声表面波压电薄膜异质金刚石结构的研究

张 东, 刘 权, 马雪松, 苏媛媛, 刘嘉欣,高士海, 刘宇浩, 丁 程, 孙 文, 董文超

(沈阳工程学院 新能源学院, 沈阳 110136)

0 引 言

近年来,声表面波滤波器件(SAW)已成为宽带数字通信和视频系统的核心部件。随着移动通信行业的快速发展,高频率低功耗SAW器件成为通信的热点,工作频率大于1 GHz的SAW器件将广泛应用于无线通信设备中[1-7]。然而,由于传统光刻工艺的限制,工作频率大于2.5 GHz的SAW器件的发展受到了极大的限制。金刚石是自然界中声波传播最快的材料,但是金刚石不具有压电特性,金刚石结合压电材料可以制备出更高频率的SAW器件。

目前,已经有研究报道采用化学气相沉积(CVD)技术在硅表面制备的纳米金刚石薄膜层,然后结合氧化锌(ZnO)压电材料,制备出ZnO压电薄膜/金刚石/硅基片层状结构[8]。但是由于硅衬底材料的散热性差,导致该结构的散热性能降低,很难制备出高功率的器件。如何提高声表面波滤波器的功率持续性已成为该领域研究的热点。本研究采用氮化镓(GaN)压电材料结合支持金刚石衬底,该结构可以充分利用金刚石的高导热性和声速特性,并且由于硅衬底的去除,散热问题将得到解决。此外,由于GaN材料的相速度高于ZnO材料的相速度,因此在相同宽度的叉指电极情形下GaN压电薄膜/金刚石结构可以实现更高的频率器件。此外,GaN的相速度与金刚石的相速度相差很小,所以GaN压电薄膜结合金刚石材料的结构有望实现更小相速度偏差。因此,与其他结构相比,高频率低损耗的GaN压电材料结合金刚石结构将得到进一步发展。

一般来说,声速和机电耦合系数是SAW器件的主要特性[7]。而且这些特性都要求所制备的压电材料具有高质量。为了实现基于GaN压电薄膜/金刚石结构的高频率的SAW器件,要求所制备的GaN薄膜具有优异的结构性能和光滑表面。本研究采用电子回旋共振等离子体增强金属有机化学气相沉积(ECR-PEMOCVD)系统在自持金刚石衬底上沉积制备了GaN薄膜材料。本研究采用的ECR电子回旋共振工艺可以显著提高N2的反应活性,对低温下GaN薄膜的形成是必要的。系统研究了N2流量对GaN薄膜样品的结晶性能、表面形貌、组成成分和电学性能的影响。结果表明,在N2流量为90 sccm时,成功制备了具有优异性能的GaN薄膜。

1 实 验

本实验中,采用直流辉光放电低温等离子化学气相沉积系统(LPCVD)制备了厚度为0.5～0.8 mm的支持金刚石膜作为衬底基片。由于所制备的支持金刚石厚膜的生长表面太粗糙,很难制备出高质量的GaN薄膜样品,所以不能用作GaN沉积的基片。因此我们采用金刚石膜的光滑成核表面作为GaN薄膜的生长表面。首先,金刚石膜的成核表面被机械抛光至纳米水平的表面均方根粗糙度,然后用于满足沉积GaN薄膜的平坦度的要求。其次,将支持金刚石基片在室温下浸入硫酸和磷酸的3∶1混合物中24 h,目的是除去由于在高温下长时间金刚石沉积而形成的金属碳化物的薄层。最后,用甲苯、丙酮、乙醇和去离子水依次进行超声波清洗,用N2干燥,然后引入MOCVD反应室。三甲基镓(TMGa)和N2分别被用作Ga和N的反应源。用半导体阱将TMGa的温度保持在-14.1 ℃。通过电子回旋共振(ECR)技术工艺可以显著提高N2电离反应性,即在低温环境下形成GaN膜所需的高能反应粒子,ECR技术使衬底上存在更多反应性氮的粒子。另外,使用较高的N2流量可以提供富含N2的气氛氛围,使反应更加完全。随后,TMGa的流量为0.5 sccm,由质量流量控制器控制。沉积温度为400 ℃,GaN薄膜生长时间是180 min。为了研究N2流量对生长薄膜的结构和电学性质的影响,N2流量在80 sccm到120 sccm范围内变化。

本研究采用X射线衍射(XRD)测定样品的结晶质量和择优取向, 用原子力显微镜(AFM)系统分析GaN薄膜的表面形貌,使用霍尔效应测量(HL5500)研究自持金刚石衬底制备的GaN薄膜的电学性能,并且为了确定Ga和N百分比,使用电探针微量分析(EPMA)对其进行了测试分析。

2 结果与讨论

2.1 XRD测试分析

图1显示了不同N2流量下沉积在自持金刚石基片上的GaN膜的XRD图谱。由图1所示,在这些峰中,较强的峰出现在约43.9°和75.2°,分别对应着金刚石(111)面和金刚石(220)面的衍射峰特征。可以看出,随着N2流量从80 sccm增加到90 sccm,所制备的GaN薄膜的择优取向逐渐清晰,峰值的衍射强度逐渐增强。当N2流量从90 sccm进一步增加到110 sccm时,所制备的GaN薄膜的择优取向逐渐变差,峰值的衍射强度逐渐变小,与薄膜择优取向不良有密切的关系,这是因为当N2流量太低或太高时,制备薄膜的化学反应不完全造成的。此外,氮施主杂质可能在N2流量增加的情况下在薄膜中引起更多的缺陷,导致晶体质量下降。从实验结果可以清楚地看出,在N2流量为90 sccm时,所制备的GaN薄膜的高c轴取向垂直于衬底。

图1 不同N2流量80 sccm(a)、90 sccm(b)、100 sccm(c)和110 sccm(d)条件下沉积的GaN薄膜的XRD图谱Fig.1 XRD sccmpectrum of the GaN films deposited at the different N2 flux of 80 sccm (a), 90 sccm (b), 100 sccm (c) and 110 sccm (d), respectively

2.2 霍尔效应测试分析(Hall)

霍尔效应测试分析应用于在不同N2流量条件下制备的GaN薄膜的电学特性能的研究,测试结果表明所制备的GaN薄膜均是N型导半导体。从表1可以看出,当N2流量从80 sccm增加到90 sccm时,所制备的GaN薄膜的载流子浓度逐渐降低,迁移率逐渐增大。然而,当N2流量从90 sccm增加到110 sccm时,所制备的GaN薄膜的载流子浓度逐渐增加,迁移率逐渐降低。薄膜样品迁移率差的原因归因于散射效应,包括缺陷散射、晶界散射等。而GaN薄膜背景载流子浓度较高,一般认为是氮空位[9-11],较高的生长温度下氮的高分压支持这一假设。另一些研究则认为氧掺入导致电导率增加,并且薄膜呈现N型半导体特性与材料中的固有缺陷有关。我们分析其薄膜样品电性能较差的原因如下:当N2流量过低时,反应不完全,并且显示出较多的随晶体质量而散射的缺陷,导致不良的电性能。然而,当氮通量过高时,衬底上的N个反应颗粒更多,界面处的缺陷积聚并导致在这种条件下电性能降低。结果表明,N2通量对金刚石基底上沉积的GaN薄膜的电学性质起着重要作用,可以帮助理解如何获得金刚石基底上沉积的高质量GaN薄膜。

表1 GaN薄膜样品的电学性能和不同N2流量下的Ga/N原子比Tab.1 Electrical property of as-deposited GaN films and Ga/N atomic ratio at diffident N2 flux

2.3 Ga/N与EPMA的原子比分析

图2 生长的GaN薄膜在N2通量不变的情况下的Ga/N原子比Fig.2 Ga/N atomic ratio of as-grown GaN films at diffident N2 flux

为了研究GaN薄膜的成分组成,本研究采用EPMA研究了Ga/N原子在薄膜中的成分比值,结果见表1。从表1可以看出,随着Ga/N原子比逐渐增加,首先,迁移率逐渐增加,GaN薄膜的载流子浓度逐渐降低。然而,当Ga/N原子比逐渐增加时,其迁移率逐渐降低,载体浓度逐渐增加。原因是当Ga/N原子比低时,镓金属的短缺将产生大量的氮空间,更多的N反应粒子不能完全结合Ga颗粒,导致GaN薄膜的电气性能较差。当Ga/N原子比达到适当的点时,样品具有最好的电性。结果表明,Ga/N原子比在金刚石基体上沉积的GaN薄膜的电性能起着重要作用。

2.4 薄膜的AFM形态特征分析

图3 90 sccm的N2通量下沉积的GaN膜的AFM表面形貌Fig.3 AFM surface morphologies of the GaN films deposited at the N2 flux of 90 sccm

图3给出了在90 sccm的N2通量下沉积的GaN膜的典型原子力显微镜(AFM)图像。从图像中可以看出,GaN薄膜具有均匀的密度,而且表面岛状清晰可见,并且具有光滑的表面形貌。为了满足高频声表面波器件的实际应用需求,GaN薄膜的表面粗糙度应达到纳米数量级。经测试分析,GaN薄膜的表面粗糙度比较平滑,只有4.5 nm。因此,在金刚石基片上成功生长出均匀致密的GaN薄膜,完全满足高频声表面波器件的表面粗糙度要求。

3 结 论

通过电子回旋共振等离子体增强金属有机化学气相沉积(ECR-PEMOCVD)将高c轴取向的GaN膜沉积在自持金刚石厚膜基片上,系统地研究了N2流量的改变对所制备的GaN薄膜的结构、形貌、成分和电学特性的影响。结果表明,本研究在N2流量为90 sccm时成功地制备出了具有良好的表面粗糙度和高c取向的高质量GaN薄膜,霍尔测量表明样品呈现n型导电性。实验分析得出Ga/N原子比是电性能的一个重要因素,有助于理解如何获得金刚石基底上沉积高电学性能的GaN薄膜样品。研究成果对于SAW器件的研制非常重要,采用压电薄膜异质自持金刚石结构将开发出高频低插入的SAW器件。