ZnO薄膜生長及聲表面波性能研究

羅景庭，鐘 鑫，朱茂東，古 迪，柯鵬飛，劉梓昇，鐘增培，范 平

深圳大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，薄膜物理與應(yīng)用研究所，深圳市傳感器技術(shù)重點實驗室，深圳518060

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【物理 / Physics】

ZnO薄膜生長及聲表面波性能研究

羅景庭，鐘 鑫，朱茂東，古 迪，柯鵬飛，劉梓昇，鐘增培，范 平

深圳大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，薄膜物理與應(yīng)用研究所，深圳市傳感器技術(shù)重點實驗室，深圳518060

1 背景研究

氧化鋅(ZnO)是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的直接寬帶隙(3.30 eV)半導(dǎo)體多功能材料，被廣泛用于太陽能電池[1]、稀磁半導(dǎo)體[2]、阻變存儲器[3]、場效應(yīng)管和紫外激光器[4-5]等領(lǐng)域．另外，ZnO具有良好的壓電性能，且通過工藝調(diào)控能夠在Si、SiO2等常用的半導(dǎo)體襯底材料上生長出高質(zhì)量的ZnO薄膜，實現(xiàn)ZnO薄膜與CMOS工藝的兼容，因而被廣泛用于聲表面波和體聲波器件[6-8]．ZnO安全無毒，具有良好的生物相容性和化學(xué)穩(wěn)定性，近年來也被廣泛用于微流體芯片和生物傳感器[9-10]，特別是聲表面波生物傳感器[11-12]．

2 實驗方法

實驗首先采用電子束蒸發(fā)鍍膜技術(shù)在Si基片上沉積SiO2薄膜．將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.99%的SiO2顆粒置于坩堝中，當(dāng)真空度達(dá)到2×10-3Pa后，加熱襯底達(dá)到200 ℃，通過加高壓和調(diào)節(jié)燈絲電流保證生長速率為2nm/s.在沉積SiO2薄膜前先預(yù)蒸發(fā)5min，然后通過電子束蒸發(fā)鍍膜設(shè)備自帶晶振儀控制沉積3批SiO2薄膜，厚度分別為100、200、300nm．利用SiO2(100nm)/Si、SiO2(200nm)/Si、SiO2(300nm)/Si和Si基片4種襯底，采用射頻磁控濺射技術(shù)統(tǒng)一鍍上同一厚度的ZnO薄膜．表1給出了射頻磁控濺射制備ZnO薄膜的實驗參數(shù)．實驗沉積ZnO薄膜前，先預(yù)濺射15min，去掉ZnO陶瓷靶材上的污染物．

表1 射頻磁控濺射制備ZnO薄膜的工藝參數(shù)Table 1 Processing parameters of ZnO thin films deposited by RF magnetron sputtering

采用制備好的ZnO/SiO2/Si三層結(jié)構(gòu)材料制作Love波聲表面波諧振器．聲表面波諧振器是由中間2對輸入和輸出叉指換能器(interdigitaltransducer，IDT)和兩邊的反射柵組成．輸入和輸出叉指電極的寬度和間距均為2 μm，叉指電極的周期為8 μm，叉指電極選用40對，聲孔徑為2 mm，輸入輸出叉指換能器之間的距離為4 mm．叉指電極圖形采用150 nm的Al薄膜通過曝光和刻蝕的方法獲得．Love波聲表面波器件制作完成后采用網(wǎng)絡(luò)分析儀和微波探針臺進(jìn)行在片測試聲表面波器件性能．

3 結(jié)果與討論

3.1 SiO2緩沖層對ZnO薄膜生長及ZnO/SiO2/Si三層結(jié)構(gòu)聲表面波性能的影響

圖2 Si、SiO2(100 nm)/Si、SiO2(200 nm)/Si和 SiO2(300 nm)/Si襯底上生長的ZnO薄膜的XRD圖譜Fig.2 (Color online) XRD patterns of ZnO films on Si, SiO2(100 nm)/Si, SiO2(200 nm)/Si and SiO2(300 nm)/Si

制備聲表面波器件的ZnO薄膜要求具有良好的表面質(zhì)量、合適的晶粒尺寸．采用掃描電子顯微鏡對制備的不同厚度SiO2的ZnO薄膜進(jìn)行表面形貌分析，分別測得ZnO/Si、ZnO/SiO2(100nm)/Si、ZnO/SiO2(200nm)/Si和ZnO/SiO2(300nm)/Si的SEM掃描圖，如圖3．

圖3 不同厚度的SiO2薄膜上生長的 ZnO薄膜的SEM圖譜Fig.3 SEM images of ZnO films on SiO2 buffer layer with different thicknesses

采用4種結(jié)構(gòu)的材料制作聲表面波諧振器，利用網(wǎng)絡(luò)分析儀和阻抗分析儀測試聲表面波器件的中心諧振頻率f0、 諧振頻率處的電導(dǎo)G0和容抗CT, 然后根據(jù)式(1)計算聲表面波器件的K2值[22]，

(1)

其中，N為叉指電極對數(shù)，本研究設(shè)N=40；K2是聲表面波器件一個非常重要的性能指標(biāo)，可描述能量轉(zhuǎn)換過程中聲表面波能量與機械能的耦合效率，K2值越大，說明聲表面波器件將聲表面波能量與機械能耦合的本領(lǐng)越大，損失的能量越小，因此器件性能越好．圖4(a)給出了在4種不同SiO2緩沖層厚度的壓電材料上制作的聲表面波器件的K2值．

圖4 聲表面波器件性能參數(shù)Fig.4 Properties of SAW device

SAW器件另一個重要參數(shù)是TCD，它是反映聲表面波器件溫度穩(wěn)定性的重要參量．一般來說，TCD越趨于0，聲表面波器件溫度穩(wěn)定性越好[23]．圖4(b)給出了上述4種結(jié)構(gòu)上制作的聲表面波器件的TCD．從圖4(b)可見，ZnO/Si制作的聲表面波器件的TCD值約為12×10-6℃-1，在引入SiO2薄膜后，TCD值顯著減小，當(dāng)SiO2薄膜為200nm時，TCD值僅約2×10-6℃-1．當(dāng)SiO2薄膜達(dá)到300nm時，器件的TCD值變成-7×10-6℃-1左右．因此ZnO/SiO2(200nm)/Si制作的器件溫度穩(wěn)定性最好．

一般溫度延遲是由于襯底材料受熱膨脹或遇冷收縮導(dǎo)致聲表面波傳播的延遲，TCD[23]可表示為

(2)

其中，α為沿聲表面波傳播方向上襯底材料受熱膨脹或遇冷收縮導(dǎo)致TCD的改變；T為溫度(單位：K)；dc/dT表示由于溫度改變導(dǎo)致的速度漂移；c為聲表面波速度．對于具有良好溫度穩(wěn)定性的器件，αTCD的絕對值越趨于0，表明聲表面波器件溫度穩(wěn)定性越好．由于Si的dc/dT為負(fù)值，若Si的彈性常數(shù)C44的溫度系數(shù)為-0.44×10-4℃[24]，則在Si襯底上制作的聲表面波器件的αTCD都具有正的TCD值，如本研究中ZnO/Si聲表面波器件的TCD值為12×10-6℃-1左右．當(dāng)ZnO/Si中引入具有正的dc/dT的SiO2緩沖層時(SiO2彈性常數(shù)C44的溫度系數(shù)為0.52×10-4℃)[24]，通過SiO2正的dc/dT抵消掉襯底的熱膨脹，因此，當(dāng)SiO2薄膜厚度增加時，ZnO/SiO2/Si三層結(jié)構(gòu)器件的TCD絕對值減小，當(dāng)SiO2薄膜為200 nm時，TCD值僅為2×10-6℃-1左右，非常接近0，說明器件溫度穩(wěn)定性好．當(dāng)SiO2薄膜厚度進(jìn)一步增加到300 nm時，SiO2正的dc/dT占主導(dǎo)，因此整個器件的TCD值變成負(fù)值，且絕對值開始增大．

3.2 工作氣壓對ZnO薄膜擇優(yōu)取向及聲表面波性能的影響

圖5 不同工作氣壓下制備的ZnO薄膜的XRD圖譜Fig.5 (Color online) XRD patterns of ZnO films on SiO2(200 nm)/Si under different working gas pressures

圖6 不同工作氣壓下制備的ZnO薄膜的AFM圖譜Fig.6 (Color online) AFM images of ZnO thin films deposited under different working gas pressures

采用4種不同工作氣壓下制備的ZnO/SiO2(200nm)/Si材料制作聲表面波諧振器，并根據(jù)式(1)計算器件的K2值.圖4(c)給出了K2值隨工作氣壓而變化的曲線．從圖4(c)可見，隨著工作氣壓降低，制作的器件的K2值在不斷增加，該趨勢和ZnO薄膜晶面擇優(yōu)取向生長的趨勢一致，而此次實驗采用的SiO2薄膜的厚度是一樣的，說明ZnO薄膜晶面擇優(yōu)取向程度是提高器件K2的內(nèi)在原因．

結(jié) 語

/ References：

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【中文責(zé)編：英 子；英文責(zé)編：木 南】

Growth of ZnO thin film and its surface acoustic wave properties
Luo Jingting?, Zhong Xin, Zhu Maodong, Gu Di, Ke Pengfei,
Liu Zisheng, Zhong Zengpei, and Fan Ping

College of Physics Science and Technology, Institute of Thin Film Physics and Applications,Shenzhen key Laboratory of Sensor Technology, Shenzhen University, Shenzhen 518060, P.R.China

：Luo Jingting，Zhong Xin，Zhu Maodong，et al．Growth of ZnO thin film and its surface acoustic wave properties[J]. Journal of Shenzhen University Science and Engineering, 2015, 32(1): 17-24.(in Chinese)

O

A

10.3724/SP.J.1249.2015.01017

國家自然科學(xué)基金資助項目(51302173)；廣東高校優(yōu)秀青年創(chuàng)新人才培養(yǎng)計劃資助項目(2013LYM_0078)

羅景庭(1984—)，男(漢族)，深圳大學(xué)講師、博士．E-mail：luojt@szu.edu.cn

Received：2014-09-23；Accepted：2014-11-06

Foundation：National Natural Science Foundation of China(51302173)；Foundation for Distinguished Young Talents in Higher Education of Guangdong (2013LYM_0078)

? Corresponding author：Lecturer Luo Jingting．E-mail：luojt@szu.edu.cn

引 文：羅景庭，鐘 鑫，朱茂東，等．ZnO薄膜生長及聲表面波性能研究[J]. 深圳大學(xué)學(xué)報理工版，2015，32(1)：17-24.