基于NbN,AlN技术的体声波器件研究

体声波滤波器由于其低插损、小尺寸、高带外抑制等特性,随着第三代移动通信以及蓝牙技术的发展而得到广泛研究,而MEMS技术和压电薄膜制备技术的进一步发展使高性能的体声波滤波器制作成为可能. 我们以单晶MgO作为器件衬底,MgO/NbN多层结构作为AlN薄膜体声波器件的反射器,NbN/AlN/NbN三层结构为谐振器.在这样的多层结构的设计中由于各种材料之间的晶格失配小,可以获得从几十纳米到几百纳米厚度不等的单晶AlN薄膜.通过控制AlN薄膜和NbN薄膜的不同厚度,可以获得不同频段范围的谐振器. 压电薄膜的质量,以及体声波在多层结构界面上的能量损耗,直接影响到谐振器电学性能.基于AlN材料的压电性能,设计了NbN/AlN/NbN三层结构的谐振器,并进行了数值模拟.     

利用TEM对Si基片与MgO基片上生长的薄膜特性的研究

对生长在Si和MgO单晶基片上的不同厚度的单层NbN薄膜、双层薄膜AlN/NbN以及三层薄膜NbN/AlN/NbN应用透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope,TEM)技术进行了分析研究,对这几种薄膜样品的微观结构、薄膜厚度以及各个边界的一些直观细节给出了较为清晰的图像。由透射电子显微镜的电子衍射图案计算了薄膜和单晶衬底的晶格常数,并与我们以前采用X射线衍射技术分析的结果进行了比较,结果有很好的吻合。     

MgO和Si上NbN超薄薄膜的生长研究

我们在单晶MgO(100)、Si(100)和SiOx/Si基片上成功生长了纳米厚度的超薄NbN薄膜,利用现代分析手段:X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)等技术分析研究了所制备的超薄NbN薄膜的微观结构、厚度、表面界面情况等物理特性。研究表明,在MgO(100)基片上获得了外延生长的单晶NbN超薄薄膜,在Si(100)和SiOx/Si基片上获得的是多晶NbN超薄薄膜。厚度均约6nm左右。这些超薄薄膜的超导转变温度分别为:MgO上薄膜是14.46K,Si和SiOx上薄膜分别是8.74K和9.01K.     

基于ZnO薄膜的高次谐波体声波谐振器的研究

基于ZnO作压电层和蓝宝石作基底的高次谐波体声波谐振器(HBAR),采用不同电极材料和溅射方法进行优化。优化选定镀铬-金/氧化锌/铬-金/蓝宝石结构。对制备的器件进行了测试分析,结果显示,具有多模谐振特性的HBAR器件在2.87GHz Q值达到43000。根据一维Mason等效电路模型,HBAR器件还进行了理论仿真,结果表明理论结果与实测值基本一致。     

体声波力传感器灵敏度的微分-综合分析法

为了分析基于应力/应变效应的体声波(BAW)力传感器的敏感机理、准确计算其灵敏度,提出了一种用于BAW力传感器灵敏度分析的微分-综合分析法。该方法借鉴了微积分的原理,在Mason等效电路模型中将一个完整的BAW谐振器替换为多个谐振器微元的并联,从而将谐振器有源区面积A上应力/应变场的有限元计算结果与压电薄膜材料的力学特性、谐振器微元的电声学特性关联起来;最后,在射频电路仿真软件中进行等效电路的综合,得到整个BAW谐振器在应力/应变场作用下的阻抗特性曲线及其串/并联谐振频率。当BAW谐振器微元的划分足够细密时,获得的灵敏度分析结果将足够精确。为了论证该方法的原理,给出了一个直观的校核案例。以一个嵌入式FBAR结构的四梁BAW加速度计表头为例,介绍了该方法用于BAW力传感器灵敏度分析的详细过程。虽然案例中只讨论了一种应力/应变型BAW力传感器的单一力敏机理,但该方法具有普适性。并且,当谐振器微元小到接近其压电材料晶格的尺度时,就能与压电薄膜的力-声-电特性的第一性原理计算结果关联起来,实现从微观材料特性到介观器件物理的多尺度计算。     

体声波力传感器灵敏度的微分-综合分析法

为了分析基于应力/应变效应的体声波(BAW)力传感器的敏感机理、准确计算其灵敏度,提出了一种用于BAW力传感器灵敏度分析的微分-综合分析法。该方法借鉴了微积分的原理,在Mason等效电路模型中将一个完整的BAW谐振器替换为多个谐振器微元的并联,从而将谐振器有源区面积A上应力/应变场的有限元计算结果与压电薄膜材料的力学特性、谐振器微元的电声学特性关联起来;最后,在射频电路仿真软件中进行等效电路的综合,得到整个BAW谐振器在应力/应变场作用下的阻抗特性曲线及其串/并联谐振频率。当BAW谐振器微元的划分足够细密时,获得的灵敏度分析结果将足够精确。为了论证该方法的原理,给出了一个直观的校核案例。以一个嵌入式FBAR结构的四梁BAW加速度计表头为例,介绍了该方法用于BAW力传感器灵敏度分析的详细过程。虽然案例中只讨论了一种应力/应变型BAW力传感器的单一力敏机理,但该方法具有普适性。并且,当谐振器微元小到接近其压电材料晶格的尺度时,就能与压电薄膜的力-声-电特性的第一性原理计算结果关联起来,实现从微观材料特性到介观器件物理的多尺度计算。     

新型掺碳二氧化硅-薄膜体声波谐振器结构及其仿真验证

一定厚度的低声阻抗支撑层可以在薄膜体声波谐振器(FBAR)与衬底之间形成声学隔离层,防止声波泄漏到衬底当中。掺碳二氧化硅(CDO)是一种低声阻抗材料,对FBAR具有较好的温度补偿效果,可以作为FBAR与衬底之间的声学隔离层,从而构成一种新型的CDO-FBAR。为了分析CDO-FBAR与通孔型FBAR相比性能是否退化,以及CDO声学隔离层所需厚度,采用多物理场耦合仿真软件分析了CDO-FBAR和通孔型FBAR的谐振频率、Q值、有效机电耦合系数和S参数,并提取了CDO-FBAR纵向振动位移。分析结果表明:CDO-FBAR的谐振频率整体向下漂移;CDO声学隔离层导致S参数的寄生干扰;由于声学损耗增加,Q值略有降低,其中并联谐振点处的Q值降幅更大;有效机电耦合系数略有降低;声波传播到声学隔离层中9 m处就完全衰减,即只需要9 m厚的CDO声学隔离层就能在FBAR与衬底之间形成有效的声学隔离。由此,仿真验证了这种新颖的CDO-FBAR结构的可行性。     

薄膜体声波谐振器的伽马辐照敏感机理分析

实验证明薄膜体声波谐振器(FBAR)用于检测伽马辐照是可行的,但未对敏感机理进行深入研究。针对这一问题,根据两种不同的FBAR结构,提出了不同机理来解释FBAR在伽马辐照下谐振频率偏移的原因。其中结构一FBAR为四层叠层结构（金属层-压电层-氧化层-金属层）,伽马辐照之后,会在辐照敏感层(氧化层)形成一个电压,相当于给压电层施加了一个直流电压,从而使谐振频率发生偏移；结构二与结构一不同的是,结构二FBAR在氧化层和压电层之间有一半导体层,辐照之后在氧化层中形成的电压改变了半导体的表面势,使半导体空间电荷层电容发生改变,从而改变谐振频率。通过仿真得到两种不同机理的结果,并与相关文献的测试结果对比,发现频率偏移的趋势和频率偏移量的数量级是相同的,因此提出来的两种机理是可行的。     

基于MgxZn1−xO薄膜固体装配型体声波谐振器

本文研制了一种基于磁控溅射掺镁氧化锌(Mg_xZn_(1-x)O)压电薄膜的S波段固体装配型体声波谐振器(SMR-FBAR)。相比传统的氧化锌(ZnO)薄膜,Mg_xZn_(1-x)O具有高纵波声速,高电阻率优点,而且Mg原子以替位或填隙的方式进入晶格,没有改变ZnO的铅锌矿结构。通过优化磁控溅射参数的方法,获得了c轴方向生长良好的Mg_xZn_(1-x)O薄膜,并成功制得了串联谐振频率以及并联谐振频率分别在2.416 GHz和2.456 GHz的谐振器,测得其有效机电耦合系数为4.081%,回波损耗(S11)为-23.89 d B。这种SMR机械强度高、可靠性高、尺寸小,具有可立体集成到CMOS芯片表面的优势。     

具有二氧化硅温度补偿层的薄膜体声波谐振器的建模与分析（英）

薄膜体声波谐振器(FBAR)的谐振频率会受到外界环境温度的影响而产生漂移,对于FBAR滤波器而言,这种温度-频率漂移特性会导致其中心频率、插入损耗、带内纹波等性能发生变化,降低其在电学应用中的可靠性。应用ANSYS有限元分析软件,对一个典型Mo-AlN-Mo三层结构的FBAR进行了温度-频率漂移特性的仿真,得到其在［－50 ℃, 150 ℃］温度范围内的频率温度系数(TCF)约为－3510－6/℃。在FBAR叠层薄膜结构中添加了一层具有正温度系数的二氧化硅温度补偿层,分析了该补偿层厚度对FBAR的温度-频率漂移特性、谐振频率和机电耦合特性的影响。设计了具有一层二氧化硅温度补偿层的FBAR叠层,由Mo/AlN/SiO2/Mo多层薄膜构成,仿真得到其频率温度系数为0.87210－6/℃;与没有温度补偿层的FBAR相比,温度稳定性得以显著改善。关键词: Abstract: Key words:     

MgO(111)上NbN和AlN薄膜的生长研究

在制备NbN/AlN/NbN隧道结的工艺过程中,为了获得具有优质单晶结构的NbN薄膜,我们在MgO(111)基片上探索了直流溅射法制备NbN薄膜的生长工艺条件,XRD研究分析表明,我们获得了单晶结构良好的NbN薄膜;为了支持作为上电极的NbN薄膜的生长,也需要良好的AlN薄膜用作势垒层,我们采用射频磁控溅射设备和纯净的Al靶对AlN薄膜进行了制备研究.实验结果表明,所获得的AlN薄膜具有六方c-轴取向,并讨论了衬底和薄膜界面处可能的结构情况.     

AlN/NbN纳米结构多层膜的共格异结构外延生长研究

采用射频磁控溅射法制备了NbN,AlN单层膜及不同调制周期的AlN/NbN纳米结构多层膜,采用X射线衍射仪、小角度X射线反射仪和高分辨透射电子显微镜等对薄膜进行了表征.结果表明：单层膜AlN为六方结构,NbN为面心立方结构;AlN/NbN多层膜中AlN为六方结构,NbN为面心立方结构,界面处呈共格状态,其共格关系为c-NbN（111）面平行于h-AlN（0002）面,晶格错配度为013%.热力学计算表明:AlN/NbN多层膜中不论AlN层与NbN层的厚度如何,AlN层均不会形成亚稳的立方AlN,而是形成 关键词： AlN/NbN纳米结构多层膜 共格外延生长 异结构     

高临界电流密度NbN约瑟夫森结的制备和特性表征

我们开展了高临界电流密度的NbN约瑟夫森结的制备和特性研究.利用直流磁控溅射方法在单晶MgO(100)衬底上外延生长NbN/AlN/NbN三层膜,并使用微加工工艺制备了NbN约瑟夫森隧道结,在液氦温度下对NbN约瑟夫森结的电流-电压特性进行了测量,实验结果表明,NbN约瑟夫森结具有良好的隧穿特性,其临界电流密度J_c为10 kA/cm^2,质量因子大于10,能隙是5.7 mV,这些实验结果为基于NbN结的超导数字电路研究奠定了坚实的基础.     

NbN/AlN/NbN超导隧道结的制备工艺

研究了在MgO基片上制备NbN/AlN/NbN结的工艺,NbN和AlN的制备分别采用直流磁控溅射和交流磁控溅射。为了得到良好特性的隧道结,首先要在高真空反应室里沉积三层膜结构,经过光刻和反应离子刻蚀,得到底电极和桥区的三层结构图形。再经过第二步光刻和刻蚀,仅保留底电极最下层的NbN,得到结区的三层结构图形,并覆盖AlN绝缘层。经过Lift-off工艺,洗去结区上的光刻胶,最后沉积上电极。使用四端子方法对制备的隧道结进行了一系列测量,特别是在高频(THz)下的响应。     

氮化铝双端固支音叉谐振器的结构设计

基于氮化铝双端固支音叉（AlN DETF）的谐振式传感器具有尺寸小、稳定性和可靠性好、时间响应快等特点。为了提高灵敏度和分辨率，需要分析AlN DETF谐振器的振梁结构参数对灵敏度和信号功率的影响。在有限元仿真软件中建立AlN谐振器的多物理场模型，进行预应力特征频率分析，仿真验证单个振梁结构参数对灵敏度的影响。在振梁厚度保持恒定的情况下，对仿真结果的数据进行后处理，得到信号功率与振梁长度、宽度的关系。结果表明，相对灵敏度、信号功率随振梁长度、宽度的变化趋势相反。因此，需要根据工艺水平和结构强度等因素，综合考虑AlN谐振器的信号功率和相对灵敏度，对两者进行权衡。仿真分析了优化后AlN DETF谐振器的性能，10 N范围内的灵敏度为56 Hz/N，信号功率为6.810-4 nW，Q值为958。     

激光反射镜的散射损耗分析与设计

在激光反射镜的光学损耗里,表面散射损耗(SSL)对高精密的激光仪器性能和实验影响尤甚,有时是致命的。本文根据光学膜系散射和吸收理论分析了反射镜膜系的SSL与吸收损耗,反射率以及膜系特点、材料之间的关系和矛盾,利用光场在膜系中的合理分配方法,设计了一种旨在减小SSL的新型激光反射镜膜系。设计结果表明,在相同设计下,用La₂O₅/SiO₂和ZnS/MgF₂构成的新的组合膜系的激光反射镜与通常的ZnS/MgF₂膜系的激光反射镜比较,SSL的减小达到了设计要求,而且使激光反射镜中另一主要损耗——体积损耗(VL)减小更多,其它的一些性能也得到了改善。采用此新型膜系可望做出总损耗小于0.1%,反射率在99.9%以上的低表面散射损耗的高质量激光反射镜,它对激光技术的发展与应用有着重要的意义。     

纳米多孔氮化铌薄膜红外宽带光响应特性

具有超导绝缘相变特性的纳米多孔超导薄膜在红外光电探测领域有着潜在的应用价值,而其在红外波段的宽带光响应特性研究目前尚未见报道.为此,本文以纳米多孔氮化铌(NbN)薄膜为主要对象,研究了其在780—5000nm的近、中红外波长范围内的光响应特性.首先,采用Drude模型拟合的方法,不仅将对实验数据拟合的精度提高了约17%,而且得到了中红外波段的NbN光学参数;进而,采用时域有限差分法分析了加载纳米多孔NbN薄膜的背面对光器件的光响应特性,并给出了能够将纳米多孔薄膜简化为均匀薄膜的Bruggeman等效模型,从而可以将纳米多孔NbN薄膜光响应特性的仿真维度由三维降为一维;最后,基于等效模型和传输矩阵法,对加载纳米多孔NbN薄膜的背面对光器件在近、中红外波段内的光吸收特性进行了优化设计.结果表明:一方面,使用Bruggeman等效模型简化设计过程并不会影响最终结果的正确性;另一方面,仅仅是加载较为简单的光学腔,即可使得探测器的薄膜光吸收率在近、中红外宽带设计时均大于82%,在近红外双波长设计时均大于93.7%,并且多孔薄膜结构具有天然的极化不敏感特性.     

Electron spectroscopy study in the NbN growth for NbN/AlN interfaces

NbN superconductor and wide band gap AlN thin films were deposited using sputtering at room temperature. Study of the nitride interfaces are forerunner to the growth Josephson junctions that are considered able to work in the terahertz frequency. We find that to be compatible with lithography technology and to have a high critical transition temperature, the substrate should not be overheated, and this means working in low power regime to limit the induced heating of the plasma. X-ray photoelectron spectroscopy and X-ray diffraction analysis were performed on samples deposited on crystalline, amorphous, flexible, and nanostructured substrates. The experimental results suggest us how to improve the deposition process in order to obtain the best nitride films as well as NbN/AlN/NbN trilayers for Josephson junction applications.