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中国科学技术大学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