表面聲波（SAW）器件在現代通信系統中扮演關鍵角色，尤其是面向U6G（6 GHz上頻段）和FR3頻段的新興需求，正推動其向更高工作頻率、更寬帶寬、更優熱穩定性以及更強功率處理能力方向發展。器件性能高度依賴襯底平臺，因為襯底直接決定了聲波相速度與熱管理能力。
近年來，基于離子切割技術的壓電-絕緣體（POI）襯底成為主流，硅基與碳化硅基POI已實現顯著性能提升。然而，金剛石憑借其極高的慢剪切體聲波速度、優異的熱導率以及高電阻率，被視為更具潛力的下一代支撐襯底。遺憾的是，鋰鈮酸鋰（LiNbO?）與金剛石之間巨大的熱膨脹系數失配，使離子切割在高溫退火環節面臨破壞性熱應力風險，晶圓級集成長期難以實現；異質外延生長則往往犧牲晶體質量與取向靈活性。
近期，中國科學院上海微系統與信息技術研究所歐欣、張師斌研究團隊開展工作，成功采用微轉印技術實現單晶LiNbO?薄膜與金剛石襯底的異質集成，并首次在該平臺上演示高頻剪切水平模式表面聲波諧振器，為突破金剛石基壓電-絕緣體襯底的制備瓶頸提供了新路徑。相關成果以“Integrating single-crystal LiNbO? thin film on diamond for high-frequency surface acoustic wave devices”為題，發表于《Applied Physics Letters》。
圖1. 聲表面波器件用POI基板的演變：（a）硅基、（b）碳化硅基以及（c）金剛石基POI基板。
針對上述瓶頸，研究團隊采用微轉印（MTP）技術，繞開離子切割固有的熱失配問題，同時保留單晶薄膜的高結晶性。整體思路清晰：以離子切割制備的X切LiNbO?/SiO?/Si為源片，通過圖形化、光刻錨定、緩沖氧化物濕法釋放后，利用聚乙烯醇印章將懸浮的單晶LiNbO?薄膜陣列直接轉移至單晶金剛石襯底，再經低溫退火強化界面。
隨后，在所獲LiNbO?-on-diamond（LNOD）襯底上構建剪切水平模式SAW諧振器，系統驗證材料與器件性能。材料表征確認了約3 nm的親密異質界面、亞納米級表面粗糙度以及接近源片的優異結晶質量；器件測試則首次給出該平臺上的高頻響應。
結果表明，MTP制備的LNOD襯底成功兼具高單晶性與強壓電性能，所制5 GHz級SH-SAW諧振器展現出顯著優于此前金剛石基POI報道的機電耦合系數與綜合優值。這一工作為高質量壓電薄膜與金剛石的異質集成提供了可行路徑，有望滿足未來超高頻通信對極高聲速與熱管理能力的嚴苛需求，奠定下一代射頻聲學器件的材料基礎。
圖文導讀
圖2. (a) 采用MTP技術將單晶LiNbO3轉移到金剛石襯底上的制備過程。TFLN陣列在(b) BOE剝離和(c) 轉移印刷后的光學顯微鏡圖像。
圖3. (a) 采用MTP工藝制備的LNOD襯底的高分辨率XTEM圖像以及單晶LiNbO3的SAED圖案。(b) 轉移印刷的TFLN的AFM圖像。(c)LNOD基板的高分辨率X射線透射電子顯微鏡（XTEM）圖像及其單晶LiNbO?的SAED圖案。(d) 源基板LNOI和靶基板LNOD中LiNbO? (110)峰的X射線衍射（XRD）搖擺曲線。
圖4. (a) 光學顯微鏡（OM）圖像和 (b) 掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，展示了一款基于MTP?工藝制備的LNOD基板制成的SH-SAW諧振器。
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