MBE生长法制备的ScAlN薄膜在Si基底上：提高平面晶体度以增强拉伸模式声波谐振器的性能

《Advanced Electronic Materials》：MBE-Grown ScAlN-on-Si Films: Enhancing In-Plane Crystallinity for Extensional Mode BAW Resonators

ScAlN薄膜通过分子束外延（MBE）生长在缓冲AlN/硅基板上，实现了高结晶质量（平面单晶性）和优异的压电性能（d33达25.7 pC/N）。基于此，成功研制出面波（BAW）谐振器，在70.28 MHz频率下Q值高达97k，频率-Q乘积达6.86×10^12，显著优于传统溅射工艺。该成果为5G和物联网低延迟应用提供了新型高精度声学器件。

　　随着5G网络的扩展和物联网（IoT）技术的崛起，微型机电系统（MEMS）对更小、更可靠且更节能的传感器和执行器的需求不断增长。在这一背景下，压电薄膜材料的重要性日益凸显。压电材料能够将机械能转化为电能，反之亦然，这使其成为制造高精度、低功耗器件的关键基础。然而，传统压电材料在某些应用中存在局限性，特别是在需要高频、高稳定性和低能量损耗的场景下。因此，研究如何优化压电薄膜的性能成为当前科技领域的重要课题。

近年来，铝氮化物（AlN）与钪（Sc）的合金化被证明是一种提升压电性能的有效策略。这种合金化不仅能够增强材料的压电特性，还能在一定程度上改善其在硅基平台上的兼容性。AlN是一种经典的压电材料，其晶体结构为六方晶系（wurtzite structure），具有良好的压电效应。然而，当AlN薄膜通过物理气相沉积（PVD）技术制备时，通常只能获得沿垂直方向（c轴）的良好结晶性，而其在平面方向（a轴和b轴）的结晶质量往往较差，这限制了其在平面模式下的应用。这种不均匀的结晶性会导致压电薄膜在平面方向上的机械性能下降，进而影响器件的性能表现。

为了突破这一瓶颈，研究人员开始探索更先进的生长技术，如分子束外延（MBE）。MBE技术能够实现更高质量的单晶生长，不仅具有低缺陷密度，还能实现精确的极性控制和原子级厚度调控。此外，MBE生长的薄膜通常具有更平滑的表面形貌和更均匀的晶体取向，这有助于减少界面散射和晶界损耗，从而显著提升器件的品质因数（Q值）。在这一研究中，科学家们成功制备了在缓冲AlN层上的ScAlN薄膜，并通过优化生长条件，实现了沿a轴和b轴方向的增强平面结晶性。这种改进不仅提高了压电薄膜的性能，还为设计高Q值的平面模式器件提供了新的可能性。

ScAlN薄膜的压电模量（d₃₃）是衡量其压电性能的重要参数，它反映了材料在电场作用下产生机械形变的能力。通过MBE技术制备的ScAlN薄膜，其d₃₃值显著提升，达到25.7 pC/N，这一数值是在Sc含量约为30%时取得的。与传统PVD技术制备的ScAlN薄膜相比，该结果显示出更高的压电活性。d₃₃的增强主要归因于晶格参数的变化，特别是a轴晶格参数的增加，而c轴参数则略有上升。这种晶格参数的变化导致了c/a比值的下降，从而改变了材料的能带结构，使得压电效应更加显著。

这一改进不仅体现在压电性能上，还对实际器件的性能产生了深远影响。通过利用ScAlN薄膜的优异平面结晶性，研究人员成功制备了基于ScAlN-on-Si结构的平面模式压电薄膜谐振器（BAW resonators）。这些谐振器表现出极高的Q值，达到了约97,000（97k）的水平，并在70.28 MHz频率下实现了约6.86 × 10¹²的频率-品质因数乘积（frequency-Q product）。这一结果远超传统PVD技术制备的同类器件，表明MBE技术在提升压电薄膜性能方面具有显著优势。

平面模式BAW谐振器的优势在于其能够实现更宽的频率范围和更高的频率精度，这对于需要极低延迟的无线通信技术至关重要。例如，在5G和未来的6G通信系统中，高频、低功耗的谐振器是实现高速数据传输和信号处理的关键组件。而传统的厚度模式BAW谐振器通常受限于其较低的Q值，难以满足这些高性能需求。相比之下，MBE生长的ScAlN-on-Si平面模式谐振器不仅具有更高的Q值，还表现出更低的能量损耗，这使其在实际应用中更具竞争力。

此外，ScAlN-on-Si结构还具有良好的CMOS兼容性，这意味着它可以在现有的半导体制造工艺中进行集成，从而降低生产成本并提高可制造性。这一特性使得ScAlN成为未来微机电系统中理想的压电材料。同时，ScAlN的高热稳定性、非毒性以及优异的电学性能，进一步增强了其在高可靠性应用中的潜力，例如航空航天、医疗设备和精密传感器等。

在实验方法方面，研究团队采用了MBE技术来生长ScAlN薄膜，并结合多种先进的表征手段来评估其性能。这些手段包括反射高能电子衍射（RHEED）、原子力显微镜（AFM）、X射线衍射（XRD）以及高分辨透射电子显微镜（HRTEM）等。通过这些技术，研究人员能够准确地分析薄膜的晶体结构、表面形貌以及内部缺陷分布，从而确保其在器件制造过程中的高质量和一致性。

在薄膜生长过程中，研究团队特别关注了生长条件的优化。例如，在AlN生长阶段，采用了Al富集的生长环境，以避免与硅基底发生不必要的化学反应，同时确保AlN层的高质量。随后，在ScAlN生长阶段，通过调节氮气流量和生长温度，实现了良好的晶格匹配和单晶生长。这种优化不仅提升了薄膜的结晶质量，还显著改善了其在平面方向上的性能表现。

在器件制备方面，研究团队采用了光刻、反应离子刻蚀（RIE）以及深反应离子刻蚀（DRIE）等技术，精确地控制了谐振器的几何结构和电极布局。通过在背面刻蚀出宽沟槽，使谐振器能够悬空在硅基底上，从而减少与基底的机械耦合，提高其机械性能和电学响应。同时，为了确保良好的电接触，研究团队在器件的接触区域沉积了铂（Pt）电极，进一步提升了器件的性能。

从实际应用的角度来看，ScAlN-on-Si平面模式BAW谐振器在无线通信、时钟生成和惯性传感等领域展现出巨大的潜力。其高Q值和高频率精度能够支持更复杂的信号处理需求，特别是在需要高频和低相位噪声的应用中。此外，由于其在硅基平台上的良好兼容性，这种谐振器有望在未来集成到更复杂的系统中，实现更高水平的微型化和智能化。

总之，这项研究不仅揭示了ScAlN薄膜在MBE技术下的优异性能，还为开发下一代高性能压电器件提供了新的思路和方法。通过优化生长条件和器件结构，研究人员成功实现了ScAlN-on-Si平面模式BAW谐振器的高Q值表现，为未来在5G、物联网以及其他高精度技术中的应用奠定了坚实的基础。随着相关技术的不断成熟，ScAlN有望成为推动下一代无线通信和传感技术发展的重要材料。