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(jìn)入5G和6G，標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換。
為此,，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院左成杰教授研究團(tuán)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(dá)34%的機(jī)電耦合系數(shù)（k2），以及高達(dá)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。
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(jī)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(jī)械振動模態(tài)中，從而獲得了機(jī)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(jī)電耦合系數(shù)高達(dá)34%，對應(yīng)的諧振器優(yōu)值（FoM =k2·Q）達(dá)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(zhǔn)則，為聲學(xué)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(yuǎn)的影響,。
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(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院左成杰教授為論文通訊作者，微電子學(xué)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(xué)基金的資助,，也得到了中國科大微電子學(xué)院、中國科大微納研究與制造中心,、中國科大先進(jìn)技術(shù)研究院,、中國科學(xué)院無線光電通信重點實驗室和集成電路科學(xué)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
（微電子學(xué)院,、信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院,、科研部）
