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掺钪氮化铝压电薄膜制备及声表面波器件仿真技术研究

掺钪氮化铝压电薄膜制备及声表面波器件仿真技术研究

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作者：曹健重庆大学

学位级别：硕士

随着通信技术的飞速发展,对声表面波(Surface Acoustic Wave,SAW)器件性能的要求越来越高。掺钪氮化铝(Sc Al N)薄膜因具有压电响应高、声速大等优良特性,近年来在声学滤波器领域引起了极大关注。但由于高钪含量Sc Al N薄膜的制备难度较... 详细信息

随着通信技术的飞速发展,对声表面波(Surface Acoustic Wave,SAW)器件性能的要求越来越高。掺钪氮化铝(Sc Al N)薄膜因具有压电响应高、声速大等优良特性,近年来在声学滤波器领域引起了极大关注。但由于高钪含量Sc Al N薄膜的制备难度较大,国内在该技术上的研究止步于30 at.%的掺杂浓度。高性能SAW器件的设计不仅需要高品质压电材料,还依赖于精确高效的仿真工具。二维耦合模(Two-Dimensional Coupling-of-Modes,2D-COM)模型由于其计算成本低和精度高而被广泛应用。然而,以往解析求解2D-COM方程的方法难以包括所有非导模,导致在禁带边缘附近计算结果和测量结果之间存在差异。COM模型是一种唯象模型,仿真的精度仅由模型中的参数的精度决定。从测量数据中提取COM参数虽然准确,但也存在昂贵、耗时的问题。针对上述三个难点问题,本论文研究了(1)高钪含量Sc Al N薄膜的溅射沉积工艺、(2)数值求解2D-COM方程和(3)利用有限元法提取COM参数。本论文的主要工作和研究结论如下:(1)总结了Sc Al N薄膜的发展历程,比较了常用薄膜沉积方法的主要特征,分析了钪掺杂引起氮化铝薄膜压电性能显著增强的机理,研究了种子层、溅射功率、N/Ar流量比和总气体流量对Sc Al N薄膜的c轴择优取向的影响,优化了薄膜的生长条件。结果表明,本论文制备的Sc Al N薄膜中的钪含量为33.26 at.%,薄膜的纵向压电常数d高达25 p C/N,横向压电常数d达到～10.96 p C/N。(2)针对解析求解2D-COM方程中出现的,在禁带上边缘附近计算响应与测量响应之间存在差异的问题,提出通过在comsol Multiphysics软件的偏微分方程模块中数值求解2D-COM方程来解决。建立了数值求解2D-COM方程的分析模型,分析了不同压电基片材料、不同叉指结构的SAW器件,计算结果和测量结果之间显示出良好的一致性,证实了该模型的有效性。(3)研究了利用有限元法提取COM参数,建立了周期结构的三维有限元模型,提取了SAW速度v、反射率k、换能系数(?)、静电容C、各向异性参数(?)等COM参数。基于提取的COM参数和(2)中建立的模型,计算了不同类型的SAW器件的电响应,计算结果与实测结果吻合良好,证实了该方法的有效性。

关键词： ScAlN薄膜磁控溅射声表面波 2D-COM comsol pde

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