3.1 SiO2缓冲层对ZnO薄膜生长及ZnO/SiO2/Si三层结构声表面波性能的影响
图2为不同厚度的SiO2薄膜上生长ZnO薄膜的XRD图谱.从图2可见,Si衬底上生长的ZnO薄膜,其衍射角2θ从30°到60°之间仅在约34.4°处出现一个很强的衍射峰,此峰对应于ZnO(0002)晶面的衍射峰[20],说明Si衬底上直接生长的ZnO薄膜具有(0002)择优取向,其c轴垂直于衬底表面生长.当引入缓冲层SiO2薄膜后,ZnO薄膜在2θ=56.56°时出现了一个衍射峰,此峰对应于ZnO(112^-0)晶面的衍射峰[21].
图2 Si、SiO2(100 nm)/Si、SiO2(200 nm)/Si和SiO2(300 nm)/Si衬底上生长的ZnO薄膜的XRD图谱
Fig.2 (Color online)XRD patterns of ZnO films on Si, SiO2(100 nm)/Si, SiO2(200 nm)/Si and SiO2(300 nm)/Si
随着缓冲层SiO2薄膜厚度增至200 nm,ZnO(0002)衍射峰变宽,ZnO(112^-0)晶面的衍射峰强度明显增强,且衍射峰变窄,说明ZnO薄膜出现(112^-0)择优取向生长.当缓冲层SiO2薄膜厚度增至300 nm后,ZnO(112^-0)晶面的衍射峰消失,只剩下ZnO(0002)晶面的衍射峰.研究表明,在Si衬底上直接沉积ZnO薄膜时,由于Si衬底表面的Si原子容易“捕捉”ZnO薄膜中的氧原子,因此在Si衬底表面直接生长ZnO薄膜时,易出现氧空位和Zn间隙的缺陷,从而消耗部分溅射离子转移到薄膜衬底上的能量,因此低表面能的ZnO(0002)晶面容易生长从而形成ZnO(0002)择优取向.当在Si衬底上先沉积一层SiO2缓冲层时,不仅能够解决ZnO薄膜中氧原子缺失的问题,同时还能够通过SiO2薄膜沉积过程中,形成一些能量富集区,有利于高表面能的ZnO(112^-0)晶面的生长.当SiO2缓冲层厚度较大时,ZnO薄膜与SiO2缓冲层之间存在较大的应力,不利于ZnO(112^-0)晶面的生长,从而导致ZnO择优取向的消失.
制备声表面波器件的ZnO薄膜要求具有良好的表面质量、合适的晶粒尺寸.采用扫描电子显微镜对制备的不同厚度SiO2的ZnO薄膜进行表面形貌分析,分别测得ZnO/Si、ZnO/SiO2(100 nm)/Si、ZnO/SiO2(200 nm)/Si和ZnO/SiO2(300 nm)/Si的SEM扫描图,如图3.
图3 不同厚度的SiO2薄膜上生长的ZnO薄膜的SEM图谱
Fig.3 SEM images of ZnO films on SiO2 buffer layer with different thicknesses
从图3(a)可见,Si衬底上直接生长的ZnO薄膜表面颗粒大小不均匀,表面颗粒粒径从20～120 nm都有.由图3(b)和(c)可见,当引入SiO2缓冲层厚度为100和200 nm时,ZnO薄膜表面颗粒粒径变小,而且变得均匀致密,颗粒尺寸约在20～50 nm.由图3(d)可见,当SiO2缓冲层厚度达300 nm后,ZnO薄膜的表面颗粒尺寸进一步变大,大概在30～100 nm.一般来说,单一取向的ZnO薄膜晶粒容易生长变大,因此在薄膜表面表现出较大的颗粒粒径,而对于SiO2缓冲层厚度为100 nm和200 nm时,ZnO薄膜同时呈现出具有(0002)和(112^-0)晶面择优取向,两个晶面竞争生长,导致表面的颗粒尺寸变得均匀细小.均匀细小的表面颗粒能减少声表面波在表面的散射,有利于声表面波的传播,因此有利于制备高质量的声表面波器件.
采用4种结构的材料制作声表面波谐振器,利用网络分析仪和阻抗分析仪测试声表面波器件的中心谐振频率 f0、 谐振频率处的电导G0和容抗CT, 然后根据式(1)计算声表面波器件的K2值[22],
K2=(G0(f0))/(4/(π)ω0CTN2)=(G0(f0))/(8 f0CTN2)(1)
其中,N为叉指电极对数,本研究设N=40; K2是声表面波器件一个非常重要的性能指标,可描述能量转换过程中声表面波能量与机械能的耦合效率,K2值越大,说明声表面波器件将声表面波能量与机械能耦合的本领越大,损失的能量越小,因此器件性能越好.图4(a)给出了在4种不同SiO2缓冲层厚度的压电材料上制作的声表面波器件的K2值.
图4 声表面波器件性能参数
Fig.4 Properties of SAW device
从图4可发现,引入SiO2缓冲层能改变ZnO/SiO2/Si三层结构的K2值,其大小随着SiO2缓冲层厚度的增加,先增后减.进一步分析可知,K2的值与ZnO(112^-0)晶面的衍射强度有关.当SiO2薄膜厚度为200 nm时,ZnO(112^-0)择优取向最明显,三层结构的机电耦合系数也达到最大(0.98±0.02)%.当SiO2薄膜厚度进一步增加到300 nm时,ZnO(112^-0)衍射峰消失,三层结构的机电耦合系数也相应减小.
SAW 器件另一个重要参数是TCD,它是反映声表面波器件温度稳定性的重要参量.一般来说,TCD越趋于0,声表面波器件温度稳定性越好[23].图4(b)给出了上述4种结构上制作的声表面波器件的TCD.从图4(b)可见,ZnO/Si制作的声表面波器件的TCD值约为12×10-6 ℃-1,在引入SiO2薄膜后,TCD值显著减小,当SiO2薄膜为200 nm时,TCD值仅约2×10-6 ℃-1.当SiO2薄膜达到300 nm时,器件的TCD值变成-7×10-6 ℃-1左右.因此ZnO/SiO2(200 nm)/Si制作的器件温度稳定性最好.
一般温度延迟是由于衬底材料受热膨胀或遇冷收缩导致声表面波传播的延迟,TCD[23]可表示为
αTCD=α-1/c(dc)/(dT)(2)
其中, α为沿声表面波传播方向上衬底材料受热膨胀或遇冷收缩导致 TCD 的改变; T为温度(单位:K); dc/dT表示由于温度改变导致的速度漂移; c为声表面波速度.对于具有良好温度稳定性的器件,αTCD的绝对值越趋于0,表明声表面波器件温度稳定性越好.由于Si的dc/dT为负值,若Si的弹性常数C44的温度系数为-0.44×10-4 ℃[24],则在Si衬底上制作的声表面波器件的αTCD都具有正的TCD值,如本研究中ZnO/Si声表面波器件的TCD值为12×10-6 ℃-1左右.当ZnO/Si中引入具有正的dc/dT的SiO2缓冲层时(SiO2弹性常数C44的温度系数为0.52×10-4 ℃)[24],通过SiO2正的dc/dT抵消掉衬底的热膨胀,因此,当SiO2薄膜厚度增加时,ZnO/SiO2/Si三层结构器件的TCD绝对值减小,当SiO2薄膜为200 nm时,TCD值仅为2×10-6 ℃-1左右,非常接近0,说明器件温度稳定性好.当SiO2薄膜厚度进一步增加到300 nm时,SiO2正的dc/dT占主导,因此整个器件的TCD值变成负值,且绝对值开始增大.
3.2 工作气压对ZnO薄膜择优取向及声表面波性能的影响
如前所述,引入SiO2缓冲层能提高ZnO/SiO2/Si三层结构的K2值,且K2的大小与ZnO(112^-0)晶面的衍射强度有关,但前面研究中还有一个因素是变化的,那就是SiO2薄膜厚度.本研究采用ZnO/SiO2(200 nm)/Si同一结构,通过调节工作气压(1.0、0.8、0.4和0.1 Pa),研究ZnO(112^-0)择优取向的生长及其与K2值的关系.
图5给出工作气压分别为1.0、0.8、0.4和0.1 Pa时制备的ZnO薄膜的XRD图谱. 从图5可见,随着工作压强从1.0 Pa不断降低,ZnO(0002)晶面的衍射峰不断减弱,ZnO薄膜(112^-0)晶面的衍射峰不断增强.当工作压强为0.1 Pa时,几乎看不到ZnO(0002)晶面的衍射峰,只有ZnO薄膜(112^-0)晶面的衍射峰,说明此时ZnO薄膜具有很强的(112^-0)择优取向.该结果表明,工作气压低有利于形成ZnO薄膜(112^-0)择优取向.在射频溅射制备ZnO薄膜过程中,正离子(特别是氧等离子体中的O+2)是轰击衬底和薄膜的主要能量粒子[25].当工作气压低的时候,载能的O+2等正离子相互碰撞的几率变小,粒子的平均自由程变大,因此到达衬底和薄膜的粒子能量增大,表面自由能低生长速率快的ZnO(0002)晶面反而被高能粒子轰击导致生长受到抑制,而表面自由能高生长速率慢的ZnO(112^-0)晶面由于高能O+2粒子轰击获得足够的能量而不断择优取向生长[25].因此,可以发现高能粒子的轰击有利于形成ZnO(112^-0)晶面择优取向.
图5 不同工作气压下制备的ZnO薄膜的XRD图谱
Fig.5 (Color online)XRD patterns of ZnO films on SiO2(200 nm)/Si under different working gas pressures
前面用SEM观察ZnO薄膜的表面形貌,发现比较难观察到ZnO薄膜表面沿某个方向生长的痕迹,即择优取向生长的痕迹.因此改用AFM观察4种不同工作气压下制备的ZnO薄膜的表面形貌.图6依次是工作气压为1.0、0.8、0.4和0.1 Pa时制备的ZnO薄膜表面的AFM照片.从图6可见,当溅射气压为1.0 Pa时,ZnO薄膜表面的颗粒呈大小不一的圆球状,当溅射气压增加时,ZnO表面颗粒变得更加致密,且圆球状的颗粒逐渐减少,椭圆形向上拉长的颗粒不断增加,这是因为ZnO薄膜(112^-0)和(0002)晶面竞争生长造成的.当工作气压降至0.1 Pa时,可以看到ZnO薄膜表面呈现的几乎都是椭圆形向上拉长的颗粒,这正好与ZnO薄膜(112^-0)晶面择优取向生长时c轴平行于衬底表面相一致.
图6 不同工作气压下制备的ZnO薄膜的AFM图谱
Fig.6 (Color online)AFM images of ZnO thin films deposited under different working gas pressures
采用4种不同工作气压下制备的ZnO/SiO2(200 nm)/Si材料制作声表面波谐振器,并根据式(1)计算器件的K2值.图4(c)给出了K2值随工作气压而变化的曲线.从图4(c)可见,随着工作气压降低,制作的器件的K2值在不断增加,该趋势和ZnO薄膜晶面择优取向生长的趋势一致,而此次实验采用的SiO2薄膜的厚度是一样的,说明ZnO薄膜晶面择优取向程度是提高器件K2的内在原因.
另外,通过比较采用4种不同工作气压下制备的ZnO/SiO2(200nm)/Si材料制作器件的TCD值,发现4个值相差不大,都比较接近0,说明工作气压和ZnO薄膜(112^-0)晶面择优取向程度对器件的温度稳定性影响不大,而缓冲层SiO2厚度才是影响器件TCD的重要因素.
![图1 ZnO六方纤锌矿晶体结构及具有和(0002)择优取向的ZnO薄膜示意图[10]<br/>Fig.1 (Color online)Diagrams of ZnO wurtzite structure and ZnO thin film with(112^-0)and(0002)preferred orientation[10]](2015年01期/pic18.jpg)
