适合声表面波谐振器的ZnO薄膜研究

论文摘要

随着信息化检测技术的发展,要求更高的传感器精度和性能。SAW传感检测技术是一项较新的传感技术。由于其灵敏度高、体积小而且便于半导体工艺相集成受到了广泛的研究。但是,目前国内外大多数的SAW物理量和化学量传感器都是基于延迟线振荡器的。与SAW延迟线(SAWDL)振荡器相比,双端SAW谐振器的传输特性与高Q延迟线的特性非常类似,但它有几个重要特点:一是谐振器的插入损耗要小得多;二是谐振器的尺寸很小;三是声表面波谐振器调频范围比声表面波延迟线型窄,增加调频范围会降低稳定度。所以对于声表面波气体传感器来说,研究声表面波谐振器十分有必要。另一方面,高性能的ZnO薄膜声表面波器件要求ZnO薄膜高C轴取向,晶粒致密均匀、表面光滑、缺陷少且薄膜的电阻率高。本文对于声表面波谐振器展开了理论分析和研究,并探讨了缓冲层对于声表面波器件缺陷性能的影响。通过在Si(100)衬底、Ti/Si(100)衬底和Au/Si(100)衬底上分别制备ZnO薄膜,探讨了缓冲层对ZnO薄膜结构和缺陷的影响,并利用X射线衍射(XRD)测试了ZnO薄膜的晶体结构及择优取向、利用原子力显微镜(AFM)观察ZnO薄膜的表面粗糙度、利用PL光谱检测了ZnO薄膜的缺陷、利用半导体参数分析仪测试了ZnO薄膜的电阻率,重点比较了Ti缓冲层上和Si衬底上ZnO薄膜的性能,分析了Ti缓冲层对于ZnO薄膜缺陷的改善作用。结果表明在Ti(缓冲层)/Si(100)衬底上、衬底温度350 oC的条件下制备的ZnO薄膜表面光滑、缺陷少、电阻率高且具有高C轴取向。这一工作对于压电薄膜缺陷分析及高性能ZnO声表面波器件研制有较大的意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 声表面波技术发展历史及技术特点
• 1.2 声表面波传感器的分类
• 1.2.1 延迟线型
• 1.2.2 谐振器型
• 1.2.3 两类SAW 传感器的特点
• 1.3 金刚石多层膜SAW 器件的特点及其材料工艺研究
• 1.3.1 金刚石多层膜SAW 器件的特点
• 1.3.2 金刚石多层膜SAW 器件的构造
• 1.4 本课题的研究意义及主要工作
• 1.4.1 国内外研究现状分析
• 1.4.2 课题的研究目的和意义
• 第二章 双端SAW 谐振器
• 2.1 SAWR 的构成
• 2.1.1 叉指换能器
• 2.1.2 反射栅
• 2.2 双端SAW 谐振器
• 2.2.1 双端SAW 谐振器的结构图
• 2.2.2 双端谐振器的设计参数
• 第三章 ZnO 薄膜性质及表征手段
• 3.1 ZnO 的性质
• 3.1.1 ZnO 的结构及其特性
• 3.1.2 ZnO 的压电效应
• 3.1.3 压电材料的三个参数
• 3.2 ZnO 薄膜的制备方法
• 3.2.4 MOCVD
• 3.2.5 PLD
• 3.2.6 PECVD
• 3.2.7 MBE
• 3.2.8 ALD
• 3.2.9 磁控溅射法
• 3.3 射频磁控溅射ZnO 方法
• 3.3.1 预处理
• 3.3.2 制备过程
• 3.4 ZnO 薄膜的表征手段
• 3.4.1 X 射线衍射分析法（XRD）
• 3.4.2 原子力显微镜（AFM）
• 3.4.3 光致荧光光谱（PL）
• 3.4.4 半导体参数分析仪
• 第四章 缓冲层结构对硅衬底上ZnO 薄膜特性的影响
• 4.1 缓冲层结构对SAWR 的影响
• 4.2 衬底温度对缓冲层上ZnO 薄膜的影响
• 4.2.1 无缓冲层（ZnO/Si）
• 4.2.2 Ti 缓冲层（ZnO/Ti/Si）
• 4.2.3 Au 缓冲层（ZnO/Au/Si）
• 第五章 ZnO 薄膜缺陷的分析
• 5.1 薄膜缺陷的测试方法
• 5.2 不同衬底温度下缓冲层上ZnO 薄膜结构的PL 光谱
• 5.2.1 不同温度下ZnO/Si 薄膜的PL 光谱
• 5.2.2 不同温度下ZnO/Ti/Si 薄膜PL 光谱
• 5.2.3 不同温度下ZnO/Au/Si 薄膜的PL 光谱
• 5.3 缓冲层上ZnO 薄膜的缺陷分析
• 5.3.1 Si 衬底与Ti 缓冲层/Si 衬底上ZnO 薄膜缺陷的比较分析
• 5.3.2 Au 缓冲层/Si 衬底上ZnO 薄膜缺陷的分析
• 第六章 结论和展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢