Возбуждение ZnO за пределами 5 ГГц

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 13329 (2023) Цитировать эту статью

179 Доступов

Подробности о метриках

В этой работе сообщается об изготовлении и характеристике объемного акустического резонатора (HBAR) на основе Au/ZnO/Pt на подложках SiC. Мы оцениваем его микроволновые характеристики по сравнению с кремниевыми подложками для микроэлектромеханических применений. Диэлектрическое магнетронное распыление и электронно-лучевой испаритель используются для создания пленок ZnO и металлических электродов с высокой ориентацией оси c. Кристаллическая структура и морфология поверхности постростовых слоев охарактеризованы методами рентгеновской дифракции, атомно-силовой и сканирующей электронной микроскопии. HBAR на подложке SiC приводит к множественным резонансам продольных объемных акустических волн до 7 ГГц, причем самые сильные возбужденные резонансы возникают на частоте 5,25 ГГц. Значение параметра fQ (резонансная частота.Коэффициент качества), полученное с использованием нового метода добротности для HBAR на подложке SiC, составляет 4,1 \(\times\) 10\(^{13}\) Гц, что, насколько нам известно, , является самым высоким среди всех зарегистрированных значений для указанных устройств на основе ZnO.

Высокопроизводительные резонаторы объемных акустических волн (BAW) привлекли большое внимание в течение последних нескольких десятилетий из-за их потенциального использования в качестве источников радиочастот (РЧ), датчиков, фильтров и исполнительных механизмов.1,2 Кварцевый кристаллический резонатор (QCR) ), который обычно работает в диапазоне от нескольких МГц до десятков МГц, является распространенным типом резонатора BAW. Другим типом резонатора BAW является объемный акустический резонатор с высоким обертоном (HBAR), также называемый композитным резонатором, состоящим из пьезоэлектрического слоя, зажатого между двумя металлическими электродами на подложке с низкими акустическими потерями.3,4 Обладая простой, но прочной конструкцией, Благодаря компактному размеру и впечатляюще высокому коэффициенту добротности (Q), HBAR способен демонстрировать очень острые резонансы (f) на частотах ГГц и выше, чем у QCR. Благодаря этим свойствам HBAR стал реальным претендентом на использование в малошумящих генераторах, сенсорах и источниках фононов в квантовых акустодинамических системах.5,6,7,8 В последнее время наблюдается заметный рост интереса к ним. в разработке высокочувствительных интеллектуальных физических, химических и биологических датчиков на основе акустических резонаторов для неинвазивного обнаружения в приложениях реального времени без использования каких-либо внешних реагентов/химических веществ. Принцип работы здесь заключается в интеграции биологического/химического элемента с физическим преобразователем акустического устройства, поскольку он чувствителен к силе атомных, ионных или молекулярных химических связей в микроволновом диапазоне частот.9,10 Следовательно, HBAR может широко использоваться. используется для анализа широкого спектра небольших объемов жидких материалов, включая физиологические жидкости человека, и подходит для систем «лаборатория на чипе» (LoC).11,12,13,14

Обычно пленки цирконата-титаната свинца (PZT), нитрида галлия (GaN), нитрида алюминия (AlN) и оксида цинка (ZnO) подвергались исчерпывающим исследованиям для акустических устройств.15,16,17,18 PZT обладает отличительным разнообразием характеристик. , включая очень высокое значение пьезоэлектрической постоянной и эффективной электромеханической связи (\(k_{eff}^2\)). Однако он не подходит для приложений HBAR из-за более низких скоростей звука, более высокого затухания акустических волн и проблем с изготовлением тонких пленок.1,11 Пленки GaN существенно менее распространены из-за их плохих пьезоэлектрических свойств и низкого \(k_{eff) }^2\).19 Хотя пленки AlN обладают высокой акустической скоростью по сравнению с пленками ZnO, она снова страдает низким значением \(k_{eff}^2\).19 Среди многочисленных пьезоэлектрических материалов, описанных выше, пленки ZnO с Улучшенные электроакустические характеристики оказались наиболее перспективными для разработки устройств HBAR. Тем не менее, как сообщается в литературе, устройства HBAR с пьезоэлектрическим слоем ZnO в основном ограничиваются сапфировыми подложками со значением произведения fQ около 4,8 \(\times\) 10\(^{13}\) Гц с использованием Q-метода Лакина. 4,20,21 Кроме того, HBAR на основе ZnO ранее был продемонстрирован на кварцевой и алмазной подложке; однако они имеют более низкое значение fQ, составляющее около 1,1 и 0,2 \(\times\) 10\(^{13}\) Гц соответственно.4,22 Помимо вышеуказанной подложки, карбид кремния (SiC) также известен как низкие акустические потери (0,4 дБ/см при 1 ГГц) и высокая акустическая скорость подложки по сравнению с сапфировыми и алмазными подложками делают ее подходящей для устройств HBAR и удобно совместимой с процессами поверхностной микрообработки.8,22,23,24 Кроме того, SiC часто используется в высокотемпературных и мощных электронных устройствах из-за его высокой твердости, высокой теплопроводности, химической стойкости и т. д. Подложки SiC также играют жизненно важную роль в новом поколении гибридных квантовых датчиков и систем, поскольку они создают более высокие нагрузки на частотах ГГц, чем другие подложки.22 Поэтому крайне важно и актуально исследовать микроволновые резонансные свойства HBAR на основе ZnO. на подложках SiC.