一种基于氧化镓薄膜的压电谐振器及其制备方法与流程

本发明涉及半导体技术，是新一代信息技术，尤其涉及一种基于氧化镓薄膜的压电谐振器及其制备方法。

背景技术：

压电谐振器被广泛应用于构建射频滤波器和振荡器，是射频通信领域的重要器件之一；此外，压电谐振器还可被用于实现传感器。随着通信技术的快速发展，大数据和物联网时代已经到来，压电谐振器的发展方向必将是高频率、低功耗、微型化、集成化和低成本等。薄膜压电谐振器具有传统陶瓷介质谐振器无可比拟的频率、功率容量、体积和成本优势。薄膜压电谐振器通常由压电薄膜和电极构成，其工作原理是由射频电信号通过电极在压电薄膜内激励起声波振荡从而实现特定频率的谐振。因此，压电薄膜的机电耦合系数是决定谐振器性能的关键。现有的压电薄膜通常采用磁控溅射工艺制备的zno、aln等，其材料本身的压电特性不够强且为多晶结构，存在大量的晶界和缺陷，造成对声波振荡能量的吸收，增加损耗，导致机电耦合系数不高。此外，多晶压电薄膜中的大量晶界和缺陷还可导致谐振器的稳定性和耐高温特性差等问题。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明目的在于提供一种基于氧化镓薄膜的压电谐振器及其制备方法。

本发明所述的一种基于氧化镓薄膜的压电谐振器，包括中部镂空的衬底，以及固定设置在衬底上的压电薄膜，所述压电薄膜在衬底镂空的对应位置设有电极对，所述电极对与所述压电薄膜电性连接，所述的压电薄膜为氧化镓薄膜。

所述的氧化镓薄膜为ε相氧化镓单晶薄膜。

所述的氧化镓薄膜厚度为0.1um到20um。

所述的电极对包括第一电极和第二电极，所述的第一电极设置在氧化镓薄膜上表面，所述的第二电极设置在氧化镓薄膜下表面。

所述的电极对包括第一电极和第二电极，所述的第一电极和第二电极均设置在氧化镓薄膜上表面且互为叉指电极结构。

本发明所述的一种基于氧化镓薄膜的压电谐振器的制备方法，包括在衬底上生长压电薄膜的步骤、衬底刻蚀镂空的步骤以及电极对制作的步骤；所述的压电薄膜采用氧化镓材料制成。

所述压电薄膜为ε相氧化镓单晶薄膜。

所述压电薄膜的厚度为0.1um到20um。

所述的压电薄膜由金属有机化学气相沉积或分子束外延的方法外延生长而成。

所述衬底刻蚀镂空的步骤具体为：通过光刻工艺在衬底下表面形成图形化掩模，采用干法或湿法刻蚀工艺对衬底进行刻蚀，暴露出位于中间位置的压电薄膜。

本发明所述的一种基于氧化镓薄膜的压电谐振器及其制备方法，其优点在于，利用了氧化镓极强的压电特性，可保证压电谐振器具有很高的机电耦合系数。进一步，采用ε相氧化镓单晶膜，不仅可以避免由晶界和缺陷带来的能量吸收，降低损耗，而且可以大幅度提高器件稳定性。此外，本发明的薄膜压电谐振器结构简单，加工重复性好，有利于工业化生产。

附图说明

图1是本发明所述压电谐振器实施例一的结构示意图；

图2是图1中a-a向剖视图。

图3是本发明所述压电谐振器实施例二的结构示意图；

图4是图1中b-b向剖视图。

附图标记：101-衬底、102-氧化镓薄膜、103-第一电极、104第二电极。

具体实施方式

实施例一

如图1、2所示，本发明所述的一种基于氧化镓薄膜包括中部镂空的衬底101，以及固定设置在衬底101上的压电薄膜。所述压电薄膜在衬底101镂空的对应位置设有电极对，所述电极对与所述压电薄膜电性连接。所述的压电薄膜为氧化镓薄膜102，优选为ε相氧化镓单晶薄膜，厚度为0.1um到20um。所述的电极对包括第一电极103和第二电极104，所述的第一电极103设置在氧化镓薄膜102上表面，所述的第二电极104设置在氧化镓薄膜102下表面。

工作原理在于，利用纵向压电效应，由分设于氧化镓薄膜102上下表面的第一电极103和第二电极104实现电信号的输入和输出，其优点是压电效应强和损耗小。

制备方法包括如下详细步骤：

生长压电薄膜：在衬底101上通过金属有机化学气相沉积mocvd或分子束外延mbe的方法外延生长ε相氧化镓单晶薄膜，厚度控制在优选范围0.1um到20um；

制作第一电极103：在压电薄膜上表面采用溅射或电子束蒸发方法制备得到第一电极103；

衬底101深槽刻蚀：通过光刻工艺在衬底101下表面形成图形化掩模，采用干法或湿法刻蚀工艺对衬底101进行刻蚀，暴露出位于中间位置的压电薄膜；

制作第二电极104：在暴露出来的压电薄膜下表面采用溅射或电子束蒸发方法制备得到第二电极104。

实施例二

如图3、4所示，本实施例与实施例一的区别主要在于，所述的电极对是互为叉指电极结构的第一电极103和第二电极104，且电极对均设置在氧化镓薄膜102上表面，水平位置与衬底101镂空对应的位置相适应。

工作原理在于，利用横向压电效应，由位于氧化镓薄膜102上表面的电极对实现电信号的输入和输出，其优点是结构简单，制备工艺步骤少。

制备方法包括如下详细步骤：

生长压电薄膜：在衬底101上通过金属有机化学气相沉积(mocvd)或分子束外延(mbe)的方法外延生长ε相氧化镓单晶薄膜，厚度控制在优选范围0.1um到20um；

制作电极对：在压电薄膜上表面采用溅射或电子束蒸发方法分别制备得到第一电极103和第二电极104；

衬底101深槽刻蚀：通过光刻工艺在衬底101下表面形成图形化掩模，采用干法或湿法刻蚀工艺对衬底101进行刻蚀，暴露出位于中间位置的压电薄膜。相比实施例一，在电极对形成的步骤上更加归一化，使得结构简单而工艺步骤减少。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

技术特征：

1.一种基于氧化镓薄膜的压电谐振器，包括中部镂空的衬底(101)，以及固定设置在衬底(101)上的压电薄膜，所述压电薄膜在衬底(101)镂空的对应位置设有电极对，所述电极对与所述压电薄膜电性连接，其特征在于，所述的压电薄膜为氧化镓薄膜(102)。

2.根据权利要求1所述基于氧化镓薄膜的压电谐振器，其特征在于，所述的氧化镓薄膜(102)为ε相氧化镓单晶薄膜。

3.根据权利要求1所述基于氧化镓薄膜的压电谐振器，其特征在于，所述的氧化镓薄膜(102)厚度为0.1um到20um。

4.根据权利要求1所述基于氧化镓薄膜的压电谐振器，其特征在于，所述的电极对包括第一电极(103)和第二电极(104)，所述的第一电极(103)设置在氧化镓薄膜(102)上表面，所述的第二电极(104)设置在氧化镓薄膜(102)下表面。

5.根据权利要求1所述基于氧化镓薄膜的压电谐振器，其特征在于，所述的电极对包括第一电极(103)和第二电极(104)，所述的第一电极(103)和第二电极(104)均设置在氧化镓薄膜(102)上表面且互为叉指电极结构。

6.一种基于氧化镓薄膜的压电谐振器的制备方法，包括在衬底(101)上生长压电薄膜的步骤、衬底(101)刻蚀镂空的步骤以及电极对制作的步骤；其特征在于，所述的压电薄膜采用氧化镓材料制成。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述压电薄膜为ε相氧化镓单晶薄膜。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述压电薄膜的厚度为0.1um到20um。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述的压电薄膜由金属有机化学气相沉积或分子束外延的方法外延生长而成。

10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述衬底(101)刻蚀镂空的步骤具体为：通过光刻工艺在衬底(101)下表面形成图形化掩模，采用干法或湿法刻蚀工艺对衬底(101)进行刻蚀，暴露出位于中间位置的压电薄膜。

技术总结
本发明公开了一种基于氧化镓薄膜的压电谐振器及其制备方法，涉及半导体技术。针对现有技术中机电耦合系数不高的问题提出本方案，包括中部镂空的衬底，以及固定设置在衬底上的压电薄膜，所述压电薄膜在衬底镂空的对应位置设有电极对，所述电极对与所述压电薄膜电性连接，所述的压电薄膜采用氧化镓材料制成。优点在于，利用了氧化镓极强的压电特性，可保证压电谐振器具有很高的机电耦合系数。进一步，采用ε相氧化镓单晶膜，不仅可以避免由晶界和缺陷带来的能量吸收，降低损耗，而且可以大幅度提高器件稳定性。此外，本发明的薄膜压电谐振器结构简单，加工重复性好，有利于工业化生产。

技术研发人员：卢星;王钢;陈梓敏
受保护的技术使用者：中山大学
技术研发日：2020.05.08
技术公布日：2020.08.07