[发明专利]一种任意衬底上单晶AlN薄膜体声波谐振器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种任意衬底上单晶AlN薄膜体声波谐振器及其制备方法。该制备方法包括以下步骤：在第一衬底上形成二维材料，然后在二维材料衬底上生长第一金属电极，在第一金属电极上形成单晶AlN压电材料，在压电材料上表面形成第二金属电极，然后将谐振器与衬底机械剥离并转移到任意衬底上面，得到单晶AlN薄膜体声波谐振器。采用该方法制备得到的基于单晶AlN压电堆叠结构可用于薄膜体声波谐振器的制备中，单晶AlN薄膜在压电性能上优于目前薄膜体声波谐振器中应用到的多晶AlN压电薄膜，从而提高器件的品质因数和有效机电耦合系数。同时避免了单晶AlN谐振器对衬底的严格要求。

技术领域

本发明涉及薄膜体声波谐振器技术领域，具体涉及一种任意衬底上单晶AlN薄膜体声波谐振器及其制备方法。

背景技术

随着4G、5G等通信技术的快速发展，小型化、高频段通信器件吸引了人们的广泛注意，目前仅滤波器的全球市场份额就高达几百亿美元。

薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，简称“FBAR”)是一种全新的射频滤波器的解决方案，与介质滤波器或者表面声波滤波器相比，FBAR滤波器具有更高的功率容量以及更小的体积。此外FBAR滤波器的制备过程还与标准CMOS工艺兼容，因此FBAR滤波器从众多滤波器中脱颖而出。

随着工作频率的增加，压电材料的厚度会逐渐减小，因此制备的压电材料的晶体质量会逐渐变差，最终导致品质因数不高。多晶AlN晶界也会对声波造成强烈的散射损耗。目前市场在售滤波器基本是多晶材料制备的,品质因数不高。

磁控溅射方法制备AlN薄膜的生长过程大致分为三个阶段：非晶层，成核、竞争长大区，枝晶区。其中非晶层对压电效应没有作用，反而会导致散射增强，降低谐振器的品质因数。

目前多晶AlN谐振器一般通过磁控溅射的方法在硅衬底表面制备电极、压电层，然后利用化学刻蚀的方法移除谐振器下面的硅衬底，但是这种方法极大地限制了衬底的范围，同时良率非常低(Chen C,Shang Z,Zhang F,et al.Dual-mode resonant infrareddetector based on film bulk acoustic resonator toward ultra-high sensitivityand anti-interference capability[J].Applied Physics Letters,2018,112(24):243501.)同时也可以利用机械减薄的方法移除硅衬底，然后将谐振器与另一衬底键合，但是这种方法对减薄设备的精度要求非常高，减薄也会严重降低AlN的晶体质量，极大地增加了制备时间和器件的成本，良率也较低。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种任意衬底上单晶AlN薄膜体声波谐振器及其制备方法。

基于此，本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种任意衬底上单晶AlN薄膜体声波谐振器制备方法，利用该方法可以获得任意衬底上单晶氮化铝薄膜体声波谐振器。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

本发明提供的任意衬底上的单晶AlN薄膜体声波谐振器，包括：衬底、硅腔、单晶二维材料、Al缓冲层、第一金属电极、压电层及第二金属电极；所述衬底与单晶二维材料连接，衬底与单晶二维材料的连接面向衬底内凹陷形成硅腔；Al缓冲层沉积在所述单晶二维材料上，第一金属电极生长在Al缓冲层上；压电层与第一金属电极、单晶二维材料连接；第二金属电极沉积在压电层上。

进一步地，所述单晶二维材料的厚度为0.1nm-1μm；所述二维材料包括石墨烯、六方氮化硼等中的一种及以上，但是不限于上述两种二维材料。

进一步地，所述Al缓冲层的厚度为50nm-1500nm。

进一步地，所述衬底为蓝宝石、硅、玻璃等中的一种及以上。