近日，武漢大學—武漢量子技術研究院孫成亮研究員團隊在高性能 Sub-7 GHz 射頻聲學濾波器關鍵材料與器件協同優化方面的最新研究成果。論文題為“Enhancing film bulk acoustic resonators performance by optimizing AlN seed layer crystallinity and polarity alignment”發表在Nature Communications上。
該研究由武漢大學博士后楊婷婷擔任第一作者，孫成亮研究員、劉勝院士、雷誠教授以及蔡耀為共同通訊作者。國世上教授與李雷、馬燁、周曉東、張瑩等研究人員在數據分析方面提供了重要支持。
面向 Sub-7 GHz 通信系統需求，傳統氮化鋁（AlN）薄膜體聲波諧振器（FBAR）普遍面臨機電耦合系數較低的性能瓶頸。雖然通過摻雜鈧（Sc）可以顯著提升壓電性能，但同時也會導致薄膜結晶質量下降，并在 AlN/ScAlN 界面產生極性反轉，從而使壓電響應相互抵消，制約器件整體性能提升。
針對這一“結晶度—極性”之間的內在矛盾，研究團隊提出了一種“雙重優化策略”。首先，利用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）技術生長高質量單晶 AlN 種子層，引導 ScAlN 薄膜實現高度 c 軸取向生長，從而顯著降低聲學損耗，使諧振器的最大品質因數提升至 736。
極性反轉現象與器件雙重優化策略示意圖：(a) AlN與ScAlN晶體結構示意圖；(b) 具有極性反轉層的AlN/ScAlN雙層結構FBAR示意圖；(c)AlN與ScAlN雙層結構截面形貌及極性取向表征。
隨后，團隊通過后處理工藝精準去除該種子層，有效消除了極性反轉界面，實現了極性對齊與壓電耦合的恢復。實驗結果顯示，采用該策略后，FBAR 器件的有效機電耦合系數由原來的 6.0% 大幅提升至 13.2%。
基于這一優化方案，研究團隊進一步制備了柵格型射頻濾波器器件，實現了 6.4 GHz 的中心頻率、740 MHz 的 3 dB 帶寬，并獲得超過 40 dB 的帶外抑制性能，展示了其在 Sub-7 GHz 通信系統中的重要應用潛力。
整體來看，該研究通過材料結構與器件工藝的協同設計，為 Sc 摻雜 AlN 壓電材料在高頻射頻濾波器中的應用提供了新的解決思路，也為未來 6G 通信系統中的高性能聲學濾波器開發提供了重要技術路徑。
