近日，南方科技大學(xué)深港微電子學(xué)院于洪宇、王中銳、汪青等研究團(tuán)隊(duì)在LiNbO3壓電聲表面波相移器領(lǐng)域取得新進(jìn)展，合作在學(xué)術(shù)期刊International Journal of Extreme Manufacturing上發(fā)布研究類論文。

表面聲波（SAW）器件因其在模擬信號(hào)處理、量子計(jì)算以及傳感應(yīng)用中的廣泛應(yīng)用，受到了高度關(guān)注。在這些應(yīng)用中，能夠調(diào)節(jié)SAW的傳播特性，特別是相速度和衰減系數(shù)，不僅為系統(tǒng)性能的提升提供了新的自由度，也使其在多功能系統(tǒng)中具有更大的潛力。為推動(dòng)可調(diào)SAW器件的發(fā)展，研究者們已在多個(gè)領(lǐng)域做出了大量努力，涉及波長選擇、壓電材料屬性的擾動(dòng)以及SAW傳播邊界條件的調(diào)控等方法。波長選擇通常通過多對(duì)叉指電極（IDTs）陣列實(shí)現(xiàn)，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(xù)性。另一種方法是通過改變壓電材料的屬性，如剛度系數(shù)，通常需要施加高強(qiáng)度的外部電場或磁場才能實(shí)現(xiàn)微小的頻率變化。相比之下，基于聲電效應(yīng)作用的電壓調(diào)節(jié)方法，通過控制SAW邊界條件的電學(xué)特性，所需的偏置電壓較低。特別是，帶有柵極電壓調(diào)節(jié)機(jī)制的SAW相位移器，由于其與CMOS制造技術(shù)的兼容性，近年來得到了廣泛關(guān)注。薄膜晶體管（TFTs）作為三端半導(dǎo)體器件，能夠調(diào)節(jié)其通道電導(dǎo)率，變化范圍超過八個(gè)數(shù)量級(jí)，這一特性為精確控制SAW傳播提供了電學(xué)操控的潛力。

然而，目前的聲電器件存在調(diào)節(jié)性有限、異質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜和制造工藝繁瑣等問題，這些都限制了其實(shí)際應(yīng)用。針對(duì)這些挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種新型的電壓可調(diào)SAW相位移器材料系統(tǒng)，基于ZnO TFTs與LiNbO3結(jié)構(gòu)的結(jié)合。ZnO作為一種廣泛應(yīng)用且具有成本優(yōu)勢(shì)的TFTs制造材料，因其半導(dǎo)體特性，提供了寬廣的電阻調(diào)控范圍（10-4 ~ 1010?Ω·cm），適用于SAW調(diào)制。除了其半導(dǎo)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(xué)器件（如SAW諧振器和傳感器）中得到了廣泛應(yīng)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(yōu)良的質(zhì)量，有效解決了LiNbO3對(duì)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(yōu)異的機(jī)電耦合性能。

在此工作中，團(tuán)隊(duì)首先利用有限元仿真的方式研究和優(yōu)化了不同傳播角度對(duì)聲波模態(tài)、聲速以及有效機(jī)電耦合系數(shù)的影響（圖1），而后基于仿真的結(jié)果，利用微納制備工藝制備了一組具有不用有效調(diào)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(tài)、聲速與有效機(jī)電耦合系數(shù)

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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(tuán)隊(duì)先對(duì)ZnO TFTs的性能進(jìn)行了分析，研究發(fā)現(xiàn)退火處理對(duì)ALD沉積ZnO薄膜的電導(dǎo)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(dǎo)率顯著降低，且表面形貌獲得了改善，其對(duì)應(yīng)TFTs的開關(guān)比也獲得了提升，意味著ZnO層的電導(dǎo)率調(diào)節(jié)范圍也擴(kuò)大，這有利于對(duì)聲波的調(diào)制（圖3）。

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圖3. ZnO薄膜及TFTs的電學(xué)表征，無偏壓下SAW器件頻譜表征

隨后團(tuán)隊(duì)評(píng)估了具有不同有效調(diào)制長度的器件，并對(duì)兩種不同聲波模態(tài)的性能進(jìn)行了比較。結(jié)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(diào)制長度呈正比關(guān)系。此外，具有較大K2值的LLSAW模式表現(xiàn)出更高的相速度偏移和衰減系數(shù)，最大相速度調(diào)節(jié)達(dá)到了1.22% （圖4）。這些柵極可控的SAW調(diào)制器件在傳感、通信等多個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的潛在應(yīng)用。

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圖4. 柵極電壓以及有效調(diào)制長度對(duì)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(fā)表于《International Journal of Extreme Manufacturing》。香港大學(xué)訪問博士生張一為論文第一作者，南方科技大學(xué)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(xué)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(yè)技術(shù)大學(xué)集成電路學(xué)院籌建負(fù)責(zé)人，南方科技大學(xué)深港微電子學(xué)院教授，國家特聘專家，廣東省科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才，享受深圳市政府特殊津貼，英國工程技術(shù)學(xué)會(huì)會(huì)士(Fellow of IET) ，入選2023年全球前2%頂尖科學(xué)家終身科學(xué)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(chǔ)器、GaN器件與系統(tǒng)集成（GaN HEMT）及電子陶瓷方面，發(fā)表學(xué)術(shù)論文450余篇，總引次數(shù)超9500次，H影響因子為52，編輯6本書籍及章節(jié)，并發(fā)表/被授予近34項(xiàng)美國/歐洲專利以及100項(xiàng)以上國內(nèi)專利。主持開發(fā)了900 V耐壓增強(qiáng)型GaN功率器件等產(chǎn)品，研究成果獲中國發(fā)明創(chuàng)業(yè)獎(jiǎng)創(chuàng)新獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，已應(yīng)用于國電電源模塊，GaN智能電表及終端設(shè)備已覆蓋全國20多個(gè)省（市）、自治區(qū)及澳門地區(qū)，相關(guān)產(chǎn)品累計(jì)銷售收入約27.7億元。成功籌建南科大深港微電子學(xué)院（被教育部批準(zhǔn)為國家示范性微電子學(xué)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(shù)中心、廣東省三維集成工程研究中心和深圳市第三代半導(dǎo)體重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

王中銳副教授介紹：?

王中銳博士，現(xiàn)任南科大深港微電子學(xué)院長聘副教授，國家優(yōu)秀青年基金（港澳）獲得者，Clarivate高被引學(xué)者，致力于利用新型憶阻器件和III-V族半導(dǎo)體器件進(jìn)行具有生物啟發(fā)性的存內(nèi)計(jì)算和感知計(jì)算。重點(diǎn)研究方向研究主要集中在基于新型存算架構(gòu)的機(jī)器學(xué)習(xí)和類腦計(jì)算。通訊作者和第一作者論文發(fā)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(huì)議。論文在Google Scholar上獲得了近17,000次引用（h指數(shù)為48），并被40多家新聞媒體報(bào)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(xué)會(huì)納米技術(shù)委員會(huì)的成員，并擔(dān)任InfoMat、Materials Today Electronics、Frontiers in Neuroscience和APL Machine Learning等期刊的編輯委員會(huì)成員。

汪青研究教授介紹：

汪青博士，南方科技大學(xué)深港微電子學(xué)院研究教授、正高級(jí)研究員，博士生導(dǎo)師，深圳市高層次人才，IEEE Senior member，深圳第三代半導(dǎo)體器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，長期從事寬禁帶半導(dǎo)體器件和系統(tǒng)研究，主持國自然、廣東省科技計(jì)劃和深圳市基礎(chǔ)研究等科研項(xiàng)目10余項(xiàng)，累計(jì)發(fā)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(yè)頂刊頂會(huì)共發(fā)表27篇論文。作為主要完成人參與多項(xiàng)產(chǎn)學(xué)研合作和產(chǎn)業(yè)孵化項(xiàng)目，申請(qǐng)國內(nèi)發(fā)明專利50余項(xiàng)和PCT 專利5項(xiàng)，其中7項(xiàng)獲得技術(shù)轉(zhuǎn)化，獲得“中國發(fā)明協(xié)會(huì)發(fā)明創(chuàng)業(yè)獎(jiǎng)創(chuàng)新獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)”，參與制定1項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)、1項(xiàng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和2項(xiàng)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)。?

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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