中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
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、金剛石等半導體材料被并稱為超寬禁帶半導體，與氮化鎵、碳化硅等第三代半導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諧振器的理想材料，已被廣泛應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，制備溫度高，高質(zhì)量單晶制備條件極其苛刻，這些問題嚴重限制了氮化鋁單晶材料的發(fā)展及應用，因此高質(zhì)量大尺寸氮化鋁單晶材料的制備與應用是目前新型半導體材料發(fā)展的重要方向。
針對上述瓶頸問題，國內(nèi)外諸多單位，例如日本三重大學、德國柏林工業(yè)大學、北京大學、松山湖材料實驗室、中科院半導體研究所、長春光機所、杭州奧趨光電等機構(gòu)相繼投入財力、物力與人力對氮化鋁單晶材料進行深入研究，有效推動了氮化鋁單晶材料在紫外發(fā)光領(lǐng)域的應用。而氮化鋁材料另一重要應用領(lǐng)域—高頻微機電系統(tǒng)（MEMS），依然鮮有氮化鋁單晶材料的應用案例。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，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，尚無法在常用金屬電極薄膜上生長單晶氮化鋁。由此來看，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；另一方面體聲波諧振器具有相對復雜的器件結(jié)構(gòu)，表面聲波諧振器雖然結(jié)構(gòu)簡單，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較弱，無法充分利用c軸的優(yōu)異壓電性能。
應對上述瓶頸問題，由北京大學、上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、松山湖材料實驗室組成的聯(lián)合研究團隊，提出了基于高溫熱退火技術(shù)制備a面氮化鋁單晶薄膜實現(xiàn)高性能表面聲學諧振腔的解決方案(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)簡單的雙重優(yōu)點。本方案是基于高質(zhì)量非極性面單晶氮化鋁薄膜實現(xiàn)的MEMS聲學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”為題收錄于聲學領(lǐng)域頂級會議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指向為極化方向)
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面藍寶石襯底上a面氮化鋁的結(jié)構(gòu)示意圖。
研究團隊利用物理氣相沉積結(jié)合1700℃超高溫退火技術(shù)在r面藍寶石襯底上實現(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的衍射信號，同時其與藍寶石
衍射斑具有相同的qx/qy，表明氮化鋁
和藍寶石
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隨溫度變化測試曲線; (e) θ=0°時，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。為了證明施加電場方向與c軸之間相對角度的重要性，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°為步進漸變。當θ=0°時，施加電場方向與氮化鋁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)，諧振器同時在4.00 GHz頻段激發(fā)出高頻橫向體波(LBAW)，如圖3f所示，當θ=0°時，LBAW的 fr和fa的頻率分別為4.007和4.064 GHz，計算其對應的Kt2值為3.33%，計算得到聲速高達9614 m/s，該工作是氮化鋁體系中首次僅通過平面叉指電極激發(fā)高速橫向體波。該結(jié)果證實了非極性面氮化鋁單晶薄膜在高頻聲學諧振器領(lǐng)域具有巨大優(yōu)勢。特別值得一提的是，實現(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~7 nm，證明了此項技術(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所面臨的瓶頸問題，有望推動高溫退火氮化鋁單晶薄膜在射頻器件領(lǐng)域的發(fā)展與應用。
該研究工作由北京大學、上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、松山湖材料實驗室等單位共同完成。北京大學博士生盧同心、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教授為共同通訊作者，同時該工作得到了南京航空航天大學吉彥達副教授、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家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、北京市卓越青年科學家項目、中國科協(xié)青年精英科學家資助計劃等項目的支持。
