自1965年叉指換能器（Interdigital Transducer, IDT）和聲表面波（Surface Acoustic Wave, SAW）技術(shù)被發(fā)明以來，聲表面波（SAW）諧振器就被廣泛應(yīng)用于2 GHz以下的中、低頻無線通信，并形成了每年超過百億美元的濾波器和傳感器產(chǎn)業(yè)。隨著無線通信發(fā)展進入5G和6G，標準所定義的新頻段都在3 GHz以上，帶寬都在500 MHz以上，這就使得傳統(tǒng)的SAW技術(shù)在高頻（> 3 GHz）、高品質(zhì)因數(shù)（Q值）、高機電耦合系數(shù)（k2）等三個方面遇到了前所未有的發(fā)展瓶頸，其主要的限制在于：傳統(tǒng)SAW技術(shù)60年來一直使用單一的壓電系數(shù)來實現(xiàn)電能與機械能的相互轉(zhuǎn)換。

為此，中國科學技術(shù)大學微電子學院左成杰教授研究團隊在世界上首次提出、并實現(xiàn)了一種新型的耦合剪切模態(tài)聲表面波器件（Coupled Shear SAW，簡稱X-SAW），利用兩個不同方向的剪切壓電系數(shù)（e16與e34）相互耦合，在5 GHz高頻實現(xiàn)了高達34%的機電耦合系數(shù)（k2），以及高達650的品質(zhì)因數(shù)（Q值）。相關(guān)成果以“Coupled Shear SAW Resonator with High Electromechanical Coupling Coefficient of 34% using X-cut LiNbO3-on-SiC Substrate”為題于2月23日發(fā)表在電子器件領(lǐng)域知名期刊IEEE Electron Device Letters上，審稿人評價這是一項“非凡的（Remarkable）”成果。

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圖1.耦合剪切模態(tài)聲表面波（X-SAW）諧振器設(shè)計、制備及性能測試：(a)X-SAW諧振器結(jié)構(gòu)示意圖；(b)X-SAW諧振器SEM圖；(c-d)X-SAW諧振器測試曲線及其Q值

研究人員在X-cutLiNbO3-on-SiC襯底上設(shè)計并制備了一種高頻、高機電耦合系數(shù)（k2）、高品質(zhì)因數(shù)（Q值）的耦合剪切模態(tài)聲表面波（X-SAW）諧振器。通過選擇合適的歐拉角（α）和設(shè)計鈮酸鋰薄膜厚度（hLN）與叉指電極波長（λ）的比值，使得水平和厚度方向的電場同時激勵兩個剪切壓電系數(shù)（e16與e34），并使它們共同作用到一個機械振動模態(tài)中，從而獲得了機電耦合系數(shù)前所未有的大幅提升。

文中實現(xiàn)的一個X-SAW諧振器工作在5GHz，機電耦合系數(shù)高達34%，對應(yīng)的諧振器優(yōu)值（FoM =k2·Q）達到221（圖1）。與近10年報道中4 GHz以上的SAW諧振器比較，工作在5GHz和6GHz的兩個X-SAW諧振器FoM值均為世界最高（圖2）。更重要的是，本工作成功發(fā)現(xiàn)了在同一個振動模態(tài)中可以耦合兩個或多個不同剪切壓電系數(shù)的可能性，并通過理論分析制定了實現(xiàn)這種耦合剪切模態(tài)的設(shè)計準則，為聲學器件領(lǐng)域開辟了一條全新的研究路徑，將在大帶寬濾波器、寬帶可調(diào)振蕩器、高靈敏度傳感器等諸多領(lǐng)域打開新的自由度，并對相關(guān)產(chǎn)業(yè)帶來深遠的影響。

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圖2.近10年報道中4 GHz以上最具代表性的聲表面波（SAW）諧振器FoM值

中國科學技術(shù)大學微電子學院左成杰教授為論文通訊作者，微電子學院博士生戴忠斌為論文第一作者。此項研究工作得到了國家自然科學基金的資助，也得到了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(shù)研究院、中國科學院無線光電通信重點實驗室和集成電路科學與技術(shù)安徽省重點實驗室的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1109/led.2024.3368426