在AlScN沉积于硅基底的大块声波谐振器中，接近Akhiezer品质因数极限的研究

《Journal of Microelectromechanical Systems》：Approaching the Akhiezer Limit of Quality Factor in AlScN-on-Silicon Bulk Acoustic Wave Resonators

压电调谐共振器品质因数受限源于热弹阻尼在延性模式中的主导作用，而剪切模式（如X-Lamé模式）受此影响较小。通过设计色散工程波导与声子晶体锚链抑制锚点损耗，多晶AlScN-on-Si样品实现Q=142,012@64.4MHz，单晶样品Q=179,000@76.9MHz，验证了薄膜结晶度对Q值的决定性影响。

　　

摘要：

压电换能谐振器能够在无需直流偏置的情况下实现较强的机电耦合，但与静电谐振器相比，其品质因数（Q值）通常较低。本研究探讨了这类器件品质因数受限的根源，并介绍了一种基于氮化铝钪（AlScN）在硅衬底上的体声波（BAW）谐振器的设计、建模、制备及验证方法，该方法有效抑制了主要的能量损失机制。通过有限元仿真和实验测量，研究发现热弹性阻尼显著限制了谐振器在拉伸模式下的品质因数，从而决定了其性能极限；而在剪切模式（如X-Lamé模式）中，热弹性阻尼的影响可以忽略不计。所提出的设计方案结合了X-Lamé模式、色散工程化的波导结构以及声子晶体支撑结构，以减少能量损失。采用脉冲直流溅射法制备的多晶AlScN谐振器在64.4 MHz频率下的品质因数为142,012（品质因数f×Q = 0.91×10^13），而采用分子束外延法制备的单晶AlScN谐振器在76.9 MHz频率下的品质因数为179,000（品质因数f×Q = 1.38×10^13）。这些结果表明，薄膜的结晶质量对提高压电换能谐振器的品质因数具有重要作用。[2025-0154]