CN111640857A

CN111640857A - 氧化镓在压电材料上的应用及压电薄膜、压电器件

Info

Publication number: CN111640857A
Application number: CN202010700124.6A
Authority: CN
Inventors: 陈梓敏; 卢星; 王钢
Original assignee: National Sun Yat Sen University
Current assignee: Shanghai Youdian Semiconductor Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2020-07-20
Filing date: 2020-07-20
Publication date: 2020-09-08

Abstract

本发明公开了氧化镓在压电材料上的应用及压电薄膜、压电器件，涉及压电材料技术。针对现有技术在压电材料选择中对压电系数的技术偏见提出本方案，ε相氧化镓在压电材料上的应用。压电薄膜由ε相氧化镓制成。应用ε相氧化镓的压电器件。优点在于，相对介电常数仅有ε_r＝3.6，可以保证外部输入的交流电信号高效的转化为机械振动能，这就弥补了ε相氧化镓在压电系数方面的不足。而且由于ε相氧化镓具有超宽禁带，绝缘性好，可以避免了压电器件工作过程中由于漏电流导致的热损耗，提升压电器件的能量转换效率。ε相氧化镓是一种适用于制备高性能压电器件的新型半导体材料。

Description

氧化镓在压电材料上的应用及压电薄膜、压电器件

技术领域

本发明涉及基于氧化镓的压电材料、压电薄膜及压电器件。

背景技术

压电材料被广泛应用于构建射频滤波器和振荡器，是射频通信领域的重要器件之一；此外，基于压电材料的压电谐振器还可被用于实现温度、化学传感器。随着压电材料技术的发展，压电器件的发展趋势是高频率、低功耗、微型化、集成化和低成本等；其中，基于压电薄膜材料的压电器件具有传统陶瓷体材料压电器件无可比拟的频率、功率容量、体积和成本优势。压电器件的工作原理是由射频电信号通过电极在压电薄膜内激励起声波振荡从而实现特定频率的谐振。因此，薄膜的机电耦合系数是决定谐振器性能的关键。

本领域技术人员为了提升谐振器的机电耦合系数，一般采用的材料需要具有较强的压电系数，例如AlN材料的压电系数e₃₃＝1.55C/m²。现有压电材料的研究和发掘向着探寻压电系数更高的材料发展。

发明内容

本发明目的在于实现氧化镓在压电材料上的应用及压电薄膜、压电器件，以提供压电材料更多的选择性。

氧化镓在压电材料上的应用，所述氧化镓为ε相氧化镓。

压电薄膜由ε相氧化镓制成。

所述压电薄膜的ε相氧化镓制备温度不高于850℃。

所述压电薄膜厚度为0.1～100微米。

所述压电薄膜表面的晶面取向为(001)取向。

所述压电薄膜的ε相氧化镓结晶于异质衬底上，且衬底表面的实际晶向相对于衬底晶向存在0～6°的倾斜角。

所述异质衬底为蓝宝石、4H-SiC、6H-SiC、GaAs、InP、Si、SiO₂/Si其中之一。晶向优选为蓝宝石(001)、4H-SiC(001)、6H-SiC(001)、GaAs(111)、InP(111)、Si(111)、SiO₂/Si(111)其中之一。

应用所述压电薄膜的压电器件。具体为压电谐振器、温度传感器、化学传感器。

本发明所述的氧化镓在压电材料上的应用及压电薄膜、压电器件，其优点在于，ε相氧化镓压电系数虽然仅有e₃₃＝0.94C/m²，不过另一方面，其相对介电常数只有ε_r＝3.6，显著低于常规压电材料的相对介电常数。可以保证外部输入的交流电信号高效的转化为机械振动能，这就弥补了ε相氧化镓在压电系数方面的不足。而且由于ε相氧化镓具有5eV的超宽禁带，绝缘性好，可以避免了压电器件工作过程中由于漏电流导致的热损耗，提升压电器件的能量转换效率。因此，综合考量压电系数、介电常数和禁带宽度三方面材料综合性质，可以认为ε相氧化镓是一种适用于制备高性能压电器件的新型半导体材料。

附图说明

图1是本发明所述压电薄膜基于蓝宝石(001)衬底的2θ扫描X射线衍射谱；

图2是本发明所述压电薄膜基于蓝宝石(001)衬底的ω扫描X射线衍射谱。

图3是本发明所述压电薄膜基于4H-SiC(001)衬底的2θ扫描X射线衍射谱；

图4是本发明所述压电薄膜基于4H-SiC(001)衬底的ω扫描X射线衍射谱。

图5是本发明所述压电谐振器的结构示意图；

图6是图5中A-A处的剖视图；

图7是本发明所述压电器件的性能测试图。

附图标记：101-异质衬底、102-压电薄膜、103-信号输入电极、104-信号输出电极。

具体实施方式

氧化镓化学式为Ga₂O₃，具有α、β、ε、δ、γ五种相，经实验测试和理论分析，其中唯有ε相具有压电特性。与目前研究和应用较为广泛的压电薄膜材料AlN相比，ε相氧化镓具有如下特点：ε相氧化镓压电系数仅有e₃₃＝0.94C/m²，低于AlN材料。不过另一方面，ε相氧化镓的相对介电常数只有ε_r＝3.6，显著低于AlN材料的相对介电常数。可以保证外部输入的交流电信号高效的转化为机械振动能，这就弥补了ε相氧化镓在压电系数方面的不足。且由于ε相氧化镓具有5eV的超宽禁带，绝缘性好，可以避免了压电器件工作过程中由于漏电流导致的热损耗，提升压电器件的能量转换效率。因此，综合考量压电系数、介电常数和禁带宽度三方面材料综合性质，可以认为ε相氧化镓是一种适用于制备高性能压电器件的新型半导体材料。本发明的技术方案弥补了ε相氧化镓在压电技术中的空白。

所述ε相氧化镓在压电材料中的具体应用可以生产为压电薄膜，例如使用以下生产方法获得：在异质衬底上生长ε相氧化镓压电薄膜，控制制备温度不高于850℃，其中优选为不高于650℃。使薄膜厚度控制在0.1um到100um，优选厚度为0.5um到10um。进一步，ε相氧化镓压电薄膜的晶面择优取向为(001)取向。

所述异质衬底可以为蓝宝石、4H-SiC、6H-SiC、GaAs、InP、Si、SiO₂/Si中的一种。优选为蓝宝石、4H-SiC和Si。

所述各种异质衬底的晶向优选为蓝宝石(001)、4H-SiC(001)、6H-SiC(001)、GaAs(111)、InP(111)、Si(111)、SiO₂/Si(111)。

异质衬底表面的实际晶向相对于衬底晶向存在0～6°的倾斜角。优选的，倾斜角为0.2～4°。

可选的，所述ε相氧化镓压电薄膜的制备方法包括金属有机化学气相沉积(MOCVD)、喷雾化学气相沉积(Mist-CVD)、卤化物气相外延(HVPE)、等离子化学气相沉积(PECVD)、磁控溅射等薄膜制备方法。其中优选为金属有机化学气相沉积(MOCVD)、磁控溅射。

实施例一

采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法，在异质衬底上制备ε相氧化镓压电薄膜。

步骤1：选取表面与c晶面存在倾斜角α、厚度H1的洁净衬底。

步骤2：将衬底送入MOCVD设备的反应室，并让托盘旋转；同时反应室升温至T并保持恒定。

步骤3：待反应室温度稳定在T后，同时含有镓和氧的反应源通入反应腔，开始ε相氧化镓压电薄膜的生长。

步骤4：控制生长时间，在衬底上生长出厚度为H2的ε相氧化镓压电薄膜。

步骤5：停止生长，反应腔开始降温得到成品的ε相氧化镓压电薄膜。

其中所述参数在不同实施方式中取值如下表：

异质衬底及晶向	倾斜角α/度	厚度H1/um	温度T/℃	厚度H2/um
					蓝宝石(001)	0.4	430	450	1
4H-SiC(001)	0.4	400	380	0.4
					6H-SiC(001)	0.1	450	850	0.1
GaAs(111)	0.2	500	750	0.5
					InP(111)	4	600	700	10
Si(111)	5	700	650	50
					SiO<sub>2</sub>/Si(111)	6	800	600	100

本实施中基于蓝宝石(001)衬底的ε相氧化镓压电薄膜X射线衍射图谱如图1、2所示，图1表明所制得的氧化镓薄膜为纯ε相氧化镓，图2表明所制得的ε相氧化镓薄膜具有较高的结晶质量，摇摆曲线半峰宽仅为576弧秒。基于4H-SiC(001)衬底的ε相氧化镓压电薄膜X射线衍射图谱如图3、4所示，图3表明所制得的氧化镓薄膜为纯ε相氧化镓，图4表明所制得的ε相氧化镓薄膜具有较高的结晶质量，摇摆曲线半峰宽仅为533弧秒。同时经过实验测试和仿真计算，所有制备的ε相氧化镓压电薄膜均具有压电特性。

实施例二

采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法，在蓝宝石(001)衬底上制备ε相氧化镓压电器件，具体为压电谐振器。制备方法包括如下详细步骤：

ε相氧化镓压电薄膜的制备：制备方法与实施例一的蓝宝石(001)衬底相同。

电极的制备：在压电薄膜上表面采用溅射或电子束蒸发方法分别制备得到信号输入电极103和信号输出电极104，两电极的叉指宽度为4um，叉指电极的周期为4um×4＝16um，具体结构如图5、6所示。压电器件的工作性能如图7所示，采用网络分析仪测试器件的谐振频率，其中心频率为560MHz。

所述的压电器件在本领域技术人员的公知常识内，至少包括压电谐振器、温度传感器、化学传感器。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.氧化镓在压电材料上的应用，其特征在于，所述氧化镓为ε相氧化镓。

2.压电薄膜，其特征在于，由ε相氧化镓制成。

3.根据权利要求2所述压电薄膜，其特征在于，ε相氧化镓制备温度不高于850℃。

4.根据权利要求2所述压电薄膜，其特征在于，厚度为0.1～100微米。

5.根据权利要求2所述压电薄膜，其特征在于，表面的晶面取向为(001)取向。

6.根据权利要求2所述压电薄膜，其特征在于，ε相氧化镓结晶于异质衬底上，且衬底表面的实际晶向相对于衬底晶向存在0～6°的倾斜角。

7.根据权利要求6所述压电薄膜，其特征在于，所述异质衬底为蓝宝石、4H-SiC、6H-SiC、GaAs、InP、Si、SiO₂/Si其中之一。

8.根据权利要求6所述压电薄膜，其特征在于，所述异质衬底晶向为蓝宝石(001)、4H-SiC(001)、6H-SiC(001)、GaAs(111)、InP(111)、Si(111)、SiO₂/Si(111)其中之一。

9.应用权利要求2-8任一所述压电薄膜的压电器件。

10.根据权利要求10所述压电器件，其特征在于，具体为压电谐振器、温度传感器、化学传感器。