基于高溫退火非極性面氮化鋁單晶薄膜實(shí)現(xiàn)高性能聲學(xué)諧振器開(kāi)發(fā)

氮化鋁（AlN）以其超寬禁帶寬度（~6.2 eV）和直接帶隙結(jié)構(gòu)，與氧化鎵、氮化硼、金剛石等半導(dǎo)體材料被并稱為超寬禁帶半導(dǎo)體，與氮化鎵、碳化硅等第三代半導(dǎo)體材料相比具有更優(yōu)異的耐高壓高溫、抗輻照性能。此外，氮化鋁沿c軸的高頻壓電性能與高聲速特征使其成為制備高頻聲學(xué)諧振器的理想材料，已被廣泛應(yīng)用于高頻通訊的射頻前端模組。然而，氮化鋁材料鋁-氮鍵鍵能強(qiáng)，制備溫度高，高質(zhì)量單晶制備條件極其苛刻，這些問(wèn)題嚴(yán)重限制了氮化鋁單晶材料的發(fā)展及應(yīng)用，因此高質(zhì)量大尺寸氮化鋁單晶材料的制備與應(yīng)用是目前新型半導(dǎo)體材料發(fā)展的重要方向。

針對(duì)上述瓶頸問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外諸多單位，例如日本三重大學(xué)、德國(guó)柏林工業(yè)大學(xué)、北京大學(xué)、松山湖材料實(shí)驗(yàn)室、中科院半導(dǎo)體研究所、長(zhǎng)春光機(jī)所、杭州奧趨光電等機(jī)構(gòu)相繼投入財(cái)力、物力與人力對(duì)氮化鋁單晶材料進(jìn)行深入研究，有效推動(dòng)了氮化鋁單晶材料在紫外發(fā)光領(lǐng)域的應(yīng)用。而氮化鋁材料另一重要應(yīng)用領(lǐng)域—高頻微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS），依然鮮有氮化鋁單晶材料的應(yīng)用案例。氮化鋁c軸方向具有優(yōu)異的高頻壓電特性與高聲速值，因此傳統(tǒng)氮化鋁體聲波諧振器往往需要施加與壓電軸方向重合的電場(chǎng)，因此在工藝上普遍選擇金屬電極/AlN薄膜/金屬電極的三明治結(jié)構(gòu)(圖1 a與b)。但由于技術(shù)限制，尚無(wú)法在常用金屬電極薄膜上生長(zhǎng)單晶氮化鋁。由此來(lái)看，傳統(tǒng)體聲波諧振器一方面很難引入氮化鋁單晶材料，發(fā)揮單晶性能優(yōu)勢(shì)；另一方面體聲波諧振器具有相對(duì)復(fù)雜的器件結(jié)構(gòu)，表面聲波諧振器雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅具有平面叉指電極，但卻由于傳統(tǒng)c面氮化鋁在水平方面的壓電系數(shù)較小，且平面叉指電極形成的厚度方向電場(chǎng)較弱，無(wú)法充分利用c軸的優(yōu)異壓電性能。

應(yīng)對(duì)上述瓶頸問(wèn)題，由北京大學(xué)、上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、松山湖材料實(shí)驗(yàn)室組成的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，提出了基于高溫?zé)嵬嘶鸺夹g(shù)制備a面氮化鋁單晶薄膜實(shí)現(xiàn)高性能表面聲學(xué)諧振腔的解決方案(圖1c和d)，充分結(jié)合了氮化鋁材料c軸優(yōu)異高頻壓電特性與表面聲波諧振器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的雙重優(yōu)點(diǎn)。本方案是基于高質(zhì)量非極性面單晶氮化鋁薄膜實(shí)現(xiàn)的MEMS聲學(xué)諧振器且器件性能優(yōu)異，相關(guān)成果以“High speed surface acoustic wave and laterally excited bulk wave resonator based on single-crystal non-polar AlN film”為題，于2023年12月19日在Appl. Phys. Lett. [Appl. Phys. Lett. 123, 252105 (2023);]上在線發(fā)表，并以“High-Performance SAW Resonators Based on Single-crystalline a-Plane AlN Thin Films on Sapphire Substrates”為題收錄于聲學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)會(huì)議IEEE International Ultrasonics Symposium [03-08 Sep. 2023, Montreal, QC, Canada]。

圖1 (a) 傳統(tǒng)c面氮化鋁薄膜晶體結(jié)構(gòu); (b)基于c面氮化鋁薄膜的體聲波諧振器結(jié)構(gòu); (c) a面氮化鋁單晶薄膜晶體結(jié)構(gòu); (d) 基于a面氮化鋁薄膜的的表面聲波諧振器結(jié)構(gòu)。(其中箭頭P指向?yàn)闃O化方向)

a面氮化鋁單晶薄膜

圖2 (a) 高溫退火后的a面氮化鋁薄膜的原子力顯微鏡形貌圖；沿氮化鋁 (b) 和 (c) 方向的X射線衍射倒空間結(jié)果; (d) 藍(lán)寶石(0006)衍射晶面和氮化鋁衍射晶面的X射線衍射Φ掃描; (e) r面藍(lán)寶石襯底上a面氮化鋁的結(jié)構(gòu)示意圖。

研究團(tuán)隊(duì)利用物理氣相沉積結(jié)合1700℃超高溫退火技術(shù)在r面藍(lán)寶石襯底上實(shí)現(xiàn)了a面氮化鋁單晶薄膜，根據(jù)氮化鋁薄膜的和方向倒空間X射線衍射圖譜可知，氮化鋁衍射晶面均具有較強(qiáng)的衍射信號(hào)，同時(shí)其與藍(lán)寶石衍射斑具有相同的qx/qy，表明氮化鋁和藍(lán)寶石晶向均平行于薄膜法線方向。圖2(d)中采用Φ掃描的方式分別確定了氮化鋁和藍(lán)寶石具有面內(nèi)衍射分量的晶面，其中氮化鋁晶向在薄膜面內(nèi)的分量與藍(lán)寶石晶向在薄膜面內(nèi)的分量相互垂直。最終的氮化鋁和藍(lán)寶石之間的外延關(guān)系如圖2(e)所示，所得氮化鋁薄膜為c軸在薄膜面內(nèi)的a面氮化鋁單晶薄膜。

高頻聲學(xué)特性

圖3 (a) 基于a面氮化鋁單晶薄膜的高性能諧振器結(jié)構(gòu)示意圖；(b) 室溫條件下諧振器的導(dǎo)納特性曲線 (θ = 0°) ; (c) 諧振器品質(zhì)因子Bode-Qmax隨θ變化規(guī)律；(d) 諧振器品質(zhì)因子Bode-Qmax隨溫度變化測(cè)試曲線; (e) θ=0°時(shí)，諧振器中激發(fā)的瑞利波和橫向體波的模擬結(jié)果示意圖; (f) 基于a面氮化鋁單晶薄膜諧振器激發(fā)橫向體波的導(dǎo)納曲線(θ = 0°)。

基于高溫退火a面氮化鋁單晶薄膜的諧振器結(jié)構(gòu)示意圖如圖3a所示。為了證明施加電場(chǎng)方向與c軸之間相對(duì)角度的重要性，我們制備了一組具有不同夾角θ的諧振器，相鄰諧振器之間的θ以5°為步進(jìn)漸變。當(dāng)θ=0°時(shí)，施加電場(chǎng)方向與氮化鋁c軸方向平行，瑞利表面波的fr和fa 分別為2.382和2.387 GHz，Kt2=0.587%，而品質(zhì)因子值高達(dá)2458，經(jīng)優(yōu)化后可提升至3731。此外，即使是在185°C條件下，諧振器的品質(zhì)因子仍然高達(dá)1847，證明了其優(yōu)異的高溫工作能力。隨著θ逐漸增大，瑞利共振與品質(zhì)因子逐漸減弱。

除瑞利表面波(Rayleigh SAW)，諧振器同時(shí)在4.00 GHz頻段激發(fā)出高頻橫向體波(LBAW)，如圖3f所示，當(dāng)θ=0°時(shí)，LBAW的 fr和fa的頻率分別為4.007和4.064 GHz，計(jì)算其對(duì)應(yīng)的Kt2值為3.33%，計(jì)算得到聲速高達(dá)9614 m/s，該工作是氮化鋁體系中首次僅通過(guò)平面叉指電極激發(fā)高速橫向體波。該結(jié)果證實(shí)了非極性面氮化鋁單晶薄膜在高頻聲學(xué)諧振器領(lǐng)域具有巨大優(yōu)勢(shì)。特別值得一提的是，實(shí)現(xiàn)上述諧振器優(yōu)異性能的單晶氮化鋁薄膜表面粗糙度高達(dá)~7 nm，證明了此項(xiàng)技術(shù)的魯棒性與產(chǎn)業(yè)前景。這一研究工作為氮化鋁表面聲波諧振器的發(fā)展開(kāi)辟了新的思路，在一定程度上解決了氮化鋁在表面聲波諧振器中由于低d31所面臨的瓶頸問(wèn)題，有望推動(dòng)高溫退火氮化鋁單晶薄膜在射頻器件領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用。

該研究工作由北京大學(xué)、上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、松山湖材料實(shí)驗(yàn)室等單位共同完成。北京大學(xué)博士生盧同心、上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所博士生房曉麗為共同第一作者，袁冶副研究員、張師斌副研究員、歐欣研究員和王新強(qiáng)教授為共同通訊作者，同時(shí)該工作得到了南京航空航天大學(xué)吉彥達(dá)副教授、廣東中民工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新研究院楊安麗博士的支持。該研究工作得到了科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市卓越青年科學(xué)家項(xiàng)目、中國(guó)科協(xié)青年精英科學(xué)家資助計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。

審核編輯：劉清