LiNbO3/SiO2/SiC异质结构实现44 GHz高频率的MEMS传感器

工程20（2023）112研究MEMS传感器-文章基于LiNbO3/SiO2/SiC异质结构声表面波高阶模的44 GHz破纪录频率周健a，张定红a，刘阳辉a，卓凤玲a，钱立荣b，刘伟，李洪浪c，傅永庆d，Huigao Duana，湖南大学机械与车辆工程学院，长沙410082b天津理工大学集成电路科学与工程学院薄膜电子与通信器件天津市重点实验室，天津30084c中国科学院纳米科学卓越中心，国家纳米科学技术中心，北京100190d英国泰恩河畔纽卡斯尔诺桑比亚大学工程与环境学院NE1 8ST阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2021年2022年3月6日修订2022年5月5日接受2022年5月23日在线提供保留字：超高频声表面波高阶模超灵敏检测A B S T R A C T表面声波（SAW）技术已经被广泛地探索用于无线通信、传感器、微流体、光子学和量子信息处理。然而，由于制造问题，SAW器件的频率通常限制在几千兆赫兹以内，这严重限制了它们在5G通信、精密传感、光子学和量子控制中的应用。为了解决这个关键问题，我们提出了一种混合策略，该策略集成了纳米制造过程（即，纳米光刻）与LiNbO3/SiO2/SiC异质结构，并成功地实现了约44 GHz的SAW器件的破纪录的频率，除了大的机电耦合系数高达15.7%。我们进行了理论分析，并确定这些慢对快SAW平台上产生的引导高阶波模式。为了证明所提出的超高频SAW平台的优越感测性能，我们进行微质量感测并获得灵敏度高达33151.9MHZ·mm2·lg-1，比常规的高出1011倍比传统的石英晶体微天平（QCM）高出约4000倍，比频率为978 MHz的传统SAW器件高出©2022 The Bottoms.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）中找到。1. 介绍表面声波（SAW）技术目前广泛应用于物理和生物化学传感器[1]、光子学[2]和量子声学，通信，信号处理[3]和芯片实验室[4]。许多传统的SAW器件的最高工作频率高达几GHz，这不能满足未来电子和通信对超高频声波器件的强烈需求。SAW器件必须在更高频率（> 3GHz）下工作，以实现精密传感[5]、5G通信和SAW诱导声子的量子控制[6]以及集成微波光子信号处理[7]。SAW器件*通讯作者。电 子 邮 件 地 址 ： lirongqian83@email.tjut.edu.cn （ L.Qian ） ，duanhg@hnu.edu.cn（H.Duan）。f = v/k。通常使用两种方法来增加SAW器件的频率。最常见的方法是通过使用纳米级制造技术提高图案的分辨率来降低k值[8]。 Büyükköse等人[9]报告说，利用纳米压印技术制备了ZnO/SiO2/Si结构的声表面波器件使用电子束光 刻 （ EBL ） ， Mohammad 等 人 [10] 实 现 了 波 长 为 200 nm 的LiNbO3SAW器件的14.2 GHz高频。我们小组最近报道了一种频率为30GHz的LiNbO3SAW器件，该器件是使用改进的EBL工艺制成的[11]。第二种方法是利用低速薄膜设计和应用慢-快结构在具有更高声速的衬底顶部;实例包括ZnO/SiC[12]、AlN/SiC[13]、ZnO/金刚石[14]、AlN/金刚石[15]和AlN/Pt/金刚石/Si[16]。以前，我们的小组报告说，33.7 GHz[17]和17.7 GHz[18]成功地获得了基于AlScN/金刚石/Si和AlN/金刚石/Si结构的SAW器件，使用EBL技术。https://doi.org/10.1016/j.eng.2022.05.0032095-8099/©2022 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可从ScienceDirect获取目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engJ. Zhou，D. Zhang， Y. Liu等人工程20（2023）112113··然而，目前仍有几个关键问题有待解决：①为了降低k值，大多数研究者致力于在具有良好表面光滑度和高机电耦合系数（K2）的单晶衬底上实现叉指换能器（IDT）的尺寸限制，如LiNbO3然而，这些单晶衬底通常具有低波速和/或与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺不兼容②对于慢-快结构设计，常用的压电材料是ZnO 或 AlN ，它们的 K2 值相对较低，严重影响器件近年来，在LiNbO3/SiC[19]或LiNbO3/SiO2/SiC[20]多层衬底上的单晶膜/SiC基SAW器件被用于制作高频SAW器件，特别是SAW滤波器。然而，以前的研究主要集中在SAW器件的工作频率低于5 GHz，没有太多的重点对超高频应用产生多个声学模式的潜力。为了解决这些关键问题，我们提出了一种混合策略，该策略将纳米制造工艺与在慢-快衬底上的异质结构设计相结合，成功地打破了当前SAW器件的频率记录基于这一新颖的设计思想，我们研制了LiNbO3/SiO2/SiC异质结构，并应用EBL和邻近效应校正（PEC）算法优化了SAW叉指换能器的尺寸，从而实现了35 nm的电极指宽度采用有限元法对LiNbO3薄膜基慢-快声表面波器件的高阶声学模式进行了理论分析和识别。然后，我们成功地制造SAW器件的频率从5到约44 GHz。最后，我们实现了超高的质量灵敏度，从而展示了优越的传感性能和潜在的应用所提出的超高频SAW平台。2. 实验程序图1（a）示出了在LiNbO3/SiO2/SiC多层异质结构上制造的单端口超高频SAW谐振器A 4 in（1 in =2.54 cm）X切割的34°YLiNbO3单晶具有较高的K2值和良好的表面平整度，有利于器件的制作和性能，因此被用作压电层。附录A中的图S1显示了在慢-快衬底上的LiNbO3单晶薄膜的详细制造工艺，该工艺基于典型的离子切割工艺。SiC被用作载体衬底，因为它表现出剪切波（7100 m s-1）和纵波（12 500 m s-1）的大速度[21]、低传播损耗和高热导率。众所周知，SiC是第三代半导体材料，可用于将微电子器件与SAW器件集成在单个芯片上[22]。在这种多层膜设计中，SiO2被用作温度补偿层.附录A中的图S2显示了用于图案化纳米级IDT的EBL和剥离的工艺流程图。在我们以前的工作中报告了EBL的优化PEC算法[11]。在本工作中，SAW器件的波长从160到800 nm的制备。IDT的对数为50，孔径（L）为20k。反射器是分开的距离IDT为0.25k。详细的几何信息-SAW器械的性能总结见附录A中的表S1。用扫描电子显微镜（Carl-ZeissSigmaHD，Germany）观察了叉指换能器的结构和LiNbO3/SiO2/SiC多层膜的截面形貌。使用X射线衍射仪（XRD）（D8ADVANCE，德国）来表征膜的晶体结构。LiNbO_3/SiO_2/SiC薄膜的表面形貌使用原子力显微镜（AFM）（SPI-3800 N，Seiko Co.，日本）。使用Rohde Schwarz矢量网络分析仪（最大频率高达67 GHz）以及MPICorporation 200 mm自动化工程探针系统（MPI TS 2000-SE）和接地（G）-信号（S）-接地（G）探针表征器件性能。在对所制造的SAW器件进行散射参数（S）测量之前，我们针对开路、短路和负载校准的不同情况使用校准芯片，以最小化由射频电缆和探针测试设备产生的寄生参数。质量检测的传感机制是基于Au IDT电极的负载效应，如我们以前的工作[23]所报告的。不同的Au IDT厚度为20 nm（定义为零质量负载）和25 nm（估计质量负载为0.0966lg·m ~（-2）作为不同的质量负荷，声表面波器件;频率信号的变化，然后得到了在本研究中，选择Au作为IDT电极的材料，因为它表现出比铝更好的导电性，并且在剥离过程中，显示出较少的IDT缺陷利用探针系统和网络分析仪，利用LabVIEW程序研究了温度对声表面 波 器 件 响 应 的 影 响 。 MPI 探 针 系 统 具 有 集 成 的热 卡 盘 （ 20-300 °C），带有触摸屏显示器，方便地放置在操作员面前，以实现快速操作和即时反馈。在测试过程中，SAW样品被放置在探针系统的加载卡盘上，并且G-S-G探针用于将SAW IDT连接到网络分析仪。我们使用触摸屏显示器来调节温度，并加热设备内的装载卡盘以将温度调节到设定点。然后我们记录下频率信号的变化。3. 结果和讨论图1（b）显示了基于LiNbO3/SiO2/SiC异质结构的SAW器件的SEM图像。图像显示，LiNbO3单晶薄膜与SiO2/ SiC衬底之间实现了无缝连接。SiC载体衬底上的LiNbO3膜和SiO2图1（c）提供了显示SAW器件的表面形态的AFM图像。LiNbO3薄膜的粗糙度值约为0.615 nm（均方根（RMS）值），远小于文献[12光滑的表面对于通过使用纳米制造技术提高图案化分辨率来减小IDT指宽度以推动频率极限至关重要。图1（d）示出了SiC衬底上的LiNbO 3膜的XRD谱。在2 θ角约为34°处只有一个峰，表明LiNbO3薄膜是高度取向的（110）。图1（e）提供了SAW器件的光学图像。图1（f）展示了完整的叉指换能器，表明我们使用改进的EBL的优化制造方法可以成功地在叉指换能器上实现纳米级图案。图图1（g）-（l）给出了波长k为160、200、320、400、600和800 nm。很明显，超高分辨率IDT手指波长为160 nm，宽度约为35 nm（附录A中的图S3）。通过一个彻底的文献调查，我们证实，这个值是最小的波长在所有报道的慢-快层结构SAW器件的日期。各种制造的器件的导纳曲线（Y11）在图2中示出，并且在附录A中的图S4中示出了所制造的SAW器件的反射率信号（S11多J. Zhou，D. Zhang， Y. Liu等人工程20（2023）112114Fig. 1. (a)本文介绍了一种基于LiNbO3/SiO2/SiC异质结构的单端口声表面波器件的原理图，（b）LiNbO 3/SiO2/SiC异质结构的横截面形貌，（c）LiNbO3/SiO2/SiC衬底的原子力显微镜（AFM）显微照片，（d）LiNbO3/SiO2/SiC衬底的X射线衍射（XRD）图，（e）LiNbO 3 /SiO2/SiC衬底的X射线衍射（XRD）图，（f）LiNbO3/SiO2/SiC衬底的X射线衍射（XRD）图，（f）LiNbO 3 /SiO2/SiC衬底的X射线衍射（XRD）图，（f）LiNbO 3 /SiO2/SiC衬底的X射线衍射(e)（f-l）IDTs的扫描电子显微镜（SEM）图像，其中IDT对和反射器的RMS：均方根; a.u.：任意单位对于所有的SAW样品都可以观察到声学模式。随着波长从800 nm减小到160 nm，谐振频率范围从4-15 GHz增加到10-42 GHz。信号幅度随着波长的减小而略微减小，这可以归因于具有更精细IDT图案的器件的阻抗增加。此外，对于较小波长的器件，难以获得均匀的IDT指状物，这导致相对弱的信号。尽管如此，约为2.5%的高频值仍然是一个很好的例子。41.5对于具有160 nm的波长k的制造的器件记录GHz。此外，我们制作了四个SAW样品具有相同的k为160 nm，以验证我们获得的高频不是由于寄生响应或噪声。所有这些装置都-发挥类似的结果，如图所示。 S5，表明所获得的频率信号是由SAW引起的。为了验证这些多峰的模式，我们使用FEM方法（使用COMSOL软件）进行了数值分析，并获得了具有不同的SAW器件的导纳值波长图2给出了所获得的分析结果，这表明具有不同波长的样品的模拟频率信号与实验结果吻合良好。附录A中提供了SAW器件频率的详细理论分析和实验结果为了进一步确认这些SAW器件的多模式，进行了本征频率分析，以调查粒子的振动模式。 图图3（a）表示超高频SAW器件的每个模式的粒子振动模式。从图中可以清楚地看出，模式1对应于模式2是标准瑞利波[11]，模式3是与谐波金属厚度模式耦合的纵向SAW[24]，模式4是纵向SAW[25]，模式5是高阶SH模式。所有其它模式J. Zhou，D. Zhang， Y. Liu等人工程20（2023）112115EF2EFEFEF¼EF图二、具有800、600、400、320、200和160 nm的不同k值的SAW样品的导纳和谐振频率性能谱，其中红线是实验SAW器件的导纳，上面的线是来自FEM模拟的导纳特性 模式1：水平剪切（SH）波;模式2：瑞利波;模式三：与谐波金属厚度耦合的纵向SAW;模式4：纵向SAW;模式5：高阶SH模式;模式6- 11 ： 在 Si C 衬 底 附 近 传 播 的 高 阶 SA W 。是在SiC衬底附近传播的高阶SAW[26]。值得注意的是，随着SAW波长的减小，更多的声学模式被激发和检测到，如图所示。第3（a）段。这主要是由于SAW器件的层状结构、压电薄膜的亚微米厚度以及随着SAW波长的减小而产生的增强例如，如图3（a）所示，仅当波长小于320 nm时才观察到瑞利模式（模式2）。此外，只有当波长低于200 nm时才能检测到模式10和11。这些发现清楚地表明，当波长小于层的厚度时，会产生更多的高阶SAW模式[27]。图3（b）总结了不同波模的相速度作为归一化厚度kH（2pH/k，其中H是LiNbO3的厚度，k它很明显，随着kH的增加，所有这些模式的相速度都减小，主要是因为更多的声能被限制这些情况下，具有较小的波长的Q值可以解释为具有极窄的IDT指的SAW器件的较大阻抗值、较高的声学损耗以及由纳米级制造产生的IDT宽度的仅对于200和160 nm的IDT波长产生高阶模10和11。这是因为当k小于LiNbO3的厚度时，由来自SiC衬底的波反射产生的干涉效应[27]因此，较小的波长有利于产生超高频SAW的更高模式[18]。当SAW器件的波长减小（从200 nm到160 nm）时，模式10和模式11的Q值都增加，这是因为来自衬底的反射声波的干涉效应增加。有效耦合系数（k2）可计算如下：在LiNbO3层内部，其声速远小于衬底的声速。声表面波谐振器的波德质量因子（Q）[28]，2EFFp=2tan½p=2·fs=fp]ð2Þ变化的波长可以计算如下：QxjS11jS11群时延第11条jð1Þ其中fp和fs分别是SAW谐振器的导纳曲线的反谐振和谐振频率。附录A中的表S3总结了获得的所有其中（S11）group_delay是S11参数的群延迟，并且x是角频率。实测器件的Bode-Q在附录A中的图S7中显示了不同波长的光。附录A中的表S2和图3（c）总结了不同波长SAW谐振器的计算Q值。随着SAW波长的增加，每个模式的Q值增加，SAW器件。结果表明，模式1（SH波）与较高模式相比具有较高的k2值，这与理论模拟一致（附录A中的表S3一在频率约为10GHz（SH波）、波长约为160nm时，器件的k2相比之下，对于频率为41.5 GHz（模式11）的器件，如图3（c）所示，除了模式10和11。减少相同波长160 nm时，值变为7.3%。一K¼J. Zhou，D. Zhang， Y. Liu等人工程20（2023）112116EF···图3.第三章。（a）k为800 ~ 160 nm的声表面波多个模式的粒子位移，（b）LiNbO3/SiO2/SiC结构（kH）声表面波的相速度与归一化膜厚的关系，其中H为LiNbO3的厚度，k为波矢，（c）k为800 ~ 160 nm的声表面波的QSH模式具有相对较好的性能和较大的k2，其详细分析总结在附录A的图S6为了展示这些超高频SAW器件，我们通过对SAW器件的IDT进行质量加载来进行质量检测测试[23]。两种不同的IDT厚度-即20 nm（指定为原始状态没有任何质量负载）和25 nm（对应于IDT 上0.09661gmm-2的质量负载）-被制造用于SAW器件。 图 4（a）和（b）和图。附录A中的S8示出了使用具有320、200和160 nm的波长k的所制造的SAW样品的质量感测结果当叉指换能器上增加质量时，SAW器件的频率值在所有这些波长上都有所下降。SAW器件的灵敏度可以使用频率变化除以每个感测区域的质量变化来计算[29]，使用以下公式：S/Df=Dm=A其中Df是频率偏移，Dm是质量负载，S是质量灵敏度，A是灵敏面积。附录A中的表S4总结了不同波长样品所有模式的质量灵敏度值。结果表明具有较小波长的器件由于其较高的工作频率而具有大得多的质量灵敏度。如图4（c）所示，当装置160 nm时，其频率偏移从648.9到1527.9兆赫。 这些发现表明，SH模式的质量灵敏度值-即，对于320、200和160 nm的相应波长，分别为6717.1、10183.9和15817.5MHzmm2lg-1对于固定波长，不同模式具有不同的灵敏度值。如图4（c）所示，SHJ. Zhou，D. Zhang， Y. Liu等人工程20（2023）112117¼ð Þ··图四、制作的SAW器件的频率偏移与（a）320nm和（b）160nm和IDT上的质量负载为0.0966lg·m m-2的k;（c）SH和瑞利模式的频率响应从320到160nm和IDT上的质量负载为0.0966lg·m m-2的k;（d）SH和模式11的谐振频率偏移与温度的k为160nm的设备。TCF：频率温度系数在相同的质量载荷下，对于所有波长，瑞利波模式和瑞利波模式有很大的不同。虽然SH波模式具有较低的频率，但其灵敏度远高于瑞利波。这是因为SH波我们计算了SAW的所有质量灵敏度值在文献中并在表1中列出[31SAW器件的温度特性是应用的另一个重要参数。SAW器件的频率温度系数（TCF）可以计算如下：器械（附录A中的表S4）。结果表明，模式11具有比其他模式高得多的灵敏度值。 所有SAW器件的最高质量灵敏度约TCF1Df4f0DT33151.9MHzmm2lg-1， 模式 11与一 频率44.2千兆赫基于广泛的文献检索，我们可以确认该频率值是迄今为止SAW器件的最高报告频率值。与常规石英晶体微天平（QCM）和标准SAW器件（频率为978MHz）的质量灵敏度结果进行了其中f0是SAW器件对于波长k为160和200 nm的LiNbO3/SiO2/SiC基声表面波，图中总结了使用情况。 4（d）和图。 附录A中的S9。作为SH波模式具有最好的性能，模式11具有最高的灵敏度值，我们只给出了这两种模式的TCF结果表1SAW和QCM器件质量灵敏度的比较传感器工作频率（GHz）质量灵敏度年份Ref.声表面波0.9788.230MHz·m m2·lg-12010[31]SAW0.385155.800KHz·lg-12016[32]SAW0.1229.000KHz·lg-12017[33]QCM0.0101573.000Hz·lg-12017[34]QCM0.0107940.000Hz·lg-12018[35]QCM0.0101346.000Hz·lg-12020[36]声表面波传感器44.16433151.915MHz·mm2·lg-1（2.590×106GHZ·lg-1）2021这份工作J. Zhou，D. Zhang， Y. Liu等人工程20（2023）112118------··结果清楚地揭示了作为温度函数的频移的线性趋势，如图12所示。 4（d）. TCF值为165.8和229.0 ppm K-1（SH模式），约48.6模式11为55.2 ppmK-1;这表明模式11对温度变化的敏感性略低于SH模式。为了验证实验测量的TCF值，我们计算了波长k为160 nm的SAW器件的SH模式的理论温度效应。所获得理论TCF值约为154.4 ppm K-1（图S10，附录A），其接近于-165.8ppm·K-1。4. 结论本文提出了一种混合策略，将纳米制造工艺与LiNbO3/SiO2/SiC异质结构（慢-快-上）设计相结合，以提高SAW器件的频率。我们证明，可以获得频率为5-压缩系数LiNbO /SiO /SiC异质结构[3] HackettL，Miller M，Brimigion F，Dominguez D，Peake G，Tauke-PedrettiA ， 等 . 通 过 声 电 - 电 子 - 声 子 相 互 作 用 实 现 单 芯 片 射 频 信 号 处 理 。 NatCommun2021;12：2769.[4] Tao R ， McHale G ， Reboud J ， Cooper JM ， Torun H ， Luo JT 等 人 ，Hierarchicalnanotexturing enablesacoustofluidics on slippery yet sticky ，flexible surfaces. 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