面向5G通讯的高性能LLSAW压电异质声学谐振器设计

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研究内容

近年来移动通讯技术不断快速迭代革新，为支持更快的数据传输速率，射频器件正向更高的频谱范围进行拓展迁移。6 GHz是5G通信或WiFi应用部署的关键频段。作为目前移动通讯的主流滤波方案，声表面波（SAW）滤波器也亟需提升中心频率和带宽以匹配未来频段的使用需求。然而，目前SAW滤波器所利用的传统声学模式如瑞利波、水平剪切波由于其声速较低，频率向上兼容性差，在面向5G n79、WiFi 6E等高频频段应用时，存在叉指电极加工难度大，器件欧姆损耗高，压电转化效率低等问题，因此亟待设计开发新型高声速声波模式，研制在更高的中心频率下具有更大机电耦合系数的声学谐振器，为制备高频大带宽SAW滤波器提供技术基础。

清华大学潘峰教授团队针对这一科学难题，提出将亚微米压电单晶薄膜与高声速衬底相结合，构筑LiNbO₃/SiC双层压电异质结构体系，并激发出具有较强声电转化能力的高速漏纵波（LLSAW）声学模式。双层压电异质结构依托SiC衬底强烈的声反射作用，将LLSAW声波能量局限于压电层中，从而降低传播损耗，改善声电耦合能力。该工作通过有限元模拟充分研究了X切铌酸锂材料中纵漏声表面波的传播特性，并针对LiNbO₃薄膜厚度和面内传播角等结构参数进行设计优化，尝试探索获得无杂散模式干扰的高频高耦合系数的LLSAW谐振响应。最终在X-35°Y LiNbO₃/SiC 压电基片上成功制备工作频率超6 GHz，机电耦合系数高达22.7%的 LLSAW谐振器。得益于SiC衬底具有良好的导热性和较小的热膨胀系数，LiNbO₃/SiC异质结构谐振器在6.5 GHz处的频率温度系数为–64.61 ppm/℃，相比传统体材料器件提升30%。该工作进一步拓宽SAW器件的使用频率，并为 5G 甚至 6G 时代高频宽带频谱的滤波方案提供了新的解决思路。

图1(a) 压电异质双层结构谐振器的周期性模型示意图 (b) 采用不同衬底的异质结构谐振器的导纳模拟响应。(c) 采用不同衬底的异质结构谐振器的位移模拟分布图。

图2(a) 不同传播角下LiNbO₃/SiC谐振器的导纳模拟响应 (b) 不同LiNbO₃薄膜厚度下LiNbO₃/SiC谐振器的导纳模拟响应。

图3(a) LiNbO₃/SiC谐振器的光镜照片 (b) LiNbO₃/SiC谐振器实测导纳、相位曲线及mBVD电路模型拟合结果。

图4(a) LiNbO₃/SiC谐振器在不同温度下的导纳响应 (b) LiNbO₃体材料谐振器在不同温度下的导纳响应。

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团队介绍

清华大学材料学院潘峰教授领导的“薄膜材料结构与性能调控技术”团队，针对移动通信高密度信息存储等重大需求，开展了声表面波、阻变存储器、自旋电子学及类脑计算新材料、器件及其制备方法研究，突破了声表面波滤波器高功率、大带宽、高频微型化、设计与加工等关键技术，产学研合作完成了高性能滤波器工程化制备和规模化应用。团队已发表SCI论文400余篇，授权发明专利40余项，出版专著2部。先后获得五项国家级科技成果奖励和多项省部级奖励，为国家培养了一批优秀人才。

审核编辑：刘清