基于ScAlN/FeGa結(jié)構(gòu)的磁電聲表面波諧振器

姜建利, 楊雪梅，劉 婉，白飛明

(電子科技大學(xué) 電子薄膜與集成器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610054)

0 引言

近年來，層狀磁電(ME)復(fù)合材料因其豐富的界面物理場效應(yīng)備受關(guān)注[1-4]，在弱磁場傳感器[5-6]、自旋電子器件[7-9]、射頻/微波器件[10-11]等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。經(jīng)典ME效應(yīng)為磁場誘導(dǎo)的電極化變化或電場誘導(dǎo)的磁矩變化，隨著射頻/微波器件應(yīng)用的發(fā)展，高頻磁電效應(yīng)和逆磁電效應(yīng)被提出[12-13]。高頻逆磁電效應(yīng)是指使磁場引起的聲共振頻率偏移，現(xiàn)已作為一種調(diào)諧聲表面波(SAW)或體聲波(BAW)器件的手段[14-16]。聲波器件中SAW或BAW的傳播特性不僅與壓電層相關(guān)，也依賴于磁致伸縮襯底的磁彈性屬性，如巨楊氏模量效應(yīng)(ΔE效應(yīng))，即在磁場小應(yīng)變范圍楊氏模量發(fā)生很大改變(減小)的效應(yīng)[17]。本課題組提出了基于ZnO/FeSiB多層結(jié)構(gòu)的磁電SAW磁場傳感器[14]，其中ZnO壓電薄膜制備于具有巨楊氏模量的FeSiB帶材之上，由于磁致伸縮襯底選用FeSiB非晶帶材料，與微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)工藝結(jié)合較難。FeGa合金 (Fe1-xGax，0.12

本文一方面制備了一種基于ScAlN/FeGa異質(zhì)結(jié)構(gòu)的磁電SAW諧振器，對器件性能進(jìn)行了測試分析；另一方面通過多層結(jié)構(gòu)SAW傳播特性有限元仿真計(jì)算探究ScAlN/FeGa多層結(jié)構(gòu)中瑞利波的傳播特性，從理論上解釋了高聲表面相速度和諧振頻率出現(xiàn)的機(jī)理。該類器件將在磁場調(diào)諧射頻/微波諧振器、小型化NEMS天線、超靈敏磁場傳感器等中具有良好的應(yīng)用前景。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 ScAlN壓電薄膜制備

我們首先采用沈陽科學(xué)儀器公司JPG560雙室磁控濺射系統(tǒng)在N型Si(100)基片上反應(yīng)濺射沉積了 ScAlN 壓電薄膜。靶材選用直徑為?75 mm的Al靶(99.999%)和直徑為?8 mm的Sc片(99.999%)，反應(yīng)氣體選用高純N2氣體。已有研究發(fā)現(xiàn)[21]在適當(dāng)高功率、低氣壓、富氬氣的條件下可制備得到高度c軸取向的ScAlN薄膜，同時(shí)選取適當(dāng)?shù)闹绷?DC)偏壓和靶基距，可以優(yōu)化薄膜的表面形貌與取向度。經(jīng)過優(yōu)化的ScAlN薄膜(Sc摻雜相對原子數(shù)分?jǐn)?shù)為14.5%)的濺射沉積條件為：濺射氣壓0.11 Pa，射頻功率265 W，Ar流量16 cm3/min、N2流量4.0 cm3/min (N2與Ar的流量比為1∶4)，偏壓為-40 V。

磁致伸縮襯底采用由定向凝固法[19-20]生長的Fe81.3Ga18.7多晶材料，所選襯底呈[110](001)取向，其樣品尺寸為30 mm×9 mm×0.3 mm。用1 200目的砂紙將FeGa合金樣品(001)面表面的機(jī)械加工層磨至光滑，依次用7 μm、3 μm、0.25 μm金剛石拋光膏、粒徑為?50 nm的SiO2拋光液進(jìn)行表面拋光處理。然后采用直流磁控濺射在Fe81.3Ga18.7襯底上沉積厚為50 nm的金屬Ti附著層，再用射頻磁控反應(yīng)濺射法在Ti/Fe81.7Ga18.3上沉積所需厚度的ScAlN壓電薄膜，濺射條件：射頻功率280 W、濺射氣壓0.11 Pa、N2與Ar的流量比為1∶4，DC偏壓-40 V。ScAlN壓電薄膜的結(jié)構(gòu)通過X線衍射儀(XRD，DX-2700)分析，斷面形貌采用掃描電子顯微鏡(SEM，Inspect F50)分析。采用原子力顯微鏡(AFM，Seiko Instrument SPA-300HV)分析薄膜表面粗糙度。

1.2 ScAlN/FeGa結(jié)構(gòu)SAW諧振器制備

在ScAlN/Ti/FeGa結(jié)構(gòu)上利用反轉(zhuǎn)膠剝離光刻工藝制備SAW諧振器的叉指換能器(IDT)和反射柵。叉指電極為采用直流磁控濺射沉積的金屬Al電極，厚為100 nm，設(shè)計(jì)叉指電極對數(shù)為40對，叉指電極線寬為4 μm，反射柵500條，具體制備器件參數(shù)如表1所示。

表1 磁電SAW諧振器的器件參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 ScAlN壓電薄膜表征

對制備ScAlN壓電薄膜進(jìn)行表征測試，從圖1(a)中僅可見ScAlN(002)衍射峰，未見其他衍射峰，圖1(a)中插圖為(002)晶面的搖擺曲線，半高寬為3.6°，表明ScAlN薄膜具有良好的擇優(yōu)取向生長。由圖1(b)可知，ScAlN薄膜垂直襯底呈柱狀生長，即具有(002)取向的纖維織構(gòu)狀，薄膜質(zhì)量良好，其高度c軸取向生長的壓電薄膜是SAW器件制備的關(guān)鍵。

圖1 ScAlN壓電薄膜/Si(100)的XRD和SEM測試結(jié)果

2.2 ScAlN/FeGa結(jié)構(gòu)的性能表征

圖2為Sc14.5Al85.5N/Fe81.3Ga18.7的XRD和AFM測試結(jié)果。由圖2(a)可知，通過臺階儀測得薄膜厚為0.7 μm，圖2(a)還顯示，ScAlN薄膜呈c軸取向，(002)衍射峰對應(yīng)的衍射角2θ為35.29°。FeGa磁致伸縮襯底為各向異性介質(zhì)，我們所選FeGa合金為[110]取向多晶體，在衍射圖譜中44°左右存在FeGa (110)衍射峰，確定所用FeGa合金基底具有[110]取向。從圖2(b)中可看出，薄膜表面均方根表面粗糙度(RMS)為2.36 nm，可以滿足器件制備的要求。

圖2 Sc14.5Al85.5N/Fe81.3Ga18.7的XRD和AFM測試結(jié)果

圖3為單端口SAW諧振器示意圖。由圖3(b)可知，器件表面電極邊緣界限清晰平整、光滑、無明顯缺陷，有良好的圖形化效果，平均IDT周期為15.74 μm。

圖3 單端口SAW諧振器示意圖

2.3 SAW諧振器測試與仿真

采用安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和微波探針臺對單端口磁電SAW諧振器進(jìn)行測試。圖4為SAW諧振器測試結(jié)果。由圖4(a)可知，單端口SAW諧振器參數(shù)S11測試結(jié)果顯示中心頻率為218.75 MHz，SAW相速度vp=λ·f0(λ為波長，f0為諧振頻率)，其中叉指線寬為4 μm，λ=15.74 μm，得到SAW器件的瑞利波波速為3 443 m/s。相對應(yīng)的群時(shí)延結(jié)果如圖4(b)所示，該SAW諧振器的相位在218.75 MHz處有明顯變化。

圖4 SAW諧振器測試結(jié)果

在上述多層結(jié)構(gòu)SAW諧振器中，由于波長遠(yuǎn)大于壓電薄膜的厚度，SAW能量將進(jìn)入到FeGa合金襯底中，因此,ScAlN壓電薄膜和FeGa合金襯底會同時(shí)影響SAW諧振器的瑞利波聲速和機(jī)電耦合系數(shù)。為了理解高SAW相速度的起源及機(jī)電能量的耦合關(guān)系，我們利用COMSOL Multiphysics有限元仿真軟件進(jìn)一步計(jì)算了Sc40Al60N/Fe81.3Ga18.7多層結(jié)構(gòu)瑞利波的傳播特性，結(jié)果如圖5所示。其中Fe81.3Ga18.7的材料參數(shù)參見文獻(xiàn)[18]；Sc40Al60N壓電薄膜的厚為0.7 μm，材料參數(shù)參見文獻(xiàn)[22]，簡化分析只抽取SAW諧振器的單個波長范圍，并僅考慮瑞利波模式。

圖5 SAW諧振器器件仿真結(jié)果

由圖5(a)可知，瑞利波諧振頻率為219 MHz，在更高的頻率范圍內(nèi)不存在瑞利波。圖5(b)為在Sc40Al60N/Fe81.3Ga18.7多層結(jié)構(gòu)中傳播的瑞利波模式振型圖，則瑞利波的相速度為3 504 m/s，機(jī)電耦合系數(shù)k2與波速之間滿足k2= 2(vfree-vmetal)/vfree(其中，Vfree為自由表面波速，Vmetal為金屬表面波速)，仿真計(jì)算得到k2=0.33%。SAW諧振器的k2也可通過矢網(wǎng)分析測試計(jì)算得到，其計(jì)算公式為[23]

(1)

式中：fr為諧振頻率；Gm(fr)和Bs(fr)分別為SAW器件在fr處的動態(tài)電導(dǎo)和靜態(tài)電納。經(jīng)計(jì)算可得k2=0.06%。SAW諧振器測試相速度與仿真結(jié)果基本一致，器件測試機(jī)電耦合系數(shù)與仿真結(jié)果存在一定的偏差，其主要原因?yàn)椋?/p>

1) 在SAW諧振器的各個制備工藝中表面粗糙度不能達(dá)到理想狀態(tài)。

2) 叉指換能器的金屬鋁電極均勻性問題。

3) 在仿真計(jì)算中將FeGa磁致伸縮襯底按單晶處理，材料參數(shù)采用單晶的材料參數(shù)，而實(shí)際器件制備中所用襯底為FeGa多晶塊材。

3 結(jié)束語

本文在FeGa合金磁致伸縮襯底上采用射頻反應(yīng)磁控濺射沉積ScAlN壓電薄膜，X線衍射和掃描電鏡分析顯示，ScAlN壓電薄膜具有優(yōu)良的(002)擇優(yōu)取向，晶粒呈柱狀垂直生長于襯底上，原子力顯微鏡分析表明薄膜表面粗糙度滿足器件制備要求。另外，我們制備了單端口SAW諧振器，SAW諧振器的設(shè)計(jì)波長為16 μm，實(shí)測諧振頻率為218.75 MHz，相速度vp為3 443 m/s。COMSOL仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果較吻合。隨著制備工藝的改善和機(jī)電耦合系數(shù)的提高，基于ScAlN/ FeGa多層膜結(jié)構(gòu)的磁電聲表面波諧振器將有望用于高靈敏度弱磁場探測應(yīng)用中。