隨著5G技術、工業(yè)4.0和物聯網的興起，無線通信系統(tǒng)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，成為該領域的關鍵元件，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，Sc元素摻入帶來的高鍵能增加了工藝加工難度，其薄膜的生長和加工工藝成為研制高性能壓電器件的關鍵。
中國科學院上海微系統(tǒng)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諧振器進行仿真設計。研究發(fā)現，Sc摻雜能顯著提升AlN壓電薄膜的機電耦合系數，當摻Sc含量達到30%時，Al0.7Sc0.3N薄膜的k2可提升至13.5%。通過對不同摻Sc濃度的HBAR器件進行仿真，得出隨著摻Sc濃度增加，器件頻譜左移、諧振頻率下降的結論。同時，30%的Sc摻雜可以實現近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(jié)，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工藝進行刻蝕，以及最后引出電極，每個步驟都經過精心設計。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器件進行了測試與分析。采用矢量網絡分析儀對HBAR諧振器進行射頻特性測試，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鍵工藝方面取得了重要突破。不僅實現了Mo電極側壁傾角的大范圍可控調節(jié)，還開發(fā)出高速率、高質量的高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驗積累，有望推動無線通信領域射頻模塊的進一步發(fā)展，為相關產業(yè)升級注入新的動力。
論文信息：
DOI: 10.13873/J.1000-9787(2025)01-0076-04
