最小的声学放大器从50 年前的假设中诞生

桑迪亚国家实验室的声电器件揭示了无线技术微型化的新途径

美国桑迪亚国家实验室的科学家们建造了他们认为是世界上最小和最好的声学放大器。他们使用了一个几乎被废弃了近 50 年的概念来做到这一点。

正如5月13日发表在《自然通讯》（Nature Communications）上的一篇文章所详述的那样，这种器件的效率是早期版本的10倍以上。设计和未来的研究方向为小型无线技术带来了希望。

“声波器件本来就很紧凑，因为这些频率的声音波长非常小——比人类头发的直径还小，”桑迪亚科学家Lisa Hackett说。但是直到现在，对于许多这些组件来说，使用声波是不可能的。

桑迪亚的 276 兆赫声学放大器尺寸为 0.5 平方毫米，展示了通过声学使收音机变小的巨大潜力。为了放大承载大部分现代手机流量的 2 GHz 频率，该器件将更小，只有 0.02 平方毫米，其占地面积可以舒适地放入一粒食盐中，比目前最先进的技术小10倍以上。

他们的异质集成声电材料平台由与 41° YX 铌酸锂压电基板直接接触的 50 nm InGaAs 外延半导体薄膜组成。使用这种方法，他们演示了全声射频信号处理器的三个主要组件：无源延迟线滤波器、放大器和循环器。

据该团队称，异构集成允许同时、独立地优化压电声学和电子特性，从而在单位长度增益和直流功耗方面开发出迄今为止性能最高的声表面波放大器，以及第一个- 曾经展示过具有 46 dB 隔离度和脉冲直流偏置的声电环行器。

桑迪亚科学家 Matt Eichenfield 说：“我们是第一个证明在声学领域实现通常在电子领域完成的功能是可行的。”

重振几十年前的设计

几十年前，科学家们曾尝试制造声学射频放大器，但这些研究的最后一篇主要学术论文发表于20世纪70年代。

如果没有现代纳米制造技术，他们的器件性能太差，无法发挥作用。使用旧器件将信号放大100 倍需要 1 厘米的空间和 2,000 V的电压。它们还会产生大量热量，需要超过 500 毫瓦的功率。

新的和改进的放大器是 70 年代制造的版本的 10 倍效率以上。它可以在 0.2 毫米中将信号强度提高 100 倍，只需 36 伏的电压和 20 毫瓦的功率。

以前的研究人员试图通过使用多层半导体材料来增强声学器件，而这些器件本身不具备放大或循环的能力，这就遇到了死胡同。为了让他们的概念很好的发挥作用，添加的材料必须非常薄而且质量非常高，但科学家们只有制造其中一种或另一种的技术。

几十年后，桑迪亚开发了这两种技术，通过添加一系列半导体材料薄层来改进光伏电池。领导这项工作的桑迪亚科学家碰巧与 Eichenfield 共用一间办公室。

“我有一些非常严重的外围暴露。我在办公室里经常听到这个消息，”Eichenfield 说。 “大概三年后，我出于对这种声电放大器工作的好奇心阅读了这些论文，并阅读了他们试图做的事情，我意识到桑迪亚所做的这项工作是为了开发这些技术，基本上是为了非常非常薄的半导体并将它们转移到其他材料上，正是我们让这些器件成为现实。”

将超薄 InGaAs 层融合到不同的声学器件上需要一个复杂的过程，即在其他晶体上生长晶体，将它们与其他晶体结合，然后用化学方法去除 99.99% 的材料，以产生一个完美光滑的接触面。像这样的纳米制造方法是桑迪亚微系统工程、科学和应用综合体越来越感兴趣的研究领域。

这项工作是由桑迪亚的实验室指导的研究和发展计划和综合纳米技术中心资助的，该中心是桑迪亚和洛斯阿拉莫斯国家实验室联合运营的用户设施。

据 Eichenfield 称，将手机等大规模生产的商业产品转变为全声电技术，需要对制造基础设施进行大规模检修。 但是对于专用器件的小批量生产，该技术具有更直接的前景。

桑迪亚团队目前正在探索是否能将他们的技术应用于改善全光信号处理。 他们还想知道该技术是否可以帮助隔离和操纵称为声子的单个声音量子，这可能使其在某些量子计算机中用于控制和进行测量。

参考文献

'Towards single-chip radiofrequency signal processing via acoustoelectric electron-phonon interactions' by Lisa Hackett et al; Nature Communications volume 12, (2021)