近日，2024年國(guó)際微波會(huì)議（IMS 2024，全稱為：2024 IEEE International Microwave Symposium）在美國(guó)華盛頓哥倫比亞特區(qū)舉辦。IEEE IMS是國(guó)際微波領(lǐng)域的全球著名學(xué)術(shù)會(huì)議，今年在微波聲學(xué)方向僅收錄5篇Oral論文，其中中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)左成杰教授課題組的1篇論文成功入選。
圖1 參會(huì)人員在IMS 2024做口頭報(bào)告
在現(xiàn)代無(wú)線通信技術(shù)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(shì)而受到廣泛關(guān)注。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP針對(duì)5G NR分配了兩個(gè)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(shù)在5G及未來(lái)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(dāng)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(shí)現(xiàn)超高速網(wǎng)絡(luò)連接和支持新興的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用中也顯示出無(wú)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(shù)主要用于FR1頻段，然而受到光刻精度、材料本身機(jī)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(xué)器件，實(shí)現(xiàn)我國(guó)在通信技術(shù)領(lǐng)域基礎(chǔ)元器件和核心芯片技術(shù)的自主可控，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)左成杰教授課題組針對(duì)毫米波通信領(lǐng)域的戰(zhàn)略需求開展了基于鈮酸鋰薄膜反對(duì)稱模態(tài)聲波器件的相關(guān)研究。
當(dāng)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(lái)的損耗增加使得諧振器難以實(shí)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(shí)現(xiàn)了基于鈮酸鋰一階反對(duì)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(duì)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(jié)構(gòu)以增強(qiáng)器件穩(wěn)定性并提高器件性能。
圖2（a）器件結(jié)構(gòu)示意圖；（b）器件實(shí)物圖；（c）器件測(cè)試導(dǎo)納曲線
同時(shí)，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(duì)稱（A5）蘭姆波模態(tài)，通過對(duì)電極占空比（DF, Duty Factor）的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，成功制備出具有高品質(zhì)因數(shù)、高機(jī)電耦合系數(shù)的毫米波聲波諧振器。該研究在Fin-Mounted器件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)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(jī)電耦合系數(shù)（k2）可實(shí)現(xiàn)接近60%的提升，同時(shí)品質(zhì)因數(shù)也實(shí)現(xiàn)了超過40%的提升。最終的測(cè)試結(jié)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(shí)現(xiàn)了4.4%的機(jī)電耦合系數(shù)（k2）和448的品質(zhì)因數(shù)（Q值），從而實(shí)現(xiàn)了優(yōu)秀的器件優(yōu)值（FoM = Q·k2=19.7），這是當(dāng)前已報(bào)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(bào)告，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士生方紀(jì)明為論文第一作者、左成杰教授為論文通訊作者。
該項(xiàng)研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、安徽省高校協(xié)同創(chuàng)新項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)原創(chuàng)探索類項(xiàng)目的資助，也得到了中國(guó)科大信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院、中國(guó)科大微納研究與制造中心、中國(guó)科大先進(jìn)技術(shù)研究院、集成電路科學(xué)與技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)科學(xué)院無(wú)線光電通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。
