Mg掺杂对ZnO基体声波谐振器性能的影响

桂 丹，郑 丹，何 琼

(1.武汉软件工程职业学院电子工程学院，湖北武汉 430205；2.华中科技大学电子科学与技术专业，湖北武汉 430074；3.湖北大学物电学院，湖北武汉 430062)

0 引言

在掺杂体声波传感器领域，有关研究还非常有限。2007年，E. K. Kim等，研究了退火温度对锂掺杂体声波传感器性能的影响[1]。W. Water等对钙掺杂和镁掺杂ZnO薄膜压电性能、传感器性能进行了研究[2-3]。

为了对薄膜体声波谐振器(thin film bulk acoustic resonator ,FBAR)进行温度补偿，学者们采用了多种尝试，如在FBAR制作中增加具有正温度系数的SiO2(TCF约为+85 ppm/℃)材料(1 ppm=10-6)，通过与负温度系数压电材料结合减小温度漂移，但是增加SiO2层对器件品质因素产生较大影响[4]；或者在FBAR上串连接入一个悬臂电容，温度变化引起电容值产生变化达到温度补偿的目的[5]，但是这种方法需要通过微加工来实现，使FBAR工艺更加复杂，性能可靠性降低。掺杂是改变材料性能的常用手段，本文尝试通过掺入Mg金属调节ZnO压电膜的TCF系数，研究掺杂对其他参数的影响。

1 FBAR的温度频率系数

理想FBAR由三明治压电堆栈结构所组成，施加在上下电极的交变电压通过逆压电效应使压电膜产生机械形变，在薄膜内激励出体声波，体声波在压电堆栈内来回反射，形成驻波振荡。当体声波在压电薄膜中传播路径是半波长的奇数倍时，体声波在两电极间产生谐振。此时振幅最大，对应的频率为器件谐振频率，产生的基频是压电薄膜厚度的两倍[6]，即：

(1)

式中：t为压电膜厚度；va为声波在压电膜中传输速度。

va可表示为

(2)

式中:E为杨氏模量；ρ为压电材料密度。

在一定温度范围内，杨氏模量E比密度ρ变化更加显著。当温度升高时，杨氏模量随温度升高而减小，从而引起谐振频率的减小，这是FBAR传感器频率随温度变化的原因。

为了描述FBAR谐振频率随温度变化的大小，提出温度频率系数TCF的概念，即[7]：

(3)

式中f0为FBAR在初始温度时的谐振频率值。

根据前面分析可知温度升高频率减小，式(3)中Δf为负值，因此FBAR的TCF为负数，单位为ppm/℃。

2 Mg掺杂ZnO压电薄的制备

实验中Mg掺杂ZnO压电膜以制备了钛钼电极的硅作为衬底材料。实验中制备了ZnO、Mg、ZnO、Mg、ZnO、Mg、ZnO交替溅射的七层膜，采用ZnO陶瓷靶(纯度>99.99%)、Mg金属靶(纯度>99.99%)作为靶材，直径均为60 mm。为了防止镁原子与氧气反应，腔室内保持较低的真空度，本底真空<2×10-4Pa。溅射前，在Ar气体下预溅10 min以除去靶面的杂质。其他工艺如表1所示，通过镁靶溅射时间来控制掺杂量。

表1 不同层材料溅射参数

3 Mg掺杂ZnO压电膜的表征

图1是不同浓度镁掺杂ZnO薄膜的SEM图。在低浓度镁掺杂时，薄膜表面颗粒基本均匀一致。随着镁掺杂浓度的增大，ZnO颗粒逐渐增大，说明镁掺杂有利于ZnO颗粒的生长。

利用X射线能谱仪对不同镁掺杂ZnO薄膜进行了元素分析，如图2所示。在3个样品中都出现了Si和Pt元素，Si是由衬底引起，而Pt元素是SEM测量前喷Pt改变样品导电性。通过3个样品EDS定量分析，可以确定各个元素的质量百分比，从而算出元素的原子个数比。在图2(b)中，可以算出Zn、Mg、O的原子个数比为1∶0.15∶1.15，Zn、Mg原子个数之和与O原子个数之比为1∶1。图1(c)、(d)中，Zn、Mg原子个数之和与O原子个数之比也接近于1∶1。因此，Mg掺杂样品可以标识为Zn1-xMgxO，即所制备的为三元化合物。

(a)纯ZnO

(a)镁含量1.20%

4 Mg掺杂ZnO基FBAR器件性能

4.1 Mg掺杂ZnO基FBAR器件的S11曲线

利用网络分析仪、射频探针台在室温下测量不同镁掺杂压电膜所制备的器件回波损耗曲线，图3是Zn1-xMgxO基FBAR的S11曲线。根据S11曲线可以读出不同掺杂量制备器件的频率和损耗值，结合压电膜厚度大小，可以根据式(1)计算声波速度值，所得结果如表2所示。

图3 不同镁掺杂ZnO基FBAR的S11曲线图

表2 不同镁掺杂ZnO基FBAR的声速大小

从表2可以看到，随着镁掺杂量的增大，声波速度先增大后减小。这与Y. Chen等利用一般声学传输线模型模拟镁掺杂浓度为2%，声波速度增大7%结果相似[8]。本实验中，当掺杂量为3.63%时，声波速度增加3%。所计算的声波速率均小于ZnO理论速率值6 350 m/s，原因是在薄膜中传输速度和块材中有区别。另外，声波在传输过程中能量有一定损耗，因此实验值低于理论值。

4.2 Mg掺杂ZnO基FBAR的温度系数

为了测量器件的TCF，需要在精确控制FBAR温度条件下测试器件性能参数。实验采用E5071C型网络分析仪和PE-4型射频探针台，探针台通过温度软件控制，温度范围为室温到300 ℃。考虑到FBAR实际温度与温控加热台温度有一定偏差，实验中外接一个热电偶温度计来监控FBAR的温度。

为了考察纯ZnO压电膜FBAR的TCF大小，实验中对同一器件在20～200 ℃范围内频率漂移进行了测试，每隔10 ℃记录一次网络分析仪数据。样品在室温(20 ℃)时谐振频率为2 245.75 MHz，绘制器件在20～200 ℃温度范围内的频率曲线如图4所示。由图4可以看出，FBAR的频率与温度之间存在线性关系。通过线性拟合后，可以看到在20～110 ℃和120～200 ℃范围内满足频率与温度变化分别符合式(4)和式(5)：

图4 未掺杂ZnO基FBAR温度频率曲线

fb=2 248.94-0.156 3Tb

(4)

fd=2 240.505-0.084 2Td

(5)

可以算出纯ZnO基FBAR在在20～110 ℃和120～200 ℃内的温度频率系数TCF分别高达-69.5 ppm/℃和-37.7 ppm/℃。

对于FBAR传感器，器件基频随温度漂移将会直接影响测量结果的准确性。为此，探索不同镁掺杂ZnO基FBAR在37 ℃(人体体温)附近的TCF。为了使测量结果更加准确，增加了其他浓度镁掺杂ZnO基FBAR的样品，并且对每个样品在恒温下进行了10次重复测量。不同掺杂浓度的样品TCF曲线如图5所示。

图5 ZnO基FBAR的TCF与Mg掺杂浓度关系

可以看到，随着镁元素掺入到氧化锌薄膜中，器件的TCF均有下降。当掺杂Mg元素质量分数为2.23%时，TCF最小值为-26.0 ppm/℃。在W. Water对Mg掺杂氧化锌薄膜压电性能的研究中，曾指出低浓度Mg掺杂有利于提高ZnO薄膜的结晶性，降低ZnO压电膜的TCF系数[2]。

4.3 Mg掺杂ZnO基FBAR的机电耦合系数

(6)

式中：fs和fp分别是器件的串联和并联谐振频率。

将上述样品在固定温度下测试器件谐振频率并计算出机电耦合系数，得到器件的机电耦合系数与掺杂浓度关系图，如图6所示。

图6 ZnO基FBAR的机电耦合系数与Mg掺杂浓度关系

由图6可看出，在较低Mg掺杂浓度下，器件机电耦合系数有微弱的增大，当掺杂浓度进一步加大时，机电耦合系数呈下降趋势。MgO是一种非压电材料，有报道研究表明当Mg掺杂摩尔分数大于10%时，将会降低掺杂后ZnO压电膜的机电耦合系数[2,9]。通过SEM可以看到，在较低Mg掺杂条件下，Mg掺杂使ZnO晶粒尺寸增大，晶界缺陷减少，压电膜的晶粒更加均匀，结晶性增强，因此器件的机电耦合系数略微增大。这与文献研究ZnO薄膜压电响应的一般规律相符合，即当掺杂元素离子半径小于Zn2+离子半径，掺杂引起ZnO薄膜出现铁电自发极化，相对介电常数也增大，最终增大压电薄膜的压电响应[10]。

5 结论

用SEM、EDS等测试对制备的Mg掺杂ZnO压电膜进行了表征，随着镁掺杂浓度的增大，ZnO颗粒逐渐增大，说明镁掺杂有利于ZnO颗粒的生长。利用Mg掺杂ZnO压电膜制备了FBAR器件，在较低Mg掺杂时，器件机电耦合系数有微弱的增大，当掺杂浓度过高时，机电耦合系数呈下降趋势。当掺杂Mg元素质量分数为2.23%时，器件在20～100 ℃内的温度频率系数TCF为-26.0 ppm/℃，比之前纯ZnO基FBAR的TCF值-69.5 ppm/℃显著下降。