CN107171653A - 一种具有高机电耦合系数和高中心频率的声表面波器件 - Google Patents
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Abstract
一种具有高机电耦合系数和高中心频率的声表面波(SAW)器件，该SAW器件采用金刚石膜为基底，采用AlN和ZnO薄膜周期性层叠结构(AlN/ZnO)N作为压电层，层叠结构的周期N为2～5，AlN和ZnO薄膜的厚度比Rh为0.2～5。本发明考虑到AlN和ZnO两种压电材料各自的优缺点，利用二者的协同作用，使器件的综合性能得到了改善，在相同的叉指宽度下，该结构与ZnO和AlN双压电层结构相比，器件的机电耦合系数最大可提高2倍，且中心频率不降低，同时，器件的温度稳定性也得到了改善，频率温度系数降低。此外，在设计声表面波器件时，该结构可调参数更多，器件的性能参数调节范围更广，扩大了器件的应用领域。
Description
技术领域
本发明涉及声表面波器件，尤其是涉及一种基于“(AlN/ZnO)N”周期性结构压电层和金刚石基底的高频声表面波器件，属于薄膜电子器件领域。
背景技术
声表面波(SAW)器件以其小型化、高可靠性、多功能、一致性好等优点而广泛应用于雷达、电子战、声纳、无线通信、光纤通信及广播电视系统中。随着移动通信的迅猛发展，应用频率不断提高，使无线电通信频带成为一个有限而宝贵的资源，低于2.5GHz的频带已被占满，迫切需要高频SAW器件。
SAW器件的中心频率是由叉指换能器(IDT)的电极宽度和材料的声速共同决定的，材料的声速越高，SAW器件的中心频率就越高。所有材料中，金刚石具有最高的声速，将金刚石引入SAW器件可在很大程度上提高其工作频率，但是，金刚石不是压电材料，只能作为声波的传输介质，无法实现机-电相互转换，需要与压电薄膜结合，常用的压电薄膜有ZnO和AlN薄膜，ZnO具有高的压电系数(d33＝12.4pm/V)，因此更易获得高的机电耦合系数(K2)，但是ZnO的相速度较低(Vp＝2558m/s)，频率温度系数高。AlN在压电材料中具有高相速度(Vp＝5600m/s)、高热导率、低频率温度系数(TCF)、化学稳定性好、与集成电路工艺相容，但是AlN的压电性较弱(d33＝5.53pm/V)，因此AlN/金刚石结构很难获得高的机电耦合系数(K2)。
考虑到ZnO和AlN两种压电材料各自的优缺点，将ZnO和AlN两种压电材料结合起来，产生了“ZnO/AlN/金刚石”和“AlN/ZnO/金刚石”两种双压电层结构的SAW器件。采用双压电层结构，可使声表面波器件的中心频率或机电耦合系数得到提高，但两者中某一性能参数的提高往往会导致另一性能参数的降低。
发明内容
本发明目的是为了解决现有“ZnO/金刚石”、“AlN/金刚石”以及“ZnO/AlN/金刚石”(或者“AlN/ZnO/金刚石”)结构的声表面波器件中心频率和机电耦合系数提高的相互制约以及频率稳定性差的问题，提供一种基于“(AlN/ZnO)N/金刚石”结构的高频和高机电耦合系数的SAW器件。
本发明提供的一种基于“(AlN/ZnO)N/金刚石”结构的SAW器件，包括基底层、压电层和叉指换能器(IDT)；该SAW器件采用金刚石膜作为基底，压电层采用AlN和ZnO薄膜周期性层叠的结构(AlN/ZnO)N，层叠结构的周期N的范围为2～5，AlN薄膜和ZnO薄膜的厚度比Rh的范围为0.2～5，AlN和ZnO薄膜都是c轴择优取向的，其c轴沿着基底的法线方向，AlN和ZnO薄膜周期性层叠结构的厚度小于一个波长，具体厚度取决于周期N和两种压电薄膜的厚度比Rh。IDT可以放在压电层上表面，也可放在压电层与金刚石基底中间。
所述基底为金刚石膜，该金刚石膜可用CVD法制备的多晶金刚石，抛光后厚度要大于25μm，表面粗糙度小于5nm。
所述AlN和ZnO压电薄膜可以采用磁控溅射法制备，但并不局限于此，也可以用脉冲激光法(PLD)、金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)等薄膜沉积方法。
所述叉指换能器IDT材料可以是金属Al或金属Cu，也可是Al或Cu的合金，金属材料的制备可以采用蒸镀法或溅射法，但并不局限于此。IDT的制备可采用光刻法或电子束刻蚀或离子束刻蚀法，但并不局限于此。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
考虑到AlN和ZnO两种压电材料各自的优缺点，本发明采用“(AlN/ZnO)N”周期性结构作为压电层，利用AlN和ZnO的协同作用，可改善器件的综合性能，在相同的叉指宽度下，该结构与ZnO和AlN双压电层结构的声表面波器件相比，机电耦合系数最大可提高2倍，且中心频率不降低，同时，器件的稳定性也得到了改善，频率温度系数降低。此外，在设计声表面波器件时，可调参数多，器件的参数调节范围更广，扩大了器件的应用领域。
附图说明
图1为“IDT/(AlN/ZnO)N/金刚石”结构的SAW器件的示意图。H为压电层的总厚度，Rh为AlN和ZnO薄膜的厚度比，N为周期数。
具体实施方式
通过以下实施例进一步阐明本发明的实质性特点和显著进步，但本发明绝非仅局限于实施例。
实施例1
如图1所示基于“IDT/(AlN/ZnO)N/金刚石”结构的高频声表面波器件，依次包括基底层、压电层及其上表面的叉指换能器；所述的声表面波器件采用金刚石膜作为基底，采用AlN和ZnO薄膜周期性层叠的结构(AlN/ZnO)N作为压电层，层叠结构的周期N的范围为2～5，AlN薄膜和ZnO薄膜的厚度比Rh的范围为0.2～5，AlN和ZnO薄膜都是c轴择优取向的，其c轴沿着基底的法线方向，AlN和ZnO薄膜周期性层叠结构的厚度小于一个波长。
声表面波器件的制备过程如下：
1、采用抛光后的CVD金刚石膜作为基底，该基底的厚度为50μm，表面粗糙度为5nm。
2、采用磁控溅射法制备c轴优取向的AlN和ZnO压电薄膜，其厚度分别为100nm和500nm，AlN和ZnO薄膜的厚度比为0.2，周期数N为2，则压电薄膜总的厚度为1.2μm。
3、采用蒸镀法制备厚度为150nm的Al膜，采用光刻法制备叉指宽度和间距均为500nm的IDT。IDT可以放在压电层的上表面，也可以放在压电层与金刚石基底中间。
4、SAW器件的中心频率为2.8GHz，机电耦合系数K2可达到3.0％，频率温度系数TCF为-29ppm/℃。
实施例2
高频声表面波器件的结构同实施例1，其制备过程如下：
1、采用抛光后的CVD金刚石膜作为基底，该基底的厚度为50μm，表面粗糙度为5nm。
2、采用磁控溅射法制备c轴择优取向的AlN和ZnO压电薄膜，其厚度分别约为133nm和266nm，AlN和ZnO薄膜的厚度比为0.5，周期数为3，则压电薄膜总的厚度为1.2μm。
3、采用蒸镀法制备厚度为150nm的Al膜，采用光刻法制备叉指宽度和间距均为500nm的叉指换能器。IDT可以放在压电层的上表面，也可以放在压电层与金刚石基底中间。
4、SAW器件的中心频率为3.0GHz，机电耦合系数K2可达到2.4％，频率温度系数TCF约为-27ppm/℃。
实施例3
高频声表面波器件的结构同实施例1，其制备过程如下：
1、采用抛光后的CVD金刚石膜作为基底，该基底的厚度为50μm，表面粗糙度为5nm。
2、采用磁控溅射法制备c轴择优取向的AlN和ZnO压电薄膜，其厚度分别为120nm和120nm，AlN和ZnO薄膜的厚度比为1，周期数为5，则压电薄膜总的厚度为1.2μm。
3、采用蒸镀法制备厚度为150nm的Al膜，采用光刻法制备叉指宽度和间距均为500nm的叉指换能器。IDT可以放在压电层的上表面，也可以放在压电层与金刚石基底中间。
4、SAW器件的中心频率为3.5GHz，机电耦合系数K2可达到2.0％，频率温度系数TCF约为-24ppm/℃。
实施例4
高频声表面波器件的结构同实施例1，其制备过程如下：
1、采用抛光后的CVD金刚石膜作为基底，该基底的厚度为50μm，表面粗糙度为5nm。
2、采用磁控溅射法制备c轴择优取向的AlN和ZnO压电薄膜，其厚度分别约为200nm和40nm，AlN和ZnO薄膜的厚度比为5，周期数为5，则压电薄膜总的厚度为1.2μm。
3、采用蒸镀法制备厚度为150nm的Al膜，采用光刻法制备叉指宽度和间距均为500nm的叉指换能器。IDT可以放在压电层的上表面，也可以放在压电层与金刚石基底中间。
4、SAW器件的中心频率为4.3GHz，机电耦合系数K2可达到1.4％，频率温度系数TCF约为-20ppm/℃。
Claims (5)
1.一种具有高机电耦合系数和高中心频率的声表面波器件，包括基底层、压电层及叉指换能器(IDT)；其特征在于所述的声表面波器件采用金刚石膜作为基底，采用AlN和ZnO薄膜周期性层叠的结构(AlN/ZnO)N作为压电层，层叠结构的周期N的范围为2～5，AlN薄膜和ZnO薄膜的厚度比Rh的范围为0.2～5，AlN和ZnO薄膜都是c轴择优取向的，其c轴沿着基底的法线方向，AlN和ZnO薄膜周期性层叠结构的厚度小于一个波长。
2.根据权利要求1所述的具有高机电耦合系数和高中心频率的声表面波器件，其特征在于所述的金刚石膜选用CVD法制备的多晶金刚石，厚度要大于25μm，表面粗糙度小于5nm。
3.根据权利要求1所述的具有高机电耦合系数和高中心频率的声表面波器件，其特征在于所述IDT材料为金属Al、金属Cu、或者是Al或Cu的合金。
4.根据权利要求3所述的具有高机电耦合系数和高中心频率的声表面波器件，其特征在于所述金属材料的制备可以采用蒸镀法或溅射法；IDT的制备可采用光刻法，也可采用电子束或者离子束刻蚀法。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的具有高机电耦合系数和高中心频率的声表面波器件，其特征在于所述的IDT放在压电层的上表面，或者放在压电层与金刚石基底中间。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20170915 |