Oltre 5 GHz eccitazione di uno ZnO

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13329 (2023) Citare questo articolo

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Questo lavoro riporta la fabbricazione e la caratterizzazione di un risonatore acustico di massa ad alto tono (HBAR) basato su Au/ZnO/Pt su substrati SiC. Valutiamo le sue caratteristiche a microonde confrontandole con substrati di Si per applicazioni microelettromeccaniche. Lo sputtering del magnetron dielettrico e un evaporatore a fascio di elettroni vengono utilizzati per sviluppare pellicole di ZnO ed elettrodi metallici altamente orientati sull'asse c. La struttura cristallina e la morfologia superficiale degli strati post-crescita sono caratterizzate utilizzando tecniche di diffrazione di raggi X, microscopia a forza atomica e microscopia elettronica a scansione. L'HBAR sul substrato SiC provoca risonanze multiple longitudinali di onde acustiche fino a 7 GHz, con le risonanze eccitate più forti che emergono a 5,25 GHz. Il valore del parametro fQ (frequenza di risonanza. Fattore di qualità) ottenuto utilizzando un nuovo metodo di approccio Q per HBAR su substrato SiC è 4,1 \(\times\) 10\(^{13}\) Hz, che per quanto ne sappiamo , è il più alto tra tutti i valori riportati per i dispositivi specifici basati su ZnO.

I risonatori a onde acustiche di massa (BAW) ad alte prestazioni hanno ricevuto molta attenzione negli ultimi decenni a causa del loro potenziale utilizzo come sorgenti di radiofrequenza (RF), sensori, filtri e attuatori.1,2 Risonatore a cristalli di quarzo (QCR ), che tipicamente opera nell'intervallo da diversi MHz a decine di MHz, è un tipo comune di risonatore BAW. Un altro tipo di risonatore BAW è il risonatore acustico di massa ad alto tono (HBAR), noto anche come risonatore composito composto da uno strato piezoelettrico inserito tra due elettrodi metallici su un substrato a bassa perdita acustica.3,4 Con una struttura semplice ma robusta, dimensioni compatte e un fattore di qualità (Q) straordinariamente elevato, HBAR ha la capacità di dimostrare risonanze altamente acute (f) a frequenze GHz e superiori a quelle di QCR. Grazie a queste proprietà, l'HBAR è emerso come un valido contendente per l'uso negli oscillatori, nei sensori e nelle sorgenti fononiche a basso rumore nei sistemi acustodinamici quantistici.5,6,7,8 Recentemente, c'è stata una notevole crescita di interesse nello sviluppo di sensori fisici, chimici e biologici intelligenti altamente sensibili basati su risonatori acustici per il rilevamento non invasivo in applicazioni in tempo reale senza l'utilizzo di reagenti/prodotti chimici esterni. Il principio di funzionamento in questo caso è quello di integrare un elemento biologico/chimico con il trasduttore fisico del dispositivo acustico poiché è sensibile alla forza del legame chimico atomico, ionico o molecolare nella gamma di frequenze delle microonde.9,10 Pertanto, l'HBAR può essere ampiamente utilizzato per analizzare un'ampia gamma di piccoli volumi di materiali fluidi, compresi i fluidi fisiologici umani, ed è adatto per i sistemi Lab-on-a-Chip (LoC).11,12,13,14

Di solito, le pellicole di piombo zirconato titanato (PZT), nitruro di gallio (GaN), nitruro di alluminio (AlN) e ossido di zinco (ZnO) sono state sottoposte a ricerche approfondite per dispositivi acustici.15,16,17,18 PZT offre una varietà distintiva di caratteristiche , inclusa una costante piezoelettrica molto elevata e un valore di accoppiamento elettromeccanico efficace (\(k_{eff}^2\)). Tuttavia, non è adatto per le applicazioni HBAR a causa delle velocità acustiche inferiori, della maggiore attenuazione delle onde acustiche e delle difficoltà nella preparazione di film sottili.1,11 I film GaN sono sostanzialmente meno diffusi a causa delle loro scarse proprietà piezoelettriche e del basso \(k_{eff }^2\).19 Sebbene le pellicole di AlN possiedano un'elevata velocità acustica rispetto alle pellicole di ZnO, anch'esse soffrono di un basso valore di \(k_{eff}^2\).19 Tra i numerosi materiali piezoelettrici sopra descritti, le pellicole di ZnO con le caratteristiche elettroacustiche migliorate si sono rivelate le più promettenti per lo sviluppo di dispositivi HBAR. Tuttavia, come riportato in letteratura, i dispositivi HBAR con strato piezoelettrico ZnO sono stati per lo più limitati a substrati di zaffiro con un valore del prodotto fQ di circa 4,8 \(\times\) 10\(^{13}\) Hz utilizzando il metodo Q di Lakin. 4,20,21 Inoltre, l'HBAR a base di ZnO è stato precedentemente dimostrato su substrati di quarzo e diamante; tuttavia, presentano un valore fQ inferiore, rispettivamente di circa 1,1 e 0,2 \(\times\) 10\(^{13}\) Hz.4,22 Oltre al substrato di cui sopra, il carburo di silicio (SiC) è noto anche come la bassa perdita acustica (0,4 dB/cm a 1 GHz) e il substrato ad alta velocità acustica rispetto ai substrati in zaffiro e diamante lo rendono adatto per i dispositivi HBAR e convenientemente compatibile con i processi di microlavorazione superficiale.8,22,23,24 Inoltre, Il SiC viene spesso utilizzato in dispositivi elettronici ad alta temperatura e alta potenza grazie alla sua elevata durezza, elevata conduttività termica, resistenza chimica e così via. I substrati SiC svolgono anche un ruolo vitale nella nuova generazione di sensori e sistemi quantistici ibridi poiché generano stress elevato a frequenze GHz rispetto ad altri substrati.22 È quindi imperativo e pertinente studiare le proprietà risonanti a microonde dell'HBAR a base di ZnO su substrati SiC.