近日，南方科技大學深港微電子學院于洪宇、王中銳、汪青等研究團隊在LiNbO3壓電聲表面波相移器領域取得新進展，合作在學術期刊International Journal of Extreme Manufacturing上發布研究類論文。

表面聲波（SAW）器件因其在模擬信號處理、量子計算以及傳感應用中的廣泛應用，受到了高度關注。在這些應用中，能夠調節SAW的傳播特性，特別是相速度和衰減系數，不僅為系統性能的提升提供了新的自由度，也使其在多功能系統中具有更大的潛力。為推動可調SAW器件的發展，研究者們已在多個領域做出了大量努力，涉及波長選擇、壓電材料屬性的擾動以及SAW傳播邊界條件的調控等方法。波長選擇通常通過多對叉指電極（IDTs）陣列實現，通過在不同IDTs之間切換來改變頻率。然而，這種方法由于IDTs之間的離散切換，缺乏連續性。另一種方法是通過改變壓電材料的屬性，如剛度系數，通常需要施加高強度的外部電場或磁場才能實現微小的頻率變化。相比之下，基于聲電效應作用的電壓調節方法，通過控制SAW邊界條件的電學特性，所需的偏置電壓較低。特別是，帶有柵極電壓調節機制的SAW相位移器，由于其與CMOS制造技術的兼容性，近年來得到了廣泛關注。薄膜晶體管（TFTs）作為三端半導體器件，能夠調節其通道電導率，變化范圍超過八個數量級，這一特性為精確控制SAW傳播提供了電學操控的潛力。

然而，目前的聲電器件存在調節性有限、異質結構復雜和制造工藝繁瑣等問題，這些都限制了其實際應用。針對這些挑戰，研究團隊提出了一種新型的電壓可調SAW相位移器材料系統，基于ZnO TFTs與LiNbO3結構的結合。ZnO作為一種廣泛應用且具有成本優勢的TFTs制造材料，因其半導體特性，提供了寬廣的電阻調控范圍（10-4 ~ 1010 Ω·cm），適用于SAW調制。除了其半導體特性外，ZnO還具有良好的壓電性能，其K2值較高（1.5% ~ 1.7%），使其在聲學器件（如SAW諧振器和傳感器）中得到了廣泛應用。此外，ZnO能夠通過原子層沉積（ALD）工藝在較低溫度下直接沉積，并保持優良的質量，有效解決了LiNbO3對高溫不耐受的問題。Y切LiNbO3作為具有高K2值的壓電襯底，為器件提供了優異的機電耦合性能。

在此工作中，團隊首先利用有限元仿真的方式研究和優化了不同傳播角度對聲波模態、聲速以及有效機電耦合系數的影響（圖1），而后基于仿真的結果，利用微納制備工藝制備了一組具有不用有效調制長度的聲波相移器器件（圖2）。

圖1. 利用有限元仿真研究聲波模態、聲速與有效機電耦合系數

圖2. 器件制備流程以及器件TEM及光鏡表征

而后，團隊先對ZnO TFTs的性能進行了分析，研究發現退火處理對ALD沉積ZnO薄膜的電導率以及ZnO TFTs的性能都具有很大影響，通過300℃的O2氛圍退火處理后，ZnO薄膜的電導率顯著降低，且表面形貌獲得了改善，其對應TFTs的開關比也獲得了提升，意味著ZnO層的電導率調節范圍也擴大，這有利于對聲波的調制（圖3）。

圖3. ZnO薄膜及TFTs的電學表征，無偏壓下SAW器件頻譜表征

隨后團隊評估了具有不同有效調制長度的器件，并對兩種不同聲波模態的性能進行了比較。結果表明，Rayleigh模式和縱向漏射表面聲波（LLSAW）的最大相位移和衰減均與有效調制長度呈正比關系。此外，具有較大K2值的LLSAW模式表現出更高的相速度偏移和衰減系數，最大相速度調節達到了1.22% （圖4）。這些柵極可控的SAW調制器件在傳感、通信等多個領域具有廣泛的潛在應用。

圖4. 柵極電壓以及有效調制長度對SAW相位移器性能的影響

該成果以 “Electrically Reconfigurable Surface Acoustic Wave Phase Shifters based on ZnO TFTs on LiNbO3 Substrate” 為題發表于《International Journal of Extreme Manufacturing》。香港大學訪問博士生張一為論文第一作者，南方科技大學汪青研究教授、于洪宇教授、王中銳副教授為論文共同通訊作者。研究工作得到國家自然科學基金、廣東省、深圳市、香港基金支持。

來源：南方科技大學深港微電子學院