隨著無線通信從5G向Beyond 5G（B5G）和6G發展，對于6 GHz以上電磁波頻譜的使用國際上還存在爭論，有些國家已經將6 GHz全頻段授權用于Wi-Fi 6E，而更多的國家在考慮把此頻段部分用于蜂窩無線通信（6G）。因此，源于對不同制式和頻段間信號的隔離需求，工作于6 GHz的高品質因數（Q值）聲波諧振器以及高性能濾波器將會成為下一階段無線通信發展的關鍵技術，也是我國6G技術發展必須要自主可控的基礎射頻元器件與芯片。
近日，中國科學技術大學微電子學院左成杰教授研究團隊在鈮酸鋰（LiNbO3）壓電薄膜上設計并實現了Q值超過100000的高頻（6.5 GHz）微機電系統（MEMS）諧振器，與文獻中現有的工作相比，把Q值提升了2個數量級。相關成果以“Ultra High Q Lithium Niobate Resonator at 15-Degree Three-Dimensional Euler Angle”為題于5月16日在線發表在電子器件領域知名期刊IEEE Electron Device Letters上。
研究人員提出了一種基于三維歐拉角α在x-cut單晶鈮酸鋰壓電薄膜上設計并制備高頻MEMS諧振器的方法。通過設計諧振器的電極結構，工作于6.5 GHz的S1振動模態被激發，并且當聲波傳播方向（α）位于15°時，諧振器并聯諧振頻率（fp）處的品質因數（Qp）高達131540，對應的諧振器優值k2·Qp和fp·Qp分別達到6300和8.6×1014 Hz（圖1）。
圖1. 新型MEMS諧振器結構設計及性能測試：(a)三維歐拉角的定義；(b)制備的諧振器SEM照片；(c)15°諧振器導納曲線測試結果
如圖2所示，與近10年其它的工作在類似頻段的諧振器比較，該新型MEMS諧振器把Q值提升了2個數量級，并且首次突破了諧振頻率與Q值乘積（f·Q）這一難以同步提升的諧振器優值極限。更重要的是，相關工作成功發現了利用三維歐拉角可以對鈮酸鋰薄膜介電損耗和聲學損耗進行調控的新機理，為未來微納器件在高頻無線通信、醫學超聲成像、智能信息處理和物聯網傳感器等應用領域打開了更多的可能性。
圖2. 新型MEMS諧振器與近10年其它鈮酸鋰諧振器Q值的比較
中國科學技術大學微電子學院左成杰教授為論文通訊作者，微電子學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重點研發計劃和中央高校基本科研基金的資助，也得到了中國科大微電子學院、中國科大微納研究與制造中心、中國科大先進技術研究院和中國科學院無線光電通信重點實驗室的支持。