美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(xún)報(bào)道，美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Sandia National Laboratories）的科學(xué)家們開(kāi)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(guò)去早期版本的10多倍，為未來(lái)小型化無(wú)線技術(shù)的設(shè)計(jì)和研究方向打開(kāi)了大門(mén)。

現(xiàn)代手機(jī)利用無(wú)線電技術(shù)來(lái)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(wú)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(lái)處理無(wú)線電信號(hào)。

桑迪亞實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家Lisa Hackett說(shuō)：“由于這些頻率下的聲波波長(zhǎng)很小，比人類(lèi)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^(guò)到目前為止，這類(lèi)無(wú)線電組件很多還無(wú)法用聲學(xué)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

桑迪亞實(shí)驗(yàn)室開(kāi)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(wú)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(duì)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(gè)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(chǎng)（Ex），位移場(chǎng)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(wú)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(duì)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(hào)的另一個(gè)重要無(wú)線電組件。桑迪亞實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家Matt Eichenfield表示：“這些微型聲學(xué)器件共同實(shí)現(xiàn)了一個(gè)極具前景的研究方向，可以使所有通過(guò)無(wú)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(shuō)：“我們的研究成果首次證明了用聲學(xué)技術(shù)實(shí)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(shí)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(guò)，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(méi)有現(xiàn)代納米制造技術(shù)，當(dāng)時(shí)開(kāi)發(fā)的器件性能太差而無(wú)法應(yīng)用。利用當(dāng)時(shí)開(kāi)發(fā)的器件將信號(hào)放大100倍需要1厘米的空間和2000 V的電壓。此外，它們還會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，需要超過(guò)500 mW的功率。

而桑迪亞實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的這款聲學(xué)放大器的性能在某些方面超過(guò)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(hào)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(guò)使用半導(dǎo)體材料層來(lái)增強(qiáng)聲學(xué)器件，而這些器件本身無(wú)法放大。為了使他們的概念成功運(yùn)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(shí)的技術(shù)，科學(xué)家們無(wú)法兼顧。

幾十年之后，桑迪亞實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了兩種技術(shù)，通過(guò)添加一系列薄層半導(dǎo)體材料來(lái)改善光伏電池。領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)工作的科學(xué)家碰巧與Eichenfield共用一個(gè)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(shuō)，“后來(lái)我閱讀這些論文是出于對(duì)這種聲電放大器的好奇，了解了他們的研究成果后，我意識(shí)到桑迪亞同事們開(kāi)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(shí)現(xiàn)所有性能需要的技術(shù)?！?br />
桑迪亞實(shí)驗(yàn)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(lèi)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(guò)程，即在其他晶體上生長(zhǎng)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(gè)完美光滑的接觸表面。這樣的納米制造方法被統(tǒng)稱(chēng)為異質(zhì)集成，是桑迪亞實(shí)驗(yàn)室以及整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)越來(lái)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(kāi)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(jiǎn)單，效率也就越高。該團(tuán)隊(duì)的研究表明，剩余的其它無(wú)線電信號(hào)處理組件也可以在已經(jīng)驗(yàn)證的器件上進(jìn)一步擴(kuò)展。

這項(xiàng)研究由桑迪亞實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)的研究發(fā)展計(jì)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Los Alamos national laboratories）聯(lián)合運(yùn)營(yíng)的制造基礎(chǔ)設(shè)施。

那么，這些精巧的無(wú)線電組件何時(shí)可以進(jìn)入我們的智能手機(jī)？Eichenfield表示，“可能還有待時(shí)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(duì)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(duì)于小批量生產(chǎn)的特種設(shè)備，這項(xiàng)技術(shù)有著更直接的前景?！?br />
桑迪亞研究團(tuán)隊(duì)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(hào)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(chēng)為聲子的單個(gè)量子態(tài)，這可能使其可以在某些量子計(jì)算機(jī)中用于控制和測(cè)量。

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