应对上述瓶颈问题，由北京大学、上海微系统与信息技术研究所、松山湖材料实验室组成的联合研究团队，提出了基于高温热退火技术制备a面氮化铝单晶薄膜实现高性能表面声学谐振腔的解决方案(图1c和d)，充分结合了氮化铝材料c轴优异高频压电特性与表面声波谐振器结构简单的双重优点。本方案是基于高质量非极性面单晶氮化铝薄膜实现的MEMS声学谐振器且器件性能优异，相关成果以“High speed surface acoustic wave and laterally excited bulk wave resonator based on single-crystal non-polar AlN film”为题，于2023年12月19日在Appl. Phys. Lett. [Appl. Phys. Lett. 123, 252105 (2023);]上在线发表，并以“High-Performance SAW Resonators Based on Single-crystalline a-Plane AlN Thin Films on Sapphire Substrates”为题收录于声学领域顶级会议IEEE International Ultrasonics Symposium [03-08 Sep. 2023, Montreal, QC, Canada]。

a面氮化铝单晶薄膜

研究团队利用物理气相沉积结合1700℃超高温退火技术在r面蓝宝石衬底上实现了a面氮化铝单晶薄膜，根据氮化铝薄膜的和方向倒空间X射线衍射图谱可知，氮化铝衍射晶面均具有较强的衍射信号，同时其与蓝宝石衍射斑具有相同的q_x/q_y，表明氮化铝和蓝宝石晶向均平行于薄膜法线方向。图2(d)中采用Φ扫描的方式分别确定了氮化铝和蓝宝石具有面内衍射分量的晶面，其中氮化铝晶向在薄膜面内的分量与蓝宝石晶向在薄膜面内的分量相互垂直。最终的氮化铝和蓝宝石之间的外延关系如图2(e)所示，所得氮化铝薄膜为c轴在薄膜面内的a面氮化铝单晶薄膜。

高频声学特性

基于高温退火a面氮化铝单晶薄膜的谐振器结构示意图如图3a所示。为了证明施加电场方向与c轴之间相对角度的重要性，我们制备了一组具有不同夹角θ的谐振器，相邻谐振器之间的θ以5°为步进渐变。当θ=0°时，施加电场方向与氮化铝c轴方向平行，瑞利表面波的f_r和f_a 分别为2.382和2.387 GHz，K_t²=0.587%，而品质因子值高达2458，经优化后可提升至3731。此外，即使是在185°C条件下，谐振器的品质因子仍然高达1847，证明了其优异的高温工作能力。随着θ逐渐增大，瑞利共振与品质因子逐渐减弱。除瑞利表面波(Rayleigh SAW)，谐振器同时在4.00 GHz频段激发出高频横向体波(LBAW)，如图3f所示，当θ=0°时，LBAW的 f_r和f_a的频率分别为4.007和4.064 GHz，计算其对应的K_t²值为3.33%，计算得到声速高达9614 m/s，该工作是氮化铝体系中首次仅通过平面叉指电极激发高速横向体波。该结果证实了非极性面氮化铝单晶薄膜在高频声学谐振器领域具有巨大优势。特别值得一提的是，实现上述谐振器优异性能的单晶氮化铝薄膜表面粗糙度高达~7 nm，证明了此项技术的鲁棒性与产业前景。这一研究工作为氮化铝表面声波谐振器的发展开辟了新的思路，在一定程度上解决了氮化铝在表面声波谐振器中由于低d₃₁所面临的瓶颈问题，有望推动高温退火氮化铝单晶薄膜在射频器件领域的发展与应用。

该研究工作由北京大学、上海微系统与信息技术研究所、松山湖材料实验室等单位共同完成。北京大学博士生卢同心、上海微系统与信息技术研究所博士生房晓丽为共同第一作者，袁冶副研究员、张师斌副研究员、欧欣研究员和王新强教授为共同通讯作者，同时该工作得到了南京航空航天大学吉彦达副教授、广东中民工业技术创新研究院杨安丽博士的支持。该研究工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市卓越青年科学家项目、中国科协青年精英科学家资助计划等项目的支持。