基于ZnO多层结构的声表面波高频器件分析设计

郭欣榕，谭秋林，李 博

（1.中北大学 仪器与电子学院，山西 太原 030000；2.电子测试技术国防科技重点实验室，山西 太原 030051）

0 引 言

随着5G通信技术的发展，高频SAW器件得到了更多的应用。高频器件所需的叉指电极的微细加工对工艺要求较高，实现难度较大。提高材料的声速成为实现高频SAW器件的首选方法。金刚石作为声速最大的材料，常用作高频SAW器件的衬底材料，但由于金刚石不具备压电性，需要在金刚石衬底上覆盖一层或多层压电薄膜来实现声表面波器件的制作。同时，可以通过对多层结构的优化来提高SAW器件的性能。不同领域的应用对器件要求也不同，例如，航天等领域要求SAW器件可以在恶劣环境如高温环境中长时间稳定工作；在液体中工作时，兰姆波作为横波相对于瑞利波来说衰减更小，更适合在液体环境中工作。在进行非温度量的测量时，人们希望可以通过温度补偿层消除温度的影响。对温度量进行测量时，人们希望可以得到较大的温度灵敏度，同时希望被测量在温度测试区间内与温度一一对应。对于传感器来说，较大的反射系数可以提高传感器的Q值；对于滤波器而言，较小的反射系数可以增大滤波器的带宽。

1 IDT/ZnO/Diamond双层结构的优化设计

选取金刚石作为衬底材料，ZnO薄膜作为压电层。ZnO是一种较早投入研究的压电材料，具有较高的机电耦合系数，制作工艺较为完备，因此在很多领域都有着广泛的应用。对IDT/ZnO/Diamond双层结构[1-2]的声表面波器件进行有限元仿真。其中，机电耦合系数、相速度及温度敏感系数是器件的主要性能指标。一般传感器的各项性能指标与传感器压电薄膜的厚度切向及金属电极的厚度有关。首先对不同切向的ZnO薄膜对器件性能的影响进行仿真分析。三维有限元仿真模型如图1所示。

图1 IDT/ZnO/Diamond结构的三维有限元仿真模型

电极选用Au材料，电极厚度为0.4 μm。叉指宽度为2 μm，金属率为0.5。Diamond层的厚度为30 μm，ZnO层的厚度为5 μm。模型的ZnO前后表面与Diamond前后边界和左右边界都采用周期性连续边界条件。Diamond层下表面添加固定约束条件。采用旋转坐标系实现不同切向ZnO压电薄膜的参数化扫描，得到当ZnO薄膜取不同切向时的机电耦合系数和声表面波波速[3]，结果分别如表1和表2所示。

表1 ZnO薄膜的机电耦合系数K2与晶向及膜厚的关系

表2 ZnO薄膜的相速度与晶向及膜厚的关系

由于ZnO结构的对称性[4]，（0，0，0）ZnO、（0，0，45）ZnO及（0，0，90）ZnO，（90，90，0）ZnO和（0，90，0）ZnO，（90，90，45）ZnO和（0，90， 45）ZnO，（90，90，90）ZnO和（0，90，90）ZnO具有相同的机电耦合系数和声表面波的波速，故没有全部列出，（0，0，0）ZnO的2ndRayleigh波的机电耦合系数为1.784 7%，波速为5 018.48 m·s-1， （0，90，0）ZnO的1stLove波的机电耦合系数为1.953 6%， 波速为3 002.32 m·s-1。（0，90，90）ZnO的机电耦合系数为2.899 8%，波速为5 081.84 m·s-1。相对于其他切向来说具有较高的机电耦合系数，波速均大于3 000 m·s-1。

之后分别对ZnO薄膜取（0，0，0）、（0，90，0）及（0，90，90）晶向时的ZnO薄膜厚度对声表面波器件机电耦合系数、速度、反射系数及温度敏感系数的影响进行有限元仿真分析，结果如图2～图4所示。可以看出，随着ZnO厚度的增加，ZnO薄膜取3种不同晶向的声表面波的波速均下降，这是因为声表面波的能量主要集中在器件表面，ZnO薄膜在带来压电性质的同时也不可避免地降低了声表面波波速。ZnO薄膜取3种不同晶向时的机电耦合系数均先升高后降低。如图2所示，ZnO（0，0，0）薄膜厚度为5 μm时2ndRayleigh波的机电耦合系 数最大，最大机电耦合系数为2.063 3%；ZnO （0，90，0）薄膜厚度为0.8 μm时1stLove波的机电耦合系数最大，最大机电耦合系数为4.367 2%； ZnO（0，90，90）薄膜厚度为3.2 μm时2ndRayleigh 波的机电耦合系数最大，最大机电耦合系数为2.949 9%。 如图4所示，ZnO（0，0，0）归一化薄膜厚度hZnO/λ为0.5时2ndRayleigh波 的 温 度 敏 感 系 数 最大，最大温度敏感系数为-19.395 ppm/℃；ZnO （0，90，0）归一化薄膜厚度hZnO/λ为0.5时1stLove 波的温度敏感系数最大，最大温度敏感系数为-21.834 ppm/℃；ZnO（0，90，90）归一化薄膜厚度hZnO/λ为0.3时2ndRayleigh波的 温度敏感系数最大，最大温度敏感系数为-21.247 ppm/℃。当ZnO（0，90，0）归一化薄膜厚度hZnO/λ为0.1时，1stLove的机电耦合系数大于4.2%，且波速大于 6 200 m·s-1，同时由于Love波在液体中的衰减较小，该结构可用于制作液体环境中的高频高Q值的声表面波器件。当ZnO（0，90，90）归一化薄膜厚度hZnO/λ为0.4～0.5时，2ndRayleigh的 机 电 耦 合 系数大于2.7%、温度敏感系数大于-18 ppm/℃，且波速大于5 400 m·s-1，该结构可用于制作较高频高Q值的声表面波温度传感器件。

图2 机电耦合系数与ZnO薄膜归一化厚度的关系

图3 相速度与ZnO薄膜归一化厚度的关系

图4 温度敏感系数与ZnO薄膜归一化厚度的关系

2 ALN/IDT/ZnO/Diamond多层结构的优 化设计

由前面的仿真可知，（0，90，90）ZnO归一化薄膜厚度hZnO/λ为0.4～0.5时，2ndRayleigh波的机电耦合系数可达到2.7%，但速度仅大于5 400 m·s-1。 为了提高2ndRayleigh波的波速考虑使用IDT/ALN/ZnO/Diamond结构。其中，（0，0，0）ALN的机电耦合系数较小，但是它拥有较高的声速。图5和图6反映了机电耦合系数和波速与复合压电层（ALN/ZnO）的归一化厚度（hALN+hZnO）/λ和ALN与ZnO膜厚比hALN/hZnO的关系。在复合压电层归一化厚度确定时，机电耦合系数总体上随着ALN层厚度的增加而减小，波速随着ALN层厚度的增加而增加。在ALN与ZnO膜厚比hALN/hZnO固定时，机电耦合系数随着复合压电层（ALN/ZnO）的归一化厚度（hALN+hZnO）/λ的增加，先增大后减小。可以通过调节复合压电层（ALN/ZnO）的归一化厚度（hALN+hZnO）/λ与ALN与ZnO膜厚比hALN/hZnO调节器件的机电耦合系数和波速。通过增加ALN层，以损失机电耦合系数的方式提高了SAW波的波速，但随着机电耦合系数的降低，器件的Q值会降低，可以适当通过增加叉指电极对数与反射栅个数的方式满足高Q值的要求。

图5 机电耦合系数与压电薄膜厚度的关系

图6 波速与压电薄膜厚度的关系

3 电极厚度对器件性能的影响及其机理分析

从电场的角度来观察电极厚度对机电耦合系数的影响。以晶向为（0，90，90）ZnO薄膜的IDT/ZnO/Diamond结构为例，不同电极厚度的机电耦合系数如图7所示。机电耦合系数随着厚度的增加先减小后增大，机电耦合系数最大处的电极厚度为0.05 μm， 机电耦合系数最小处的电极厚度为0.2 μm。

图7 电极厚度与机电耦合系数的关系

机电耦合系数最大时和最小时XZ平面内的电势分布如图8所示。通过对图8的机电耦合系数及电场分布的分析可知，改变电极的厚度可以改变电场的分布。与电极厚度为0.3 μm处的电势相比，电极厚度为0.05 μm时，正电势、零电势及负电势的分布与叉指周期的分布更趋于一致。当电场的分布与器件的叉指周期趋于一致时，器件的机电耦合系数越大。

图8 电极厚度为不同尺寸时对称/反对称频率处的电势分布

4 结 语

本文使用有限元分析的方法，通过优化压电层的切向和厚度，对基于IDT/Diamond结构的多层声表面波器件的机电耦合系数、声表面波波速及温度灵敏度系数进行了分析和优化，通过增加ALN层的方式进一步提高了Rayleigh波的波速；此外，分析了电极厚度对机电耦合系数的影响及影响机理，为高频高Q值的声表面波器件的设计提供了思路。