Excitation au-delà de 5 GHz d’un résonateur acoustique massif à haute harmonique à base de ZnO sur substrat SiC

Structure cristalline et morphologie des films de ZnO

Un film piézoélectrique de ZnO de 650 ± 20 nm d’épaisseur a été développé sur le substrat Si et SiC revêtu de Pt/Ti en utilisant la méthode de pulvérisation RF. Les propriétés structurelles du film de ZnO synthétisé sur les substrats Si et SiC oxydés revêtus de Pt/Ti ont été étudiées à l’aide de la diffraction des rayons X à haute résolution (HRXRD, M/s. Rigaku, Japon), et les résultats sont présentés à la Fig. 1 Les couches de ZnO déposées sur Pt/Ti/SiC présentent une orientation plus forte (0002) par rapport au ZnO déposé sur un substrat de Si oxydé avec un revêtement Pt/Ti. La courbe de basculement (0002) pour ZnO sur SiC est représentée dans l’encadré de la Fig. 1, avec une pleine largeur à mi-hauteur (FWHM) de 2,45(^circ). Ce résultat est cohérent avec l’observation au microscope électronique à balayage à émission de champ en coupe (SEM, M / s. Carl Zeiss, Allemagne) à des tensions de fonctionnement de 3 kV, comme indiqué sur les Fig. 2a, b. Sur le substrat SiC, ZnO présente une bien meilleure microstructure colonnaire normale à la surface du substrat que sur le substrat Si. La morphologie de surface a été mesurée à l’aide de la microscopie à force atomique (AFM, Asylum Research, M/s. Oxford Instruments, Royaume-Uni) avec une pointe de silicium monocristallin en porte-à-faux sans contact de taille 10 nm en mode taraudage, et un résultat représentatif pour ZnO /Pt/Ti/SiC est affiché sur la figure 2c. Les films de ZnO présentent une rugosité de surface RMS de 9,7 ± 0,3 nm et 4,9 ± 0,2 nm pour ZnO/Pt/Ti/Si et ZnO/Pt/Ti/SiC, respectivement.

Micrographie en coupe transversale SEM d’un film de ZnO cultivé sur (un) Substrat Pt/Ti/Si, (b) Substrat Pt/Ti/SiC, et (c) Image AFM d’un film ZnO développé sur un substrat Pt/Ti/SiC.

(S_{11}) paramètre pour le dispositif HBAR à base de ZnO fabriqué sur (un) Pt/Ti/(SiO_2)/Si et (b) Substrat Pt/Ti/SiC. (c) (Z_{11}) paramètre pour le dispositif HBAR à base de ZnO fabriqué sur un substrat Pt/Ti/SiC.

Caractérisation électro-acoustique

Le coefficient de réflexion mesuré ((S_{11})) Le paramètre du HBAR à base de ZnO fabriqué sur le Si et le SiC démontre des résonances multiples sur une très large bande (jusqu’à 7 GHz), comme le montrent les Fig. 3a, b, respectivement. Les résonances excitées les plus fortes pour le ZnO-HBAR sur Si et SiC sont centrées aux fréquences de 1,85 GHz et 5,25 GHz, respectivement. ZnO a une vitesse acoustique longitudinale d’environ 6400 m/s et une vitesse acoustique de cisaillement d’environ 2770 m/s.²⁵ La fréquence de résonance forte ((f_n)) du HBAR peut être approximée à l’aide de l’expression (f_n) = (Virginie)/2t où (Virginie) et t sont la vitesse acoustique et l’épaisseur du film piézoélectrique, respectivement.^4,26 Dans la littérature, il est rapporté que si le c-l’axe du film de ZnO est parfaitement orienté par rapport à la normale à la surface du substrat (angle d’inclinaison nul), puis le coefficient de couplage électromécanique effectif pour la propagation acoustique longitudinale ((k_{L, eff}^2)) est d’environ 8,53(%) et pour la propagation acoustique de cisaillement ((k_{S, eff}^2)) est 0(%). Cependant, si le c-l’axe du ZnO est incliné à n’importe quel angle avec la normale du substrat, alors le (k_{S, eff}^2) pour le mode de cisaillement, l’onde acoustique a priorité sur la (k_{L, eff}^2) pour les ondes acoustiques en mode longitudinal.²⁵ Dans cette étude, la c-le plan du film ZnO n’est pas fortement orienté le long de la normale du substrat Si, comme en témoignent l’étude XRD et les micrographies SEM en coupe sur les Fig. 1 et 2. De plus, Si a des pertes de propagation acoustique longitudinale relativement élevées (8,3 dB/cm à 1 GHz), qui contrastent avec ses pertes de propagation acoustique de cisaillement (3,0 dB/cm à 1 GHz) et une vitesse acoustique inférieure à l’autre matériaux de substrat.²³ Par conséquent, HBAR sur un substrat Si ne présente qu’une résonance de cisaillement. D’autre part, le film ZnO est fortement orienté le long de la direction (0002) sur le substrat SiC, ce qui est observé à partir de l’analyse de la courbe de basculement de XRD avec un FWHM de 2,45(^circ) et micrographie SEM en coupe sur la figure 2 par rapport à un substrat Si. De plus, le SiC est largement connu pour avoir de faibles pertes acoustiques dans les propagations acoustiques longitudinales et de cisaillement (0,4 et 0,3 dB/cm à 1 GHz) et une vitesse acoustique élevée par rapport aux substrats Si.²³ Par conséquent, le HBAR à base de ZnO monté sur un substrat SiC présente à la fois un cisaillement et une résonance longitudinale.

La figure 3c représente l’impédance mesurée, ou (Z_{11}) paramètre, du HBAR proche des plus fortes résonances excitées sur le SiC. La plage de fréquence entre chaque résonance étroite dépend de l’épaisseur ((t_s)) du substrat puisque l’énergie acoustique de la couche piézoélectrique lui est couplée. Cet espacement de fréquence ((Delta) (f_{harmonique})) entre les résonances étroites est déterminé comme (Delta) (f_{harmonique}) = (contre)/2(t_s)où (contre) est la vitesse acoustique du substrat.⁴ La vitesse acoustique calculée à partir de l’équation est souvent inférieure de quelques pour cent à la vitesse acoustique réelle car cette expression est produite en ignorant l’action de la couche piézoélectrique sur le substrat. L’équation ci-dessous décrit l’écart entre les vitesses acoustiques calculées et réelles.⁴

où la masse volumique et l’épaisseur du substrat sont représentées par (rho _s) et (l_s)respectivement, et ceux du film piézoélectrique sont représentés par (rho _p) et (l_p). Le mesuré (Delta) (f_{harmonique}) se situe autour de 12,9 et 17,8 MHz pour le HBAR sur le Si (épaisseur 250 ± 5 (,{upmu }textrm{m})) et SiC (épaisseur 350 ± 5 ({upmu }textrm{m})), respectivement. Après que la vitesse acoustique a été rectifiée à l’aide de l’équation susmentionnée, les vitesses acoustiques corrigées des substrats Si et SiC sont estimées à 6490 et 12500 m/s, respectivement. La vitesse acoustique pour le substrat Si est mesurée comme étant supérieure à la valeur de vitesse acoustique de cisaillement, malgré le fait qu’elle est remarquablement équivalente à la valeur de vitesse acoustique longitudinale rapportée pour le substrat SiC.^23,27 Cette multitude de modes offre une opportunité particulière d’utiliser le HBAR comme capteur de biofluide.

(un) La valeur mesurée et la mBVD ​​ajustée (S_{11}) paramètre et phase (en médaillon) du résonateur HBAR à base de ZnO sur substrat SiC à une résonance de 5,25 GHz, (b) Le schéma de circuit équivalent du modèle mBVD.

Pour comprendre le comportement détaillé des paramètres de l’appareil, un modèle Butterworth-Van Dyke (mBVD) modifié a été conçu à l’aide du logiciel Advance Design System (ADS, Keysight). La figure 4a illustre une mesure typique et une mBVD ​​ajustée (S_{11}) paramètre pour HBAR à base de ZnO sur un substrat SiC à une résonance de 5,25 GHz. Le modèle mBVD ​​comprend des paramètres de circuit tels que la résistance motionnelle ((R_m)), capacité de mouvement ((Cm)), l’inductance de mouvement ((L_m)) et la capacité statique ((C_0)), résistance ((R_0)), qui est représenté comme un circuit équivalent sur la figure 4b. A partir du circuit équivalent, le (f_r) est la fréquence de résonance où se produit la résonance série, (FA) est la fréquence d’anti-résonance où se produit la résonance parallèle, et le coefficient de couplage électromécanique effectif ((k_{eff}^2)) est donnée par les équations ci-dessous.

Le facteur de qualité du dispositif HBAR sur substrat SiC à la plus forte résonance excitée est mesuré à l’aide du nouveau Q approche basée sur (S_{11}) paramètre proposé par Feld et al. et il est lié comme suit ;^28,29

Les caractéristiques électromécaniques extraites du modèle mBVD ​​et les Q-facteur de HBAR sur substrats Si et SiC aux résonances excitées les plus fortes en utilisant le nouveau Q approche sont répertoriés dans le tableau 1. Le produit de la fréquence de résonance et le facteur de qualité mesuré (FQ produits) sont ensuite déterminées pour les appareils HBAR. Nous avons observé que les résonateurs pour substrats Si et SiC, respectivement, présentent une FQ produit de 0,06 (fois) dix(^{13}) et 4.1 (fois) dix(^{13}) Hz. Pang et al., Baumgartel et al. et Zhang et al. ont rapporté que le FQ produit de HBAR à base de ZnO sur le saphir est de 0,9 (fois) dix(^{13})4,5 (fois) dix(^{13}) et 4.8 (fois) dix(^{13})respectivement, en utilisant la méthode de Lakin Q méthode (tableau 2).^4,20,21 Ici, nous avons également estimé la FQ valeur en utilisant Lakin Q méthode pour les dispositifs HBAR sur SiC, et se révèle comme 6,5 (fois) dix(^{13}) Hz, qui, à notre connaissance, se distingue comme le meilleur d’entre eux. Utiliser le roman Q approche développée par Feld et al., la FQ produit de HBAR à base de ZnO sur Diamond est rapporté par Gosavi et al. comme 0,3 (fois) dix(^{13})ce qui est nettement inférieur à ce résultat²² .