62.6 GHz ScAlN Solidly Mounted Acoustic Resonators

技术摘要：62.6 GHz ScAlN 实心安装声学谐振器

问题陈述
随着无线系统向 5G/6G 及毫米波（mmWave）频段（30 GHz 以上）演进，将声学滤波器扩展至更高频率面临着重大挑战。虽然表面声波（SAW）器件在叉指换能器（IDT）尺寸缩小时会面临制造复杂性和损耗机制问题，但体声波（BAW）器件通常需要亚 100 纳米级的薄膜才能实现毫米波波段的基础模式，这会导致材料质量下降和损耗升高。尽管利用高阶厚度伸展（TE）模式为毫米波性能提供了一条无需极端减薄的途径，但现有的实心安装谐振器（SMR）通常工作在数十 GHz 以下。由于声波波长缩短、横向场激发限制以及模式局域化不完全，在更高频率下同时保持高品质因数（$Q$）和机电耦合系数（$k_t^2$）非常困难。此外，近期使用全金属布拉格反射器的超高频演示依赖于复杂的制造流程，并存在显著的馈通（feedthrough）问题。

方法论
本研究展示了一种利用 Sc$_{0.3}$Al$_{0.7}$N 压电层和埋入式铂（Pt）底电极的 63 GHz SMR。设计策略包括：

• 堆叠设计：通过有限元分析（FEA）指导堆叠结构，利用厚度场激发来局域并高效激发第三阶 TE 体声波（BAW）模式。该结构由 67.6 nm 的 Sc$_{0.3}$Al$_{0.7}$N 有效层夹在 40 nm 埋入式 Pt 底电极和图案化 Pt 顶电极之间组成。
• 布拉格反射器：为了最大限度地减少电容性馈通并提高与悬浮 FBAR 相比的结构鲁棒性，采用了由 8.5 对交替的 SiO$_2$（28.2 nm）和 Ta$_2$O$_5$（24.3 nm）层组成的全电介质反射器。选择这些材料是因为它们具有高声阻抗对比度（12.4 vs. 33.3 Mkgm$^{-2}$s$^{-1}$），提供了约 60% 的分数阻带带宽。
• 制造：器件在高性能硅（HR-Si）衬底上制造。工艺过程包括溅射布拉格反射器、沉积埋入式 Pt 电极，以及生长 ScAlN 层。通过 UV 光刻和离子刻蚀定义有效区域，随后采用低温 PECVD SiO$_2$ 背填进行隔离。顶层 Pt 电极通过电子束蒸发进行图案化，并使用 300 nm Al 形成接触焊盘。
• 表征：使用连接到 67 GHz 矢量网络分析仪（VNA）的 GSG 探针对器件进行表征。将双端口 S 参数转换为 Y 参数，并应用改进的 Butterworth–Van Dyke（BVD）电路模型，以考虑路由寄生参数（$L_s$, $R_s$）。

核心贡献

• 纪录频率：制造出工作频率为 62.6 GHz 的 SMR，这是迄今为止报道的最高工作频率的 SMR。
• 全电介质反射器：实现了 SiO$_2$/Ta$_2$O$_5$ 布拉格反射器以减少电容性馈通，这是高电容密度毫米波 SMR 的关键因素，避免了与全金属反射器相关的复杂性和馈通问题。
• 厚度场激发：成功利用埋入式底电极来利用 $e_{33}$ 系数，实现对第三阶 TE 模式的高效厚度场激发，而非依赖横向场激发。
• 设计验证：实验验证了第三阶 TE 模式的局域化，并展示了开发紧凑型毫米波声学组件的实用路径。

结果

• 共振频率：制造的器件在 62.6 GHz 处表现出清晰的串联共振，并在 63.8 GHz 处表现出反共振。在 40.4 GHz 处观察到第二阶 TE 模式，在 11.7 GHz 处观察到第一阶 TE 模式。
• 性能指标：提取出的第三阶 TE 模式压电耦合系数（$k_t^2$）为 0.8%。基于相位的 Bode 品质因数（$Q$）在 63.75 GHz 处达到峰值 50.91，从而获得了 $3.13 \times 10^{12}$ 的高 $f \cdot Q$ 乘积。
• 差异：实测共振频率（62.6 GHz）高于模拟目标（约 49–50 GHz）。制造后的 FEA 匹配表明，该偏移是由于顶层与底层 Pt 电极之间的厚度失配（估计顶层 Pt 厚度为 28 nm，设计为 40 nm）以及薄膜材料特性的变化引起的。
• 损耗机制：相对于低频 SMR，较低的 $Q$ 值归因于反射器带隙中心偏移导致的残余泄漏、Pt/ScAlN/Pt 腔内的固有损耗以及来自路由串联电阻（$R_s = 52 \, \Omega$）的电负载。

意义
作者指出，这些结果为下一代射频前端中毫米波 SMR 器件及滤波器奠定了基础。通过证明实心安装架构可以利用厚度场激发和全电介质反射器在 60 GHz 以上有效工作，这项工作验证了一种平衡结构鲁棒性与高频工作的设计方法。虽然目前的 $k_t^2$ 和 $Q$ 与低频对应物相比较为适中，但实现迄今为止最高的 SMR 频率证明了该平台对于未来紧凑、低损耗毫米波声学组件的可行性。论文结论指出，未来的工作将侧重于降低高频损耗、优化堆叠/电极配置以提高 $k_t^2$，并将这些谐振器集成到滤波器原型中。