高频金刚石多层薄膜结构声表面波滤波器的设计和研制

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随着第三代通讯技术的发展,声表面波(SAW)器件的使用频率不断提高,从最初的几MHz发展到现在的几GHz,如应用于1.9GHz的个人通讯服务系统,2.4GHz的无线局域网络系统及高于5GHz无线多端发送系统。这些高频应用系统的不断发展显著增大了高频声表面波器件的市场需求。由于传统的SAW材料声速低,通常低于4000m/s,仅能制备频率相对低的器件。而金刚石具有所有材料中最高的声速和许多优于其它材料的特性,在高声速金刚石上沉积高度压电薄膜将激励出高速的声表面波,从而制作出工作在GHz级以上高频波段的薄膜SAW器件。因此以金刚石为基底的声表面波器件受到了越来越多的关注,成为研究热点之一。在本课题中,阐述了多层薄膜声表面波滤波器和叉指换能器的基本特性;IDT/ZnO/Diamond结构的声表面波滤波器被设计,制作出来并进行了测试。实验中,采用Si基片作为辅助基片摸索实验工艺。在滤波器的设计中,滤波器的剖面结构及ZnO薄膜厚度的选择经过了仔细的考虑,因为ZnO薄膜的厚度大小决定了滤波器中心频率和机电耦合系数。在设计IDT结构的时候,采用了纵向耦合和镜相阻抗连接结构,它可以非常有效地降低插损和提高阻带抑制。叉指换能器IDT的指宽和间隔均为1μm。在ZnO制备方面,课题采用直流磁控反应溅射法,在单晶Si(100)和金刚石两种衬底上分别生长出了高度c轴取向的ZnO薄膜。此薄膜具有高质量的纳米级结晶度,良好的表面平整度及高于106Ωcm的电阻率,很好的满足了薄膜声表面波(SAW)器件的需要。通过改变工作气压,衬底温度,氩氧比等工艺参数,较为系统地探索了ZnO薄膜的制备条件。采用多种分析手段对薄膜的微观结构特性进行测试分析,并对薄膜的电学性能及机械性能进行了考察。详细讨论了IDT/ZnO/Diamond结构滤波器制备的工艺流程。叉指换能器采用电子束直写,刻蚀Al电极选用了反应离子刻蚀(RIE)。刻蚀的结果用SEM观测,表面平整,线条完好,没有发生连指断指等情况,取得了比较好的效果。我们对所制备的滤波器的频率特性进行了测试和分析。最后的测试结果显示IDT/ZnO/Diamond结构滤波器的中心频率最高可达2.5GHz,带宽有2.3%,27dB<WP=4>的插损。IDT/ZnO/ Si结构的声表面波滤波器也被研制出来,其中心频率可达790MHz,插损17dB。这样的测试结果和设计的初衷基本吻合。实际结果证明多层薄膜结构的SAW滤波器在RF电路上面的应用很有前途。
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