随着无线通信从5G向Beyond 5G(B5G)和6G发展，对于6 GHz以上电磁波频谱的使用国际上还存在争论，有些国家已经将6 GHz全频段授权用于Wi-Fi 6E，而更多的国家在考虑把此频段部分用于蜂窝无线通信(6G)。因此，源于对不同制式和频段间信号的隔离需求，工作于6 GHz的高品质因数(Q值)声波谐振器以及高性能滤波器将会成为下一阶段无线通信发展的关键技术，也是我国6G技术发展必须要自主可控的基础射频元器件与芯片。
近日，中国科学技术大学微电子学院左成杰教授研究团队在铌酸锂(LiNbO3)压电薄膜上设计并实现了Q值超过100000的高频(6.5 GHz)微机电系统(MEMS)谐振器，与文献中现有的工作相比，把Q值提升了2个数量级。相关成果以“Ultra HighQLithium Niobate Resonator at 15-Degree Three-Dimensional Euler Angle”为题于5月16日在线发表在电子器件领域知名期刊IEEE Electron Device Letters上。
研究人员提出了一种基于三维欧拉角α在x-cut单晶铌酸锂压电薄膜上设计并制备高频MEMS谐振器的方法。通过设计谐振器的电极结构，工作于6.5 GHz的S1振动模态被激发，并且当声波传播方向(α)位于15°时，谐振器并联谐振频率(fp)处的品质因数(Qp)高达131540，对应的谐振器优值k2·Qp和fp·Qp分别达到6300和8.6×1014Hz(图1)。
图1.新型MEMS谐振器结构设计及性能测试：(a)三维欧拉角的定义；(b)制备的谐振器SEM照片；(c)15°谐振器导纳曲线测试结果
如图2所示，与近10年其它的工作在类似频段的谐振器比较，该新型MEMS谐振器把Q值提升了2个数量级，并且首次突破了谐振频率与Q值乘积(f·Q)这一难以同步提升的谐振器优值极限。更重要的是，相关工作成功发现了利用三维欧拉角可以对铌酸锂薄膜介电损耗和声学损耗进行调控的新机理，为未来微纳器件在高频无线通信、医学超声成像、智能信息处理和物联网传感器等应用领域打开了更多的可能性。
图2.新型MEMS谐振器与近10年其它铌酸锂谐振器Q值的比较
中国科学技术大学微电子学院左成杰教授为论文通讯作者，微电子学院博士生戴忠斌为论文第一作者。此项研究工作得到了国家重点研发计划和中央高校基本科研基金的资助，也得到了中国科大微电子学院、中国科大微纳研究与制造中心、中国科大先进技术研究院和中国科学院无线光电通信重点实验室的支持。