中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
近日，2024年國際微波會(huì )議（IMS 2024，全稱(chēng)為：2024 IEEE International Microwave Symposium）在美國華盛頓哥倫比亞特區舉辦。IEEE IMS是國際微波領(lǐng)域的全球著(zhù)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做口頭報告
在現代無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，隨著(zhù)數據傳輸需求的大幅增加，毫米波頻段因其具有大帶寬和高數據速率的優(yōu)勢而受到廣泛關(guān)注。國際標準化組織3GPP針對5G NR分配了兩個(gè)頻率區間：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(zhù)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)，提升通信系統的性能和效率，并且在實(shí)現超高速網(wǎng)絡(luò )連接和支持新興的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應用中也顯示出無(wú)可比擬的潛力。
現有的主流聲表面波（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、材料本身機電耦合系數等因素的制約，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(kāi)發(fā)能在毫米波頻段高效工作的聲學(xué)器件，實(shí)現我國在通信技術(shù)領(lǐng)域基礎元器件和核心芯片技術(shù)的自主可控，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)左成杰教授課題組針對毫米波通信領(lǐng)域的戰略需求開(kāi)展了基于鈮酸鋰薄膜反對稱(chēng)模態(tài)聲波器件的相關(guān)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，頻率提升帶來(lái)的損耗增加使得諧振器難以實(shí)現高Q值，從而使得優(yōu)值（FoM = Q·k2）難以提升。為了解決上述問(wèn)題，該課題組前期實(shí)現了基于鈮酸鋰一階反對稱(chēng)（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(chēng)（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定性并提高器件性能。
圖2（a）器件結構示意圖；（b）器件實(shí)物圖；（c）器件測試導納曲線(xiàn)
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稱(chēng)（A5）蘭姆波模態(tài)，通過(guò)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、高機電耦合系數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(guò)將電極占空比由1/5提升至1/3，諧振器機電耦合系數（k2）可實(shí)現接近60%的提升，同時(shí)品質(zhì)因數也實(shí)現了超過(guò)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(shí)現了4.4%的機電耦合系數（k2）和448的品質(zhì)因數（Q值），從而實(shí)現了優(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(xué)技術(shù)大學(xué)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(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、安徽省高校協(xié)同創(chuàng )新項目、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)原創(chuàng )探索類(lèi)項目的資助，也得到了中國科大信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院、中國科大微納研究與制造中心、中國科大先進(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)驗室、中國科學(xué)院無(wú)線(xiàn)光電通信重點(diǎn)實(shí)驗室的支持。
