毫米波技術在5G及未來6G通信中扮演著重要角色，尤其在24.25 GHz以上的FR2頻段，能有效緩解當前7 GHz以下的擁擠狀態(tài)，提升通信系統(tǒng)的性能和效率，并且在實現(xiàn)超高速網(wǎng)絡連接和支持新興的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應用中也顯示出無可比擬的潛力。
現(xiàn)有的主流聲表面波（SAW）及體聲波（BAW）濾波器技術主要用于FR1頻段，然而受到光刻精度、材料本身機電耦合系數(shù)等因素的制約，很難用于具有高頻率、大帶寬需求的毫米波頻段。因此，為了開發(fā)能在毫米波頻段高效工作的聲學器件，實現(xiàn)我國在通信技術領域基礎元器件和核心芯片技術的自主可控，中國科學技術大學左成杰教授課題組針對毫米波通信領域的戰(zhàn)略需求開展了基于鈮酸鋰薄膜反對稱模態(tài)聲波器件的相關研究。
當前，提高毫米波頻段（> 24.25 GHz）聲波諧振器的性能存在很大的挑戰(zhàn)，頻率提升帶來的損耗增加使得諧振器難以實現(xiàn)高Q值，從而使得優(yōu)值（FoM = Q·k2）難以提升。為了解決上述問題，該課題組前期實現(xiàn)了基于鈮酸鋰一階反對稱（A1）蘭姆波模態(tài)（Kai Yang, et al., IEEE Electron Device Letters, vol. 45, no.2, 2024）和三階反對稱（A3）蘭姆波模態(tài)（Fuhong Lin, et al., IMS 2023, pp. 895-898, 2023）諧振器，并提出了鰭形錨裝（Fin-Mounted）器件結構以增強器件穩(wěn)定性并提高器件性能。
圖2（a）器件結構示意圖；（b）器件實物圖；（c）器件測試導納曲線
同時，左成杰教授課題組基于Y128°切向鈮酸鋰壓電薄膜中的五階反對稱（A5）蘭姆波模態(tài)，通過對電極占空比（DF, Duty Factor）的最優(yōu)化設計，成功制備出具有高品質(zhì)因數(shù)、高機電耦合系數(shù)的毫米波聲波諧振器。該研究在Fin-Mounted器件結構的基礎上設計了多種具有不同電極寬度（W?）及電極間距（Wg）的諧振器，通過將電極占空比由1/5提升至1/3，諧振器機電耦合系數(shù)（k2）可實現(xiàn)接近60%的提升，同時品質(zhì)因數(shù)也實現(xiàn)了超過40%的提升。最終的測試結果表明，電極寬度為2微米、電極間距為4微米（DF=1/3）的諧振器在27.58 GHz的工作頻率下，實現(xiàn)了4.4%的機電耦合系數(shù)（k2）和448的品質(zhì)因數(shù)（Q值），從而實現(xiàn)了優(yōu)秀的器件優(yōu)值（FoM = Q·k2=19.7），這是當前已報道工作在該頻率下的最大諧振器優(yōu)值。研究成果以“A Fin-Mounted A5-Mode Lithium Niobate Resonator at 27.58 GHz with k2 of 4.4%, Qp of 448, and FoM of 19.7”為題在IMS 2024上做口頭報告，中國科學技術大學碩士生方紀明為論文第一作者、左成杰教授為論文通訊作者。
該項研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、安徽省高校協(xié)同創(chuàng)新項目、中國科學技術大學原創(chuàng)探索類項目的資助，也得到了中國科大信息科學技術學院、中國科大微納研究與制造中心、中國科大先進技術研究院、集成電路科學與技術安徽省重點實驗室、中國科學院無線光電通信重點實驗室的支持。
