近日，中國科學院上海微系統與信息技術研究所（以下簡稱上海微系統所）俞文杰研究員、母志強研究員團隊基于單晶氮化鋁（AlN）和摻鈧氮化鋁（AlScN）壓電材料，在面向5G/6G通信的高頻器件、可重構射頻濾波器及磁聲耦合傳感等方向取得系列進展，相關研究成果以7篇論文（3篇口頭報告和4篇海報）發表于2025年國際超聲領域頂級會議IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS)。
C–Ku 波段 AlN/AlScN 高頻諧振器技術突破
面向5G及未來6G/衛星通信對高頻濾波器的嚴苛要求，團隊持續深耕高頻率與大帶寬技術。
在2024年，團隊提出新型兩步法提升 AlScN 壓電薄膜的外延質量，研制出諧振頻率4.39 GHz、有效機電耦合系數（keff2）高達21%的AlScN BAW諧振器，并實現了3dB帶寬高達9.0%的射頻濾波器（IEEE TED, doi: 10.1109/TED.2024.3443237）。同時，團隊攻克周期極化疊層氮化鋁的生長難題，成功將單晶氮化鋁諧振器的工作頻率進一步推高至14 GHz（品質因子Qmax=551），并通過高鈧摻雜實現了高達9.7%的keff2（2024 IEEE UFFC-JS, doi:10.1109/UFFC-JS60046.2024.10793659; 10.1109/UFFC-JS60046.2024.10793833），如圖1所示。
圖1：單晶氮化鋁壓電材料及射頻濾波器
在此基礎上，團隊于今年進一步優化工藝與結構設計，通過構建周期極化AlN/AlN及AlN/AlScN壓電疊層結構，實現了14.0-16.8 GHz的超高頻射頻諧振器（doi:10.1109/IUS62464.2025.11201736），如圖2所示。其中，AlN/AlN固態裝配型諧振器（SMR-BAW）諧振頻率為14.0 GHz，品質因子Qmax達到266，keff2為3.87%；AlN/AlScN FBAR諧振器的Qmax達到186，keff2為7.27%。相較于傳統器件，新型疊層結構在同等頻率下允許采用更厚的壓電薄膜，大幅提升了器件的功率耐受性；同時，將頻率對膜厚變化的敏感度降低了近一半，為高頻、大規模、高一致性的制造奠定了關鍵技術基礎。
圖2：周期極化SMR-BAW諧振器和FBAR諧振器
面向多頻前端的AlScN可重構濾波器技術
隨著5G、Wi-Fi 7與衛星通信的加速融合，通信頻段日益多樣化。團隊充分利用AlScN材料獨特的鐵電極化翻轉特性，展示了基于周期極化結構的可重構FBAR濾波器（doi:10.1109/IUS62464.2025.11201658）。通過施加納秒級電壓脈沖原位翻轉AlScN薄膜的極化方向，實現器件工作頻率在6 GHz（Wi-Fi/5G頻段）與14 GHz（衛星通信頻段）之間的動態頻率重構。此外，團隊提出了動態波形調制技術，成功穩定了薄膜的中間極化態，實現了器件從“二元開關”向“多態調控”的跨越（doi:10.1109/IUS62464.2025.11201599）。該技術有望取代由多顆開關與濾波器組成的復雜前端架構，顯著降低多頻段射頻前端模組芯片的體積與成本。
圖3：頻率可重構鐵電AlScN諧振器和濾波器
磁聲耦合驅動的高頻磁場傳感器
針對傳統磁場傳感器在頻率、靈敏度、帶寬及集成度方面的限制，團隊聯合上海科技大學，通過將鐵磁性坡莫合金電極集成至單晶氮化鋁體聲波諧振器中，開發出一種基于磁聲耦合機制的新型高頻磁場傳感器。該器件在6.7 GHz的高工作頻率下，于±1.52 kOe磁場范圍內實現了 57.61Hz/Oe的磁場靈敏度，兼具高頻、微型化和高可靠性等優勢。該成果為磁場檢測、精密傳感及高集成的 MEMS 器件發展提供了新的技術路徑。（doi: 10.1109/IUS62464.2025.11201392）。該項成果獲得2025 IEEE IUS最佳學生海報獎（Best Student Poster Award）。
圖4：射頻諧振器在外加磁場下S參數和諧振頻率的變化
超薄 AlN 薄膜壓電系數的高精度表征
針對超薄氮化鋁薄膜在壓電系數表征中易出現電場分布不均、測量誤差較大等難題，團隊提出了結合超薄電極的PFM階梯電壓表征方法，顯著提升了超薄薄膜縱向壓電系數測量的穩定性與準確性。該方法成功實現了對100nm超薄AlN及周期極化AlN疊層壓電系數的精確測量，為高頻諧振器中關鍵壓電材料的精確表征提供了重要技術支撐，推動射頻濾波器向高頻、高性能方向發展（doi:10.1109/IUS62464.2025.11201676）。
圖5：超薄氮化鋁壓電系數表征方法對比
上述工作展示了單晶Al(Sc)N壓電薄膜在下一代無線通信與感知系統中的巨大潛力。團隊通過打通高質量氮化鋁材料生長、器件設計與工藝集成全鏈條，探索了高頻高性能濾波器、可重構射頻濾波器及新型微納傳感等系列方向，為5G-A及6G通信中“高頻、寬帶、小尺寸、可調諧”等核心需求提供了極具競爭力的潛在解決方案。以上主要工作的第一單位為上海微系統所，通信作者為黃宣棋副研究員和母志強研究員。該研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金和上海市級專項等支持。
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