[發明專利]ZnO/AlN/Si多層結構薄膜及制備方法與應用

有效

• 申請號: 201710493812.8
• 申請日: 2017-06-26
• 公開（公告）號: CN107385394B
• 公開（公告）日: 2019-06-25
• 發明（設計）人: 羅景庭;全傲杰;范平;鐘愛華;鄭壯豪;張東平;梁廣興
• 申請（專利權）人: 深圳大學
• 主分類號: C23C14/08
• 分類號: C23C14/08;C23C14/06;C23C14/35;C23C28/04
• 代理公司: 深圳市君勝知識產權代理事務所(普通合伙) 44268
• 代理人: 王永文;劉文求

本發明公開ZnO/AlN/Si多層結構薄膜及制備方法與應用，包括Si襯底，及Si襯底上依次疊層的具有c軸擇優取向的AlN薄膜和ZnO薄膜。本發明以傳統半導體工藝兼容性好的單晶Si（100）作為襯底材料，采用反應磁控濺射法，首先利用Al靶材反應濺射在Si襯底上生長出AlN（110）薄膜，然后通過AlN薄膜（110）晶面與ZnO（110）薄膜晶面較低的晶格適配度，利用Zn靶材反應濺射在AlN（110）薄膜上成長出ZnO（110）薄膜，最終形成ZnO(110)/AlN(110)/Si多層結構薄膜。本發明制備方法設備簡單，工藝簡便，成本低廉，為Love?SAW傳感器提供新型的壓電薄膜材料。

技術領域

本發明涉及壓電薄膜材料領域，尤其涉及一種ZnO/AlN/Si多層結構薄膜及制備方法與應用。

背景技術

聲表面波（surface acoustic wave，SAW）器件是通信、環境、化學、生物等傳感領域的重要元器件。對于化學和生物等涉及到液體環境的傳感領域，剪切水平(shearhorizontal，SH) 是SAW傳感器首選的工作模式，因為SH-SAW的質點位移平行于襯底表面，而不會向液體環境中輻射能量，從而減少SAW能量損失，提高SAW傳感器的靈敏度。當SAW器件表面覆蓋一層導波層時，SH-SAW就轉變成樂甫-聲表面波（Love-SAW），由于導波層材料的聲速比較低，因此大部分SAW能量都集中在導波層材料中，因此Love-SAW傳感器的靈敏度很高。目前大部分Love-SAW傳感器采用壓電晶體材料（石英，鈮酸鋰和鉭酸鋰）。然而，壓電晶體材料制備的SH-SAW傳感器或多或少都存在一些問題，例如石英的機電耦合系數小，鈮酸鋰和鉭酸鋰的溫度漂移現象嚴重，而且體波效應導致的聲波衰減較大。此外，壓電晶體材料（石英，鈮酸鋰和鉭酸鋰）很脆，而且價格昂貴，另外與傳統的半導體工藝兼容性差，不利于實現單片集成。

在Si襯底上疊層沉積壓電薄膜制備多層壓電薄膜結構，該方法制作SAW傳感器不僅價格低廉，能夠采用微電子工藝進行大批量生產，同時能夠與其他外圍電路和聲表面波微流體器件進行單片集成，有望真正實現聲表面波微流體芯片實驗室（lab-on-a-chip）。ZnO和AlN在眾多壓電薄膜中具有穩定的介電常數，高的電阻率，低耗散因子，因此被認為是應用于聲表面波器件的理想壓電薄膜材料。ZnO薄膜具有較大的壓電常數和高的機電耦合系數，然而其相速度Vp較低（2558米/秒）。與ZnO薄膜相比，AlN薄膜具有高得多的相速度Vp（6016米/秒），但其壓電性能較低。另外，ZnO和AlN具有不同的頻率溫度系數（TCF），因此采用在Si襯底上疊層生長AlN和ZnO形成多層結構薄膜的SAW器件能夠獲得良好的聲表面波性能。

為了制備Love-SAW器件，需要滿足以下兩個條件：一是能夠激發SH-SAW；二是導波材料的聲速比基底材料低。在ZnO/AlN/Si多層薄膜結構中ZnO薄膜的聲速比基底AlN/Si的聲速低，滿足第二個條件。而若要激發SH-SAW，要求ZnO和AlN薄膜應當具有c軸平行于Si襯底表面的擇優取向，即（110）擇優取向。ZnO和AlN薄膜都具有密排六方的晶體結構，（001）晶面就有最低的晶面能，因此ZnO和AlN薄膜容易形成（001）擇優取向，而不容易形成（110）擇優取向。因此需要采用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）以及利用價格昂貴的藍寶石等單晶襯底材料才能外延生長（110）擇優取向的ZnO和AlN薄膜。然而這些方法不僅制備成本高，而且所制備的壓電薄膜材料不能與傳統的半導體Si工藝集成。

因此，現有技術還有待于改進和發展。

發明內容

鑒于上述現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種ZnO/AlN/Si多層結構薄膜及制備方法與應用，旨在解決現有方法不僅制備成本高，而且所制備的壓電薄膜材料不能與傳統的半導體Si工藝集成的問題。

本發明的技術方案如下：

一種ZnO/AlN/Si多層結構薄膜，其中，包括Si襯底，及Si襯底上依次疊層的具有c軸擇優取向的AlN薄膜和ZnO薄膜。