基于ZnO多層結(jié)構(gòu)的聲表面波高頻器件分析設(shè)計(jì)

郭欣榕，譚秋林，李 博

（1.中北大學(xué) 儀器與電子學(xué)院，山西 太原 030000；2.電子測(cè)試技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

0 引 言

隨著5G通信技術(shù)的發(fā)展，高頻SAW器件得到了更多的應(yīng)用。高頻器件所需的叉指電極的微細(xì)加工對(duì)工藝要求較高，實(shí)現(xiàn)難度較大。提高材料的聲速成為實(shí)現(xiàn)高頻SAW器件的首選方法。金剛石作為聲速最大的材料，常用作高頻SAW器件的襯底材料，但由于金剛石不具備壓電性，需要在金剛石襯底上覆蓋一層或多層壓電薄膜來實(shí)現(xiàn)聲表面波器件的制作。同時(shí)，可以通過對(duì)多層結(jié)構(gòu)的優(yōu)化來提高SAW器件的性能。不同領(lǐng)域的應(yīng)用對(duì)器件要求也不同，例如，航天等領(lǐng)域要求SAW器件可以在惡劣環(huán)境如高溫環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作；在液體中工作時(shí)，蘭姆波作為橫波相對(duì)于瑞利波來說衰減更小，更適合在液體環(huán)境中工作。在進(jìn)行非溫度量的測(cè)量時(shí)，人們希望可以通過溫度補(bǔ)償層消除溫度的影響。對(duì)溫度量進(jìn)行測(cè)量時(shí)，人們希望可以得到較大的溫度靈敏度，同時(shí)希望被測(cè)量在溫度測(cè)試區(qū)間內(nèi)與溫度一一對(duì)應(yīng)。對(duì)于傳感器來說，較大的反射系數(shù)可以提高傳感器的Q值；對(duì)于濾波器而言，較小的反射系數(shù)可以增大濾波器的帶寬。

1 IDT/ZnO/Diamond雙層結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

選取金剛石作為襯底材料，ZnO薄膜作為壓電層。ZnO是一種較早投入研究的壓電材料，具有較高的機(jī)電耦合系數(shù)，制作工藝較為完備，因此在很多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。對(duì)IDT/ZnO/Diamond雙層結(jié)構(gòu)[1-2]的聲表面波器件進(jìn)行有限元仿真。其中，機(jī)電耦合系數(shù)、相速度及溫度敏感系數(shù)是器件的主要性能指標(biāo)。一般傳感器的各項(xiàng)性能指標(biāo)與傳感器壓電薄膜的厚度切向及金屬電極的厚度有關(guān)。首先對(duì)不同切向的ZnO薄膜對(duì)器件性能的影響進(jìn)行仿真分析。三維有限元仿真模型如圖1所示。

圖1 IDT/ZnO/Diamond結(jié)構(gòu)的三維有限元仿真模型

電極選用Au材料，電極厚度為0.4 μm。叉指寬度為2 μm，金屬率為0.5。Diamond層的厚度為30 μm，ZnO層的厚度為5 μm。模型的ZnO前后表面與Diamond前后邊界和左右邊界都采用周期性連續(xù)邊界條件。Diamond層下表面添加固定約束條件。采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系實(shí)現(xiàn)不同切向ZnO壓電薄膜的參數(shù)化掃描，得到當(dāng)ZnO薄膜取不同切向時(shí)的機(jī)電耦合系數(shù)和聲表面波波速[3]，結(jié)果分別如表1和表2所示。

表1 ZnO薄膜的機(jī)電耦合系數(shù)K2與晶向及膜厚的關(guān)系

表2 ZnO薄膜的相速度與晶向及膜厚的關(guān)系

由于ZnO結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性[4]，（0，0，0）ZnO、（0，0，45）ZnO及（0，0，90）ZnO，（90，90，0）ZnO和（0，90，0）ZnO，（90，90，45）ZnO和（0，90， 45）ZnO，（90，90，90）ZnO和（0，90，90）ZnO具有相同的機(jī)電耦合系數(shù)和聲表面波的波速，故沒有全部列出，（0，0，0）ZnO的2ndRayleigh波的機(jī)電耦合系數(shù)為1.784 7%，波速為5 018.48 m·s-1， （0，90，0）ZnO的1stLove波的機(jī)電耦合系數(shù)為1.953 6%， 波速為3 002.32 m·s-1。（0，90，90）ZnO的機(jī)電耦合系數(shù)為2.899 8%，波速為5 081.84 m·s-1。相對(duì)于其他切向來說具有較高的機(jī)電耦合系數(shù)，波速均大于3 000 m·s-1。

之后分別對(duì)ZnO薄膜?。?，0，0）、（0，90，0）及（0，90，90）晶向時(shí)的ZnO薄膜厚度對(duì)聲表面波器件機(jī)電耦合系數(shù)、速度、反射系數(shù)及溫度敏感系數(shù)的影響進(jìn)行有限元仿真分析，結(jié)果如圖2～圖4所示?？梢钥闯?，隨著ZnO厚度的增加，ZnO薄膜取3種不同晶向的聲表面波的波速均下降，這是因?yàn)槁暠砻娌ǖ哪芰恐饕性谄骷砻?，ZnO薄膜在帶來壓電性質(zhì)的同時(shí)也不可避免地降低了聲表面波波速。ZnO薄膜取3種不同晶向時(shí)的機(jī)電耦合系數(shù)均先升高后降低。如圖2所示，ZnO（0，0，0）薄膜厚度為5 μm時(shí)2ndRayleigh波的機(jī)電耦合系 數(shù)最大，最大機(jī)電耦合系數(shù)為2.063 3%；ZnO （0，90，0）薄膜厚度為0.8 μm時(shí)1stLove波的機(jī)電耦合系數(shù)最大，最大機(jī)電耦合系數(shù)為4.367 2%； ZnO（0，90，90）薄膜厚度為3.2 μm時(shí)2ndRayleigh 波的機(jī)電耦合系數(shù)最大，最大機(jī)電耦合系數(shù)為2.949 9%。 如圖4所示，ZnO（0，0，0）歸一化薄膜厚度hZnO/λ為0.5時(shí)2ndRayleigh波 的 溫 度 敏 感 系 數(shù) 最大，最大溫度敏感系數(shù)為-19.395 ppm/℃；ZnO （0，90，0）歸一化薄膜厚度hZnO/λ為0.5時(shí)1stLove 波的溫度敏感系數(shù)最大，最大溫度敏感系數(shù)為-21.834 ppm/℃；ZnO（0，90，90）歸一化薄膜厚度hZnO/λ為0.3時(shí)2ndRayleigh波的 溫度敏感系數(shù)最大，最大溫度敏感系數(shù)為-21.247 ppm/℃。當(dāng)ZnO（0，90，0）歸一化薄膜厚度hZnO/λ為0.1時(shí)，1stLove的機(jī)電耦合系數(shù)大于4.2%，且波速大于 6 200 m·s-1，同時(shí)由于Love波在液體中的衰減較小，該結(jié)構(gòu)可用于制作液體環(huán)境中的高頻高Q值的聲表面波器件。當(dāng)ZnO（0，90，90）歸一化薄膜厚度hZnO/λ為0.4～0.5時(shí)，2ndRayleigh的 機(jī) 電 耦 合 系數(shù)大于2.7%、溫度敏感系數(shù)大于-18 ppm/℃，且波速大于5 400 m·s-1，該結(jié)構(gòu)可用于制作較高頻高Q值的聲表面波溫度傳感器件。

圖2 機(jī)電耦合系數(shù)與ZnO薄膜歸一化厚度的關(guān)系

圖3 相速度與ZnO薄膜歸一化厚度的關(guān)系

圖4 溫度敏感系數(shù)與ZnO薄膜歸一化厚度的關(guān)系

2 ALN/IDT/ZnO/Diamond多層結(jié)構(gòu)的優(yōu) 化設(shè)計(jì)

由前面的仿真可知，（0，90，90）ZnO歸一化薄膜厚度hZnO/λ為0.4～0.5時(shí)，2ndRayleigh波的機(jī)電耦合系數(shù)可達(dá)到2.7%，但速度僅大于5 400 m·s-1。 為了提高2ndRayleigh波的波速考慮使用IDT/ALN/ZnO/Diamond結(jié)構(gòu)。其中，（0，0，0）ALN的機(jī)電耦合系數(shù)較小，但是它擁有較高的聲速。圖5和圖6反映了機(jī)電耦合系數(shù)和波速與復(fù)合壓電層（ALN/ZnO）的歸一化厚度（hALN+hZnO）/λ和ALN與ZnO膜厚比hALN/hZnO的關(guān)系。在復(fù)合壓電層歸一化厚度確定時(shí)，機(jī)電耦合系數(shù)總體上隨著ALN層厚度的增加而減小，波速隨著ALN層厚度的增加而增加。在ALN與ZnO膜厚比hALN/hZnO固定時(shí)，機(jī)電耦合系數(shù)隨著復(fù)合壓電層（ALN/ZnO）的歸一化厚度（hALN+hZnO）/λ的增加，先增大后減小。可以通過調(diào)節(jié)復(fù)合壓電層（ALN/ZnO）的歸一化厚度（hALN+hZnO）/λ與ALN與ZnO膜厚比hALN/hZnO調(diào)節(jié)器件的機(jī)電耦合系數(shù)和波速。通過增加ALN層，以損失機(jī)電耦合系數(shù)的方式提高了SAW波的波速，但隨著機(jī)電耦合系數(shù)的降低，器件的Q值會(huì)降低，可以適當(dāng)通過增加叉指電極對(duì)數(shù)與反射柵個(gè)數(shù)的方式滿足高Q值的要求。

圖5 機(jī)電耦合系數(shù)與壓電薄膜厚度的關(guān)系

圖6 波速與壓電薄膜厚度的關(guān)系

3 電極厚度對(duì)器件性能的影響及其機(jī)理分析

從電場(chǎng)的角度來觀察電極厚度對(duì)機(jī)電耦合系數(shù)的影響。以晶向?yàn)椋?，90，90）ZnO薄膜的IDT/ZnO/Diamond結(jié)構(gòu)為例，不同電極厚度的機(jī)電耦合系數(shù)如圖7所示。機(jī)電耦合系數(shù)隨著厚度的增加先減小后增大，機(jī)電耦合系數(shù)最大處的電極厚度為0.05 μm， 機(jī)電耦合系數(shù)最小處的電極厚度為0.2 μm。

圖7 電極厚度與機(jī)電耦合系數(shù)的關(guān)系

機(jī)電耦合系數(shù)最大時(shí)和最小時(shí)XZ平面內(nèi)的電勢(shì)分布如圖8所示。通過對(duì)圖8的機(jī)電耦合系數(shù)及電場(chǎng)分布的分析可知，改變電極的厚度可以改變電場(chǎng)的分布。與電極厚度為0.3 μm處的電勢(shì)相比，電極厚度為0.05 μm時(shí)，正電勢(shì)、零電勢(shì)及負(fù)電勢(shì)的分布與叉指周期的分布更趨于一致。當(dāng)電場(chǎng)的分布與器件的叉指周期趨于一致時(shí)，器件的機(jī)電耦合系數(shù)越大。

圖8 電極厚度為不同尺寸時(shí)對(duì)稱/反對(duì)稱頻率處的電勢(shì)分布

4 結(jié) 語

本文使用有限元分析的方法，通過優(yōu)化壓電層的切向和厚度，對(duì)基于IDT/Diamond結(jié)構(gòu)的多層聲表面波器件的機(jī)電耦合系數(shù)、聲表面波波速及溫度靈敏度系數(shù)進(jìn)行了分析和優(yōu)化，通過增加ALN層的方式進(jìn)一步提高了Rayleigh波的波速；此外，分析了電極厚度對(duì)機(jī)電耦合系數(shù)的影響及影響機(jī)理，為高頻高Q值的聲表面波器件的設(shè)計(jì)提供了思路。