AlN/PZT復(fù)合壓電薄膜層SAW激勵(lì)與傳播研究

文芷菁，張 濤，柯賢桐，劉鑫鑫，曹曉闖，ALIREZA Baghai Wadji(西安科技大學(xué) 理學(xué)院, 陜西 西安 710054)

0 引言

聲表面波(SAW)是一種沿固體介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ臋C(jī)械波，在研究地震波時(shí),英國(guó)科學(xué)家瑞利偶然發(fā)現(xiàn)[1],此機(jī)械波能量主要集中在材料表面(1～2)λ(λ為波長(zhǎng))內(nèi)，且位移振幅隨著進(jìn)入材料表面距離增加呈指數(shù)衰減。SAW器件通過(guò)在壓電基片表面制作叉指換能器(IDT)激發(fā)SAW，因其體積小，靈敏度高及抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)作為濾波器、諧振器及傳感器等核心頻率器件，在無(wú)線(xiàn)通信、航空航天、生物檢測(cè)及氣體傳感等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2-5]。

由于以壓電單晶為基底的SAW器件受基底材料性質(zhì)單一與IDT指條寬度細(xì)化難等原因，難以同時(shí)滿(mǎn)足SAW器件的高頻、集成及低損耗等需求。而復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)SAW器件，可彌補(bǔ)單晶基底SAW器件的不足，利用不同性質(zhì)薄膜材料層相互組合，實(shí)現(xiàn)性能的相互補(bǔ)償，靈活調(diào)整各層薄膜厚度，優(yōu)化SAW器件性能。AlN壓電薄膜具有熱穩(wěn)定性好，導(dǎo)熱性好，機(jī)械強(qiáng)度高及高頻損耗低等特點(diǎn)，尤其是在無(wú)機(jī)非鐵電材料中，AlN中的SAW相速度最高(vp≈5 560 m/s)，因而是設(shè)計(jì)高頻SAW器件的理想材料。但AlN壓電薄膜壓電常數(shù)較小(e33=1.55 C/m2)，限制了其在寬帶低損耗SAW器件中的應(yīng)用[6]。PZT-5H壓電薄膜具有優(yōu)異的壓電性能，但SAW相速度相對(duì)較小，可與AlN壓電薄膜實(shí)現(xiàn)vp與機(jī)電耦合系數(shù)K2的相互補(bǔ)償。同時(shí)以半導(dǎo)體Si作為襯底，實(shí)現(xiàn)SAW器件的可集成化。IDT常置于頂層。韓韜等[7]研究發(fā)現(xiàn)，把IDT置于壓電薄膜層，在ScAlN/金剛石結(jié)構(gòu)中其K2是傳統(tǒng)放置在頂部表面的2～3倍，瑞利波的K2最大可達(dá)14.5%，西沙瓦波的K2最大可達(dá)10.0%。故本文選取IDT嵌入壓電薄膜中，以期獲得高K2的器件。IDT選擇導(dǎo)熱性好、密度小、聲阻抗低的Al作為電極材料。由于復(fù)合壓電薄膜結(jié)構(gòu)具有多模態(tài)色散特性，當(dāng)前理論分析方法主要有傳遞矩陣法、剛度矩陣法及遞歸漸進(jìn)法等，但這些方法計(jì)算過(guò)程繁瑣[8-10]。而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，利用有限元軟件可更精確、簡(jiǎn)便地分析SAW在復(fù)合壓電薄膜結(jié)構(gòu)中的傳播[11-12]。

本文基于有限元法(FEM)對(duì)AlN/IDT/PZT/Si中SAW特性進(jìn)行激勵(lì)與傳播特性研究，以探索該類(lèi)復(fù)合壓電薄膜結(jié)構(gòu)SAW器件優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)及設(shè)計(jì)規(guī)律。

1 模型建立

SAW器件中，IDT是具有周期性的結(jié)構(gòu)。因此本文截取一個(gè)叉指周期單元進(jìn)行建模分析。設(shè)周期單元模型的寬為10 μm，是IDT激勵(lì)SAW的波長(zhǎng)λ，因SAW存在于介質(zhì)表面，設(shè)硅襯底厚為3λ，IDT寬度為λ/4，IDT中心間距為λ/2， IDT的厚度為0.02λ。為探究壓電薄膜厚度變化對(duì)聲波相速度與K2的影響，建立的IDT周期單元模型如圖1所示。其中，PZT-5H壓電薄膜的厚度hPZT為0.025λ～0.2λ，以0.025λ為步長(zhǎng)。AlN壓電薄膜厚度hAlN為0.02λ～1λ，以0.02λ為步長(zhǎng)。在有限元軟件中建立相應(yīng)的二維平面模型，并在模型左右兩邊添加連續(xù)性周期邊界條件，底部加固定約束，設(shè)一端電極為終端加載電壓1 V，另一端接地。為保證精確計(jì)算，網(wǎng)格劃分采用極端細(xì)化，且使左右邊界網(wǎng)格劃分相同。

圖1 IDT周期單元模型

本文研究了AlN/IDT/PZT復(fù)合壓電薄膜結(jié)構(gòu)中兩種薄膜厚度變化對(duì)SAW傳播特性的影響，該結(jié)構(gòu)材料參數(shù)(見(jiàn)表1)來(lái)源于COMSOL材料庫(kù)。

表1 材料參數(shù)

2 仿真結(jié)果分析

復(fù)合壓電薄膜結(jié)構(gòu)SAW器件有頻散特性，性能受其結(jié)構(gòu)材料及壓電薄膜厚度等因素影響[13]。K2、vp和電極反射系數(shù)k是衡量SAW器件性能的重要參數(shù)。本文主要研究AlN/PZT薄膜厚度變化對(duì)SAW器件vp、K2、k的調(diào)控。首先對(duì)建立模型(見(jiàn)圖1)進(jìn)行模態(tài)分析得出其頻率特性，再根據(jù)其頻率特性計(jì)算SAW在此結(jié)構(gòu)中的傳播特性。

由于IDT的電極效應(yīng)，每個(gè)SAW振型分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)特征頻率(諧振頻率fr與反諧振頻率far)，SAW的vp[7]、k及K2分別為

vp=[(far+fr)λ]/2

(1)

k=[(far-fr)π]/(far+fr)

(2)

(3)

式中：vf為自由表面SAW波速;vm為金屬化表面SAW波速。

SAW在自由表面上傳播的波速為vf，當(dāng)自由表面覆蓋一層極薄(質(zhì)量可忽略)的金屬導(dǎo)電薄膜時(shí)，中和了聲波在表面所產(chǎn)生的誘導(dǎo)電荷，而使聲波波速減小到vm。設(shè)置模型表面接地，模擬金屬化表面。

2.1 頻率特性分析

對(duì)AlN/IDT/PZT/Si結(jié)構(gòu)進(jìn)行特征頻率分析，得到復(fù)合壓電薄膜SAW器件的諧振模態(tài)。利用SAW位移主要集中在材料表面(1～2)λ內(nèi)的性質(zhì)，可從許多不同的振型中提取出零階和一階的SAW模態(tài)。選取hAlN、hPZT分別為0.2λ、0.7λ時(shí)，振型如圖2所示。其零階SAW的fr與far分別為407.69 MHz、407.78 MHz,一階SAW的fr與far分別為439.38 MHz、442.84 MHz。

圖2 AlN/IDT/PZT/Si結(jié)構(gòu)振型圖

2.2 相速度

波長(zhǎng)確定時(shí)，相速度與器件頻率呈正比，故選取具有高相速度的薄膜厚度比結(jié)構(gòu)能獲得高頻器件。在AlN/IDT/PZT/Si結(jié)構(gòu)所激發(fā)的零階SAW相速度vp隨hAlN/λ變化的色散曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 AlN/IDT/PZT/Si結(jié)構(gòu)相速度色散曲線(xiàn)

由圖3(a)可看出，整體上，vp隨著hAlN/λ的增大呈上升趨勢(shì)。當(dāng)hPZT>0.1λ時(shí)，hAlN<0.1λ區(qū)域，零階SAW的vp隨hAlN/λ的增大而減??；當(dāng)hAlN>0.16λ時(shí)，零階SAW的vp隨hAlN增加先急劇上升后趨于平緩。在hAlN/λ較小時(shí)，由于零階SAW本身能量分布特點(diǎn)，此時(shí)聲波相速度主要受Si襯底和PZT薄膜影響。隨著hAlN的增加,聲波能量更多的聚集到AlN層中，而PZT薄膜和Si基底中相速度都小于AlN層中相速度，所以零階SAW波相速度隨hAlN/λ增大而增大。特別是當(dāng)hPZT=0.025λ時(shí)，隨著hAlN增加,AlN/IDT/PZT/Si結(jié)構(gòu)零階SAW相速度接近AlN薄膜本身聲速，最終達(dá)到峰值(5 582 m/s)。結(jié)果顯示，通過(guò)增加hAlN可得到更大的SAW器件相速度，即更高工作頻率。同時(shí)，該特性可為制備SAW器件提供一定技術(shù)指導(dǎo)，制備時(shí)可將器件設(shè)計(jì)在相速度變化平緩區(qū)域，減小因制備誤差而影響器件性能。在hAlN為定值時(shí)，零階SAW波相速度隨著hPZT的增加而減小，主要是由于隨著hPZT增加，更多聲波進(jìn)入PZT中，而PZT薄膜本身相速度較小，不同hPZT隨hAlN/λ整體變化趨勢(shì)相似。

由圖3(b)可看出，其相速度隨hAlN/λ的增加而增加。與同等薄膜厚度下的零階SAW相速度相比，其相速度值較大，設(shè)計(jì)SAW器件時(shí)將獲得更高的中心頻率，且SAW的相速度隨薄膜厚度變化趨勢(shì)較緩，適用于SAW器件的制備。當(dāng)hPZT=0.025λ時(shí)，隨著hAlN的增加，一階SAW相速度基本無(wú)變化，說(shuō)明此時(shí)器件頻率對(duì)hAlN變化不敏感，在hAIN=λ時(shí)，相速度達(dá)到最高(為5 711 m/s)。在hPZT<0.125λ,hAlN≈0.1λ時(shí)，AlN/IDT/PZT/Si結(jié)構(gòu)一階SAW相速度達(dá)最大值，此時(shí)繼續(xù)增加hAlN，對(duì)相速度的影響較小。由于零階SAW和一階SAW振型和振動(dòng)能量穿透深度的不同，其相速度隨hAlN的變化情況也不同。零階SAW能量主要集中在壓電層，而一階SAW能量相比零階SAW能量更多進(jìn)入Si襯底層，故即使在同等壓電薄膜厚度下，零階和一階SAW的變化也不同。總之，對(duì)于SAW器件的設(shè)計(jì)，增加hAlN，減小hPZT，可有效地增加vp，從而提高SAW器件頻率。

2.3 機(jī)電耦合系數(shù)K2

K2反應(yīng)了壓電材料機(jī)械能和電能之間轉(zhuǎn)化效率，K2越大，其轉(zhuǎn)換效率越高。對(duì)于 SAW器件，高K2意味著低損耗，所以通過(guò)合理設(shè)計(jì)選取高K2的薄膜比對(duì)器件設(shè)計(jì)很重要。圖4為零階、一階SAW的K2色散特性曲線(xiàn)圖。

圖4 AlN/IDT/PZT/Si結(jié)構(gòu)K2色散特性

由圖4(a)可看出，隨著hAlN的增加，hPZT不同時(shí)K2均先增加后減小。hPZT=0.2λ，hAlN=0.1λ時(shí)，其K2達(dá)最大值(為21.55%)。當(dāng)hAlN>0.1λ時(shí)，零階SAW的K2急劇減小，最終趨于平緩并趨近于0。在K2→0時(shí)，器件插入損耗較高，不利于低損耗器件的設(shè)計(jì)。當(dāng)hAlN較小時(shí)，由于PZT本身優(yōu)異的壓電性能，故零階SAW的K2隨hPZT增大而增大。

由圖4(b)可看出，隨著hAlN的增加，一階SAW的K2呈現(xiàn)先減小后增加的變化趨勢(shì)。在hAlN<0.1λ時(shí)，hPZT不同，K2變化趨勢(shì)相同且值相近。隨著hAlN增加，K2趨近于0。hPZT=0.025λ和hPZT=0.05λ時(shí)，K2變化較小，這是由于此時(shí)PZT厚度在結(jié)構(gòu)中占比小，未發(fā)揮出PZT薄膜優(yōu)異的壓電性能。在hAlN>0.1λ區(qū)域，隨著hAIN增加，其K2逐漸增大，最終達(dá)到峰值并趨于平緩。當(dāng)hPZT= 0.15λ，hAlN=λ時(shí)，一階SAW的K2達(dá)到最大值(4.45%)。

對(duì)比圖4(a)、(b)可知，同時(shí)滿(mǎn)足零階SAW和一階SAW的高K2較難，通過(guò)調(diào)整hAlN、hPZT，在hPZT= 0.2λ，hAlN=0.46λ處，可使K2皆大于3%。

2.4 電極反射系數(shù)k

SAW在IDT中傳播時(shí)，由于金屬指條覆蓋區(qū)域與未覆蓋區(qū)域聲阻抗不連續(xù)，使聲波在IDT的指條邊緣處會(huì)發(fā)生反射，在SAW器件上表現(xiàn)為通帶內(nèi)產(chǎn)生紋波、相位發(fā)生畸變等。因此，盡可能減小電極反射效應(yīng)對(duì)SAW器件的設(shè)計(jì)很重要。

圖5為零階、一階SAW的k的色散特性。AlN/IDT/PZT/Si結(jié)構(gòu)中，hAlN較小時(shí),k變化大，隨著hAlN的增加，k逐漸趨于平緩。當(dāng)hAlN為0.02λ～0.06λ時(shí)，隨著hAlN增加，│k│快速減小。當(dāng)hAlN為0.06λ～0.1λ時(shí)，隨著hAlN增加，│k│快速增大直至峰值。在hPZT=0.2λ，hAlN=0.1λ時(shí)，│k│最大(為0.076)。當(dāng)hPZT=0.025λ，hPZT為0.36λ、0.4λ時(shí)，k=0。因此，在AlN/IDT/PZT/Si結(jié)構(gòu)中，hAlN越大，hPZT越小，零階SAW電極反射效應(yīng)也越小，有利于改善SAW器件通頻帶，抑制通帶內(nèi)紋波。

圖5 AlN/IDT/PZT/Si結(jié)構(gòu)的k的色散特性

由圖5(b)可看出，AlN/IDT/PZT/Si結(jié)構(gòu)中，當(dāng)hPZT=0.025λ時(shí)，隨著hAlN增加，k基本保持不變，即k對(duì)hAlN不敏感。hAlN為0.02λ～0.12λ時(shí)，隨著hAlN增加，│k│急劇減小，最終趨于0。當(dāng)hAlN為0.12λ～1λ時(shí)，隨著hAlN增加，│k│先快速增加后減小，然后再增大，但總體│k│<0.02。在AlN/IDT/PZT/Si結(jié)構(gòu)中，隨著hAlN增加，│k│總體呈減小趨勢(shì)，增大hAlN，可抑制電極反射效應(yīng)。因此，通過(guò)改變hAlN、hPZT可調(diào)控k。

根據(jù)圖3～5選取的K2和vp最大的優(yōu)化參數(shù)如表2所示。

表2 優(yōu)化后AlN/IDT/PZT/ Si結(jié)構(gòu)和SAW色散特性參數(shù)

3 結(jié)束語(yǔ)

本文應(yīng)用有限元軟件COMSOL研究了單晶硅基底上AlN、PZT復(fù)合壓電薄膜層中SAW激勵(lì)與傳播特性。通過(guò)對(duì)比分析，得到結(jié)論如下：

1) 通過(guò)AlN薄膜與PZT薄膜的相互組合，并調(diào)控薄膜厚度，可實(shí)現(xiàn)高聲速、高機(jī)電耦合系數(shù)及低電極反射系數(shù)的結(jié)合，該復(fù)合壓電薄膜結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于高頻、低損耗的寬帶SAW器件設(shè)計(jì)領(lǐng)域。

2) 當(dāng)hPZT= 0.025λ，hAlN=λ時(shí)，可得到零階、一階SAW的最高相速度分別為5 582 m/s和5 711 m/s。

3) 在AlN/IDT/PZT/Si結(jié)構(gòu)中，零階SAW機(jī)電耦合系數(shù)最高可達(dá)21.55%，可應(yīng)用于超大寬帶低損耗SAW器件的設(shè)計(jì)領(lǐng)域。

4) 雖然難以同時(shí)滿(mǎn)足零階和一階SAW的高機(jī)電耦合系數(shù)，但通過(guò)調(diào)整AlN、PZT薄膜厚度，在hPZT= 0.2λ，hAlN=0.46λ處，K2皆大于3%。

5) 增大AlN薄膜厚度，可抑制電極反射效應(yīng)。