ZnO の 5 GHz を超える励起

Scientific Reports volume 13、記事番号: 13329 (2023) この記事を引用

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この研究では、SiC 基板上の Au/ZnO/Pt ベースの高倍音バルク音響共振器 (HBAR) の作製と特性評価について報告します。 マイクロエレクトロメカニカルアプリケーション向けのSi基板と比較して、そのマイクロ波特性を評価します。 誘電体マグネトロンスパッタリングと電子ビーム蒸着装置を利用して、高度にc軸配向したZnO膜と金属電極を開発します。 成長後の層の結晶構造と表面形態は、X 線回折、原子間力顕微鏡、および走査電子顕微鏡技術を使用して特性評価されます。 SiC 基板上の HBAR により、最大 7 GHz までの複数の縦方向バルク弾性波共振が発生し、最も強い励起共振は 5.25 GHz で現れます。 SiC 基板上の HBAR に対する新しい Q アプローチ法を使用して得られた fQ (共振周波数.品質係数) パラメーターの値は、我々の知る限りでは 4.1 \(\times\) 10\(^{13}\) Hz です。 、指定された ZnO ベースのデバイスについて報告されたすべての値の中で最高です。

高性能バルク弾性波 (BAW) 共振器は、無線周波数 (RF) ソース、センサー、フィルター、およびアクチュエーターとして使用できる可能性があるため、過去数十年にわたって大きな注目を集めてきました。1、2 水晶共振器 (QCR) ）は、通常、数 MHz から数十 MHz の範囲で動作し、一般的なタイプの BAW 共振器です。 別のタイプの BAW 共振器は、高倍音バルク音響共振器 (HBAR) です。これは、低音響損失基板上の 2 つの金属電極の間に挟まれた圧電層で構成される複合共振器とも呼ばれます 3,4。 シンプルでありながら堅牢な構造により、コンパクトなサイズと驚くほど高い品質係数 (Q) を備えた HBAR は、GHz 周波数以上で QCR よりも非常に鋭い共振 (f) を示す能力を備えています。 これらの特性により、HBAR は、量子音響力学システムにおける低ノイズ発振器、センサー、およびフォノン源での使用の有力な候補として浮上しています 5,6,7,8。 最近、関心が顕著に高まっています。外部の試薬/化学薬品を利用せずにリアルタイムアプリケーションで非侵襲的な検出を行うための、音響共振器に基づく高感度のスマートな物理的、化学的、生物学的センサーの開発において。 ここでの動作原理は、マイクロ波周波数範囲での原子、イオン、または分子の化学結合強度に敏感であるため、生物学的/化学的要素を音響デバイスの物理的トランスデューサと統合することです。9,10 したがって、HBAR は広範囲に適用できます。人間の生理学的流体を含む広範囲の少量の流体材料の分析に使用され、Lab-on-a-Chip (LoC) システムに適しています。11、12、13、14

通常、チタン酸ジルコン酸鉛 (PZT)、窒化ガリウム (GaN)、窒化アルミニウム (AlN)、および酸化亜鉛 (ZnO) 膜は、音響デバイス用に徹底的な研究が行われてきました 15,16,17,18 PZT は、独特のさまざまな機能を備えています。 、非常に高い圧電定数と有効な電気機械結合 (\(k_{eff}^2\)) 値が含まれます。 ただし、音速が低く、音響波の減衰が大きく、薄膜の作製が難しいため、HBAR アプリケーションには適していません 1,11。GaN 膜は圧電特性が低く、\(k_{eff) が低いため、実質的に普及していません。 AlN フィルムは、ZnO フィルムに比べて高い音速を持っていますが、やはり \(k_{eff}^2\) 値が低いという欠点があります。19 上記の多数の圧電材料の中で、ZnO フィルムは強化された電気音響特性は、HBAR デバイスの開発にとって最も有望であることがわかっています。 それにもかかわらず、文献で報告されているように、ZnO 圧電層を備えた HBAR デバイスは、Lakin の Q 法を使用した fQ 積値が約 4.8 \(\times\) 10\(^{13}\) Hz のサファイア基板にほとんど制限されてきました。 4,20,21 また、ZnO ベースの HBAR は、石英およびダイヤモンド基板上で以前に実証されています。 ただし、それらはそれぞれ約 1.1 および 0.2 \(\times\) 10\(^{13}\) Hz という低い fQ 値を示します。4,22 上記の基板とは別に、炭化ケイ素 (SiC) は次のようにも知られています。サファイアやダイヤモンド基板と比較して音響損失が低く (1 GHz で 0.4 dB/cm)、音速が高いため、HBAR デバイスに適しており、表面微細加工プロセスとの互換性が便利です。8、22、23、24 さらに、 SiCは、その高硬度、高熱伝導率、耐薬品性などの特性から、高温・高出力の電子機器に多く使用されています。 SiC 基板は、他の基板よりも GHz 周波数で高い応力を生成するため、新世代のハイブリッド量子センサーおよびシステムでも重要な役割を果たします 22。したがって、ZnO ベースの HBAR のマイクロ波共振特性を調査することが不可欠かつ適切です。 SiC基板上にあります。