近日，中心用户王冠中教授团队在高频声表面波（SAW）谐振器研究中取得新的进展。相关成果以“Substrate removal structures for AlScN/diamond surface acoustic wave resonators”为题发表在Diamond and Related Materials上（Volume 133, March 2023, 109726）。
声表面波（SAW）谐振器由于其无源无线传感能力、低功耗和小尺寸，在射频通信和传感领域中发挥着至关重要的作用，但随着移动通信系统的发展，SAW谐振器的使用频率也随之提高。如何向高频方向发展成为SAW谐振器面临的难题。SAW谐振器的中心频率f由f=ν/λ确定，其中ν是SAW相速度；λ是波长，由设计的叉指换能器（IDT）的周期确定。考虑到叉指换能器指条的细化会给光刻工艺带来挑战，研究人员尝试寻找高SAW传播速度的材料来实现高频化。金刚石拥有所有材料中最高的声速和最高的弹性模量，由金刚石衬底和压电材料层组成的结构可同时具备高频、大功率的优势。然而，由于多晶金刚石的表面粗糙度大，直接在金刚石上生长AlScN压电薄膜会导致AlScN结晶质量较差。通过多晶金刚石抛光可降低粗糙度提高AlScN薄膜的质量，但多晶金刚石抛光工艺费时、成本高，不利于大规模生产。
研究人员提出了一种制备AlScN/diamond结构的新方法来获得高频声表面波（SAW）谐振器。采用反应离子辅助溅射法在Si衬底上沉积了高c轴取向AlScN薄膜，其（002）衍射峰的摇摆曲线半高宽仅为2.37°，然后在AlScN表面上生长金刚石并通过ICP刻蚀去除Si衬底来制备AlScN/diamond结构，整个工艺过程如下图所示
该方法避免了多晶金刚石抛光的问题，并获得了高质量的AlScN/diamond复合结构。研究人员基于两种不同掺Sc浓度（Sc=20%和Sc=40%）的AlScN薄膜，设计了两种波长的AlScN/diamond结构SAW谐振器，并使用电子束光刻成功地在AlScN/diamond结构上进行了制备，如下图所示
研究发现，Sc元素的引入会导致AlN晶体结构软化，使得材料声速下降。此外，1200 nm波长的谐振器的机电耦合系数（Keff2）优于1600 nm波长的谐振器。与AlScN/Si器件相比，AlScN/diamond结构SAW谐振器表现出更低的插入损耗和更高的Keff2。最终，在Sc浓度为20%，叉指换能器波长为1200 nm的条件下，获得的AlScN/diamond结构SAW谐振器中心频率为2.77 GHz，机电耦合系数（Keff2）为4.31%，插入损耗为15.46 dB，这为大规模生产AlScN/diamond结构高频SAW谐振器提供了可行性。
中国科大物理系博士生陈妍朴为本文第一作者，王冠中教授为通讯作者。上述研究得到了国家自然科学基金的支持。部分样品的制备和表征在图书馆VIP微纳研究与制造中心进行，论文对中心的仪器支持与技术支撑进行了致谢。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.diamond.2023.109726