CN101227178A - 声表面波复合结构材料和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于如延迟线、滤波器以及谐振器等声表面波器件的温度稳定的复合多层结构材料。由36°－46°Y－X LiTaO3压电单晶基板和沉积其上的一层二氧化碲(TeO2)薄膜构成；声表面波器件结构处在两种材料的界面上。由于压电单晶基板和TeO2薄膜具有相反的温度系数，通过控制薄膜的厚度，可以发挥两种材料的温度补偿效应实现温度稳定性。有高达8％左右的机电耦和系数；可以实现零温度延迟系数(TCD)。实现零TCD所需非晶TeO2薄膜的厚度比传统的SiO2薄膜薄很多。更容易在工艺上实现。这种结构上制作的器件比在单晶基板上实现的器件更可靠。
Description
技术领域
本发明涉及声表面波复合材料和在器件上应用。
背景技术
温度延迟系数(TCD)是表面波的一个重要参数。比如对于带通滤波器，中心频率、相移以及时延都是和温度相关的；对于脉冲压缩雷达中匹配滤波器，基板温度变化会带来距离探测精度的下降。对于相位编码匹配滤波器，随着温度的变化处理增益会严重下降。但是，大多数常用的单晶压电材料如LiNbO3和LiTaO3拥有一个很大的正的TCD。
层状结构是解决温度补偿问题的基本的方法之一。Ideaki Nakahata，Akihiro Hachigo，KenjiroHigari，Satoshi Fujii，Shin-ichi Shikata和Naoji Fujimori 1985年在IEEE Transactions onUltrasonics，Ferroelectrics，and Frequency Control，第42卷，第362页报道了SiO2/ZnO/Diamond/Si结构。Parker T.E.and Wichansky H.1979年在Journal of Applied Physics，第50卷，第1360页，Parker T.E.and Schulz M.B.1975年在Applied Physics Letters，第26卷，第75页分别报道了SiO2/LiNbO3结构。Toru Ishi 2002年在Proceeding of 2002 IEEE UltrasonicsSymposium，第189页，Kengo Asai，Mitsutaka Hikita，Atsushi Isobe，Kazuyuki Sakiyama 2002年在Proceeding of 2002 IEEE Ultrasonics Symposium，第235页分别报道了SiO2/LiTaO3结构。KazuoTsubouchi，Nobuo Mikoshiba 1985年在IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics，第Su-32卷，No.5，第634页报道了AlN/Si和AlN/Al2O3结构。在上述工作中，发现温度特性得到了改善，甚至得到了零TCD。非晶态SiO2和单晶AlN薄膜都具有负温度系数。然而要实现零TCD需要较厚的薄膜，特别是在低频器件中，而SiO2的沉积速率较低。高C轴取向氮化铝单晶薄膜比较难以生长，同时也需要较大膜厚。这些都限制了它们的应用。另外，沉积在基板上的薄膜不仅改变了该结构的温度特性，同样还影响了表面波传播的其他特性。这种层状结构有用与否，还要看模式间的耦合、传播损耗等。
2005年Namrata Dewan，Monika Tomar，Vinay Gupta and K.Sreenivas在Applied PhysicsLetters，第86卷，第223508页报道了非晶态TeO2薄膜也具有负温度系数。实验结果证明在128°Rotated Y-X LiNbO3基底上，采用TeO2可以获得零TCD，且需要的膜厚远低于SiO2膜。我们通过运用J.J.Campbell和W.R.Jones，1968年在IEEE Transaction on Sonics and Ultrasonics，第15卷，第209页给出的方法，对非晶态TeO2/128°Rotated Y-X LiNbO3结构中的声波传播特性进行了探讨。发现该结构具有高达5.5％的机电耦合系数(K2)，且实现零TCD所需TeO2膜厚仅是SiO2膜厚的三分之一左右。这意味着沉积所需厚度的TeO2膜更容易。但是，在该结构中一阶模式与二阶模式之间存在极强的耦合，使其在表面波器件中的应用受到了限制。这一工作2007年商晓莉、公勋、熊军和章德在Proceeding of IEEE Ultrasonics Symposium，P3I-5上做了报道。
发明内容
本发明目的是：为了实现近乎零TCD的声表面波器件，发明了非晶态TeO2/36°-46°Y-X LiTaO3复合材料结构。在该结构中，所需TeO2膜比著名的SiO2膜薄很多，工艺上更容易实现。除了温度特性得到改善之外，该基板材料的其它有关表面波应用的重要特性也十分优秀：高达8％左右的机电偶合系数；工作模式为和其它振动模式没有耦合的一阶love(乐甫)波，又称Sezawa模式。该复合材料可用于制造延迟线、谐振器、滤波器等声表面波器件。
本发明的技术解决方案是：叉指换能器沉积在36°-46°旋转Y-X LiTaO3基板上。然后再在上面沉积一层非晶TeO2薄膜。叉指换能器激发的声波为在两种材料的界面上传播的界面波。
根据“IEEE standard on Piezoelectricity”ANSI/IEEE Std.176-1987，以晶体正交晶轴坐标系(X，Y，Z)为参考，基板取向可以用两个连续旋转角α和β来表示。在这里，α对应绕Z轴的第一次旋转。经第一次旋转，得到的坐标系统用(X’，Y’，Z’)表示，其中Z’轴和Z轴重合。β对应绕X’轴的第二次旋转。在最终得到的坐标系统中，声波的传播方向用第三个角度γ表示。而γ对应绕Y”的旋转角。(α，β，γ)被称为欧拉角。36°-46°旋转Y-X LiTaO3基板的欧拉角为(0°，-54°至-44°，0°).
实现零TCD所需非晶TeO2薄膜的归一化厚度，二氧化碲(TeO2)薄膜膜厚和波长比(kh，k＝2π/λ为波数，h为膜厚)在0.46至0.42左右。比如，对于非晶态TeO2/36°、38°、40°、42°、44°、46°Y-X LiTaO3，实现零TCD所需非晶TeO2薄膜的归一化厚度，膜厚和波长比kh分别为0.44、0.46、0.45、0.45、0.42和0.42左右。这时机电耦合系数K2分别为8.32％、8.02％、7.75％、7.46％、7.38％和7.11％。
在非晶态TeO2/36°-46°Y-X LiTaO3复合材料结构上，因为工作模式，一阶love波具有高达8％左右的机电耦合系数，所以适合于宽带声表面波器件。可以通过控制非晶TeO2薄膜的膜厚获得最大机电耦合系数。比如，对于非晶态TeO2/36°、38°、40°、42°、44°、46°Y-X LiTaO3，非晶TeO2薄膜的膜厚和波长比kh应分别取为0.35、0.35、0.35、0.34、0.34和0.34左右时，得到各自最大机电耦合系数分别为8.7％、8.6％、8.2％、8.0％、7.7％、7.4％左右。
Y-X LiTaO3基板旋转切角的选取取决于器件的工作频率：当工作频率在几百MHz以下时，选取36°-40°；当工作频率在几百MHz以上，甚至在GHz频域时，应该选取40°-46°较大的角度。
对于传统瑞利表面波器件，基板表面必须保持自由，因此基板和管壳之间要保持一定空间。这样就加大了制造的成本和器件的体积。但是对于非晶态TeO2/36°-46°Y-X LiTaO3复合基板，由于工作模式在两层结构结合的界面附近传播，不象表面波那样容易受到外界影响，因此在这种结构上制作的器件比在单晶基板上实现的器件更可靠。界面波模式还允许和更适合晶片级封装甚至封装本身都可以省去。最终器件的制造成本会大幅度降低。
本发明要公开的是非晶态TeO2/36°-46°Y-X LiTaO3复合结构。36°-46°Y-X LiTaO3中传播的是横向表面声波。它的位移和基板表面平行和传播方向垂直。这种声波模式属于漏表面声波，其传播速度高于慢剪切波。一般来说，它的位移随着传播距离得增加而指数衰减。KazuhikoYamanouchi和Toru Ishi 2002年在Proceeding of 2002 IEEE Ultrasonics Symposium，第189页，Kengo Asai，Mitsutaka Hikita，Atsushi Isobe，Kazuyuki Sakiyama在Proceeding of 2002 IEEEUltrasonics Symposium，第235页分别介绍了他们对该模式声波衰减特性的研究。他们的研究表明界面上的不连续将导致体波辐射的增加从而增加传播损耗。当工作频率在几百MHz以下时，导致界面不连续性的电极质量负载可以被忽略，由此产生的传播损耗也很小。当工作频率在几百MHz以上，甚至在GHz的量级的时候，电极质量负载不能被忽略，由此产生的传播损耗和体波寄生相应都必须加以考虑。根据5874869号美国专利，电极造成的体波辐射可以通过采用具有大于36°旋转切角的LiTaO3基板得到极大的抑制。有用的切角范围是36°到46°。特别推荐40°和42°两个角度。因此我们对非晶态TeO2/36°-46°Y-X LiTaO3一系列复合结构的表面波特性都进行了考察。
当TeO2薄膜沉积到36°-46°Y-X LiTaO3上之后，声波传播模式有所改变，通常改称为界面波。对于瑞利波来讲，声波在基板表面传播，所以基板表面必须保持清洁和自由。在封装时，管壳和基板之间必须保持一定空间。这就造成了器件的高制造成本和大尺寸。而对于界面波，管壳和基板之间的空间不再重要，甚至封装本身都可以不要。通常情况下，在层状结构中会有两类模式。一种是Love波(横向波)，另一种是类瑞利波。声波的速度均随着膜厚而变化。本发明要公开的复合结构中工作模式是其一阶Love波模式，也称为Sezawa波，对应下文中的二阶模式。
对非晶态TeO2/36°-46°Y-X LiTaO3复合结构中声波的传播模式，各种模式的TCD和K2进行了考察。其中TeO2薄膜的密度和弹性常数由T.Yano等人给出[8]，见表一。LiTaO3的材料常数由Smith等人给出[9]。K2和TCD的计算由以下公式给出：
上式中v0和vs分别代表当插指换能器所在平面为电开路以及电短路时声波的相速度。T代表温度。α代表基板在声波传播方向上的热膨胀系数。
表1.非晶态TeO2薄膜的材料常数
| 材料常数 | 值 | 温度系数(10-4℃-1 |
| C11(1011N/m2)C12(1011N/m2)C44(1011N/m2)ε11(10-11F/m)ρ(103kg/m3)α1(ppm℃-1) | 0.6780.2260.2263.701587016 | 2.92 |
本发明的有益效果：我们发现在该结构中，二阶模式的K2高达8％左右。这比LiTaO3单晶基板的4.7％要高很多，并且二阶模式和其它模式的耦合很弱，并且当TeO2膜厚仅约为SiO2的三分之一时，就可以实现零TCD。这使得此种结构在工艺上更容易实现。由于压电单晶基板和TeO2薄膜具有相反的温度系数，通过控制薄膜的厚度，可以发挥两种材料的温度补偿效应实现温度稳定性。工作模式是和其它模式之间没有耦合的横向波模式；可以实现零温度延迟系数(TCD)。实现零TCD所需非晶TeO2薄膜的厚度比传统的SiO2薄膜薄很多。这就意味这种结构更容易在工艺上实现。由于工作模式在两层结构结合的界面附近传播，不象表面波那样容易受到外界影响，因此在这种结构上制作的器件比在单晶基板上实现的器件更可靠。界面波模式还允许和更适合无封装器件和晶片级封装。由于高机电耦合系数，所以在某些场和，比如宽带滤波器，这种结构也将具有优势。
附图说明
图1是非晶态TeO2/36°Y-X LiTaO3结构中，在两种材料界面上为电开路和短路时前四种声波模式的声波相速度和归一化非晶TeO2膜厚kh之间的关系曲线。
图2是非晶态TeO2/36°Y-X LiTaO3结构中，前四种声波模式的机电耦合系数K2和归一化非晶TeO2膜厚kh之间的关系曲线。
图3是非晶态TeO2/36°Y-X LiTaO3结构中，在弹性常数C12的温度系数设为-9E-4，-5E-4，0，5E-4和9E-4时，二阶声波模式的TCD和归一化非晶TeO2膜厚kh之间的关系曲线。
图4是非晶态TeO2/38°Y-X LiTaO3结构中，在两种材料界面上为电开路和短路时前四种声波模式的声波相速度和归一化非晶TeO2膜厚kh之间的关系曲线。
图5是非晶态TeO2/38°Y-X LiTaO3结构中，前四种声波模式的机电耦合系数K2和归一化非晶TeO2膜厚kh之间的关系曲线。
图6是非晶态TeO2/38°Y-X LiTaO3结构中，二阶声波模式的TCD和归一化非晶TeO2膜厚kh之间的关系曲线。
图7是非晶态TeO2/40°Y-X LiTaO3结构中，在两种材料界面上为电开路和短路时前四种声波模式的声波相速度和归一化非晶TeO2膜厚kh之间的关系曲线。
图8是非晶态TeO2/40°Y-X LiTaO3结构中，前四种声波模式的机电耦合系数K2和归一化非晶TeO2膜厚kh之间的关系曲线。
图9是非晶态TeO2/40°Y-X LiTaO3结构中，二阶声波模式的TCD和归一化非晶TeO2膜厚kh之间的关系曲线。
图10是非晶态TeO2/42°Y-X LiTaO3结构中，在两种材料界面上为电开路和短路时前四种声波模式的声波相速度和归一化非晶TeO2膜厚kh之间的关系曲线。
图11是非晶态TeO2/42°Y-X LiTaO3结构中，前四种声波模式的机电耦合系数K2和归一化非晶TeO2膜厚kh之间的关系曲线。
图12是非晶态TeO2/42°Y-X LiTaO3结构中，二阶声波模式的TCD和归一化非晶TeO2膜厚kh之间的关系曲线。
图13是非晶态TeO2/44°Y-X LiTaO3结构中，在两种材料界面上为电开路和短路时前四种声波模式的声波相速度和归一化非晶TeO2膜厚kh之间的关系曲线。
图14是非晶态TeO2/44°Y-X LiTaO3结构中，前四种声波模式的机电耦合系数K2和归一化非晶TeO2膜厚kh之间的关系曲线。
图15是非晶态TeO2/44°Y-X LiTaO3结构中，二阶声波模式的TCD和归一化非晶TeO2膜厚kh之间的关系曲线。
图16是非晶态TeO2/46°Y-X LiTaO3结构中，在两种材料界面上为电开路和短路时前四种声波模式的声波相速度和归一化非晶TeO2膜厚kh之间的关系曲线。
图17是非晶态TeO2/46°Y-X LiTaO3结构中，前四种声波模式的机电耦合系数K2和归一化非晶TeO2膜厚kh之间的关系曲线。
图18是非晶态TeO2/46°Y-X LiTaO3结构中，二阶声波模式的TCD和归一化非晶TeO2膜厚kh之间的关系曲
具体实施方式
在该结构中，存在两类界面波：类瑞利波和love波。图1.、图4.、图7.、图10.、图13.、图16.分别给出了非晶态TeO2/36°、38°、40°、42°、44°、46°Y-X LiTaO3复合结构中前四阶声波模式的相速度与膜厚的关系曲线。从图中可看出，声波的速度随着膜厚的增加而减小。当khTeO2小于1(这里，k为2π/λ，λ为声波波长，hTeO2为TeO2膜厚度)，即膜厚相对较小的时候，1阶模式(类瑞利波)与2阶模式(love波)的耦合非常弱。
图2.、图5.、图8.、图11.、图14.、图17.分别给出了非晶态TeO2/36°、38°、40°、42°、44°、46°非晶态TeO2/36°Y-X LiTaO3复合结构中前四阶声波模式的K2与膜厚的关系曲线。可以看出K2与TeO2膜厚的关系比较复杂。在四个声波模式中，一，三，四模的K2较小；二阶模在膜厚较小的时候，机电耦合系数很大。要获得最大机电耦合系数，非晶TeO2薄膜的膜厚和波长比kh应分别取为0.35、0.35、0.35、0.34、0.34和0.34。由于模式间的强烈耦合，曲线上有些膜厚下不能给出有意义的K2值。由于二阶模式在TeO2膜厚较小的情况下具有比其他模式大的多的K2值，所以以下对于该结构温度稳定性的讨论，仅考虑二阶模式。
由于没有非晶态TeO2的C12的温度系数，我们首先要对C12的温度系数对整个结构的TCD的影响进行分析。图3.给出了当C12的温度系数分别取，-9E-4、0、5E-4和9E-4时，该结构中二阶模式的TCD随TeO2膜厚的变化情况。可以看出，TCD曲线随着C12的温度系数的增加逆时针旋转。当C12的温度系数从-9E-4变到9E-4时，要实现零TCD，要求归一化膜厚kh从0.35变为1.33。由于9E-4接近于弹性系数的温度系数最大可取值，所以在-5E-4和5E-4之间取值可能比较合理。这样以来，要实现零TCD要求kh在0.4和0.56之间。如果把这个值取为0，要实现零TCD要求kh为0.43。考察非晶态TeO2/38°、40°、42°、44°、46°非晶态TeO2/36°Y-X LiTaO3复合结构中二阶模的TCD时，C12的温度系数被设成了零。结果分别示于图6.、图9.、图12.、图15.和图18.对于非晶态TeO2/36°、38°、40°、42°、44°、46°Y-X LiTaO3，实现零TCD所需非晶TeO2薄膜的归一化厚度，膜厚和波长比(kh，k＝2π/λ为波数，h为膜厚)分别为0.44、0.46、0.45、0.45、0.42和0.42。这时机电耦合系数K2分别为8.32％、8.02％、7.75％、7.46％、7.38％和7.11％。可见所需膜厚远小于实现零TCD所需的SiO2膜厚kh＝1.8。这就意味这种结构更容易在工艺上实现。
1、根据“IEEE standard on Piezoelectricity”ANSI/IEEE Std.176-1987，以晶体正交晶轴坐标系(X，Y，Z)为参考，基板取向可以用两个连续旋转角α和β来表示。在这里，α对应绕Z轴的第一次旋转。经第一次旋转，得到的坐标系统用(X’，Y’，Z’)表示，其中Z’轴和Z轴重合。β对应绕X’轴的第二次旋转。在最终得到的坐标系统中，声波的传播方向用第三个角度γ表示。Γ对应绕Y”的旋转角。(α，β，γ)被称为欧拉角。36°-46°旋转Y-X LiTaO3基板的欧拉角为(0°，-54°至-44°，0°)。
2、旋转Y-X LiTaO3基板旋转角度的选择取决于声表面波器件的工作频率。当工作频率在几百MHz以下时，应选取36°附近较小的角度，从而得到比较大的机电耦合系数。当工作频率在几百MHz以上，甚至在GHz频域时，应该选取40°-46°较大的角度，从而避免过大的传播损耗。
3、在36°-46°旋转Y-X LiTaO3基板上通过沉积所需声表面波器件叉指换能器图形。
4、然后再在上面沉积一层非晶TeO2薄膜。
5、可以通过控制非晶TeO2薄膜的厚度来实现器件的零TCD。在不同旋转角的旋转Y-X LiTaO3基板度情况下，所需膜厚稍有不同。比如，对于非晶态TeO2/36°、38°、40°、42°、44°、46°Y-XLiTaO3，实现零TCD所需非晶TeO2薄膜的归一化厚度，膜厚和波长比(kh，k＝2π/λ为波数，h为膜厚)分别为0.44、0.46、0.45、0.45、0.42和0.42左右。总之所需膜厚的归一化厚度在0.46至0.42附近。
6、在非晶态TeO2/36°-46°Y-X LiTaO3复合材料结构上，实现宽带声表面波器件时，可以通过控制非晶TeO2薄膜的膜厚获得最大机电耦合系数。比如，对于非晶态TeO2/36°、38°、40°、42°、44°、46°Y-X LiTaO3，非晶TeO2薄膜的膜厚和波长比kh应分别取为0.35、0.35、0.35、0.34、0.34和0.34左右时，得到各自最大机电耦合系数分别为8.7％、8.6％、8.2％、8.0％、7.7％、7.4％左右。总之膜厚和波长比kh在0.35、0.34附近可以获得最大的机电耦合系数。
7、对于传统瑞利表面波器件，基板表面必须保持自由，因此基板和管壳之间要保持一定空间。这样就加大了制造的成本和器件的体积。但是对于非晶态TeO2/36°-46°Y-X LiTaO3复合材料结构，由于工作模式在两层结构结合的界面附近传播，不象表面波那样容易受到外界影响，因此在这种结构上制作的器件比在单晶基板上实现的器件更可靠。界面波模式还允许和更适合晶片级封装甚至封装本身都可以省去。
Claims (8)
1.声表面波复合结构材料，其特征是由36°-46°Y-X LiTaO3压电单晶基板和沉积其上的一层二氧化碲(TeO2)薄膜构成；声表面波器件结构处在两种材料的界面上。
2.根据权利要求1所述的声表面波复合结构材料，其特征是36°-46°Y-X LiTaO3是旋转角为36°至46°的Y-X LiTaO3；是指以晶体正交晶轴坐标系(X，Y，Z)为参考，基板取向用两个连续旋转角α和β来表示；在这里α对应绕Z轴的第一次旋转，经第一次旋转，得到的坐标系统用(X’，Y’，Z’)表示，其中Z’轴和Z轴重合；β对应绕X’轴的第二次旋转；在最终得到的坐标系统中，声波的传播方向用第三个角度γ表示；而γ对应绕Y”的旋转角，(α，β，γ)被称为欧拉角；36°-46°旋转Y-X LiTaO3基板的欧拉角为(0°，-54°至-44°，0°)。
3.声表面波复合结构材料的应用，其特征是利用所述材料的界面声波的一阶love波，制造的延迟线、谐振器、滤波器等声表面波器件，叉指换能器沉积在36°-46°旋转Y-X LiTaO3基板上，然后再在上面沉积一层非晶TeO2薄膜；界面波在两种材料的界面上传播。
4.由权利要求3所述的声表面波复合结构材料的应用，其特征是实现零TCD所需非晶TeO2薄膜的归一化厚度，二氧化碲(TeO2)薄膜膜厚和波长比kh为0.46至0.42左右，其中k＝2π/λ为波数，h为膜厚。
5.由权利要求3或4所述的声表面波复合结构材料的应用，其特征是适用于宽带声表面波器件，通过控制非晶TeO2薄膜的膜厚获得最大机电耦合系数：对于非晶态TeO2/36°、38°、40°、42°、44°、46°Y-X LiTaO3，非晶TeO2薄膜的膜厚和波长比kh应分别取为0.35、0.35、0.35、0.34、0.34和0.34左右时，得到最大机电耦合系数分别为8.7％、8.6％、8.2％、8.0％、7.7％、7.4％左右。
6.由权利要求3或4所述的声表面波复合结构材料的应用，其特征是Y-X LiTaO3基板旋转切角的选取取决于器件的工作频率：当工作频率在几百MHz以下时，选取36°-40°；当工作频率在几百MHz以上，甚至在GHz频域时，应该选取40°-46°较大的角度；这时的TCD分别为20、15、20、17、14和16ppm左右。
7.由权利要求3或4所述的声表面波复合结构材料的应用，其特征是工作模式是界面波模式，声表面波在两层结构结合的界面附近传播，界面波模式允许和更适合晶片级封装或省去封装。
8.由权利要求3或4所述的声表面波复合结构材料的应用，其特征是对于非晶态TeO2/36°、38°、40°、42°、44°、46°Y-X LiTaO3，实现零TCD所需非晶TeO2薄膜的归一化厚度，膜厚和波长比kh分别为0.44、0.46、0.45、0.45、0.42和0.42左右；k＝2π/λ为波数，h为膜厚；这时机电耦合系数K2分别为8.32％、8.02％、7.75％、7.46％、7.38％和7.11％左右。
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