一种压电薄膜高温极化方法技术

本发明专利技术涉及一种压电薄膜高温极化方法，包括：制备压电薄膜、热致相变材料与支撑衬底的复合结构；然后对复合结构进行高温退火，再以热致相变材料作为底电极，在压电薄膜上施加极化电场；最后对极化后的压电薄膜进行表面处理。本发明专利技术通过引入相变材料，一方面，相变材料在退火温度下金属化，作为底电极施加极化电压，可以提高压电薄膜的极化一致性；另一方面，相变材料在器件工作温度下绝缘化，可以作为高阻隔离层提升压电器件的射频性能。

【技术实现步骤摘要】
一种压电薄膜高温极化方法
本专利技术属于电子元器件领域，特别涉及一种压电薄膜高温极化方法。
技术介绍
随着5G技术的发展，移动通信终端的射频前端模块市场出现快速增长。基于声表面波和体声波技术的声波滤波器成为射频前端模块中增长最快的电子元器件。然而，随着新频段的释放及载波聚合(CA)和多进多出(MIMO)技术的应用，市场对声波滤波器的尺寸、功耗、功率、工作频率、带宽和稳定性等提出了更多的要求。因此，在传统基于压电单晶衬底的声波滤波器基础上，研究人员采用异质复合衬底进行器件性能的提升并开发新型工作模式。然而，目前面向高性能生表面波滤波器应用的异质复合衬底采用离子束剥离技术制备，制备的薄膜存在大量的注入缺陷因此压电薄膜多畴化。为了恢复缺陷，通常采用高温退火的方式进行缺陷恢复，然而压电材料的矫顽电场随着温度的升高而降低，极易在退火过程中因扰乱电场的存在产生多压电畴。此外，传统的极化方法容易引入空气击穿或电极接触点极化不均匀等问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提一种压电薄膜高温极化方法，该方法通过引入相变材料，一方面，相变材料在退火温度下金属化，作为底电极施加极化电压，可以提高压电薄膜的极化一致性；另一方面，相变材料在器件工作温度下绝缘化，可以作为高阻隔离层提升压电器件的射频性能。本专利技术提供了一种压电薄膜高温极化方法，包括：利用离子注入和异质键合工艺制备压电薄膜、热致相变材料与支撑衬底的复合结构；然后对复合结构进行高温退火，再以热致相变材料作为底电极，在压电薄膜上施加极化电场；最后对极化后的压电薄膜进行表面处理。所述压电薄膜为铌酸锂或钽酸锂薄膜。所述热致相变材料的金属/绝缘转变温度大于70℃；极化温度为金属/绝缘转变温度～0.8Tc；绝缘相电阻率>1000Ωcm。(Tc为压电薄膜的居里温度)要求转变温度>70℃，可以保证在器件正常工作温度下相变材料保持绝缘相即高阻状态。对于部分材料的相变温度低于70℃，可以采用离子掺杂、应变掺杂、空穴调控等方式调控相变温度。所述支撑衬底为硅、蓝宝石、SiO2/Si复合衬底、SiC、GaN、AlN中的一种或几种。所述离子注入和异质键合工艺包括先在压电衬底表面生长热致相变材料(如磁控溅射、PLD、ALD等)然后在压电衬底中注入离子，最后将支撑衬底与压电衬底键合或者先在压电衬底中注入离子然后在压电衬底表面生长热致相变材料，最后将支撑衬底与压电衬底键合。在压电衬底表面生长热致相变材料之前预先生长截至层。所述截至层为SiO2，虽然此时相变材料未与压电衬底接触，但仍可以通过电场进行极化。所述高温退火温度为0.3～1.2Tc。所述极化电场强度大于热致相变材料的矫顽电场，极化时间大于1s。对于射频滤波器，压电薄膜上表面会形成叉指电极、总线和接触电极板等金属结构。如果压电薄膜层下的材料为低阻材料，低阻材料会起到电极作用，与压电薄膜表面的金属结构及压电薄膜构成电容器结构，对射频滤波器的性能产生影响。本专利技术的相变材料则可以作为高阻隔离层提升压电器件的射频性能。图2展示了高低阻对器件谐振性能的影响，对比的两个材料电阻率分别为1e5ohm*cm与0.05ohm*cm。高阻衬底和低阻衬底的谐振频率点接近，位于fr＝2010MHz左右。但是低阻衬底的反谐振点位于fa＝2198MHz，高阻衬底的反谐振点位于fa＝2284MHz。根据计算公式计算谐振性能的机电耦合系数，高阻衬底的kt2＝35.6％，低阻衬底的kt2＝24.7％。机电耦合系数直接影响谐振器的相对带宽，高阻衬底的想读带宽优于低阻衬底。有益效果本专利技术通过引入相变材料，一方面，相变材料在退火温度下金属化，作为底电极施加极化电压，可以提高压电薄膜的极化一致性；另一方面，相变材料在器件工作温度下绝缘化，可以作为高阻隔离层提升压电器件的射频性能。附图说明图1为本专利技术引入相变材料的原理图。图2为高低阻材料对器件谐振性能的影响。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。实施例1(1)先在支撑衬底表面生长热致相变材料如VO2或TiO2(生长方法如磁控溅射、PLD、ALD等)，然后在压电衬底中注入离子如H离子，将支撑衬底与压电薄膜键合并退火剥离压电材料得到压电薄膜、热致相变材料与硅衬底的复合结构；其中，[3DLocalManipulationoftheMetal-InsulatorTransitionBehaviorinVO2ThinFilmbyDefect-InducedLatticeEngineering]记载了，随着温度升高，VO2从绝缘态向金属态转变，方块电阻从10^5降低到10^1量级；(2)对上述复合结构进行高温退火，高温退火温度为1.1Tc，一方面加强压电薄膜与支撑衬底间的结合强度，另一方面可以恢复离子注入的残余缺陷。从理论上讲，温度越高，结合强度越强，残余缺陷恢复越好。但是当温度超过压电材料的居里温度时，压电材料从铁电变为顺电，失去压电性能；并且随着温度的升高，压电材料的矫顽电场降低，压电材料的极化容易受到外界电场的影响；(3)以热致相变材料作为底电极，在压电薄膜上施加极化电场，从而极化压电薄膜，此时的极化温度必须高于热致相变材料的MIT(Metal-Insulatortransition)温度，此时作为底电极的压电材料电阻率小，效率高；(4)最后对极化后的压电薄膜进行表面处理，去除表面金属。实施例2(1)先在铌酸锂压电薄膜表面预先生长截至层SiO2，然后再生长热致相变材料(生长方法如磁控溅射、PLD、ALD等)，然后在压电衬底中注入离子，将压电衬底与支撑衬底键合并退火剥离，得到压电薄膜、SiO2、热致相变材料与硅衬底的复合结构；(2)对上述复合结构进行高温退火，高温退火温度为0.5Tc；(3)以热致相变材料作为底电极，在压电薄膜上施加极化电场，从而极化压电薄膜；因为极化作用是矫顽电场起作用，在底电极相变材料和压电膜之间插入SiO2层后，在底电极和表面电极间施加电场仍能起到极化作用，效率会降低，但是会利于器件正常工作的性能提升。(4)最后对极化后的压电薄膜进行表面处理，去除表面金属。实施例3本实施例对硅衬底进行掺杂，将硅变为热致相变材料。在硅衬底表面通过热氧化或薄膜沉积(CVD或磁控溅射)的方式生长SiO2层，并对硅衬底注入Te离子，从而将含有Te成分的硅层转变为相变材料。然后通过离子束剥离技术将压电薄膜转移到硅/含有Te的硅/SiO2的支撑衬底上，形成所述材料。退火、极化和表面处理等步骤参照实施例1。实施例4本实施例对LiNbO3进行掺本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种压电薄膜高温极化方法，包括：/n利用离子注入和异质键合工艺制备压电薄膜、热致相变材料与支撑衬底的复合结构；然后对复合结构进行高温退火，以热致相变材料作为底电极，在压电薄膜上施加极化电场；最后对极化后的压电薄膜进行表面处理。/n

【技术特征摘要】
1.一种压电薄膜高温极化方法，包括：
利用离子注入和异质键合工艺制备压电薄膜、热致相变材料与支撑衬底的复合结构；然后对复合结构进行高温退火，以热致相变材料作为底电极，在压电薄膜上施加极化电场；最后对极化后的压电薄膜进行表面处理。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述压电薄膜为铌酸锂或钽酸锂薄膜。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述热致相变材料的金属/绝缘转变温度大于70℃；极化温度为金属/绝缘转变温度～0.8Tc；绝缘相电阻率>1000Ωcm。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述支撑衬底为硅、蓝宝石、SiO2/Si复合衬底、SiC、GaN、AlN中的一种或几种。


5.根据权利要求1所述的方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄凯，欧欣，赵晓蒙，李忠旭，陈阳，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31