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）。

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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

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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）。

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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。

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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。

于洪宇教授介紹：

于洪宇教授，深圳職業技術大學集成電路學院籌建負責人，南方科技大學深港微電子學院教授，國家特聘專家，廣東省科技創新領軍人才，享受深圳市政府特殊津貼，英國工程技術學會會士(Fellow of IET) ，入選2023年全球前2%頂尖科學家終身科學影響力排行榜。主要研究集中在集成電路工藝與器件方面，包括CMOS、新型超高密度存儲器、GaN器件與系統集成（GaN HEMT）及電子陶瓷方面，發表學術論文450余篇，總引次數超9500次，H影響因子為52，編輯6本書籍及章節，并發表/被授予近34項美國/歐洲專利以及100項以上國內專利。主持開發了900 V耐壓增強型GaN功率器件等產品，研究成果獲中國發明創業獎創新獎二等獎，已應用于國電電源模塊，GaN智能電表及終端設備已覆蓋全國20多個省（市）、自治區及澳門地區，相關產品累計銷售收入約27.7億元。成功籌建南科大深港微電子學院（被教育部批準為國家示范性微電子學院）、未來通信集成電路教育部工程研究中心、廣東省GaN器件工程技術中心、廣東省三維集成工程研究中心和深圳市第三代半導體重點實驗室。

王中銳副教授介紹：?

王中銳博士，現任南科大深港微電子學院長聘副教授，國家優秀青年基金（港澳）獲得者，Clarivate高被引學者，致力于利用新型憶阻器件和III-V族半導體器件進行具有生物啟發性的存內計算和感知計算。重點研究方向研究主要集中在基于新型存算架構的機器學習和類腦計算。通訊作者和第一作者論文發表在Nature Review Materials、Nature Materials、Nature Electronics（4篇）和Nature Machine Intelligence（2篇）等期刊，以及DAC, ICCAD, ICCV等會議。論文在Google Scholar上獲得了近17,000次引用（h指數為48），并被40多家新聞媒體報道，包括IEEE Spectrum、Scientific American、Science Daily、Phys.org和ACM通訊等。王中銳博士是IEEE電子器件學會納米技術委員會的成員，并擔任InfoMat、Materials Today Electronics、Frontiers in Neuroscience和APL Machine Learning等期刊的編輯委員會成員。

汪青研究教授介紹：

汪青博士，南方科技大學深港微電子學院研究教授、正高級研究員，博士生導師，深圳市高層次人才，IEEE Senior member，深圳第三代半導體器件重點實驗室副主任，長期從事寬禁帶半導體器件和系統研究，主持國自然、廣東省科技計劃和深圳市基礎研究等科研項目10余項，累計發表SCI/EI論文80余篇，近三年以通訊作者在Adv. Sci.、IJEM、IEEE EDL、IEEE ISPSD、Device、APL等行業頂刊頂會共發表27篇論文。作為主要完成人參與多項產學研合作和產業孵化項目，申請國內發明專利50余項和PCT 專利5項，其中7項獲得技術轉化，獲得“中國發明協會發明創業獎創新獎二等獎”，參與制定1項國家標準、1項行業標準和2項團體標準。?

論文信息：

Electrically Reconfigurable Surface Acoustic Wave Phase Shifters Based on ZnO TFTs on LiNbO3?Substrate

Yi Zhang, Zilong Xiong, Lewei He, Yang Jiang, Chenkai Deng, Fangzhou Du, Kangyao Wen, Chuying Tang, Qiaoyu Hu, Mujun Li, Xiaohui Wang,?Wenhui Wang, Han Wang, Qing Wang*, Hongyu Yu*?and Zhongrui Wang*

International Journal of Extreme Manufacturing 2025

DOI：10.1088/2631-7990/ada7a9

論文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2631-7990/ada7a9/pdf

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