我国学者在高频声表面波器件研制方面取得进展

　　

图 耦合剪切模态声表面波（CS-SAW）谐振器设计、制备及性能测试：（a）CS-SAW谐振器结构示意图；（b）CS-SAW谐振器横截面SEM图；（c-d）CS-SAW谐振器测试导纳曲线及其Q值

　　在国家自然科学基金项目（批准号：62231023）资助下，中国科学技术大学左成杰教授团队在高频声表面波器件研制方面取得进展。研究成果以“具有高达34%机电耦合系数的耦合剪切模态声表面波谐振器在X切碳化硅基铌酸锂衬底上实现（Coupled shear SAW resonator with high electromechanical coupling coefficient of 34% using x-cut LiNbO₃-on-SiC substrate）”为题，于2024年2月23日在线发表于《IEEE电子器件通信》（IEEE Electron Device Letters）杂志。论文链接为：https://doi.org/10.1109/led.2024.3368426。

　　自1965年叉指换能器（Interdigital Transducer, IDT）和声表面波（Surface Acoustic Wave, SAW）技术被发明以来，SAW谐振器就被广泛应用于2 GHz以下的中、低频无线通信中，并形成了每年超过百亿美元的滤波器和传感器产业。随着无线通信进入5G和6G时代，传统使用单一压电系数来实现电能与机械能相互转换的SAW技术限制了其性能向高频（> 3 GHz）、高品质因数（Q值）和高机电耦合系数（k²）方面发展。

　　针对SAW这一技术瓶颈，左成杰教授研究团队研究发现在特定的谐振器结构内可以使用叉指电极同时产生横向和纵向分布的电场分量，进而实现在同一个振动模态中耦合两个或多个不同剪切压电系数。据此，左成杰教授研究团队通过设计合适的欧拉角（α）和铌酸锂薄膜厚度（h_LN）与叉指电极波长（λ）的比值，使得水平和厚度方向的电场可以同时激励压电薄膜的两个剪切压电系数（e₁₆与e₃₄），进而实现高机电耦合系数和高Q值。设计的耦合剪切模态声表面波器件（Coupled Shear SAW，简称CS-SAW）结构如图（a）所示。在LiNbO₃-on-SiC衬底上沉积叉指电极，制备了两款分别工作在5 GHz频段和6 GHz频段的CS-SAW器件，其中5 GHz频段CS-SAW谐振器横截面SEM图如图（b）所示。图（c-d）分别显示了CS-SAW谐振器导纳和Q值测试曲线。测试结果表明，制备的5G频段CS-SAW谐振器的机电耦合系数（k²）约为34%（图（c）），品质因数（Q值）达到650（图（d））。

　　项目工作为声学器件研究开辟了新路径。