本發(fā)明涉及聲表面波器件，尤其是涉及一種基于“(aln/zno)n”周期性結(jié)構(gòu)壓電層和金剛石基底的高頻聲表面波器件，屬于薄膜電子器件領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
聲表面波(saw)器件以其小型化、高可靠性、多功能、一致性好等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、電子戰(zhàn)、聲納、無(wú)線通信、光纖通信及廣播電視系統(tǒng)中。隨著移動(dòng)通信的迅猛發(fā)展，應(yīng)用頻率不斷提高，使無(wú)線電通信頻帶成為一個(gè)有限而寶貴的資源，低于2.5ghz的頻帶已被占滿，迫切需要高頻saw器件。
saw器件的中心頻率是由叉指換能器(idt)的電極寬度和材料的聲速共同決定的，材料的聲速越高，saw器件的中心頻率就越高。所有材料中，金剛石具有最高的聲速，將金剛石引入saw器件可在很大程度上提高其工作頻率，但是，金剛石不是壓電材料，只能作為聲波的傳輸介質(zhì)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)機(jī)-電相互轉(zhuǎn)換，需要與壓電薄膜結(jié)合，常用的壓電薄膜有zno和aln薄膜，zno具有高的壓電系數(shù)(d33＝12.4pm/v)，因此更易獲得高的機(jī)電耦合系數(shù)(k2)，但是zno的相速度較低(vp＝2558m/s)，頻率溫度系數(shù)高。aln在壓電材料中具有高相速度(vp＝5600m/s)、高熱導(dǎo)率、低頻率溫度系數(shù)(tcf)、化學(xué)穩(wěn)定性好、與集成電路工藝相容，但是aln的壓電性較弱(d33＝5.53pm/v)，因此aln/金剛石結(jié)構(gòu)很難獲得高的機(jī)電耦合系數(shù)(k2)。
考慮到zno和aln兩種壓電材料各自的優(yōu)缺點(diǎn)，將zno和aln兩種壓電材料結(jié)合起來(lái)，產(chǎn)生了“zno/aln/金剛石”和“aln/zno/金剛石”兩種雙壓電層結(jié)構(gòu)的saw器件。采用雙壓電層結(jié)構(gòu)，可使聲表面波器件的中心頻率或機(jī)電耦合系數(shù)得到提高，但兩者中某一性能參數(shù)的提高往往會(huì)導(dǎo)致另一性能參數(shù)的降低。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有“zno/金剛石”、“aln/金剛石”以及“zno/aln/金剛石”(或者“aln/zno/金剛石”)結(jié)構(gòu)的聲表面波器件中心頻率和機(jī)電耦合系數(shù)提高的相互制約以及頻率穩(wěn)定性差的問(wèn)題，提供一種基于“(aln/zno)n/金剛石”結(jié)構(gòu)的高頻和高機(jī)電耦合系數(shù)的saw器件。
本發(fā)明提供的一種基于“(aln/zno)n/金剛石”結(jié)構(gòu)的saw器件，包括基底層、壓電層和叉指換能器(idt)；該saw器件采用金剛石膜作為基底，壓電層采用aln和zno薄膜周期性層疊的結(jié)構(gòu)(aln/zno)n，層疊結(jié)構(gòu)的周期n的范圍為2～5，aln薄膜和zno薄膜的厚度比rh的范圍為0.2～5，aln和zno薄膜都是c軸擇優(yōu)取向的，其c軸沿著基底的法線方向，aln和zno薄膜周期性層疊結(jié)構(gòu)的厚度小于一個(gè)波長(zhǎng)，具體厚度取決于周期n和兩種壓電薄膜的厚度比rh。idt可以放在壓電層上表面，也可放在壓電層與金剛石基底中間。
所述基底為金剛石膜，該金剛石膜可用cvd法制備的多晶金剛石，拋光后厚度要大于25μm，表面粗糙度小于5nm。
所述aln和zno壓電薄膜可以采用磁控濺射法制備，但并不局限于此，也可以用脈沖激光法(pld)、金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法(mocvd)等薄膜沉積方法。
所述叉指換能器idt材料可以是金屬al或金屬cu，也可是al或cu的合金，金屬材料的制備可以采用蒸鍍法或?yàn)R射法，但并不局限于此。idt的制備可采用光刻法或電子束刻蝕或離子束刻蝕法，但并不局限于此。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：
考慮到aln和zno兩種壓電材料各自的優(yōu)缺點(diǎn)，本發(fā)明采用“(aln/zno)n”周期性結(jié)構(gòu)作為壓電層，利用aln和zno的協(xié)同作用，可改善器件的綜合性能，在相同的叉指寬度下，該結(jié)構(gòu)與zno和aln雙壓電層結(jié)構(gòu)的聲表面波器件相比，機(jī)電耦合系數(shù)最大可提高2倍，且中心頻率不降低，同時(shí)，器件的穩(wěn)定性也得到了改善，頻率溫度系數(shù)降低。此外，在設(shè)計(jì)聲表面波器件時(shí)，可調(diào)參數(shù)多，器件的參數(shù)調(diào)節(jié)范圍更廣，擴(kuò)大了器件的應(yīng)用領(lǐng)域。
附圖說(shuō)明
圖1為“idt/(aln/zno)n/金剛石”結(jié)構(gòu)的saw器件的示意圖。h為壓電層的總厚度，rh為aln和zno薄膜的厚度比，n為周期數(shù)。
具體實(shí)施方式
通過(guò)以下實(shí)施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步，但本發(fā)明絕非僅局限于實(shí)施例。
實(shí)施例1
如圖1所示基于“idt/(aln/zno)n/金剛石”結(jié)構(gòu)的高頻聲表面波器件，依次包括基底層、壓電層及其上表面的叉指換能器；所述的聲表面波器件采用金剛石膜作為基底，采用aln和zno薄膜周期性層疊的結(jié)構(gòu)(aln/zno)n作為壓電層，層疊結(jié)構(gòu)的周期n的范圍為2～5，aln薄膜和zno薄膜的厚度比rh的范圍為0.2～5，aln和zno薄膜都是c軸擇優(yōu)取向的，其c軸沿著基底的法線方向，aln和zno薄膜周期性層疊結(jié)構(gòu)的厚度小于一個(gè)波長(zhǎng)。
聲表面波器件的制備過(guò)程如下：
1、采用拋光后的cvd金剛石膜作為基底，該基底的厚度為50μm，表面粗糙度為5nm。
2、采用磁控濺射法制備c軸優(yōu)取向的aln和zno壓電薄膜，其厚度分別為100nm和500nm，aln和zno薄膜的厚度比為0.2，周期數(shù)n為2，則壓電薄膜總的厚度為1.2μm。
3、采用蒸鍍法制備厚度為150nm的al膜，采用光刻法制備叉指寬度和間距均為500nm的idt。idt可以放在壓電層的上表面，也可以放在壓電層與金剛石基底中間。
4、saw器件的中心頻率為2.8ghz，機(jī)電耦合系數(shù)k2可達(dá)到3.0％，頻率溫度系數(shù)tcf為-29ppm/℃。
實(shí)施例2
高頻聲表面波器件的結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1，其制備過(guò)程如下：
1、采用拋光后的cvd金剛石膜作為基底，該基底的厚度為50μm，表面粗糙度為5nm。
2、采用磁控濺射法制備c軸擇優(yōu)取向的aln和zno壓電薄膜，其厚度分別約為133nm和266nm，aln和zno薄膜的厚度比為0.5，周期數(shù)為3，則壓電薄膜總的厚度為1.2μm。
3、采用蒸鍍法制備厚度為150nm的al膜，采用光刻法制備叉指寬度和間距均為500nm的叉指換能器。idt可以放在壓電層的上表面，也可以放在壓電層與金剛石基底中間。
4、saw器件的中心頻率為3.0ghz，機(jī)電耦合系數(shù)k2可達(dá)到2.4％，頻率溫度系數(shù)tcf約為-27ppm/℃。
實(shí)施例3
高頻聲表面波器件的結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1，其制備過(guò)程如下：
1、采用拋光后的cvd金剛石膜作為基底，該基底的厚度為50μm，表面粗糙度為5nm。
2、采用磁控濺射法制備c軸擇優(yōu)取向的aln和zno壓電薄膜，其厚度分別為120nm和120nm，aln和zno薄膜的厚度比為1，周期數(shù)為5，則壓電薄膜總的厚度為1.2μm。
3、采用蒸鍍法制備厚度為150nm的al膜，采用光刻法制備叉指寬度和間距均為500nm的叉指換能器。idt可以放在壓電層的上表面，也可以放在壓電層與金剛石基底中間。
4、saw器件的中心頻率為3.5ghz，機(jī)電耦合系數(shù)k2可達(dá)到2.0％，頻率溫度系數(shù)tcf約為-24ppm/℃。
實(shí)施例4
高頻聲表面波器件的結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1，其制備過(guò)程如下：
1、采用拋光后的cvd金剛石膜作為基底，該基底的厚度為50μm，表面粗糙度為5nm。
2、采用磁控濺射法制備c軸擇優(yōu)取向的aln和zno壓電薄膜，其厚度分別約為200nm和40nm，aln和zno薄膜的厚度比為5，周期數(shù)為5，則壓電薄膜總的厚度為1.2μm。
3、采用蒸鍍法制備厚度為150nm的al膜，采用光刻法制備叉指寬度和間距均為500nm的叉指換能器。idt可以放在壓電層的上表面，也可以放在壓電層與金剛石基底中間。
4、saw器件的中心頻率為4.3ghz，機(jī)電耦合系數(shù)k2可達(dá)到1.4％，頻率溫度系數(shù)tcf約為-20ppm/℃。