基于ZnO多層結構的聲表面波高頻器件分析設計

郭欣榕，譚秋林，李 博

（1.中北大學 儀器與電子學院，山西 太原 030000；2.電子測試技術國防科技重點實驗室，山西 太原 030051）

0 引 言

隨著5G通信技術的發展，高頻SAW器件得到了更多的應用。高頻器件所需的叉指電極的微細加工對工藝要求較高，實現難度較大。提高材料的聲速成為實現高頻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現聲表面波器件的制作。同時，可以通過對多層結構的優化來提高SAW器件的性能。不同領域的應用對器件要求也不同，例如，航天等領域要求SAW器件可以在惡劣環境如高溫環境中長時間穩定工作；在液體中工作時，蘭姆波作為橫波相對于瑞利波來說衰減更小，更適合在液體環境中工作。在進行非溫度量的測量時，人們希望可以通過溫度補償層消除溫度的影響。對溫度量進行測量時，人們希望可以得到較大的溫度靈敏度，同時希望被測量在溫度測試區間內與溫度一一對應。對于傳感器來說，較大的反射系數可以提高傳感器的Q值；對于濾波器而言，較小的反射系數可以增大濾波器的帶寬。

1 IDT/ZnO/Diamond雙層結構的優化設計

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，具有較高的機電耦合系數，制作工藝較為完備，因此在很多領域都有著廣泛的應用。對IDT/ZnO/Diamond雙層結構[1-2]的聲表面波器件進行有限元仿真。其中，機電耦合系數、相速度及溫度敏感系數是器件的主要性能指標。一般傳感器的各項性能指標與傳感器壓電薄膜的厚度切向及金屬電極的厚度有關。首先對不同切向的ZnO薄膜對器件性能的影響進行仿真分析。三維有限元仿真模型如圖1所示。

圖1 IDT/ZnO/Diamond結構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邊界條件。Diamond層下表面添加固定約束條件。采用旋轉坐標系實現不同切向ZnO壓電薄膜的參數化掃描，得到當ZnO薄膜取不同切向時的機電耦合系數和聲表面波波速[3]，結果分別如表1和表2所示。

表1 ZnO薄膜的機電耦合系數K2與晶向及膜厚的關系

表2 ZnO薄膜的相速度與晶向及膜厚的關系

由于ZnO結構的對稱性[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具有相同的機電耦合系數和聲表面波的波速，故沒有全部列出，（0，0，0）ZnO的2ndRayleigh波的機電耦合系數為1.784 7%，波速為5 018.48 m·s-1， （0，90，0）ZnO的1stLove波的機電耦合系數為1.953 6%， 波速為3 002.32 m·s-1。（0，90，90）ZnO的機電耦合系數為2.899 8%，波速為5 081.84 m·s-1。相對于其他切向來說具有較高的機電耦合系數，波速均大于3 000 m·s-1。

之后分別對ZnO薄膜取（0，0，0）、（0，90，0）及（0，90，90）晶向時的ZnO薄膜厚度對聲表面波器件機電耦合系數、速度、反射系數及溫度敏感系數的影響進行有限元仿真分析，結果如圖2～圖4所示。可以看出，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，這是因為聲表面波的能量主要集中在器件表面，ZnO薄膜在帶來壓電性質的同時也不可避免地降低了聲表面波波速。ZnO薄膜取3種不同晶向時的機電耦合系數均先升高后降低。如圖2所示，ZnO（0，0，0）薄膜厚度為5 μm時2ndRayleigh波的機電耦合系 數最大，最大機電耦合系數為2.063 3%；ZnO （0，90，0）薄膜厚度為0.8 μm時1stLove波的機電耦合系數最大，最大機電耦合系數為4.367 2%； ZnO（0，90，90）薄膜厚度為3.2 μm時2ndRayleigh 波的機電耦合系數最大，最大機電耦合系數為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2ndRayleigh波 的 溫 度 敏 感 系 數 最大，最大溫度敏感系數為-19.395 ppm/℃；ZnO （0，90，0）歸一化薄膜厚度hZnO/λ為0.5時1stLove 波的溫度敏感系數最大，最大溫度敏感系數為-21.834 ppm/℃；ZnO（0，90，90）歸一化薄膜厚度hZnO/λ為0.3時2ndRayleigh波的 溫度敏感系數最大，最大溫度敏感系數為-21.247 ppm/℃。當ZnO（0，90，0）歸一化薄膜厚度hZnO/λ為0.1時，1stLove的機電耦合系數大于4.2%，且波速大于 6 200 m·s-1，同時由于Love波在液體中的衰減較小，該結構可用于制作液體環境中的高頻高Q值的聲表面波器件。當ZnO（0，90，90）歸一化薄膜厚度hZnO/λ為0.4～0.5時，2ndRayleigh的 機 電 耦 合 系數大于2.7%、溫度敏感系數大于-18 ppm/℃，且波速大于5 400 m·s-1，該結構可用于制作較高頻高Q值的聲表面波溫度傳感器件。

圖2 機電耦合系數與ZnO薄膜歸一化厚度的關系

圖3 相速度與ZnO薄膜歸一化厚度的關系

圖4 溫度敏感系數與ZnO薄膜歸一化厚度的關系

2 ALN/IDT/ZnO/Diamond多層結構的優 化設計

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，2ndRayleigh波的機電耦合系數可達到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結構。其中，（0，0，0）ALN的機電耦合系數較小，但是它擁有較高的聲速。圖5和圖6反映了機電耦合系數和波速與復合壓電層（ALN/ZnO）的歸一化厚度（hALN+hZnO）/λ和ALN與ZnO膜厚比hALN/hZnO的關系。在復合壓電層歸一化厚度確定時，機電耦合系數總體上隨著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，機電耦合系數隨著復合壓電層（ALN/ZnO）的歸一化厚度（hALN+hZnO）/λ的增加，先增大后減小。可以通過調節復合壓電層（ALN/ZnO）的歸一化厚度（hALN+hZnO）/λ與ALN與ZnO膜厚比hALN/hZnO調節器件的機電耦合系數和波速。通過增加ALN層，以損失機電耦合系數的方式提高了SAW波的波速，但隨著機電耦合系數的降低，器件的Q值會降低，可以適當通過增加叉指電極對數與反射柵個數的方式滿足高Q值的要求。

圖5 機電耦合系數與壓電薄膜厚度的關系

圖6 波速與壓電薄膜厚度的關系

3 電極厚度對器件性能的影響及其機理分析

從電場的角度來觀察電極厚度對機電耦合系數的影響。以晶向為（0，90，90）ZnO薄膜的IDT/ZnO/Diamond結構為例，不同電極厚度的機電耦合系數如圖7所示。機電耦合系數隨著厚度的增加先減小后增大，機電耦合系數最大處的電極厚度為0.05 μm， 機電耦合系數最小處的電極厚度為0.2 μm。

圖7 電極厚度與機電耦合系數的關系

機電耦合系數最大時和最小時XZ平面內的電勢分布如圖8所示。通過對圖8的機電耦合系數及電場分布的分析可知，改變電極的厚度可以改變電場的分布。與電極厚度為0.3 μm處的電勢相比，電極厚度為0.05 μm時，正電勢、零電勢及負電勢的分布與叉指周期的分布更趨于一致。當電場的分布與器件的叉指周期趨于一致時，器件的機電耦合系數越大。

圖8 電極厚度為不同尺寸時對稱/反對稱頻率處的電勢分布

4 結 語

本文使用有限元分析的方法，通過優化壓電層的切向和厚度，對基于IDT/Diamond結構的多層聲表面波器件的機電耦合系數、聲表面波波速及溫度靈敏度系數進行了分析和優化，通過增加ALN層的方式進一步提高了Rayleigh波的波速；此外，分析了電極厚度對機電耦合系數的影響及影響機理，為高頻高Q值的聲表面波器件的設計提供了思路。