隨著無線通信從5G向Beyond 5G（B5G）和6G發(fā)展，對于6 GHz以上電磁波頻譜的使用國際上還存在爭論，有些國家已經(jīng)將6 GHz全頻段授權(quán)用于Wi-Fi 6E，而更多的國家在考慮把此頻段部分用于蜂窩無線通信（6G）。因此，源于對不同制式和頻段間信號的隔離需求，工作于6 GHz的高品質(zhì)因數(shù)（Q值）聲波諧振器以及高性能濾波器將會成為下一階段無線通信發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，也是我國6G技術(shù)發(fā)展必須要自主可控的基礎(chǔ)射頻元器件與芯片。

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院左成杰教授研究團(tuán)隊(duì)在鈮酸鋰（LiNbO₃）壓電薄膜上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了Q值超過100000的高頻（6.5 GHz）微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）諧振器，與文獻(xiàn)中現(xiàn)有的工作相比，把Q值提升了2個數(shù)量級。相關(guān)成果以“Ultra HighQLithium Niobate Resonator at 15-Degree Three-Dimensional Euler Angle”為題于5月16日在線發(fā)表在電子器件領(lǐng)域知名期刊IEEE Electron Device Letters上。

研究人員提出了一種基于三維歐拉角α在x-cut單晶鈮酸鋰壓電薄膜上設(shè)計(jì)并制備高頻MEMS諧振器的方法。通過設(shè)計(jì)諧振器的電極結(jié)構(gòu)，工作于6.5 GHz的S1振動模態(tài)被激發(fā)，并且當(dāng)聲波傳播方向（α）位于15°時，諧振器并聯(lián)諧振頻率（f_p）處的品質(zhì)因數(shù)（Q_p）高達(dá)131540，對應(yīng)的諧振器優(yōu)值k²·Q_p和fp·Q_p分別達(dá)到6300和8.6×10¹⁴Hz（圖1）。

圖1.新型MEMS諧振器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能測試：(a)三維歐拉角的定義；(b)制備的諧振器SEM照片；(c)15°諧振器導(dǎo)納曲線測試結(jié)果

如圖2所示，與近10年其它的工作在類似頻段的諧振器比較，該新型MEMS諧振器把Q值提升了2個數(shù)量級，并且首次突破了諧振頻率與Q值乘積（f·Q）這一難以同步提升的諧振器優(yōu)值極限。更重要的是，相關(guān)工作成功發(fā)現(xiàn)了利用三維歐拉角可以對鈮酸鋰薄膜介電損耗和聲學(xué)損耗進(jìn)行調(diào)控的新機(jī)理，為未來微納器件在高頻無線通信、醫(yī)學(xué)超聲成像、智能信息處理和物聯(lián)網(wǎng)傳感器等應(yīng)用領(lǐng)域打開了更多的可能性。

圖2.新型MEMS諧振器與近10年其它鈮酸鋰諧振器Q值的比較

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院左成杰教授為論文通訊作者，微電子學(xué)院博士生戴忠斌為論文第一作者。此項(xiàng)研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和中央高校基本科研基金的資助，也得到了中國科大微電子學(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)研究院和中國科學(xué)院無線光電通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1109/LED.2022.3175572