适用高频声表面波延迟线的AlN(002)/diamond多层膜研究

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金刚石在所有物质中具有最高的声传播速率、最高的热导率、极低的热膨胀系数、高的化学惰性、大的禁带宽度等十分优异的性能,使得其具有广阔的应用前景。然而,金刚石本身并非压电材料,无法进行电磁波与声表面波的能量转换,因此需要在其表面沉积一层压电薄膜(如ZnO、LiNbO3、AlN等),制成多层膜声表面波器件,声表面波的性能由压电薄膜和金刚石基底共同决定。氮化铝(AlN)是一种性能优良的宽带隙、Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料,其具有许多优良的物理化学特性,例如大的击穿场强、高的热导率、宽的直接带隙以及良好的化学稳定性,从而使其在微电子、光学、电子元器件以及SAW器件制造和高频通信等领域有着广阔的应用前景,尤其是AlN材料本身声表面波相速高,所以,“AlN/金刚石”多层膜结构声表面波相速应高于“ZnO/金刚石”、“LiNbO3/金刚石”结构;从而,在叉指换能器指宽d相同时,可以达到更高的频率;AlN和金刚石相速度差别小,AIN/diamond多层膜结构表现出小的速度频散;AlN材料温度系数(TCD)小,当器件承受大功率温度升高时,AlN/diamond多层膜结构SAW器件中心频率随温度升高而漂移很小,这是很大的优点,特别是对窄带滤波器。本研究围绕AlN(002)/diamond多层膜结构高频声表面波延迟线的研制,主要做了如下工作:首先,对声表面波延迟线的工作原理经行了阐述。其次,采用微波等离子体CVD方法,在O2/H2/CH4混合气体气氛下利用大功率微波在(100)Si片上生长出了异质外延金刚石膜,用X-射线衍射分析仪(XRD)、拉曼光谱仪和扫描电子显微镜(SEM)对薄膜的结构和形貌进行了表征分析,结果表明,制备的金刚石膜具有较高的金刚石相纯度,且晶粒排列紧密,从而获得适用于构建高频SAW器件的致密金刚石薄膜。最后,采用射频磁控反应溅射法,在抛光的金刚石基底上制备了高C轴择优取向的(002)AlN薄膜,用X-射线衍射分析仪(XRD)和原子力显微镜(AFM)对薄膜的晶向结构和形貌经行了表征分析。研究了氮氩比、溅射功率、靶基距、氮处理以及沉积时间等工艺对AlN薄膜制备的影响,并优化了AlN薄膜在金刚石上沉积的制备工艺。总之,通过一系列的研究,在优化的工艺条件下成功制备出了高质量的金刚石薄膜和氮化铝压电薄膜,为进一步制作高性能AlN薄膜高频声表面波器件奠定了良好的材料和工艺技术基础。
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