C轴取向ZnO薄膜的性能研究及滤波器初步设计

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ZnO材料是一种II-VI族宽禁带的多功能半导体光电材料,在紫外发光管和激光器、紫外探测器、透明导电电极和高频声表面波器件等领域都具有广泛的应用,所以一直备受研究人员的关注。本论文应用射频磁控溅射法为基础制备了高C轴取向ZnO薄膜,系统地研究了氩氧比、退火温度、靶基距和溅射气压等溅射参数对ZnO薄膜的微结构、光学和电学性能的影响规律,并在此基础上对声表面波滤波器的设计和制作进行了初步的探讨性研究。 通过对不同溅射参数下ZnO薄膜的晶体结构和显微结构的研究,确定了制备声表面波滤波器用ZnO薄膜的最佳工艺参数。此条件下制备的ZnO薄膜具有高C轴取向,晶粒形状规则、大小均匀,薄膜结构致密、无孔洞、表面平整,内应力小。这种ZnO薄膜能够满足声表面波滤波器用ZnO薄膜的技术指标。 在光学性能方面,采用“包络法”计算了ZnO薄膜的折射率、消光系数及禁带宽度等光学常数,讨论了光学常数随溅射参数的变化规律及其作用机理。揭示了ZnO薄膜光致发光的紫外发射带、紫光带和蓝光带的发射机制,研究了溅射参数对ZnO薄膜光致发光特性的影响规律,应用拉曼光谱分析了ZnO薄膜的相结构和内应力变化。实验结果表明:采用最佳工艺参数制备的ZnO薄膜折射率1.997,消光系数0.0487,内应力0.053GPa,其缺陷最少。 在电学性能表征方面,测量、计算了ZnO薄膜相对介电常数、介电损耗、漏电流和电阻率,研究了其相对介电常数、介电损耗随溅射参数的变化及其漏电流电导机制和电阻率特性。测试结果表明:ZnO薄膜相对介电常数受溅射工艺参数的影响较大,而介电损耗的变化不十分明显,其值在0.005~0.01之间波动;薄膜样品处于弱外场中时,具有欧姆传导特征,而处于中、强场时,具有空间电荷限制传导(SCLC)模型的特征。采用最佳工艺参数制备的ZnO薄膜,在频率f=600KHz条件下的相对介电常数为12.8,介电损耗为0.0054;施加-5~5V的外场偏压,漏电流在10-10~10-8A之间变化;电阻率为9.276×107Ω·cm。 在器件的设计与制作方面,首先简要论述了声表面波滤波器的工作原理及其设计思想,详细讨论了IDT/ZnO/Si02结构滤波器制备的工艺流程。然后对叉指换能器的制作工艺进行了研究,最终采用剥离技术使用剥离胶制作了声表面波滤波器叉指电极,金相显微镜观测结果表明:叉指电极表面平整、边缘整齐、线条清晰、完好,没有发生连指断指等情况,取得了比较好的效果。
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