ZnO의 5GHz 이상 여기

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 13329(2023) 이 기사 인용

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이 연구는 SiC 기판의 Au/ZnO/Pt 기반 고배음 벌크 음향 공진기(HBAR)의 제작 및 특성화에 대해 보고합니다. 우리는 마이크로 전자 기계 응용 분야를 위한 Si 기판과 비교하여 마이크로파 특성을 평가합니다. 유전체 마그네트론 스퍼터링과 전자빔 증발기는 c축 방향이 높은 ZnO 필름과 금속 전극을 개발하는 데 사용됩니다. 성장 후 층의 결정 구조와 표면 형태는 X선 회절, 원자력 현미경 및 주사 전자 현미경 기술을 사용하여 특성화됩니다. SiC 기판의 HBAR은 최대 7GHz까지 다중 종방향 벌크 탄성파 공진을 일으키며, 가장 강한 여기 공진은 5.25GHz에서 나타납니다. SiC 기판의 HBAR에 대한 새로운 Q 접근 방법을 사용하여 얻은 fQ(공명 주파수. 품질 인자) 매개변수의 값은 4.1\(\times\) 10\(^{13}\)Hz이며, 이는 우리가 아는 한 가장 좋은 것입니다. 는 지정된 ZnO 기반 장치에 대해 보고된 모든 값 중에서 가장 높습니다.

고성능 벌크 탄성파(BAW) 공진기는 무선 주파수(RF) 소스, 센서, 필터 및 액추에이터로 사용될 가능성이 있기 때문에 지난 수십 년 동안 많은 주목을 받았습니다.1,2 수정 수정 공진기(QCR) )는 일반적으로 수 MHz ~ 수십 MHz 범위에서 작동하며 일반적인 유형의 BAW 공진기입니다. BAW 공진기의 또 다른 유형은 HBAR(High Overtone Bulk Acoustic Resonator)로, 저음향 손실 기판의 두 금속 전극 사이에 삽입된 압전층으로 구성된 복합 공진기라고도 합니다.3,4 단순하면서도 견고한 구조로, 컴팩트한 크기와 인상적인 고품질 계수(Q)를 갖춘 HBAR은 QCR보다 GHz 주파수 이상에서 매우 예리한 공진(f)을 나타내는 능력을 갖추고 있습니다. 이러한 특성으로 인해 HBAR은 양자 음향 역학 시스템의 저잡음 발진기, 센서 및 포논 소스에 사용하기 위한 실행 가능한 경쟁자로 부상했습니다.5,6,7,8 최근 관심이 눈에 띄게 증가했습니다. 외부 시약/화학 물질을 사용하지 않고 실시간 응용 분야에서 비침습적 감지를 위한 음향 공진기를 기반으로 하는 고감도 스마트 물리, 화학 및 생물학적 센서를 개발하고 있습니다. 여기서 작동 원리는 마이크로파 주파수 범위에서 원자, 이온 또는 분자 화학 결합 강도에 민감하기 때문에 생물학적/화학적 요소를 음향 장치의 물리적 변환기와 통합하는 것입니다.9,10 따라서 HBAR은 광범위하게 사용될 수 있습니다. 인간 생리액을 포함한 광범위한 소량의 유체 물질을 분석하는 데 사용되며 LoC(Lab-on-a-Chip) 시스템에 적합합니다.11,12,13,14

일반적으로 티탄산지르콘산납(PZT), 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN) 및 산화아연(ZnO) 필름은 음향 장치에 대한 철저한 연구를 거쳤습니다.15,16,17,18 PZT는 독특하고 다양한 기능을 제공합니다. , 매우 높은 압전 상수와 효과적인 전기기계적 결합(\(k_{eff}^2\)) 값을 포함합니다. 그러나 낮은 음속, 높은 음파 감쇠 및 박막 제조의 어려움으로 인해 HBAR 애플리케이션에는 적합하지 않습니다.1,11 GaN 필름은 압전 특성이 낮고 \(k_{eff)가 낮기 때문에 널리 사용되지 않습니다. }^2\) 값.19 AlN 필름은 ZnO 필름에 비해 높은 음속을 가지지만, 다시 \(k_{eff}^2\) 값이 낮다는 문제가 있습니다.19 위에서 설명한 수많은 압전 재료 중에서 ZnO 필름은 향상된 전기 음향 특성은 HBAR 장치 개발에 가장 유망한 것으로 밝혀졌습니다. 그럼에도 불구하고 문헌에 보고된 바와 같이 ZnO 압전층을 갖춘 HBAR 장치는 대부분 Lakin의 Q 방법을 사용하여 fQ 곱 값이 약 4.8\(\times\) 10\(^{13}\)Hz인 사파이어 기판으로 제한되었습니다. 또한 ZnO 기반 HBAR은 이전에 석영 및 다이아몬드 기판에서 시연되었습니다. 그러나 이들은 각각 약 1.1 및 0.2\(\times\) 10\(^{13}\)Hz의 더 낮은 fQ 값을 나타냅니다.4,22 위의 기판 외에도 탄화규소(SiC)는 다음과 같이 알려져 있습니다. 사파이어 및 다이아몬드 기판과 비교할 때 낮은 음향 손실(0.4dB/cm @ 1GHz) 및 높은 음속 기판으로 인해 HBAR 장치에 적합하고 표면 미세 가공 공정과 편리하게 호환됩니다.8,22,23,24 또한, SiC는 높은 경도, 높은 열전도율, 내화학성 등으로 인해 고온, 고출력 전자기기에 많이 사용됩니다. SiC 기판은 다른 기판보다 GHz 주파수에서 높은 응력을 생성하기 때문에 차세대 하이브리드 양자 센서 및 시스템에서 중요한 역할을 합니다. 따라서 ZnO 기반 HBAR의 마이크로파 공진 특성을 조사하는 것이 필수적이며 적절합니다. SiC 기판에.