CN100442659C

CN100442659C - 多层异质结构组成的体声波器件及其制备方法

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Publication number: CN100442659C
Application number: CNB2004100646867A
Authority: CN
Inventors: 康琳; 吴培亨; 谢仁乃
Original assignee: Nanjing University
Current assignee: Nanjing University
Priority date: 2004-09-20
Filing date: 2004-09-20
Publication date: 2008-12-10
Anticipated expiration: 2024-09-20
Also published as: CN1606233A

Abstract

本发明公开了一种基于NbN、AlN单晶薄膜制备技术的多层异质结构组成的体声波器件。采用射频磁控溅射和MOCVD的方法，以MgO单晶基片作为薄膜生长的种子层，在其上外延生长SiC、MgO、NbN、AlN多层异质外延薄膜，用微加工技术手段制备成器件。它包括MgO单晶衬底基片，NbN、AlN与NbN三层外延结构为体声波谐振器，其中NbN为器件电极；MgO、SiC和NbN外延薄膜组成的多层异质结构为体声波器件的布拉格反射器。本发明晶格失配小、能量损耗低，是一种具有极大实用价值和经济价值的体声波器件，广泛适用于微电子材料领域中。

Description

多层异质结构组成的体声波器件及其制备方法

一、技术领域

本发明属于微电子材料与器件领域，具体地说是一种基于NbN，AlN单晶薄膜技术的多层异质结构组成的体声波器件及其制备方法。

二、背景技术

近年来，由于声波器件在信息产业上的广泛应用，极大的促进了声波器件的研究和发展。随着移动通信的高速发展，也就要求声波器件的频率向更高的频段推进。AlN材料是目前声波器件所用材料中声传播速度最高的材料。λ＝V/f，其中V是波速、f是频率，波速越快，器件达到的频率就越高。也就是说以AlN作为声波器件的材料，可使器件在更高的频段工作。

在声表面波器件的设计中，通常单指结构的声表面波滤波器的电极周期宽度设计为声表面波波长λ的四分之一。换句话说，器件的频率越高(λ＝V/f)，器件制备的工艺难度就越大。目前用于手机中的947.5MHz的声表面波滤波器的电极宽度在0.5μm左右，工艺难度已很高，进一步提高器件频率(1-10GHz)在目前工艺已是难以胜任。第三代移动通信系统对滤波器具有以下几方面的要求：小尺寸、低插损、高的带外抑制等，正是为了满足这些要求，应运生就了薄膜体声波器件的研究。

在薄膜体声波器件的研究中，目前采用的最主要的压电材料有：AlN、ZnO、压电陶瓷(PZT)薄膜，AlN薄膜的体声波传播速度几乎是后两者的一倍(AlN：11300m/s，ZnO：6080m/s)，因而成为体声波器件研究最为瞩目的焦点。对于体声波器件来说，器件的机电耦合系数和声波的传播特性等重要参数取决于薄膜的结构性能和厚度。换句话说，薄膜的结构特性决定了薄膜体声波器件的电学性能。现行的薄膜体声波谐振器以Si单晶为衬底，主要结构是：金属层-压电薄膜层-金属层的三明治结构。为将能量束缚在三层结构内，采用有两种方法：一是在衬底和器件之间利用Si腐蚀的各项异性特性，用微机械加工工艺制备空气层以隔离能量；第二种方法是由Mo与SiO₂或W与SiO₂多层膜组成的反射层以隔断声波在衬底中的损耗。这种非晶和金属组成的异质结构使后续生长的金属层-压电薄膜层-金属层三明治结构的生长模式受到很大限制。另外，AlN薄膜体声波谐振器的电极层多采用Pt(111)、Al(111)、Al-Cu。由于AlN与这些金属材料的晶格失配较大(＞7％)在这些金属层上只能获得C轴取向的织构薄膜。为进一步提高器件的频率，小厚度高质量(＜100nm)薄膜的生长就更加困难。本发明瞄准第三代移动通信系统、蓝牙技术系统以及其它射频系统的应用，研究2GHz以上，高频率的AlN薄膜体声波谐振器和滤波器。

三、发明内容

本发明的目的是提供一种多层异质结构组成的体声波器件及其制备方法。该体声波器件采用射频磁控溅射的方法和金属有机物化学气相沉积(MOCVD)的方法以单晶MgO作为器件衬底，MgO、NbN、SiC多层结构作为AlN薄膜体声波器件的反射器，NbN、AlN与NbN三层结构为谐振器；这种多层结构各种材料之间的晶格失配小，可以获得从几十纳米到几百纳米厚度不等的单晶AlN薄膜。

本发明的目的是这样来实现的：

一种多层异质结构组成的体声波器件，其特征是：它包括衬底基片、体声波谐振器和布拉格反射器，布拉格反射器置于衬底基片上，体声波谐振器覆盖在反射器上，所述衬底基片是氧化镁单晶；体声波谐振器为氮化锂、氮化铝与氮化锂三层外延结构，其中氮化锂为器件电极；布拉格反射器是由氧化镁、碳化硅和氮化锂外延薄膜组成的多层异质结构。

本发明中，上电极也可使用Al与NbN复合电极，2-3nm的Al作为声阻抗的匹配层，NbN仅作为AlN薄膜生长的外延种子层，保证AlN薄膜的优质外延生长。金属Al薄膜保证器件有好的电学性能。

一种多层异质结构组成的体声波器件的制备方法，其特征在于它包括以下步骤：

(a)用电子器件制备中的常规清洗方法清洗氧化镁基片；

(b)用射频磁控溅射的方法制备氮化锂、氮化铝薄膜，得到由氮化锂、氮化铝与氮化锂三层外延结构组成的体声波谐振器；

(c)用金属有机物化学气相沉积的方法制备碳化硅薄膜，得到由氧化镁、碳化硅和氮化锂外延薄膜组成的多层异质结构作为布拉格反射器；

(d)将以上制得的多层异质结构组成的薄膜用微加工技术手段制备成器件。

本发明在射频磁控溅射的方法中，靶与衬底的间距为40-60mm；工作气压在0.133～0.4Pa(即1～3m Torr)；真空系统由分子泵和机械泵组成，真空室背景真空优于5×10^-5Pa。

本发明采用射频磁控溅射和MOCVD的方法，以氧化镁单晶基片作为薄膜生长的种子层，在其上外延生长SiC、MgO、NbN、AlN多层异质外延薄膜，用微加工技术手段制备成器件。

本发明中，MgO单晶微波损耗很低(tgδ：4×10^-5)，是高频电子器件中广泛应用的单晶基片。NbN、AlN、MgO是超导SIS(超导体-绝缘体-超导体)隧道器件：NbN、AlN与NbN结型器件，NbN、MgO与NbN结型器件中的三种基本材料，AlN和MgO在器件中作为势垒层材料。MgO的晶格结构为立方晶体，晶格常数

NbN是金属性很好的超导材料，常温下的电阻率30μΩcm--70μΩcm，立方晶体，晶格常数

MgO和NbN两者晶格的失配率为4.3％。我们利用磁控溅射的方法，在MgO(001)取向的衬底上，室温下成功的制备出NbN(001)/MgO(001)/NbN(001)和NbN(001)/AlN/NbN(001)多层薄膜。TEM及其电子衍射分析和AFM分析显示了优秀的表面、界面结构和单晶性能。

本发明在MgO(111)衬底上成功的生长了NbN(111)的薄膜，见图1、图2。(111)取向的NbN表面结构是边长为

的六边型，(001)的AlN表面是边长为3.11

的六边型。两者的晶格失配仅为

\frac{6.262 \times 3.11}{6.26} \times 100 % = 0.7 % .

这样小的晶格失配，为优质外延生长体声波器件的主体NbN/AlN/NbN三明治结构提供了基础。本发明对NbN(111)、AlN(001)、NbN(111)三层结构的体声波谐振器进行了理论模拟：

每层的波动方程为

u_{i} = {[A_{i} \sin (\frac{ωz}{V_{i}}) + B_{i} \cos (\frac{ωz}{V_{i}})] e}^{- jωt},

i＝1，2，3.式中z为厚度方向，u为在z方向上的位移，v为z方向上的速率，下标1，3为电极层，2为压电层，A，B为波动方程的待定系数。压电薄膜层中，压电方程为，

T_{2} (z) = C_{2}^{D} S_{2} (z) - hD (z)

E(z)＝-hS₂(z)+β^sD(z)

式中，T为压电薄膜在厚度方向上的应力，S为压电薄膜在厚度方向上的应变，D为厚度方向上的电位移，

在电极层，有T_i(z)＝c_iS_i(z)，I＝1，3

而各位的应变

S_{i} (z) = \frac{{&PartialD; u}_{i}}{&PartialD; z}, i = 1,2,3;

三层结构的体波谐振器的阻抗Z可表示为

Z = \frac{U}{I} = \frac{- {&Integral;}_{b}^{c} E (z) dz}{A \frac{&PartialD; D}{&PartialD; t}} .

利用maple解方程，并代入Z的表达式，在3.3GHz处获得一个谐振峰，见图3。

以四分之一波长为薄膜厚度的异质膜反射器，反射系数由异质膜的声阻抗表征

r = \frac{Z_{2} - Z_{1}}{Z_{2} + Z_{1}},

可采用增加NbN、SiC与MgO反射层数的方法，利用多次的反射加强提高谐振器的Q值。

四、附图说明

图1是NbN与MgO的X射线衍射扫描图；

图2是AlN、NbN与MgO的X射线衍射扫描图；

图3是在3.3GHz处获得的一个谐振峰图。

五、具体实施方式

一种本发明所述的多层异质结构组成的体声波器件，包括MgO单晶衬底基片、NbN、AlN与NbN三层外延结构体声波谐振器和由MgO、SiC、NbN外延薄膜组成的多层异质结构的布拉格反射器，布拉格反射器覆盖在衬底基片上；体声波谐振器覆盖在反射器上；在体声波谐振器中NbN为器件电极；

本发明中，上电极也可使用Al与NbN复合电极，2-3nm的Al作为声阻抗的匹配层，NbN仅作为AlN薄膜生长的外延种子层，保证AlN薄膜的优质外延生长。使用金属Al薄膜以保证器件有好的电学性能。

一种本发明所述的多层异质结构组成的体声波器件的制备方法，它采用射频磁控溅射和MOCVD的方法，以氧化镁单晶基片作为薄膜生长的种子层，在其上外延生长SiC、MgO、NbN、AlN多层异质外延薄膜，用微加工技术手段制备成器件。其中，射频磁控溅射方法在专利名称为“氮化铝单晶薄膜及其制备方法”(申请号为：03132208.5)中已经公开。本发明所述的制备方法包括以下步骤：

(a)用电子器件制备中的常规清洗方法清洗氧化镁基片；

(b)用射频磁控溅射的方法制备氮化锂、氮化铝薄膜，得到由氮化锂、氮化铝与氮化锂三层外延结构组成的体声波谐振器；铝靶的纯度为99.999％，锂靶的纯度也为99.999％；

本发明在射频磁控溅射的方法中，靶与衬底的间距为40-60mm；工作气压在1-3m Torr；真空系统由分子泵和机械泵组成，真空室背景真空优于5×10^-5Pa。

通过本发明所述制备方法制得的多层异质结构组成的体声波器件，晶格失配小(为0.7％)，可以获得更高频率的器件。

Claims

1、一种多层异质结构组成的体声波器件，其特征是：它包括衬底基片、体声波谐振器和布拉格反射器，布拉格反射器置于衬底基片上，体声波谐振器覆盖在反射器上，所述衬底基片是氧化镁单晶；体声波谐振器为氮化锂、氮化铝与氮化锂三层外延结构，其中氮化锂为器件电极；布拉格反射器是由氧化镁、碳化硅和氮化锂外延薄膜组成的多层异质结构。

2、根据权利要求1所述的多层异质结构组成的体声波器件，其特征是：体声波谐振器中的上电极采用Al与NbN复合电极。

3、一种权利要求1所述的多层异质结构组成的体声波器件的制备方法，其特征在于它包括以下步骤：

(a)用电子器件制备中的清洗方法清洗氧化镁基片；

4、根据权利要求3所述的多层异质结构组成的体声波器件的制备方法，其特征是：在射频磁控溅射的靶材中，锂靶的纯度为99.999％；铝靶的纯度为99.999％。

5、根据权利要求3所述的多层异质结构组成的体声波器件的制备方法，其特征是：在射频磁控溅射的方法中，靶与衬底的间距为40-60mm；工作气压在0.133～0.4Pa。

6、根据权利要求3所述的多层异质结构组成的体声波器件的制备方法，其特征是：在射频磁控溅射的方法中，真空系统由分子泵和机械泵组成，真空室背景真空高于5×10^-5Pa。