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處理、量子計算以及傳感應(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。為推動可調(diào)SAW器件的發(fā)展，研究者們已在多個領(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，變化范圍超過八個數(shù)量級，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）。

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)

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ZnO TFTs的性能進(jìn)行了分析，研究發(fā)現(xiàn)退火處理對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，這有利于對聲波的調(diào)制（圖3）。

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)評估了具有不同有效調(diào)制長度的器件，并對兩種不同聲波模態(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、通信等多個領(lǐng)域具有廣泛的潛在應(yīng)用。

圖4. 柵極電壓以及有效調(diào)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(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。

來源：南方科技大學(xué)深港微電子學(xué)院