中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
近日，南方科技大學(xué)深港微電子學(xué)院于洪宇、王中銳、汪青等研究團隊在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(lèi)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(guān)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(dòng)可調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(cháng)選擇、壓電材料屬性的擾動(dòng)以及SAW傳播邊界條件的調控等方法。波長(cháng)選擇通常通過(guò)多對叉指電極（IDTs）陣列實(shí)現，通過(guò)在不同IDTs之間切換來(lái)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(guò)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(chǎng)或磁場(chǎng)才能實(shí)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(guò)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，帶有柵極電壓調節機制的SAW相位移器，由于其與CMOS制造技術(shù)的兼容性，近年來(lái)得到了廣泛關(guān)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(guò)八個(gè)數量級，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節性有限、異質(zhì)結構復雜和制造工藝繁瑣等問(wèn)題，這些都限制了其實(shí)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(yōu)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(xué)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(guò)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(wèn)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(yōu)化了不同傳播角度對聲波模態(tài)、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(cháng)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(jìn)行了分析，研究發(fā)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(guò)300℃的O2氛圍退火處理后，ZnO薄膜的電導率顯著(zhù)降低，且表面形貌獲得了改善，其對應TFTs的開(kāi)關(guān)比也獲得了提升，意味著(zhù)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(xué)表征，無(wú)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(cháng)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(cháng)度呈正比關(guān)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(gè)領(lǐng)域具有廣泛的潛在應用。
圖4. 柵極電壓以及有效調制長(cháng)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(fǎng)問(wèn)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)院籌建負責人，南方科技大學(xué)深港微電子學(xué)院教授，國家特聘專(zhuān)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、新型超高密度存儲器、GaN器件與系統集成（GaN HEMT）及電子陶瓷方面，發(fā)表學(xué)術(shù)論文450余篇，總引次數超9500次，H影響因子為52，編輯6本書(shū)籍及章節，并發(fā)表/被授予近34項美國/歐洲專(zhuān)利以及100項以上國內專(zhuān)利。主持開(kāi)發(fā)了900 V耐壓增強型GaN功率器件等產(chǎn)品，研究成果獲中國發(fā)明創(chuàng )業(yè)獎創(chuàng )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(gè)?。ㄊ校?、自治區及澳門(mén)地區，相關(guān)產(chǎn)品累計銷(xiāo)售收入約27.7億元。成功籌建南科大深港微電子學(xué)院（被教育部批準為國家示范性微電子學(xué)院）、未來(lái)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體重點(diǎn)實(shí)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(xué)院長(cháng)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族半導體器件進(jìn)行具有生物啟發(fā)性的存內計算和感知計算。重點(diǎn)研究方向研究主要集中在基于新型存算架構的機器學(xué)習和類(lèi)腦計算。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(xué)會(huì )納米技術(shù)委員會(huì )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(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(diǎn)實(shí)驗室副主任，長(cháng)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(fā)表SCI/EI論文80余篇，近三年以通訊作者在A(yíng)dv. 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產(chǎn)學(xué)研合作和產(chǎn)業(yè)孵化項目，申請國內發(fā)明專(zhuān)利50余項和PCT 專(zhuān)利5項，其中7項獲得技術(shù)轉化，獲得“中國發(fā)明協(xié)會(huì )發(fā)明創(chuàng )業(yè)獎創(chuàng )新獎二等獎”，參與制定1項國家標準、1項行業(yè)標準和2項團體標準。
