高Sc含量ScAlN薄膜的制备与表征

杨数强，王军强，张 超，陈宇昕，尚正国

（1.洛阳师范学院物理与电子信息学院，河南洛阳471000；2.北京卫星环境工程研究所，北京100094；3.重庆大学 光电工程学院，重庆400044）

1 引 言

作为制备压电类MEMS、NEMS器件的理想材料，氮化铝钪（ScAlN）具有高声速、高功率及耐受性，与CMOS工艺兼容的优点，克服了氮化铝（AlN）压电薄膜压电常数低、机电耦合系数低的问题，可以同时实现射频器件的低插损、高带宽、高集成度、高工作频率，被广泛应用于声表面波（SAW）、体声波（FBAR）、压电超声换能器（pMUT）、电力电子功率器件、微能源系统及高电子迁移率场效应晶体管（HEMTs）等领域［1-7］。由于在下一代高频率大带宽的5G通讯及物联网中的应用［8］，ScAlN目前受到国内外广泛关注。

ScAlN薄膜的制备方法主要有反应磁控溅射法［9］、分子束外延（MBE）法［6］、金属有机物化学气相淀积（MOCVD）法［10］等。其中，反应磁控溅射法成膜速率高、工艺温度低、成膜的应力和均匀性可控，且与CMOS工艺兼容，最具有商业应用的潜力［11］，工艺最成熟，也是目前制备ScAlN的主要方法。

作为一种新型材料，ScAlN薄膜的研究刚刚起步。2009年，Akiyama等人利用双靶共溅射系统，在400℃的条件下制备了Sc0.43Al0.57N薄膜，纵向压电常数d33高达27.6 pC/N，首次从实验层面验证了Sc掺杂可有效提高AlN薄膜的压电性能［9］。2014年，Barth等人利用双环磁控溅射制备出了最高30 pC/N的ScAlN薄膜，成为目前实验制备出的性能最高的ScAlN压电薄膜［12］。2016年，电子科大的Tang等利用AlSc合金靶，在550℃的条件下成功制备了Sc0.15Al0.85N薄膜，压电常数可以达到16.8 pC/N。2011年，Moreira等人制备了基于Sc0.15Al0.85N薄膜的FBAR器件，机电耦合系数高达12%［13］，是AlN器件的两倍。2019年，Yuri等人采用36%的ScAlN薄膜制备了空气耦合的压电微机械超声换能器，在100 kHz以下的设备中表现出相当高的声压灵敏度［14］。……