信息学院吴涛课题组在AlScN薄膜射频器件与PMUT声光成像领域取得多项重要成果

ON2022-12-08CATEGORY科研进展

近年来，随着先进压电材料、集成电路、微纳声学等领域的飞速发展，基于氮化铝（AlN）和氮化铝钪（AlScN）薄膜的压电微机电系统（MEMS）以其低成本、小体积和高性能而受到广泛关注。信息学院后摩尔与集成电路中心吴涛课题组围绕压电微纳机电系统的理论建模、器件设计、微纳工艺、性能表征、应用开发等开展长期研究，近期在基于AlN/AlScN薄膜的工艺研发和器件设计制造，压电超声换能器（PMUT）设计及声光成像应用等方面发表了一系列重要成果，有望助推该领域发展。

高品质AlScN薄膜与射频声学器件研发

AlN薄膜具有高声速、强极性、低温度频率系数(TCF)和与CMOS兼容工艺等优点，是射频通信和传感应用领域的首选压电材料之一。AlScN通过稀土元素掺杂改性，其压电常数d33较AlN薄膜提升5倍以上。然而，AlScN作为一种亚稳态六方相，对沉积工艺条件的要求比纯AlN更为严格：钪掺杂浓度越高越难以获得高质量且应力可控的AlScN薄膜；同时，钪掺杂也对AlScN薄膜的加工带来了新的挑战。

研究团队通过对氮化铝钪溅射工艺的优化，成功地制备出不同浓度的高质量、应力可控的氮化铝钪薄膜；基于AlScN压电薄膜特性，设计制造了多种极具创新和应用潜力的器件；报道了一系列高机电耦合系数k_t²、高品质因数Q的AlScN薄膜兰姆波谐振器；首次研制了基于Al_0.7Sc_0.3N薄膜的高带宽、低损耗的声学延迟线，其阻抗匹配网络的虚部降低了40%。这种低插入损耗和易于匹配的能力显示了芯片级信号处理、滤波和传感的应用潜力。相关成果由博士生邵率和罗智方主要完成，并发表于知名期刊IEEE JMEMS和EDL[1]-[3]。

图1，（a）-（b）AlScN薄膜沉积工艺优化；（c）-（d）AlScN薄膜刻蚀工艺优化。

图2，（a）AlScN兰姆波谐振器设计结果图；（b）AlScN声学延迟线设计和测试结果图。（c）射频非互易性器件设计和测试结果图。

压电超声换能器（PMUT）与声光成像应用

光声现象描述了激光激发和超声接收的物理过程。当生物组织受到短脉冲激光束照射时，由于不同成分的光吸收而发生瞬时热膨胀和收缩所形成的声波可以被超声换能器接收并进行三维成像。随着光声成像(PAI)技术的兴起和快速发展，研究人员利用PAI提供多样化的生物医学信息，帮助生物和临床科学家更好地了解一定维度的生物组织。

PMUT是利用压电薄膜材料和微机电(MEMS)技术制备的可实现微米量级的超声换能器。为了解决目前用于PAI的弯曲模式超声换能器(FVM PMUT)带宽不足的问题，吴涛团队与智能医疗信息研究中心高飞团队合作，实现了基于PMUT高阶模式的光声成像。实验结果表明，利用压电微机械超声换能器的高阶模式谐振做检测，能够得到半峰宽更小的信号，并且能有效提升光声成像的分辨率，尤其是轴向（深度方向）的成像分辨率。该工作结合微机电制造工艺和光声成像技术，在微创医疗内窥成像方面有广泛的应用前景。

相关成果由2022级博士生蔡俊翔与2020级硕士生王怡韵等主要完成，并发表在微机电系统领域知名期刊Microsystems & Nanoengineering和会议IEEE MEMS、ISCAS [4]–[6]。同时，成果作为参赛项目还获得上科大创新创业大赛三等奖，并受到学校双一流建设项目资助和多家投资企业关注。

图3，（a-e）PMUT 工艺流程与表征；（f）光声成像实验装置图。

图4，光声成像结果图。

上述科研工作均在上海科技大学完成，并得到了量子器件中心、软物质微纳加工平台、分析测试中心和信息学院电子器件科研平台的大力支持。此外，吴涛课题组与量子器件中心联合推出了上科大氮化铝共享科研服务平台（https://small.shanghaitech.edu.cn/stamp.html），以期共同推进压电微纳传感器与智能系统方向的发展。