近日，中國科學技術大學左成杰教授團隊在6G濾波器領域取得重要進展：在鈮酸鋰壓電薄膜上設計，并實現了高品質因數（Q值）超過100000的高頻微機電系統(tǒng)諧振器。
相關成果在線發(fā)表于電子器件領域期刊IEEE Electron Device Letters
隨著無線通信從5G向Beyond 5G(B5G)和6G發(fā)展，對于6GHz（吉赫）以上電磁波頻譜的使用在國際上還存在爭論，有些國家已經將6GHz全頻段授權用于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6GHz的高品質因數(Q值)聲波諧振器以及高性能濾波器將成為下一階段無線通信發(fā)展的關鍵技術，也是我國6G技術發(fā)展必須要自主可控的基礎射頻元器件與芯片。
此次，中國科學技術大學微電子學院教授左成杰研究團隊在鈮酸鋰(LiNbO3)壓電薄膜上設計并實現了Q值超過100000的高頻(6.5GHz)微機電系統(tǒng)(MEMS)諧振器，與文獻中現有工作相比，把Q值提升了2個數量級。相關成果在線發(fā)表于電子器件領域期刊IEEE Electron Device Letters。
新型MEMS諧振器結構設計及性能測試：(a)三維歐拉角的定義；(b)制備的諧振器SEM照片；(c)15°諧振器導納曲線測試結果，圖片來自中科大
前述團隊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計并制備高頻MEMS諧振器的方法。通過設計諧振器的電極結構，工作于6.5GHz的S1振動模態(tài)被激發(fā)，并且當聲波傳播方向(α)位于15°時，諧振器并聯諧振頻率(fp)處的品質因數(Qp)高達131540，對應的諧振器優(yōu)值(k^2)·Qp和fp·Qp分別達到6300和8.6×(10^14)Hz（赫茲）。
新型MEMS諧振器與近10年其它鈮酸鋰諧振器Q值的比較，圖片來自中科大
與近10年其它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個數量級（如圖所示），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。相關工作還發(fā)現了利用三維歐拉角可以對鈮酸鋰薄膜介電損耗和聲學損耗進行調控的新機理，可為未來微納器件在高頻無線通信、醫(yī)學超聲成像、智能信息處理和物聯網傳感器等應用領域開拓更多可能性。
論文通訊作者為中國科學技術大學微電子學院左成杰教授，論文第一作者為微電子學院博士生戴忠斌。前述工作獲得國家重點研發(fā)計劃和中央高校基本科研基金資助，也得到中國科大微電子學院、中國科大微納研究與制造中心、中國科大先進技術研究院和中國科學院無線光電通信重點實驗室支持。
