单晶氮化物薄膜超高频体声波谐振器研究

Bulk acoustic wave filters have been widely used in smart phone due to its small size, low insertion loss, high out of band rejection, and high power performance. Theoretical calculations have shown that, compared with traditional poly-nitride based filter, filters based on single-crystal nitride layer can reduce the insertion loss greatly. As a result, it can effectively reduce the power dissipation in communication system, and make it very promising in the coming 5G communication system. However, it is difficult to fabricate this kind of device due to the difficulty to form nitride layer with high quality on the bottom metal electrode. The performance of this kind of device is much lower than the performance expected. This project proposes a new device fabrication method by using a substrate lift-off process and a flip chip process, to make single-crystal nitride based bulk acoustic wave resonators with high frequency (resonant frequency larger than 4G) and high performance (effective electromechanical constant larger than 5%, and quality factor larger than 800).

体声波滤波器具有体积小、插入损耗低、带外抑制能力强、功率特性好等诸多优点，在智能手机中获得广泛应用。理论计算表明，与传统的基于多晶氮化物薄膜的体声波滤波器相比，单晶氮化物薄膜体声波滤波器的插入损耗会大大降低，从而大幅度减小通讯系统的功耗，非常适合在未来第五代（5G）移动通讯中应用。然而，这种器件的制备工艺比较困难，最大难点是难以在底部金属电极上形成高质量的单晶压电薄膜，目前已报道的器件性能远小于预期。本项目拟采取衬底剥离工艺与倒装焊工艺相结合的技术路线,解决以上关键技术难题，制备适合5G移动通讯应用的超高频（谐振频率大于4G）、高性能（有效机电常数大于5%，品质因数大于800）的单晶氮化物体声波谐振器，为开发高性能单晶氮化物体声波滤波器奠定基础。

声学谐振器是移动通讯核心芯片射频滤波器的基本构成单元，基于铌酸锂、钽酸锂谐振器的射频滤波器已广泛应用，但由于低声速的限制，传统压电材料的声学器件通常工作于低频段，无法满足5G通讯对于高频器件的需求。AlN是已知声速最高的压电材料，用其替代常规压电材料，提高滤波器工作频率是突破产业瓶颈的关键路线。但目前国内关于AlN谐振器研究方面仍存在诸多技术壁垒，本项目针对这些技术壁垒开展系统研究，取得以下成果：第一，开展AlN声学谐振器设计技术研究，建立AlN声学谐振器的2D、3D有限元仿真平台，系统研究材料种类、材料厚度、器件尺寸、电极形状等参数对谐振器的输入阻抗、品质因数、有效机电常数的影响规律，为研制高性能AlN谐振器奠定基础；第二，开展AlN薄膜制备及品质提升技术研究，提出一种金属电极上“溅射结合MOCVD生长AlN薄膜”制备技术，在金属上直接MOCVD生长AlN薄膜为非晶，采用该技术后在金属上制备出（002）面XRD摇摆曲线半高宽为1.84°的c面AlN薄膜。此外，采用氮气气氛中1400-1700 ℃超高温退火技术大幅度提升AlN薄膜品质，对于厚度为200 nm的AlN薄膜，螺位错密度从5.4 e7减小到2.3 e7 cm-2，刃位错密度从1.8 e11降到 1.4 e9 cm-2。第三，高性能AlN谐振器原型器件研制方面，完全基于国产半导体装备，制备出谐振频率2.4 GHz的AlN 体声波谐振器，品质因数470，有效机电常数3%。此外，研制出高性能AlN SAW滤波器，频率比传统铌酸锂SAW高60%，插入损耗8.71 dB，品质因数1347，为报道的同类中最好结果之一。第四，成果发表、国际交流、人才培养方面，在MEMS领域核心刊物发表SCI第一（通讯）作者论文3篇，申请专利4项，国际会议口头报告一次（CSMantech 2018），培养已毕业博士生一名，在读硕士生一名。该项目的开展，对于国内储备该领域相关核心技术与人才，推动国内相关产业发展具有重要价值。