Más allá de la excitación de 5 GHz de un ZnO

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 13329 (2023) Citar este artículo

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Este trabajo informa sobre la fabricación y caracterización de un resonador acústico masivo de altos armónicos (HBAR) basado en Au/ZnO/Pt sobre sustratos de SiC. Evaluamos sus características de microondas comparándolas con sustratos de Si para aplicaciones microelectromecánicas. Se emplean pulverización catódica con magnetrón dieléctrico y un evaporador de haz de electrones para desarrollar películas de ZnO y electrodos metálicos altamente orientados en el eje c. La estructura cristalina y la morfología de la superficie de las capas posteriores al crecimiento se caracterizan mediante técnicas de difracción de rayos X, microscopía de fuerza atómica y microscopía electrónica de barrido. HBAR sobre sustrato de SiC da como resultado múltiples resonancias longitudinales de ondas acústicas masivas de hasta 7 GHz, con las resonancias excitadas más fuertes emergiendo a 5,25 GHz. El valor del parámetro fQ (frecuencia de resonancia.Factor de calidad) obtenido utilizando un nuevo método de aproximación Q para HBAR en sustrato de SiC es 4,1 \(\times\) 10\(^{13}\) Hz, que hasta donde sabemos , es el más alto entre todos los valores informados para dispositivos específicos basados en ZnO.

Los resonadores de ondas acústicas masivas (BAW) de alto rendimiento han recibido mucha atención en las últimas décadas debido a su uso potencial como fuentes, sensores, filtros y actuadores de radiofrecuencia (RF).1,2 Resonador de cristal de cuarzo (QCR) ), que normalmente opera en el rango de varios MHz a decenas de MHz, es un tipo común de resonador BAW. Otro tipo de resonador BAW es el resonador acústico masivo de altos armónicos (HBAR), también conocido como resonador compuesto compuesto por una capa piezoeléctrica intercalada entre dos electrodos metálicos sobre un sustrato de baja pérdida acústica.3,4 Con una estructura simple pero robusta, Con un tamaño compacto y un factor de calidad (Q) impresionantemente alto, HBAR tiene la capacidad de demostrar resonancias (f) muy agudas en frecuencias de GHz y superiores a las de QCR. Debido a estas propiedades, HBAR ha surgido como un candidato viable para su uso en osciladores, sensores y fuentes de fonones de bajo ruido en sistemas de acustodinámica cuántica.5,6,7,8 Recientemente, ha habido un crecimiento notable en el interés. en el desarrollo de sensores físicos, químicos y biológicos inteligentes de alta sensibilidad basados en resonadores acústicos para la detección no invasiva en aplicaciones en tiempo real sin utilizar reactivos ni productos químicos externos. El principio de funcionamiento aquí es integrar un elemento biológico/químico con el transductor físico del dispositivo acústico, ya que es sensible a la fuerza del enlace químico atómico, iónico o molecular en el rango de frecuencia de microondas.9,10 Por lo tanto, HBAR puede usarse ampliamente Se emplea para analizar una amplia gama de pequeños volúmenes de materiales fluídicos, incluidos fluidos fisiológicos humanos, y es adecuado para sistemas Lab-on-a-Chip (LoC).11,12,13,14

Por lo general, las películas de titanato de circonato de plomo (PZT), nitruro de galio (GaN), nitruro de aluminio (AlN) y óxido de zinc (ZnO) han sido objeto de investigaciones exhaustivas para dispositivos acústicos.15,16,17,18 PZT ofrece una variedad distintiva de características , incluida una constante piezoeléctrica muy alta y un valor de acoplamiento electromecánico efectivo (\(k_{eff}^2\)). Sin embargo, no es adecuado para aplicaciones HBAR debido a sus velocidades acústicas más bajas, mayor atenuación de ondas acústicas y desafíos en la preparación de películas delgadas.1,11 Las películas de GaN son sustancialmente menos frecuentes debido a sus pobres propiedades piezoeléctricas y baja \(k_{eff) }^2\).19 Aunque las películas de AlN poseen una alta velocidad acústica en comparación con las películas de ZnO, nuevamente sufren de un bajo valor de \(k_{eff}^2\).19 Entre los numerosos materiales piezoeléctricos descritos anteriormente, las películas de ZnO con Se ha descubierto que las características electroacústicas mejoradas son las más prometedoras para el desarrollo de dispositivos HBAR. Sin embargo, como se informa en la literatura, los dispositivos HBAR con capa piezoeléctrica de ZnO se han restringido en su mayoría a sustratos de zafiro con un valor de producto fQ de alrededor de 4,8 \(\times\) 10\(^{13}\) Hz utilizando el método Q de Lakin. 4,20,21 Además, el HBAR basado en ZnO se ha demostrado previamente en sustratos de cuarzo y diamante; sin embargo, exhiben un valor fQ más bajo de aproximadamente 1,1 y 0,2 \(\times\) 10\(^{13}\) Hz, respectivamente.4,22 Aparte del sustrato anterior, el carburo de silicio (SiC) también se conoce como la baja pérdida acústica (0,4 dB/cm a 1 GHz) y el sustrato de alta velocidad acústica en comparación con los sustratos de zafiro y diamante lo hacen adecuado para dispositivos HBAR y convenientemente compatible con procesos de micromecanizado de superficies.8,22,23,24 Además, El SiC se utiliza con frecuencia en dispositivos electrónicos de alta temperatura y alta potencia debido a su alta dureza, alta conductividad térmica, resistencia química, etc. Los sustratos de SiC también desempeñan un papel vital en la nueva generación de sensores y sistemas cuánticos híbridos, ya que generan una mayor tensión en frecuencias de GHz que otros sustratos.22 Por lo tanto, es imperativo y pertinente investigar las propiedades resonantes de microondas del HBAR basado en ZnO. sobre sustratos de SiC.

En el presente trabajo, presentamos un dispositivo novedoso que comprende una película piezoeléctrica de ZnO orientada al eje c depositada sobre un sustrato de SiC recubierto de Pt/Ti para realizar una heteroestructura eficiente pero simple y escalable para fabricar resonadores acústicos masivos de altos armónicos. Las características detalladas de HBAR de la película de ZnO sobre un sustrato de SiC se comparan con las de un sustrato de Si en un amplio rango de frecuencias. HBAR en SiC funciona bien con múltiples resonancias longitudinales de ondas acústicas masivas de hasta 7 GHz y un valor de fQ de hasta 4,1 \(\times\) 10\(^{13}\) Hz, que es superior a cualquier valor de fQ informado entre los HBAR basado en ZnO especificado sobre cualquier otro sustrato.

Se hizo crecer una película piezoeléctrica de ZnO de 650 ± 20 nm de espesor sobre el sustrato de Si y SiC recubierto de Pt / Ti utilizando el método de pulverización catódica por RF. Las propiedades estructurales de la película de ZnO sintetizada sobre sustratos de Si y SiC oxidados recubiertos de Pt/Ti se investigaron mediante difracción de rayos X de alta resolución (HRXRD, M/s. Rigaku, Japón), y los resultados se muestran en la Fig. 1. Las capas de ZnO depositadas sobre Pt/Ti/SiC exhiben una orientación más fuerte (0002) en comparación con el ZnO depositado sobre un sustrato de Si oxidado con un recubrimiento de Pt/Ti. La curva de oscilación (0002) para ZnO sobre SiC se muestra en el recuadro de la Fig. 1, con un ancho total en la mitad del máximo (FWHM) de 2,45\(^\circ\). Este resultado es consistente con la observación del microscopio electrónico de barrido de emisión de campo transversal (SEM, M / s. Carl Zeiss, Alemania) a voltajes de funcionamiento de 3 kV, como se muestra en las figuras 2a, b. En el sustrato de SiC, se ha demostrado que el ZnO tiene una microestructura columnar normal a la superficie del sustrato mucho mejor que en el sustrato de Si. La morfología de la superficie se midió utilizando microscopía de fuerza atómica (AFM, Asylum Research, M/s. Oxford Instruments, Reino Unido) con una punta de silicio monocristalino en voladizo sin contacto de tamaño 10 nm en el modo de golpeteo, y un resultado representativo para ZnO. /Pt/Ti/SiC se muestra en la Fig. 2c. Las películas de ZnO exhiben una rugosidad superficial RMS de 9,7 ± 0,3 nm y 4,9 ± 0,2 nm para ZnO/Pt/Ti/Si y ZnO/Pt/Ti/SiC, respectivamente.

El perfil XRD de películas de ZnO sobre sustrato de Pt/Ti/\(SiO_2\)/Si y Pt/Ti/SiC y la curva de oscilación (recuadro) del pico (0002) de la película de ZnO sobre sustrato de Pt/Ti/SiC.

Micrografía transversal SEM de una película de ZnO cultivada sobre (a) sustrato de Pt/Ti/Si, (b) sustrato de Pt/Ti/SiC y (c) imagen AFM de una película de ZnO cultivada sobre un sustrato de Pt/Ti/SiC.

Parámetro \(S_{11}\) para el dispositivo HBAR basado en ZnO fabricado en (a) sustrato Pt/Ti/\(SiO_2\)/Si y (b) Pt/Ti/SiC. (c) Parámetro \(Z_{11}\) para el dispositivo HBAR basado en ZnO fabricado sobre sustrato de Pt/Ti/SiC.

El parámetro del coeficiente de reflexión medido (\(S_{11}\)) del HBAR fabricado a base de ZnO en Si y SiC demuestra múltiples resonancias en una banda muy amplia (hasta 7 GHz), como se muestra en las figuras 3a,b. , respectivamente. Las resonancias excitadas más fuertes para ZnO-HBAR en Si y SiC se centran en frecuencias de 1,85 GHz y 5,25 GHz, respectivamente. El ZnO tiene una velocidad acústica longitudinal de aproximadamente 6400 m/s y una velocidad acústica de corte de aproximadamente 2770 m/s.25 La fuerte frecuencia de resonancia (\(f_n\)) del HBAR se puede aproximar usando la expresión \(f_n\) = \(v_a\)/2t donde \(v_a\) y t son la velocidad acústica y el espesor de la película piezoeléctrica, respectivamente.4,26 En la literatura, se informa que si el eje c de la película de ZnO está perfectamente orientado con respecto a la normal de la superficie del sustrato (ángulo de inclinación cero), entonces el coeficiente de acoplamiento electromecánico efectivo para la propagación acústica longitudinal (\(k_{L, eff}^2\)) es alrededor de 8,53\(\%\) y para la propagación acústica de corte (\(k_{S, eff}^2\)) es 0\(\%\). Sin embargo, si el eje c del ZnO está inclinado en cualquier ángulo con la normal del sustrato, entonces \(k_{S, eff}^2\) para la onda acústica en modo de corte tiene prioridad sobre \(k_{L). , eff}^2\) para onda acústica en modo longitudinal.25 En este estudio, el plano c de la película de ZnO no está muy orientado a lo largo de la normal del sustrato de Si, como lo demuestran el estudio XRD y las micrografías SEM transversales en Higos. 1 y 2. Además, el Si tiene pérdidas de propagación acústica longitudinal relativamente altas (8,3 dB/cm a 1 GHz), que contrastan con sus pérdidas de propagación acústica por corte (3,0 dB/cm a 1 GHz) y una velocidad acústica más baja que el resto. materiales de sustrato.23 Por lo tanto, HBAR sobre un sustrato de Si solo exhibe resonancia de corte. Por otro lado, la película de ZnO está altamente orientada a lo largo de la dirección (0002) en el sustrato de SiC, lo que se observa en el análisis de la curva de oscilación de XRD con un FWHM de 2,45\(^\circ\) y una micrografía SEM de sección transversal en Fig. 2 en comparación con un sustrato de Si. Además, el SiC es ampliamente conocido por tener bajas pérdidas acústicas en propagaciones acústicas longitudinales y de corte (0,4 y 0,3 dB/cm a 1 GHz) y una alta velocidad acústica en comparación con los sustratos de Si.23 Por lo tanto, el HBAR basado en ZnO montado en un sustrato de SiC demuestra resonancia longitudinal y de corte.

La Figura 3c representa la impedancia medida, o parámetro \(Z_{11}\), del HBAR cerca de las resonancias excitadas más fuertes en el SiC. El rango de frecuencia entre cada resonancia estrecha depende del espesor (\(t_s\)) del sustrato ya que a él se acopla la energía acústica de la capa piezoeléctrica. Este espaciado de frecuencia (\(\Delta\) \(f_{overtone}\)) entre resonancias estrechas se determina como \(\Delta\) \(f_{overtone}\) = \(v_s\)/2\(t_s \), donde \(v_s\) es la velocidad acústica del sustrato.4 La velocidad acústica calculada a partir de la ecuación es a menudo un pequeño porcentaje menor que la velocidad acústica real porque esta expresión se produce ignorando la acción de la capa piezoeléctrica sobre el sustrato. La siguiente ecuación describe la discrepancia entre las velocidades acústicas calculadas y reales.4

donde la densidad de masa y el espesor del sustrato están representados por \(\rho _s\) y \(l_s\), respectivamente, y los de la película piezoeléctrica están representados por \(\rho _p\) y \(l_p\) . El \(\Delta\) \(f_{overtone}\) medido es de alrededor de 12,9 y 17,8 MHz para el HBAR en el Si (espesor 250 ± 5 \(\,{\upmu }\textrm{m}\)) y SiC (espesor 350 ± 5 \({\upmu }\textrm{m}\)), respectivamente. Después de rectificar la velocidad acústica utilizando la ecuación antes mencionada, se estima que las velocidades acústicas corregidas de los sustratos de Si y SiC son 6490 y 12500 m/s, respectivamente. Se mide que la velocidad acústica para el sustrato de Si es mayor que el valor de la velocidad acústica de corte, a pesar de que es notablemente equivalente al valor de velocidad acústica longitudinal reportado para el sustrato de SiC.23,27 Esta multitud de modos ofrece una oportunidad especial utilizar el HBAR como sensor de biofluidos.

(a) El parámetro \(S_{11}\) medido y ajustado con mBVD y la fase (recuadro) del resonador HBAR basado en ZnO sobre sustrato de SiC a resonancia de 5,25 GHz, (b) El diagrama de circuito equivalente del modelo mBVD.

Para comprender el comportamiento detallado de los parámetros del dispositivo, se diseñó un modelo Butterworth-Van Dyke (mBVD) modificado utilizando el software Advance Design System (ADS, Keysight). La Figura 4a muestra un parámetro \(S_{11}\) típicamente medido y ajustado con mBVD para HBAR basado en ZnO en un sustrato de SiC a una resonancia de 5,25 GHz. El modelo mBVD comprende parámetros de circuito como resistencia de movimiento (\(R_m\)), capacitancia de movimiento (\(C_m\)), inductancia de movimiento (\(L_m\)) y capacitancia estática (\(C_0\)), resistencia (\(R_0\)), que se muestra como un circuito equivalente en la Fig. 4b. Del circuito equivalente, \(f_r\) es la frecuencia de resonancia donde ocurre la resonancia en serie, \(f_a\) es la frecuencia anti-resonancia donde ocurre la resonancia en paralelo, y el coeficiente de acoplamiento electromecánico efectivo (\(k_{eff }^2\)) viene dado por las siguientes ecuaciones.

El factor de calidad del dispositivo HBAR sobre sustrato de SiC en la resonancia excitada más fuerte se mide utilizando el nuevo enfoque Q basado en el parámetro \(S_{11}\) propuesto por Feld et al. y se relata de la siguiente manera;28,29

Las características electromecánicas extraídas del modelo mBVD y el factor Q de HBAR en sustratos de Si y SiC en las resonancias excitadas más fuertes utilizando el nuevo enfoque Q se enumeran en la Tabla 1. El producto de la frecuencia de resonancia y el factor de calidad medido (productos fQ) A continuación se determinan para los dispositivos HBAR. Observamos que los resonadores para sustratos de Si y SiC, respectivamente, exhiben un producto fQ de 0.06 \(\times\) 10\(^{13}\) y 4.1 \(\times\) 10\(^{13}\ ) Hz. Pang et al., Baumgartel et al. y Zhang et al. ha informado que el producto fQ de HBAR basado en ZnO en zafiro es 0,9 \(\times\) 10\(^{13}\), 4,5 \(\times\) 10\(^{13}\) y 4,8 \ (\times\) 10\(^{13}\), respectivamente, usando el método Q de Lakin (Tabla 2).4,20,21 Aquí, también hemos estimado el valor de fQ usando el método Q de Lakin para dispositivos HBAR en SiC, y revela como 6,5 \(\times\) 10\(^{13}\) Hz, que, hasta donde sabemos, se destaca como el mejor entre ellos. Utilizando el novedoso enfoque Q desarrollado por Feld et al., Gosavi et al. informan sobre el producto fQ de HBAR basado en ZnO en Diamond. como 0,3 \(\times\) 10\(^{13}\), que es sustancialmente menor que este hallazgo22.

Se han investigado las propiedades acústicas en frecuencias de microondas para HBAR basados en ZnO sobre sustratos de Si y SiC. Se observa una película de ZnO altamente orientada en el eje C sobre un sustrato de SiC recubierto de Pt/Ti utilizando el método de pulverización catódica por RF. El novedoso ZnO-HBAR orientado en el eje C sobre sustrato de SiC revela múltiples resonancias longitudinales de ondas acústicas masivas y puede emplearse hasta 7 GHz como un transductor piezoeléctrico confiable de banda ancha. El valor del producto fQ para HBAR sobre sustrato de SiC, determinado utilizando un método de aproximación Q único, es 4,1 \(\times\) 10\(^{13}\) Hz, que es superior a cualquier valor fQ informado entre los ZnO especificados. HBAR basado en cualquier otro sustrato. Los hallazgos serán valiosos en la fabricación de osciladores de microondas de bajo ruido de fase y sensores acústicos de alta sensibilidad.

Para la fabricación de HBAR, hemos elegido una oblea de Si (100) oxidada y pulida de doble cara y una oblea 4H-SiC (0001) semiaislante para lograr una configuración de condensador de metal aislante metálico (MIM) utilizando un evaporador de haz de electrones y un magnetrón dieléctrico. equipo de pulverización. Para el electrodo inferior del HBAR, inicialmente, se depositaron capas de Ti/Pt (adhesivo/conductor) de 15 nm/100 nm de espesor sobre obleas limpias a temperatura ambiente utilizando la técnica del evaporador por haz de electrones. Luego, se hizo crecer una película de ZnO de 650 ± 20 nm de espesor a 300 \(^\circ\)C en una atmósfera de gas Ar:O\(_2\) (1:1) utilizando un método de pulverización catódica por RF. El grabado húmedo de ZnO se logra utilizando una máscara fotorresistente para dar forma al electrodo inferior de Pt. Finalmente, se depositó una capa apilada de Cr/Au con un espesor de 15/100 nm utilizando un evaporador de haz de electrones. A esto le siguió un procedimiento de fotolitografía de despegue para el electrodo superior y un patrón del área activa con 300 \({\upmu }\textrm{m}\) de diámetro. La Figura 5 muestra los dispositivos finales fabricados junto con su pila de materiales y una imagen microscópica. Las mediciones de RF en el HBAR desarrollado se llevaron a cabo utilizando un analizador de redes vectoriales Agilent y una estación de sonda Tierra-Señal-Tierra que tiene un paso en la oblea de 100 \({\upmu }\textrm{m}\). En un sustrato estándar típico, la calibración se llevó a cabo mediante los procedimientos corto, abierto y de carga. Los dispositivos HBAR se miden como dispositivos de un solo puerto en el rango de frecuencia de 0,5 a 10 GHz, con el electrodo superior funcionando como puerto de señal y el electrodo inferior como plano de tierra.

Configuraciones de dispositivos y pilas de materiales para HBAR fabricados en sustratos de Si y SiC (a) vista en sección transversal de HBAR en Si, (b) vista en sección transversal de HBAR en SiC, (c) vista superior del dispositivo HBAR y (d) Imagen de microscopio óptico del dispositivo fabricado.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

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