高声速衬底压电薄膜的制备及声表面波器件的研制探索
【摘要】:随着现代电子设备信息处理量的扩大,通信载波频率必须向更高频
的频率区移动,例如正在开发的(9000M/1.8GHz)GMS系统。声表面波(SAW)
滤波器是现代无线移动通信系统的关键部件之一,其工作频率f是由材
料的声表面波传播速度V和叉指电极的周期L决定的,即f=V/L;由于
所采用的材料及加工工艺的限制,目前的声表面波器件,其工作频率很
难达到 GHz。金刚石和 SiC具有非常高的声表面波传播速度,以它们为
衬底在现有的工艺条件下很容易制作出GHz 的薄膜型SAW滤波器,因
此利用金刚石和SiC研制GHz SAW器件已成为当前国际上的一个研
究热点。本论文围绕 GHz SAW 器件的研制,开展了用脉冲激光淀积
法(PLD)在高声速衬底(金刚石,SiC)上制备 ZnO薄膜,以及利用 ZnO缓
冲层制备AlN 薄膜等方面的研究,另外还对 SAW滤波器的研制进行了
探索,取得的主要结果如下:
首先,采用PLD法,在Si(100)、金刚石和6H-SiC 等衬底上制备了
ZnO 薄膜。实验结果表明,只要条件选择适当,在这些衬底上都能得到
完全c轴取向的ZnO薄膜;ZnO薄膜是通过结核面生长的,在一定的范
围内,衬底的表面越粗糙,ZnO 薄膜生长时的成核密度就越大,其表面
的 RMS 也就越小;在高真空淀积气氛中淀积的 ZnO薄膜,其结晶性能
更好,但薄膜中的O明显不足,而在O_2分压淀积气氛中淀积的ZnO薄
膜,其薄膜的结晶性较差,但薄膜中的O:Zn 之比非常接近于理想ZnO
晶体的O:Zn之比(1:1);Li~+离子掺杂对ZnO薄膜的电阻率影响很小,但
淀积气氛和纯氧中长时间高温退火对ZnO薄膜的电阻率影响很大,通过
引入O_2分压淀积气氛或进行纯氧中长时间高温退火,可使ZnO薄膜的
电阻率提高到10~7Ω.cm。
其次,采用PLD法,利用ZnO缓冲层在Si(100)衬底上成功地制备
了AlN 薄膜。实验结果表明,该AlN薄膜是c轴取向的,AlN/ZnO/Si(100)
多层结构清晰可辨,层与层之间的界面非常平整,采用ZnO 薄膜作为缓
冲层,可有效地改善AlN薄膜的表面粗糙度;要获得接近理想化学配比
的AlN薄膜,需要高真空淀积气氛或合适的N_2气氛。
最后,对薄膜SAW滤波器的研制进行了探索。研究结果表明,在薄
膜SAW 滤波器的制作过程中,压电薄膜极易受到损伤而直接影响到器
件的性能,因此不能把利用压电单晶制作SAW器件的工艺直接应用于
薄膜SAW滤波器的制作。