齊夢珂，李孟輝，程一民，潘虹芝，曹 亮，牟笑靜

(1.重慶大學 新型微納器件與系統(tǒng)技術國防重點學科實驗室，重慶 400060；2.中國電子科技集團公司第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

隨著通信產業(yè)的發(fā)展，5G時代的到來使基于聲表面波(SAW)濾波器的元器件市場得到空前發(fā)展，經歷了從普通SAW到TC-SAW、POI-SAW的發(fā)展過程。因POI-SAW結構的出現，使得聲表面波諧振器在性能上能與體波諧振器相當[1](工作頻段～3.5 GHz)?；贚N壓電薄膜的器件受限于LN材料本身的固有特性，其溫度穩(wěn)定性不理想，而AlN薄膜性能較好且制備工藝成熟，因此，基于AlN薄膜技術的壓電諧振器近年來受到廣泛研究。由于該材料具有高居里溫度及良好的穩(wěn)定性，其在極端環(huán)境的傳感器應用方面也得到了廣泛研究，同時Sc摻雜提高AlN薄膜材料機電耦合系數(K2)的方法也成為研究熱點。2009年，Akiyama等發(fā)現當鈧摻雜原子數分數為43%時，Sc0.43Al0.57N薄膜的壓電系數d33是AlN壓電薄膜的5倍[2]。2013年，橋本等報道了一種基于ScAlN分層結構的1～3 GHz頻段的高性能Sezawa模式諧振器，且在3.5 GHz以上的K2為4.5%[3]。此外，由于壓電薄膜材料(厚度一般小于5 μm)一般需要沉積在襯底基片上，基于該材料的多層異質結構在聲波的激勵響應會與壓電塊材產生明顯差異，同時Sc摻雜改性研究多集中于對所激發(fā)的聲波模式的機電耦合系數的影響，對其溫度特性的影響鮮有報道。當Sc摻雜AlN疊層異質諧振器作為傳感器和濾波器應用時，環(huán)境溫度的變化會對傳感精度產生重大影響，對濾波器的帶寬、插損等特性的影響也無法忽視，因此，研究異質壓電薄膜改性結構多聲波模式的激勵及溫度特性十分必要。

本文分別通過有限元分析設計了兩種基于AlN和Sc0.1Al0.9N壓電薄膜的單端口諧振器，并研究了各疊層歸一化膜厚對相速度、機電耦合系數和溫度特性的影響，同時討論了Sc摻雜對氮化鋁薄膜改性的影響，并最終實現了諧振器性能的改進。

1 器件設計與理論

典型的聲表面波諧振器器件的特性受多種結構參數的影響，其中各堆疊層的厚度對機電耦合系數和溫度穩(wěn)定性有不可忽略的影響。

圖1 波長8 μm的基于AlN和ScAlN壓電薄膜諧振器的二維結構模型、波形位移及導納響應

為了完成所提出的高性能諧振器結構的優(yōu)化設計，對無限長堆疊薄膜諧振器進行COMSOL Multiphysics有限元仿真分析。模型同時考慮了所激勵表面波與體波的區(qū)別，并提升了計算速度，掃頻范圍僅設計為100 MHz～1.2 GHz。諧振器的導納響應和激發(fā)聲波模式的模擬結果如圖1所示，圖中，叉指換能器(IDT)指寬a=1 μm，硅襯底厚度為30 μm，壓電薄膜厚度為0.2λ～0.6λ(其中λ為波長)，電極厚度為0.02λ～0.06λ，二氧化硅層厚度為0～0.5 μm。由圖可見，10%Sc摻雜對結構參數相同的基于AlN壓電材料的諧振器所激勵的聲波模式類型無影響，均產生兩種較明顯的諧振聲波模式(模式1和模式2)：模式1的位移主要集中在結構表面(表面波模式)，模式2的傳播深度存在于整個器件結構(體波模式)；但對于所激發(fā)聲波的插入損耗、機電耦合系數等參數，以及對稱和反對稱諧振頻率均會造成明顯差異。此外，隨著壓電薄膜厚度的增加(歸一化厚度h/λ>0.625)，兩種主要考慮聲波模態(tài)的激勵響應將不再明顯[4]。

一般情況下所生成聲波模式的對稱頻率fs、反對稱頻率fas和相速度vm的關系[5]定義為

(1)

正反諧振頻率的變化受到溫度的強烈影響，原因在于材料的楊氏模量受溫度影響較大，頻率溫度系數(TCF)決定了諧振器的溫度依賴性，表示為

(2)

式中fas,RT和fas,T分別為起始溫度下(一般為室溫)和環(huán)境溫度下的反對稱諧振頻率。

機電耦合系數定義為

(3)

圖2 基于AlN和ScAlN諧振器的K2和vm與壓電材料厚度和鋁電極厚度的相關性

圖2為異質結構的壓電層和上電極層層厚變化與諧振器特性的相關性。由圖2(a)、(b)可見，基于AlN和基于ScAlN的器件所激勵的兩種模式受到壓電薄膜厚度調制作用的變化趨勢相似，但是體波模式和表面波模式的相速度和機電耦合系數的變化趨勢相反。由圖2(c)、(d)可見，鋁厚度的變化對兩種模式的相速和機電耦合系數影響的趨勢不同，說明兩種模式對IDT質量加載效應[6-7]的敏感性不同，即聲表面波模式對結構表面特性的變化更敏感，而體波傳播深度大于聲表面波模式，故其受結構表面的影響較小。

通過有限元仿真分析對所激勵的不同聲波模式的TCF進行了討論，結果如圖3所示。由圖可見，隨著SiO2層厚度的增加，兩種聲波模式對應的TCF均減小，但減小幅度不同。同時在相同諧振頻率下，ScAlN諧振腔的TCF小于AlN諧振腔的TCF，這說明鈧摻雜會降低AlN壓電薄膜諧振腔的溫度敏感性。

圖3 多層異質結構二維有限元模型所激勵聲波TCF隨SiO2層厚度變化的相關性

此外，在二維有限元仿真模型中對比發(fā)現，SiO2層厚的變化對所激勵聲波的正反諧振點的TCF影響較小，且所激勵聲波的正反諧振點的TCF不同，表現為反諧振的TCF略小于諧振點TCF，如圖4所示。

圖4 多層異質結構二維有限元模型所激勵聲波正反諧振點TCF與SiO2層厚變化相關性

2 實驗結論

單端口諧振器的波長設計為8 μm，雙指指寬為1 μm。其中IDT電極和反射電極的數量分別為50對和200對。制造工藝從兩個4英寸(1英寸=2.54 cm)的硅襯底晶片開始，在沉積前先對基片進行清潔，然后熱氧化硅襯底，控制氧化深度為0.4 μm。在通過物理氣相沉積(PVD)法制造120 nm Pt層之前，引入厚度為40 nm的Ti膜以提高粘附力。在沉積Pt底部電極層后，通過直流射頻磁控濺射(FHR-MS100X6-L)沉積1 μm壓電層(AlN或ScAlN)。最后通過剝離工藝制備Al頂電極。通過掃描電子顯微鏡(SEM)檢測諧振器的橫截面結構和頂部電極構型，如圖5所示。圖5(a)為頂部諧振腔結構，包括IDT和反射柵，金屬化率為0.5。圖5(b)、(c)顯示了經掃描電子顯微鏡觀察到的基于兩種壓電薄膜堆疊結構的橫截面，由圖可以清楚地看到垂直于基板的柱狀結構，說明所制備的AlN和ScAlN壓電薄膜的生長質量較好。諧振器的結構參數如表1所示。

圖5 掃描電子顯微鏡(SEM)檢測圖

表1 器件的結構參數

室溫下，通過阻抗分析儀(AGILENT TECHNOLOGIES E4991B)測量諧振器阻抗響應。由式(3)可算出ScAlN諧振器的激勵聲波模式2的機電耦合系數為5.02%，而AlN諧振器對應的聲波模式的機電耦合系數為3.83%。結果表明，原子數分數為10%的Sc摻雜可以有效改善AlN材料的性能。圖6為兩個器件的諧振阻抗響應實際測試結果。圖7為Sc摻雜對模式2的TCF影響。由圖7可見，Sc摻雜導致AlN堆疊異質結構所激勵聲波的TCF降低。此外，器件的品質因數(Q)值為278。由于設備及工藝條件限制，壓電薄膜Sc摻雜原子數分數僅為10%，如果繼續(xù)增加Sc摻雜，器件的機電耦合系數將會有進一步提升，這可在后續(xù)工藝條件優(yōu)化改進后進行驗證。

圖6 基于AlN和ScAlN壓電薄膜的堆疊異質諧振器的體波模式的阻抗響應曲線

圖7 基于AlN和ScAlN壓電薄膜的諧振器所激勵的體波模式的溫度測試曲線

3 結束語

通過有限元分析設計了兩種分別基于AlN和ScAlN壓電薄膜的諧振器，其結構參數相同，兩個諧振器都可以激發(fā)兩種主波聲模式，但相同模式對應的諧振頻率略有不同。同時還研究了堆疊層的歸一化厚度對相速度和機電耦合系數性能的影響，結果表明IDT質量負載效應對兩種激發(fā)波模式的影響不同。此外，SiO2層引入的溫度補償機制的模擬結果表明，鈧摻雜使壓電薄膜諧振器的TCF降低，但其影響并不顯著。體波模式對SiO2層的變化反應非常緩慢。通過Sc摻雜實現了AlN壓電薄膜基諧振器的K2的提升。此工作在諧振器減小溫度效應研究和氮化鋁材料改性應用方面具有前景。