62.6 GHz ScAlN Solidly Mounted Acoustic Resonators

技術要約：62.6 GHz ScAlN ソリッドマウント型音響共振器

問題提起
ワイヤレスシステムが5G/6Gおよびミリ波帯（30 GHz以上）へと進化するにつれ、音響フィルタを高周波へスケールアップさせることは大きな課題となっています。表面弾性波（SAW）デバイスは、インターディジテイテッド・トランスデューサ（IDT）の寸法縮小に伴う作製工程の複雑化や損失メカニズムに直面します。一方、バルク音響波（BAW）デバイスは、ミリ波領域で基本モードを実現するために通常100 nm以下の薄膜を必要とし、これが材料品質の低下や損失の増大を招きます。高次の厚さ方向伸長（TE）モードを利用することは、極端な薄膜化を回避しつつミリ波性能を実現する経路となりますが、既存のソリッドマウント型共振器（SMR）は一般に数十GHz以下で動作しています。高周波において高い品質係数（$Q$）と電気機械結合係数（$k_t^2$）の両方を維持することは、音響波長の短縮、横方向電界励起の制限、およびモード閉じ込めの不完全性により困難です。さらに、全金属ブラッグ反射鏡を用いた近年の高周波デモンストレーションは、複雑な作製フローを必要とし、重大なフィードスルーの問題を抱えています。

手法
本研究では、埋め込み型白金（Pt）ボトム電極の上に配置されたSc$_{0.3}$Al$_{0.7}$N圧電層を用いた63 GHz SMRを実証します。設計戦略は以下の通りです：

• スタック設計： 有限要素解析（FEA）に基づき、厚さ方向電界励起を用いて第3次TEバルク音響波モードを効率的に閉じ込め、励起するスタックを設計しました。構造は、40 nmの埋め込み型Ptボトム電極とパターン化されたPtトップ電極に挟まれた67.6 nmのSc$_{0.3}$Al$_{0.7}$N活性層で構成されています。
• ブラッグ反射鏡： 浮遊型FBARと比較して容量性フィードスルーを最小限に抑え、構造的堅牢性を向上させるため、全誘電体ブラッグ反射鏡（SiO$_2$（28.2 nm）とTa$_2$O$_5$（24.3 nm）の8.5ペアの交互層）を採用しました。これらの材料は、高い音響インピーダンスコントラスト（12.4 対 33.3 Mkgm$^{-2}$s$^{-1}$）を持ち、約60%の分数ストップバンド帯域幅を提供します。
• 作製： デバイスは高抵抗シリコン（HR-Si）基板上に作製されました。プロセスとして、ブラッグ反射鏡のスパータリング、埋め込み型Pt電極の堆積、およびScAlN層の成長を行いました。活性領域はUVフォトリソグラフィとイオンミリングによって定義され、その後、絶縁のために低温度PECVD SiO$_2$バックフィルが行われました。トップPt電極は電子ビーム蒸着によりパターン化され、コンタクトパッドは300 nmのAlで形成されました。
• 特性評価： デバイスは67 GHzのベクトルネットワークアナライザ（VNA）に接続されたGSGプローブを用いて特性評価されました。2ポートSパラメータはYパラメータに変換され、ルーティング寄生成分（$L_s$, $R_s$）を考慮した修正バターワース・バン・ダイク（BVD）回路モデルが適用されました。

主な貢献

• 記録的な周波数： これまで報告されたSMRの中で最高動作周波数となる、62.6 GHzで動作するSMRの作製を実現しました。
• 全誘電体反射鏡： 容量密度の高いミリ波SMRにおける重要な要因である容量性フィードスルーを低減するため、SiO$_2$/Ta$_2$O$_5$ブラッグ反射鏡を実装しました。これにより、全金属反射鏡に関連する複雑さとフィードスルーの問題を回避しました。
• 厚さ方向電界励起： 埋め込み型ボトム電極を利用することで、$e_{33}$係数を活用し、横方向電界励起ではなく第3次TEモードの効率的な厚さ方向電界励起を実現しました。
• 設計の検証： 第3次TEモードの閉じ込めの実験的検証、およびコンパクトなミリ波音響コンポーネントへの実用的な経路の提示。

結果

• 共振周波数： 作製されたデバイスは、62.6 GHzに明確な直列共振、および63.8 GHzに反共振を示します。また、40.4 GHzに第2次TEモード、11.7 GHzに第1次TEモードが観測されました。
• 性能指標： デバイスは、第3次TEモードに対して0.8%の抽出された圧電結合係数（$k_t^2$）を達成しました。位相由来のBode品質係数（$Q$）は63.75 GHzで50.91にピークに達し、その結果、$3.13 \times 10^{12}$という高い $f \cdot Q$ 積を達成しました。
• 不一致： 実測された共振周波数（62.6 GHz）は、シミュレーション上のターゲット（約49–50 GHz）よりも高くなりました。作製後のFEAによるマッチングによれば、このシフトはトップおよびボトムのPt電極間の厚さの不一致（設計された40 nmに対し、推定されるトップPt厚は28 nm）および薄膜材料特性の変動に起因しています。
• 損失メカニズム： 低周波のSMRと比較して$Q$が比較的低いのは、反射鏡のバンドギャップの不完全な中心合わせによるリーク、Pt/ScAlN/Ptキャビティ内の固有損失、およびルーティングの直列抵抗（$R_s = 52 \, \Omega$）による電気的負荷に起因します。

意義
著者らは、これらの結果が次世代のRFフロントエンドにおけるフィルタおよびレゾネータのためのミリ波SMRデバイスへの道筋を確立すると述べています。厚さ方向電界励起と全誘電体反射鏡を用いることで、ソリッドマウント構造が60 GHz以上でも効果的に動作できることを示すことにより、本研究は構造的堅牢性と高周波動作のバランスをとる設計手法を検証しました。現在の$k_t^2$および$Q$は低周波の対応物と比較すると控えめですが、これまでで最高のSMR周波数を達成したことは、将来のコンパクトで低損失なミリ波音響コンポーネントに対するこのプラットフォームの実現可能性を証明しています。論文は、今後の課題として、高周波損失の低減、$k_t^2$を改善するためのスタック/電極構成の最適化、およびこれらのレゾネータのフィルタ試作への統合に焦点を当てることで締めくくられています。