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基于LiNbO3衬底上ZnO薄膜晶体管的电重构声表面波移相器
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摘要:
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1. 文章导读
声表面波（SAW）器件因在模拟信号处理、量子计算和传感等领域的广泛应用而备受关注。调控SAW的传播特性，特别是相速度和衰减系数，有助于提升系统性能并拓展其在多功能集成系统中的应用潜力。基于声电耦合效应的电压调控方式可通过边界电性调节实现低压、高效控制，其中引入栅极电压机制的SAW相位移器因其CMOS兼容性成为研究热点。薄膜晶体管（TFT）凭借其三端结构和宽范围电导调控能力，为实现SAW传播特性的精确调控提供了有效解决方案。然而，现有器件仍存在调控幅度有限、结构复杂和工艺繁琐等挑战，这制约了其应用推广。
为解决上述挑战，本文提出了一种新型材料体系，构建了基于ZnO TFT与LiNbO3衬底的电压可调SAW相位移器。ZnO不仅是一种成熟且具成本效益的TFT材料，具备优异的半导体特性，其电阻率可在10-4至1010 Ω·cm范围内调控，适合用于SAW器件的调制控制。同时，ZnO还拥有良好的压电性能，其机电耦合系数K2高达1.5%~1.7%，被广泛应用于SAW谐振器与传感器等器件中。更为重要的是，ZnO可以通过原子层沉积（ALD）技术在低温下沉积，解决了LiNbO3对高温工艺敏感的问题。另一方面，所采用的Y切LiNbO3本身就是一种具有高K2值的压电衬底，能为器件提供卓越的声电耦合性能。实验表明，纵向泄漏SAW（LLSAW）模式因有效K2值更高，在15V低偏压下达到1.22%的相速度调谐率，相移与衰减性能随有效调制长度线性提升。该器件突破传统声电调制局限，可为5G/6G射频前端、智能传感等提供高精度可调声学元件。
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