Mg摻雜對(duì)ZnO基體聲波諧振器性能的影響

桂 丹，鄭 丹，何 瓊

(1.武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院電子工程學(xué)院，湖北武漢 430205；2.華中科技大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，湖北武漢 430074；3.湖北大學(xué)物電學(xué)院，湖北武漢 430062)

0 引言

在摻雜體聲波傳感器領(lǐng)域，有關(guān)研究還非常有限。2007年，E. K. Kim等，研究了退火溫度對(duì)鋰摻雜體聲波傳感器性能的影響[1]。W. Water等對(duì)鈣摻雜和鎂摻雜ZnO薄膜壓電性能、傳感器性能進(jìn)行了研究[2-3]。

為了對(duì)薄膜體聲波諧振器(thin film bulk acoustic resonator ,FBAR)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，學(xué)者們采用了多種嘗試，如在FBAR制作中增加具有正溫度系數(shù)的SiO2(TCF約為+85 ppm/℃)材料(1 ppm=10-6)，通過(guò)與負(fù)溫度系數(shù)壓電材料結(jié)合減小溫度漂移，但是增加SiO2層對(duì)器件品質(zhì)因素產(chǎn)生較大影響[4]；或者在FBAR上串連接入一個(gè)懸臂電容，溫度變化引起電容值產(chǎn)生變化達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)哪康腫5]，但是這種方法需要通過(guò)微加工來(lái)實(shí)現(xiàn)，使FBAR工藝更加復(fù)雜，性能可靠性降低。摻雜是改變材料性能的常用手段，本文嘗試通過(guò)摻入Mg金屬調(diào)節(jié)ZnO壓電膜的TCF系數(shù)，研究摻雜對(duì)其他參數(shù)的影響。

1 FBAR的溫度頻率系數(shù)

理想FBAR由三明治壓電堆棧結(jié)構(gòu)所組成，施加在上下電極的交變電壓通過(guò)逆壓電效應(yīng)使壓電膜產(chǎn)生機(jī)械形變，在薄膜內(nèi)激勵(lì)出體聲波，體聲波在壓電堆棧內(nèi)來(lái)回反射，形成駐波振蕩。當(dāng)體聲波在壓電薄膜中傳播路徑是半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)，體聲波在兩電極間產(chǎn)生諧振。此時(shí)振幅最大，對(duì)應(yīng)的頻率為器件諧振頻率，產(chǎn)生的基頻是壓電薄膜厚度的兩倍[6]，即：

(1)

式中：t為壓電膜厚度；va為聲波在壓電膜中傳輸速度。

va可表示為

(2)

式中:E為楊氏模量；ρ為壓電材料密度。

在一定溫度范圍內(nèi)，楊氏模量E比密度ρ變化更加顯著。當(dāng)溫度升高時(shí)，楊氏模量隨溫度升高而減小，從而引起諧振頻率的減小，這是FBAR傳感器頻率隨溫度變化的原因。

為了描述FBAR諧振頻率隨溫度變化的大小，提出溫度頻率系數(shù)TCF的概念，即[7]：

(3)

式中f0為FBAR在初始溫度時(shí)的諧振頻率值。

根據(jù)前面分析可知溫度升高頻率減小，式(3)中Δf為負(fù)值，因此FBAR的TCF為負(fù)數(shù)，單位為ppm/℃。

2 Mg摻雜ZnO壓電薄的制備

實(shí)驗(yàn)中Mg摻雜ZnO壓電膜以制備了鈦鉬電極的硅作為襯底材料。實(shí)驗(yàn)中制備了ZnO、Mg、ZnO、Mg、ZnO、Mg、ZnO交替濺射的七層膜，采用ZnO陶瓷靶(純度>99.99%)、Mg金屬靶(純度>99.99%)作為靶材，直徑均為60 mm。為了防止鎂原子與氧氣反應(yīng)，腔室內(nèi)保持較低的真空度，本底真空<2×10-4Pa。濺射前，在Ar氣體下預(yù)濺10 min以除去靶面的雜質(zhì)。其他工藝如表1所示，通過(guò)鎂靶濺射時(shí)間來(lái)控制摻雜量。

表1 不同層材料濺射參數(shù)

3 Mg摻雜ZnO壓電膜的表征

圖1是不同濃度鎂摻雜ZnO薄膜的SEM圖。在低濃度鎂摻雜時(shí)，薄膜表面顆粒基本均勻一致。隨著鎂摻雜濃度的增大，ZnO顆粒逐漸增大，說(shuō)明鎂摻雜有利于ZnO顆粒的生長(zhǎng)。

利用X射線能譜儀對(duì)不同鎂摻雜ZnO薄膜進(jìn)行了元素分析，如圖2所示。在3個(gè)樣品中都出現(xiàn)了Si和Pt元素，Si是由襯底引起，而Pt元素是SEM測(cè)量前噴Pt改變樣品導(dǎo)電性。通過(guò)3個(gè)樣品EDS定量分析，可以確定各個(gè)元素的質(zhì)量百分比，從而算出元素的原子個(gè)數(shù)比。在圖2(b)中，可以算出Zn、Mg、O的原子個(gè)數(shù)比為1∶0.15∶1.15，Zn、Mg原子個(gè)數(shù)之和與O原子個(gè)數(shù)之比為1∶1。圖1(c)、(d)中，Zn、Mg原子個(gè)數(shù)之和與O原子個(gè)數(shù)之比也接近于1∶1。因此，Mg摻雜樣品可以標(biāo)識(shí)為Zn1-xMgxO，即所制備的為三元化合物。

(a)純ZnO

(a)鎂含量1.20%

4 Mg摻雜ZnO基FBAR器件性能

4.1 Mg摻雜ZnO基FBAR器件的S11曲線

利用網(wǎng)絡(luò)分析儀、射頻探針臺(tái)在室溫下測(cè)量不同鎂摻雜壓電膜所制備的器件回波損耗曲線，圖3是Zn1-xMgxO基FBAR的S11曲線。根據(jù)S11曲線可以讀出不同摻雜量制備器件的頻率和損耗值，結(jié)合壓電膜厚度大小，可以根據(jù)式(1)計(jì)算聲波速度值，所得結(jié)果如表2所示。

圖3 不同鎂摻雜ZnO基FBAR的S11曲線圖

表2 不同鎂摻雜ZnO基FBAR的聲速大小

從表2可以看到，隨著鎂摻雜量的增大，聲波速度先增大后減小。這與Y. Chen等利用一般聲學(xué)傳輸線模型模擬鎂摻雜濃度為2%，聲波速度增大7%結(jié)果相似[8]。本實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)摻雜量為3.63%時(shí)，聲波速度增加3%。所計(jì)算的聲波速率均小于ZnO理論速率值6 350 m/s，原因是在薄膜中傳輸速度和塊材中有區(qū)別。另外，聲波在傳輸過(guò)程中能量有一定損耗，因此實(shí)驗(yàn)值低于理論值。

4.2 Mg摻雜ZnO基FBAR的溫度系數(shù)

為了測(cè)量器件的TCF，需要在精確控制FBAR溫度條件下測(cè)試器件性能參數(shù)。實(shí)驗(yàn)采用E5071C型網(wǎng)絡(luò)分析儀和PE-4型射頻探針臺(tái)，探針臺(tái)通過(guò)溫度軟件控制，溫度范圍為室溫到300 ℃?？紤]到FBAR實(shí)際溫度與溫控加熱臺(tái)溫度有一定偏差，實(shí)驗(yàn)中外接一個(gè)熱電偶溫度計(jì)來(lái)監(jiān)控FBAR的溫度。

為了考察純ZnO壓電膜FBAR的TCF大小，實(shí)驗(yàn)中對(duì)同一器件在20～200 ℃范圍內(nèi)頻率漂移進(jìn)行了測(cè)試，每隔10 ℃記錄一次網(wǎng)絡(luò)分析儀數(shù)據(jù)。樣品在室溫(20 ℃)時(shí)諧振頻率為2 245.75 MHz，繪制器件在20～200 ℃溫度范圍內(nèi)的頻率曲線如圖4所示。由圖4可以看出，F(xiàn)BAR的頻率與溫度之間存在線性關(guān)系。通過(guò)線性擬合后，可以看到在20～110 ℃和120～200 ℃范圍內(nèi)滿足頻率與溫度變化分別符合式(4)和式(5)：

圖4 未摻雜ZnO基FBAR溫度頻率曲線

fb=2 248.94-0.156 3Tb

(4)

fd=2 240.505-0.084 2Td

(5)

可以算出純ZnO基FBAR在在20～110 ℃和120～200 ℃內(nèi)的溫度頻率系數(shù)TCF分別高達(dá)-69.5 ppm/℃和-37.7 ppm/℃。

對(duì)于FBAR傳感器，器件基頻隨溫度漂移將會(huì)直接影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。為此，探索不同鎂摻雜ZnO基FBAR在37 ℃(人體體溫)附近的TCF。為了使測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確，增加了其他濃度鎂摻雜ZnO基FBAR的樣品，并且對(duì)每個(gè)樣品在恒溫下進(jìn)行了10次重復(fù)測(cè)量。不同摻雜濃度的樣品TCF曲線如圖5所示。

圖5 ZnO基FBAR的TCF與Mg摻雜濃度關(guān)系

可以看到，隨著鎂元素?fù)饺氲窖趸\薄膜中，器件的TCF均有下降。當(dāng)摻雜Mg元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.23%時(shí)，TCF最小值為-26.0 ppm/℃。在W. Water對(duì)Mg摻雜氧化鋅薄膜壓電性能的研究中，曾指出低濃度Mg摻雜有利于提高ZnO薄膜的結(jié)晶性，降低ZnO壓電膜的TCF系數(shù)[2]。

4.3 Mg摻雜ZnO基FBAR的機(jī)電耦合系數(shù)

(6)

式中：fs和fp分別是器件的串聯(lián)和并聯(lián)諧振頻率。

將上述樣品在固定溫度下測(cè)試器件諧振頻率并計(jì)算出機(jī)電耦合系數(shù)，得到器件的機(jī)電耦合系數(shù)與摻雜濃度關(guān)系圖，如圖6所示。

圖6 ZnO基FBAR的機(jī)電耦合系數(shù)與Mg摻雜濃度關(guān)系

由圖6可看出，在較低Mg摻雜濃度下，器件機(jī)電耦合系數(shù)有微弱的增大，當(dāng)摻雜濃度進(jìn)一步加大時(shí)，機(jī)電耦合系數(shù)呈下降趨勢(shì)。MgO是一種非壓電材料，有報(bào)道研究表明當(dāng)Mg摻雜摩爾分?jǐn)?shù)大于10%時(shí)，將會(huì)降低摻雜后ZnO壓電膜的機(jī)電耦合系數(shù)[2,9]。通過(guò)SEM可以看到，在較低Mg摻雜條件下，Mg摻雜使ZnO晶粒尺寸增大，晶界缺陷減少，壓電膜的晶粒更加均勻，結(jié)晶性增強(qiáng)，因此器件的機(jī)電耦合系數(shù)略微增大。這與文獻(xiàn)研究ZnO薄膜壓電響應(yīng)的一般規(guī)律相符合，即當(dāng)摻雜元素離子半徑小于Zn2+離子半徑，摻雜引起ZnO薄膜出現(xiàn)鐵電自發(fā)極化，相對(duì)介電常數(shù)也增大，最終增大壓電薄膜的壓電響應(yīng)[10]。

5 結(jié)論

用SEM、EDS等測(cè)試對(duì)制備的Mg摻雜ZnO壓電膜進(jìn)行了表征，隨著鎂摻雜濃度的增大，ZnO顆粒逐漸增大，說(shuō)明鎂摻雜有利于ZnO顆粒的生長(zhǎng)。利用Mg摻雜ZnO壓電膜制備了FBAR器件，在較低Mg摻雜時(shí)，器件機(jī)電耦合系數(shù)有微弱的增大，當(dāng)摻雜濃度過(guò)高時(shí)，機(jī)電耦合系數(shù)呈下降趨勢(shì)。當(dāng)摻雜Mg元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.23%時(shí)，器件在20～100 ℃內(nèi)的溫度頻率系數(shù)TCF為-26.0 ppm/℃，比之前純ZnO基FBAR的TCF值-69.5 ppm/℃顯著下降。