CN110113025A - 一种便于射频前端集成的温度补偿声表面波器件及其制备方法与应用 - Google Patents

一种便于射频前端集成的温度补偿声表面波器件及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种便于射频前端集成的温度补偿声表面波器件及其制备方法与应用。该器件由下至上依次包括压电基片、温度补偿薄膜、叉指换能器和压电薄膜。它制备方法，包括如下步骤：1)采用物理气相沉积或化学气相沉积，在压电基片上沉积温度补偿薄膜；2)利用光刻技术和电子束蒸镀方法，在温度补偿薄膜上制备叉指换能器叉指换能器；3)采用磁控溅射方法，在叉指换能器叉指换能器上生长压电薄膜，即得到声表面波器件。本发明器件应用于宽禁带半导体射频前端的集成和/或具有温度补偿功能的声表面波器件的制备中。本发明能够实现对器件温度补偿性能的调控，从而实现器件的温度稳定性；具有更大的带宽；制备工艺简单，易于推广。

Description

一种便于射频前端集成的温度补偿声表面波器件及其制备方 法与应用
技术领域
本发明涉及一种便于射频前端集成的温度补偿声表面波器件及其制备方法与应用，属于电子信息材料领域。
背景技术
声表面波是在压电材料表面传播的一种机械波。声表面波器件是利用声表面波进行信号处理的器件，已在移动通信领域得到了广泛的应用。而随着通信行业的不断发展，人们对声表面波器件的需求还会越来越高。
在半导体行业的发展浪潮中，GaN、GaAs、SiC等宽禁带半导体材料逐渐成为热点。GaN、GaAs正逐渐占据射频前端功率放大器的主流市场。声表面波器件作为射频前端的一部分，实现与整个射频前端的集成有利于降低成本，同时缩小器件体积。另一方面，在未来的通信系统中，温度漂移较小的声表面波器件具有较大的应用前景，因此对于温度稳定性的控制也是声表面材料发展的一大关键。而现有的声表面波器件均难以同时实现上述几个目标。
发明内容
本发明的目的是提供一种便于射频前端集成的温度补偿声表面波器件及其制备方法与应用，本发明能够实现对器件温度补偿性能的调控，从而实现器件的温度稳定性；具有更大的带宽；制备工艺简单，易于推广。
本发明提供的一种便于射频前端集成的温度补偿声表面波器件，该器件由下至上依次包括压电基片、温度补偿薄膜、叉指换能器和压电薄膜。
上述的器件中，所述压电基片的材质为GaN、GaAs或者其他基片上的GaN薄膜；所述其他基片包括蓝宝石基片、Si基片和SiC基片中的至少一种。具体可为厚度为500μm的GaN基片或生长在c面蓝宝石上厚度超过20μm的GaN薄膜、厚度为500μm的GaAs基片。
上述的器件中，所述温度补偿薄膜的材质为二氧化硅和/或氮氧化硅。
所述温度补偿薄膜的厚度可为40nm～40μm，具体可为1μm、800nm、800nm～1μm、800nm～20μm或100nm～30μm，具体可根据实际需要确定。
上述的器件中，所述叉指换能器包括依次设置在所述温度补偿薄膜上的金属打底层和金属主体层。
上述的器件中，制成所述金属打底层的金属包括Ti、Ni、Zr和Cr中的至少一种；
制成所述金属主体层的金属包括Al、Cu、Pt和Mo中的至少一种；
所述金属打底层的厚度可为1nm～50nm，具体可为5nm、10nm、5nm～10nm或5nm～30nm；
所述金属主体层的厚度可为80nm～200nm，具体可为80nm、160nm或80nm～160nm。
上述的器件中，所述叉指换能器的线宽可为100nm～5μm，具体可为0.5μm、0.25μm、0.25μm～0.5μm、0.20μm～1μm或0.20μm～3μm，金属化比可为0.3～0.8，具体可为0.5、0.3～0.5、0.5～0.8或0.4～0.7，周期可为400nm～20μm，具体可为1μm、2μm、1～2μm、1μm～10μm或500nm～15μm。
本发明中，通过所述叉指环能器线宽和金属化比即可确定周期，周期＝线宽/金属化比×2。
上述的器件中，所述叉指换能器与所述压电薄膜采用嵌入式设置，具体可为所述叉指换能器所处的位置在所述压电薄膜的下边界，不是在整个所述压电薄膜结构的最上面。
上述的器件中，所述压电薄膜的材质为氧化锌或掺杂氧化锌。
所述压电薄膜的厚度可为40nm～40μm，具体可为1μm或100nm～20μm，具体可根据实际需要确定。
上述的器件中，所述掺杂氧化锌中掺杂的元素为V、Cr和Fe中的至少一种；
所述掺杂氧化锌中掺杂的元素的掺杂量可为0.3％～5％，具体可为1.96％。
本发明中，所述掺杂量为掺杂的元素原子含量占所述掺杂氧化锌原子总含量的原子百分比。
本发明还提供了上述的声表面波器件的制备方法，包括如下步骤：1)采用物理气相沉积或化学气相沉积，在所述压电基片上沉积所述温度补偿薄膜；
2)利用光刻技术和电子束蒸镀方法，在所述温度补偿薄膜上制备所述叉指换能器叉指换能器；
3)采用磁控溅射方法，在所述叉指换能器叉指换能器上生长所述压电薄膜，即得到所述声表面波器件。
本发明制备方法中，采用的物理气相沉积或化学气相沉积方法、光刻技术和电子束蒸镀方法、磁控溅射方法均为本领域中常用的方法，其条件也为常规的可行性条件。
本发明所述的声表面波器件应用于宽禁带半导体射频前端的集成和/或具有温度补偿功能的声表面波器件的制备中。
本发明具有以下优点：
1、该声表面波器件能够有助于实现宽禁带半导体时代射频前端的集成。
2、通过对温度补偿薄膜厚度和压电薄膜厚度的调控，能够实现对器件温度补偿性能的调控，从而实现器件的温度稳定性。
3、采用嵌入式叉指换能器，能够提高器件的机电耦合系数，因此制备得到的声表面波器件具有更大的带宽。
4、其制备工艺简单，易于推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明便于射频前端集成的温度补偿声表面波器件截面示意图(图中仅包含单对叉指换能器)。
图2是图1所述器件中叉指换能器的截面示意图，图中包括金属打底层和金属主体层。
图3是本发明实施例1中声表面波谐振器的模拟振型图，图中压电基片未全部展示。
图4是本发明实施例1中声表面波谐振器的模拟导纳曲线。
图中各个标记如下：
1压电基片；2温度补偿薄膜；3叉指换能器；4压电薄膜；5金属打底层；6金属主体层。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1、
如图1所示，为本发明便于射频前端集成的温度补偿声表面波器件的截面示意图(图中仅包含单对叉指换能器)。该声表面波器件包括压电基片1，温度补偿薄膜2，叉指换能器3和压电薄膜4。
如图2所示，为本发明器件中叉指换能器的截面示意图。该叉指换能器包括金属打底层5和金属主体层6。
采用厚度为500μm的GaN基片或生长在c面蓝宝石上厚度超过20μm的GaN薄膜，进行标准清洗。
采用物理气相沉积或化学气相沉积的方法生长1μm二氧化硅。本实施例采用物理气相沉积法中的磁控溅射法制备二氧化硅薄膜，具体实验条件如下：本底真空度低于9×10-5Pa，采用二氧化硅靶溅射，采用射频电源，电源功率300W，Ar流量18sccm，O2流量6sccm，镀膜气压0.5Pa，镀膜时间200分钟。
利用光刻技术和电子束蒸镀方法制备叉指换能器，叉指换能器线宽为0.5μm，金属化比为0.5(指的是叉指换能器线宽与线宽和指条间距之和的比值)，周期为2μm，叉指换能器材料为10nm Ti金属打底层和160nm Al。具体制备过程为，首先进行光刻工艺，光刻的具体步骤包括表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、曝光、后烘、显影、硬烘。光刻完成后样品上的叉指换能器图形已经形成。之后将样品放入电子束蒸镀机镀膜。电子束蒸镀方法具体实验条件如下：本底真空优于9×10-9torr，Ti镀膜功率为9.5％，镀膜速率为Al镀膜功率为10.5％，镀膜速率为蒸镀完成后，从蒸镀机中取出样品并置于丙酮中剥离，从而完成叉指换能器的制备。
采用磁控溅射方法生长1μm氧化锌。具体实验条件如下：本底真空度低于8×10- 5Pa，采用Zn靶反应溅射，采用射频电源，电源功率140W，Ar流量18sccm，O2流量10sccm，镀膜气压0.8Pa，镀膜时间125分钟。
本实施例制备得到的声表面波谐振器仿真结果如图3、4所示。由图3、4可知，该声表面波谐振器能够稳定地传播瑞利波。温度补偿薄膜层参与到了声波的传播，因此能够起到温度补偿的效果。该声表面波谐振器的谐振频率为1.3249GHz，反谐振频率为1.3468GHz。该声表面波谐振器采用GaN基底，便于宽禁带半导体时代射频前端的集成。
实施例2、
如图1所示，为本发明便于射频前端集成的温度补偿声表面波器件的截面示意图(图中仅包含单对叉指换能器)。该声表面波器件包括压电基片1，温度补偿薄膜2，叉指换能器3和压电薄膜4。
如图2所示，为本发明所述器件中叉指换能器的截面示意图。该叉指换能器包括金属打底层1和金属主体层2。
采用厚度为500μm的GaAs基片，进行标准清洗。
采用物理气相沉积或化学气相沉积的方法生长800nm二氧化硅。本实施例采用物理气相沉积法中的磁控溅射法制备二氧化硅薄膜，具体实验条件如下：本底真空低于9×10-5Pa，采用二氧化硅靶溅射，采用射频电源，电源功率300W，Ar流量18sccm，O2流量6sccm，镀膜气压0.5Pa，镀膜时间160分钟。
利用光刻技术和电子束蒸镀方法制备叉指换能器，叉指换能器线宽为0.25μm，金属化比为0.5，周期为1μm，叉指换能器材料为5nm Ti金属打底层和80nm Al。叉指换能器制备方法同本发明实施例1中制备方法。
采用磁控溅射方法生长500nm钒掺杂氧化锌。钒V含量为1.96％，锌Zn含量为48.10％。具体实验条件如下：本底真空低于8×10-5Pa，采用Zn靶反应溅射，V靶共溅射，Zn靶采用射频电源，电源功率140W，V靶采用直流电源，电源功率24W，Ar流量18sccm，O2流量10sccm，镀膜气压0.8Pa，镀膜时间62.5分钟。
本实施例制备得到的声表面波谐振器能够实现温度补偿并有助于射频前端的集成，同时，由于钒掺杂极大地提升了氧化锌的压电常数d33，使得器件具有更高的机电耦合系数，因此制备得到的滤波器具有更大的带宽。
需要说明的是，以上仅为本发明的两个实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的限制和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种声表面波器件，其特征在于：该器件由下至上依次包括压电基片、温度补偿薄膜、叉指换能器和压电薄膜。
2.根据权利要求1所述的器件，其特征在于：所述压电基片的材质为GaN、GaAs或者其他基片上的GaN薄膜；所述其他基片包括蓝宝石基片、Si基片和SiC基片中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的器件，其特征在于：所述温度补偿薄膜的材质为二氧化硅和/或氮氧化硅。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的器件，其特征在于：所述叉指换能器包括依次设置在所述温度补偿薄膜上的金属打底层和金属主体层。
5.根据权利要求4所述的器件，其特征在于：制成所述金属打底层的金属包括Ti、Ni、Zr和Cr中的至少一种；
制成所述金属主体层的金属包括Al、Cu、Pt和Mo中的至少一种；
所述金属打底层的厚度为1nm～50nm；
所述金属主体层的厚度为80nm～200nm。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的器件，其特征在于：所述叉指换能器的线宽为100nm～5μm，金属化比为0.3～0.8，周期为400nm～20μm；
所述叉指换能器与所述压电薄膜采用嵌入式设置。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的器件，其特征在于：所述压电薄膜的材质为氧化锌或掺杂氧化锌。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的器件，其特征在于：所述掺杂氧化锌中掺杂的元素为V、Cr和Fe中的至少一种；
所述掺杂氧化锌中掺杂的元素的掺杂量为0.3％～5％。
9.权利要求1-8中任一项所述的声表面波器件的制备方法，包括如下步骤：1)采用物理气相沉积或化学气相沉积，在所述压电基片上沉积所述温度补偿薄膜；
2)利用光刻技术和电子束蒸镀方法，在所述温度补偿薄膜上制备所述叉指换能器叉指换能器；
3)采用磁控溅射方法，在所述叉指换能器叉指换能器上生长所述压电薄膜，即得到所述声表面波器件。
10.权利要求1-8中任一项所述的声表面波器件在宽禁带半导体射频前端的集成和/或具有温度补偿功能的声表面波器件的制备中的应用。
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