综述：压电绝缘体上平台中的界面工程：电子-光子-声子耦合用于多功能集成（Interface Engineering in Piezoelectric-on-Insulator Platforms: Coupling of Electrons, Photons, and Phonons for Multifunctional Integration）

《Electron》：Interface Engineering in Piezoelectric-on-Insulator Platforms: Coupling of Electrons, Photons, and Phonons for Multifunctional Integration

　　

对更高速度、更宽带宽以及更强功率处理能力的需求日益增长，推动了电子、光子和射频系统中单片异质集成的快速发展。压电绝缘体上（POI）架构通过工程化的异质界面将高质量单晶压电薄膜与支撑衬底隔离，从而能够在有源层内同时限制光学模式、声学波和电场。该配置为面向5G/6G通信、高功率电子学和量子光子学的多功能器件提供了一个多功能平台。本综述系统地研究了控制POI异质界面的物理机制，重点关注关键材料体系中的界面工程策略，包括LiNbO₃/Si、LiNbO₃/SiC、LiNbO₃/金刚石和AlN/金刚石异质结构。所讨论的策略涵盖原子级键合优化、界面纳米结构设计以及超薄声子桥中间层的设计。一项新兴的突出能力是通过铁电畴壁工程实现电压可调的热导率。此外，本综述还探讨了当前在可扩展合成、缺陷控制和热机械应力管理方面的挑战，同时概述了未来方向，例如单片多功能系统集成、动态界面调谐和量子光子集成。通过将异质界面重新定位为主动可调的功能元件，本综述为下一代电子-光子集成系统中POI界面的设计提供了一个系统框架。

**1 引言**

传统均质材料平台的性能日益受到下一代电子、光子和射频系统对更高速度、更大带宽和更高功率密度需求的制约。为克服这一瓶颈，异质集成——将功能互补的异质材料进行单片组合——已成为关键策略，推动了5G/6G通信前端、量子信息处理器和高功率电子器件等技术进步。在此背景下，压电单晶薄膜构成异质集成的核心。铌酸锂（LiNbO₃， LN）、钽酸锂（LiTaO₃， LT）和氮化铝（AlN）等材料凭借其强电光效应、高压电系数和大二阶非线性光学极化率（χ⁽²⁾），为有源信号转换、电光调制和非线性频率转换提供了必要的物理基础。

压电绝缘体上（POI）平台将绝缘体上硅（SOI）概念扩展到压电材料，但有一个关键区别：“绝缘体”不仅仅是无源间隔层，而是成分和形貌被主动定制的工程化异质界面。该架构通过一个可能包含介电层（如SiO₂、Si₃N₄）、直接键合的非晶层或新兴体系中的功能梯度中间层的界面区域，将高质量单晶压电薄膜（如LN、LT、AlN）与支撑衬底隔离。这种工程化界面将光学模式和声波限制在有源薄膜内，提供电隔离，并控制用于驱动的电场穿透，同时调节热通量和机械应力。由此，界面成为通过电子-光子-声子耦合协同优化电光、压电、声学和热学性能的核心要素。衬底的选择在很大程度上决定了POI平台的应用方向和性能边界：高阻硅（Si）便于互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容的光子集成；碳化硅（SiC）为高功率声学器件提供宽带隙优势；具有最高热导率（κ）的金刚石是热管理的理想选择；氮化硅（Si₃N₄）则为无源光子电路提供超低损耗平台。近期，α-石英在Si上的直接异质外延集成引入了一类新的POI平台，证明了工程化界面如何实现单一材料无法获得的性能，例如极低的频率温度系数（TCF）。

这些先进衬底的优势最终取决于埋置异质界面的有效工程化。例如，过高的热边界电阻（TBR）——定义为热边界电导（TBC）的倒数，即TBR = 1/TBC——会严重削弱金刚石的高体热导率，形成热传递瓶颈；声阻抗失配会在声表面波（SAW）谐振器中引发寄生能量泄漏和插入损耗；界面电荷俘获和缺陷会降低器件的长期稳定性和工作寿命。因此，界面工程构成POI技术的核心。通过精确控制界面层的键合化学、厚度和形貌，现在可以定制异质界面上的有效热边界电阻、折射率对比度和机电耦合。这种从无源结构支撑到主动工程化功能元件的转变标志着POI结构设计和优化方式的转变。本综述全面考察了主要POI异质结构中的界面工程，包括LN/Si、LN/SiC、LN/金刚石和AlN/金刚石。研究人员分析了界面如何控制TBC、声波传播、光学模式耦合和电荷输运，并始终将这些界面现象与组成压电材料的固有物理性质联系起来。

超越特定材料体系的局限，界面工程需要对控制TBC的普遍声子输运机制有深刻理解。声学失配模型（AMM）和漫散射失配模型（DMM）等经典模型确立了基本原理，但往往无法定量预测真实界面的TBC。为此，出现了一系列主动调制声子输运的先进策略。一种方法涉及使用工程化的超薄中间层作为声子桥。另一种策略采用界面纳米结构（如纳米柱）来增加有效接触面积并改变局域振动态密度，从而增强声子透射。此外，铁电畴壁（DWs）已被证明可作为可重构的声子散射体，为电可调热导率提供了途径。这些策略的有效性已在先进器件中得到验证：基于LN/SiC的纵向漏波SAW谐振器在6 GHz下实现了近乎无杂散响应，机电耦合系数高达22.7%；异质集成的LN-on-Si₃N₄调制器表现出低至约1 dB的插入损耗；通过精确控制超薄非晶中间层，在GaN-on-金刚石界面实现了8.3 m2·K·GW^?1的超低TBR。

尽管取得了显著进展，该领域仍面临主要挑战：高质量单晶薄膜的可扩展生产、低损耗波导的精密蚀刻工艺、键合界面的热机械应力管理，以及涵盖从原子到连续介质尺度的预测性多尺度建模。展望未来，研究方向指向单片多功能片上系统、通过铁电畴控制实现的有源界面调谐，以及POI平台在集成量子光子学中的应用。通过整合多项前沿研究的见解，本综述旨在为下一代POI系统的设计建立一个全面的理论框架，阐明受控界面结构如何优化多物理耦合，并最终为面向先进计算、通信和量子技术的可扩展多功能POI器件提供统一视角。

**2 POI平台的结构特征与界面物理**

POI平台的功能源于压电层的固有特性，并受到与衬底异质界面的强烈调制。因此，清晰理解晶体对称性、平台分类和界面输运现象对于合理的器件设计至关重要。

**2.1 晶体结构与对称性考虑**

LN和LT是POI技术中的主要铁电材料。两者在室温下均采用三角R3c空间群结构，具有非中心对称结构。这种结构不对称性赋予它们强压电性、线性电光效应和二阶非线性光学响应χ⁽²⁾。极性轴（c轴）定义了自发极化方向，这对于确定特定应用的薄膜取向（X切、Y切或Z切）至关重要。例如，选择特定取向以最大化声学器件的压电系数或光学调制器的电光系数。尽管结构相同，LN和LT表现出影响平台选择的不同特性（表1）。LT的双折射（n_e ? n_o ≈ 0.004 @1550 nm）比LN（n_e ? n_o ≈ ?0.07 @1550 nm）低约一个数量级，减轻了光子集成电路（PICs）中的偏振相关损耗。此外，LT具有显著更高的光损伤阈值（在514.5 nm处约为1500 W·cm^?2，而同成分LN约为40 W·cm^?2），可实现更高的功率处理能力。然而，LT的居里温度（约600°C–700°C）低于LN（约1140°C），这影响了其在高温处理和长期运行过程中的热稳定性。

AlN及其掺钪变体（Sc_xAl_1-xN）结晶为纤锌矿结构（空间群P6₃mc），其非中心对称结构产生压电性。掺入Sc（通常在20%–40%浓度）显著软化AlN的弹性常数，导致纵向压电系数（d₃₃）显著增加。例如，Sc_0.43Al_0.57N的d₃₃可高达约27.6 pC/N，约为纯AlN的3.5倍。这种增强归因于伴随Sc掺入的弹性软化和内部参数u的减小。

**2.2 POI架构分类**

POI平台可根据衬底功能进行分组，因为衬底在很大程度上决定了主要约束和目标应用。这些约束可大致分为三个概念上不同的领域。声学域受限平台优先选择高声学速度和低传播损耗的衬底，以最大化射频滤波器和谐振器的工作频率和品质因数（Q）。代表性衬底包括SiC以及用于更高频率的金刚石。热域受限平台侧重于使用具有极高κ的衬底来管理高功率器件中的热通量，例如GaN高电子迁移率晶体管（HEMTs）或高功率光子组件。主要约束是界面处的TBR。金刚石是这一类别的典型衬底，SiC由于其相对较高的κ也发挥着重要作用。光学域受限平台专门设计用于PICs，其中光学模式限制和低传播损耗至关重要。关键约束是界面处的折射率对比度和吸收。这些平台包括标准的LN-on-SiO₂-Si配置、LN-on-Si₃N₄，以及新兴架构如LN-on-SiC和Si-on-LNOI，它们利用SiC的宽带隙和适中折射率实现混合光子-电子功能。这种分类能够更清晰地理解主导物理机制。

**2.3 基本界面现象**

热边界输运受到源于声阻抗失配、振动谱失配和不完美原子键合的声子散射的限制。经典失配模型——AMM和DMM——将界面视为完美的镜面反射体或完全漫散射体，提供了基础框架。然而，它们无法定量预测真实POI界面的TBR，因为其基本假设忽略了在真实界面主导声子输运的原子尺度结构、键合化学和非弹性散射通道。例如，在GaN/金刚石界面，通过精确工程化的约2.5 nm异质非晶中间层实现的创纪录低TBR为8.3 m2·K·GW^?1，比假设完美原子级尖锐界面的DMM预测值（约3 m2·K·GW^?1）高出约2.8倍。同样，在AlN/金刚石界面，第一性原理计算和分子动力学模拟表明，N–C末端键合的TBR比Al–C末端键合低约50%。这种对单原子层键合化学的显著依赖性完全超出了仅考虑体声子态密度的AMM和DMM的范围。这些模型的失败凸显了原子论和界面特定方法的必要性，这些方法可以解释原子尺度无序、局域化学键合和非弹性散射如何控制POI核心材料体系（LN、LT和AlN）异质界面的热输运。

**2.4 硅上外延α-石英：用于压电-半导体集成的晶圆级平台**

压电薄膜在半导体衬底上的直接外延生长为与标准半导体制造的单片集成提供了途径，可能规避与晶圆键合和离子切片相关的复杂性和成本，同时避免键合界面的空隙形成和界面污染等挑战。这一概念的一个开创性演示是在直径达4英寸的Si晶圆上集成外延SiO₂薄膜。该工作报道了一种可扩展的化学沉积方法，相比先前仅限于几厘米的软化学路线外延石英薄膜，这是显著进步。所报道的方法在硅上产生高结晶度的（100）取向α-石英薄膜，形成连贯的压电-半导体异质结构。该架构从根本上体现了POI范式，将声场和电场限制在石英层内，同时利用Si衬底提供机械支撑和潜在的电子功能。从界面工程的角度来看，实现高质量外延生长的关键在于精确控制前驱体溶液组成和沉积条件。使用与标准微电子晶圆尺寸更兼容的旋涂技术，以及精确优化SrCl₂·6H₂O晶化剂摩尔比，对于实现均匀成核和高晶体质量至关重要。例如，优化的2英寸薄膜实现了约1.13°的良好控制的镶嵌度。这种界面控制直接决定了声-机械限制。由此，连贯的低缺陷界面使α-石英/Si结构保留了体石英的极高固有品质因数（Q × f ≈ 10¹³）。所制造的NEMS谐振器在17.8 GHz的超高频率下工作，在300 K空气中实验Q值为280，产生了此类器件创纪录的Q × f = 4.98 × 10¹²。由此产生的器件表现出卓越的性能：用于基孔肯雅病毒检测的生物纳米机电系统（NEMS）传感器在液体中实现了22.4 pg Hz^?1的质量灵敏度，检测限为9 ng mL^?1。这些数据凸显了外延α-石英/Si在高灵敏度传感和毫米波应用中的潜力。

该平台实现的多物理耦合超越了纯声学。α-石英虚拟衬底是研究和工程化界面声子输运的优异模型。关键是，该方法已被证明是单片集成其他功能材料的多功能模板。例如，随后的研究表明，在这种外延α-石英（100）/Si缓冲层上，可以在晶圆尺度、低温（70°C–140°C）水热条件下生长高度（110）织构的ZnO微米线薄膜。所得的ZnO微米线表现出[110]ZnO(110)//[100]α-石英(100)//(100)硅的独特外延关系。这展示了一个清晰的因果链：α-石英/Si异质结构的初始界面质量直接影响上层功能性ZnO层的晶体质量、机电响应和电荷输运性质。

从多域功能比较的角度来看，α-石英/Si平台提供了一个引人注目的案例。尽管其电光系数低于LN，但其超宽光学透明窗口（从紫外到中红外）和低光学损耗对光子应用有利。石英的高纵向声学速度与Si的优异机械性能相结合，为高频声学器件创建了稳健的平台。这与LN/Si形成对比，后者声学速度较低但电光系数较高，说明了平台选择如何决定设计权衡。与其他POI平台一致，关键的工程挑战在于管理界面热和机械应力，并优化跨外延边界的声子输运。这强调了界面工程方法的普遍性：无论是通过直接键合还是外延生长，异质界面都是决定多功能压电平台最终器件性能的决定性元素。表1总结了本综述讨论的压电薄膜和衬底材料的关键材料性能，为理解每种材料体系的固有优势和权衡提供了参考，为后续章节阐述的界面工程策略和器件应用提供了定量基础。

**3 绝缘体上铌酸锂：界面工程与多物理耦合**

LNOI是最成熟和多功能的POI平台，充当许多界面工程概念的试验台。其性能深受衬底选择和异质界面质量的影响。

**3.1 LNOI-SiO₂-Si：硅兼容基础**

将单晶LN薄膜集成到带有埋置SiO₂层的Si晶圆上构成了标准的LNOI平台，并且仍然是广泛使用的硅兼容配置。标准制造工艺涉及体LN晶圆的离子切片（或“Smart-Cut”），随后直接键合到带有热氧化层的Si晶圆上，最后进行减薄和抛光。该工艺产生的LN薄膜厚度通常在几百纳米到几微米之间。LNOI波导中的光学传播损耗源于多种不同来源，必须严格区分由埋置LN/SiO₂异质界面引起的散射损耗和由顶部波导表面（侧壁和顶部脊）引起的散射损耗。埋置界面的损耗源于纳米级空隙、界面粗糙度或非晶键合层的不均匀性，它们散射导波光学模式的倏逝尾。在标准的离子切片LNOI衬底中，只要键合质量得到优化，这些界面限制的损耗可以被抑制到低于侧壁粗糙度引起的损耗。相比之下，顶部波导表面的损耗主要受干法蚀刻导致的侧壁粗糙度和锂再沉积，以及化学机械抛光（CMP）过程残留的表面粗糙度控制。早期的LNOI波导主要受这些顶部表面伪影主导，表现出高传播损耗。后续制造技术的进步，特别是优化的感应耦合等离子体反应离子蚀刻和CMP，直接针对这些顶部表面损耗机制，将与侧壁和表面粗糙度相关的损耗降低到约0.1 dB/cm。Wu等人通过飞秒激光微加工与CMP相结合的混合方法，在多厘米长的LNOI波导中实现了0.027 dB/cm的低总传播损耗和亚纳米表面粗糙度（Rq = 0.452 nm）。这种创纪录的低损耗主要归因于蚀刻波导表面的优异质量。对于模式良好限制在LN层中的典型脊/脊型波导几何结构，埋置界面对传播损耗的贡献是在衬底制造过程中设定的良好控制的下限约束。器件的最终性能现在很大程度上受限于定义波导拓扑的光刻和蚀刻精度。因此，实现与Si光子学等成熟平台相当的可重复性、光刻精度和标准化蚀刻工艺，对于全集成LNOI电光器件的广泛采用仍然至关重要。

需要强调的是，虽然离子切片和键合工艺主导了当前的LNOI格局，但大量研究工作正致力于在Si上直接异质外延生长LN，作为更具可扩展性的替代方案。例如，分子束外延（MBE）技术已被探索用于在Si衬底上共集成LN与其他功能性氧化物。同样，通过脉冲激光沉积（PLD）在GaAs或Si衬底上异质外延生长LN已被证明，尽管实现器件级薄膜质量需要进一步优化生长条件，以管理晶格失配与衬底温度之间的相互作用。这种单片生长方法如果完善，可以规避晶圆键合相关的挑战，如空隙形成和界面污染，从而为晶圆级制造提供更直接的途径。

**3.2 LNOI-SiC：用于光子和声学器件的混合平台**

LN的电光和压电特性与SiC的宽带隙、宽光学透明窗口（从可见光到红外）以及CMOS工艺兼容性的结合，使LNOI-SiC成为多功能集成的有前景的混合平台。LN薄膜与SiC衬底的集成主要由两个主要应用领域驱动：高频声波器件和混合PICs。晶圆键合是主要的制造方法。LN和SiC之间显著的热膨胀系数失配这一主要挑战，通过表面活化键合（SAB）等室温直接键合技术得到缓解。SAB键合的LN/SiC界面的透射电子显微镜分析揭示了原子互扩散区域，包含几纳米厚的非晶层，为后续器件加工提供了足够的键合强度（约11 MPa）。SiC的高声学速度和低固有损耗为薄膜压电层提供了强声学限制，这对于实现高Q和高频SAW谐振器至关重要。在X切LN/SiC双层上，对称兰姆波族在优化的厚度和传播条件下转变为纵向漏波SAW模式，并良好限制在LN层内。系统的有限元模拟和实验验证表明，将LN厚度优化至400 nm并采用X-35°Y传播方向，可在约6 GHz下产生高达22.7%的大机电耦合系数，且频率响应几乎无杂散。对于混合PICs，LNOI-SiC平台实现了一种方案，其中CMOS兼容图案化在SiC层上进行，而键合的LN薄膜提供电光调谐功能。光学模式分布在SiC和LN两层中，利用LN的强电光效应。已展示的器件包括跑道谐振器内的电光移相器，实现了2.18 V·cm的低电压-长度乘积（V_πL）。理论研究还表明，SiC的高折射率可用于折叠混合波导设计，用于二次谐波产生等应用。此外，使用转移到SiC上的薄高质量LN薄膜，已实现超高频率SAW谐振器（例如52 GHz），展示了该平台在毫米波应用中的潜力。

**3.3 LNOI-Si₃N₄：用于低损耗电路的异质光子集成**

Si₃N₄是广泛使用的低损耗光子平台。薄膜LN与Si₃N₄的异质集成结合了Si₃N₄波导的低传播损耗和高功率处理能力与LN的强电光和非线性响应。一个突出的集成策略是将LNOI直接晶圆级键合到预图案化和平坦化的Si₃N₄光子电路上。一个关键的界面工程挑战是实现无源Si₃N₄波导与有源Si₃N₄/LN混合波导之间的低损耗光学模式转换。突变的界面会因模式失配导致显著损耗。在LN层中设计绝热锥形可以将模式转换损耗降低至每界面0.1 dB。在LN薄膜中蚀刻台阶结构可以实现渐进的垂直模式转换，与突变转换相比，耦合效率提高了1.78 dB。优化的倏逝耦合设计已展示仅0.4 dB的模式转换损耗。图1展示了一个代表性的TFLN-on-Si₃N₄调制器晶圆级集成工艺。离子切割键合工艺将400 nm厚的X切TFLN转移到8英寸Si晶圆上的预图案化Si₃N₄波导上，50 nm SiO₂中间层确保键合兼容性。值得注意的是，这种无蚀刻TFLN方法通过避免直接蚀刻LN来保持晶体质量。通过电子束蒸发和剥离制造铝接地-信号-接地电极。该工艺实现了LN供体晶圆的再利用，从而降低了材料成本，并已制造出具有结构完整性的马赫-曾德尔调制器（MZMs）。这种异质架构已实现一系列高性能器件。将半导体光放大器与混合Si₃N₄-LN平台集成，产生了具有窄固有线宽（约3 kHz）和快速电光频率调谐的混合自注入锁定激光器。该平台上的MZMs已展示37 GHz带宽，插入损耗仅为1 dB。集成多个微环谐振器调制器和模式复用器的复杂电路已被报道，实现了70 Gbps的单通道数据速率和280 Gbps的总吞吐量。

**3.4 LNOI-金刚石：高功率热管理**

金刚石以其无与伦比的κ，成为解决高功率光子器件热瓶颈的理想衬底候选材料，同时也为新兴量子技术提供了独特的功能平台。LNOI-金刚石异质集成平台旨在协同结合LN优异的电光和非线性光学特性与金刚石卓越的热扩散能力和自旋光子学潜力。实现该平台面临着巨大的界面工程挑战。LN和金刚石在晶格常数和热膨胀系数上的显著失配引入了显著的界面应力，同时导致高TBR，严重削弱了金刚石高固有κ的优势。因此，实现LNOI-金刚石集成的核心挑战在于超越单纯的材料选择，采用精细的界面工程，旨在构建一个同时具有低热阻和高机械稳定性的埋置异质界面。当前研究主要探索两条主要技术路线：直接键合和微转移印刷（μTP）。通过结合纳米Si中间层的室温SAB，研究人员首次演示了金刚石与单晶LN的直接键合，成功制造了具有高转移产率（> 90%）并保持优异压电性能的LN-on-金刚石（LNOD）结构。与此同时，基于LNOI的声子波导已通过μTP集成到金刚石平台上，在低温（4 K）和高频（约2.8 GHz）下展示了低插入损耗（?5.8 dB）的声子输运，验证了该平台在量子声子信息处理中的潜力。在追求高效热管理的过程中，原子级尖锐且化学稳定的界面比厚且无序的中间层更有可能实现有效的热输运。研究还表明，纳米金刚石在LN上的自组装可以通过表面化学（例如，使用带正电的纳米金刚石胶体）和引入二氧化硅缓冲层来控制，为后续金刚石薄膜沉积提供了基础。此外，直接在LN衬底上沉积类金刚石碳（DLC）薄膜已被证明可以加速SAW传播，进一步丰富了LNOI-金刚石平台的界面工程策略和功能实现路径。因此，LNOI-金刚石集成的实际目标是在高光功率或量子操作条件下最大化热提取效率和自旋-光子界面质量，同时精心保持低光学损耗。

**3.5 新兴和替代集成方案**

除了上述主要平台外，其他几种集成策略也在积极探索中，以应对特定挑战或在LNOI生态系统中引入额外功能。μTP技术涉及器件的初始制造（例如微环谐振器、调制器），然后将其转移到目标光子电路（如SiN或Si）上。这种方法无需直接晶圆键合即可实现异质集成，提供材料灵活性并可能集成预表征的高质量LN器件。报道的例子包括印刷在SiN波导上的紧凑调制器，以及将Si光子器件与LN集成用于微波到光学转换等应用。Si-on-LNOI的倒置结构涉及通过离子切割技术将单晶Si薄膜转移到LNOI衬底上。它为将高密度Si电子或光子器件与LN电光调制器直接集成提供了材料平台，可能通过高效的垂直绝热耦合器实现紧凑的混合系统。为了实现全系统级芯片功能，有源组件的集成至关重要。这包括将III-V族半导体激光二极管或光放大器与LNOI器件异质集成以提供片上光源。具有光学增益的掺杂LN波导的开发也代表了走向全有源LN光子电路的途径。

**4 绝缘体上钽酸锂：具有增强稳定性的新兴平台**

**4.1 晶圆级制造与平台成熟度**

LT与LN结构相同，因其解决LN特定局限性的固有特性并与可扩展制造兼容，已成为POI范式中引人注目的替代方案。其最显著的特征包括显著更高的光损伤阈值（在514.5 nm处约为同成分LN的37.5倍）和低一个数量级的双折射（n_e ? n_o ≈ 0.004 @1550 nm）。这些特性使LT特别适用于高功率集成非线性光子学和偏振不敏感的大规模光子电路。此外，其在商用5G射频SAW滤波器中的成熟应用为其批量生产提供了关键驱动力。将这些材料优势转化为可行平台取决于高质量、大面积单晶薄膜的可用性。LTOI制造借鉴了为LNOI建立的Smart-Cut工艺，并针对LT独特的机械和化学性质优化了工艺参数。图2展示了LTOI PICs的先进制造流程。将氢注入体LT晶圆、直接键合到SiO₂/Si手柄晶圆、层分裂和CMP，得到具有亚纳米表面粗糙度（RMS粗糙度< 0.25 nm）和高厚度均匀性（4英寸晶圆上< ±30 nm）的单晶LT薄膜——这是控制高Q谐振器波导色散的关键参数。至关重要的是，高分辨率显微镜确认了原子级尖锐的LT-SiO₂界面，这是通过有效模式限制实现低光学传播损耗的基础。

**4.2 材料特性和相对于LNOI的优势**

尽管与LN结构相同，LT具有独特的性能值，定义了其独特的应用领域。图3对比了LN与LT波导中方向相关的模式演化。LN表现出TE/TM模式折射率分裂和交叉，作为传播角θ的函数，导致偏振混合。这在弯曲波导中很明显，输入的TE0模式激发了显著的|Ex|场分量。相比之下，LT波导表现出无有效折射率分裂或交叉随传播角变化，偏振态得以保持。这种区别严重影响光纤到芯片耦合：在两层倒锥形中，LN TM0模式沿Z传播但与Y传播不混合，而LT在两种方向上都保持无混合的TM0传输。因此，LT的抑制双折射消除了方向相关的偏振管理需求，简化了大规模PIC设计。在热和相位稳定性方面，同成分LT的居里温度在600°C–700°C范围内，低于LN。然而，伴随着比LN更小的TCF，这是声学器件频率稳定性的关键因素。这一优势已在POI平台上得到实验验证。例如，LTOI微谐振器表现出比LNOI对应物小近五倍的光折变效应诱导的谐振频移。此外，基于LT/石英异质声学层结构的无源温度补偿实现了串联和并联谐振的2 ppm/°C和?10 ppm/°C的超低TCF，为声学谐振器提供了优异的稳定性。

**4.3 声学特性和SAW器件应用**

LT因其高机电耦合系数，特别是42° YX-LT（约5%–6.6%）等切型，在高性能SAW器件中有着悠久的历史。LTOI平台通过启用工程化衬底上的薄单晶LT薄膜扩展了这一能力，这对于开发5G/6G应用的高频、低损耗和温度稳定滤波器至关重要。衬底的选择显著影响声学性能。与LNOI情况类似，高阻SiC由于其高声学速度和优异的κ，是LTOI有吸引力的衬底。对剪切水平（SH）模式SAW谐振器的研究表明，LT-on-SiC结构可以在GHz范围内实现超过2000的Q值，优于LT-on-Si对应物。这种改进主要归因于SiC衬底中寄生传导损耗的降低。此外，LT与高导热衬底（如SiC或金刚石）的集成遵循第3.4节和第5节中讨论的相同界面工程原理，其中最小化TBR对于功率处理能力至关重要。温度稳定性是另一个关键指标。LT的固有TCF优于LN，这一优势可以通过POI架构中的无源补偿方案进一步增强。例如，X切LT/Si异质结构可以通过补偿一阶和二阶TCF，在轮廓模式谐振器中实现最小频率漂移。另外，采用将薄LT板键合到石英衬底上的异质声学层结构，可以利用两种材料相反的TCF符号，实现具有高阻抗比和温度补偿的SAW谐振器。LTOI上的器件级工程有效解决了高频领域的挑战。在传统的42° YX-LT衬底上，由有限元模拟指导的叉指换能器（IDTs）和虚拟结构的设计对于抑制横向声泄漏和杂散模式至关重要，且不使制造工艺复杂化。这种工程化滤波器已在2.3–2.7 GHz范围内展示了卓越性能，杂散响应得到良好抑制。这种组合使LTOI成为未来高功率和高频PIC应用的有力候选者。

**5 氮化铝及相关氮化物体系**

AlN凭借其超宽带隙、高κ和稳健的压电响应，在POI领域中占据独特地位，使其成为电隔离、热耗散和机电转换必须共存的广泛应用中的吸引力选择。

**5.1 基本性质与POI平台优势**

AlN结晶为纤锌矿结构，其非中心对称晶格产生压电性。其固有材料特性包括超宽带隙（约6.2 eV）、高κ和高声学速度。这些特性使基于AlN的POI平台对需要电绝缘和有效热耗散的应用具有吸引力。AlN薄膜可以通过磁控溅射等技术沉积，这与标准Si CMOS处理兼容。其宽带隙还提供了从紫外到中红外波长的光学透明性。对于高频声学器件，AlN的高声学速度有助于在高频下实现体声波（BAW）和兰姆波谐振器。

**5.2 AlN/金刚石异质结构：界面工程模型系统**

金刚石是众所周知的高效散热衬底。然而，AlN/金刚石异质结构中的有效热耗散仍取决于降低界面处的TBR。在这方面，基于机器学习原子间势（如神经进化势（NEP））的分子动力学（MD）模拟已被用于阐明跨AlN/金刚石界面的声子输运。这些模拟揭示了两种主要策略可以显著降低TBR。首先，界面纳米结构化，例如引入AlN纳米柱阵列，已被证明与平面界面相比可将TBR降低多达28%。这种降低源于有效接触面积的有利增加和界面振动态密度的改变，共同增强了声子谱重叠。然而，这被纳米柱边缘额外声子散射中心的引入部分抵消。其次，界面的原子尺度终止起着关键作用。具体而言，具有N–C键合的界面的TBR比具有Al–C键合的界面低约50%。这种优越的热输运归因于氮和碳原子之间改善的振动谱重叠。此外，促进界面处强C–N键形成的退火处理降低了系统的总势能，改善了界面粘附力，也有助于增强热输运。图4定量说明了这些工程策略对机械可靠性的影响。该图展示了在不同优化条件下，具有不同界面形貌的AlN(0001)/金刚石(100)异质结构的