CN117294274A - 一种声表面波压电谐振器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种声表面波压电谐振器及其制备方法。该声表面波压电谐振器包括由下至上依次设置的衬底、成核层、压电层、叉指电极；所述成核层的材料为氧化镓，或镓与铟、铝、钪三种金属元素中的至少一种形成的氧化镓合金；所述压电层的材料氧化镓，或镓与铟、铝、钪三种金属元素中的至少一种形成的氧化镓合金；且所述成核层的声波速度低于衬底和压电层中的声波速度。针对氧化镓基压电材料中声波传播速率较低的问题，本发明通过在氧化镓中引入Al、In、Sc等合金元素，一方面可以提升氧化镓基声压电材料的声波传播速率，另一方面借助合金构造出高性能声表面波谐振器。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种声表面波压电谐振器及其制备方法。
背景技术
氧化镓具有超宽禁带宽度，本征电阻率高，临界击穿电场高，适合用于制备电子器件；氧化镓具有β相、ε相等不同相，而研究表明ε相氧化镓(ε-Ga2O3)具有显著的压电效应，因此，ε-Ga2O3适合用于制备高Q值低损耗的压电谐振器，在射频滤波器等领域具有良好的应用前景。专利CN111510100A提出了一种基于ε-Ga2O3的薄膜体声波谐振器，利用ε-Ga2O3的压电效应，实现电-声转换，将射频信号转化为声波谐振。
专利CN108449066A提出了一种声表面波谐振器，器件表面采用叉指电极作为射频信号的输入输出极，器件的响应频率取决于电极线宽和压电层材料的声波传播速率。材料的声速越小则要求电极线宽越小，但过小的线宽对光刻技术具有较高要求。因此，通过提高压电材料中的声波传播速率，可以降低声表面波器件的光刻难度，有利于制备高工作频率的声表面波谐振器。同样，采用ε-Ga2O3材料制备声表面波压电谐振器，受限于材料自身声速较低的缺点。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种声表面波压电谐振器及其制备方法，通过合金组分，实现具有高声波传播速率的氧化镓合金，从而制备出高频声表面波谐振器。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
本发明第一方面提供了一种声表面波压电谐振器，所述声表面波压电谐振器包括由下至上依次设置的衬底、成核层、压电层、叉指电极；
所述成核层的材料为氧化镓，或镓与铟、铝、钪三种金属元素中的至少一种形成的氧化镓合金；
所述压电层的材料为氧化镓，或镓与铟、铝、钪三种金属元素中的至少一种形成的氧化镓合金；且所述成核层的声波速度低于衬底和压电层中的声波速度。
优选地，所述氧化镓和氧化镓合金均为ε相。
优选地，所述氧化镓合金中的掺杂元素的掺杂量为5％-40％；进一步优选地，所述氧化镓合金中的掺杂元素的掺杂量为10％-30％。
优选地，所述成核层的材料为氧化镓，或镓与铟、钪中的至少一种形成的氧化镓合金；所述压电层的材料为镓与铝形成的氧化镓合金。
优选地，所述衬底包括硅(111)、蓝宝石(0001)、4H碳化硅(001)、6H碳化硅(0001)衬底中的任一种。
优选地，所述成核层的厚度≤声表面波压电谐振器谐振波长的一半；进一步优选地，所述成核层的厚度为180-320nm；再进一步优选地，所述成核层的厚度为200-300nm。
优选地，所述压电层的厚度为500-3000nm；进一步优选地，所述压电层的厚度为500-1000nm。
本发明第二方面提供了一种所述的声表面波压电谐振器的制备方法，包括以下步骤：在衬底表面采用化学气相沉积(CVD)或金属有机化学气相沉积(MOCVD)法沉积成核层，然后在成核层表面沉积压电层，最后在压电层表面沉积叉指电极。
优选地，所述沉积成核层时的温度为400-550℃；进一步优选地，所述沉积成核层时的温度为450-520℃。
优选地，所述沉积压电层的温度为580-650℃；进一步优选地，所述沉积压电层的温度为600-620℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
针对氧化镓基压电材料中声波传播速率较低的问题，本发明通过在氧化镓中引入Al、In、Sc等合金元素，一方面可以提升氧化镓基声压电材料的声波传播速率，另一方面借助合金构造出高性能声表面波谐振器。
附图说明
图1为氧化镓合金纵波声速随合金元素组分的变化；
图2为实施例1的声表面波谐振器结构；
图3为实施例2的声表面波谐振器结构；
图4为实施例2的阻抗-频率特性曲线；
附图标记：图2中，1a-衬底，1b-成核层，1c-压电层，1d-叉指电极；图3中，2a-衬底，2b-成核层，2c-压电层，2d-叉指电极。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为可通过常规的商业途径购买得到。
当在ε-Ga2O3材料中掺不同量入Al、In、Sc元素时，材料的声波传播速率发生显著改变，如图1所示，图1中方点为氧化镓铝，圆点为氧化镓铟，三角点为氧化镓钪。掺入Al组分后，声速增加，因此氧化镓铝适合用作高声速压电层；而掺入In、Sc组分后，声速减小，因此氧化镓铟、氧化镓钪适合用作成核层。
实施例1
本实施例提供的声表面波谐振器结构如图1所示，其制备方法具体包括以下步骤：
步骤1：清洗(0001)晶向的6H碳化硅(1a)。
步骤2：采用化学气相沉积(CVD)，在450℃下生长铟组分为20％的ε相氧化镓铟作为成核层(1b)，控制生长时间，使成核层厚度为200纳米。
步骤3：将生长温度提升到600℃，生长铝组分为20％的ε相氧化镓铝作为压电层(1c)，控制生长时间，使压电层厚度为800纳米。
步骤4：取出样品，然后重新采用电子束蒸发方法，沉积250纳米铝作为叉指电极(1d)；电极指宽d＝0.6微米，对应谐振声波波长λ＝4d＝2.4微米，电极指长W＝120微米。
实施例2
本实施例提供的声表面波谐振器结构如图3所示，其制备方法包括以下步骤：
步骤1：清洗c面蓝宝石衬底(2a)。
步骤2：采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)，在520℃下生长ε-Ga2O3薄膜作为成核层(2b)，控制生长时间，使成核层厚度为0.3微米。
步骤3：将生长温度提升到620℃，生长铝组分为y(y＝5％、10％、15％、20％)的ε相氧化镓铝合金作为压电层(2c)，控制生长时间，使压电层厚度为0.6微米。
步骤4：取出样品，然后重新采用电子束蒸发方法，沉积0.15微米钛作为顶电极层(2d)；电极指宽d＝0.5微米，对应谐振声波波长λ＝4d＝2微米，电极指长W＝100微米。
图4是实施例2制备的四种不同铝组分(y＝5％、10％、15％、20％)的ε相氧化镓铝声表面波谐振器的谐振频率仿真。图中对比了四种不同铝组分的氧化镓铝器件的工作性能，器件谐振频率随着铝组分的增加而增加，其中串联谐振频率fs从2365MHz增加到2475MHz。说明通过在同样的叉指电极线宽下，通过在氧化镓合金压电层中掺入铝组分，压电层中的声波速率逐渐增加，器件工作频率得以提高。
以上对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种声表面波压电谐振器，其特征在于，所述声表面波压电谐振器包括由下至上依次设置的衬底、成核层、压电层、叉指电极；
所述成核层的材料为氧化镓，或镓与铟、铝、钪三种金属元素中的至少一种形成的氧化镓合金；
所述压电层的材料为氧化镓，或镓与铟、铝、钪三种金属元素中的至少一种形成的氧化镓合金；且所述成核层的声波速度低于衬底和压电层中的声波速度。
2.根据权利要求1所述的声表面波压电谐振器，其特征在于，所述氧化镓和氧化镓合金均为ε相。
3.根据权利要求1所述的声表面波压电谐振器，其特征在于，所述氧化镓合金中的掺杂元素的掺杂量为5％-40％。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的声表面波压电谐振器，其特征在于，所述成核层的材料为氧化镓，或镓与铟、钪中的至少一种形成的氧化镓合金；所述压电层的材料为镓与铝形成的氧化镓合金。
5.根据权利要求1所述的声表面波压电谐振器，其特征在于，所述衬底包括硅(111)、蓝宝石(0001)、4H碳化硅(001)、6H碳化硅(0001)衬底中的任一种。
6.根据权利要求1所述的声表面波压电谐振器，其特征在于，所述成核层的厚度≤声表面波压电谐振器谐振波长的一半。
7.根据权利要求1所述的声表面波压电谐振器，其特征在于，所述压电层的厚度为500-3000nm。
8.一种权利要求1-7任意一项所述的声表面波压电谐振器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：在衬底表面采用化学气相沉积或金属有机化学气相沉积法沉积成核层，然后在成核层表面沉积压电层，最后在压电层表面沉积叉指电极。
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