近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所集成电路材料全国重点实验室，联合上海集成电路材料研究院，在Ku频段周期极化单晶氮化铝射频滤波器研究方面取得重要突破。团队基于周期极化单晶氮化铝压电薄膜材料生长技术，研制出兼顾温度稳定性与功率承受能力的Ku频段射频谐振器及滤波器，并揭示了周期极化器件的色散特性与声学损耗机制，为面向6G及卫星通信的高频射频滤波器设计提供了实验依据和理论指导。
射频滤波器是通信系统中的“信号筛选器”，承担滤出有用信号、抑制干扰信号的重要功能。随着通信应用向更高频段拓展，器件不仅要“跑得更快”，还需要在小型化的同时兼顾温漂和功率性能。尤其在Ku频段（12–18 GHz），传统声学滤波器面临材料质量恶化、损耗增加及功率承受能力受限等问题。周期极化压电薄膜可激发高阶声学模态，为缓解以上高频化难题提供了新的技术路径。
Ku频段高功率、高温度稳定性的固态装配型射频滤波器技术
团队前期通过突破周期极化氮化铝材料生长技术，研制出14-17 GHz工作频段的射频滤波器原型，验证了该技术应用于Ku频段的技术可行性。近期，团队针对Ku频段射频滤波器的功率和温漂挑战，设计了基于钨／二氧化硅布拉格反射层的固态装配型射频滤波器。通过引入布拉格反射层把声波能量“锁”在工作区域内，并巧妙设计材料组合实现温度补偿，降低温度变化带来的频率漂移，同时具有更好的机械稳固性和散热能力。
研制的周期极化单晶氮化铝射频谐振器的谐振频率高达14 GHz，最大品质因数Qmax为258。当温度升高至125 ℃时，谐振器最大品质因数仍保持在251，接近室温水平。基于该器件构建的射频滤波器原型中心频率为14.21 GHz，3 dB带宽为161 MHz，器件的功率承受能力超过30 dBm，验证了该技术在高频、高功率场景的应用优势。
图1：Ku频段周期极化单晶氮化铝固态装配型射频滤波器
在25至125 ℃温度范围内，射频谐振器在fs和fp的频率温度系数（TCF）分别为-28.99 ppm/℃和-28.62 ppm/℃；射频滤波器通带两侧3 dB边缘频率点的TCF分别为-26.48 ppm/℃和-24.43 ppm/℃，以上结果相比相近频段国际报道最优水平进一步降低约20%，为改善高频滤波器通带稳定性提供了可行方案。
图2：Ku频段周期极化单晶氮化铝固态装配型射频滤波器的温漂性能
周期极化氮化铝射频谐振器的色散与损耗机制研究
高频下射频滤波器内部的声波传播与耗散机制异常复杂。特别是高阶厚度伸缩模态的频散特性尚未得到充分探索，而高频器件常伴随严重的杂散模态。团队基于前期研制的多款周期极化氮化铝射频谐振器，系统分析了不同器件结构类型的声频散特性及声波传播的物理机理，构建了频散行为与杂散谐振之间的物理联系。结合仿真与实验测试，揭示了研制器件的二阶厚度伸缩模态均具有Ⅰ型色散特征，并建立了声波群速度与杂散强度的关联关系。研究发现，通过优化材料叠层可降低截止频率附近的群速度，从而有效减弱器件的杂散谐振模态，相比于研制的薄膜体声波谐振器（FBAR）结构，固态装配型（SMR）谐振器结构表现出更弱的杂散响应，为周期极化射频滤波器的结构设计与杂模抑制提供了依据。
图3：周期极化氮化铝射频谐振器的频率及色散特性
上述研究将单晶氮化铝材料生长、周期极化叠层设计与声学机理分析相结合，实现了Ku频段射频滤波器的高功率容量和低温漂特性；通过对色散与损耗机制的研究，为高频下杂散模态抑制提供了设计依据，为高频高性能射频滤波器的发展提供了新的解决方案。相关研究成果发表于国际电子器件领域权威期刊《IEEE Transactions on Electron Devices》。以上论文第一作者分别为中国科学院上海微系统所秦瑞东博士后和黄宣棋副研究员，通讯作者为中国科学院上海微系统所黄宣棋副研究员和母志强研究员，中国科学院上海微系统所俞文杰研究员及上海集成电路材料研究院为该工作提供了重要指导与资源支持。本项目得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市重大专项、上海市白玉兰浦江计划等项目支持。
