基于AlN压电薄膜的HBAR器件制备研究

发布时间：2017-09-24 02:29

  本文关键词：基于AlN压电薄膜的HBAR器件制备研究

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【摘要】：高次谐波体声波谐振器(High Overtone Bulk Acoustic Resonator,HBAR)具有多频谐振特点,可以用于可跳频的频率综合器,其高Q值可以使其应用于低相噪振荡器。除此之外,HBAR还可以应用于传感器领域。本文采用脉冲激光沉积制备了c轴择优取向的Al N薄膜,以此为基础制备了大频率间隔Δf的HBAR器件,并给出其理论模型、仿真设计、制备工艺和测试分析。首先,基于压电方程和运动学方程,推导了HBAR器件中压电体和普通声学层的Mason等效电路模型,给出了HBAR器件的Mason等效电路模型。接着,结合Mason模型采用射频仿真软件ADS建立了压电体、普通声学层和HBAR器件的仿真模型,并根据ADS仿真模型设计了频率间隔Δf为0.91GHz、结构为0.1μm Mo/0.9μm Al N/0.1μm Mo/60.3μm蓝宝石的HBAR器件。然后,采用脉冲激光沉积制备Al N薄膜,研究了激光能量密度、基底温度和基底材料对Al N薄膜取向和表面形貌的影响。研究结果表明:随着激光能量密度(1.5~3.0J/cm2)和基底温度(500~700℃)的增加,有利于Al N(002)取向生长,而表面粗糙度增加;在Mo/蓝宝石基底上制备的Al N(002)取向优于在Mo/Si(100)基底上制备的Al N。基于这些参数的研究,我们采用激光能量密度3.0J/cm2、基底温度700℃在图形化Mo/蓝宝石基底上制备了半高宽为1.6°的c轴择优取向的Al N薄膜。最后,我们研究了HBAR器件的制备工艺,采用微纳加工工艺制备了两种HBAR器件,并进行了测试。实验结果表明:两种HBAR器件在0.7~5.0GHz宽频范围内具有多模谐振特性,在压电薄膜换能器的半波长附近达到最强谐振,相邻模式之间的频率间隔Δf较大,达到了0.91GHz,这未见有报道。器件1与器件2相比较,随着有效面积的增大,HBAR器件的阻抗幅度减小。实验测试结果与理论值相比较,并联谐振频率fp和串联谐振频率fs符合的较好。
【关键词】：高次谐波体声波谐振器 AlN压电薄膜 脉冲激光沉积
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN629.1;TB383.2
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-11
• 第1章 绪论11-18
• 1.1 课题研究背景11-14
• 1.1.1 HBAR器件的应用11-12
• 1.1.2 HBAR器件的模型与原理12-13
• 1.1.3 HBAR器件的材料选择13-14
• 1.2 HBAR器件的国内外研究现状14-15
• 1.3 AlN压电薄膜的国内外研究现状15-17
• 1.4 本论文研究内容17-18
• 第2章 HBAR器件的建模与设计18-32
• 2.1 压电薄膜的特性18-23
• 2.1.1 晶体的介电性质18-19
• 2.1.2 晶体的弹性性质19-21
• 2.1.3 晶体的压电性质21
• 2.1.4 AlN压电薄膜的特性21-23
• 2.2 HBAR器件的Mason等效电路模型23-27
• 2.2.1 压电体的Mason模型23-26
• 2.2.2 普通声学层的Mason模型26
• 2.2.3 HBAR器件的Mason模型26-27
• 2.3 HBAR器件的ADS仿真模型建立与设计27-31
• 2.3.1 HBAR器件中各材料的参数值27
• 2.3.2 压电体的ADS仿真模型建立27-28
• 2.3.3 普通声学层的ADS仿真模型建立28-30
• 2.3.4 HBAR器件的ADS仿真模型建立30
• 2.3.5 HBAR器件的设计30-31
• 2.4 本章小结31-32
• 第3章 AlN压电薄膜的制备与表征32-47
• 3.1 AlN薄膜的制备方法32-37
• 3.1.1 脉冲激光沉积概述32-33
• 3.1.2 脉冲激光沉积原理33-35
• 3.1.3 脉冲激光沉积中的重要工艺参数35-36
• 3.1.4 脉冲激光沉积特点36-37
• 3.2 AlN薄膜的表征方法37-38
• 3.2.1 X射线衍射仪37-38
• 3.2.2 原子力显微镜38
• 3.3 脉冲激光沉积制备AlN薄膜38-46
• 3.3.1 激光能量密度对AlN薄膜的影响39-42
• 3.3.2 基底温度对AlN薄膜的影响42-44
• 3.3.3 基底材料对AlN薄膜的影响44-45
• 3.3.4 图形化Mo/蓝宝石基底上沉积AlN薄膜45-46
• 3.4 本章小结46-47
• 第4章 HBAR器件的制备与测试47-71
• 4.1 制备HBAR器件中采用的微纳加工工艺简介与研究47-61
• 4.1.1 磁控溅射工艺47-48
• 4.1.2 脉冲激光沉积工艺48
• 4.1.3 等离子体增强化学气相沉积工艺48-49
• 4.1.4 光刻工艺49-52
• 4.1.5 刻蚀工艺52-53
• 4.1.6 背减薄工艺53-61
• 4.2 HBAR器件的制备工艺流程61-63
• 4.3 HBAR器件的测试与分析63-70
• 4.3.1 HBAR器件1的测试与分析64-67
• 4.3.2 HBAR器件2的测试与分析67-70
• 4.4 本章小结70-71
• 结论71-72
• 参考文献72-78
• 致谢78-79
• 详细摘要79-83

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本文编号：908854