随着5G通信的全面部署和6G技术的逐步推进，全球通信领域正面临着前所未有的技术挑战。高频段、大带宽、低延迟成为新一代通信系统的核心需求，而传统射频滤波器已逐渐难以满足这些严苛要求。
在这一背景下，中国科学院上海微系统与信息技术研究所的科研团队基于单晶氮化铝和掺钪氮化铝压电材料，在面向未来通信的高频器件、可重构滤波器及新型传感技术方面取得突破性进展。
这些研究成果不仅为5G/6G通信提供了关键器件支持，更为我国在新一代通信技术竞争中占据了有利位置。
技术核心突破
研究团队在单晶氮化铝射频滤波器领域的突破体现在多个维度。首先是在高频与大带宽技术上的重要进展，面对5G及未来6G/卫星通信对高频滤波器的严苛要求，团队持续深耕相关技术。
2024年，研究团队提出新型两步法提升掺钪氮化铝压电薄膜的外延质量，成功研制出谐振频率4.39GHz、有效机电耦合系数高达21%的掺钪氮化铝体声波谐振器，并实现了3dB带宽高达9.0%的射频滤波器。
同时，团队攻克了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推高至14GHz，并通过高钪掺杂实现了高达9.7%的有效机电耦合系数。
今年，团队进一步优化工艺与结构设计，通过构建周期极化氮化铝/氮化铝及氮化铝/掺钪氮化铝压电叠层结构，实现了14.0-16.8GHz的超高频射频谐振器。
其中，氮化铝/氮化铝固态装配型谐振器谐振频率为14.0GHz，品质因子达到266；氮化铝/掺钪氮化铝薄膜体声波谐振器的品质因子达到186，有效机电耦合系数为7.27%。
创新应用方向
在技术突破的基础上，研究团队还开拓了多个创新应用方向。随着5G、Wi-Fi7与卫星通信的加速融合，通信频段日益多样化，团队充分利用掺钪氮化铝材料独特的铁电极化翻转特性。
研究团队展示了基于周期极化结构的可重构薄膜体声波谐振器滤波器，通过施加纳秒级电压脉冲原位翻转掺钪氮化铝薄膜的极化方向，实现了器件工作频率在6GHz与14GHz之间的动态频率重构。
更值得关注的是，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。这项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。
这一突破意味着未来的通信设备可能不再需要为每个频段配备独立的滤波器，而是通过一个可重构滤波器实现多频段覆盖，大大简化了射频前端设计。
跨界技术融合
研究团队的创新不仅限于通信领域，还通过跨界技术融合拓展了单晶氮化铝的应用边界。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6.7GHz的高工作频率下，于±1.52kOe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。
这一成果为磁场检测、精密传感及高集成的MEMS器件发展提供了新的技术路径，并获得了2025年IEEE国际超声研讨会最佳学生海报奖。
此外，团队还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，提出了结合超薄电极的压电力显微镜阶梯电压表征方法。
这一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，成功实现了对100nm超薄氮化铝及周期极化氮化铝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。
未来前景
这项系列研究的背后，是中国科学院上海微系统与信息技术研究所俞文杰研究员、母志强研究员团队的长期坚守。他们打通了高质量氮化铝材料生长、器件设计与工艺集成全链条。
通过探索高频高性能滤波器、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。
随着这些技术逐步从实验室走向产业化，我们可能会在不久的将来看到更轻薄、性能更强大的智能手机，以及能够无缝切换地面和卫星通信的物联网设备。
这项技术的突破不仅推动了通信行业的发展，也为精密传感、医疗设备等多个领域带来了新的可能性，展现了单晶氮化铝压电薄膜在下一代无线通信与感知系统中的巨大潜力。
