Введение к работе
Актуальность темы. Одной из бурно/развивающихся областей физики полупроводников и диэлектриков в последние 25-30 лет является акустоэлектроника, представляющая интерес для создания устройств обработки сигналов. Основными компонентами таких устройств являются пьезоэлектрические монокристаллы и встречно-штыревые преобразователи (ВШИ), основным типом колебаний - поверхностные акустические волны (ПАВ) рэлеевского типа. Улучшение рабочих характеристик устройств на рэлеевских ПАВ идет несколькими путями, включающими в себя совершенствование технологии, улучшение отдельных элементов, синтез нових материалов и поиск новых кристаллографических срезов с улучшенными акустическими характеристиками. Перспективным считается также переход от используемых в настоящее время рэлеевских волн к акустическим колебаниям других типов - волнам Гуляева-Блюстейна (ВГБ) /1-3/, "утечки" /4,5/, сдвиговым поверхностным (СПВ) /6,7/, приповерхностным объемным /8,9/ (ПОАВ) и др., которые также при определенных условиях способны распространяться вдоль свободной, рифленой или покрытой пленкой границе твердотельной подложки. Прогресс з использовании нетрадиционных типов акустических волн в акустоэлектронике зависит от выяснения фундаментальных особенностей их возбуждения, распространения и отражения, поскольку только в этом случав можно будет говорить об оптимизации типа колебаний в каждом конкретном устройстве. Кроме того, увеличение числа используемых волн расширяет диапазон достижимых акустических параметров даже в рамках существующих материалов, тем самым открывая новые возможности по их практическому использованию.
Актуальность к научная значимость исследований в этом направлении определяется также тем, что пьезоэлектрические кристаллы с различным рельефом поверхности и слоистые структуры с пьезоэлектрическими пленками представляют собой типичные "модели" анизотропных сред вообще, и поэтому часть результатов, полученных для этих "моделей", имеет общефизический характер.
К началу настоящей диссертационной работы (1975-1976 гг.) в основном завершилось исследование рэлеевских и "утекающих" волк в кристаллических материалах, не обладающих пьезоэлектрическими свойствами: было понято влияние упругой анизотропии на свойства этих волн, сформулирована теорема существования, выполнены многочисленные расчеты основных характеристик во многих материалах, проведено обобщение этих характеристик в зависимости от сингонии кристаллов. Работы же с рэлеезскими волнами в пьезокристаллах ещё продолжались, а исследования СИВ, ВГБ, ПОАВ и акустических мод слоистых структур - только начинались. Они носили, главным образом, теоретический характер, хотя важность экспериментальных исследований уже была ясна. Было понятно также, что благодаря расширению типов используемых ПАВ здесь следует ожидать появления новых, ранее неизвестных эффектов.
Цель диссертации состояла в экспериментальном исследовании рэлеевских, а также нерэлеевских акустических волн в наиболее распространенных пленарных структурах со сплошными пьезоэлектрическими слоями и периодическими рифлениями.
Основные задачи заключались в:
изучении поляризационных характеристик ПАВ в кристаллах и их связи с параметрами объёмных волн,
определении количества, типа и свойств акустических волн, одновременно существующих на плоской и периодически рифленой по-
верхнооти пьезокристаллоа,
сравнительном экспериментальном исследовании процессов возбуждения, распространения и отражения ПОАВ, СПВ и БІБ в структурах с периодическими (брэгтовскими) канавками,
сравнительном анализе слоистых структур различных типов,
в том числе структур с пьезоэлектрическими пленками ХпО vijiN,
акустической характеризации материалов пьезошгенок с использованием мод Рэлея и Сезава,
определении путей целенаправленного поиска кристаллографических срезов и слоистых структур с заданными характеристика?*!! распространения ПАВ,
установление особенностей применения СПВ, ВГБ и мод Рэлея и Сезава в пленарных акустических устройствах.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Проведено первое систематическое исследование поляризационных и энергетических характеристик ПАВ различных типов для широкого круга кристаллов и кристаллографических срезов, включая особые направлення в плоскости распространения. Предсказан и обнаружен эффект изкекения направления потока знэргии ПАВ при металлизации поверхности пьезозлектрика.
-
Экспериментально обнаружен эффект управления глубиной локализации глубокопроникаицих сдвиговых волн в пьезокристаллах при изменении условий на границе этих кристаллов.
-
Исследованы энергетические характеристики акустических мод однослойных структур. На основе полученных результатов установлены новые особенности таких структур.
-
На примере материалов гексагональной сенгонии Zn 0 ,CdS , WN впервые выполнены теоретические оценки минимально возможного поглощения продольных, поперечных и рэлеевских воля в поли-
кристаллических текстурах.
5. Получен новый справочный материал (скорость, поглощение, темперагурный коэффициент задержки, "предельная" толщина) для структур с наиболее распространенными пленками {ZnO , AEN ) и подложками (Л ,Ga,As , Мя06 ,ЛИГ , lifJSOs , SiO& ).
Основные положения, выносимые на защиту.
-
В изотропных телах и в анизотропных монокристаллах существует связь между пространственной структурой упругих смещений ПАВ и поляризациями трех, распростраюшцихся в том же направлении объемных волн, которая позволяет по характеристикам этих объемных волн и ориентации кристаллографического среза предсказывать поляризацию и глубину локализации волны на поверхности твердого тела.
-
На поверхности пьезоэлектрических кристаллов определенной ориентации с периодическими (брэгговскими) канавками возможно одновременное распространение 2-х пьезоактивных волн одинаковой упругой поляризации SH . На поверхности пьезокристаллов с плоской границей существуют протяженные сектора выделенных направлений, по которым одновременно возбуждаются две слабозатуха-кщие волны с неортотоналышми упругими поляризациями и частично совпадающими акустическими характеристиками.
-
Акустические водны SH -поляризации, распространяющиеся вдоль поверхности пьезоэлектрических кристаллов, допускают эффективное управление "глубиной Ьво'еЙ локализации за счет изменения условий на этой поверхности. Эффективность управления зависит от дифракционной расходимости волн в направлении объема подложки и увеличивается с её уменьшением. При прохождении SH волны брэг-говской решетки мелких по сравнению с длиной волны канавок существует пороговая частота непропускания, выше которой волна рассек-
_ 7 -
вается в объем пьезокристалла.
4. Нанесение сплошных пленочных покрытий на поверхность од-
нордных звукопроводов позволяет варьировать коэффициентом погло
щения и температурным коэффициентом задержки рэлеевских ПАВ в пре
делах значений этих коэффициентов в материалах пленки и подложки,
а фазовой скоростью и эффективным коэффициентом электромеханической связи - в пределах, не свойственных им в каждом из материалов в отдельности.
-
Слоистые структуры удобно характеризовать новым параметром - относительной долей энергии акустической моды, сконцентрированной в пределах пленки. Этот параметр позволяет с единых позиций анализировать слоистые структуры разных типов, определять порог зарождения (исчезновения) моды, а также температурные коэффициенты и коэффициенты поглощения для всей структуры в целом и для пленочного материала в отдельности.
-
Акустическое поглощение рэлеевских ПАВ в поликристаллических одноосных текстурах типа пьезопленок ХпО , CdS , JSM возрастает по сравнению с монокристаллами из тех же материалов. Основными источниками дополнительного поглощения являются увеличение эффективной вязкости среды и рассеяние волны на рельефе поверхности.
Научная и практическая ценность работы.
-
Определены пути целенаправленного поиска кристаллографических срезов и слоистых структур с заданными значениями отдельных характеристик распространения ПАВ.
-
Установлены пределы изменения акустических характеристик слоистых структур с различными толщинами пленочных покрытий. Найдены комбинации пленок {Ля О ,MN) и подложек {Si ,GaJ$ , rfAOs , ЛИГ, ИМ806 , Si0^ ), обеспечивающие получение экстремальных
значений отдельных характеристик и наилучшее сочетание нескольких из них.
-
Экспериментально определены упругие и акустические параметры пьезоэлектрической текстурированной пленки ZnO и нового пьезоэлектрического материала - текстурированной пленки Та& 0$ . Получены количественные данные об отличил этих параметров е текстурированной пленке ZnO от соответствующих параметров в монокристалле.
-
Исследованы возможности создания пленарных акустических устройств на основе различных типов акустических колебаний. Созданы макеты устройств: одновходового резонатора на сдвиговых волнах с добротностью Q > 10000, СВЧ-фильтра на моде Сезава с основной частотой более I ГГц, датчиков водорода на модах Рэлея, Сезава
и сдвиговых волнах с чувствительностью до 250.10" при концентрации водорода I %.
Проведенные исследования вносят существенный вклад в развитие нового научного направления "Поверхностные и приповерхностные акустические волны в пленарных структурах".
Достоверность результатов работы определяется использованием апробированных экспериментальных методик, тщательностью выполненных исследований, согласием результатов измерений с существующими теоретическими моделями, достижением практической задачи -- созданием лабораторных макетов конкретных устройств на основе нетрадиционных типов акустических волн и пленарных структур с пленочными покрытиями и периодическими рифлениями.
Апробапия работы. Основные материалы диссертации докладывались на многих Всесоюзных и Международных конференциях, межотраслевых семинарах и сессиях, в том числе на Х-ХШ Всесоюзных конференциях по ахустоэлектронике, Ташкент 1978, Душанбе 1981, Сара-
тов 1983, Черновцы 1986; ХІУ Всесоюзной конференции по акусто-электронике и физической акустике твердого тела, Кишинев 1989, Ш Всесоюзной школе-семинаре "Упругие поверхностные волны", Новосибирск 1979; ІУ Всесоюзной конференции по методике и технике ультразвуковой спектроскопии, Вильнюс 1980; Сессии научного Совета "Ультразвук" АН СССР, Тбилиси 1985; Ш Всесоюзной конференции "Актуальные проблемы получения и применения сегнето- и пьезоэлектрических материалов и их роль в ускорении научно-техничес-кого прогресса, Москва 1987; конференции "Акустоэлектронные устройства обработки информации", Черкассы 1988; межотраслевом семинаре "Новые кристаллические материалы для пьезо- и акустоэлект-роники", Александров 1988; Х.ХП.ХУ советско-японском симпозиуме по электронике, Токио 1984, Токио 1986, Москва 1988; 14-й югославской конференции по микроэлектронике, Болград 1986; симпозиуме по микроэлектронике (в рамках двустороннего сотрудничества АН СССР и АН ГДР), Минск 1988; З-ей Международной школе по физической акустике, Эриче (Италия) 1988; Международном симпозиуме "Поверхностные волны в твердых телах и слоистых структурах", Новосибирск 1986, Варна 1989.
Результаты диссертационной работы докладывались также на научных семинарах в ИРЭ АН СССР и ФТИ им.А.Ф.Иоффе АН СССР.
Публикации
Основное содержание диссертации опубликовано в 32 печатных работах, список которых приводится в конце автореферата. Кроме того, по материалам диссертации получено 3 авторских свидетельства на изобретения.
Личный вклад автора
В работах 2,3,5,6,8,11,14,17,27 и 31 личный вклад автора состоит в постановке задачи, проведении измерений и расчетов,
участии в обсуждении полученных результатов; в работах 1,4,7,9, 13,15,16,20,22-26,28,29 и 32 - в участии в постановке задачи, в проведении основной части измерений и расчетов и в интерпретации полученных результатов. В работах 12,18,19,21,30 вклад автора состоит в постановке и проведении экспериментов и в обсуждении полученных результатов, а в работе 10, выполненной в соавторстве со специалистами по электронной микроскопии - в интерпретации изображений акустических полей.
Структура и объем диссертации
Работа состоит из введения, шести глав и заключения. Объем диссертации содержит 260 страниц машинописного текста, включая 81 рисунок, 25 таблиц и список литературы из 217 наименований.
