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29.02.2020 | Ausgabe 7/2020

Journal of Materials Science: Materials in Electronics 7/2020

Magnesium composition effect on UV-sensing performance of MgxZn1−xO-based solidly mounted bulk acoustic resonator

Zeitschrift:
Journal of Materials Science: Materials in Electronics > Ausgabe 7/2020
Autoren:
Yijian Liu, Siyuan Luo, Xun Sun, Yaozhong Zhang, Xiaofeng Zhu, Huey-liang Hwang, Zhongli Li, Yafei Zhang
Wichtige Hinweise

Electronic supplementary material

The online version of this article (https://​doi.​org/​10.​1007/​s10854-020-03116-0) contains supplementary material, which is available to authorized users.

Publisher's Note

Springer Nature remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.

Abstract

Magnesium-doped zinc oxide (MgxZn1−xO) is a ternary compound formed by alloying ZnO and MgO. A series of Mg-doped ZnO-based solidly mounted resonators (SMRs) with a lateral co-planar electrode was fabricated by radio-frequency magnetron sputtering PVD deposition for UV-sensing application in this report. The SMRs were developed with 4 levels tuning Mg composition from 0 to 25% atomic ratio to optimize the device performance. Investigation of the Mg-doped ZnO thin films for the SMR device performance and the UV-sensing performance comparison between pure ZnO and Mg-doped ZnO SMR were conducted through scanning electron microscopy, X-ray diffraction, UV–visible transmittance spectrum, network analyzer (NWA), and UV illumination with different Mg-doping concentration. With Mg-doping concentration of 13 at.%, the parallel resonant frequency at 2129.78 MHz performed Qp, \(k_{{{\text{eff}}}}^{2}\), and TCFp (temperature coefficient of frequency) of 301.26, 2.9%, and − 9.71 ppm/℃, respectively. Since Mg impurity exists in the piezoelectric film, the chemical activity with oxygen gas was enhanced, and then UV-sensing responsivity was + 16.9 Hz/μW/cm2 increased beyond 50% averagely than pure ZnO SMRs. From the results, it could be concluded that appropriate Mg composition dramatically improve the resonant and UV-sensing performance of MgxZn1−xO SMR device simultaneously based on synergy effect between chemical activity and piezoelectric property, which provides a new solution for miniaturization of portable UV sensors.

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