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。