CN114824057A - 一种氮化铝压电材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮化铝压电材料及其制备方法和应用。本发明的氮化铝压电材料的化学式为ScxMgyAl1‑x‑yN，式中，0≤x<1，0≤y<1，x+y<1，且x和y不能同时为0。本发明的氮化铝压电材料的制备方法包括以下步骤：1)通过磁控溅射在衬底上沉积AlN薄膜，再进行热处理和氮化处理；2)通过MOCVD法在AlN薄膜上生长AlN成核层，再在AlN成核层上生长Mg或/和Sc掺杂的AlN薄膜，再去除Mg或/和Sc掺杂的AlN薄膜以外的部分，即得氮化铝压电材料。本发明的氮化铝压电材料的机电耦合常数大、质量因数Q合适，且其制备方法简单，在FBAR滤波器中具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及压电材料技术领域，具体涉及一种氮化铝压电材料及其制备方法和应用。
背景技术
5G(第五代移动通信技术)网络的传输速率和数据承载能力与传统的3G网络和4G网络相比大幅提升，且频谱资源利用率高、通信协议复杂。5G技术的发展也推动了射频(RF)系统的全面升级，基站天线通道数量迅速增加，为了更好地满足日益增长的需求，射频滤波器得到了极大的发展。手机等无线设备中的射频系统的主要组成元件包括收发器、功率放大器、滤波器和天线开关等，而射频滤波器的可集成性问题是制约射频前端微型化的重要因素之一。
FBAR滤波器具有可集成化、高工作频率、高Q值等一系列优点，兼具金属腔体滤波器、介质滤波器和声表面滤波器的优点，广泛应用在滤波器、振荡器等领域。FBAR滤波器的基本结构为金属顶电极、压电薄膜材料和金属底电极构成的类“三明治”结构，其工作原理如下：当在两个电极之间施加高频的射频电压时，由于压电薄膜材料存在逆压电效应，压电薄膜材料的形状会随着交变电压发生周期性的膨胀-收缩形变，在压电薄膜材料内产生沿垂直方向传播的体声波，当体声波信号在不同介质间传播时，在介质的交界处发生反射，将声波限制在两电极之间，当激发产生的机械波的波长为压电薄膜材料与顶底电极厚度之和的两倍时，就会发生基本共振，在此频率下，声波损失最小。
在不考虑顶/底金属电极的厚度时，谐振频率取决于声速和压电薄膜材料的厚度。压电薄膜材料的声速越大，FBAR滤波器的谐振频率越高。压电薄膜材料的厚度越薄，FBAR滤波器的谐振频率也越高。为了实现高频FBAR滤波器的应用，压电薄膜材料的厚度需要减小到亚微米范围。然而，当器件厚度减薄至1μm以下以实现更高的频率操作时，压电薄膜材料的结晶度就成为一个重要问题。
因此，开发一种机电耦合常数大、质量因数Q合适的压电材料具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氮化铝压电材料及其制备方法和应用。
本发明所采取的技术方案是：
一种氮化铝压电材料，其化学式如下：
ScxMgyAl1-x-yN，式中，0≤x<1，0≤y<1，x+y<1，且x和y不能同时为0。
上述氮化铝压电材料的制备方法包括以下步骤：
1)通过磁控溅射在衬底上沉积AlN薄膜，再进行热处理和氮化处理；
2)通过有机金属化合物化学气相沉积(MOCVD)法在AlN薄膜上生长AlN成核层，再通入Mg源或/和Sc源后在AlN成核层上生长Mg或/和Sc掺杂的AlN薄膜，再进行刻蚀和剥离去除Mg或/和Sc掺杂的AlN薄膜以外的部分，即得氮化铝压电材料。
优选的，步骤1)所述衬底为硅衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底中的一种。
优选的，步骤1)所述AlN薄膜的厚度为50nm～200nm。
优选的，步骤1)所述热处理在H2气氛或N2气氛中进行，热处理温度为850℃～1150℃，热处理时间为3min～7min。
优选的，步骤1)所述氮化处理在850℃～1150℃下进行。
优选的，步骤2)所述AlN成核层的厚度为20nm～100nm。
优选的，步骤2)所述Mg或/和Sc掺杂的AlN薄膜的厚度为0.05μm～2μm。
一种FBAR滤波器，其压电层的组成包括上述氮化铝压电材料。
优选的，一种FBAR滤波器，其组成包括支撑基底、空气腔支撑层、底电极、底电极上引、压电层、第一顶电极和第二顶电极；所述支撑基底、空气腔支撑层、底电极、压电层、第一顶电极和第二顶电极依次层叠设置；所述空气腔支撑层和底电极之间设置有空气腔；所述底电极上引与底电极和压电层接触。
优选的，所述支撑基底为硅衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底、氮化镓衬底、氮化铝衬底、AlxGa1-xN缓冲层衬底、玻璃衬底、有机柔性衬底中的一种。
优选的，所述空气腔支撑层的组成成分为立方氮化硼、SiO2、Si中的至少一种，厚度为0.5μm～5μm。
优选的，所述第一顶电极的组成成分为金、铜、银、铝、钨、铂、钼、铑、铱、钛中的至少一种，厚度为10nm～200nm。
优选的，所述第二顶电极的组成成分为金、铜、银、铝、钨、铂、钼、铑、铱、钛中的至少一种，厚度为10nm～200nm。
优选的，所述第一顶电极和第二顶电极的组成成分不同。
本发明的有益效果是：本发明的氮化铝压电材料的机电耦合常数大、质量因数Q合适，且其制备方法简单，在FBAR滤波器中具有很好的应用前景。
具体来说：
1)本发明的氮化铝压电材料中掺杂有钪或/和镁，钪(1.30)和镁(1.20)的电负性小于铝(1.50)，可以显著提高氮化铝的压电性能；
2)本发明结合磁控溅射和有机金属化合物化学气相沉积(MOCVD)法来制备氮化铝压电材料，可以大幅简化工艺流程和缩短工艺时间。
附图说明
图1为本发明的FBAR滤波器的结构示意图。
附图标识说明：10、支撑基底；20、空气腔支撑层；30、底电极；40、底电极上引；50、压电层；60、第一顶电极；70、第二顶电极。
图2为实施例3的氮化铝压电材料Sc0.3Al0.7N作为压电层材料制成的FBAR滤波器的MBVD模型拟合图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的解释和说明。
实施例1：
一种氮化铝压电材料Sc0.09Al0.91N，其制备方法包括以下步骤：
1)采用BOE(缓冲氧化物刻蚀液)清洗蓝宝石衬底，再将蓝宝石衬底装入溅射室，溅射系统的基础压力稳定在10-5Pa，预溅射30min清洁靶材表面，同时关闭挡板，再通过磁控溅射在蓝宝石衬底上沉积厚度为140nm的AlN薄膜，溅射气体和反应气体分别为高纯度Ar和N2，再置于H2气氛中，加热至1000℃后保持5min，再在同样温度下通入高纯度NH3，在1000℃下吹扫10min，进行表面氮化处理；
2)通过有机金属化合物化学气相沉积法生长50nm厚的AlN成核层，生长温度为1150℃，再通入Sc源，通过控制Sc源与NH3和TMAl的摩尔比在AlN成核层上生长厚度为500nm的Sc掺杂的AlN薄膜，再进行刻蚀和剥离去除Sc掺杂的AlN薄膜以外的部分，即得氮化铝压电材料Sc0.09Al0.91N。
一种FBAR滤波器(结构示意图如图1所示)，其组成包括支撑基底10、空气腔支撑层20、底电极30、底电极上引40、压电层50、第一顶电极60和第二顶电极70；支撑基底10、空气腔支撑层20、底电极30、压电层50、第一顶电极60和第二顶电极70依次层叠设置；空气腔支撑层20和底电极30之间设置有空气腔；底电极上引40与底电极30和压电层50接触。
上述FBAR滤波器的制备方法包括以下步骤：
1)用标准的RCA清洗工艺对硅片(支撑基底)进行处理，再烘干；
2)通过干法刻蚀在硅片表面刻蚀一个凹槽，凹槽深度为20μm；
3)通过热氧化生长在硅片表面沉积SiO2层；
4)通过PECVD法在SiO2层上沉积疏松的SiO2层(作为牺牲层)；
5)进行化学机械抛光(CMP)，将高于凹槽边缘的SiO2层除去，再进行清洗；
6)沉积底电极材料，并刻蚀底电极图形；
7)键合本实施例制备的压电层材料，并对压电层进行刻蚀形成需要的图形；
8)沉积顶电极材料，并对其刻蚀获得图案；
9)在空腔周围通过干法刻蚀获得释放窗口，将HF溶液从释放窗口注入，把疏松的SiO2层去除，形成空气腔，即得FBAR滤波器。
实施例2：
一种氮化铝压电材料Sc0.15Al0.85N，其制备方法同实施例1，仅调节Sc的掺杂比例。
一种FBAR滤波器，除了压电层的组成材料由Sc0.09Al0.91N替换成Sc0.15Al0.85N以外，其它和实施例1完全一样。
实施例3：
一种氮化铝压电材料Sc0.3Al0.7N，其制备方法同实施例1，仅调节Sc的掺杂比例。
一种FBAR滤波器，除了压电层的组成材料由Sc0.09Al0.91N替换成Sc0.3Al0.7N以外，其它和实施例1完全一样。
实施例4：
一种氮化铝压电材料Sc0.41Al0.59N，其制备方法同实施例1，仅调节Sc的掺杂比例。
一种FBAR滤波器，除了压电层的组成材料由Sc0.09Al0.91N替换成Sc0.41Al0.59N以外，其它和实施例1完全一样。
实施例5：
一种氮化铝压电材料Mg0.05Sc0.3Al0.65N，其制备方法同实施例1，仅将步骤2)中的Sc源替换成Sc源和Mg源。
一种FBAR滤波器，除了压电层的组成材料由Sc0.09Al0.91N替换成Mg0.05Sc0.3Al0.65N以外，其它和实施例1完全一样。
实施例6：
一种氮化铝压电材料Mg0.1Sc0.3Al0.6N，其制备方法同实施例5，仅调节Sc和Mg的掺杂比例。
一种FBAR滤波器，除了压电层的组成材料由Sc0.09Al0.91N替换成Mg0.1Sc0.3Al0.6N以外，其它和实施例1完全一样。
实施例7：
一种氮化铝压电材料Mg0.15Sc0.2Al0.65N，其制备方法同实施例5，仅调节Sc和Mg的掺杂比例。
一种FBAR滤波器，除了压电层的组成材料由Sc0.09Al0.91N替换成Mg0.15Sc0.2Al0.65N以外，其它和实施例1完全一样。
对比例：
一种FBAR滤波器，除了压电层的组成材料由Sc0.09Al0.91N替换成AlN以外，其它和实施例1完全一样。
性能测试：
1)实施例3的氮化铝压电材料Sc0.3Al0.7N作为压电层材料制成的FBAR滤波器的MBVD模型拟合图如图2所示。
由图2可知：Sc0.3Al0.7N含钪量高，可以获得215ppm×μm/V的线性调谐范围，且应用350V单极波形时，FBAR滤波器的串联谐振频率被开关为ON和OFF，通过进一步的类似表征发现本发明其它实施例中的氮化铝压电材料均具有较宽的宽带。
2)实施例1～7和对比例中的FBAR滤波器的有效机电耦合常数(kt 2)和质量因数Q如下表所示：
表1实施例1～7和对比例中的FBAR滤波器的有效机电耦合常数和质量因数Q
由表1可知：实施例1～7的氮化铝压电材料作为压电层材料制成的FBAR滤波器的有效机电耦合常数明显大于AlN作为压电层材料制成的FBAR滤波器，且质量因数Q合适，在实现宽带宽方面具有良好的产业化前景。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种氮化铝压电材料，其特征在于，化学式如下：
ScxMgyAl1-x-yN，式中，0≤x<1，0≤y<1，x+y<1，且x和y不能同时为0。
2.权利要求1所述的氮化铝压电材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)通过磁控溅射在衬底上沉积AlN薄膜，再进行热处理和氮化处理；
2)通过有机金属化合物化学气相沉积法在AlN薄膜上生长AlN成核层，再通入Mg源或/和Sc源后在AlN成核层上生长Mg或/和Sc掺杂的AlN薄膜，再进行刻蚀和剥离去除Mg或/和Sc掺杂的AlN薄膜以外的部分，即得氮化铝压电材料。
3.根据权利要求2所述的氮化铝压电材料的制备方法，其特征在于：步骤1)所述衬底为硅衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底中的一种。
4.根据权利要求2或3所述的氮化铝压电材料的制备方法，其特征在于：步骤1)所述AlN薄膜的厚度为50nm～200nm。
5.根据权利要求2或3所述的氮化铝压电材料的制备方法，其特征在于：步骤1)所述热处理在H2气氛或N2气氛中进行，热处理温度为850℃～1150℃，热处理时间为3min～7min；步骤1)所述氮化处理在850℃～1150℃下进行。
6.根据权利要求2或3所述的氮化铝压电材料的制备方法，其特征在于：步骤2)所述AlN成核层的厚度为20nm～100nm；步骤2)所述Mg或/和Sc掺杂的AlN薄膜的厚度为0.05μm～2μm。
7.一种FBAR滤波器，其特征在于，压电层的组成包括权利要求1所述的氮化铝压电材料。
8.根据权利要求7所述的FBAR滤波器，其特征在于，组成包括支撑基底、空气腔支撑层、底电极、底电极上引、压电层、第一顶电极和第二顶电极；所述支撑基底、空气腔支撑层、底电极、压电层、第一顶电极和第二顶电极依次层叠设置；所述空气腔支撑层和底电极之间设置有空气腔；所述底电极上引与底电极和压电层接触。
9.根据权利要求8所述的FBAR滤波器，其特征在于：所述支撑基底为硅衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底、氮化镓衬底、氮化铝衬底、AlxGa1-xN缓冲层衬底、玻璃衬底、有机柔性衬底中的一种。
10.根据权利要求8或9所述的FBAR滤波器，其特征在于：所述空气腔支撑层的组成成分为立方氮化硼、SiO2、Si中的至少一种，厚度为0.5μm～5μm；所述底电极的组成成分为金、铜、银、铝、钨、铂、钼、铑、铱、钛中的至少一种，厚度为10nm～200nm；所述第一顶电极的组成成分为金、铜、银、铝、钨、铂、钼、铑、铱、钛中的至少一种，厚度为10nm～200nm；所述第二顶电极的组成成分为金、铜、银、铝、钨、铂、钼、铑、铱、钛中的至少一种，厚度为10nm～200nm；所述第一顶电极和第二顶电极的组成成分不同。
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