基于非极性氮化铝单晶薄膜的高速表面声波和横向体波谐振器
2024/6/27 14:32:32 材料来源：ACT化合物半导体
作者：卢同心1,3，房晓丽2，张师斌2，袁冶3，欧欣2，王新强1,3
1北京大学物理学院，北京市海淀区成府路209号，北京
2中科院上海微系统与信息技术研究所，中国上海市长宁区长宁路865号，上海
3松山湖材料实验室，东莞市松山湖国际创新创业社区A1栋，东莞
摘要：为了发挥氮化铝（AlN）在GHz频段的高频性能优势，人们往往需要借助氮化铝c轴的压电性能和高声速（约11350 m/s）特征。相对于传统的c面氮化铝薄膜，a面氮化铝薄膜的压电轴居于薄膜平面内，这种特殊的氮化铝薄膜材料有望大幅简化现有声学谐振器的构造。在本工作中，我们将物理气相沉积与高温退火技术结合，在r面蓝宝石衬底上成功获得了a面氮化铝单晶薄膜，而基于该非极性氮化铝单晶薄膜实现的声学谐振器具有优异的性能。实验表明，当施加电场方向与单晶薄膜c轴方向平行时，可在2.38 GHz与4.00 GHz频段分别激发具有高度各向异性的高性能瑞利波（SAW）与横向体声波（LBAW）。其中瑞利波性能优异，品质因子高达2458，并在变温实验中表现出很强的稳定性；而仅由平面指叉电极即可激发的4.00 GHz横向体声波则是在氮化铝体系中首次报道，且无需加入任何空腔或底电极结构辅助。本工作展现了非极性面氮化铝单晶薄膜在谐振器提升性能与简化结构等应用领域的巨大优势。
氮化铝薄膜材料以其出色的高频压电性能、高声速特性（约11,350 m/s）以及与CMOS工艺的兼容性，在体声波谐振器（BAW）制备领域备受青睐，特别其具有的高声速特性更是保证了其在高频GHz范围具备突出的工作能力。上述优异的声学性质也使得氮化铝成为射频前端模组中高频滤波器材料的不二首选。众所周知，为了充分利用氮化铝材料中c轴的高频压电特性，我们需要施加与氮化铝压电c轴平行的电压来激发体声波，因此传统体声波谐振器采用了金属电极/c-面氮化铝薄膜/金属电极的三明治器件结构。为了增强声学性能，人们往往需要在器件下方引入特定的空腔或布拉格反射结构增强声波反射，这些复杂的器件结构为芯片制备工艺增加难度，进而阻碍器件性能的优化提升。与体声波谐振器相比，表面声波谐振器具有更简单的器件结构（无需底电极或者声学增强结构，只采用平面指叉电极），但氮化铝材料的d31压电系数偏低，因此传统的c-面氮化铝薄膜制备的表面声波谐振器无法发挥材料优势。为解决氮化铝材料性质与表面声波器件匹配度低的技术瓶颈，行业中已经采用诸多方法，例如利用钪元素掺杂提升材料的d31压电系数等。虽然上述技术方案能够使得氮化铝基表面声波谐振器的品质因子（Bode_Qmax）或共振频率得到提升，但难以同时保证器件具有较高的共振频率和品质因子。
△ 图1：（a）传统c面氮化铝薄膜晶体结构；（b）基于c面氮化铝薄膜的体声波谐振器结构；（c）a面氮化铝单晶薄膜晶体结构；（d）基于a面氮化铝薄膜的的表面声波谐振器结构。（其中箭头P指向为压电极化方向）。
为了解决上述问题，利用非极性氮化铝薄膜是一种切实可行的方案。当施加电场方向与非极性氮化铝薄膜面内的压电c轴方向一致时，我们有望实现高性能的声学响应。图1中对比了传统c面氮化铝薄膜与非极性氮化铝薄膜的晶格结构以及基于二者制备的谐振器的基本构造：对于传统c面氮化铝薄膜，其压电c轴与薄膜法线方向平行，而非极性氮化铝薄膜的压电轴则位于薄膜面内；传统的体声波谐振器结构需要施加平行于薄膜法线方向的电场，因此谐振器件为电容结构，即c面氮化铝薄膜被上下层金属电极夹在中间，通过施加电场激发氮化铝薄膜内的体声波。而非极性氮化铝薄膜的压电轴位于薄膜平面内，只需沿平面内压电轴方向施加激励电场，便可激发体声波，此过程仅需平面指叉电极即可完成。在此前的研究中，由于非极性氮化铝薄膜的结晶质量尚不理想，这种方案并没有带来显著的性能提升。因此，获得高质量的非极性氮化铝薄膜是实现上述技术方案的先决条件。
在本工作中，我们利用物理气相沉积的方法，结合高温退火技术在r面蓝宝石衬底上获得了高质量a面氮化铝单晶薄膜，并以其为基础制备了仅具备平面指叉电极结构的高性能声学谐振器。我们通过精确调整指叉电极与氮化铝面内c轴之间的角度验证谐振腔的性能，而导纳测试结果显示我们的声学谐振腔具有面内的强各向异性。当通过调整电极角度使施加电场沿氮化铝压电c轴（即[0001]方向）时，谐振腔激发了共振频率为2.38 GHz性能优异的表面声波，其品质因子（Bode_Qmax）高达2458，有效机电耦合系数Kt2为0.587%，品质因数（FOM）为14.4。不仅如此，我们在4.00 GHz的共振频率附近观察到了高速横向体声波（LBAW），这是首次在AlN体系中仅通过平面指叉电极激发的体声波。上述结果表现出高温退火非极性氮化铝单晶薄膜在声学谐振器制备中具有极大潜力。
a面氮化铝单晶薄膜通过物理气相沉积（PVD）结合高温退火技术制备，衬底材料为2英寸r面蓝宝石，通过物理气相沉积获得的氮化铝薄膜厚度为1 μm。薄膜制备过程中，PVD工作气体为氩气和氮气的混合气氛，二者体积比为1:4，腔体压力约为9×10-1 Pa。随后将制备好的氮化铝薄膜在氮气环境下进行1700°C的高温退火处理，退火时间为5小时。我们使用Panalytical Empyrean公司生产的X-射线衍射仪，通过Φ扫描和倒易空间（RSMs）测试对退火后样品的结晶质量进行了系统研究，并利用原子力显微镜（AFM）对氮化铝薄膜的微观表面形貌进行观察。
基于上述氮化铝薄膜，我们制备了在面内具有不同方向指叉电极但结构相同的一组表面声波谐振腔，相邻两个谐振器之间指叉电极方向差为5°，用以评估施加电场方向与压电c轴的夹角对谐振器性能的影响。我们采用电子束曝光技术在氮化铝薄膜上制备电极图案，随后通过电子束蒸镀实现电极的组装制备。谐振器结构参数如下：每个谐振器具有120对指叉电极和20对反射电极，指叉电极和反射电极均由厚度为120nm的铝薄膜制成，电极间距λ为2.4 μm，孔径长度为20 λ，金属化比例为0.5。最终，我们使用矢量网络分析仪（Keysight E5071C）通过测量S参数对谐振器进行性能评估。
氮化铝材料所具有的高声速与c轴的高频压电特性使其成为制备高频滤波器件（例如体声波谐振器）最具优势的材料。然而体声波谐振器复杂的器件结构带来较大的技术门槛，这使人们将注意力投向结构更加简单的表面声波谐振器。而基于上述非极性面氮化铝单晶薄膜，我们可以同时发挥氮化铝c轴的优异的压电特性与表面声波谐振器结构简单的优势，制备高性能、更利于产业化的声波谐振器。
△ 图3：（a）基于a面氮化铝单晶薄膜的高性能谐振器结构示意图，可通过调整谐振器指叉电极与氮化铝单晶薄膜c轴的角度对谐振器性能进行调控；基于COMSOL Multiphysics模拟所绘制的（b）瑞利波与（c）横向体波模型的导纳特性（θ=0°或90°）；（d）θ=0°时，谐振器中激发的瑞利波和横向体波的模拟结果示意图；（e）室温条件下，θ从0°以5°为步进向90°逐步变化时，谐振器的导纳特性实验结果。
图3（a）展示了基于高温退火a面氮化铝单晶薄膜的谐振器结构示意图。为了研究谐振腔在薄膜平面内的各向异性，我们制备了一组具有不同夹角θ的谐振器，相邻谐振器之间的θ以5°为步进进行渐变。实验结果表明，当平面内指叉电极施加电场方向沿氮化铝c轴方向时（θ= 0°），可以获得最佳的谐振器性能。我们用COMSOL Multiphysics软件模拟了指叉电极平行和垂直于氮化铝c轴时的谐振器性能。如图3（b）和3（c）所示，在2.35 GHz和4.00 GHz频段分别存在瑞利波和体波对应的共振信号，上述两种声学响应在薄膜中的具体传播模式如图3（d）所示。当θ= 0°，即施加电场与氮化铝压电c轴方向重合时，计算结果显示导纳曲线在2.3 GHz处出现尖锐的谐振信号，其谐振频率（fr）和反谐振频率（fa）分别为2.35 GHz 和 2.36 GHz。然而，当激励电场方向与氮化铝c轴垂直（θ= 90°）时，导纳曲线只在2.38 GHz处具有一个微小的谐振信号。体声波的模拟结果与瑞利波类似，呈现出一致的面内各向异性。当θ= 0°时，体声波的fr和fa分别为4.06 GHz和4.11 GHz，而当θ= 90°时几乎无体声波激发。通过COMSOL的模拟结果，我们预测基于非极性氮化铝薄膜制备的谐振腔具有较强的面内各向异性。
为验证上述模拟结果，我们制作了一系列基于非极性氮化铝薄膜的谐振器，夹角θ以5°为区间由0°逐渐变为90°，而导纳特性测试结果如图3（e）所示。由图可见，所有夹角θ对应的谐振频谱都在2.38 GHz频段出现瑞利谐振峰。此外，我们可以通过调整叉指电极的结构，使谐振频率得到近一步提升。除了瑞利共振，当θ在5°到70°范围内变化时，出现了另外两组谐振频率的响应，其中频率较低的谐振峰随着θ的增大逐渐从2.46 GHz移动到2.63 GHz，符合水平剪切波的特性。而另一个共振信号则从2.75 GHz逐渐移动到2.79 GHz，其来源尚不清楚。除了3 GHz以下的谐振信号，谐振器在4.00 GHz左右出现了另一个重要的激发模式，这与图3（c）中的理论预测一致，该共振信号代表沿着压电轴传播的高速体波模式。如图所示，体波具有与瑞利波具有类似的面内各向异性特征，并且在θ= 0°时出现最大谐振幅度。
△ 图4：（a）室温条件下谐振器的导纳特性曲线（θ= 0°）；（b）谐振器阻抗的Smith图；（c）谐振器品质因子Bode-Qmax随θ变化规律；（d）谐振器品质因子Bode-Qmax随温度变化测试曲线。
为了研究关于瑞利波共振的更多细节，我们对2.38 GHz处的导纳实验结果（θ= 0°）进行放大展示，如图4（a）所示。并通过进一步定量计算评估谐振器的综合性能。谐振器的fr和fa分别为2.382和2.387 GHz，与模拟结果基本一致。谐振器的有效机电耦合系数（Kt2）由以下公式得出：
通过带入fr和fa测试数据计算可得Kt2=0.587%。众所周知，品质因子（Bode-Qmax）这一重要的评价指标是由Feld等人提出，用以评价谐振器的响应能力。经计算，该谐振器在2.3 GHz频段的品质因子值高达2458。进而通过Kt2×Q计算得到的谐振器的品质因数（FOM）为14.4。评估谐振器性能的另一个重要指标为FQ（即产品f×Q的值），常规基于c面氮化铝或铝钪氮的表面声波谐振器的谐振频率基本在MHz区域，因此FQ值一般偏低，而本谐振器的谐振频率在GHz区域，其FQ的值为5.85×1012，高于常规氮化铝表面声波谐振器。谐振器的阻抗特性Smith图如图4（b）所示。为了定量研究谐振器瑞利共振的各向异性，我们计算了并绘制了品质因子随θ的变化曲线，结果如图4（c）所示。在排除测量误差后，几乎所有θ< 40°的器件的品质因子均大于1500，展现出优异的性能。而当θ从 40°增加到50°时，品质因子急剧下降，并在θ从50°增加到90°时继续缓慢下降。这个结果证实了非极性面氮化铝谐振器中瑞利共振所存在的面内各向异性，也体现了非极性面氮化铝单晶薄膜中位于薄膜平面内的压电轴所带来的巨大优势。此前，诸多研究人员曾对基于c面氮化铝薄膜的表面声波谐振器的各向异性展开研究，并发现沿氮化铝a轴方向的谐振频率、品质因数、电机耦合系数、插入损耗和带外抑制均高于沿氮化铝m轴方向的上述性质。然而，该研究仅关注了氮化铝六角c面上的各向异性特征，而本研究结果使得对氮化铝表面声波各向异性的认识更加完整。我们通过改变环境温度来研究谐振器的温度稳定性，结果如图4（d）所示。随着温度的升高，品质因子逐渐下降，并大致与温度呈准线性关系，在最高测试温度185°C条件下，谐振器的品质因子仍然高达1847，证明a面氮化铝谐振器具有良好的高温工作能力。
此前诸多研究人员曾基于常规的c面氮化铝薄膜实现了表面声波谐振器，但由于氮化铝材料的d31有限，因此谐振器的瑞利波激发频率大多低于900 MHz。最近，有工作借助氧化锌缓冲层制备了基于a面氮化铝薄膜的表面声波谐振器，使其共振频率提高到了约1.5 GHz。为进一步提高谐振频率，另一种方案则是使用单晶c面氮化铝或钪掺杂的氮化铝薄膜。然而，上述方法很难保证共振频率、Kt2和品质因子同时具有较高的值。使用金刚石衬底可以有效地增加了谐振频率和f×Q，但其昂贵的成本和复杂的制备过程严重阻碍了工业应用。本工作采用相对简单且低成本的方式制备了表面声波谐振器，同时保证了器件具有较高的共振频率、Kt2和品质因子，展现出巨大的应用潜力。
△ 图5：基于a面氮化铝单晶薄膜谐振器激发横向体波的导纳曲线（θ= 0°）。
如上所述，基于a面氮化铝单晶薄膜的谐振器成功在4 GHz频段激发出了横向体声波，并且共振强度随θ发生变化，也呈现了明显的各向异性。图5展示了室温下体波频段内的导纳测试结果�？梢钥吹�，fr和fa的频率分别为4.007和4.064 GHz。计算其对应的Kt2值为3.33%，远高于瑞利波，甚至可与AlN基体声波谐振器相媲美。通过计算得到声速为9614 m/s，接近理论值。横向高频体波方案已经在铌酸锂、钽酸锂与氮化铝等多种材料体系中使用，目的在于提高谐振性能。然而，由于氧化物体系声速有限，为利用并且加强Lamb波实现XBAW等新型器件结构，往往需要沉积底电极或利用空腔结构，也同时增加了流片的复杂性。而本工作通过利用非极性面氮化铝单晶薄膜采用一种简单的器件结构激发高速体波，对声学谐振器发展与应用具有重要意义。
事实上，非极性单晶薄膜已经广泛应用于GaN基光电器件领域，如发光二极管、激光二极管和光电探测器等。而光电器件主要包含n-/p-型掺杂区域或多量子阱区域，因此器件的制造工艺与声学谐振器有根本区别。非极性氮化物半导体薄膜在声学应用领域的报道结果非常少，我们的工作为进一步研究非极性氮化物半导体在声学领域的应用开辟了一条全新道路。
我们通过将物理气相沉积与高温退火技术结合，在r面蓝宝石衬底上成功实现了高质量的a面氮化铝单晶薄膜。基于该材料，我们制作了一种同时激发瑞利波与横向体波的谐振器。当调整谐振器平面叉指电极的角度时，两种谐振信号都表现出明显的各向异性特征。当施加电场方向与氮化铝c轴平行时，瑞利波谐振模式表现出优异的性能：谐振器在2.38 GHz波段的品质因子高达2458，有效机电耦合系数与品质因数分别为0.587%和14.4，优于常规基于c面氮化铝的表面声波谐振器。即使温度升至185 °C，品质因子仍然高达1847，证实了谐振器在高温环境下的应用潜力；此外，基于非极性面氨化铝的谐振器，基于非极性面氮化铝的谐振器首次在仅凭借平面指叉电极的条件下，激发出了频率为4.007 GHz的横向体波，且有效机电耦合系数Kt2为3.33%。上述结果凸显了非极性面氮化铝单晶薄膜在声学谐振器中的巨大应用前景，为新型声学谐振腔的技术发展提供了一条全新路线。
扩展阅读
Tongxin Lu et al., Appl. Phys. Lett., 123, 252105 (2023)
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