一项针对氮化铝声表面波器件性能优化的系统性研究：揭示波传播方向的关键影响

第一，研究团队、期刊及发表时间 本研究由中国科学院的Yujie Ai（第一作者）、Shuai Yang、Zhe Cheng、Lian Zhang、Lifang Jia，北方华创科技集团股份有限公司的Boyu Dong，以及中国科学院大学的Junxi Wang和Yun Zhang（通讯作者，邮箱：yzhang34@semi.ac.cn）共同完成。研究成果以题为“Enhanced performance of AlN SAW devices with wave propagation along the 〈11−20〉 direction on c-plane sapphire substrate”的论文形式，发表于2019年3月19日的《Journal of Physics D: Applied Physics》期刊上（卷52，文章号215103）。

第二，学术背景与研究目标 本研究属于微电子学、声学与材料科学的交叉领域，聚焦于声表面波器件技术。声表面波（Surface Acoustic Wave， SAW）滤波器和谐振器是现代无线通信与传感系统的核心元件。传统上，铌酸锂（LiNbO₃）、钽酸锂（LiTaO₃）等体压电晶体因其优良的压电性能而被广泛使用。然而，随着通信频段向高频发展，对器件性能提出了更高要求。氮化铝（AlN）薄膜因其高声速（5500–6000 m s⁻¹）、高热稳定性（熔点约1600 °C）以及与半导体工艺兼容等优点，被视为高频SAW器件的理想候选材料。但AlN基SAW谐振器的品质因数（Q）和机电耦合系数（k²_t）通常低于传统的LiNbO₃基器件。

为提升AlN基SAW器件性能，研究界已尝试了多种途径，包括改善AlN薄膜晶体质量、掺杂钪（Sc）、使用c轴倾斜的AlN薄膜、使用a面AlN薄膜以及优化叉指换能器（Interdigital Transducers， IDT）设计等。其中，声波在薄膜内的传播方向是一个潜在的、但尚未被系统研究的关键参数。此前，Gillinger等人曾报道，在基于C面AlN薄膜的延迟线型SAW器件中，沿a方向（〈11−20〉晶向）的相速度比沿m方向（〈1−100〉晶向）高约2.5%。然而，声波传播方向对SAW谐振器的核心性能参数（如Q值、k²_t、插入损耗等）的影响，尚未有系统性的探讨和阐明。

因此，本研究的核心目标是：系统性地实验研究声波沿C面AlN薄膜的a方向与m方向传播时，对Rayleigh波模式SAW谐振器的声速、机电耦合系数（k²_t）、品质因数（Q）及插入损耗等关键特性的影响，并通过有限元模型（FEM）模拟探究其背后的各向异性弹性矩阵差异，旨在确定更适合高性能SAW器件应用的声波传播方向。

第三，详细研究流程 本研究包含三个主要阶段：高质量AlN薄膜的制备与表征、SAW器件的设计与加工、以及最终的性能测试与仿真分析。

1. 材料制备与表征： * 研究对象与制备： 研究在2英寸（0001）面蓝宝石衬底上，通过反应磁控溅射技术外延生长C面AlN压电薄膜。具体工艺参数包括：射频功率3 kW，频率100 kHz，溅射气压2–8 mTorr，衬底温度约600 °C，沉积速率约18 nm/min。特别值得注意的是，在AlN层与蓝宝石衬底之间引入了一个约10 nm厚的AlON过渡层，该层在沉积过程中铝、氧、氮的原子比例从Al₂O₃渐变至AlN，这有助于改善薄膜的晶体质量并降低应力。最终获得的AlN薄膜厚度为1.2 µm。 * 表征方法： 采用高分辨率X射线衍射（HRXRD， Bede D1）评估薄膜的晶体质量和取向。利用原子力显微镜（AFM， Veeco D3100）在10 µm × 10 µm范围内观察薄膜的表面形貌和粗糙度。 * 数据工作流程： 通过XRD的2θ–ω扫描确定薄膜的结晶相和取向，通过（0002）面的摇摆曲线半高宽（FWHM）定量评估薄膜的c轴取向一致性。通过AFM图像计算表面均方根粗糙度（RMS）。

2. 器件加工与设计： * 研究对象与设计： 在制备好的AlN薄膜上，通过电子束蒸发和剥离光刻工艺，制作了两种类型的SAW器件：单端口谐振器和双端口谐振器。叉指换能器电极材料为Ti/Al（10 nm/420 nm）复合薄膜。所有器件设计波长（λ）为8 µm，声孔径（W）为30λ，每个端口两侧各有100个短路金属栅条。单端口谐振器的叉指对数（N_idt）为180。双端口谐振器的叉指对数为100，输入输出IDT之间的延迟间隙为8 µm。所有IDT的金属化比率均为50%。 * 关键变量定义： 本研究定义了两种器件构型以研究传播方向的影响。Saw-a谐振器：其IDT指条垂直于C面AlN薄膜的主平边方向，从而使声波沿a方向（〈11−20〉）传播。Saw-m谐振器：其IDT指条平行于主平边方向，使声波沿m方向（〈1−100〉）传播。这是本实验设计的核心创新点，通过简单的版图布局实现了对不同晶体学方向声波特性的精确对比研究。

3. 性能测试与仿真分析： * 实验方法： 使用网络分析仪（Rohde & Schwarz ZVL）在完成TSOM（直通、短路、开路、匹配）校准后，测量SAW器件的S参数。 * 仿真方法： 为探究实验现象背后的物理机制，研究团队建立了二维有限元模型（FEM）。模型将一个波长的周期性结构简化为一个单元，在AlN/蓝宝石结构的左右边界施加周期性边界条件，底部固定。将蓝宝石视为各向同性材料（杨氏模量360 GPa，泊松比0.22，密度3965 kg m⁻³）。通过调整AlN的材料参数（特别是弹性矩阵），使模拟的谐振频率与实验测量值相吻合，从而反推出对应传播方向的等效弹性常数。 * 数据分析流程： 对于单端口谐振器，从测量的S11参数中提取导纳曲线（幅值和相位），然后利用公式计算谐振频率（f_r）、反推声速（v_r = f_r * λ）、品质因数Q（基于谐振点处相位-频率曲线的斜率）和机电耦合系数k²_t（基于辐射电导和电纳）。对于双端口谐振器，主要从S21参数中提取中心频率、插入损耗和带外抑制水平。仿真部分则通过参数扫描，分析不同弹性常数分量变化对谐振频率的影响，从而确定对方向性差异最敏感的参数。

第四，主要研究结果 1. 材料表征结果： XRD的2θ–ω扫描显示，在36.06°和41.73°处出现了尖锐的衍射峰，分别对应六方AlN的（0002）面和Al₂O₃的（0006）面，证实了AlN薄膜具有良好的c轴取向。关键结果是，（0002）面XRD摇摆曲线的半高宽仅为0.088°，这表明在蓝宝石衬底上成功获得了高度c轴取向的AlN薄膜，晶体质量极佳。AFM测量显示，薄膜的均方根粗糙度仅为1.123 nm，表面非常平整。高质量、低粗糙度的薄膜是后续获得高性能器件的基础。

2. 单端口SAW谐振器性能结果： * 谐振频率与声速： Saw-a谐振器的谐振频率（f_r）为703.56 MHz，Saw-m谐振器为688.68 MHz。对应计算出的Rayleigh波声速分别为5628.48 m s⁻¹和5509.44 m s⁻¹。沿a方向的声速比沿m方向高2.16%，这与文献报道的2.5%非常接近，验证了AlN薄膜声学特性的各向异性。 * 品质因数与机电耦合系数： Saw-a谐振器的Q值为1347，k²_t为0.29%；而Saw-m谐振器的Q值为1082，k²_t为0.20%。与m方向相比，沿a方向传播的谐振器Q值提升了约25%，k²_t提升了惊人的45%。 这一结果明确显示，声波传播方向对SAW谐振器的能量损耗（影响Q值）和电能-机械能转换效率（影响k²_t）有极其显著的影响。更高的f_r、Q和k²_t使得a方向器件在滤波器和传感器应用中更具潜力。作者分析认为，k²_t的提升可能与a方向具有更大的弹性常数有关（公式k²_t ∝ d²·c/ε）。

3. 双端口SAW谐振器性能结果： * 频率响应： Saw-a谐振器的中心频率为703.06 MHz，插入损耗最低点为8.71 dB，带外抑制为18.02 dB。Saw-m谐振器的对应值分别为689.18 MHz、11.94 dB和15.64 dB。 * 性能对比： 沿a方向的双端口器件，其中心频率提高了2.0%，插入损耗降低了3.23 dB，带外抑制提高了2.38 dB。 更低的插入损耗意味着信号在器件中传输时的能量损失更小，这对于实际应用至关重要。作者推测，a方向更低的插入损耗可能源于该方向具有更大的声功率流密度。特别值得指出的是，8.71 dB的插入损耗是当时已报道的AlN基SAW器件中的优异水平，这归功于超高的薄膜晶体质量和正确的波传播方向选择。

4. 有限元仿真与弹性常数提取结果： 为了解释上述性能差异的物理根源，研究团队进行了深入的FEM仿真分析。 * m方向参数确定： 基于Tsubouchi等人报道的AlN体材料参数，仅将剪切模量c44从118 GPa调整为102 GPa后，模拟得到的谐振频率（688.79 MHz）与Saw-m谐振器的实验值（688.75 MHz）完美吻合。这表明文献中常用的AlN材料参数集更接近其m方向的特性。 * 参数敏感性分析： 通过改变各个弹性常数分量（c11, c12, c13, c33, c44）并观察谐振频率的变化（δf），发现δf对轴向压缩模量c11和剪切模量c44的变化非常敏感，而对c12, c13, c33的变化不敏感。因此，a方向与m方向之间的性能差异主要归因于c11和c44的不同。 * a方向参数提取： 依据各向同性材料中c44与c11的近似关系（c44 ≈ (c11 - c12)/2），以固定的比例（约3:1）同时增加c11和c44。当c11从345 GPa增加至429 GPa，c44从102 GPa增加至128 GPa时，模拟得到的谐振频率（703.57 MHz）与Saw-a谐振器的实验值（703.56 MHz）高度一致。 * 结论性数据： 最终提取出的C面AlN薄膜沿不同方向的弹性常数如下表所示： | 弹性常数 | m方向 (〈1−100〉) | a方向 (〈11−20〉) | | :— | :— | :— | | c11 | 345 GPa | 429 GPa | | c12 | 125 GPa | 125 GPa | | c13 | 120 GPa | 120 GPa | | c33 | 395 GPa | 395 GPa | | c44 | 102 GPa | 128 GPa | 该结果表明，沿a方向传播时，AlN薄膜表现出显著更高的刚性（c11和c44更大），这直接导致了更高的声速、可能更高的k²_t以及更优的器件性能。

第五，研究结论与价值 本研究的核心结论是：对于生长在C面蓝宝石衬底上的AlN薄膜，设计SAW器件时，使声波沿晶体的a方向（〈11−20〉） 传播，相比沿传统的m方向（〈1−100〉），能系统性且显著地提升器件的综合性能。这包括更高的谐振频率/声速、更高的品质因数（Q）、更大的机电耦合系数（k²_t）、更低的插入损耗和更好的带外抑制。其物理本质源于AlN薄膜在a方向上具有更大的轴向压缩模量（c11）和剪切模量（c44）。

本研究的科学价值在于：首次系统性地实验验证并量化了声波传播方向对C面AlN基SAW谐振器全套关键性能参数的影响，填补了该领域的认知空白；通过巧妙的实验设计与FEM仿真相结合，不仅观察到了现象，更深入揭示了现象背后的材料各向异性力学本质，提取了针对不同传播方向的等效弹性常数，为AlN声学器件的精确设计与模拟提供了更准确的材料参数依据。

其应用价值则非常直接且重要：为高性能、特别是高频、低损耗AlN基SAW滤波器、谐振器和传感器的设计提供了一条简单而有效的优化途径。在工艺上，仅需在版图设计时注意IDT指条相对于衬底晶向的排布（使其垂直于主平边以获得a方向传播），无需复杂的材料改性或额外的工艺步骤，即可实现器件性能的显著飞跃。这对于推动AlN-SAW器件在5G/6G通信、物联网传感等领域的实际应用具有重要的指导意义。

第六，研究亮点 1. 研究视角新颖： 聚焦于一个常被忽略但影响深远的关键参数——声波传播的晶体学方向，并对两个主要方向（a向和m向）进行了系统性的对比研究，思路清晰，结论明确。 2. 实验设计巧妙： 通过定义“Saw-a”和“Saw-m”两种简单的器件布局，在完全相同的材料与工艺基础上实现了变量的精确控制，保证了对比实验的公平性和结果的可信度。 3. 性能提升显著： 获得了当时文献中插入损耗（8.71 dB）表现优异的AlN基双端口SAW器件，并明确了性能提升的主要归因于传播方向的选择，而非单一的材料质量优化。 4. 机理探究深入： 不仅停留在性能测试层面，还通过建立FEM模型，将宏观器件性能的差异溯源至微观材料弹性常数的各向异性，实现了从现象到本质的跨越，增强了研究的深度和说服力。 5. 工艺兼容性强： 所提出的优化方案（选择a方向）与现有主流的平面工艺完全兼容，易于在产业界实施和推广，具备很高的实用价值。

第七，其他有价值内容 本研究在材料制备环节采用的“AlON渐变过渡层”技术，是获得超高晶体质量（FWHM=0.088°）AlN薄膜的关键。这种界面工程策略有效缓解了AlN与蓝宝石衬底之间的晶格失配和热失配，为后续器件的优异性能奠定了基石。这一细节提示，要实现最终器件性能的优化，需要材料生长、器件物理和设计协同优化。