美國桑迪亞國家實驗室研發(fā)的新型聲電芯片，包含射頻放大器、環(huán)行器和濾波器

據(jù)麥姆斯咨詢報道，美國桑迪亞國家實驗室（Sandia National Laboratories）的科學(xué)家們開發(fā)了一款全球最小、性能最好的聲學(xué)射頻放大器，并且，這款器件利用了被遺忘近50年的老概念。

該研究成果已發(fā)表于Nature Communications，新款器件的效率達(dá)到了過去早期版本的10多倍，為未來小型化無線技術(shù)的設(shè)計和研究方向打開了大門。

現(xiàn)代手機(jī)利用無線電技術(shù)來接打電話、收發(fā)訊息和高速傳輸數(shù)據(jù)。這些智能設(shè)備覆蓋的頻率越多，它們能做的事情就越多。放大器等大多數(shù)無線電組件都是電子元器件，它們還可以被制成更小、更好的聲學(xué)器件。這意味著它們將利用聲波而不是電子來處理無線電信號。

桑迪亞實驗室的科學(xué)家Lisa Hackett說：“由于這些頻率下的聲波波長很小，比人類頭發(fā)的直徑還小得多，因而這種聲學(xué)器件的尺寸可以非常緊湊?！辈贿^到目前為止，這類無線電組件很多還無法用聲學(xué)技術(shù)來實現(xiàn)。

桑迪亞實驗室開發(fā)的這款276 MHz聲學(xué)射頻放大器尺寸僅為0.5平方毫米，展示了無線電組件利用聲學(xué)技術(shù)縮小尺寸的巨大潛力。為了應(yīng)對承載大部分現(xiàn)代手機(jī)流量的2 GHz頻率，這種聲學(xué)器件的尺寸可以變得更加小巧，僅約為0.02平方毫米，這個尺寸甚至能很容易植入一粒食鹽，比目前最先進(jìn)技術(shù)制作的器件還要小10多倍。

（a）有限元模型中的縱向電場（Ex），位移場用黑色箭頭表示；（b）在LiNbO3襯底上構(gòu)建In0.53Ga0.47As薄膜聲電效應(yīng)的示意圖；（c）異質(zhì)結(jié)構(gòu)晶圓加工后的圖像；（d）無源和有源聲學(xué)器件的偽色SEM圖像，包括（e）延遲線、（f）放大器、（g）環(huán)行器。

該團(tuán)隊還構(gòu)建了第一款聲學(xué)環(huán)行器，這是用于分離發(fā)射和接收信號的另一個重要無線電組件。桑迪亞實驗室的科學(xué)家Matt Eichenfield表示：“這些微型聲學(xué)器件共同實現(xiàn)了一個極具前景的研究方向，可以使所有通過無線電波發(fā)送和接收信息的通訊產(chǎn)品變得更小、更復(fù)雜。

Eichenfield補(bǔ)充說：“我們的研究成果首次證明了用聲學(xué)技術(shù)實現(xiàn)通常需要電子學(xué)技術(shù)完成的功能是可行的?！?br />
事實上，早在數(shù)十年前，科學(xué)家們就曾嘗試制造聲學(xué)射頻放大器，不過，關(guān)于這些研究的最近的重要文獻(xiàn)還要追溯到20世紀(jì)70年代。

沒有現(xiàn)代納米制造技術(shù)，當(dāng)時開發(fā)的器件性能太差而無法應(yīng)用。利用當(dāng)時開發(fā)的器件將信號放大100倍需要1厘米的空間和2000 V的電壓。此外，它們還會產(chǎn)生大量的熱量，需要超過500 mW的功率。

而桑迪亞實驗室開發(fā)的這款聲學(xué)放大器的性能在某些方面超過70年代版本的10倍以上。并且可以在0.2毫米的空間內(nèi)將信號強(qiáng)度提高100倍，且僅需36 V的電壓和20 mW的功率。

以前的研究人員試圖通過使用半導(dǎo)體材料層來增強(qiáng)聲學(xué)器件，而這些器件本身無法放大。為了使他們的概念成功運行，添加的材料必須非常薄并且質(zhì)量非常高，但是，憑借當(dāng)時的技術(shù)，科學(xué)家們無法兼顧。

幾十年之后，桑迪亞實驗室開發(fā)了兩種技術(shù)，通過添加一系列薄層半導(dǎo)體材料來改善光伏電池。領(lǐng)導(dǎo)這項工作的科學(xué)家碰巧與Eichenfield共用一個辦公室。

“上述技術(shù)進(jìn)展，我在辦公室里一直有耳聞?！盓ichenfield說，“后來我閱讀這些論文是出于對這種聲電放大器的好奇，了解了他們的研究成果后，我意識到桑迪亞同事們開發(fā)的這種將非常薄的半導(dǎo)體轉(zhuǎn)移到其他材料上的技術(shù)，正是我們要使這些聲電器件實現(xiàn)所有性能需要的技術(shù)?！?br />
桑迪亞實驗室用83層原子厚的半導(dǎo)體材料制造了這款放大器，這比人類的的頭發(fā)絲還要薄1000倍。

將超薄半導(dǎo)體層融合到不同的聲學(xué)器件上需要非常復(fù)雜的過程，即在其他晶體上生長晶體，并將它們與其他晶體鍵合，然后用化學(xué)方法去除99.99%的材料，以獲得一個完美光滑的接觸表面。這樣的納米制造方法被統(tǒng)稱為異質(zhì)集成，是桑迪亞實驗室以及整個半導(dǎo)體行業(yè)越來越感興趣的研究領(lǐng)域。

放大器、環(huán)行器和濾波器是不同的技術(shù)，通常是分開制造的，但是，桑迪亞的研究人員在同一顆聲電芯片上制造了它們?？捎糜谠谕恍酒现圃斓募夹g(shù)越多，制造就越簡單，效率也就越高。該團(tuán)隊的研究表明，剩余的其它無線電信號處理組件也可以在已經(jīng)驗證的器件上進(jìn)一步擴(kuò)展。

這項研究由桑迪亞實驗室指導(dǎo)的研究發(fā)展計劃和綜合納米技術(shù)中心資助，該中心是桑迪亞和洛斯阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos national laboratories）聯(lián)合運營的制造基礎(chǔ)設(shè)施。

那么，這些精巧的無線電組件何時可以進(jìn)入我們的智能手機(jī)？Eichenfield表示，“可能還有待時日。像智能手機(jī)這種大批量的商業(yè)產(chǎn)品全部轉(zhuǎn)用全聲電技術(shù)，需要對制造業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行大規(guī)模整改，這不是一朝一夕的事情。但對于小批量生產(chǎn)的特種設(shè)備，這項技術(shù)有著更直接的前景?！?br />
桑迪亞研究團(tuán)隊目前正在探索是否可以改進(jìn)它們的技術(shù)以用于全光信號處理。他們還在研究這種技術(shù)是否能幫助分離和操縱被稱為聲子的單個量子態(tài)，這可能使其可以在某些量子計算機(jī)中用于控制和測量。

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