CN106341095B - 金属上单晶氮化物薄膜制备方法及体声波谐振器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种在金属上生长高质量单晶氮化物薄膜的方法：在金属上先采用低温磁控溅射技术制备AlN成核层，然后采用MOCVD技术制备高质量单晶氮化物薄膜。此外，在此基础上提出了一种单晶氮化物体声波谐振器结构，与常规多晶体声波谐振器相比，此种谐振器的压电材料由两部分组成，包括采用低温磁控溅射技术制备的AlN成核层和在AlN成核层上采用MOCVD技术制备的高质量单晶氮化物薄膜。AlN成核层可覆盖底部金属电极，因此可有效改善氮化物薄膜质量，克服制备高质量单晶氮化物薄膜时遇到的问题与挑战，从而有望获得高性能的单晶氮化物体声波谐振器。
Description
技术领域
本发明涉及射频MEMS器件研究领域，尤其涉及一种单晶体声波器件。
背景技术
***移动通讯技术4G的高速发展，使体声波滤波器成为研究的热点课题。与传统的陶瓷滤波器相比，体声波滤波器具有体积小、***损耗低、带外抑制能力强、功率特性好等诸多优点，引起学术界和产业界的高度关注。随着未来第五代移动通讯技术(5G)的到来，对滤波器的性能提出更高的要求，包括更低的***损耗、更高的带外抑制能力和更大的带宽，这就需要研制更高性能的体声波谐振器。目前量产的体声波滤波器所用的压电材料均为采用低温磁控溅射技术制备的多晶氮化物薄膜，薄膜质量较差，缺陷密度较高。参考文献(James B.Shealy，Jeffrey B.Shealy，Pinal Patel，Michael D.Hodge，Rama Veturyand James R.Shealy，Single Crystal Aluminum Nitride Film Bulk AcousticResonators，RWS，pp.16-19，2016)计算了压电薄膜的质量对体声波谐振器和滤波器性能的影响，计算结果表明，与传统的多晶氮化物体声波谐振器相比，单晶氮化物体声波谐振器的器件优值(有效机电常数与品质因数乘积)有高达40％的提升。谐振器性能的大幅度提高会极大改善滤波器的性能。
单晶氮化物体声波谐振器的制备工艺困难，目前已报道的器件性能远小于预期。主要技术难点是难以在底部金属电极上基于金属有机化合物化学气相沉淀(MOCVD)技术制备高质量的单晶压电薄膜。根据文献2(Y.Aota，S.Tanifuji，H.Oguma，S.Kameda，H.Nakase，T.Takagi and K.Tsubouchi，FBAR Characteristics with AlN Film Using MOCVDMethod and Ru/Ta Electrode，IEEE Ultrasonics Symposium，pp.1425-1428，2007)和文献3(Shoichi Tanifuji，Yuji Aota，Suguru Kameda，Tadashi Takagi and KazuoTsubouchi，Discussion of Millimeter Wave FBAR with Very Thin AlN FilmFabricated Using MOCVD Method，IEEE International Ultrasonics SymposiumProceedings，pp.2170-2173，2009)，在金属电极上MOCVD生长单晶氮化物主要包括以下两个难点，第一、MOCVD生长氮化物需要高达1000℃左右的高温，在高温下底部金属电极易与MOCVD的生长过程中所用氨气发生反应；第二、MOCVD生长过程中的高温H2退火，导致金属表面***糙，难以制备出高质量的氮化物单晶薄膜。针对以上问题，我们提出在金属电极上先通过低温磁控溅射技术生长AlN成核层，然后再采用MOCVD技术生长高质量单晶氮化物薄膜。其中，由于目前的体声波器件大都采用低温磁控溅射技术制备，因此在金属上低温磁控溅射一层AlN成核层不存在任何技术问题。此外，在LED研究领域，在蓝宝石上生长单晶氮化物薄膜时，低温磁控溅射生长的AlN成核层已经被证明可以有效改善单晶氮化物薄膜质量，提高LED器件的发光效率(C.H.Chiu，Y.W.Lin，M.T.Tsai，B.C.Lin，Z.Y.Li，P.M.Tu，S.C.Huang，Earl Hsu，W.Y.Uen d，W.I.Lee c，H.C.Kuo，Journal of Crystal Growth，Vol.414，pp.258-262，2015)。在金属上MOCVD生长高质量氮化物单晶薄膜时，低温磁控溅射AlN成核层可以覆盖保护金属电极，消除金属在高温MOCVD生长过程中遇到的难题，也有望大大提高后续MOCVD生长的氮化物单晶薄膜的质量。因此，本发明提出了一种有效的在金属上制备高质量单晶氮化物薄膜的方法，并在此基础上提出了一种单晶氮化物体声波谐振器，有望制备出高性能的单晶体声波谐振器。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术问题，本发明提供了一种在金属上制备高质量单晶氮化物薄膜的方法，用以解决在金属上高温MOCVD生长高质量单晶氮化物薄膜时遇到的问题与挑战。并在此基础上提出一种单晶氮化物体声波谐振器器件，其压电层由低温磁控溅射制备的A1N成核层和MOCVD技术生长的高质量单晶氮化物薄膜组成。
(二)技术方案
本发明提出一种金属上单晶氮化物薄膜制备方法，包括：
S1：在衬底上生长金属薄膜；
S2：在金属薄膜上采用低温磁控溅射技术制备AlN成核层；
S3：在AlN成核层上采用MOCVD技术制备高质量单晶氮化物薄膜。
另一方面，本发明提出一种单晶氮化物薄膜体声波谐振器结构，与常规的基于多晶氮化物的体声波器件相比，提出的单晶体声波谐振器结构的压电材料包括两部分，分别为AlN成核层和单晶氮化物薄膜，采用上述金属上单晶氮化物薄膜制备方法制备所述的AlN成核层和单晶氮化物薄膜。
(三)有益效果
鉴于上述技术问题，本发明提供了一种在金属上制备高质量单晶氮化物薄膜的方法，在金属上，首先通过低温磁控溅射技术生长一层A1N成核层，然后采用MOCVD技术生长高质量氮化物薄膜，其中A1N成核层一方面可以覆盖保护金属电极，消除金属在高温MOCVD生长表面***糙和易于氨气发生反应的问题；另一方面为可后续的高温MOCVD生长高质量单晶氮化物薄膜提供理想的模板。在此基础上，本发明提出了一种单晶氮化物体声波谐振器器件结构，有望制备出性能优异的单晶氮化物体声波谐振器。
附图说明
图1为本发明提出的在金属电极上高质量单晶氮化物薄膜制备方法的流程图；
图2为图1所示制备方法中在衬底上生长底部金属电极后的剖面示意图；
图3为图1所示制备方法中在底部金属电极上制备AlN成核层后的剖面示意图；
图4为图1所示制备方法中在A1N成核层上制备单晶氮化物薄膜后的剖面示意图；
图5为本发明提出的单晶氮化物体声波谐振器示意图。
【附图标记说明】
200-单晶氮化物体声波谐振器； 201-衬底材料；
202-金属薄膜； 203-AlN成核层；
204-单晶氮化物薄膜； 205-声学反射结构；
206-底部金属电极； 207-顶部金属电极。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种在金属电极上制备高质量单晶氮化物薄膜方法的流程图，如图1所示。具体的制备工艺流程示意图如图2-4所示，包括：
S1：如图2所示，在衬底201上生长金属薄膜202。所述衬底材料201可以为硅、蓝宝石、石英、和碳化硅等各种衬底材料。所述金属薄膜202可以为铜、金、铁、铝、钛、铬、钼、钽等各种金属材料。金属材料202可采用磁控溅射技术或电子束蒸发技术制备。
S2：如图3所示，在金属薄膜202上采用低温磁控溅射技术制备AlN成核层203，磁控溅射温度范围为室温至500℃。AlN成核层203的厚度范围为1nm-400nm。
S3：如图4所示，在AlN成核层203上采用MOCVD技术制备单晶氮化物薄膜204。所述的MOCVD技术制备的单晶氮化物薄膜204可以为GaN、AlN或AlxGa1-xN(0＜x＜1)。生长单晶氮化物薄膜204的温度范围为700℃-1500℃，单晶氮化物薄膜204的厚度范围为50nm-2μm。
在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种单晶体声波谐振器结构300，与常规的基于多晶氮化物的体声波器件相比，提出的单晶体声波谐振器结构200的压电材料包括两部分，分别为AlN成核层203和单晶氮化物材料204，其制备方法如前一实施例所述，首先在衬底材料201上制备声学反射结构205；在声学反射结构205上制备底部金属电极206；在底部金属电极206上采用低温磁控溅射技术制备AlN成核层203；在AlN成核层203上采用MOCVD技术制备高质量单晶氮化物薄膜204，其中单晶氮化物薄膜204可以为GaN、AlN或AlxGa1-xN(0＜x＜1)；在单晶氮化物薄膜204上制备顶部金属电极207。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种金属上单晶氮化物薄膜制备方法，包括：
S1：在衬底材料上制备声学反射结构；在声学反射结构上生长制备金属薄膜作为底部金属电极；
S2：在所述的金属薄膜上制备AlN成核层，所述AlN成核层采用磁控溅射技术制备，所述磁控溅射技术的温度范围为室温至500℃；
S3：在所述的AlN成核层上制备单晶氮化物薄膜，所述单晶氮化物薄膜采用MOCVD技术制备，所述MOCVD技术制备所述单晶氮化物薄膜的温度为700℃-1500℃。
2.根据权利要求1所述的金属上单晶氮化物薄膜制备方法，其特征在于，所述AlN成核层的厚度范围为1nm-400nm。
3.根据权利要求1所述的金属上单晶氮化物薄膜制备方法，其特征在于，所述单晶氮化物薄膜为GaN、AlN或AlxGa1-xN(0＜x＜1)。
4.根据权利要求1所述的金属上单晶氮化物薄膜制备方法，其特征在于，所述单晶氮化物薄膜的厚度范围为50nm-2μm。
5.一种单晶氮化物薄膜体声波谐振器，采用如权利要求1至4中任一项所述的金属上单晶氮化物薄膜制备方法制备该体声波谐振器的压电材料AlN成核层和单晶氮化物薄膜。
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| AlN成核层厚度对Si上外延GaN的影响;邓旭光;《光电子.激光》;20130715;第24卷(第7期);1339页第2栏 * |
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| Publication number | Publication date |
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| CN106341095A (zh) | 2017-01-18 |
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