使用AlScN/SiC薄膜制备近6GHz Sezawa模式声表面波谐振器 *

1. 概述

        4H-SiC衬底上外延氮化铝钪（AlScN）薄膜制备的声表面波（SAW）器件提供了高声速、低热阻、显著的压电响应、简化的制造以及适用于高温和恶劣环境操作的特性。本研究提出使用AlScN/SiC外延薄膜制备高频SAW谐振器，利用第二SAW模式（称为Sezawa模式）。该谐振器实现了卓越的性能，在4.7 GHz时K2值为5.5%，最大Q因子（Qmax）为1048，优于之前的基准。此外，波长为0.96µm的SAW谐振器的频率达到5.9 GHz，创下K2（4.0%）和Qmax（887）的记录。此研究强调了AlScN on SiC平台在先进射频应用中的潜力。

2. 样品制备

        AlScN器件的制造遵循图1（a）所示的工艺流程。采用来自我司的4英寸高阻（>1e5 ohm•cm）4H-SiC衬底。在350°C的温度和低于1 x 10^-7mbar的基本压力下，使用Evatec CLUSTERLINE 200 II PVD系统在不破坏真空的情况下溅射沉积压电薄膜。沉积工艺由三个步骤组成：15nm AlN籽晶层、35nm梯度层和950nm体AlScN层，旨在实现最佳AlScN质量。在以上三个步骤中，在不使用Ar作为工艺气体的情况下，保持20sccm的恒定N2流量。对于具有42% Sc浓度的950nm体AlScN层，Al和Sc 4英寸靶功率分别设定为1kW和770W。在梯度层沉积过程中，Sc靶功率从0逐渐增加到770W，同时保持Al靶功率恒定。在沉积过程中，腔室压力保持在约8.0 x 10^-4mbar。

        在AlScN膜沉积之后，使用原子力显微镜（AFM，Bruker Icon）和X射线衍射仪（XRD，Rigaku Smart Lab）对膜进行分析，如图1（b）和（c）所示。沉积的AlScN的Omega扫描数据以18.3°为中心，半峰全宽（FWHM）为1.43°，表明薄膜的高c轴取向。该值略大于通过分子束外延生长的Al0.6Sc0.4N中观察到的值，该值为0.99°。AFM扫描显示，在10 x 10µm²的区域内，均方根粗糙度（Rq）约为1.31 nm，表明不存在异常取向晶粒（AOG）。

图1（a）AlScN/SiC SAW谐振器的制造工艺流程；（b）SiC顶部1µm AlScN的XRD摇摆曲线测量，半峰全宽（FWHM）为1.43°；（c）沉积在SiC上的1µm厚AlScN膜的AFM图像，均方根粗糙度（Rq）和平均粗糙度（Ra）分别为1.32nm和1.04nm；（d）单端口SAW谐振器的示意图（e）聚焦在IDT和反射器上的扫描电子显微镜（SEM）图像；（f）SAW谐振器的mBVD等效电路模型

3. 结论

        该研究成功地展示了利用溅射Al0.58Sc0.42N-on-SiC平台制备的高性能SAW谐振器。对SAW谐振器的设计结构进行了优化，以同时实现高频、高K2、高Q因子和弱杂散模式。研究人员将其归因于AlScN薄膜的特殊压电性能和SiC衬底的晶格匹配。深入探讨了不同叉指换能器（IDT）指对对对性能的影响。还概述了不同波长和频率的频率响应趋势。虽然需要进一步优化IDT指状物的几何形状来解决低频SAW谐振器中的杂散模式，但这项研究强调了AlScN/SiC声学器件在射频应用中的潜在潜力。

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