世界首次！我国在高频声表面波器件领域取得重要突破

记者2月26日从中国科学技术大学获悉，世界首次该校微电子学院左成杰教授研究团队在世界上首次提出、国高并实现了一种新型的频声耦合剪切模态声表面波器件（简称X-SAW），利用两个不同方向的表面波器剪切压电系数相互耦合，在5GHz高频实现了高达34%的得重机电耦合系数，以及高达650的突破品质因数（Q值）。相关成果2月23日发表在电子器件领域期刊《IEEE电子器件通信》上，世界首次审稿人评价这是国高一项“非凡”的成果。

自1965年叉指换能器和声表面波（SAW）技术被发明以来，频声SAW谐振器就被广泛应用于2GHz以下的表面波器中、低频无线通信，得重并形成了每年超过百亿美元的突破滤波器和传感器产业。随着无线通信发展进入5G和6G，世界首次标准所定义的国高新频段都在3GHz以上，带宽都在500MHz以上，频声这就使得传统的SAW技术在高频（大于3GHz）、高Q值、高机电耦合系数等三个方面遇到了前所未有的发展瓶颈，其主要的限制在于：六十年来，传统SAW技术一直使用单一的压电系数来实现电能与机械能的相互转换。

研究人员在一种特定衬底上设计并制备了一种高频、高机电耦合系数、高Q值的耦合剪切模态声表面波（X-SAW）谐振器。通过选择合适的欧拉角和设计铌酸锂薄膜厚度与叉指电极波长的比值，使得水平和厚度方向的电场同时激励两个剪切压电系数，并使它们共同作用到一个机械振动模态中，从而获得了机电耦合系数前所未有的大幅提升。

该项研究中实现的一个X-SAW谐振器工作在5GHz，机电耦合系数高达34%，对应的谐振器优值达到221。与近10年报道中4GHz以上的SAW谐振器比较，工作在5GHz和6GHz的两个X-SAW谐振器FoM值均为世界最高。更重要的是，本研究成功发现了在同一个振动模态中可以耦合两个或多个不同剪切压电系数的可能性，并通过理论分析制定了实现这种耦合剪切模态的设计准则，为声学器件领域开辟了一条全新的研究路径。

研究人员表示，这项成果将在大带宽滤波器、宽带可调振荡器、高灵敏度传感器等诸多领域打开新的自由度，并对相关产业带来深远的影响。

（中国科大供图）