Введение к работе
Актуальность темы. В последние годы, в связи с бурным развитием систем связи, резко возросла потребность в разнообразных устройствах на поверхностных акустических волнах (ПАВ) - фильтрах, линиях задержки, резонаторах и т.д. - которые часто являются ключевыми элементами этих систем. По сравнению с аналогами, основанными на других физических принципах, устройства на ПАВ более миниатюрны и обеспечивают высокую стабильность основных параметров. Благодаря анизотропии кристаллов, используемых в качестве звукопроводов в устройствах на ПАВ, возможно варьирование параметров устройств в широких диапазонах. Дальнейшее расширение этих диапазонов стало возможным благодаря применению, наряду с обычными ПАВ, оттекающих поверхностных акустических волн (ОПАВ), которые обеспечивают более высокую скорость распространения, а во многих случаях также лучшую термостабильность и более высокий коэффициент электромеханической связи (КЭМС), что очень важно при создании высокочастотных устройств с термостабильными параметрами и низким уровнем вносимых потерь. Дополнительные возможности дает нанесение тонкой пленки на поверхность монокристаллической подложки.
Многообразие типов волн, существующих благодаря анизотропии кристаллов, а также зависимость характеристик этих волн от толщины и параметров пленки существенно повышает вероятность нахождения волны с оптимальной комбинацией характеристик, обеспечивающей требуемые значения параметров устройства. Быстрая и точная оценка целесообразности использования данной ориентации звукопровода или слоистой структуры может быть осуществлена, не прибегая к эксперименту, путем использования надежных численных методов исследования характеристик различных типов акустических волн.
Целью работы явилось выявление некоторых особенностей распространения поверхностных и оттекающих акустических волн, важных с точки зрения использования этих волн в устройствах на ПАВ, в различных монокристаллах и слоистых структурах, а также поиск оптимальных ориентации звукопровода, материала и толщины пленки, обеспечивающих улучшенные параметры устройства - малые вносимые потери, высокую рабочую частоту и термостабильность.
В рамках поставленной в работе общей задачи решается ряд конкретных:
исследование с помощью универсального численного метода, основанного на матричном формализме, особенностей распространения ПАВ и ОПАВ в некоторых перспективных пьезоэлектрических кристаллах -тетраборате лития, ортофосфате галлия, берлините, лангасите, а также в карбиде кремния, известном высокими скоростями распространения акустических волн;
анализ особенностей поведения высокоскоростных и низкоскоростных оттекающих волн в различных слоистых структурах типа тонкий слой на монокристаллической подложке - ZnO/кварц, А1/кварц, ZnO/алмаз, ZnO/SiC, АІ/ІЛ2В4О7, ZnO/сапфир и других;
поиск срезов монокристаллов и параметров слоистых структур с оптимальной комбинацией характеристик для использования в высокочастотных устройствах на ПАВ с термостабильными параметрами и низкими вносимыми потерями.
Новизна в научная ценность работы состоит в следующем:
Проведенный сравнительный анализ характеристик оттекающих волн
в изоморфных кристаллах кварца, лангасита, берлинита и ортофосфата
галлия позволил обнаружить общие черты и отличия в поведении низке-
и высокоскоростных ОПАВ в этих кристаллах.
Проанализировано поведение поверхностных и оттекающих волн, низкоскоростных и высокоскоростных, в некоторых перспективных слоистых структурах в широком диапазоне толщин пленки.
Впервые обнаружено немонотонное изменение характеристик акустических волн (фазовой скорости, коэффициента затухания и КЭМС) в зависимости от толщины слоя при приближении скорости оттекающей волны к одной из предельных скоростей объемных волн в подложке. Показано, что величина разрыва зависит от коэффициента затухания оттекающей волны.
Обнаружено влияние области отрицательной кривизны (вогнутости) поверхности медленности объемных волн, соответствующей материалу подложки, на дисперсию характеристик ПАВ и ОПАВ при нанесении тонкой пленки на поверхность подложки. Установлено, что наличие таких областей может приводить к появлению «запрещенных» для оттекающих волн интервалов скоростей. Таким образом, в случае отрицательной кривизны поверхности медленности возможно существование анализируемой оттекающей волны в ограниченном диапазоне толщин пленки.
Найден новый тип поверхностных акустических волн - высокоскоростные ПАВ (ВПАВ), существующий только в слоистых системах. По скорости эта поверхностная волна расположена между предельными скоростями быстрой сдвиговой и продольной объемных волн в подложке. Показано, что в непьезоэлектрической подложке ВПАВ представляет собой однопарциальную неоднородную волну, распространяющуюся без потерь вдоль поверхности и экспоненциально затухающую по глубине. В пьезоэлектрическом кристалле ВПАВ становится в общем случае двухпарци-альной, оставаясь незатухающей. Приведены примеры ВПАВ симметричного и несимметричного типов в различных слоистых структурах.
Практическая ценность работы заключается в том, что: Результаты, полученные в процессе теоретического исследования характеристик распространения поверхностных и оттекающих волн в слоистых структурах, как перспективных (ZnO/SiC, ZnO/алмаз), так и уже применяемых (кварц с пленкой ZnO, LiNb03 с пленкой из кварцевого стекла), могут быть использованы при выборе оптимальной ориентации и толщины пленки для устройства на ПАВ с заданными параметрами:
в термостабилыюй ориентации кварца с углами Эйлера (00;15;0), известной как LST-срез, с пленкой ZnO толщиной Ь/А=0.25 и Ь/А=0.42 (где А - длина волны), обнаружены слабозатухающие волны с коэффициентами затухания 0.0001 дБ/А. и 0.0002 дБ/А, соответственно, принадлежащие ветви низкоскоростных оттекающих волн второго порядка. Благодаря слабому затуханию, в сочетании с достаточно высокими значениями коэффициента электромеханической связи (КЭМС), 1% и 2.5%, соответственно, найденные волны могут быть использованы для создания устройств на ПАВ с низкими вносимыми потерями.
практически важные решения, обладающие структурой волн рэле-евского типа и расположенные на ветвях низкоскоростных оттекающих волн, были найдены в слоистых системах: ZnO/(0;38;0)LiNbO3 (h/A=0.21, h/A=0.38), ZnO/(45;450;0)GaAs (h/A=0.04), АШ/(0;-300;0)А12Оз (h/A=0.16), AlN/LST-кварц (h/A=0.06; h/A=0.31).
установлено, что в структуре 41-YX срез ниобата лития с пленкой плавленого кварца при толщине пленки h/A=0.01 затухание низкоскоростной оттекающей волны стремится к нулю, как в случае электрически свободной поверхности структуры, так и в случае ее металлизации, при этом КЭМС остается достаточно большим - около 7.5 %.
Высокоскоростные ПАВ, принадлежащие к новому типу поверхностных волн, существующему в слоистых средах, были обнаружены в струк-
турах ZnO на алмазе и ZnO на сапфире со скоростями распространения 13846 м/с и 9154 м/с, соответственно. Благодаря высокой скорости распространения и потенциально высоким значениям КЭМС, а также хорошо развитой технологии получения пленок ZnO, ВПАВ могут быть использованы в качестве основного носителя сигнала в высокочастотных устройствах на ПАВ.
В результате анализа экспериментальных зависимостей характеристик
поверхностных и оттекающих волн и их сравнения с расчетными значе
ниями определено значение модуля упругой жесткости си карбида крем
ния, отсутствующее в литературных источниках.
На зашиту выносятся:
результаты сравнительного анализа особенностей распространения высокоскоростных и низкоскоростных оттекающих волн в изоморфных кристаллах кварца, лангасита, берлинита и ортофосфата галлия;
результаты исследования особенностей распространения ПАВ и ОПАВ в слоистых структурах: ZnO/кварц; ZnO/SiC; ZnO/алмаз; АІЯЛ2В4О7; плавленый KBapu/LiNb03; ZnO/LiNbOj; ZnO/GaAs; AlN/кварц; A1N/A1203; ZnO/Al203;
впервые обнаруженные особенности поведения оттекающих волн в слоистых средах:
немонотонное изменение характеристик (фазовой скорости, коэффициента затухания и КЭМС) при значениях фазовой скорости поверхностных волн, близких к скорости одной из предельных объемных волн в подложке;
возможность появления «запрещенных» интервалов скоростей ОПАВ при наличии зон отрицательной кривизны в сечении поверхности медленностей материала подложки сагиттальной плоскостью;
новый тип поверхностных акустических волн - высокоскоростные ПАВ, - найденный в некоторых пленочных структурах в результате численного исследования.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 4-ом Международном симпозиуме по поверхностным волнам в твердых телах и слоистых структурах (С.-Петербург, 1998), Международной конференции по росту и физике кристаллов, посвященной памяти М. П. Шаскольской (Москва, 1998) и двух Международных ультразвуковых симпозиумах (Япония, 1998, США, 1999). По результатам работы подготовлено 4 статьи, три из которых опубликованы (журналы «Материалы электронной техники», Applied Physics Letters и ШЕЕ Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control) и одна принята к публикации (журнал Journal of Acoustical Society of America).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложений. Объем диссертации составляет 146 страниц, содержит 51 рисунок и 4 таблицы. Список литературы - 90 наименований.
