Au-delà de 5 GHz excitation d'un ZnO

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 13329 (2023) Citer cet article

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Ce travail rend compte de la fabrication et de la caractérisation d'un résonateur acoustique de volume à hautes harmoniques (HBAR) à base d'Au/ZnO/Pt sur des substrats SiC. Nous évaluons ses caractéristiques micro-ondes par rapport aux substrats Si pour les applications micro-électromécaniques. La pulvérisation magnétron diélectrique et un évaporateur à faisceau d'électrons sont utilisés pour développer des films de ZnO et des électrodes métalliques hautement orientés vers l'axe c. La structure cristalline et la morphologie de surface des couches de post-croissance sont caractérisées à l'aide de techniques de diffraction des rayons X, de microscopie à force atomique et de microscopie électronique à balayage. HBAR sur substrat SiC entraîne de multiples résonances d'ondes acoustiques de masse longitudinales jusqu'à 7 GHz, les résonances excitées les plus fortes émergeant à 5,25 GHz. La valeur du paramètre fQ (Fréquence de résonance. Facteur de qualité) obtenue à l'aide d'une nouvelle méthode d'approche Q pour HBAR sur substrat SiC est de 4,1 \(\times\) 10\(^{13}\) Hz, ce qui, à notre connaissance. , est la plus élevée parmi toutes les valeurs signalées pour les appareils spécifiés à base de ZnO.

Les résonateurs à ondes acoustiques de masse (BAW) hautes performances ont reçu beaucoup d'attention au cours des dernières décennies en raison de leur utilisation potentielle comme sources de radiofréquences (RF), capteurs, filtres et actionneurs.1,2 Résonateur à cristal de quartz (QCR ), qui fonctionne généralement dans la plage de plusieurs MHz à plusieurs dizaines de MHz, est un type courant de résonateur BAW. Un autre type de résonateur BAW est le résonateur acoustique en volume à hautes harmoniques (HBAR), également appelé résonateur composite composé d'une couche piézoélectrique prise en sandwich entre deux électrodes métalliques sur un substrat à faible perte acoustique.3,4 Avec une structure simple mais robuste, une taille compacte et un facteur de qualité (Q) d'une qualité impressionnante, le HBAR a la capacité de démontrer des résonances très aiguës (f) à des fréquences GHz et supérieures à celles du QCR. En raison de ces propriétés, le HBAR est devenu un concurrent viable pour une utilisation dans les oscillateurs, les capteurs et les sources de phonons à faible bruit dans les systèmes d'acousto-dynamique quantique.5,6,7,8 Récemment, il y a eu un intérêt croissant pour les systèmes d'acoustique quantique. dans le développement de capteurs physiques, chimiques et biologiques intelligents de haute sensibilité basés sur des résonateurs acoustiques pour une détection non invasive dans des applications en temps réel sans utiliser de réactifs/produits chimiques externes. Le principe de fonctionnement ici est d'intégrer un élément biologique/chimique au transducteur physique de l'appareil acoustique car il est sensible à la force de liaison chimique atomique, ionique ou moléculaire dans la gamme de fréquences des micro-ondes.9,10 Par conséquent, le HBAR peut être largement utilisé. utilisé pour analyser une large gamme de petits volumes de matériaux fluidiques, y compris les fluides physiologiques humains, et convient aux systèmes Lab-on-a-Chip (LoC).11,12,13,14

Habituellement, les films de titanate de zirconate de plomb (PZT), de nitrure de gallium (GaN), de nitrure d'aluminium (AlN) et d'oxyde de zinc (ZnO) ont fait l'objet de recherches approfondies pour les dispositifs acoustiques.15,16,17,18 Le PZT offre une variété distinctive de caractéristiques. , y compris une constante piézoélectrique très élevée et une valeur de couplage électromécanique efficace (\(k_{eff}^2\)). Cependant, il n'est pas adapté aux applications HBAR en raison de ses vitesses acoustiques plus faibles, de son atténuation des ondes acoustiques plus élevée et des difficultés liées à la préparation de films minces.1,11 Les films de GaN sont nettement moins répandus en raison de leurs mauvaises propriétés piézoélectriques et de leur faible \(k_{eff }^2\).19 Bien que les films d'AlN possèdent une vitesse acoustique élevée par rapport aux films de ZnO, ils souffrent encore d'une faible valeur de \(k_{eff}^2\).19 Parmi les nombreux matériaux piézoélectriques décrits ci-dessus, les films de ZnO avec Les caractéristiques électroacoustiques améliorées se sont révélées être les plus prometteuses pour le développement de dispositifs HBAR. Néanmoins, comme indiqué dans la littérature, les dispositifs HBAR avec couche piézoélectrique de ZnO ont été pour la plupart limités aux substrats en saphir avec une valeur de produit fQ d'environ 4,8 \(\times\) 10\(^{13}\) Hz en utilisant la méthode Q de Lakin. 4,20,21 De plus, le HBAR à base de ZnO a déjà été démontré sur des substrats de quartz et de diamant ; cependant, ils présentent une valeur fQ inférieure d'environ 1,1 et 0,2 \(\times\) 10\(^{13}\) Hz, respectivement.4,22 Outre le substrat ci-dessus, le carbure de silicium (SiC) est également connu sous le nom de la faible perte acoustique (0,4 dB/cm à 1 GHz) et le substrat à vitesse acoustique élevée par rapport aux substrats en saphir et en diamant, ce qui le rend adapté aux dispositifs HBAR et facilement compatible avec les processus de micro-usinage de surface.8,22,23,24 De plus, Le SiC est fréquemment utilisé dans les appareils électroniques à haute température et haute puissance en raison de sa dureté élevée, de sa conductivité thermique élevée, de sa résistance chimique, etc. Les substrats SiC jouent également un rôle essentiel dans la nouvelle génération de capteurs et de systèmes quantiques hybrides, car ils génèrent des contraintes élevées aux fréquences GHz par rapport aux autres substrats.22 Il est donc impératif et pertinent d'étudier les propriétés de résonance micro-ondes du HBAR à base de ZnO. sur substrats SiC.