ZnO薄膜生长及声表面波性能研究

罗景庭，钟 鑫，朱茂东，古 迪，柯鹏飞，刘梓昇，钟增培，范 平

深圳大学物理科学与技术学院，薄膜物理与应用研究所，深圳市传感器技术重点实验室，深圳518060



【物理 / Physics】

ZnO薄膜生长及声表面波性能研究

罗景庭，钟 鑫，朱茂东，古 迪，柯鹏飞，刘梓昇，钟增培，范 平

深圳大学物理科学与技术学院，薄膜物理与应用研究所，深圳市传感器技术重点实验室，深圳518060

1 背景研究

氧化锌(ZnO)是六方纤锌矿结构的直接宽带隙(3.30 eV)半导体多功能材料，被广泛用于太阳能电池[1]、稀磁半导体[2]、阻变存储器[3]、场效应管和紫外激光器[4-5]等领域．另外，ZnO具有良好的压电性能，且通过工艺调控能够在Si、SiO2等常用的半导体衬底材料上生长出高质量的ZnO薄膜，实现ZnO薄膜与CMOS工艺的兼容，因而被广泛用于声表面波和体声波器件[6-8]．ZnO安全无毒，具有良好的生物相容性和化学稳定性，近年来也被广泛用于微流体芯片和生物传感器[9-10]，特别是声表面波生物传感器[11-12]．

2 实验方法

实验首先采用电子束蒸发镀膜技术在Si基片上沉积SiO2薄膜．将质量分数为99.99%的SiO2颗粒置于坩埚中，当真空度达到2×10-3Pa后，加热衬底达到200 ℃，通过加高压和调节灯丝电流保证生长速率为2nm/s.在沉积SiO2薄膜前先预蒸发5min，然后通过电子束蒸发镀膜设备自带晶振仪控制沉积3批SiO2薄膜，厚度分别为100、200、300nm．利用SiO2(100nm)/Si、SiO2(200nm)/Si、SiO2(300nm)/Si和Si基片4种衬底，采用射频磁控溅射技术统一镀上同一厚度的ZnO薄膜．表1给出了射频磁控溅射制备ZnO薄膜的实验参数．实验沉积ZnO薄膜前，先预溅射15min，去掉ZnO陶瓷靶材上的污染物．

表1 射频磁控溅射制备ZnO薄膜的工艺参数Table 1 Processing parameters of ZnO thin films deposited by RF magnetron sputtering

采用制备好的ZnO/SiO2/Si三层结构材料制作Love波声表面波谐振器．声表面波谐振器是由中间2对输入和输出叉指换能器(interdigitaltransducer，IDT)和两边的反射栅组成．输入和输出叉指电极的宽度和间距均为2 μm，叉指电极的周期为8 μm，叉指电极选用40对，声孔径为2 mm，输入输出叉指换能器之间的距离为4 mm．叉指电极图形采用150 nm的Al薄膜通过曝光和刻蚀的方法获得．Love波声表面波器件制作完成后采用网络分析仪和微波探针台进行在片测试声表面波器件性能．

3 结果与讨论

3.1 SiO2缓冲层对ZnO薄膜生长及ZnO/SiO2/Si三层结构声表面波性能的影响

图2 Si、SiO2(100 nm)/Si、SiO2(200 nm)/Si和 SiO2(300 nm)/Si衬底上生长的ZnO薄膜的XRD图谱Fig.2 (Color online) XRD patterns of ZnO films on Si, SiO2(100 nm)/Si, SiO2(200 nm)/Si and SiO2(300 nm)/Si

制备声表面波器件的ZnO薄膜要求具有良好的表面质量、合适的晶粒尺寸．采用扫描电子显微镜对制备的不同厚度SiO2的ZnO薄膜进行表面形貌分析，分别测得ZnO/Si、ZnO/SiO2(100nm)/Si、ZnO/SiO2(200nm)/Si和ZnO/SiO2(300nm)/Si的SEM扫描图，如图3．

图3 不同厚度的SiO2薄膜上生长的 ZnO薄膜的SEM图谱Fig.3 SEM images of ZnO films on SiO2 buffer layer with different thicknesses

采用4种结构的材料制作声表面波谐振器，利用网络分析仪和阻抗分析仪测试声表面波器件的中心谐振频率f0、 谐振频率处的电导G0和容抗CT, 然后根据式(1)计算声表面波器件的K2值[22]，

(1)

其中，N为叉指电极对数，本研究设N=40；K2是声表面波器件一个非常重要的性能指标，可描述能量转换过程中声表面波能量与机械能的耦合效率，K2值越大，说明声表面波器件将声表面波能量与机械能耦合的本领越大，损失的能量越小，因此器件性能越好．图4(a)给出了在4种不同SiO2缓冲层厚度的压电材料上制作的声表面波器件的K2值．

图4 声表面波器件性能参数Fig.4 Properties of SAW device

SAW器件另一个重要参数是TCD，它是反映声表面波器件温度稳定性的重要参量．一般来说，TCD越趋于0，声表面波器件温度稳定性越好[23]．图4(b)给出了上述4种结构上制作的声表面波器件的TCD．从图4(b)可见，ZnO/Si制作的声表面波器件的TCD值约为12×10-6℃-1，在引入SiO2薄膜后，TCD值显著减小，当SiO2薄膜为200nm时，TCD值仅约2×10-6℃-1．当SiO2薄膜达到300nm时，器件的TCD值变成-7×10-6℃-1左右．因此ZnO/SiO2(200nm)/Si制作的器件温度稳定性最好．

一般温度延迟是由于衬底材料受热膨胀或遇冷收缩导致声表面波传播的延迟，TCD[23]可表示为

(2)

其中，α为沿声表面波传播方向上衬底材料受热膨胀或遇冷收缩导致TCD的改变；T为温度(单位：K)；dc/dT表示由于温度改变导致的速度漂移；c为声表面波速度．对于具有良好温度稳定性的器件，αTCD的绝对值越趋于0，表明声表面波器件温度稳定性越好．由于Si的dc/dT为负值，若Si的弹性常数C44的温度系数为-0.44×10-4℃[24]，则在Si衬底上制作的声表面波器件的αTCD都具有正的TCD值，如本研究中ZnO/Si声表面波器件的TCD值为12×10-6℃-1左右．当ZnO/Si中引入具有正的dc/dT的SiO2缓冲层时(SiO2弹性常数C44的温度系数为0.52×10-4℃)[24]，通过SiO2正的dc/dT抵消掉衬底的热膨胀，因此，当SiO2薄膜厚度增加时，ZnO/SiO2/Si三层结构器件的TCD绝对值减小，当SiO2薄膜为200 nm时，TCD值仅为2×10-6℃-1左右，非常接近0，说明器件温度稳定性好．当SiO2薄膜厚度进一步增加到300 nm时，SiO2正的dc/dT占主导，因此整个器件的TCD值变成负值，且绝对值开始增大．

3.2 工作气压对ZnO薄膜择优取向及声表面波性能的影响

图5 不同工作气压下制备的ZnO薄膜的XRD图谱Fig.5 (Color online) XRD patterns of ZnO films on SiO2(200 nm)/Si under different working gas pressures

图6 不同工作气压下制备的ZnO薄膜的AFM图谱Fig.6 (Color online) AFM images of ZnO thin films deposited under different working gas pressures

采用4种不同工作气压下制备的ZnO/SiO2(200nm)/Si材料制作声表面波谐振器，并根据式(1)计算器件的K2值.图4(c)给出了K2值随工作气压而变化的曲线．从图4(c)可见，随着工作气压降低，制作的器件的K2值在不断增加，该趋势和ZnO薄膜晶面择优取向生长的趋势一致，而此次实验采用的SiO2薄膜的厚度是一样的，说明ZnO薄膜晶面择优取向程度是提高器件K2的内在原因．

结 语

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【中文责编：英 子；英文责编：木 南】

Growth of ZnO thin film and its surface acoustic wave properties
Luo Jingting†, Zhong Xin, Zhu Maodong, Gu Di, Ke Pengfei,
Liu Zisheng, Zhong Zengpei, and Fan Ping

College of Physics Science and Technology, Institute of Thin Film Physics and Applications,Shenzhen key Laboratory of Sensor Technology, Shenzhen University, Shenzhen 518060, P.R.China

：Luo Jingting，Zhong Xin，Zhu Maodong，et al．Growth of ZnO thin film and its surface acoustic wave properties[J]. Journal of Shenzhen University Science and Engineering, 2015, 32(1): 17-24.(in Chinese)

O

A

10.3724/SP.J.1249.2015.01017

国家自然科学基金资助项目(51302173)；广东高校优秀青年创新人才培养计划资助项目(2013LYM_0078)

罗景庭(1984—)，男(汉族)，深圳大学讲师、博士．E-mail：luojt@szu.edu.cn

Received：2014-09-23；Accepted：2014-11-06

Foundation：National Natural Science Foundation of China(51302173)；Foundation for Distinguished Young Talents in Higher Education of Guangdong (2013LYM_0078)

† Corresponding author：Lecturer Luo Jingting．E-mail：luojt@szu.edu.cn

引 文：罗景庭，钟 鑫，朱茂东，等．ZnO薄膜生长及声表面波性能研究[J]. 深圳大学学报理工版，2015，32(1)：17-24.