中国科大在高频声表面波器件领域取得重要突破

自1965年叉指换能器（Interdigital Transducer, IDT）和声表面波（Surface Acoustic Wave, SAW）技术被发明以来，声表面波（SAW）谐振器就被广泛应用于2 GHz以下的中、低频无线通信，并形成了每年超过百亿美元的滤波器和传感器产业。随着无线通信发展进入5G和6G，标准所定义的新频段都在3 GHz以上，带宽都在500 MHz以上，这就使得传统的SAW技术在高频（> 3 GHz）、高品质因数（Q值）、高机电耦合系数（k2）等三个方面遇到了前所未有的发展瓶颈，其主要的限制在于：传统SAW技术60年来一直使用单一的压电系数来实现电能与机械能的相互转换。

为此，中国科学技术大学微电子学院左成杰教授研究团队在世界上首次提出、并实现了一种新型的耦合剪切模态声表面波器件（Coupled Shear SAW，简称X-SAW），利用两个不同方向的剪切压电系数（e16与e34）相互耦合，在5 GHz高频实现了高达34%的机电耦合系数（k2），以及高达650的品质因数（Q值）。相关成果以“Coupled Shear SAW Resonator with High Electromechanical Coupling Coefficient of 34% using X-cut LiNbO3-on-SiC Substrate”为题于2月23日发表在电子器件领域知名期刊IEEE Electron Device Letters上，审稿人评价这是一项“非凡的（Remarkable）”成果。

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图1.耦合剪切模态声表面波（X-SAW）谐振器设计、制备及性能测试：(a)X-SAW谐振器结构示意图；(b)X-SAW谐振器SEM图；(c-d)X-SAW谐振器测试曲线及其Q值

研究人员在X-cutLiNbO3-on-SiC衬底上设计并制备了一种高频、高机电耦合系数（k2）、高品质因数（Q值）的耦合剪切模态声表面波（X-SAW）谐振器。通过选择合适的欧拉角（α）和设计铌酸锂薄膜厚度（hLN）与叉指电极波长（λ）的比值，使得水平和厚度方向的电场同时激励两个剪切压电系数（e16与e34），并使它们共同作用到一个机械振动模态中，从而获得了机电耦合系数前所未有的大幅提升。

文中实现的一个X-SAW谐振器工作在5GHz，机电耦合系数高达34%，对应的谐振器优值（FoM =k2·Q）达到221（图1）。与近10年报道中4 GHz以上的SAW谐振器比较，工作在5GHz和6GHz的两个X-SAW谐振器FoM值均为世界最高（图2）。更重要的是，本工作成功发现了在同一个振动模态中可以耦合两个或多个不同剪切压电系数的可能性，并通过理论分析制定了实现这种耦合剪切模态的设计准则，为声学器件领域开辟了一条全新的研究路径，将在大带宽滤波器、宽带可调振荡器、高灵敏度传感器等诸多领域打开新的自由度，并对相关产业带来深远的影响。

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图2.近10年报道中4 GHz以上最具代表性的声表面波（SAW）谐振器FoM值

中国科学技术大学微电子学院左成杰教授为论文通讯作者，微电子学院博士生戴忠斌为论文第一作者。此项研究工作得到了国家自然科学基金的资助，也得到了中国科大微电子学院、中国科大微纳研究与制造中心、中国科大先进技术研究院、中国科学院无线光电通信重点实验室和集成电路科学与技术安徽省重点实验室的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1109/led.2024.3368426