氮化铝Lamb波谐振器的能量损耗分析研究_赵继聪.pdf

第 1 期2023 年1 月电子学报ACTA ELECTRONICA SINICAVol.51 No.1Jan.2023氮化铝Lamb波谐振器的能量损耗分析研究赵继聪1，2，吕世涛1，2，张敖宇1，2，宋晨光3，孙海燕1，2（1.南通大学江苏省专用集成电路设计重点实验室，江苏南通 226019；2.南通大学信息科学技术学院，江苏南通 226019；3.南通大学电气工程学院，江苏南通 226019）摘要：本文介绍了工作频率为400 MHz和2 GHz氮化铝Lamb波谐振器的结构设计、微纳制造及测试表征，研究了锚点损耗和声子间相互作用损耗对Lamb波谐振器品质因数（Q值）的影响，并分析了不同工作频率的Lamb波谐振器的主要能量损耗来源.研究发现：对于低频谐振器，锚点损耗为其主要能量损耗来源，因此减小支撑轴宽度可减少通过支撑轴泄漏至衬底的能量，进而提高Q值；对于高频谐振器，声子间相互作用损耗为其主要能量损耗来源，因此相比于金（Au），采用铝（Al）作为叉指电极（IDT）材料的谐振器具有更高Q值.针对Lamb波谐振器的结构特点，设计了一套基于七步光刻工艺的微纳制程，成功制备了具有微型化释放腔体的Lamb波谐振器，并具备优异的性能.测试结果表明，工作频率为400 MHz和2 GHz的Al-IDT谐振器的串联品质因数（Qs）分别达到2 590和1 192.关键词：微机电系统；Lamb波谐振器；品质因数；能量损耗；制备工艺基金项目：国家自然科学基金（No.62174092，No.61804084）中图分类号：TN4；TN712 文献标识码：A 文章编号：0372-2112(2023)01-0222-09电子学报URL:http:/ DOI:10.12263/DZXB.20220897Analysis and Research on Energy Loss of Aluminum Nitride Lamb Wave ResonatorsZHAO Ji-cong1,2,L Shi-tao1,2,ZHANG Ao-yu1,2,SONG Chen-guang3,SUN Hai-yan1,2(1.Jiangsu Key Laboratory of ASIC Design,Nantong University,Nantong,Jiangsu 226019,China;2.School of Information Science and Technology,Nantong University,Nantong,Jiangsu 226019,China;3.School of Electrical Engineering,Nantong University,Nantong,Jiangsu 226019,China)Abstract:In this paper,the structural design,micro-nano fabrication and test characterization of AlN Lamb wave resonators with operating frequencies of 400 MHz and 2 GHz were studied.The effects of anchor loss and interaction loss between phonons on the quality factor(Q value)of Lamb wave resonators were analyzed,and the main energy loss sources of Lamb wave resonators at different operating frequencies were clarified.The results show that for low-frequency resonators,the anchor loss is the main source of energy loss,so reducing the width of the support shaft can reduce the energy leaking to the substrate through the support shaft,thereby increasing the Q value.For high-frequency resonators,the loss of interaction between phonons is the main source of energy loss,so the resonator using aluminum(Al)as the interdigital electrode(IDT)material has a higher Q value than gold(Au).According to the structural characteristics of the designed Lamb wave resonators,a fabrication technology based on seven-step lithography process was designed,and the Lamb wave resonators with miniaturized release cavities were successfully fabricated with excellent performance.The test results show that the series quality factors(Qs)of Al-IDT resonators operating at 400 MHz and 2 GHz reach 2 590 and 1 192,respectively.Key words:MEMS;Lamb wave resonator;quality factor;energy loss;manufacturing processFoundation Item(s):National Natural Science Foundation of China(No.62174092,No.61804084)1引言受益于微机电系统（MEMS）技术的发展和微纳加工技术的进步，具备小尺寸、低功耗以及优异性能的MEMS声学谐振器迅速崛起，在滤波器、混频器、振荡器及传感器等领域得以广泛应用1，2.其中，以表面声波（SAW）谐振器和薄膜体声波谐振器（FBAR）为代表的声学谐振器技术凭借着成本或性能等方面的优势，率先实现商业化应用.SAW谐振器的工艺较为简单，制造收稿日期：2022-07-26；修回日期：2022-10-07；责任编辑：孙瑶第 1 期赵继聪:氮化铝Lamb波谐振器的能量损耗分析研究成本较低，可以实现单芯片上多频段的集成3；FBAR的功率容度和品质因数Q高，在高频应用中具有明显优势4.然而，这两种谐振器技术依然存在各自的缺陷：SAW谐振器的Q值和功率容度较低，且受光刻工艺限制及低声速工作模式的影响，其工作频率难以超过3 GHz；FBAR的工作频率由压电薄膜厚度所决定，因而很难实现片上多频段集成.氮化铝Lamb波谐振器因同时具备SAW谐振器的片上多频段集成和FBAR的高频、高功率容度的优势，成为未来射频前端的发展趋势.虽然Lamb波谐振器在未来射频前端中极具应用前景，但目前仍处于基础研发阶段，其关键性能尚有提升空间.近年来，国内外众多研究机构将研究重点放在提升Lamb波谐振器的Q值上.Q值是谐振器能量损耗的量度：在射频滤波器的应用中，提升谐振器的Q值有利于降低滤波器的插入损耗；在振荡器的应用中，提升谐振器的Q值有利于降低振荡器的抖动和相位噪声；在传感器的应用中，提升谐振器的Q值有利于提高传感器的分辨率5，6.在Lamb波谐振器的每个振动周期内，都会发生机械能与电能的相互转化，在该过程中任何形式的固有损耗或外在损耗都会造成谐振器Q值的衰减.固有损耗由谐振器的尺寸和材料决定，该损耗以声子间相互作用（inter-phonon）损耗为主要损耗来源，决定了Lamb波谐振器Q值的上限.外在损耗取决于器件的结构设计，对于使用相同工艺制备且主体器件结构相同的谐振器，锚点损耗为外在损耗的主要来源之一7.在前期研究中，已有的降低Lamb波谐振器能量损耗的方法主要有：采用声子晶体（PnC）结构来降低支撑轴处的振动和声学泄漏8；设计平面声学反射边界将声波限制在压电振动区域9；采用悬凸自由反射边界将振动集中于器件中心区域来降低锚点损耗10；采用氮化铝和单晶硅的复合薄膜替换传统的氮化铝压电层以降低谐振器的固有损耗，进而减小动态阻抗11.然而，这些方法在提高Lamb波谐振器Q值的同时，往往会牺牲谐振器的其他性能：采用PnC结构可能会造成Lamb波谐振器的可靠性降低；采用平面声学反射边界及悬凸自由反射边界可能会造成反射声波的幅值和相位发生偏移，进而引入杂散信号；而采用氮化铝和单晶硅的复合薄膜结构在降低动态阻抗的同时会牺牲器件的压电转换性能，从而造成谐振器有效机电耦合系数k2eff的降低.此外，Lamb波谐振器的外在损耗也受实际微纳制造的影响，采用先进可靠的微纳制造工艺可在提高谐振器Q值的同时，保障谐振器的高成品率制备.目前，氮化铝Lamb波谐振器的微纳制造工艺主要有两种，区别主要在于是否设置释放阻挡层结构：采用无释放阻挡层结构的谐振器制造工艺较为简单，但在谐振器底部空腔的制造过程中，释放时间难以控制，易造成非有源区域的衬底被释放气体刻蚀，进而影响谐振器Q值及可靠性等12；另一种方法是在牺牲层中刻蚀形成环形槽，再采用低压化学气相沉积（LPCVD）工艺在环形槽中沉积多晶硅（Poly-Si）或氧化硅（SiO2）作为释放阻挡层结构，然而，采用LPCVD沉积的多晶硅或氧化硅往往致密性较差，部分释放气体渗透通过释放阻挡层，进而造成谐振器失效13.由此，本文设计了工作频率分别为 400 MHz 和2 GHz的氮化铝Lamb波谐振器，通过理论分析、有限元仿真和加工测试等方法研究了固有损耗和外在损耗对谐振器Q值的影响，并分析了不同工作频率谐振器的主要损耗来源.本文还提供了一种适用于氮化铝Lamb波谐振器的先进微纳制造工艺，通过精确定义小型化的释放腔来进一步降低外在损耗，进而提高谐振器Q值.实验结果表明，通过降低谐振器的外在损耗和固有损耗，工作频率为400 MHz和2 GHz的Lamb波谐振器的Q值分别高达2 590和1 192.2谐振器的设计及原理分析本文所设计的氮化铝Lamb波谐振器的结构如图1（a）所示，器件主体由电极-压电层-电极复合形成的压电振动结构.图1（b）展示了Lamb波谐振器的切面图：顶部为交替接入正负电位、厚度为200 nm的叉指电极（IDT）结构；中间是厚度（TAlN）为 1 m的氮化铝（AlN）压电层；底部为厚度200 nm的平板电极.在输入射频信号的作用下，电极间产生电势差，引起压电薄膜的应变，完成由电能向机械能的转换.当输入信号的频率与压电振动结构的机械振动频率相同时，引起谐振器的强共振，再通过正压电效应实现机械能向电能的转换，进而输出有特定工作频率的电学信号.输出信号频率主要由谐振器IDT电极周期所决定，由此本文分别设计了 IDT周期（P）为 12 m和 2 m的 Lamb波谐振器，以分析不同工作频段谐振器的能量损耗机制.机械能和电能相互转换过程中的能量耗散直接影响谐振器的Q值，根据损耗机制的不同，谐振器的能量耗散来源被分为外在损耗和固有损耗.外在损耗主要包括锚点损耗、空气阻尼损耗、欧姆损耗和介面损耗等，分别对应Qanchor，Qair，Qohmic和Qinterface；固有损耗主要包括介电损耗、压电损耗、声子间相互作用损耗等，分别对应Qdielectric，Qpiezoelectric和Qinter-phonon.根据外在损耗和固有损耗的成