Исследования пьезоэлектрических свойств КТГС и кварца для ПАВ – устройств

Введение.

Интенсивное развитие современной науки и техники невозможно представить без высокотехнологичной электроники и радиоэлектронных устройств. Изделия электронной промышленности  широко применяются в вычислительной технике, радиолокации, технике связи, промышленности и сельском хозяйстве, медицине и бытовых приборах. Элементной базой современной микроэлектроники являются полупроводниковые приборы, интегральные микросхемы, а так же частотно-селективные компоненты. Все они должны соответствовать определенным требованиям, основными из которых являются: высокая надежность, высокая температурная стабильность, возможность совмещения процессов изготовления с микро и нано технологиями, малые массогабаритные характеристики. В связи с этим возникает потребность в новых материалах.

В настоящее время одними из  новых перспективных пьезоэлектрических кристаллов с высокими пьезоэлектрическими константами и хорошими термостабильными свойствами являются кристаллы семейства лангасита. Они могут с успехом заменить традиционно используемые пьезокерамику и кварц. Наиболее известные соединения группы – лангасит (ЛГС, La3Ga5SiO14), лангатат (ЛГТ, La3Ta0.5Ga5.5O14), лантан-галлиевый ниобат (ЛГН, La3Nb0.5Ga5.5O14), и катангасит (КТГС, Ca3TaGa3Si2O14). Кристаллы имеют высокую акустическую  добротность, нулевой температурный коэффициент частоты (ТКЧ) первого порядка, высокий коэффициент электромеханической связи и повторяемость параметров. Лангасит уже стал основным материалом для создания высокотемпературных сенсоров на основе поверхностных акустических волн.

Целью данной работы было изучение акусто- и электро-физических свойств катангасита различных срезов, а также ST-90˚X среза кварца, обладающего высокой скоростью распространения поверхностной акустической волны (ПАВ). Для этого были разработаны тестовые ПАВ-устройства с использованием в качестве пьезоподложки Х-среза катангасита 0˚- и 40˚-срезов, углы Эйлера для которых соответственно равны  (0˚, 90˚, 0˚) и (0˚, 90˚, 40˚), и ST-90˚X кварц с углами Эйлера (0˚, 132˚45’, 0˚). Для подтверждения адекватности полученных экспериментальных результатов, аналогичные исследования были проведены для ST-кварца и лангасита (0˚, 138,5˚, 26,7˚), параметры которых хорошо известны.

Эксперимент

Тестовый шаблон состоял из трех типов структур (рис. 1): отражательные структуры с различным коэффициентом металлизации (km=0.4; 0,5; 0,6), линия задержки (ЛЗ)  и резонатор, позволяющих определить весь комплекс параметров, используемых в технике ПАВ.

Отражательные структуры (рис.1а) содержали два идентичных встречно-штыревых преобразователя (ВШП1) и отражателя между ними. ВШП1 имел 35 пар расщепленных штырей (нулевой уровень переотражений), отражатель — 200 штырей. Данный тип конструкции использовался для исследования зависимости коэффициента отражения волны от параметров электродной структуры (коэффициента металлизации и толщины пленки алюминия).

Линия задержки (рис.1б) включала три встречно-штыревых преобразователя, что позволило исследовать параметры распространения волны в прямом и обратном направлении для выявления однонаправленности в изучаемых срезах пьезоматериалов. ВШП1 содержал 35 пар расщепленных штырей, ВШП2 – 50 пар нерасщепленных. Для оценки добротности была разработана конструкция резонатора (рис.1в), которая включала 2 отражателя и ВШП, расположенного между ними. ВШП содержал 70 пар нерасщепленных штырей, отражатель — 160 штырей. Апертура (величина рабочего перекрытия штырей) во всех структурах была равна 2500 мкм. Период в структурах (длина волны) составлял 34,35 мкм, что соответствует частоте 79,8 МГц для параметров лангасита при hm = 0,3 и коэффициенте металлизации 0,5.

Электродные структуры были сформированы методом прямой фотолитографии. При нанесении пленки алюминия  Al использовался электронно-лучевой метод.  Толщина  металлизации в структурах варьировалась в зависимости от типа пьезоматериала. В случае КТГС для различных экспериментов толщина составила hm = 0,3, 0,5 и 0,8 мкм. Для подложки лангасита hm =0,3 и 0,5 мкм, а для кварца hm=0,2 мкм.

Измерения готовых изделий приводились с помощью комплексного измерителя Обзор-804.

Ниже представлены результаты исследований и полученные параметры материалов.

Рис.1. Типы тестовых структур; а) отражательная структура б) линия задержки в) резонатор
Рис.1. Типы тестовых структур; а) отражательная структура б) линия задержки в) резонатор

Результаты

Скорости и однонаправленность. Для определение скорости волны в исследуемых пьезоэлектриках  использовалась линия задержки (рис.1б).   Полученные зависимости скорости волны от толщины металлизации для двух срезов КТГС приведены на рис. 2.   Наши экспериментальные данные подтверждают исследования, приведенные в  [1].

Исследования амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) линии задержки на основе катангасита в широком диапазоне частот показали, что уровень возбуждения объемных волн в 40˚-срезе катангасита значительно меньше, чем в 0˚-срезе, рис.3.

Особый интерес с точки зрения ПАВ-техники представляют данные, полученные для  кварца ST-90˚-среза. Исследования показали, что величина  эффективной скорости волны в данном срезе в 1,59 раз превышает скорость волны в стандартном ST-срезе кварца и составляет 5010м/с, что совпадает с данными, приведенными в работе [2].

Также данные образцы использовались для выявления анизотропных свойств пьезоподложек катангасита, которые позволяют реализовать физическую асимметрию преобразователя и обеспечить направленность излучения в случае, если эффективные центры отражения и преобразования разнесены на λ/8.   Для этого мы дважды проводили измерения АЧХ с различными вариантами разварки, представленными на Рисунке 4.

Результаты этих исследований представлены ниже.

Рис.2. Зависимость скорости волны от толщины металлизации для образцов КТГС (0˚, 90˚, 0˚) и  (0˚, 90˚,40˚)-срезов
Рис.2. Зависимость скорости волны от толщины металлизации для образцов КТГС (0˚, 90˚, 0˚) и (0˚, 90˚,40˚)-срезов
Рис. 3. АЧХ линии задержки в широкой полосе частот для КТГС
Рис. 3. АЧХ линии задержки в широкой полосе частот для КТГС
Рисунок 4. Варианты разварки линий задержки.
Рисунок 4. Варианты разварки линий задержки.

В кристаллах катангасита с углами  (0˚, 90˚, 0˚) однонаправленности не выявлено. Доказательством служат характеристики, представленные на рисунке 5.

 Катангасит с углами  (0˚, 90˚, 40˚) обладает естественной направленностью, ярко выраженной на больших толщинах пленок. Сравнительные характеристики представлены на рисунке 6.

Кварц ST-90˚-среза имеет очень сильную направленность излучения волны, рисунок 7, что может быть использовано для реализации ПАВ-фильтров с малым вносимым затуханием резонаторного типа.

  Рисунок 5. АЧХ линий задержки экспериментальных образцов КТГС (0˚, 90˚, 0˚) с hm=0,8 мкм в прямом и обратном направлениях.

Рисунок 5. АЧХ линий задержки экспериментальных образцов КТГС (0˚, 90˚, 0˚) с hm=0,8 мкм в прямом и обратном направлениях.
Рисунок 6. АЧХ линий задержки экспериментальных образцов КТГС (0˚, 90˚, 40˚) при hm=0,8 мкм в прямом и обратном направлениях.
Рисунок 6. АЧХ линий задержки экспериментальных образцов КТГС (0˚, 90˚, 40˚) при hm=0,8 мкм в прямом и обратном направлениях.
Рисунок 7. Сглаженные АЧХ линий задержки экспериментальных образцов кварца ST-90˚-среза при hm=0,2 мкм в прямом и обратном направлениях.
Рисунок 7. Сглаженные АЧХ линий задержки экспериментальных образцов кварца ST-90˚-среза при hm=0,2 мкм в прямом и обратном направлениях.

Коэффициент электромеханической связи (КЭМС) и диэлектрическая проницаемость. Опытным путем были определены коэффициенты электромеханической связи для двух срезов катангасита. Для  0˚-среза КЭМС=0,35%, для катангасита 40˚-среза мы получили значение КЭМС=0,16%, что совпадает с величиной КЭМС для кварца ST-среза.

Диэлектрическая проницаемость ε для обоих срезов составила 13,5 Ф/м.

Коэффициент отражения. Влияние толщины металлизации и коэффициента металлизации на параметры отражения и эффективную скорость волны в решетке было исследовано с помощью отражательной структуры, показанной на рис.1а. Исходя из полученных результатов, представленных на рисунке 8, можно сделать следующие выводы:

— с увеличением толщины металлизации hm отражения в структуре возрастают, рис.8а. При этом уменьшается центральная частота устройства, и. следовательно, эффективная скорость волны;

— с изменением коэффициента металлизации km  от 0,4 до 0,6 с шагом 0,1 отражения увеличиваются. Для сравнения на рисунке 8б и 8в приведены экспериментальные  АЧХ в зависимости от коэффициента металлизации для катангасита двух срезов,  (0˚, 90˚, 0˚) и (0˚, 90˚, 40˚) с толщиной металлизации 0,8 мкм. Можно сделать вывод, что для 0˚-среза отражения больше. Сводные экспериментальные результаты для коэффициента отражения приведены в Таблице 1.

Таблица 1.

hm,

мкм

h/λ, % KR для среза (0˚, 90˚, 0˚) KR для среза (0˚, 90˚, 40˚)
0,3 0,874 0,00273 0,0015547
0,5 1,456 0,00349469 0,0023458
0,8 2,33 0,00475491 0,00366355

Температурный коэффициент частоты.

Исходя из данных статьи [3], КТГС является высокостабильным материалом и сохраняет свои свойства при высоких температурах. Также его ТКЧ сильно зависит от угла поворота Х-среза.

Наши измерения ТКЧ для катангасита представлены на рисунке 9. Измерения проводились в диапазоне температур  -60…+85 ˚С.

Для 0˚-среза катангасита изменение частоты от температуры имеет линейную зависимость, ТКЧ = — (35÷35,4) ppm/°C.

Для 40˚-среза изменение частоты от температуры имеет параболическую зависимость (ТКЧ1 = 0 ppm/°C). Коэффициент второго порядка α=5,5*10-8. Положение точки перегиба в зависимости от толщины напыления меняется от 3°C при толщине 0,3 мкм до 30°C при толщине 0,8 мкм, что отображено на рисунке 10.

В случае кварца ST-90˚-среза частота линейно возрастает с температурой, ТКЧ=17,6 ppm/°C.

а)
а)
б)
б)
Рисунок 8. АЧХ отражательных структур: а) АЧХ образцов КТГС (0˚, 90˚, 0˚) с hm=0,3; 0,5;0,8 мкм; б) АЧХ образцов КТГС (0˚, 90˚, 0˚) с hm=0,8 мкм и  km=0,4;0,5;0,6; в) АЧХ образцов КТГС (0˚, 90˚, 40˚) с hm=0,8 мкм и km=0,4;0,5;0,6.
в)
Рисунок 8. АЧХ отражательных структур:
а) АЧХ образцов КТГС (0˚, 90˚, 0˚) с hm=0,3; 0,5;0,8 мкм; б) АЧХ образцов КТГС (0˚, 90˚, 0˚) с hm=0,8 мкм и km=0,4;0,5;0,6; в) АЧХ образцов КТГС (0˚, 90˚, 40˚) с hm=0,8 мкм и km=0,4;0,5;0,6.
Рисунок 9. Зависимость изменения средней частоты от температуры для КТГС (0˚, 90˚, 0˚) от толщины металлизации при hm=0,3;0,5;0,8 мкм
Рисунок 9. Зависимость изменения средней частоты от температуры для КТГС (0˚, 90˚, 0˚) от толщины металлизации при hm=0,3;0,5;0,8 мкм
Рисунок 10. Зависимость изменения средней частоты от температуры для КТГС (0˚, 90˚, 40˚) от толщины металлизации при hm=0,3; 0,8 мкм
Рисунок 10. Зависимость изменения средней частоты от температуры для КТГС (0˚, 90˚, 40˚) от толщины металлизации при hm=0,3; 0,8 мкм

Добротность Термостабильные материалы широко используются для реализации резонаторов, важнейшим параметром которых является величина добротности. Исследование добротности резонаторов на катангасите проводилось с использованием структуры, приведенной на рис.1в.

Пример полученной характеристики приведен на рисунке 10. Добротность Q для резонатора на 40˚-срезе КТГС с толщиной пленки 0,3 мкм составила 1000, в случае эксперимента с толщиной 0,8 мкм – 2000.

Выводы

Исследованные срезы КТГС по своим параметрам занимают промежуточное положение между кварцем и 112о-танталатом лития. Коэффициент электромеханической связи для 40о-среза совпадает с кварцем ST-среза. Для 0о-среза температурные коэффициенты близки к 112˚-танталату.

Рисунок 11. АЧХ  для резонатора на КТГС (0˚, 90˚, 40˚) при hm=0,8 мкм
Рисунок 11. АЧХ для резонатора на КТГС (0˚, 90˚, 40˚) при hm=0,8 мкм

Таким образом, эти материалы достаточно схожи с известными пьезоэлектриками, следовательно могут быть применены для практического использования в устройствах на поверхностных акустических волнах.

Таблица 2. Параметры пьезоэлектрических материалов.

 

Свойства Материалы
КТГС (0˚,90˚,0˚) КТГС (0˚,90˚,40˚) ST-кварц ST-90˚X- кварц Лангасит 112˚LT
Скорость при нулевой толщине,V0, м/с 2777 2815 3158 2740 3304
Скорость при толщине hm=0.2 мкм ,Vm, м/с 3151 5010
КЭМС, 0.35 0.16 0.16 0.38 0.6
Диэлектрическая проницаемость, ε, Ф/м 13,5 13,5 4,54 27 47,9
ТКЧ, ppm/°C -35 0 0 26 1,6 -35
Однонаправленность нет да нет да


ЛИТЕРАТУРА

  1. Puccio, D. C. Malocha, and N. Saldanha «Investigations of new materials, CTGS and CNGS, for SAW applications» IEEE 2003.
  1. Michio Kadota, Toshimaro Yoneda, Koji Fujimoto, Takeshi Nakao and Eiichi Takata «Very Small-Sized Resonator Filter Using Shear Horizontal Wave on Quartz», IEEE 2001.
  2. Sakharov, A. Zabelin, A. Medvedev, S. Bazalevskaya, O. Buzanov, S. Kondratiev, D. Roschupkine, A. Shvetsov and S. Zhgoon, «Investigation of the CTGS Single Crystals Potential for High Temperature SAW Devices», IEEE 2013.