中科院上海微系统所新成果：铌酸锂 / 金刚石高质量异质集成

表面声波（SAW）器件在现代通信系统中扮演关键角色，尤其是面向U6G（6 GHz上频段）和FR3频段的新兴需求，正推动其向更高工作频率、更宽带宽、更优热稳定性以及更强功率处理能力方向发展。器件性能高度依赖衬底平台，因为衬底直接决定了声波相速度与热管理能力。

近年来，基于离子切割技术的压电-绝缘体（POI）衬底成为主流，硅基与碳化硅基POI已实现显著性能提升。然而，金刚石凭借其极高的慢剪切体声波速度、优异的热导率以及高电阻率，被视为更具潜力的下一代支撑衬底。遗憾的是，锂铌酸锂（LiNbO₃）与金刚石之间巨大的热膨胀系数失配，使离子切割在高温退火环节面临破坏性热应力风险，晶圆级集成长期难以实现；异质外延生长则往往牺牲晶体质量与取向灵活性。

近期，中国科学院上海微系统与信息技术研究所欧欣、张师斌研究团队开展工作，成功采用微转印技术实现单晶LiNbO₃薄膜与金刚石衬底的异质集成，并首次在该平台上演示高频剪切水平模式表面声波谐振器，为突破金刚石基压电-绝缘体衬底的制备瓶颈提供了新路径。相关成果以“Integrating single-crystal LiNbO₃ thin film on diamond for high-frequency surface acoustic wave devices”为题，发表于《Applied Physics Letters》。

针对上述瓶颈，研究团队采用微转印（MTP）技术，绕开离子切割固有的热失配问题，同时保留单晶薄膜的高结晶性。整体思路清晰：以离子切割制备的X切LiNbO₃/SiO₂/Si为源片，通过图形化、光刻锚定、缓冲氧化物湿法释放后，利用聚乙烯醇印章将悬浮的单晶LiNbO₃薄膜阵列直接转移至单晶金刚石衬底，再经低温退火强化界面。

随后，在所获LiNbO₃-on-diamond（LNOD）衬底上构建剪切水平模式SAW谐振器，系统验证材料与器件性能。材料表征确认了约3 nm的亲密异质界面、亚纳米级表面粗糙度以及接近源片的优异结晶质量；器件测试则首次给出该平台上的高频响应。

结果表明，MTP制备的LNOD衬底成功兼具高单晶性与强压电性能，所制5 GHz级SH-SAW谐振器展现出显著优于此前金刚石基POI报道的机电耦合系数与综合优值。这一工作为高质量压电薄膜与金刚石的异质集成提供了可行路径，有望满足未来超高频通信对极高声速与热管理能力的严苛需求，奠定下一代射频声学器件的材料基础。