近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所（以下简称上海微系统所）俞文杰研究员、母志强研究员团队基于单晶氮化铝（AlN）和掺钪氮化铝（AlScN）压电材料，在面向5G/6G通信的高频器件、可重构射频滤波器及磁声耦合传感等方向取得系列进展，相关研究成果以7篇论文（3篇口头报告和4篇海报）发表于2025年国际超声领域顶级会议IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS)。

C–Ku 波段 AlN/AlScN 高频谐振器技术突破

面向5G及未来6G/卫星通信对高频滤波器的严苛要求，团队持续深耕高频率与大带宽技术。

在2024年，团队提出新型两步法提升 AlScN 压电薄膜的外延质量，研制出谐振频率4.39 GHz、有效机电耦合系数（k_eff²）高达21%的AlScN BAW谐振器，并实现了3dB带宽高达9.0%的射频滤波器（IEEE TED, doi: 10.1109/TED.2024.3443237）。同时，团队攻克周期极化叠层氮化铝的生长难题，成功将单晶氮化铝谐振器的工作频率进一步推高至14 GHz（品质因子Qmax=551），并通过高钪掺杂实现了高达9.7%的k_eff²（2024 IEEE UFFC-JS, doi:10.1109/UFFC-JS60046.2024.10793659; 10.1109/UFFC-JS60046.2024.10793833），如图1所示。

图1：单晶氮化铝压电材料及射频滤波器

在此基础上，团队于今年进一步优化工艺与结构设计，通过构建周期极化AlN/AlN及AlN/AlScN压电叠层结构，实现了14.0-16.8 GHz的超高频射频谐振器（doi:10.1109/IUS62464.2025.11201736），如图2所示。其中，AlN/AlN固态装配型谐振器（SMR-BAW）谐振频率为14.0 GHz，品质因子Q_max达到266，k_eff²为3.87%；AlN/AlScN FBAR谐振器的Q_max达到186，k_eff²为7.27%。相较于传统器件，新型叠层结构在同等频率下允许采用更厚的压电薄膜，大幅提升了器件的功率耐受性；同时，将频率对膜厚变化的敏感度降低了近一半，为高频、大规模、高一致性的制造奠定了关键技术基础。

图2：周期极化SMR-BAW谐振器和FBAR谐振器

面向多频前端的AlScN可重构滤波器技术

随着5G、Wi-Fi 7与卫星通信的加速融合，通信频段日益多样化。团队充分利用AlScN材料独特的铁电极化翻转特性，展示了基于周期极化结构的可重构FBAR滤波器（doi:10.1109/IUS62464.2025.11201658）。通过施加纳秒级电压脉冲原位翻转AlScN薄膜的极化方向，实现器件工作频率在6 GHz（Wi-Fi/5G频段）与14 GHz（卫星通信频段）之间的动态频率重构。此外，团队提出了动态波形调制技术，成功稳定了薄膜的中间极化态，实现了器件从“二元开关”向“多态调控”的跨越（doi:10.1109/IUS62464.2025.11201599）。该技术有望取代由多颗开关与滤波器组成的复杂前端架构，显著降低多频段射频前端模组芯片的体积与成本。

图3：频率可重构铁电AlScN谐振器和滤波器

磁声耦合驱动的高频磁场传感器

针对传统磁场传感器在频率、灵敏度、带宽及集成度方面的限制，团队联合上海科技大学，通过将铁磁性坡莫合金电极集成至单晶氮化铝体声波谐振器中，开发出一种基于磁声耦合机制的新型高频磁场传感器。该器件在6.7 GHz的高工作频率下，于±1.52 kOe磁场范围内实现了 57.61Hz/Oe的磁场灵敏度，兼具高频、微型化和高可靠性等优势。该成果为磁场检测、精密传感及高集成的 MEMS 器件发展提供了新的技术路径。（doi: 10.1109/IUS62464.2025.11201392）。该项成果获得2025 IEEE IUS最佳学生海报奖（Best Student Poster Award）。

图4：射频谐振器在外加磁场下S参数和谐振频率的变化

超薄 AlN 薄膜压电系数的高精度表征

针对超薄氮化铝薄膜在压电系数表征中易出现电场分布不均、测量误差较大等难题，团队提出了结合超薄电极的PFM阶梯电压表征方法，显著提升了超薄薄膜纵向压电系数测量的稳定性与准确性。该方法成功实现了对100nm超薄AlN及周期极化AlN叠层压电系数的精确测量，为高频谐振器中关键压电材料的精确表征提供了重要技术支撑，推动射频滤波器向高频、高性能方向发展（doi:10.1109/IUS62464.2025.11201676）。

图5：超薄氮化铝压电系数表征方法对比

上述工作展示了单晶Al(Sc)N压电薄膜在下一代无线通信与感知系统中的巨大潜力。团队通过打通高质量氮化铝材料生长、器件设计与工艺集成全链条，探索了高频高性能滤波器、可重构射频滤波器及新型微纳传感等系列方向，为5G-A及6G通信中“高频、宽带、小尺寸、可调谐”等核心需求提供了极具竞争力的潜在解决方案。以上主要工作的第一单位为上海微系统所，通信作者为黄宣棋副研究员和母志强研究员。该研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和上海市级专项等支持。