AlN薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)聲波激發(fā)特性研究

齊夢(mèng)珂，李孟輝，程一民，潘虹芝，曹 亮，牟笑靜

(1.重慶大學(xué) 新型微納器件與系統(tǒng)技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，重慶 400060；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

隨著通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，5G時(shí)代的到來(lái)使基于聲表面波(SAW)濾波器的元器件市場(chǎng)得到空前發(fā)展，經(jīng)歷了從普通SAW到TC-SAW、POI-SAW的發(fā)展過(guò)程。因POI-SAW結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，使得聲表面波諧振器在性能上能與體波諧振器相當(dāng)[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(shù)的壓電諧振器近年來(lái)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(yīng)用方面也得到了廣泛研究，同時(shí)Sc摻雜提高AlN薄膜材料機(jī)電耦合系數(shù)(K2)的方法也成為研究熱點(diǎn)。2009年，Akiyama等發(fā)現(xiàn)當(dāng)鈧摻雜原子數(shù)分?jǐn)?shù)為43%時(shí)，Sc0.43Al0.57N薄膜的壓電系數(shù)d33是AlN壓電薄膜的5倍[2]。2013年，橋本等報(bào)道了一種基于ScAlN分層結(jié)構(gòu)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(zhì)結(jié)構(gòu)在聲波的激勵(lì)響應(yīng)會(huì)與壓電塊材產(chǎn)生明顯差異，同時(shí)Sc摻雜改性研究多集中于對(duì)所激發(fā)的聲波模式的機(jī)電耦合系數(shù)的影響，對(duì)其溫度特性的影響鮮有報(bào)道。當(dāng)Sc摻雜AlN疊層異質(zhì)諧振器作為傳感器和濾波器應(yīng)用時(shí)，環(huán)境溫度的變化會(huì)對(duì)傳感精度產(chǎn)生重大影響，對(duì)濾波器的帶寬、插損等特性的影響也無(wú)法忽視，因此，研究異質(zhì)壓電薄膜改性結(jié)構(gòu)多聲波模式的激勵(lì)及溫度特性十分必要。

本文分別通過(guò)有限元分析設(shè)計(jì)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(duì)相速度、機(jī)電耦合系數(shù)和溫度特性的影響，同時(shí)討論了Sc摻雜對(duì)氮化鋁薄膜改性的影響，并最終實(shí)現(xiàn)了諧振器性能的改進(jìn)。

1 器件設(shè)計(jì)與理論

典型的聲表面波諧振器器件的特性受多種結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，其中各堆疊層的厚度對(duì)機(jī)電耦合系數(shù)和溫度穩(wěn)定性有不可忽略的影響。

圖1 波長(zhǎng)8 μm的基于AlN和ScAlN壓電薄膜諧振器的二維結(jié)構(gòu)模型、波形位移及導(dǎo)納響應(yīng)

為了完成所提出的高性能諧振器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)無(wú)限長(zhǎng)堆疊薄膜諧振器進(jìn)行COMSOL Multiphysics有限元仿真分析。模型同時(shí)考慮了所激勵(lì)表面波與體波的區(qū)別，并提升了計(jì)算速度，掃頻范圍僅設(shè)計(jì)為100 MHz～1.2 GHz。諧振器的導(dǎo)納響應(yīng)和激發(fā)聲波模式的模擬結(jié)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(zhǎng))，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(jiàn)，10%Sc摻雜對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的基于AlN壓電材料的諧振器所激勵(lì)的聲波模式類(lèi)型無(wú)影響，均產(chǎn)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(jié)構(gòu)表面(表面波模式)，模式2的傳播深度存在于整個(gè)器件結(jié)構(gòu)(體波模式)；但對(duì)于所激發(fā)聲波的插入損耗、機(jī)電耦合系數(shù)等參數(shù)，以及對(duì)稱(chēng)和反對(duì)稱(chēng)諧振頻率均會(huì)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(lì)響應(yīng)將不再明顯[4]。

一般情況下所生成聲波模式的對(duì)稱(chēng)頻率fs、反對(duì)稱(chēng)頻率fas和相速度vm的關(guān)系[5]定義為

(1)

正反諧振頻率的變化受到溫度的強(qiáng)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(shù)(TCF)決定了諧振器的溫度依賴(lài)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(duì)稱(chēng)諧振頻率。

機(jī)電耦合系數(shù)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(guān)性

圖2為異質(zhì)結(jié)構(gòu)的壓電層和上電極層層厚變化與諧振器特性的相關(guān)性。由圖2(a)、(b)可見(jiàn)，基于AlN和基于ScAlN的器件所激勵(lì)的兩種模式受到壓電薄膜厚度調(diào)制作用的變化趨勢(shì)相似，但是體波模式和表面波模式的相速度和機(jī)電耦合系數(shù)的變化趨勢(shì)相反。由圖2(c)、(d)可見(jiàn)，鋁厚度的變化對(duì)兩種模式的相速和機(jī)電耦合系數(shù)影響的趨勢(shì)不同，說(shuō)明兩種模式對(duì)IDT質(zhì)量加載效應(yīng)[6-7]的敏感性不同，即聲表面波模式對(duì)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)表面的影響較小。

通過(guò)有限元仿真分析對(duì)所激勵(lì)的不同聲波模式的TCF進(jìn)行了討論，結(jié)果如圖3所示。由圖可見(jiàn)，隨著SiO2層厚度的增加，兩種聲波模式對(duì)應(yīng)的TCF均減小，但減小幅度不同。同時(shí)在相同諧振頻率下，ScAlN諧振腔的TCF小于AlN諧振腔的TCF，這說(shuō)明鈧摻雜會(huì)降低AlN壓電薄膜諧振腔的溫度敏感性。

圖3 多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)二維有限元模型所激勵(lì)聲波TCF隨SiO2層厚度變化的相關(guān)性

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

圖4 多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)二維有限元模型所激勵(lì)聲波正反諧振點(diǎn)TCF與SiO2層厚變化相關(guān)性

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

單端口諧振器的波長(zhǎng)設(shè)計(jì)為8 μm，雙指指寬為1 μm。其中IDT電極和反射電極的數(shù)量分別為50對(duì)和200對(duì)。制造工藝從兩個(gè)4英寸(1英寸=2.54 cm)的硅襯底晶片開(kāi)始，在沉積前先對(duì)基片進(jìn)行清潔，然后熱氧化硅襯底，控制氧化深度為0.4 μm。在通過(guò)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(guò)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(guò)剝離工藝制備Al頂電極。通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)檢測(cè)諧振器的橫截面結(jié)構(gòu)和頂部電極構(gòu)型，如圖5所示。圖5(a)為頂部諧振腔結(jié)構(gòu)，包括IDT和反射柵，金屬化率為0.5。圖5(b)、(c)顯示了經(jīng)掃描電子顯微鏡觀察到的基于兩種壓電薄膜堆疊結(jié)構(gòu)的橫截面，由圖可以清楚地看到垂直于基板的柱狀結(jié)構(gòu)，說(shuō)明所制備的AlN和ScAlN壓電薄膜的生長(zhǎng)質(zhì)量較好。諧振器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖5 掃描電子顯微鏡(SEM)檢測(cè)圖

表1 器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)

室溫下，通過(guò)阻抗分析儀(AGILENT TECHNOLOGIES E4991B)測(cè)量諧振器阻抗響應(yīng)。由式(3)可算出ScAlN諧振器的激勵(lì)聲波模式2的機(jī)電耦合系數(shù)為5.02%，而AlN諧振器對(duì)應(yīng)的聲波模式的機(jī)電耦合系數(shù)為3.83%。結(jié)果表明，原子數(shù)分?jǐn)?shù)為10%的Sc摻雜可以有效改善AlN材料的性能。圖6為兩個(gè)器件的諧振阻抗響應(yīng)實(shí)際測(cè)試結(jié)果。圖7為Sc摻雜對(duì)模式2的TCF影響。由圖7可見(jiàn)，Sc摻雜導(dǎo)致AlN堆疊異質(zhì)結(jié)構(gòu)所激勵(lì)聲波的TCF降低。此外，器件的品質(zhì)因數(shù)(Q)值為278。由于設(shè)備及工藝條件限制，壓電薄膜Sc摻雜原子數(shù)分?jǐn)?shù)僅為10%，如果繼續(xù)增加Sc摻雜，器件的機(jī)電耦合系數(shù)將會(huì)有進(jìn)一步提升，這可在后續(xù)工藝條件優(yōu)化改進(jìn)后進(jìn)行驗(yàn)證。

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

圖7 基于AlN和ScAlN壓電薄膜的諧振器所激勵(lì)的體波模式的溫度測(cè)試曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)有限元分析設(shè)計(jì)了兩種分別基于AlN和ScAlN壓電薄膜的諧振器，其結(jié)構(gòu)參數(shù)相同，兩個(gè)諧振器都可以激發(fā)兩種主波聲模式，但相同模式對(duì)應(yīng)的諧振頻率略有不同。同時(shí)還研究了堆疊層的歸一化厚度對(duì)相速度和機(jī)電耦合系數(shù)性能的影響，結(jié)果表明IDT質(zhì)量負(fù)載效應(yīng)對(duì)兩種激發(fā)波模式的影響不同。此外，SiO2層引入的溫度補(bǔ)償機(jī)制的模擬結(jié)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(duì)SiO2層的變化反應(yīng)非常緩慢。通過(guò)Sc摻雜實(shí)現(xiàn)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(yīng)研究和氮化鋁材料改性應(yīng)用方面具有前景。