近日，2024年国际微波会议（IMS 2024，全称为：2024 IEEE International Microwave Symposium）在美国华盛顿哥伦比亚特区举办。IEEE IMS是国际微波领域的全球著名学术会议，今年在微波声学方向仅收录5篇Oral论文，其中中国科学技术大学左成杰教授课题组的1篇论文成功入选。
图1 参会人员在IMS 2024做口头报告
在现代无线通信技术的发展过程中，随着数据传输需求的大幅增加，毫米波频段因其具有大带宽和高数据速率的优势而受到广泛关注。国际标准化组织3GPP针对5G NR分配了两个频率区间：410 MHz至7.125 GHz的FR1，以及24.25 GHz至71.0 GHz的FR2（毫米波频段）。毫米波技术在5G及未来6G通信中扮演着重要角色，尤其在24.25 GHz以上的FR2频段，能有效缓解当前7 GHz以下的拥挤状态，提升通信系统的性能和效率，并且在实现超高速网络连接和支持新兴的物联网（IoT）应用中也显示出无可比拟的潜力。
现有的主流声表面波（SAW）及体声波（BAW）滤波器技术主要用于FR1频段，然而受到光刻精度、材料本身机电耦合系数等因素的制约，很难用于具有高频率、大带宽需求的毫米波频段。因此，为了开发能在毫米波频段高效工作的声学器件，实现我国在通信技术领域基础元器件和核心芯片技术的自主可控，中国科学技术大学左成杰教授课题组针对毫米波通信领域的战略需求开展了基于铌酸锂薄膜反对称模态声波器件的相关研究。
当前，提高毫米波频段（> 24.25 GHz）声波谐振器的性能存在很大的挑战，频率提升带来的损耗增加使得谐振器难以实现高Q值，从而使得优值（FoM = Q·k²）难以提升。为了解决上述问题，该课题组前期实现了基于铌酸锂一阶反对称（A1）兰姆波模态（Kai Yang, et al., IEEE Electron Device Letters, vol. 45, no.2, 2024）和三阶反对称（A3）兰姆波模态（Fuhong Lin, et al., IMS 2023, pp. 895-898, 2023）谐振器，并提出了鳍形锚装（Fin-Mounted）器件结构以增强器件稳定性并提高器件性能。
图2（a）器件结构示意图；（b）器件实物图；（c）器件测试导纳曲线
同时，左成杰教授课题组基于Y128°切向铌酸锂压电薄膜中的五阶反对称（A5）兰姆波模态，通过对电极占空比（DF, Duty Factor）的最优化设计，成功制备出具有高品质因数、高机电耦合系数的毫米波声波谐振器。该研究在Fin-Mounted器件结构的基础上设计了多种具有不同电极宽度（Wₑ）及电极间距（Wg）的谐振器，通过将电极占空比由1/5提升至1/3，谐振器机电耦合系数（k²）可实现接近60%的提升，同时品质因数也实现了超过40%的提升。最终的测试结果表明，电极宽度为2微米、电极间距为4微米（DF=1/3）的谐振器在27.58 GHz的工作频率下，实现了4.4%的机电耦合系数（k²）和448的品质因数（Q值），从而实现了优秀的器件优值（FoM = Q·k²=19.7），这是当前已报道工作在该频率下的最大谐振器优值。研究成果以“A Fin-Mounted A5-Mode Lithium Niobate Resonator at 27.58 GHz with k² of 4.4%, Qp of 448, and FoM of 19.7”为题在IMS 2024上做口头报告，中国科学技术大学硕士生方纪明为论文第一作者、左成杰教授为论文通讯作者。
该项研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、安徽省高校协同创新项目、中国科学技术大学原创探索类项目的资助，也得到了中国科大信息科学技术学院、中国科大微纳研究与制造中心、中国科大先进技术研究院、集成电路科学与技术安徽省重点实验室、中国科学院无线光电通信重点实验室的支持。
