南科大深港微电子学院于洪宇、王中锐、汪青研究团队在LiNbO3压电声表面波相移器领域取得新进展

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南方科技大学深港微电子学院取得压电声表面波相移器研究新突破，相关论文已发表在《International Journal of Extreme Manufacturing》期刊。该研究团队由于洪宇、王中锐和汪青教授领衔。

表面声波（SAW）器件因其在模拟信号处理、量子计算和传感领域的广泛应用而备受关注。调节SAW的传播特性（特别是相速度和衰减系数）对于提升系统性能和扩展其多功能性至关重要。现有研究已探索多种调节方法，包括波长选择、压电材料属性扰动和SAW传播边界条件调控。然而，波长选择方法缺乏连续性；改变压电材料属性的方法则需要高强度的外部电场或磁场。相比之下，基于声电效应的电压调节方法，凭借其低偏置电压优势，尤其是在与CMOS工艺兼容的SAW相移器中，展现出巨大潜力。薄膜晶体管（TFTs）作为三端半导体器件，其通道电导率调节范围极广，为精确控制SAW传播提供了可能性。

然而，现有声电器件存在调节性有限、结构复杂和工艺繁琐等问题。为克服这些挑战，研究团队提出了一种基于ZnO TFTs和LiNbO3结构的新型电压可调SAW相移器材料系统。ZnO作为一种低成本、应用广泛的TFTs材料，具有宽广的电阻调控范围（10⁻⁴ ~ 10¹⁰ Ω·cm），非常适合SAW调制。此外，ZnO还具备良好的压电性能和低温原子层沉积（ALD）工艺兼容性，解决了LiNbO3耐温性差的问题。高K₂值的Y切LiNbO3压电衬底则确保了器件优异的机电耦合性能。

研究团队首先利用有限元仿真优化了不同传播角度对声波模态、声速和有效机电耦合系数的影响（图1）。基于仿真结果，团队制备了一组不同有效调制长度的声波相移器器件（图2）。

图1. 有限元仿真结果：声波模态、声速与有效机电耦合系数的关系

图2. 器件制备流程及TEM、光镜表征结果

研究发现，300℃的O₂氛围退火处理能显著降低ALD沉积ZnO薄膜的电导率，改善表面形貌，并提升ZnO TFTs的开关比，从而扩大ZnO层电导率调节范围，有利于声波调制（图3）。

图3. ZnO薄膜及TFTs的电学表征，以及无偏压下SAW器件频谱表征

对不同有效调制长度器件的评估结果表明，Rayleigh模式和纵向漏射表面声波（LLSAW）的最大相位移和衰减均与有效调制长度成正比。此外，高K₂值的LLSAW模式展现出更高的相速度偏移和衰减系数，最大相速度调节达到1.22%（图4）。这些栅极可控的SAW调制器件在传感和通信等领域具有广阔的应用前景。

图4. 栅极电压和有效调制长度对SAW相位移器性能的影响

该研究成果以“Electrically Reconfigurable Surface Acoustic Wave Phase Shifters Based on ZnO TFTs on LiNbO3 Substrate”为题发表在《International Journal of Extreme Manufacturing》。香港大学访问博士生张一为论文第一作者，南方科技大学汪青教授、于洪宇教授和王中锐副教授为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、广东省、深圳市和香港基金的支持。

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