CN102185583A - AlN/GaN/自持金刚石结构SAW器件及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种AlN/GaN/自持金刚石结构SAW（声表面波器件）器件及制备方法。所说的多层膜结构SAW器件是在自持金刚石厚膜衬底和AlN薄膜之间有高C轴择优取向的纳米GaN中间层。这种AlN/GaN/自持金刚石多层膜结构SAW器件及制备方法，是在自持金刚石厚膜衬底表面首先沉积高C轴择优取向的纳米GaN中间层，然后在纳米GaN中间层上沉积高C轴择优取向的AlN薄膜。本发明有益的效果是：采取高C轴择优取向的纳米GaN薄膜作为自持金刚石和AlN薄膜之间的中间层，可得到平整光滑、结晶度好的高C轴择优取向的优质AlN薄膜。该薄膜结构可满足高频、高机电耦合系数、低损耗、大功率SAW器件等领域的应用需求。

Description

AlN/GaN/自持金刚石结构SAW器件及制备方法

技术领域

本发明涉及声表面波器件（SAW）领域，特别涉及一种AlN/GaN/自持金刚石结构SAW器件及制备方法。

背景技术

声表面波器件（SAW）是一种利用声表面波效应和谐振特性制备的对频率有选择的器件，是应用量最大的一种SAW器件。其作用是允许某一频带的信号通过，而阻止其它频带的信号通过。利用叉指换能器（IDT）制作的SAW滤波器的中心频率f是由材料的声表面波传播速度V和IDT电极的周期L决定的，即f＝V/L。

无论是SAW技术本身的发展，还是SAW滤波器应用要求来看，SAW滤波器都向高频、高性能的方向发展。既然SAW滤波器的中心频率f＝V/L，那么要提高SAW滤波器的中心频率，有两种解决途径：一是器件的IDT电极线条向更微细化方向发展，从而减小IDT电极的周期L；二是器件材料的声表面波传播速度V向更高方向发展，即选用高声速材料。

器件线条的微细化虽然可以直接提高器件的工作频率，但正是线条的微细化，导致其阻抗增大，从而直接导致其承受功率能力急剧下降，且器件的可靠性降低，价格昂贵。例如，对于传统的LiNbO₃、SiO₂等SAW材料，其声速较低（低于4000m/s），用它们制作2.5GHz的SAW滤波器，其IDT电极宽度必须小于0.4μm，逼近传统半导体工业技术水平，严重制约了器件频率的进一步提高。为此，在现有工艺条件下，要想制备满足民用，特别是军用的高频、大功率SAW滤波器，相关材料的研究是首要任务，尤其是SAW滤波器中的压电薄膜材料和高声速基片材料的制备与研究。

众所周知，金刚石是所有物质中声传播速度最快的材料，高于10000m/s，用其制作2.5GHz的高频SAW滤波器，其IDT电极可放宽至1μm，对电极制备的技术要求大大降低。此外，金刚石非常高的弹性模量，有利于声学波的高保真传输；高的导热性和优良的耐热性，还适合于大功率发射端高频滤波器等应用。这些特性使得金刚石SAW滤波器成为目前世界上重要的研究焦点之一。

近年来金刚石膜的化学气相沉积（CVD）技术取得了很大的进展，并且高质量大面积的金刚石膜能够在硅或金属基片上沉积。但是，金刚石不是压电材料，自身不具有压电性，无法激发和接收表面波，需要在其表面上沉积一层压电薄膜制成多层的薄膜SAW滤波器。因此，如何在高声速材料金刚石上沉积出高C轴取向、低表面粗糙度和高电阻的压电薄膜使其能够适用于高频SAW滤波器的多层膜体系就成为当前研究的关键问题。

金刚石SAW滤波器的理论计算始于1989年，Yamanouchi等用求解边界方程的方法计算出SAW在ZnO/金刚石和AlN/金刚石结构上的传播特性，得到了高达10000 m/s的声速和5.8％的大机电耦合系数，其声速约为传统的LiNb0₃等基体声速的三倍多，而机电耦合系数仍与它们在同一数量级上，这些发现引起了学者们的关注。而AlN的生表面波的传输速度比ZnO的传输速度快得多，所以AlN/金刚石结构预期将得到更高的频率SAW器件。

为了在自持金刚石厚膜基片上得到高质量C轴择优取向的AlN薄膜，本发明采用高质量的C轴取向GaN薄膜做缓冲层，即采用AlN/GaN/自持金刚石厚膜结构，把满足SAW器件要求的高质量AlN薄膜整合到金刚石基片上。上述技术方案将重点解决如何把满足SAW器件要求的高质量AlN压电薄膜整合到金刚石基片上的关键技术难题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的问题，而提供一种AlN/GaN/自持金刚石结构SAW器件及制备方法，该方案用高C轴择优取向的纳米GaN薄膜作为自持金刚石厚膜衬底和AlN薄膜之间的中间层；通过使用ECR-PEMOCVD方法，在自持金刚石厚膜衬底上依次沉积高C轴择优取向的纳米GaN中间层和高C轴择优取向的纳米AlN薄膜。

为了达到上述目的，本发明提供了一种AlN/GaN/自持金刚石结构SAW器件，所说的多层膜结构SAW器件是在自持金刚石厚膜衬底和AlN薄膜之间设有高C轴择优取向的纳米GaN中间层。

其中，所说的自持金刚石厚膜为自由站立的金刚石衬底，膜厚为0.2～0.8mm。

其中，所说的自持金刚石厚膜衬底上的纳米GaN中间层，其晶粒尺寸为20～90nm，膜厚为0.1～0.2μm。

其中，所说的纳米GaN中间层上的纳米AlN薄膜，其晶粒尺寸为20～120nm，膜厚为0.1～2μm。

本发明还提供了一种AlN/GaN/自持金刚石结构SAW器件的制备方法，首先在自持金刚石厚膜衬底上沉积高C轴择优取向的纳米GaN中间层，然后在纳米GaN中间层上沉积高C轴择优取向的纳米AlN薄膜。

其中，所说的在自持金刚石厚膜衬底上沉积高C轴择优取向的纳米GaN中间层，是使用电子回旋共振-等离子体增强金属有机物化学气相沉积ECR-PEMOCVD方法，在自持金刚石厚膜衬底上低温沉积纳米GaN中间层。

其中，所说的在纳米GaN中间层上沉积高C轴择优取向的纳米AlN薄膜，是使用ECR-PEMOCVD方法，采用三甲基铝TMAl和氮气作为反应气源，以源温为26℃计算，三甲基铝TMAl的流量为0.4～1.2sccm，氮气的流量为70～120sccm，衬底温度为400～800℃，微波功率为500～700W的条件下，在高C轴择优取向的纳米GaN中间层上沉积高C轴择优取向的纳米AlN薄膜。

本发明的有益效果是：本发明用高C轴择优取向的纳米GaN薄膜作为自持金刚石厚膜衬底和AlN薄膜之间的中间层，可得到平整光滑、结晶度好的高C轴择优取向的优质AlN纳米膜。该薄膜结构可满足高频、高机电耦合系数、低损耗、大功率SAW器件等领域的应用需求。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明。

本发明的AlN/GaN/自持金刚石结构SAW器件，是在自持金刚石厚膜衬底和AlN薄膜之间有高C轴择优取向的纳米GaN中间层。AlN/GaN/自持金刚石多层膜结构SAW器件制备方法是在自持金刚石厚膜衬底上沉积高C轴择优取向的纳米GaN中间层，而后在纳米GaN中间层上沉积高C轴择优取向的AlN薄膜。

其中：自持金刚石厚膜为自由站立的金刚石厚膜，膜厚0.2～0.8mm，在自持金刚石厚膜衬底上沉积的纳米GaN中间层，其晶粒尺寸为20～90nm，膜厚为0.1～0.2μm；在纳米GaN中间层上沉积的纳米AlN薄膜，其晶粒尺寸为20～120nm，膜厚0.1～2μm。

本发明适用于高频、高机电耦合系数、低损耗、大功率多层膜结构SAW器件的制备，是在自持金刚石厚膜衬底上沉积一层极薄的高C轴择优取向的纳米GaN中间层，在高C轴择优取向的纳米GaN中间层上沉积高C轴择优取向的纳米AlN薄膜。

实施例：

1、自由站立的金刚石厚膜衬底是通过热阴极直流辉光放电等离子体化学气相沉积（HC-PCVD）在金属钼（Mo）衬底上制备的厚度为0.2～0.8 mm的自持金刚石厚膜。所谓自持金刚石厚膜就是自由站立的金刚石厚膜，在生长结束后把Mo基片分别用化学和物理的实验方法使其脱落，而后便是自由站立金刚石厚膜。由于金刚石厚膜的生长表面比较粗糙，不利于SAW器件应用，所以需要对其进行机械抛光。由于金刚石的硬度是自然界中最高的，所以对其机械抛光异常困难。最常用的方法是对金刚石厚膜生长表面进行完全的机械抛光，但是这种方法极其耗力耗时。本发明是选用Mo衬底与金刚石厚膜之间的成核面作为SAW器件的沉积表面，以较少的抛光时间和较低的成本达到了很低粗糙度的严格要求。

2、使用ECR-PEMOCVD沉积方法，在自持金刚石厚膜上沉积一层极薄的GaN中间层，其晶粒尺寸为20～90nm，膜厚为0.1～0.2μm。使用三甲基镓（TMGa）或三乙基镓（TEGa）与氮气为反应气源，衬底温度在室温到600℃的条件下，制备出高C轴择优取向的纳米GaN薄膜。

3、使用ECR-PEMOCVD系统，以TMAl和氮气为反应源，其流量分别为0.4～1.2sccm（以源温为26℃计算）和70～120sccm，衬底温度为400～800℃，微波功率为500～700W的条件下，在高C轴择优取向的纳米GaN中间层上，制备出高C轴择优取向的纳米AlN薄膜，AlN为压电材料，是产生SAW的薄膜。在纳米GaN中间层上的纳米AlN薄膜，其晶粒尺寸为20～120nm，膜厚0.1～2μm。

4、在实际应用当中，采用激光切割机切割出所需尺寸的SAW器件芯片。本发明所使用的激光切割机的最大功率为50 W，波长是1.06μm，光束角度为3μ·rad，频率为30 Hz。

本发明增加一层高C轴择优取向的纳米GaN中间层的原因是：由于晶格失配度太大，高择优取向的高质量AlN薄膜很难直接沉积在自持金刚石厚膜衬底上。而GaN和AlN的晶格失配度很小，约为2%，且相比于AlN薄膜，GaN薄膜更容易直接沉积在自持金刚石厚膜衬底上。而在高C轴择优取向的GaN薄膜上较容易生成高C轴择优取向的AlN薄膜。

以上内容是结合优选技术方案对本发明所做的进一步详细说明，不能认定发明的具体实施仅限于这些说明。对本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出简单的推演及替换，都应当视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种AlN/GaN/自持金刚石结构SAW器件，其特征在于，所说的多层膜结构SAW器件是在自持金刚石厚膜衬底和纳米AlN薄膜之间设有高C轴择优取向的纳米GaN中间层。

2.按照权利要求1所述的结构SAW器件，其特征在于，所说的自持金刚石厚膜为自由站立的金刚石衬底，膜厚为0.2～0.8mm。

3.按照权利要求1或2所述的结构SAW器件，其特征在于，所说的自持金刚石厚膜衬底上的纳米GaN中间层，其晶粒尺寸为20～90nm，膜厚为0.1～0.2μm。

4.按照权利要求3所述的结构SAW器件，其特征在于，所说的纳米GaN中间层上的纳米AlN薄膜，其晶粒尺寸为20～120nm，膜厚为0.1～2μm。

5.一种AlN/GaN/自持金刚石结构SAW器件的制备方法，其特征在于，所说的方法是：首先在自持金刚石厚膜衬底上沉积高C轴择优取向的纳米GaN中间层，然后在纳米GaN中间层上沉积高C轴择优取向的纳米AlN薄膜。

6.按照权利要求5所述AlN/GaN/自持金刚石结构SAW器件的制备方法，其特征在于，所说的在自持金刚石厚膜衬底上沉积高C轴择优取向的纳米GaN中间层，是使用电子回旋共振-等离子体增强金属有机物化学气相沉积ECR-PEMOCVD方法，在自持金刚石厚膜衬底上低温沉积纳米GaN中间层。

7.按照权利要求5或6所述AlN/GaN/自持金刚石结构SAW器件的制备方法，其特征在于，所说的在纳米GaN中间层上沉积高C轴择优取向的纳米AlN薄膜，是使用ECR-PEMOCVD方法，采用三甲基铝TMAl和氮气作为反应气源，以源温为26℃计算，三甲基铝TMAl的流量为0.4～1.2sccm，氮气的流量为70～120sccm，衬底温度为400～800℃，微波功率为500～700W的条件下，在高C轴择优取向的纳米GaN中间层上沉积高C轴择优取向的纳米AlN薄膜。