基于ScAlN/FeGa结构的磁电声表面波谐振器

姜建利, 杨雪梅，刘 婉，白飞明

(电子科技大学 电子薄膜与集成器件国家重点实验室,四川 成都 610054)

0 引言

近年来，层状磁电(ME)复合材料因其丰富的界面物理场效应备受关注[1-4]，在弱磁场传感器[5-6]、自旋电子器件[7-9]、射频/微波器件[10-11]等领域有着广泛的应用。经典ME效应为磁场诱导的电极化变化或电场诱导的磁矩变化，随着射频/微波器件应用的发展，高频磁电效应和逆磁电效应被提出[12-13]。高频逆磁电效应是指使磁场引起的声共振频率偏移，现已作为一种调谐声表面波(SAW)或体声波(BAW)器件的手段[14-16]。声波器件中SAW或BAW的传播特性不仅与压电层相关，也依赖于磁致伸缩衬底的磁弹性属性，如巨杨氏模量效应(ΔE效应)，即在磁场小应变范围杨氏模量发生很大改变(减小)的效应[17]。本课题组提出了基于ZnO/FeSiB多层结构的磁电SAW磁场传感器[14]，其中ZnO压电薄膜制备于具有巨杨氏模量的FeSiB带材之上，由于磁致伸缩衬底选用FeSiB非晶带材料，与微机电系统(MEMS)工艺结合较难。FeGa合金 (Fe1-xGax，0.12

本文一方面制备了一种基于ScAlN/FeGa异质结构的磁电SAW谐振器，对器件性能进行了测试分析；另一方面通过多层结构SAW传播特性有限元仿真计算探究ScAlN/FeGa多层结构中瑞利波的传播特性，从理论上解释了高声表面相速度和谐振频率出现的机理。该类器件将在磁场调谐射频/微波谐振器、小型化NEMS天线、超灵敏磁场传感器等中具有良好的应用前景。

1 实验

1.1 ScAlN压电薄膜制备

我们首先采用沈阳科学仪器公司JPG560双室磁控溅射系统在N型Si(100)基片上反应溅射沉积了 ScAlN 压电薄膜。靶材选用直径为∅75 mm的Al靶(99.999%)和直径为∅8 mm的Sc片(99.999%)，反应气体选用高纯N2气体。已有研究发现[21]在适当高功率、低气压、富氩气的条件下可制备得到高度c轴取向的ScAlN薄膜，同时选取适当的直流(DC)偏压和靶基距，可以优化薄膜的表面形貌与取向度。经过优化的ScAlN薄膜(Sc掺杂相对原子数分数为14.5%)的溅射沉积条件为：溅射气压0.11 Pa，射频功率265 W，Ar流量16 cm3/min、N2流量4.0 cm3/min (N2与Ar的流量比为1∶4)，偏压为-40 V。

磁致伸缩衬底采用由定向凝固法[19-20]生长的Fe81.3Ga18.7多晶材料，所选衬底呈[110](001)取向，其样品尺寸为30 mm×9 mm×0.3 mm。用1 200目的砂纸将FeGa合金样品(001)面表面的机械加工层磨至光滑，依次用7 μm、3 μm、0.25 μm金刚石抛光膏、粒径为∅50 nm的SiO2抛光液进行表面抛光处理。然后采用直流磁控溅射在Fe81.3Ga18.7衬底上沉积厚为50 nm的金属Ti附着层，再用射频磁控反应溅射法在Ti/Fe81.7Ga18.3上沉积所需厚度的ScAlN压电薄膜，溅射条件：射频功率280 W、溅射气压0.11 Pa、N2与Ar的流量比为1∶4，DC偏压-40 V。ScAlN压电薄膜的结构通过X线衍射仪(XRD，DX-2700)分析，断面形貌采用扫描电子显微镜(SEM，Inspect F50)分析。采用原子力显微镜(AFM，Seiko Instrument SPA-300HV)分析薄膜表面粗糙度。

1.2 ScAlN/FeGa结构SAW谐振器制备

在ScAlN/Ti/FeGa结构上利用反转胶剥离光刻工艺制备SAW谐振器的叉指换能器(IDT)和反射栅。叉指电极为采用直流磁控溅射沉积的金属Al电极，厚为100 nm，设计叉指电极对数为40对，叉指电极线宽为4 μm，反射栅500条，具体制备器件参数如表1所示。

表1 磁电SAW谐振器的器件参数

2 实验结果和分析

2.1 ScAlN压电薄膜表征

对制备ScAlN压电薄膜进行表征测试，从图1(a)中仅可见ScAlN(002)衍射峰，未见其他衍射峰，图1(a)中插图为(002)晶面的摇摆曲线，半高宽为3.6°，表明ScAlN薄膜具有良好的择优取向生长。由图1(b)可知，ScAlN薄膜垂直衬底呈柱状生长，即具有(002)取向的纤维织构状，薄膜质量良好，其高度c轴取向生长的压电薄膜是SAW器件制备的关键。

图1 ScAlN压电薄膜/Si(100)的XRD和SEM测试结果

2.2 ScAlN/FeGa结构的性能表征

图2为Sc14.5Al85.5N/Fe81.3Ga18.7的XRD和AFM测试结果。由图2(a)可知，通过台阶仪测得薄膜厚为0.7 μm，图2(a)还显示，ScAlN薄膜呈c轴取向，(002)衍射峰对应的衍射角2θ为35.29°。FeGa磁致伸缩衬底为各向异性介质，我们所选FeGa合金为[110]取向多晶体，在衍射图谱中44°左右存在FeGa (110)衍射峰，确定所用FeGa合金基底具有[110]取向。从图2(b)中可看出，薄膜表面均方根表面粗糙度(RMS)为2.36 nm，可以满足器件制备的要求。

图2 Sc14.5Al85.5N/Fe81.3Ga18.7的XRD和AFM测试结果

图3为单端口SAW谐振器示意图。由图3(b)可知，器件表面电极边缘界限清晰平整、光滑、无明显缺陷，有良好的图形化效果，平均IDT周期为15.74 μm。

图3 单端口SAW谐振器示意图

2.3 SAW谐振器测试与仿真

采用安捷伦矢量网络分析仪和微波探针台对单端口磁电SAW谐振器进行测试。图4为SAW谐振器测试结果。由图4(a)可知，单端口SAW谐振器参数S11测试结果显示中心频率为218.75 MHz，SAW相速度vp=λ·f0(λ为波长，f0为谐振频率)，其中叉指线宽为4 μm，λ=15.74 μm，得到SAW器件的瑞利波波速为3 443 m/s。相对应的群时延结果如图4(b)所示，该SAW谐振器的相位在218.75 MHz处有明显变化。

图4 SAW谐振器测试结果

在上述多层结构SAW谐振器中，由于波长远大于压电薄膜的厚度，SAW能量将进入到FeGa合金衬底中，因此,ScAlN压电薄膜和FeGa合金衬底会同时影响SAW谐振器的瑞利波声速和机电耦合系数。为了理解高SAW相速度的起源及机电能量的耦合关系，我们利用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件进一步计算了Sc40Al60N/Fe81.3Ga18.7多层结构瑞利波的传播特性，结果如图5所示。其中Fe81.3Ga18.7的材料参数参见文献[18]；Sc40Al60N压电薄膜的厚为0.7 μm，材料参数参见文献[22]，简化分析只抽取SAW谐振器的单个波长范围，并仅考虑瑞利波模式。

图5 SAW谐振器器件仿真结果

由图5(a)可知，瑞利波谐振频率为219 MHz，在更高的频率范围内不存在瑞利波。图5(b)为在Sc40Al60N/Fe81.3Ga18.7多层结构中传播的瑞利波模式振型图，则瑞利波的相速度为3 504 m/s，机电耦合系数k2与波速之间满足k2= 2(vfree-vmetal)/vfree(其中，Vfree为自由表面波速，Vmetal为金属表面波速)，仿真计算得到k2=0.33%。SAW谐振器的k2也可通过矢网分析测试计算得到，其计算公式为[23]

(1)

式中：fr为谐振频率；Gm(fr)和Bs(fr)分别为SAW器件在fr处的动态电导和静态电纳。经计算可得k2=0.06%。SAW谐振器测试相速度与仿真结果基本一致，器件测试机电耦合系数与仿真结果存在一定的偏差，其主要原因为：

1) 在SAW谐振器的各个制备工艺中表面粗糙度不能达到理想状态。

2) 叉指换能器的金属铝电极均匀性问题。

3) 在仿真计算中将FeGa磁致伸缩衬底按单晶处理，材料参数采用单晶的材料参数，而实际器件制备中所用衬底为FeGa多晶块材。

3 结束语

本文在FeGa合金磁致伸缩衬底上采用射频反应磁控溅射沉积ScAlN压电薄膜，X线衍射和扫描电镜分析显示，ScAlN压电薄膜具有优良的(002)择优取向，晶粒呈柱状垂直生长于衬底上，原子力显微镜分析表明薄膜表面粗糙度满足器件制备要求。另外，我们制备了单端口SAW谐振器，SAW谐振器的设计波长为16 μm，实测谐振频率为218.75 MHz，相速度vp为3 443 m/s。COMSOL仿真和实验结果较吻合。随着制备工艺的改善和机电耦合系数的提高，基于ScAlN/ FeGa多层膜结构的磁电声表面波谐振器将有望用于高灵敏度弱磁场探测应用中。