【儀表網 研發快訊】隨著5G通信的全面部署和6G技術的逐步推進，全球通信領域正面臨著前所未有的技術挑戰。高頻段、大帶寬、低延遲成為新一代通信系統的核心需求，而傳統射頻濾波器已逐漸難以滿足這些嚴苛要求。
在這一背景下，中國科學院上海微系統與信息技術研究所的科研團隊基于單晶氮化鋁和摻鈧氮化鋁壓電材料，在面向未來通信的高頻器件、可重構濾波器及新型傳感技術方面取得突破性進展。
這些研究成果不僅為5G/6G通信提供了關鍵器件支持，更為我國在新一代通信技術競爭中占據了有利位置。
技術核心突破
研究團隊在單晶氮化鋁射頻濾波器領域的突破體現在多個維度。首先是在高頻與大帶寬技術上的重要進展，面對5G及未來6G/衛星通信對高頻濾波器的嚴苛要求，團隊持續深耕相關技術。
2024年，研究團隊提出新型兩步法提升摻鈧氮化鋁壓電薄膜的外延質量，成功研制出諧振頻率4.39GHz、有效機電耦合系數高達21%的摻鈧氮化鋁體聲波諧振器，并實現了3dB帶寬高達9.0%的射頻濾波器。
同時，團隊攻克了周期極化疊層氮化鋁的生長難題，成功將單晶氮化鋁諧振器的工作頻率推高至14GHz，并通過高鈧摻雜實現了高達9.7%的有效機電耦合系數。
今年，團隊進一步優化工藝與結構設計，通過構建周期極化氮化鋁/氮化鋁及氮化鋁/摻鈧氮化鋁壓電疊層結構，實現了14.0-16.8GHz的超高頻射頻諧振器。
其中，氮化鋁/氮化鋁固態裝配型諧振器諧振頻率為14.0GHz，品質因子達到266；氮化鋁/摻鈧氮化鋁薄膜體聲波諧振器的品質因子達到186，有效機電耦合系數為7.27%。
創新應用方向
在技術突破的基礎上，研究團隊還開拓了多個創新應用方向。隨著5G、Wi-Fi7與衛星通信的加速融合，通信頻段日益多樣化，團隊充分利用摻鈧氮化鋁材料獨特的鐵電極化翻轉特性。
研究團隊展示了基于周期極化結構的可重構薄膜體聲波諧振器濾波器，通過施加納秒級電壓脈沖原位翻轉摻鈧氮化鋁薄膜的極化方向，實現了器件工作頻率在6GHz與14GHz之間的動態頻率重構。
更值得關注的是，團隊提出了動態波形調制技術，成功穩定了薄膜的中間極化態，實現了器件從“二元開關”向“多態調控”的跨越。這項技術有望取代由多顆開關與濾波器組成的復雜前端架構，顯著降低多頻段射頻前端模組芯片的體積與成本。
這一突破意味著未來的通信設備可能不再需要為每個頻段配備獨立的濾波器，而是通過一個可重構濾波器實現多頻段覆蓋，大大簡化了射頻前端設計。
跨界技術融合
研究團隊的創新不僅限于通信領域，還通過跨界技術融合拓展了單晶氮化鋁的應用邊界。針對傳統磁場傳感器在頻率、靈敏度、帶寬及集成度方面的限制，團隊聯合上海科技大學，通過將鐵磁性坡莫合金電極集成至單晶氮化鋁體聲波諧振器中。
開發出一種基于磁聲耦合機制的新型高頻磁場傳感器，該器件在6.7GHz的高工作頻率下，于±1.52kOe磁場范圍內實現了57.61Hz/Oe的磁場靈敏度，兼具高頻、微型化和高可靠性等優勢。
這一成果為磁場檢測、精密傳感及高集成的MEMS器件發展提供了新的技術路徑，并獲得了2025年IEEE國際超聲研討會最佳學生海報獎。
此外，團隊還針對超薄氮化鋁薄膜在壓電系數表征中易出現電場分布不均、測量誤差較大等難題，提出了結合超薄電極的壓電力顯微鏡階梯電壓表征方法。
這一方法顯著提升了超薄薄膜縱向壓電系數測量的穩定性與準確性，成功實現了對100nm超薄氮化鋁及周期極化氮化鋁疊層壓電系數的精確測量，為高頻諧振器中關鍵壓電材料的精確表征提供了重要技術支撐。
未來前景
這項系列研究的背后，是中國科學院上海微系統與信息技術研究所俞文杰研究員、母志強研究員團隊的長期堅守。他們打通了高質量氮化鋁材料生長、器件設計與工藝集成全鏈條。
通過探索高頻高性能濾波器、可重構射頻濾波器及新型微納傳感等系列方向，為5G-A及6G通信中“高頻、寬帶、小尺寸、可調諧”等核心需求提供了極具競爭力的潛在解決方案。
隨著這些技術逐步從實驗室走向產業化，我們可能會在不久的將來看到更輕薄、性能更強大的智能手機，以及能夠無縫切換地面和衛星通信的物聯網設備。
這項技術的突破不僅推動了通信行業的發展，也為精密傳感、醫療設備等多個領域帶來了新的可能性，展現了單晶氮化鋁壓電薄膜在下一代無線通信與感知系統中的巨大潛力。
所有評論僅代表網友意見，與本站立場無關。