基于AlN薄膜高频SAW器件的制备与研究

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1、中图分类号：TN384论文编号：153115301学科分类号：510.3030密级：天津理工大学研究生学位论文基于AlN薄膜高频SAW器件的制备与研究（申请工程硕士学位）专业学位类别：工程硕士工程领域：光学工程作者姓名：肖福亮指导教师：王芳副教授2018年3月ThesisSubmittedtoTianjinUniversityofTechnologyfortheMaster’sDegreePreparationandResearchofHighFrequencySAWDevicesbasedonAlNThinFilmsByFuliangXia

2、oSupervisorFangWangMarch2018摘要近年来，随着移动通讯技术在全球范围内的迅猛发展和半导体器件集成化程度越来越高，对高频、高功率、高稳定性及微型化的声表面波（SAW）器件的需求日益增加。因此，提高SAW器件的中心频率的同时缩小器件特征尺寸成为目前移动通讯技术进一步发展的关键。金刚石具有自然界最高的SAW速度和较高的热导率，是制备高频高功率SAW器件的首选材料。AlN压电薄膜材料具有较高SAW传播速度、低传输损耗、良好热稳定性和化学稳定性，属于六方晶系的Ⅲ-Ⅴ族化合物，与金刚石晶格常数相近，所以AlN被认为是制备高频SA

3、W器件的理想压电材料之一。本论文首先对（002）氮化铝（AlN）薄膜的生长工艺（生长功率、衬底温度及氮氩比）进行了优化，通过XRD、AFM、PFM等方法对不同生长工艺条件下AlN薄膜的（002）择优取向、表面形貌以及压电性能进行了对比分析。最优的生长工艺为：功率180W，N2/Ar=15:15，衬底温度500℃。该条件下制备的AlN薄膜具有最佳（002）取向，均匀表面形貌，最低表面粗糙度（RMS=1.53nm），N/Al原子比为1.06:1，接近1:1，良好的压电性能（相对压电系数d*33=0.79V）以及压电响应一致性（64条蝴蝶曲线趋势一

4、致、电滞回线窗口饱和）。本论文在最优AlN薄膜基础上优化电子束曝光（EBL）工艺制备了指宽为200nm的叉指换能器，对比了叉指对数（N=10、25、50）和叉指孔径（W=50λ、100λ）对IDT/AlN/Pt/Ti/SiO2/Si结构SAW器件（中心频率为4.47GHz）信号传输的影响，发现随着叉指对数的增多，主峰宽度随之减小，插入损耗略有增大，可以通过设计不同叉指对数来实现不同固有带宽的高频SAW器件；叉指孔径增大，中心频率有所增加，插入损耗有所降低。制备了叉指对数25对，孔径50λ，指宽400nm的IDT/AlN/Diamond结构器件

5、，其中心频率为5.77GHz，插入损耗为-65.57dB。高声速金刚石衬底与AlN压电薄膜相结合并配置亚微米级叉指换能器实现了微型化高频SAW器件的制备，将有助于AlN薄膜在高频SAW器件制备中的应用。关键词：氮化铝声表面波（SAW）高频电子束曝光压电特性AbstractInrecentyears,withtherapiddevelopmentofmobilecommunicationtechnologyandthemoreandmoredegreeofintegrationofsemiconductordevices,thedemandsf

6、orhighfrequency,highpower,highstabilityandminiaturizedsurfaceacousticwave(SAW)devicesisincreasing.Therefore,itisthekeytofurtherdevelopmentofmobilecommunicationtechnologythatimprovingthecentralfrequencyofSAWdevicesandreducingthesizeofthedevices.ThediamondhasthehighestSAWvelo

7、cityandhigherthermalconductivityinnature,soitisthepreferredmaterialtopreparehighfrequencyandhighpowerSAWdevices.TheAlNpiezoelectricthinfilmswithhighSAWvelocity,lowtransmissionloss,outstandingthermalstabilityandchemicalstability,whilebelongingtothesixcubiccrystalsystemofIII-

8、Vcompoundsandhavingasimilarlatticeconstantwithdiamond.Thus,itisconsideredtobeoneof