基于ScAlN/6H-SiC结构的声表面波传播特性

2022-03-17耐日嘎王园园豆亚稳吕海涛钱莉荣李翠平

压电与声光 2022年1期

耐日嘎，马俊，王园园，豆亚稳，吕海涛，钱莉荣，李翠平

(1.天津理工大学集成电路科学与工程学院，天津市薄膜电子与通信器件重点实验室，天津 300384；2.天津理工大学集成电路科学与工程学院，光电器件与通信技术教育部工程研究中心，天津 300384)

0 引言

声表面波(SAW)是一种沿物体表面传播的声波，是英国科学家Lord Rayleigh在研究地震波时偶然发现的[1]。SAW器件是指利用SAW来传输和处理信号的器件，基本结构包括压电基片和叉指换能器(IDT)。

制作高频、宽带和大功率SAW器件时，常采用高声速和高热导率的材料作为基底材料。与其他材料相比，金刚石具有最高的声速(约10 936 m/s)和热导率(20 (W·cm-1)·K-1)，但是目前生产大面积、高质量的金刚石基底较难。SiC作为第三代半导体材料的代表，具有较高的声速[2](约6 832 m/s)和热导率[3](4.9 (W·cm-1)·K-1)，且其制备工艺日趋成熟，成本低。目前，6英寸(1英寸=2.54 cm)的SiC基底已经量产，8英寸的SiC基底正在研发。山东大学晶体材料国家重点实验室已经获得表面粗糙度在1 nm以下的6H-SiC单晶晶片，达到“开盒即用”的外延片的水平[4]。

金刚石和SiC都不是压电材料，须与压电材料结合才能完成SAW的激励。氮化铝(AlN)作为一种压电材料，具有高声速[5](5 560 m/s),高导热率,低介质损耗,温度稳定性好,与CMOS工艺兼容等优点[6]。但与其他的压电材料(如压电陶瓷和ZnO)相比，其压电系数偏低[7](d33=5.5 pC/N)，一定程度上限制了AlN在SAW上的广泛应用[8]。2008年，Morito Akiyama等制备出了一种掺杂Sc元素的AlN(ScAlN)薄膜，其压电系数高达27.6 pC/N，且弹性系数高、声速[9]可达6 000 m/s，Zhang Qiaozhen等使用ScAlN薄膜制作的SAW器件，能够有效提高器件的机电耦合系数(K2)[10]，ScAlN薄膜制作的SAW器件具有很大的应用潜力。

本文以6H-SiC作为基底材料，以ScAlN薄膜作为压电材料，研究了基于ScAlN/6H-SiC的SAW传播特性。首先，分析了在不同激励条件下，压电材料厚度变化对ScAlN/6H-SiC结构中SAW的相速度(vp)和K2的影响，并优化压电材料厚度。然后，通过改变电极厚度(hAl)及金属化率(r)进一步提高K2，得出优化后的结构。

1 SAW谐振器的建立与仿真

ScAlN/6H-SiC结构的SAW器件中，SAW的激励方式与IDT位置及短路金属层的放置有关，不同激励方式下，其SAW传播特性也不同，典型的4种激励方式分别为I-F、F-I、I-M和M-I结构，其中I-F和I-M结构称为表面源结构，F-I和M-I结构称为界面源结构[11]。

vp与谐振频率(fr)和波长(λ)有关[10]，即：

vp=frλ

(1)

由式(1)可见，基底材料的vp越高，器件的fr越高。

K2是衡量压电材料声电转换效率的参数[12]，其表达式[13]为

(2)

式中far为反谐振频率。

本文利用有限元法求解ScAlN/6H-SiC结构中SAW传播的问题，ScAlN和SiC的材料参数见文献[14]。

2 仿真结果分析

多层膜结构中SAW各模式受衬底、压电材料及用于电激励的IDT结构的影响[15]。本文主要分析这些参数对SAW传播特性的影响，并对ScAlN/6H-SiC结构电极的输入导纳进行分析，其典型的导纳特性曲线如图1所示。文中将λ设定为4.00 μm，叉指电极(Al)厚度为0.01λ，电极宽度为0.25λ， ScAlN厚度(hScAlN)为0.5λ， 6H-SiC厚度为3λ。本文只对M0，M1和M2模式的SAW传播特性进行研究。

图1 ScAlN/6H-SiC结构导纳特性曲线

2.1 压电材料厚度的影响

图2为4种激励方式下，M0，M1，M2模式的vp随着hScAlN/λ变化的曲线。对于M0，M1，M2模式SAW，vp均随hScAlN/λ的增加而降低。同时，4种激励方式的vp变化趋势基本相似，说明电极位置变化或添加短路金属对vp的影响很小。

图2 4种激励方式下3种模式的vp特性

基于ScAlN/6H-SiC的多层膜结构虽然可以激发出多种模式的SAW，但激励强度各不相同，可以用K2来表征。图3为4种激励方式下随着hScAlN/λ增大时3种模式的K2变化曲线。由图可知，添加短路金属能够适当地提高K2的峰值。

图3 4种激励方式下，3种模式的K2特性

在多层薄膜结构中传播的SAW具有频散性，即波的传播特性跟hScAlN/λ有关[16]，在K2和vp较大的前提下，还应尽量减小频散。对于M0模式，从图3可看出，I-F和I-M结构下的K2很小(<2%)，且K2最大值出现的hScAlN/λ对应图2中的vp也很低(<4 km/s)，应用于实际器件时性能较差；而在F-I和M-I结构下可以选择0.4

2.2 金属化率和电极厚度的影响

从图3可看出，I-F、I-M和M-I结构下，M1模式是最佳工作模式，而在F-I 结构下，M0模式是ScAlN/6H-SiC结构的最佳工作模式。本节分析在最佳hScAlN/λ下,r与hAl变化对SAW各传播特性产生的影响。r为电极宽度与器件周期之比。

图4为4种激励方式下hAl增加时，不同r所对应的vp变化曲线。4种激励条件下，当hAl一定时，vp随r的增加而减小。当r一定时，vp随hAl的增加呈线性下降。r越大，vp随hAl的减少而下降越快，说明r在一定程度上影响了SAW器件的谐振频率。

图4 r和hAl变化时,4种激励方式下的vp特性

图5为4种激励方式下hAl增加时，不同r所对应的K2变化曲线。对于I-F结构，K2随着hAl的增加而增大，r=0.5时K2值较大。对于F-I结构，hAl<0.04 μm时，r=0.6的K2较大;0.04 μm0.07 μm时,r=0.8的K2较大;hAl=0.1 μm时，r=0.8的K2达到11.71%。对于I-M结构，hAl<0.06 μm时，r=0.5的K2较大；hAl>0.06 μm时，r=0.7的K2较大。对于M-I结构，hAl<0.03 μm时，r=0.5的K2较大；0.03 μm0.06 μm时，r=0.7的K2较大；hAl=0.1 μm时，r=0.7的K2达到15.78%。