以氮化鎵為基板之表面聲波元件之研製

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許哲隆(Che-Lung Hsu) 查詢紙本館藏

畢業系所

光電科學與工程學系

論文名稱

以氮化鎵為基板之表面聲波元件之研製
(The study of fabrication of surface acoustic wave devices on GaN based substrates)

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摘要(中)

論文摘要
本論文的研究內容為使用氮化鎵（GaN）做為基板材料，並以射頻式反應性濺鍍法（RF reactive sputtering）濺鍍氧化鋅（ZnO）壓電薄膜（Piezoelectric film）於氮化鎵基板上，再製作指叉狀電極轉換器（Interdigital transducer）於濺鍍出之基板上，以製作出的表面聲波元件（Surface acoustic wave device）來研究表面聲波在氮化鎵與氧化鋅所構成的壓電材料基板上所呈現出的特性。
首先我們使用濺鍍機（Sputter）將氧化鋅薄膜濺鍍於氮化鎵基板上，於濺鍍過程中改變濺鍍參數(入射射頻功率、反應室背景氣壓、氬氣與氧氣流量比例、、、等等)，以找出適合於製作表面聲波元件之氧化鋅壓電薄膜之最佳濺鍍條件，包括高阻值（Resistivity）、良好的結晶性（Crystallinity）、高順向度（Preferred orientation）、單一c-軸指向性（c-axis orientation）與低的表面粗糙度（Surface roughness）。在經過一系列的嘗試後我們所得到的最佳濺鍍條件為入射射頻功率250W、系統中通入氬氣與氧氣氣體之總流量為20sccm、氧氣佔總流量比例之30﹪以及背景氣壓10mtorr。
實驗過程中我們使用X光繞射儀（XRD）以及原子力顯微鏡（AFM）分別來分析氧化鋅薄膜於氮化鎵基板上的結晶特性與平整度，由量測的結果我們發現由以上最佳濺鍍參數條件下沉積所得厚度約2μm之氧化鋅薄膜不但具有相當良好的結晶性，且呈現出單一垂直基板方向之c-軸指向性；在薄膜表面粗糙度的表現方面Rq（均方根值）值約僅有3nm，可說是十分適合用於製作表面聲波元件。
接著我們以一般半導體製程中之微影製程技術，製作指叉狀電極轉換器於濺鍍出的壓電材料基板上製作出表面聲波元件，並以網路分析儀量測表面聲波元件的特性，觀察元件的操作頻率與表面聲波的波速，並與其他相關的研究相互比較。我們所設計的指叉狀電極轉換器所產生的表面聲波波長為20μm，於氧化鋅/氮化鎵基板上所製作出之表面聲波元件量測到的聲波頻率約為322MHz，由此所得到之聲波波速約為6440m/s。

關鍵字(中)

★ 氧化鋅
★ 氮化鎵
★ 表面聲波

關鍵字(英)

★ SAW
★ ZnO
★ GaN

論文目次

目錄
論文摘要……………………………………………………………I
目錄…………………………………………………………………III
圖目………………………………………………………………VI
表目…………………………………………………………IX
第一章緒論……………………………………………………1
第二章表面聲波元件之簡介…………………………………4
2-1固體中之彈性波…………………………………………4
2-2 表面聲波之原理………………………………………4
2-3 表面聲波元件……………………………………………5
2-3.1 壓電效應…………………………………………5
2-3.2 表面聲波元件之結構……………………………6
2-3.3 指叉狀電極轉換器之設計………………………7
2-4 表面聲波元件之應用……………………………………8
第三章氧化鋅與氮化鎵之材料性質…………………………10
3-1 氧化鋅之材料特性……………………………………10
3-1.1 氧化鋅之晶格結構………………………………10
3-1.2 氧化鋅之半導體特性……………………………10
3-1.3 氧化鋅之應用與表面聲波特性…………………11
3-2 氮化鎵之材料特性………………………………………11
3-2.1氮化鎵之晶格結構……………………………12
3-2.2 氮化鎵之半導體特性……………………………12
3-2.3 氮化鎵之應用與表面聲波特性…………………12
3-3 其他常用壓電材料簡介………………………………13
第四章氧化鋅薄膜之濺鍍與量測結果………………………14
4-1 RF濺鍍之原理簡介……………………………………14
4-1.1 輝光放電…………………………………………14
4-1.2 射頻賤鍍…………………………………………15
4-1.3 反應性賤鍍………………………………………17
4-2 濺鍍機的系統裝置……………………………………18
4-3 薄膜的濺鍍流程與參數………………………………18
4-3.1濺鍍過程控制之參數……………………………18
4-3.2薄膜濺鍍之流程…………………………………19
4-4 ZnO成長於GaN基板上之量測結果…………………20
第五章表面聲波元件之製作與量測…………………………27
5-1 電極轉換器之參數設計………………………………27
5-2 電極轉換器之微影製程………………………………27
5-3 表面聲波元件之量測結果…………………………29
5-3.1表面聲波元件之量測方法………………………29
5-3.2 於鈮酸鋰基板上製作表面聲波元件之量測結果.30
5-3.2於氧化鋅/氮化鎵基板上製作表面聲波元件之量測結果…………………………31
第六章結論………………………………………………32
6-1 氧化鋅薄膜的成長部分…………………………32
6-2 表面聲波元件的製作部分…………………………33
參考文獻…………………………………………………………34

參考文獻

參考文獻
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指導教授

李清庭(Ching-Ting Lee)

審核日期

2002-7-18

推文