中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
隨著(zhù)5G技術(shù)、工業(yè)4.0和物聯(lián)網(wǎng)的興起，無(wú)線(xiàn)通信系統飛速發(fā)展，對射頻模塊性能提出了更高要求。體聲波（BAW）濾波器憑借其獨特優(yōu)勢，成為該領(lǐng)域的關(guān)鍵元件，而其中壓電材料的性能則是決定濾波器性能的核心因素。BAW濾波器因具備高工作頻率、低插入損耗和優(yōu)異的品質(zhì)因子（Q值），在射頻模塊中得到廣泛應用。氮化鋁（AlN）雖在BAW濾波器中應用廣泛，但本征機電耦合系數較小，限制了濾波器帶寬。摻鈧（Sc）AlN則有效彌補了這一劣勢，成為極具發(fā)展前景的壓電材料。不過(guò)，Sc元素摻入帶來(lái)的高鍵能增加了工藝加工難度，其薄膜的生長(cháng)和加工工藝成為研制高性能壓電器件的關(guān)鍵。
中國科學(xué)院上海微系統所的研究團隊在《傳感器與微系》期刊上發(fā)表了題為“高摻鈧AlN壓電薄膜HBAR器件及工藝研究”的文章。該團隊在高摻鈧氮化鋁（Al?Sc???N）壓電薄膜高次諧波體聲波諧振器（HBAR）的研究方面取得了重要成果。
研究團隊圍繞高摻鈧AlN壓電薄膜HBAR器件展開(kāi)了深入研究。研究人員首先對不同Sc濃度的Al?Sc???N薄膜HBAR諧振器進(jìn)行仿真設計。研究發(fā)現，Sc摻雜能顯著(zhù)提升AlN壓電薄膜的機電耦合系數，當摻Sc含量達到30%時(shí)，Al0.7Sc0.3N薄膜的k2可提升至13.5%。通過(guò)對不同摻Sc濃度的HBAR器件進(jìn)行仿真，得出隨著(zhù)摻Sc濃度增加，器件頻譜左移、諧振頻率下降的結論。同時(shí)，30%的Sc摻雜可以實(shí)現近5倍的有效機電耦合系數的提升，為HBAR器件制備提供了重要參考。
圖1 摻鈧濃度對HBAR器件性能的影響
在器件制備環(huán)節，這項研究詳細闡述了基于高摻Al0.7Sc0.3N壓電薄膜的HBAR器件制備工藝流程（如圖2）。從在4英寸高阻硅襯底上沉積Mo底電極，到依次沉積壓電層和頂電極，再到采用ICP工藝進(jìn)行刻蝕，以及最后引出電極，每個(gè)步驟都經(jīng)過(guò)精心設計。其中，在Mo電極斜坡刻蝕工藝研發(fā)方面，研究人員采用CF?/SF?/O?混合氣體對Mo電極進(jìn)行刻蝕，研究了ICP功率、O?和SF?流量等工藝參數對刻蝕角度和斜坡平滑度的影響。
圖2 HBAR器件制備工藝流
制備完成后，研究人員對Al0.7Sc0.3N壓電薄膜HBAR器件進(jìn)行了測試與分析。采用矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀對HBAR諧振器進(jìn)行射頻特性測試，結果顯示該器件在2 – 7 GHz內具有多模諧振特性，最強諧振峰出現在5 GHz附近，與設計頻率吻合（如圖3）。通過(guò)對器件散射系數S11參數的分析，提取出器件的k2eff?；诟逽c摻雜Al0.7Sc0.3N壓電薄膜的HBAR器件k2eff得到顯著(zhù)提升，最大值達到0.24%，相比純AlN薄膜器件提升約6倍。
圖3 HBAR器件散射系數S11及有效機電耦合系數k2eff
綜上所述，這項研究成功制備出高Sc摻雜的Al0.7Sc0.3N壓電薄膜HBAR諧振器，在提升體聲波諧振器性能的作用機理與器件關(guān)鍵工藝方面取得了重要突破。不僅實(shí)現了Mo電極側壁傾角的大范圍可控調節，還開(kāi)發(fā)出高速率、高質(zhì)量的高Sc摻雜Al0.7Sc0.3N壓電薄膜刻蝕工藝。這一系列成果為開(kāi)發(fā)適用于高頻、大帶寬應用的高性能體聲波濾波器提供了寶貴的前期探索與經(jīng)驗積累，有望推動(dòng)無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域射頻模塊的進(jìn)一步發(fā)展，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)升級注入新的動(dòng)力。
論文信息：
DOI: 10.13873/J.1000-9787(2025)01-0076-04
