ZnO压电薄膜及其声表面波器件的制备与特性研究

发布时间：2020-05-24 02:49

【摘要】：声表面波(Surface Acoustic Wave,SAW)器件具有工作频率高、带宽大、体积小、性能稳定和重复性好等优点,在广播电视、移动通信、雷达、导航、电子对抗、遥控遥测系统等众多领域已有广泛的应用。ZnO具有压电性、透明导电性、气敏性等特点,而且ZnO压电薄膜材料的机电耦合系数大、插入损耗小,因此基于ZnO压电薄膜的声表面波器件得到了广泛关注。本文以ZnO压电薄膜及其声表面波器件的制备与特性研究为课题,主要开展了以下几点工作:1)利用射频(Radio Frequency,RF)磁控溅射法在SiO_2基底上制备ZnO薄膜,研制基于(002)ZnO/IDT/SiO_2结构的SAW延迟线,分析SAW器件的声学特性,如频率响应、相速度、机电耦合系数等;并通过COMSOL有限元仿真分析了该结构SAW器件所激发瑞利波的特性,实验和理论结果吻合较好。然后,进一步模拟仿真了IDT位置及ZnO晶体取向对SAW器件特性的影响,即(002)ZnO/IDT/SiO_2、IDT/(002)ZnO/SiO_2、IDT/(110)ZnO/SiO_2、(110)ZnO/IDT/SiO_2四种结构的SAW延迟线所激发瑞利波和Love波的声学特性,结果显示:(002)ZnO/IDT/SiO_2结构的SAW延迟线所激发瑞利波的机电耦合系数k~2最大,且在h_z/λ=0.46时取得最大值3.63%;而IDT/(110)ZnO/SiO_2结构的SAW延迟线所激发Love波的机电耦合系数k~2最大,且在h_z/λ=0.31时取得最大值5.82%。2)利用RF磁控溅射法在Si基底上制备SiO_2薄膜和ZnO薄膜,研制基于(002)ZnO/IDT/SiO_2/Si结构的SAW延迟线,分析SAW器件的声学特性,如频率响应、相速度、机电耦合系数等;并通过COMSOL有限元仿真分析了该结构SAW器件所激发瑞利波的特性,实验和理论结果吻合较好。然后进一步模拟仿真了IDT位置及ZnO晶体取向对SAW特性的影响,即(002)ZnO/IDT/SiO_2/Si、IDT/(002)ZnO/SiO_2/Si、(110)ZnO/IDT/SiO_2/Si、IDT/(110)ZnO/SiO_2/Si四种结构的SAW延迟线所激发瑞利波和Love波的声学特性。结果表明:(002)ZnO/IDT/SiO_2/Si结构的SAW延迟线所激发瑞利波的机电耦合系数k~2最大,且在h_z=8μm,h_s/λ=0.15时取得最大值3.85%;而IDT/(110)ZnO/SiO_2/Si结构SAW延迟线所激发Love波的机电耦合系数k~2最大,且在h_z=5μm,h_s/λ=0.06时取得最大值6.31%。3)利用COMSOL软件建立SiO_2/(002)ZnO/IDT/SiO_2/Si、SiO_2/(110)ZnO/IDT/SiO_2/Si、SiO_2/IDT/(110)ZnO/SiO_2/Si结构的SAW延迟线的有限元模型,仿真分析了SiO_2导波层对SAW器件所激发瑞利波和Love波特性的影响。结果显示:顶层SiO_2导波层的引入提高了(002)ZnO/IDT/SiO_2/Si和(110)ZnO/IDT/SiO_2/Si结构的SAW延迟线所激发瑞利波的机电耦合系数k~2。而当顶层SiO_2导波层的厚度一定时,随着底层SiO_2导波层的厚度增加,SiO_2/(002)ZnO/IDT/SiO_2/Si和SiO_2/(110)ZnO/IDT/SiO_2/Si结构的SAW延迟线所激发瑞利波的机电耦合系数k~2先增加后趋于平稳。
【图文】：

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【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN65

【参考文献】