自1965年叉指換能器(IDT)和聲表面波(SAW)技術(shù)被發(fā)明以來，聲表面波諧振器被廣泛應(yīng)用于2 GHz以下的中、低頻無線通信。隨著無線通信發(fā)展進入5G和6G，標(biāo)準(zhǔn)定義的新頻段均在3 GHz以上，帶寬均在500 MHz以上，這使得傳統(tǒng)的SAW技術(shù)在高頻、高品質(zhì)因數(shù)、高機電耦合系數(shù)等方面遇到了發(fā)展瓶頸。主要的限制在于傳統(tǒng)SAW技術(shù)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。
 

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院教授左成杰研究團隊在世界上首次提出并實現(xiàn)了新型的耦合剪切模態(tài)聲表面波器件(簡稱X-SAW)，利用兩個不同方向的剪切壓電系數(shù)相互耦合，在5 GHz高頻實現(xiàn)了高達34%的機電耦合系數(shù)以及高達650的品質(zhì)因數(shù)。2月23日，相關(guān)研究成果以Coupled Shear SAW Resonator with High Electromechanical Coupling Coefficient of 34% using X-cut LiNbO3-on-SiC Substrate為題，發(fā)表在《IEEE電子器件通信》(IEEE Electron Device Letters)上。審稿人評價這是一項“非凡的成果”。
 

該研究在X-cutLiNbO3-on-SiC襯底上設(shè)計并制備了高頻、高機電耦合系數(shù)、高品質(zhì)因數(shù)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以及設(shè)計鈮酸鋰薄膜厚度與叉指電極波長的比值，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)，并使它們共同作用到一個機械振動模態(tài)中，從而使得機電耦合系數(shù)大幅提升。
 

該工作實現(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)達到221。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。該研究發(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(zhǔn)則，為聲學(xué)器件領(lǐng)域開辟了全新的研究路徑，有望在大帶寬濾波器、寬帶可調(diào)振蕩器、高靈敏度傳感器等領(lǐng)域打開新的自由度，并將對相關(guān)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生影響。
 

研究工作得到國家自然科學(xué)基金的資助。
 

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。