【摘 要】
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声表面波大部分能量被限制在近表面区域,导致其对压电材料表面任何轻微扰动都具有很高敏感度,适用于各种物理、化学等信号传感。研究基于声表面波技术的高灵敏度紫外光探测器具有重要的意义。本文采用射频磁控溅射法在硅片上沉积氧化锌（ZnO）压电薄膜,并在此基础上设计了特征尺寸为8μm,叉指电极对数100对,孔径80λ的单端口声表面波（SAW）谐振器。使用COMSOL软件对以上器件进行有限元仿真分析,仿真结果显
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声表面波大部分能量被限制在近表面区域,导致其对压电材料表面任何轻微扰动都具有很高敏感度,适用于各种物理、化学等信号传感。研究基于声表面波技术的高灵敏度紫外光探测器具有重要的意义。本文采用射频磁控溅射法在硅片上沉积氧化锌（ZnO）压电薄膜,并在此基础上设计了特征尺寸为8μm,叉指电极对数100对,孔径80λ的单端口声表面波（SAW）谐振器。使用COMSOL软件对以上器件进行有限元仿真分析,仿真结果显示该器件中心频率为140.29 MHz,声表面波波速为4489.76 m/s。采用光刻-剥离工艺制备了器件,实物的测试结果为136 MHz,与仿真结果接近。该器件在365nm波长,光功率密度为900μW/cm~2的紫外照射下频率偏移可达到102.60 k Hz,灵敏度为0.80 ppm/（μW/cm~2）。为提高以上基于ZnO薄膜声表面波器件的性能,对比研究了Li Nb O3基片、蓝宝石基片、以及锆钛酸铅（PZT）薄膜等三种衬底对ZnO薄膜及其SAW器件性能的影响。测试结果显示Li Nb O3/ZnO基器件中心频率为126.54 MHz,声表面波波速为4049.28 m/s,Si/PZT/ZnO基中心频率为127 MHz,声表面波波速为4064 m/s,实际测试结果均与仿真结果基本一致。其中,采用Li Nb O3衬底可以提高探测器的光响应性能,Li Nb O3/ZnO器件在365nm波长光的照射下频率偏移可达到127.5k Hz,灵敏度为1.43 ppm/（μW/cm~2）。为进一步优化ZnO薄膜的压电性能以及器件的光响应,向ZnO薄膜中分别掺杂0.5at%Bi、5%at Mg、2at%Mn,研究掺杂对ZnO薄膜结构与器件性能的影响。采用X射线衍射（XRD）和原子力显微镜（AFM）测试表征ZnO掺杂系列薄膜的微结构,结果显示0.5at%Bi掺杂ZnO薄膜的（002）衍射峰具有最小的半高宽0.269°,且晶粒分布均匀性较好。基于0.5at%Bi掺杂ZnO薄膜所制作的紫外探测器的光响应性能提升明显,在365nm波长,光功率密度为900μW/cm~2的紫外照射下中心频率偏移为290 k Hz,灵敏度为3.47 ppm/（μW/cm~2）。
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