关于低损耗Al0.7Sc0.3N薄膜声学延迟线研究的学术报告
一、 研究团队与发表信息 本研究由邵帅、罗志芳（学生会员）、卢渊、Andrea Mazzalai、Carlo Tosi和吴涛（高级会员）共同完成。主要研究人员来自上海科技大学信息科学与技术学院、中国科学院上海微系统与信息技术研究所以及中国科学院大学。合作者来自瑞士的Evatec AG公司。该研究成果以题为《Low Loss Al0.7Sc0.3N Thin Film Acoustic Delay Lines》的论文形式，发表于IEEE Electron Device Letters期刊，该刊第43卷第4期，出版于2022年4月。论文于2021年12月20日收到，2022年2月14日被接受，2022年2月18日在线发布。
二、 学术背景与研究目的 本研究属于微电子机械系统（MEMS）领域，具体聚焦于射频（RF）声波器件中的薄膜声学延迟线（Acoustic Delay Lines, ADLs）。声学延迟线是一种基于声波传播路径产生时间延迟的器件，在滤波器、振荡器、传感和信号处理等领域具有重要应用前景。传统的声学延迟线多采用铌酸锂（LiNbO3）等压电单晶材料，虽然性能优异，但其工艺与主流的互补金属氧化物半导体（CMOS）技术难以兼容，限制了在片上集成系统中的应用。氮化铝（AlN）作为一种CMOS兼容的压电薄膜材料，已被广泛用于薄膜体声波谐振器（FBAR）和压电微机械超声换能器（PMUT），但其压电系数和机电耦合系数（k²）相对较低，这限制了基于AlN的声学延迟线实现更低的插入损耗（Insertion Loss, IL）和更宽的带宽。
近年来，研究发现通过在AlN中掺杂钪（Sc）形成氮化铝钪（AlScN）合金，可以显著提升其压电性能。随着Sc掺杂浓度的增加，机电耦合系数k²可大幅提高，这为开发高性能的CMOS兼容声学器件开辟了新途径。然而，高Sc掺杂浓度（如30%）的AlScN薄膜通常面临残余应力大、晶体质量下降等制备挑战，影响了其在需要长声波传播路径的器件（如延迟线）中的应用。
基于此背景，本研究旨在解决上述问题，具体目标包括：1）利用优化的低应力、高质量Al0.7Sc0.3N（Sc掺杂浓度为30%）薄膜，首次实现基于该材料的单相单向换能器（Single-Phase Unidirectional Transducers, SPUDT）声学延迟线。2）通过实验验证Al0.7Sc0.3N ADLs相较于纯AlN ADLs在插入损耗、分数带宽（Fractional Bandwidth, FBW）和阻抗匹配等方面的显著性能提升。3）定量表征Al0.7Sc0.3N薄膜中S0模态兰姆波（Lamb Wave）的传播特性，如群速度、传播损耗和传播品质因数（Q）。4）展示AlScN薄膜在构建未来CMOS兼容的集成声学信号处理、传感与计算平台方面的潜力。
三、 详细研究流程与方法 本研究遵循了从设计仿真、器件制备到测试表征的完整流程，具体步骤如下：
1. 器件设计与仿真分析： 研究首先基于有限元方法（Finite Element Method, FEM）进行了二维频率域仿真，以对比Al0.7Sc0.3N与AlN材料ADL的性能差异。仿真模型的关键在于精确设定材料参数。研究采用了基于第一性原理计算得到的Al0.7Sc0.3N材料参数（如弹性常数、压电常数、介电常数等），这些参数与纯AlN有显著不同，尤其是更低的杨氏模量和更高的相对介电常数（从~9提升至~19.5）。器件设计采用了一种交叉场激励的SPUDT结构来激发S0模态兰姆波。SPUDT单元细胞（Unit Cell）的长度为两倍波长（2λ），内部包含三对上下交叉排列的电极，其中第一对电极分别连接信号和地，另外两对为浮置电极用于产生反射，从而实现声波的单向性激发，降低双向损耗。仿真中，设定了不同的延迟间隙（Gap）长度（50 μm至300 μm），以研究延迟长度对性能的影响。仿真边界条件设置了完美匹配层（Perfectly Matched Layers, PMLs）以模拟声波向衬底的衰减。通过仿真，预先获取了器件的插入损耗、带宽、群延迟以及端口阻抗等关键性能指标的预测值，并分析了Sc掺杂带来的k²提升（从AlN的约2.8%提高到Al0.7Sc0.3N的7.8%）和介电常数增加对降低端口阻抗虚部、从而简化阻抗匹配的积极影响。
2. 器件制备与工艺优化： 器件的制备是实现高性能的基础，核心在于获得高质量、低应力的Al0.7Sc0.3N薄膜。研究采用脉冲直流磁控反应溅射技术，在Evatec Clusterline® 200 MSQ设备中使用单一的4英寸Al0.7Sc0.3合金靶材，在硅衬底上沉积了约1微米厚的Al0.7Sc0.3N薄膜。通过优化沉积工艺条件，获得了高结晶质量的薄膜，其（0002）晶面的X射线衍射半高宽（FWHM）约为1.3°，残余应力低至约67 MPa。这种低应力特性对于实现长达300微米的悬浮薄膜结构至关重要，避免了因应力导致的薄膜破裂或翘曲。器件制备流程基于团队先前报道的工艺。首先在沉积的AlScN薄膜上定义并制作SPUDT的金属电极（通常为钼或铝）。然后，通过背面或正面刻蚀技术去除器件核心区域下方的硅衬底，形成悬浮的薄膜结构，从而释放声波传播路径，减少能量向衬底的泄漏。作为对照，采用完全相同的设计参数制备了纯AlN的ADL器件。
3. 器件测试与性能表征： 制备完成的Al0.7Sc0.3N和AlN ADL器件使用射频探针台和矢量网络分析仪进行S参数测量。测试主要关注散射参数中的S21（传输系数），用于提取器件的插入损耗（IL）、中心频率和3-dB分数带宽（FBW）。同时，从S21的相位信息中提取群延迟（Group Delay）。通过测量不同延迟间隙长度（50, 100, 200, 300 μm）器件的频率响应，可以分离出由换能器本身引起的损耗和由声波传播路径引起的传播损耗。具体地，通过拟合插入损耗随间隙长度变化的曲线，可以提取出单位波长下的传播损耗（dB/λ）以及声波的群速度。此外，通过测量器件的输入阻抗，可以评估其与外部电路阻抗匹配的难易程度。
四、 主要研究结果与分析 1. Al0.7Sc0.3N ADL实现了创纪录的低插入损耗与良好带宽： 实验结果表明，基于Al0.7Sc0.3N薄膜的SPUDT ADL性能显著优于同设计的纯AlN器件。对于延迟间隙为50 μm的器件，Al0.7Sc0.3N ADL在中心频率约780 MHz处，实现了最低2.27 dB的插入损耗和7.1% 的3-dB分数带宽。相比之下，相同设计的AlN ADL在约973 MHz的中心频率处，最低插入损耗为5.60 dB，带宽为7.6%。这一结果直接证实了高Sc掺杂带来的高机电耦合系数（k² = 7.8%）有效改善了插入损耗与带宽之间的设计权衡，实现了更低的信号传输损耗。
2. 材料特性改善带来了更优的阻抗匹配特性： 测试分析显示，Al0.7Sc0.3N ADL的匹配阻抗为183 + j464 Ω。与仿真预测趋势一致，由于Sc掺杂使相对介电常数几乎翻倍，其端口阻抗的虚部（容抗部分）相较于纯AlN ADL（匹配阻抗虚部更高）降低了约40%。阻抗虚部的降低意味着在设计与外部电路（通常为50 Ω系统）的共轭匹配网络时，所需的电感值更小，匹配网络更易于实现，性能也更稳定，这对于射频集成电路的集成至关重要。
3. 成功提取了Al0.7Sc0.3N中S0兰姆波的关键传播参数： 通过分析不同间隙长度器件的群延迟数据，计算得到Al0.7Sc0.3N薄膜中S0兰姆波的群速度约为8505 m/s。该值与有限元仿真结果（8489 m/s）高度吻合，但低于纯AlN的群速度（~10881 m/s），这归因于Sc掺杂降低了材料的杨氏模量。较低的声速意味着在相同的物理长度下能获得更长的延迟时间，对于紧凑型延迟线设计有利。此外，研究提取了传播损耗为0.074 dB/λ（在788 MHz下），以及传播品质因数（Q）为338。这些参数定量表征了声波在Al0.7Sc0.3N薄膜中传播的效率和低损耗特性。
4. 长悬浮结构制备成功，展示了工艺可靠性： 研究成功制备并测试了延迟间隙长达300 μm的Al0.7Sc0.3N ADL器件，其对应的群延迟达到45.9 ns。这得益于优化的低应力（~67 MPa）薄膜沉积工艺，证明了高Sc浓度AlScN薄膜用于制备大面积悬浮结构的可行性和工艺稳定性，为更复杂、更长声学路径的器件奠定了基础。
5. 性能对比彰显优势： 论文将本研究结果与已报道的基于LiNbO3、LiTaO3和AlN的SPUDT ADL或SAW（表面声波）器件进行了对比。虽然LiNbO3等体材料器件具有更低的插入损耗，但AlN和AlScN器件具有CMOS工艺兼容的独特优势。在本工作中，Al0.7Sc0.3N ADL在保持与AlN器件相当带宽的同时，将插入损耗降低了超过50%（从>5.6 dB降至2.27 dB），显著提升了性能上限。
五、 研究结论与价值 本研究成功首次制备并表征了基于Al0.7Sc0.3N薄膜的单向SPUDT声学延迟线。实验证明，通过Sc掺杂大幅提升的机电耦合系数和介电常数，使得Al0.7Sc0.3N ADL在780 MHz中心频率处实现了2.27 dB的低插入损耗和7.1%的宽带宽，同时阻抗匹配难度显著降低。提取的声波传播参数（群速度8505 m/s，传播损耗0.074 dB/λ，传播Q值338）为基于AlScN的声学器件设计提供了重要数据支撑。
本研究的科学价值在于：1）首次将高Sc浓度（30%）的AlScN薄膜应用于声学延迟线器件，拓展了该材料在行波器件中的应用版图。2）系统性地实验验证了Sc掺杂对提升ADL综合性能（低损耗、易匹配）的物理机制（高k²和高介电常数）。3）展示了通过工艺优化解决高Sc浓度AlScN薄膜应力与质量问题的有效途径。
其应用价值更为突出：1）所实现的低损耗、易匹配、宽带宽ADL为片上射频滤波器、延迟线、振荡器等核心无源元件提供了高性能的解决方案。2）结合CMOS兼容的工艺，这项研究有力地推动了基于AlScN的压电声学平台向集成化、芯片级信号处理、传感和潜在的计算应用方向发展。
六、 研究亮点 1. 首创性： 这是首次关于采用Al0.7Sc0.3N薄膜和SPUDT结构实现声学延迟线的研究报告，填补了该材料在此类器件中的应用空白。 2. 性能突破： 实现了基于CMOS兼容压电薄膜的ADL中当时最低的插入损耗之一（2.27 dB），同时保持了良好的带宽，性能显著超越同结构的纯AlN器件。 3. 材料与工艺创新： 成功制备了低应力（67 MPa）、高质量（FWHM ~1.3°）的高Sc浓度（30%）AlScN薄膜，并实现了长达300 μm的悬浮结构，攻克了高掺杂薄膜用于长传播路径器件的关键工艺难题。 4. 机理验证与参数提取： 不仅展示了器件性能，还通过仿真与实验结合，清晰揭示了性能提升的物理根源（k²和εr增加），并首次实验提取了Al0.7Sc0.3N中S0兰姆波的关键传播参数（速度、损耗、Q值），为后续设计提供了宝贵数据。 5. 明确的集成化前景： 研究始终围绕“CMOS兼容”这一核心优势展开，所有改进都指向更易于与标准集成电路工艺集成和互连，突出了其面向未来集成微系统的应用潜力。
七、 其他有价值内容 论文在讨论部分也提到了当前技术的局限性与未来展望。例如，Sc掺杂会降低材料的热导率，从而可能限制器件基于品质因数的性能上限。然而，在本研究中，薄膜质量和晶体取向是影响性能的主导因素，通过工艺优化已得到很好控制。这暗示着未来通过进一步优化薄膜生长条件（如使用外延技术），有望在保持高k²的同时进一步提升晶体质量和热学性能。此外，文中指出的带内波纹（in-band ripple）问题，源于SPUDT换能器之间的多重反射，对于更长延迟线的设计是一个需要进一步优化的方向，可能通过换能器加权或反射栅设计来抑制。这些讨论为后续研究指出了明确的技术改进路径。