文章导读
你可能没感觉到，5G、Wi-Fi 7这些设备越做越快，真正卡脖子的往往不是芯片算力，而是那颗很少被提起的射频滤波器。很多人以为材料里多掺一点钪，性能自然就上去，可现实是，参数刚变漂亮，器件却可能因为结晶退化和极性反转把优势自己“抵消”掉。武汉大学这项登上《自然·通讯》的研究，偏偏就盯住了这个最难啃的矛盾：一边把品质因数拉到736，一边把机电耦合系数从6.0%推到13.2%。问题是，他们到底动了哪一步，才让6.4 GHz滤波器的带宽和抑制能力一起上台阶？
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（通讯员肖潇）近日，Nature Communications（《自然·通讯》）发表了武汉大学集成电路学院教授孙成亮、特聘副研究员蔡耀团队在高性能Sub-7 GHz射频声学滤波器关键材料与器件协同优化方面的最新研究成果。该工作提出了一种“双重优化策略”，有效解决了钪掺杂氮化铝薄膜结晶度退化和极性反转的难题。
论文题为“Enhancing film bulk acoustic resonators performance by optimizing AlN seed layer crystallinity and polarity alignment”（《优化氮化铝种子层结晶度和极性对齐以提升薄膜体声波谐振器性能》）。集成电路学院博士后杨婷婷为第一作者，刘胜院士、孙成亮、雷诚教授和蔡耀为共同通讯作者，集成电路学院为第一通讯单位。武汉大学国世上教授，李雷、马烨、周晓东和张莹博士对数据分析工作给予了关键指导。
极性反转现象与器件双重优化策略示意图：(a) AlN与ScAlN晶体结构示意图；(b) 具有极性反转层的AlN/ScAlN双层结构FBAR示意图；(c)AlN与ScAlN双层结构截面形貌及极性取向表征。
面向Sub-7 GHz通信需求，传统AlN薄膜体声波谐振器（FBAR）存在机电耦合系数低的瓶颈。通过钪（Sc）掺杂虽能提升压电性能，但会引发薄膜结晶劣化及AlN/ScAlN界面极性反转，导致压电响应相互抵消。研究团队针对这一极性与结晶度的内在矛盾，巧妙提出了一种双重优化策略。利用金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长高质量的单晶AlN种子层，引导ScAlN薄膜实现高度c轴取向生长，从而大幅降低声学损耗，使谐振器的最大品质因数达到736。团队通过后处理工艺精准去除该种子层，彻底消除了极性反转界面，实现了极性对齐与耦合恢复。实验结果表明，该策略成功将FBAR器件的有效机电耦合系数从6.0%大幅提升至13.2%。基于此策略制备的栅格型滤波器，实现了6.4 GHz的中心频率、740 MHz的3 dB带宽以及大于40 dB的带外抑制，充分展示了其在Sub-7 GHz通信系统中的巨大潜力。
该项研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、武汉市科技重大专项、中国博士后科学基金及武汉大学科研公共服务条件平台的支持。
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6.4GHz这个带宽看着就猛。