基于BN-ZnO高声速压电材料的高频SAW器件的构建及性能研究

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随着通讯频带的高频化快速发展,高频、高功率SAW器件成为高频通讯的关键器件。一方面进一步减小IDT特征尺寸;另一方面采用高声速衬底材料及压电材料来提高器件中心频率。基于高声速的金刚石多层膜结构成为超高频SAW器件的首选,相应的金刚石多层膜结构中压电材料的优化设计、沉积工艺及器件构建技术备受关注,近年来已成为高频SAW器件领域的研究热点。本文基于c‐BN、ZnO压电薄膜,针对金刚石多层膜结构的高频SAW器件的设计及构建开展了如下创新工作:【1】采用射频磁控溅射工艺,在Si和金刚石衬底上成功制备高立方相含量(达96%)c‐BN薄膜,表面粗糙度RMS值达2.3nm以下。压电性能测试表明,立方氮化硼薄膜具有较好的压电性能,且能够实现极化翻转;Cu、Pt作为压电测试底电极,微区最大有效相对压电系数分别为0.119和0.122,相比之下,Pt底电极上样品的压电性能更加灵敏。【2】优化氧化锌薄膜沉积工艺基础上对其进行了平坦化研究,基于pH值及抛光压力的优化获得了1.2nm粗糙度的表面(20×20μm2),并探索了相应的CMP机理。通过平坦化处理,氧化锌的压电信号得到明显增强,且均匀性大幅度提高,有利于进一步提高SAW器件性能的稳定性。【3】基于c‐BN、ZnO压电特性分析基础上,构建并制备了(ZnO/BN)n复合薄膜,探索叠层复合结构对微区压电特性的影响。结果表明,叠层结构的相对压电系数高于单独的c‐BN的压电系数,ZnO和BN复合比例为50nm:50nm时,样品具有最高的压电系数和最好的压电均匀性,适于高频SAW器件的制备。【4】基于优化的c‐BN及BN‐ZnO叠层结构,分别构建了SAW器件单元。利用集成电路光刻技术,在“BN/diamond/Si”多层膜上制备特征尺寸1.5μm的Al叉指换能器,裸器件单元的中心频率达到1.65GHz,插入损耗21.244dB,相速度达9900m/s;在“(ZnO/BN)n/Diamond/Si”多层膜上制备叉指宽度为2.0μm的IDT,裸器件单元的中心频率分别为1.12GHz,插入损耗10.648dB,SAW相速度为8960m/s。
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