基于ScAlN/6H-SiC結構的聲表面波傳播特性

耐日嘎 ，馬 俊 ，王園園，豆亞穩，呂海濤，錢莉榮，李翠平

(1.天津理工大學 集成電路科學與工程學院，天津市薄膜電子與通信器件重點實驗室，天津 300384；2.天津理工大學 集成電路科學與工程學院，光電器件與通信技術教育部工程研究中心，天津 300384)

0 引言

聲表面波(SAW)是一種沿物體表面傳播的聲波，是英國科學家Lord Rayleigh在研究地震波時偶然發現的[1]。SAW器件是指利用SAW來傳輸和處理信號的器件，基本結構包括壓電基片和叉指換能器(IDT)。

制作高頻、寬帶和大功率SAW器件時，常采用高聲速和高熱導率的材料作為基底材料。與其他材料相比，金剛石具有最高的聲速(約10 936 m/s)和熱導率(20 (W·cm-1)·K-1)，但是目前生產大面積、高質量的金剛石基底較難。SiC作為第三代半導體材料的代表，具有較高的聲速[2](約6 832 m/s)和熱導率[3](4.9 (W·cm-1)·K-1)，且其制備工藝日趨成熟，成本低。目前，6英寸(1英寸=2.54 cm)的SiC基底已經量產，8英寸的SiC基底正在研發。山東大學晶體材料國家重點實驗室已經獲得表面粗糙度在1 nm以下的6H-SiC單晶晶片，達到“開盒即用”的外延片的水平[4]。

金剛石和SiC都不是壓電材料，須與壓電材料結合才能完成SAW的激勵。氮化鋁(AlN)作為一種壓電材料，具有高聲速[5](5 560 m/s),高導熱率,低介質損耗,溫度穩定性好,與CMOS工藝兼容等優點[6]。但與其他的壓電材料(如壓電陶瓷和ZnO)相比，其壓電系數偏低[7](d33=5.5 pC/N)，一定程度上限制了AlN在SAW上的廣泛應用[8]。2008年，Morito Akiyama等制備出了一種摻雜Sc元素的AlN(ScAlN)薄膜，其壓電系數高達27.6 pC/N，且彈性系數高、聲速[9]可達6 000 m/s，Zhang Qiaozhen等使用ScAlN薄膜制作的SAW器件，能夠有效提高器件的機電耦合系數(K2)[10]，ScAlN薄膜制作的SAW器件具有很大的應用潛力。

本文以6H-SiC作為基底材料，以ScAlN薄膜作為壓電材料，研究了基于ScAlN/6H-SiC的SAW傳播特性。首先，分析了在不同激勵條件下，壓電材料厚度變化對ScAlN/6H-SiC結構中SAW的相速度(vp)和K2的影響，并優化壓電材料厚度。然后，通過改變電極厚度(hAl)及金屬化率(r)進一步提高K2，得出優化后的結構。

1 SAW諧振器的建立與仿真

ScAlN/6H-SiC結構的SAW器件中，SAW的激勵方式與IDT位置及短路金屬層的放置有關，不同激勵方式下，其SAW傳播特性也不同，典型的4種激勵方式分別為I-F、F-I、I-M和M-I結構，其中I-F和I-M結構稱為表面源結構，F-I和M-I結構稱為界面源結構[11]。

vp與諧振頻率(fr)和波長(λ)有關[10]，即：

vp=frλ

(1)

由式(1)可見，基底材料的vp越高，器件的fr越高。

K2是衡量壓電材料聲電轉換效率的參數[12]，其表達式[13]為

(2)

式中far為反諧振頻率。

本文利用有限元法求解ScAlN/6H-SiC結構中SAW傳播的問題，ScAlN和SiC的材料參數見文獻[14]。

2 仿真結果分析

多層膜結構中SAW各模式受襯底、壓電材料及用于電激勵的IDT結構的影響[15]。本文主要分析這些參數對SAW傳播特性的影響，并對ScAlN/6H-SiC結構電極的輸入導納進行分析，其典型的導納特性曲線如圖1所示。文中將λ設定為4.00 μm，叉指電極(Al)厚度為0.01λ，電極寬度為0.25λ， ScAlN厚度(hScAlN)為0.5λ， 6H-SiC厚度為3λ。本文只對M0，M1和M2模式的SAW傳播特性進行研究。

圖1 ScAlN/6H-SiC結構導納特性曲線

2.1 壓電材料厚度的影響

圖2為4種激勵方式下，M0，M1，M2模式的vp隨著hScAlN/λ變化的曲線。對于M0，M1，M2模式SAW，vp均隨hScAlN/λ的增加而降低。同時，4種激勵方式的vp變化趨勢基本相似，說明電極位置變化或添加短路金屬對vp的影響很小。

圖2 4種激勵方式下3種模式的vp特性

基于ScAlN/6H-SiC的多層膜結構雖然可以激發出多種模式的SAW，但激勵強度各不相同，可以用K2來表征。圖3為4種激勵方式下隨著hScAlN/λ增大時3種模式的K2變化曲線。由圖可知，添加短路金屬能夠適當地提高K2的峰值。

圖3 4種激勵方式下，3種模式的K2特性

在多層薄膜結構中傳播的SAW具有頻散性，即波的傳播特性跟hScAlN/λ有關[16]，在K2和vp較大的前提下，還應盡量減小頻散。對于M0模式，從圖3可看出，I-F和I-M結構下的K2很小(<2%)，且K2最大值出現的hScAlN/λ對應圖2中的vp也很低(<4 km/s)，應用于實際器件時性能較差；而在F-I和M-I結構下可以選擇0.4

2.2 金屬化率和電極厚度的影響

從圖3可看出，I-F、I-M和M-I結構下，M1模式是最佳工作模式，而在F-I 結構下，M0模式是ScAlN/6H-SiC結構的最佳工作模式。本節分析在最佳hScAlN/λ下,r與hAl變化對SAW各傳播特性產生的影響。r為電極寬度與器件周期之比。

圖4為4種激勵方式下hAl增加時，不同r所對應的vp變化曲線。4種激勵條件下，當hAl一定時，vp隨r的增加而減小。當r一定時，vp隨hAl的增加呈線性下降。r越大，vp隨hAl的減少而下降越快，說明r在一定程度上影響了SAW器件的諧振頻率。

圖4 r和hAl變化時,4種激勵方式下的vp特性

圖5為4種激勵方式下hAl增加時，不同r所對應的K2變化曲線。對于I-F結構，K2隨著hAl的增加而增大，r=0.5時K2值較大。對于F-I結構，hAl<0.04 μm時，r=0.6的K2較大;0.04 μm0.07 μm時,r=0.8的K2較大;hAl=0.1 μm時，r=0.8的K2達到11.71%。對于I-M結構，hAl<0.06 μm時，r=0.5的K2較大；hAl>0.06 μm時，r=0.7的K2較大。對于M-I結構，hAl<0.03 μm時，r=0.5的K2較大；0.03 μm0.06 μm時，r=0.7的K2較大；hAl=0.1 μm時，r=0.7的K2達到15.78%。

圖5 金屬化率和電極厚度變化時4種結構的機電耦合系數特性

根據圖2～5的研究結果，在保證K2最大的同時優化不同結構的幾何參數，如表1所示。

表1 優化后的ScAlN/6H-SiC結構參數和SAW傳播特性參數

3 結論

本文對ScAlN/6H-SiC結構中SAW各傳播特性進行了研究，并分析了在4種激勵條件下，壓電材料厚度、電極厚度及金屬化率對各SAW傳播特性參數產生的影響。結果表明：

1) 短路金屬的添加或電極位置的變化對SAW相速度的改變很小，但對機電耦合系數的影響較大。

2) 在4種激勵方式中只有F-I結構的機電耦合系數最大值出現在M0模式，其他3種結構下機電耦合系數的最大值均出現在M1模式，且在M-I結構下機電耦合系數的最大值高達15.78%。