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研究內容

近年來移動通訊技術不斷快速迭代革新，為支持更快的數據傳輸速率，射頻器件正向更高的頻譜范圍進行拓展遷移。6 GHz是5G通信或WiFi應用部署的關鍵頻段。作為目前移動通訊的主流濾波方案，聲表面波（SAW）濾波器也亟需提升中心頻率和帶寬以匹配未來頻段的使用需求。然而，目前SAW濾波器所利用的傳統聲學模式如瑞利波、水平剪切波由于其聲速較低，頻率向上兼容性差，在面向5G n79、WiFi 6E等高頻頻段應用時，存在叉指電極加工難度大，器件歐姆損耗高，壓電轉化效率低等問題，因此亟待設計開發新型高聲速聲波模式，研制在更高的中心頻率下具有更大機電耦合系數的聲學諧振器，為制備高頻大帶寬SAW濾波器提供技術基礎。

清華大學潘峰教授團隊針對這一科學難題，提出將亞微米壓電單晶薄膜與高聲速襯底相結合，構筑LiNbO?/SiC雙層壓電異質結構體系，并激發出具有較強聲電轉化能力的高速漏縱波（LLSAW）聲學模式。雙層壓電異質結構依托SiC襯底強烈的聲反射作用，將LLSAW聲波能量局限于壓電層中，從而降低傳播損耗，改善聲電耦合能力。該工作通過有限元模擬充分研究了X切鈮酸鋰材料中縱漏聲表面波的傳播特性，并針對LiNbO?薄膜厚度和面內傳播角等結構參數進行設計優化，嘗試探索獲得無雜散模式干擾的高頻高耦合系數的LLSAW諧振響應。最終在X-35°Y LiNbO?/SiC 壓電基片上成功制備工作頻率超6 GHz，機電耦合系數高達22.7%的 LLSAW諧振器。得益于SiC襯底具有良好的導熱性和較小的熱膨脹系數，LiNbO?/SiC異質結構諧振器在6.5 GHz處的頻率溫度系數為–64.61 ppm/℃，相比傳統體材料器件提升30%。該工作進一步拓寬SAW器件的使用頻率，并為 5G 甚至 6G 時代高頻寬帶頻譜的濾波方案提供了新的解決思路。

圖1(a) 壓電異質雙層結構諧振器的周期性模型示意圖 (b) 采用不同襯底的異質結構諧振器的導納模擬響應。(c) 采用不同襯底的異質結構諧振器的位移模擬分布圖。

圖2(a) 不同傳播角下LiNbO?/SiC諧振器的導納模擬響應 (b) 不同LiNbO?薄膜厚度下LiNbO?/SiC諧振器的導納模擬響應。

圖3(a) LiNbO?/SiC諧振器的光鏡照片 (b) LiNbO?/SiC諧振器實測導納、相位曲線及mBVD電路模型擬合結果。

圖4(a) LiNbO?/SiC諧振器在不同溫度下的導納響應 (b) LiNbO?體材料諧振器在不同溫度下的導納響應。

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團隊介紹

清華大學材料學院潘峰教授領導的“薄膜材料結構與性能調控技術”團隊，針對移動通信高密度信息存儲等重大需求，開展了聲表面波、阻變存儲器、自旋電子學及類腦計算新材料、器件及其制備方法研究，突破了聲表面波濾波器高功率、大帶寬、高頻微型化、設計與加工等關鍵技術，產學研合作完成了高性能濾波器工程化制備和規?；瘧谩F隊已發表SCI論文400余篇，授權發明專利40余項，出版專著2部。先后獲得五項國家級科技成果獎勵和多項省部級獎勵，為國家培養了一批優秀人才。

審核編輯：劉清