针对当前压电驱动悬臂梁谐振器存在加工工艺复杂、成本较高的问题，该文提出了一种基于氮化铝支撑层的新型压电驱动悬臂梁层叠结构，它不仅能有效降低加工难度，还能在实现器件小型化的同时保持较高的品质因数。该文通过理论分析研究了固定频率下谐振器品质因数与器件尺寸设计的关系，并对比了不同支撑层材料对谐振器品质因数的影响。通过实验研究了电极尺寸设计对谐振器在真空中性能的影响，从而确定了工作在面外弯曲振动模式的压电驱动氮化铝基悬臂梁谐振器的最优设计。测试结果表明，在电极宽度占比为1，长度占比为2/3时，该谐振器表现出最好的性能，其品质因数为7 786，谐振频率为63.44 kHz，运动阻抗为66.70 kΩ。

该文提出了一种获得相对带宽约为70.61%的基于氮化铝薄膜的超宽带薄膜体声波谐振器(FBAR)滤波器的设计方法，即在中心频率为6.5 GHz下滤波器的带宽为4.835 GHz。仿真分析表明，通过串并联电感的方式，并在电感端串并联电容，可消除因增加电感而带来的谐波谐振点干扰对带通的影响，实现了FBAR滤波器的超宽带。该工作开辟了设计和制作带宽超过3 GHz的超宽带体声波滤波器的新途径。

提出了一种适用于低电压工作的毫米波AlN/GaN MIS-HEMT器件, 开展了材料外延结构的设计, 在SiC衬底上生长了AlN/GaN外延材料。基于此材料开展了器件制作, 优化了高温快速退火工艺, 获得良好的欧姆接触电阻。对所制备的器件进行直流测试, 结果显示, 电流输出能力为2.4 A/mm, 跨导极值为518 mS/mm, 小信号ft达到85 GHz, fmax大于141 GHz。在5G毫米波段28 GHz频率点测试了大信号特性, 当VDS =3 V时, 输出功率密度为0.55 W/mm, 功率附加效率(PAE)为40.1%; 当VDS = 6 V时, 输出功率密度为1.6 W/mm, PAE达到47.8%。该器件具有低压毫米波应用的潜力。

采用物理气相传输(PVT)法通过同质外延生长获得14 mm×12 mm的AlN单晶样品。对样品进行切割、研磨、化学机械抛光处理后，采用拉曼光谱仪、高分辨X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪、光致发光光谱仪对样品进行测试表征。拉曼测试结果表明，晶体中心区域的拉曼光谱E2(high)声子模的半峰全宽为3.3 cm-1，边缘区域E2(high)声子模的半峰全宽为4.3 cm-1，晶体呈现较高的结晶质量。XRD摇摆曲线表征结果显示，外延生长后的晶体中心和边缘区域的摇摆曲线半峰全宽增大至100″和205″，表明晶体内存在缺陷。XPS测试结果表明，晶体内存在C、O、Si杂质元素，杂质的原子数分数分别为0.74%、1.43%、2.14%，晶体内发现以氧杂质为主的Al—O、N—Al—O等特征峰。光致发光光谱测试结果显示，晶体内存在VAlON复合缺陷和VAl点缺陷。

氮化铝(AlN)是直接带隙半导体，具有超宽禁带宽度(6.2 eV)、高热导率［3.2 W/(cm·K)］、高表面声波速率(VL= 10.13×105 cm/s，VT=6.3×105 cm/s)、高击穿场强和稳定的物理化学性能，是紫外/深紫外发光材料的理想衬底，由此制作的AlxGa1-xN材料，还可以实现200~365 nm波段内的连续发光；可以制作耐高压、耐高温、抗辐射和高频的电子器件，是具有巨大潜力的新一代半导体材料。本文介绍了物理气相传输法异质外延生长AlN单晶的原理，并从碳化硅(SiC)衬底上AlN单晶生长研究历程、AlN/SiC衬底生长AlN晶体以及偏晶向SiC衬底生长AlN晶体3个方面综述了SiC衬底上异质外延生长AlN晶体的研究进展。最后简述了SiC衬底上生长AlN单晶面临的挑战和机遇，展望了AlN材料的未来发展前景。

本文在具有0.2°至1.0°斜切角的c面蓝宝石衬底上通过金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)生长了台阶聚束表面形貌AlN外延层, 并系统研究了高温退火过程中其表面形貌演化规律, 且基于第一性原理计算揭示了表面形貌演化背后的物理机制。研究发现, 随退火温度逐步升高, AlN外延层台阶边缘首先出现具有六方结构特征的热刻蚀凹坑, 随后在台面上形成边缘规则的多边形凹坑, 其主要原因是AlN表面台阶边缘处Al-N原子对脱附能量(10.72 eV)小于台面处Al-N原子对脱附能量(12.12 eV)。此外, 由于台阶宽度随斜切角增大而变窄, 台面处凹坑在扩张过程中易与台阶边缘处凹坑发生合并形成V形边缘, 斜切角越大台面上凹坑数量越少。本文阐明了不同斜切角蓝宝石衬底上生长的AlN在高温热退火过程中台阶聚束形貌演变机制, 为面内组分调制的AlGaN基高效深紫外LED提供基础。

本文利用等离子体辅助分子束外延(PA-MBE)系统, 对常规连续外延生长和金属调制外延(MME)生长AlN薄膜进行研究。研究发现: 常规连续外延方法生长模式不易控制, 容易出现过度富Al和富N模式生长, 而且微富Al模式生长还会出现一些凹坑, 表面形貌较粗糙; 然而利用MME方法生长AlN薄膜, 通过精准调控Al源和N源快门打开、关闭时间, 可以获得形貌较好的AlN薄膜。通过调整优化获得的MME方案为: 首先Al源快门打开30 s, 然后Al源和N源快门打开60 s, 最后单独打开N源快门72 s; 单一周期内, Al源快门打开时间与N源快门打开时间比例为0.7。以上述方案为一个周期进行循环生长40个周期, 可获得粗糙度低至0.3 nm(2 μm×2 μm), 几乎无凹坑的AlN薄膜。

在新型掺钪(Sc)氮化铝(Al1-xScxN)集成光学平台上设计了插入损耗低、传输通道谱线平坦的O波段四通道波分(解)复用器, 并提出了优化方法。所设计的器件结构基于级联马赫-曾德尔干涉仪(MZI)滤波器, 结合弯曲波导结构的定向耦合器改善波长敏感度。针对粗波分复用(CWDM)应用的特性, 文章使用粒子群算法(PSO)提升器件性能优化的效率, 通过调整器件结构的设计参数对四路通道的传输谱线质量进行优化。针对0%, 9%, 23%的掺Sc浓度, 设计的解复用器表现出宽达约15.6nm的1-dB带宽和小于0.1dB的插入损耗, 传输谱线呈“盒状”响应, 各通道间串扰均优于-30.6dB。

该文分别开发了两种基于AlN压电材料和原子数分数为10%的Sc掺杂AlN压电材料的薄膜叠层异质谐振器。通过有限元仿真和实验对比分析了器件的频率温度性能和Sc掺杂对谐振器声激励的影响。结果表明，Sc掺杂可能会影响压电薄膜叠层谐振器所激励声波的谐振频率、机电耦合系数和对应的频率温度系数(TCF)，且对所激励声波的正反谐振点的TCF影响不同。此研究在传感及滤波器件领域极具应用潜力。

AlN晶体是一种脆性难加工半导体材料。为了高效率高质量制备AlN晶体衬底，设计了不同化学成分的研磨液研磨AlN晶体，借助激光共聚焦显微镜和X射线光电子能谱仪研究了化学作用对晶体表面材料去除行为的影响。结果表明：碱性研磨液有利于获得最佳研磨结果，材料去除率为23 μm/h，表面粗糙度为Ra为122 nm。在碱性环境下研磨液中金刚石磨粒具有良好的分散性。碱性溶液能够腐蚀晶体表面，形成含碱式铝盐的变质层，并引起表面形貌产生显著改变。研磨界面内，化学作用导致AlN晶体表面产生变质层，便于材料的机械去除，从而有利于提升研磨效率和研磨质量。研究结果可为AlN晶体超精密加工工艺优化提供参考。