[发明专利]一种高频高性能声表面波器件及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高频高性能声表面波器件及其制备方法。所述声表面波器件包括依次叠加的碳化硅单晶衬底、压电薄膜和叉指电极；压电薄膜为钽酸锂单晶薄膜或铌酸锂单晶薄膜；碳化硅单晶衬底为4H‑SiC单晶基片、6H‑SiC单晶基片、3C‑SiC单晶基片或3C‑SiC外延单晶基片。碳化硅单晶基片具有较高的声速、优良的热稳定性和化学稳定性和高热导率；钽酸锂或铌酸锂压电单晶薄膜的晶体质量高、一致性好、传播损耗小，采用叉指电极/钽酸锂或铌酸锂单晶薄膜/碳化硅单晶衬底结构形式的声表面波器件，具有较高的中心频率、高的功率耐受性、小的温度系数，在移动通讯领域有巨大的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种高频高性能声表面波器件及其制备方法，属于信息电子材料技术领域。

背景技术

声表面波(SAW)器件是一种重要的固体电子器件，具有体积小、重量轻、信号处理能力优异等优点，广泛应用于移动通讯，电视广播以及各类军用雷达、通信系统中。与此同时，半导体平面工艺、材料科学和微电子技术的巨大进步使得其他类型的声表面波器件，如各种传感器、执行器和微流体器件在遥控遥测、航空航天、医疗检测、智能家居中亦得到了广泛的应用。移动通信系统从2G、3G、4G再到5G时代，应用频率越来越高，对声表面波器件性能要求也越来越高。

传统的声表面波器件都是在钽酸锂、铌酸锂等单晶基片上制作完成。这些器件具有一致性好、工艺条件成熟等优点，但是铌酸锂与钽酸锂声速较低(3500m/s左右)，用其制作2.5GHz的SAW器件，其叉指指宽必须小于350nm，5GHz对应的指宽小于175nm，逼近目前半导体工业水平的极限，造成断指严重，成品率太低。而且叉指越小，电阻越大，功率承受能力越小，严重制约了SAW器件频率的进一步提高，并且都具有较大的温度漂移系数。随着无线通讯向高频率、高功率和低温度系数的扩展，它们已经不能完全满足这些要求。于是各种高声速基片和压电薄膜被用于声表面波器件的制作，如金刚石自支撑基片、金刚石薄膜、类金刚石薄膜、氧化锌、氮化铝等。尽管基片或者压电薄膜都具有很高的声速和热导率，有望制作高频高功率器件，但是这些基片或者压电薄膜相对单晶基片存在的重大缺陷导致较大的传播损耗和一致性差等问题。这些反映到器件上就是Q值小，传播损耗大，器件均一性差。究其原因是这些金刚石都是多晶材料，高密度的晶体缺陷造成较高的传播损耗。除此之外，生长在这些基片上的压电薄膜，其质量远不如单晶基片，薄膜中的晶体缺陷也进一步恶化了器件的性能。因此，目前迫切需要开发出一种高频高性能声表面波器件。

发明内容

本发明的目的是提供一种高频高性能声表面波器件，具体为一种基于高声速高导热低温度系数的碳化硅单晶衬底和钽酸锂或铌酸锂单晶薄膜的声表面波器件，结构为叉指电极/钽酸锂或铌酸锂单晶薄膜/碳化硅单晶衬底形式。

本发明所提供的高频高性能声表面波器件，包括依次叠加的碳化硅单晶衬底、压电薄膜和叉指电极；

所述压电薄膜为钽酸锂单晶薄膜或铌酸锂单晶薄膜。

本发明高频高性能声表面波器件采用碳化硅单晶基片作为衬底，其具有较好的声速，而相比于金刚石自支撑基片和金刚石和类金刚石薄膜具有晶体质量高、一致性好等优点。由于碳化硅本身并不具备压电特性，无法进行声电转换，因此本发明采用碳化硅单晶与钽酸锂或铌酸锂压电材料相结合的多层膜体系。钽酸锂或铌酸锂压电单晶薄膜的晶体质量高，一致性好，能够提供优异的性能。

另外，本发明采用碳化硅单晶基片作为衬底，其还具有优良的热稳定性和化学稳定性、高热导率和优良的抗辐射性能，且生产加工工艺日渐成熟，适合制备具有高频、大功率、抗辐照、高温度稳定性的高性能声表面波器件。

上述的声表面波器件中，所述碳化硅单晶衬底可为4H-SiC单晶基片、6H-SiC单晶基片、3C-SiC单晶基片或3C-SiC外延单晶基片。

上述的声表面波器件中，所述碳化硅单晶衬底的厚度可为250～1000μm。