这篇文档发表于IEEE Electron Device Letters期刊，2023年2月，第44卷第2期。研究团队主要来自中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室以及中国科学院大学材料科学与光电工程中心。主要作者包括Pengcheng Zheng、Shibin Zhang、Yang Chen、Liping Zhang、Jinbo Wu、Hulin Yao、Xiaoli Fang、Xiaomeng Zhao、Kai Huang以及Xin Ou。其中，Pengcheng Zheng和Shibin Zhang为共同第一作者，Shibin Zhang和Xin Ou为通讯作者。

本研究属于射频（RF）微电子机械系统（MEMS）与声波器件领域，具体聚焦于声学延迟线（Acoustic Delay Lines, ADLs） 的设计、制备与性能优化。声学延迟线是射频信号处理系统中的核心组件，能够将电信号转换为声波信号进行延迟处理，再转换回电信号，具有波长极短、传播损耗低、器件间串扰小等优势，广泛应用于微波滤波器、放大器、耦合器、环形器等。传统ADLs基于体声波或瑞利波模式，在实现千兆赫兹（GHz）频率下的低插入损耗和大带宽方面面临挑战。近年来，基于悬浮薄膜铌酸锂（LiNbO₃）平台的兰姆波和剪切水平波模式ADLs展现出优异性能，但悬浮结构存在制造良率低、机械鲁棒性差以及铌酸锂热导率低导致的功率处理能力受限等问题。因此，研究转向使用固态支撑的薄膜铌酸锂平台来激发非泄漏表面声波，以克服上述缺点。本研究的关键创新在于选择了碳化硅（4H-SiC） 作为支撑衬底。碳化硅具有高声速、高热导率、低介电损耗以及极低的Akhiezer机械阻尼损耗等优异特性，被认为是实现宽带、低损耗、高功率处理能力声波平台的理想衬底。本研究旨在利用薄膜X切铌酸锂-on-碳化硅（LiNbO₃-on-SiC）平台，演示具有创纪录高传播品质因数（propagation-Q）的千兆赫兹宽带声学延迟线。

本研究的工作流程主要包括设计与仿真、器件制备以及性能测量与表征三个主要环节。

在设计与仿真环节，研究人员首先确定了器件的基本架构。ADL由一对面对面放置的单相单向换能器（SPUDTs）构成，中间间隔为延迟长度Ld。每个SPUDT由N个级联的单元构成，每个单元长度为λ，包含一个3λ/8的反射电极和两个λ/8的 transduction电极。器件结构为在470纳米厚的X切LiNbO₃薄膜上制作70纳米厚的铝电极，该薄膜固态键合在4H-SiC衬底上。研究的关键在于利用有限元方法（FEM）仿真分析了剪切水平表面声波（SH-SAW）在LiNbO₃-on-SiC中的传播特性。仿真内容涵盖了：1）色散特性：绘制了SH-SAW的相速度与机电耦合系数k²随单元长度λ变化的关系，揭示了速度与k²之间的权衡关系。2）各向异性分析：仿真了相速度v_p_o（电学开路）、v_p_s（电学短路）以及k²随LiNbO₃薄膜面内方向角θ（相对于晶体轴）的变化。3）功率流角（Power Flow Angle, PFA）分析：这是本研究的核心设计步骤。由于LiNbO₃的晶体各向异性，声波能量传播方向（群速度方向）可能与波前法线方向（相速度方向）不一致，这个夹角即为PFA。非零PFA会导致长延迟线中声波传播路径偏离设计方向，增加损耗。通过公式PFA = arctan((1/v_p) * (dv_p/dθ))计算，并在仿真中寻找dv_p/dθ = 0（即相速度对方向角变化率为零）的点，从而确定零功率流角的方向。仿真结果表明，在X切LiNbO₃-on-SiC中，相对于+y轴方向，存在两个零PFA方向：-3°和85°。结合k²的仿真结果（-3°方向具有较高的k²），研究选择-3° 作为器件的优化取向，以实现声波垂直于电极传输，从而获得最低的传播损耗。4）模式验证：通过3D FEM仿真对比了取向为-10°（非零PFA）和-3°（零PFA）的ADL器件中的声波能量流动。结果显示，-10°取向器件的能量流有明显方向偏差，而-3°取向器件的声波传播方向与电极垂直，验证了PFA分析的正确性。5）模式形状分析：2D仿真显示，由于薄膜厚度与波长比（h/λ）较小，SH-SAW的最大应力分布在SiC衬底的上表面而非LiNbO₃薄膜内。这预示着具有极高f×Q乘积（品质因数与频率的乘积）的SiC衬底将有助于降低声波在LiNbO₃/SiC界面传播的损耗。

在器件制备环节，研究团队采用了离子切片技术制备X切LiNbO₃-on-SiC晶圆，键合工艺通过SUSS MicroTec的XBS-200系统完成。SPUDT电极图案通过电子束光刻定义，并采用电子束蒸发工艺沉积铝电极。文中展示了一个具有N=10个单元、λ=3.6微米的 fabricated ADL的光学显微镜图像。

在性能测量与表征环节，使用Keysight E5071C矢量网络分析仪在50欧姆阻抗下测量ADL的射频性能，随后通过软件进行共轭匹配以消除端口反射引入的额外插入损耗。测量分为几个部分：1）带宽与插入损耗特性：首先测量了具有固定单元数（N=20）、但不同波长（λ从2.4微米到5.6微米）的一系列ADL。结果显示，器件中心频率在1.19 GHz到2.11 GHz之间可调，平均插入损耗低至3.7 dB。受益于SiC衬底的高声速，λ=5.6微米的ADL在1.19 GHz下获得了高达6664 m/s的相速度。接着，测量了固定波长（λ=4.8微米）、不同单元数（N从5到20）的ADL，展示了插入损耗-带宽的权衡关系：5单元ADL具有11.5%的3-dB分数带宽，但插入损耗较高（15.2 dB）；而20单元ADL带宽较窄（2.7%），但插入损耗更低（4.3 dB）。这源于单元数较少时换能器的单向性变差。2）功率流角验证与传播损耗提取：这是验证设计理念的关键实验。研究人员制备并测量了三组不同取向（-10°, -3°, +4°）、固定波长（λ=4.0微米）、但延迟长度Ld从20λ到400λ变化的ADL。通过测量不同Ld下器件的插入损耗最小值，可以线性拟合得到传播损耗（Propagation Loss, PL）。同时，通过测量群延迟随Ld的变化，可以提取群速度（v_g）。实验数据显示，在-10°、-3°和+4°取向上，提取的传播损耗分别为3.04 dB/mm、0.71 dB/mm和2.33 dB/mm；群速度分别为5174.0 m/s、5141.4 m/s和5140.5 m/s。-3°方向获得了最低的传播损耗（0.71 dB/mm），这与仿真相吻合，确凿地证明了零PFA设计对于实现超低损耗长延迟线的至关重要性。文中图3(f)总结了不同取向下的传播损耗，清晰地显示出在-3°方向存在一个损耗最低点。3）传播品质因数（Propagation-Q）提取：沿着已验证的零PFA方向（-3°），研究人员提取了不同波长（对应不同频率）下SH-SAW的群速度和传播Q值。传播Q值由公式Q = (π * f) / (v_g * α)计算，其中f是频率，v_g是群速度，α是传播损耗系数。结果显示，所有器件的传播Q值均不低于5731，证明了该平台的超低损耗特性。随着λ从2.4微米增加到5.6微米，传播Q值呈现先上升后下降的趋势，并在λ=4.0微米（对应频率约1.51 GHz）时达到创纪录的最高值11174。

本研究的主要结论是：成功在X切LiNbO₃-on-SiC平台上演示了宽带、超低损耗的SH-SAW声学延迟线。通过仿真和实验验证，确定了-3°（相对于+y轴）为零功率流角方向，沿此方向设计的ADL能够实现声波能量的准直传播，从而将传播损耗降至最低。制备的ADL中心频率覆盖1.19 GHz至2.11 GHz，3-dB分数带宽范围为2.7%至11.5%。最关键的是，在1.51 GHz频率下，获得了高达11174的传播品质因数，这一数值显著超过了此前报道的基于固态支撑或悬浮LiNbO₃平台的所有GHz频段ADL工作。该研究充分展示了LiNbO₃-on-SiC声学平台在实现高性能射频信号处理器件方面的巨大潜力。

本研究的亮点和价值体现在多个方面：1）创纪录的性能指标：实现了目前已知GHz频段ADL中最高的传播Q值（11174），这是一个里程碑式的成果。2）关键设计创新：系统性地研究并应用了功率流角补偿技术。通过精确的晶体取向设计（-3°），有效克服了LiNbO₃各向异性导致的声波能量偏转问题，这是实现超低损耗长延迟线的关键。3）优异的材料平台选择：创新性地采用LiNbO₃-on-SiC异质集成平台，结合了LiNbO₃的强压电性和SiC的高声速、低机械损耗、高热导率等优点，同时避免了悬浮结构的机械脆弱性和热管理难题。4）全面的验证过程：研究结合了详尽的FEM仿真（包括色散、各向异性、PFA、模式分析）与系统的实验验证（不同取向、不同尺寸器件的对比测量），逻辑严谨，数据支撑有力。5）明确的应用前景：所展示的高Q、可调谐、宽带ADL为下一代高性能射频前端组件，如超窄带滤波器、低损耗延迟线、非互易器件等，提供了坚实的技术基础。文中还将结果与最新文献进行了对比（Table I），凸显了其性能的领先性。

此外，研究还指出了一些有趣的现象和未来方向，例如传播Q值随波长/频率变化呈现非单调趋势（先升后降），其背后机理值得进一步研究。同时，虽然本文聚焦于SH-SAW模式，但该LiNbO₃-on-SiC平台也有潜力支持其他声波模式，用于更广泛的器件应用。这项工作得到了中国国家重点研发计划的支持，并获得了复旦大学相关人员在器件制备方面的协助。