聲表面波壓電薄膜異質(zhì)金剛石結(jié)構(gòu)的研究

張 東, 劉 權(quán), 馬雪松, 蘇媛媛, 劉嘉欣,高士海, 劉宇浩, 丁 程, 孫 文, 董文超

(沈陽(yáng)工程學(xué)院 新能源學(xué)院, 沈陽(yáng) 110136)

0 引 言

近年來(lái),聲表面波濾波器件(SAW)已成為寬帶數(shù)字通信和視頻系統(tǒng)的核心部件。隨著移動(dòng)通信行業(yè)的快速發(fā)展,高頻率低功耗SAW器件成為通信的熱點(diǎn),工作頻率大于1 GHz的SAW器件將廣泛應(yīng)用于無(wú)線通信設(shè)備中[1-7]。然而,由于傳統(tǒng)光刻工藝的限制,工作頻率大于2.5 GHz的SAW器件的發(fā)展受到了極大的限制。金剛石是自然界中聲波傳播最快的材料,但是金剛石不具有壓電特性,金剛石結(jié)合壓電材料可以制備出更高頻率的SAW器件。

目前,已經(jīng)有研究報(bào)道采用化學(xué)氣相沉積(CVD)技術(shù)在硅表面制備的納米金剛石薄膜層,然后結(jié)合氧化鋅(ZnO)壓電材料,制備出ZnO壓電薄膜/金剛石/硅基片層狀結(jié)構(gòu)[8]。但是由于硅襯底材料的散熱性差,導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)的散熱性能降低,很難制備出高功率的器件。如何提高聲表面波濾波器的功率持續(xù)性已成為該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。本研究采用氮化鎵(GaN)壓電材料結(jié)合支持金剛石襯底,該結(jié)構(gòu)可以充分利用金剛石的高導(dǎo)熱性和聲速特性,并且由于硅襯底的去除,散熱問(wèn)題將得到解決。此外,由于GaN材料的相速度高于ZnO材料的相速度,因此在相同寬度的叉指電極情形下GaN壓電薄膜/金剛石結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)更高的頻率器件。此外,GaN的相速度與金剛石的相速度相差很小,所以GaN壓電薄膜結(jié)合金剛石材料的結(jié)構(gòu)有望實(shí)現(xiàn)更小相速度偏差。因此,與其他結(jié)構(gòu)相比,高頻率低損耗的GaN壓電材料結(jié)合金剛石結(jié)構(gòu)將得到進(jìn)一步發(fā)展。

一般來(lái)說(shuō),聲速和機(jī)電耦合系數(shù)是SAW器件的主要特性[7]。而且這些特性都要求所制備的壓電材料具有高質(zhì)量。為了實(shí)現(xiàn)基于GaN壓電薄膜/金剛石結(jié)構(gòu)的高頻率的SAW器件,要求所制備的GaN薄膜具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)性能和光滑表面。本研究采用電子回旋共振等離子體增強(qiáng)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(ECR-PEMOCVD)系統(tǒng)在自持金剛石襯底上沉積制備了GaN薄膜材料。本研究采用的ECR電子回旋共振工藝可以顯著提高N2的反應(yīng)活性,對(duì)低溫下GaN薄膜的形成是必要的。系統(tǒng)研究了N2流量對(duì)GaN薄膜樣品的結(jié)晶性能、表面形貌、組成成分和電學(xué)性能的影響。結(jié)果表明,在N2流量為90 sccm時(shí),成功制備了具有優(yōu)異性能的GaN薄膜。

1 實(shí) 驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)中,采用直流輝光放電低溫等離子化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)(LPCVD)制備了厚度為0.5～0.8 mm的支持金剛石膜作為襯底基片。由于所制備的支持金剛石厚膜的生長(zhǎng)表面太粗糙,很難制備出高質(zhì)量的GaN薄膜樣品,所以不能用作GaN沉積的基片。因此我們采用金剛石膜的光滑成核表面作為GaN薄膜的生長(zhǎng)表面。首先,金剛石膜的成核表面被機(jī)械拋光至納米水平的表面均方根粗糙度,然后用于滿足沉積GaN薄膜的平坦度的要求。其次,將支持金剛石基片在室溫下浸入硫酸和磷酸的3∶1混合物中24 h,目的是除去由于在高溫下長(zhǎng)時(shí)間金剛石沉積而形成的金屬碳化物的薄層。最后,用甲苯、丙酮、乙醇和去離子水依次進(jìn)行超聲波清洗,用N2干燥,然后引入MOCVD反應(yīng)室。三甲基鎵(TMGa)和N2分別被用作Ga和N的反應(yīng)源。用半導(dǎo)體阱將TMGa的溫度保持在-14.1 ℃。通過(guò)電子回旋共振(ECR)技術(shù)工藝可以顯著提高N2電離反應(yīng)性,即在低溫環(huán)境下形成GaN膜所需的高能反應(yīng)粒子,ECR技術(shù)使襯底上存在更多反應(yīng)性氮的粒子。另外,使用較高的N2流量可以提供富含N2的氣氛氛圍,使反應(yīng)更加完全。隨后,TMGa的流量為0.5 sccm,由質(zhì)量流量控制器控制。沉積溫度為400 ℃,GaN薄膜生長(zhǎng)時(shí)間是180 min。為了研究N2流量對(duì)生長(zhǎng)薄膜的結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)的影響,N2流量在80 sccm到120 sccm范圍內(nèi)變化。

本研究采用X射線衍射(XRD)測(cè)定樣品的結(jié)晶質(zhì)量和擇優(yōu)取向, 用原子力顯微鏡(AFM)系統(tǒng)分析GaN薄膜的表面形貌,使用霍爾效應(yīng)測(cè)量(HL5500)研究自持金剛石襯底制備的GaN薄膜的電學(xué)性能,并且為了確定Ga和N百分比,使用電探針微量分析(EPMA)對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 XRD測(cè)試分析

圖1顯示了不同N2流量下沉積在自持金剛石基片上的GaN膜的XRD圖譜。由圖1所示,在這些峰中,較強(qiáng)的峰出現(xiàn)在約43.9°和75.2°,分別對(duì)應(yīng)著金剛石(111)面和金剛石(220)面的衍射峰特征。可以看出,隨著N2流量從80 sccm增加到90 sccm,所制備的GaN薄膜的擇優(yōu)取向逐漸清晰,峰值的衍射強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。當(dāng)N2流量從90 sccm進(jìn)一步增加到110 sccm時(shí),所制備的GaN薄膜的擇優(yōu)取向逐漸變差,峰值的衍射強(qiáng)度逐漸變小,與薄膜擇優(yōu)取向不良有密切的關(guān)系,這是因?yàn)楫?dāng)N2流量太低或太高時(shí),制備薄膜的化學(xué)反應(yīng)不完全造成的。此外,氮施主雜質(zhì)可能在N2流量增加的情況下在薄膜中引起更多的缺陷,導(dǎo)致晶體質(zhì)量下降。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以清楚地看出,在N2流量為90 sccm時(shí),所制備的GaN薄膜的高c軸取向垂直于襯底。

圖1 不同N2流量80 sccm(a)、90 sccm(b)、100 sccm(c)和110 sccm(d)條件下沉積的GaN薄膜的XRD圖譜Fig.1 XRD sccmpectrum of the GaN films deposited at the different N2 flux of 80 sccm (a), 90 sccm (b), 100 sccm (c) and 110 sccm (d), respectively

2.2 霍爾效應(yīng)測(cè)試分析(Hall)

霍爾效應(yīng)測(cè)試分析應(yīng)用于在不同N2流量條件下制備的GaN薄膜的電學(xué)特性能的研究,測(cè)試結(jié)果表明所制備的GaN薄膜均是N型導(dǎo)半導(dǎo)體。從表1可以看出,當(dāng)N2流量從80 sccm增加到90 sccm時(shí),所制備的GaN薄膜的載流子濃度逐漸降低,遷移率逐漸增大。然而,當(dāng)N2流量從90 sccm增加到110 sccm時(shí),所制備的GaN薄膜的載流子濃度逐漸增加,遷移率逐漸降低。薄膜樣品遷移率差的原因歸因于散射效應(yīng),包括缺陷散射、晶界散射等。而GaN薄膜背景載流子濃度較高,一般認(rèn)為是氮空位[9-11],較高的生長(zhǎng)溫度下氮的高分壓支持這一假設(shè)。另一些研究則認(rèn)為氧摻入導(dǎo)致電導(dǎo)率增加,并且薄膜呈現(xiàn)N型半導(dǎo)體特性與材料中的固有缺陷有關(guān)。我們分析其薄膜樣品電性能較差的原因如下:當(dāng)N2流量過(guò)低時(shí),反應(yīng)不完全,并且顯示出較多的隨晶體質(zhì)量而散射的缺陷,導(dǎo)致不良的電性能。然而,當(dāng)?shù)窟^(guò)高時(shí),襯底上的N個(gè)反應(yīng)顆粒更多,界面處的缺陷積聚并導(dǎo)致在這種條件下電性能降低。結(jié)果表明,N2通量對(duì)金剛石基底上沉積的GaN薄膜的電學(xué)性質(zhì)起著重要作用,可以幫助理解如何獲得金剛石基底上沉積的高質(zhì)量GaN薄膜。

表1 GaN薄膜樣品的電學(xué)性能和不同N2流量下的Ga/N原子比Tab.1 Electrical property of as-deposited GaN films and Ga/N atomic ratio at diffident N2 flux

2.3 Ga/N與EPMA的原子比分析

圖2 生長(zhǎng)的GaN薄膜在N2通量不變的情況下的Ga/N原子比Fig.2 Ga/N atomic ratio of as-grown GaN films at diffident N2 flux

為了研究GaN薄膜的成分組成,本研究采用EPMA研究了Ga/N原子在薄膜中的成分比值,結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出,隨著Ga/N原子比逐漸增加,首先,遷移率逐漸增加,GaN薄膜的載流子濃度逐漸降低。然而,當(dāng)Ga/N原子比逐漸增加時(shí),其遷移率逐漸降低,載體濃度逐漸增加。原因是當(dāng)Ga/N原子比低時(shí),鎵金屬的短缺將產(chǎn)生大量的氮空間,更多的N反應(yīng)粒子不能完全結(jié)合Ga顆粒,導(dǎo)致GaN薄膜的電氣性能較差。當(dāng)Ga/N原子比達(dá)到適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)時(shí),樣品具有最好的電性。結(jié)果表明,Ga/N原子比在金剛石基體上沉積的GaN薄膜的電性能起著重要作用。

2.4 薄膜的AFM形態(tài)特征分析

圖3 90 sccm的N2通量下沉積的GaN膜的AFM表面形貌Fig.3 AFM surface morphologies of the GaN films deposited at the N2 flux of 90 sccm

圖3給出了在90 sccm的N2通量下沉積的GaN膜的典型原子力顯微鏡(AFM)圖像。從圖像中可以看出,GaN薄膜具有均勻的密度,而且表面島狀清晰可見(jiàn),并且具有光滑的表面形貌。為了滿足高頻聲表面波器件的實(shí)際應(yīng)用需求,GaN薄膜的表面粗糙度應(yīng)達(dá)到納米數(shù)量級(jí)。經(jīng)測(cè)試分析,GaN薄膜的表面粗糙度比較平滑,只有4.5 nm。因此,在金剛石基片上成功生長(zhǎng)出均勻致密的GaN薄膜,完全滿足高頻聲表面波器件的表面粗糙度要求。

3 結(jié) 論

通過(guò)電子回旋共振等離子體增強(qiáng)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(ECR-PEMOCVD)將高c軸取向的GaN膜沉積在自持金剛石厚膜基片上,系統(tǒng)地研究了N2流量的改變對(duì)所制備的GaN薄膜的結(jié)構(gòu)、形貌、成分和電學(xué)特性的影響。結(jié)果表明,本研究在N2流量為90 sccm時(shí)成功地制備出了具有良好的表面粗糙度和高c取向的高質(zhì)量GaN薄膜,霍爾測(cè)量表明樣品呈現(xiàn)n型導(dǎo)電性。實(shí)驗(yàn)分析得出Ga/N原子比是電性能的一個(gè)重要因素,有助于理解如何獲得金剛石基底上沉積高電學(xué)性能的GaN薄膜樣品。研究成果對(duì)于SAW器件的研制非常重要,采用壓電薄膜異質(zhì)自持金剛石結(jié)構(gòu)將開(kāi)發(fā)出高頻低插入的SAW器件。