Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,279

Personal portfolio
(submit article)

SAW parameters extending in the geteroepitaksial structures AlN/Al2O3, AlN/Si

Beljaev A.V, Denisova A.V, Belyaev A.V., Denisova A.V.3
In this paper are shown results of numerical calculations and experimental measurements of parameters of the surface acoustic waves (SAW) extending in geteroepitaksial thin-film piezostructures of AlN/Al2O3 and AlN/Si for creation on their basis HF SAW devices. The wave velocity and the electromechanical coupling coefficient versus the frequency-thickness product of a single layer of AlN deposited on Si(111) or C-oriented Al2O3 sapphire substrates are calculated and measured.

Как известно [1], акустоэлектронные устройства (фильтры, резонаторы, линии задержки и т.д.) на поверхностных акустических волнах (ПАВ) в качестве рабочего акустопровода используют пьезокристаллические подложки кварца, ниобата лития, танталата лития и т.д. При этом для возбуждения и приема ПАВ применяется встречно-штыревой преобразователь (ВШП), представляющий из себя систему вложенных друг в друга металлических электродов. Распространение другого типа ПАВ (волны Стоунли) возможно также в многослойной структуре типа: пьезоэлектрическая пленка (например, пленка нитрида алюминия AlN)/не пьезоэлектрическая подложка (сапфир Al2O3, кремний Si). Кроме этого [2], в отдельной тонкопленочной (толщина пленки h меньше длины λ электроакустической волны) пьезокристаллической структуре AlN возможно распространение объемных акустических волн различного типа. При этом возбуждение таких волн возможно как при помощи сплошных электродов, нанесенных на верхнюю и нижнюю поверхность пьезопленки, так и с помощью традиционных встречно-штыревых преобразователей, используемых при возбуждении ПАВ. На этом принципе в настоящее время разрабатываются всевозможные СВЧ акустоэлектронные приборы, основой которых является акустоэлектронный СВЧ резонатор на объемных волнах (FBAR- film bulk acoustic resonator [2]). Целью работы является теоретическое и экспериментальное исследование свойств электроакустических волн, распространяющихся в тонкопленочных гетероэпитаксиальных структурах нитрида алюминия (AlN), выращенных на подложках из сапфира (Al2O3) и кремния (Si) методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ).

В работе приведены результаты расчета параметров электроакустических волн, распространяющихся в следующих структурах: пленка (0002) AlN, пленка (0002) AlN на подложке из сапфира Al2O3 Z-среза, пленка (0002)AlN на подложке из кремния Si ориентации (111). Во второй части работы приведены результаты экспериментальных измерений параметров акустоэлектронной линии задержки (ЛЗ) на ПАВ, сформированной на структуре (0002)AlN/Al2O3 Z-среза.

Расчет параметров электроакустических волн, распространяющихся в структурах (0002)AlN, (0002)AlN/Z-срез Al2O3 и (0002)AlN/(111)Si

Как известно, монокристалл нитрида алюминия AlN относится к гексагональному типу симметрии класса 6mm и имеет пьезоэлектрические свойства. Методом молекулярно-лучевой эпитаксии [3] были выращены ориентированные монокристаллические тонкопленочные гетероэпитаксиальные структуры (0002) AlN на подложках из сапфира (Al2O3) тригональной симметрии класса 3m и кремния (Si) кубической симметрии класса 3m3, на которых возможно создание акустоэлектронных устройств различного типа, в том числе и FBAR-систем. Для изучения свойств электроакустических волн, распространяющихся в таких структурах, необходимо воспользоваться волновыми уравнениями пьезоакустики [1], из которых можно рассчитать основные параметры (скорость, коэффициент электромеханической связи, температурный коэффициент задержки, угол потока энергии и т.д.) электроакустических волн, распространяющихся в данных структурах. В акустоэлектрони- ке [1] срез пьезокристалла и направление распространения акустической волны обычно описывают углами Эйлера (φ, θ, ψ), первые два (φ, θ) из которых описывают срез кристалла, а третий угол (ψ) - направление распространения волны. В кристаллографии ориентация среза монокристалла описывается индексами Миллера (h, k, l). В гексагональной системе плоскости часто характеризуют четырьмя индексами (h, k, i, l), где h, k, l - независимые индексы, а i = -(h + k). Это связано с тем, что во всех сингониях элементарную ячейку выбирают в виде параллелепипеда, а в гексагональной - в виде гексагональной прямоугольной призмы [4]. Например, Z-срез гексагонального кристалла в индексах Миллера описывается как (0002), а в углах Эйлера (0°, 0°, ψ).

На рис. 1 показана рассчитанная по методике Фарнелла-Джонса [1] зависимость фазовой скорости (V) поверхностной акустической волны в кристаллической подложке из сапфира Al2O3 Z-среза ориентации (0°, 0°, ψ = 0-180°) от 3-го угла Эйлера, которая была использована в качестве образующей для гетероэпитаксиального роста на ней ориентированной пленки нитрида алюминия AlN.

Рис. 1. Зависимость скорости ПАВ в сапфире Z-среза от 3-го угла Эйлера ψ

На рис. 2 показана рассчитанная зависимость фазовой скорости ПАВ на открытой (V0) и закороченной (Vs) поверхности и коэффициента электромеханической связи (К2) в пьезокристалле нитрида алюминия AlN Z-среза ориентации (0°, 0°, ψ = 0-180°) от 3-го угла Эйлера. Как видно из рис. 1, скорость ПАВ в сапфире Z-среза (тригональная 3m симметрия) имеет различные значения в зависимости от направления распространения в Z-срезе (от 5555,3 до 5706,3 м/с), а скорость ПАВ в пьезокристаллическом нитриде алюминия Z-среза (гексагональная 6mm симметрия) постоянна, т.е. не зависит от направления распространения и имеет значения: V0 = 5402,2 м/с, Vs = 5394,6 м/с. Коэффициент электромеханической связи К2, характеризующий пьезосвойства материала AlN, имеет величину 0,28%. При этом фазовая скорость ПАВ в сапфире выше, чем фазовая скорость ПАВ в нитриде алюминия.

Рис. 2. Зависимость скорости ПАВ и коэффициента электромеханической связи К2 в нитриде алюминия Z-среза от 3-го угла Эйлера ψ

На рис. 3 показаны рассчитанные зависимости скорости V0 ПАВ и К2 от относительной толщины h/λ (h - толщина, λ - длина акустической волны) пленки AlN на полубесконечной подложке ZX-среза Al2O3. Видно, что скорость ПАВ имеет дисперсию - зависит от толщины пленки. При малых толщинах пленки энергия ПАВ сосредоточена в основном в сапфире и поэтому результирующая скорость волны определяется скоростью распространения в материале подложки из сапфира. С ростом толщины пленки скорость ПАВ уменьшается и стремится к скорости ПАВ в материале AlN. При h/λ > 1 практически вся энергия ПАВ сосредоточена в материале пленки AlN.

Рис. 3. Зависимость V0 и K2 от h/λ в структуре (0002)AlN/ZX-Al2O3

На рис. 4 показана рассчитанная зависимость скорости ПАВ в кристаллической подложке из кремния (111) Si ориентации (45°, 90°, ψ = 0-180°) от 3-го угла Эйлера, которая может быть использована в качестве образующей для гетероэпитаксиального роста пленки AlN. Из рис. 4 видно, что фазовая скорость ПАВ в (111) Si имеет различные значения в зависимости от направления распространения (V) и лежит в пределах от 4481,7 до 5032,1 м/с. На рис. 5 показаны рассчитанные зависимости скорости V0 и К2 ПАВ от относительной толщины h/λ пленки в структуре (0002)AlN/(45°, 90°, 90°) Si. При малых толщинах пленки энергия ПАВ сосредоточена в основном в материале подложки из кремния и поэтому результирующая скорость ПАВ определяется скоростью волны в кремнии. С ростом толщины пленки энергия волны сосредоточивается постепенно в пленке AlN и скорость ПАВ стремится к скорости ПАВ в материале AlN. При h/λ > 1 вся энергия ПАВ волны сосредоточена в материале пленки AlN. Необходимо отметить, что максимальное значение коэффициента электромеханической связи К2 = 0,45% в такой структуре при h/λ = 0,5.

Рис. 4. Зависимость скорости ПАВ в кремнии от 3-го угла Эйлера

Рис. 5. Зависимость V0 и K2 от h/λ в структуре (0002)AlN/(111)Si

Линия задержки на ПАВ на структуре (0002)AlN/Z-срез Al2O3.

Эксперимент

Методом МЛЭ были выращены тонкопленочные гетероструктуры (0002)AlN толщиной 2 мкм на сапфировой подложке Z-среза толщиной 0,5 мм. Были изготовлены две линии задержки на ПАВ. Структурная схема ЛЗ показана на рис. 6.

Рис. 6. Линия задержки на ПАВ: 1 - подложка (0002)AlN на подложке из Al2O3 (Z-срез); 2 - встречно-штыревые преобразователи (ВШП) с периодом Р = λ/2

Рис. 7. Амплитудно-частотная характеристика ЛЗ на ПАВ

В случае реализации ЛЗ на частоту 230 МГц встречно-штыревой преобразователь ВШП был ориентирован в направлении Х (ориентация (0°, 0°, 0°), ZX-срез) со следующими параметрами: апертура алюминиевых электродов W = 1 mm, число пар электродов ВШП - 50, коэффициент металлизации электродов - 0,5, толщина электродов - 0,2 мкм, расстояние между ВШП - 9,7 мм, пространственный период электродов Р = λ/2 = 12 мкм, относительная толщина пленки AlN h/λ ≈ 0,08.

Измеренная амплитудно-частотная характеристика согласованной линии задержки (центральная частота 230,2 МГц, полоса 3 МГц, внеполосное затухание 30 дб) показана на рис. 7. Измеренная задержка импульса t = 1,76 мкс на расстоянии 9,7 мм между ВШП. При этом рассчитанная по результатам эксперимента скорость волны составила V ≈ 5511 м/с, что хорошо согласуется с теоретически рассчитанными данными (см. рис. 3).

В случае реализации ЛЗ на ПАВ на частоту 477 МГц ВШП был ориентирован в направлении Y (ориентация (0°, 0°, 90°), ZY-срез). При этом период электродов ВШП Р = 6,25 мкм, а относительная толщина пленки, соответствующая данной частоте, h/λ ≈ 0,16. На рис. 8 показаны теоретически рассчитанные зависимости скорости и К2 ПАВ от относительной толщины пленки h/λ и результаты экспериментальных измерений для структуры (0002)AlN /ZY-срез Al2O3 (углы Эйлера (0°, 0°, 90°). Из рис. 8 видно, что результаты экспериментальных измерений хорошо согласуются с результатами теории.

Рис. 8. Зависимости V0 и К2 ПАВ от h/λ в структуре (0002)AlN/ZY-Al2O3

Заключение

Таким образом, результаты теоретических расчетов и экспериментальных измерений параметров ПАВ, распространяющихся в гетероэпитаксиальных сруктурах AlN/Al2O3, практически совпадают. Результаты эсперимента подтверждают, следовательно, что выращенная методом МЛЭ пленка нитрида алюминия на сапфировой подложке имеет пьезокристаллические свойства. При этом в зависимости от направления распространения акустической волны (ZX-срез, ZY-срез) скорость и коэффициент электромеханической связи ПАВ в такой структуре имеют различные значения. Выращенная гетероэпитаксиальная структура (0002)AlN/Z-срез Al2O3 может быть использована при конструировании акустоэлектронных устройств различного типа (линия задержки, фильтр, резонатор и т.д.), а также для построения на ее основе СВЧ акустоэлектронных резонаторов.

Список литературы

  1. Мэтьюз Г. Фильтры на поверхностных акустических волнах. Расчет, технология и применение. - М.: Радио и связь, 1981. - 472 с.
  2. Lakin M. Thin film resonator technology // IEEE Tranc. on ultrason., ferroelectr., and frequency control. - 2005. - Vol. 52, №5. - P. 707-715
  3. Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры: пер. с англ.; под ред. Ж.И. Алферова, Ю.В. Шмарцева. - М.: Изд-во «Мир», 1989. - С. 589.
  4. Шаскольская М.П. Акустические кристаллы. - М.: Наука, 1982. - 632 с.

Библиографическая ссылка

Двоешерстов М.Ю., Чередник В.И., Беляев А.В., Денисова А.В. Параметры поверхностных акустических волн, распространяющихся в гетероэпитаксиальных структурах AlN/Al2O3, AlN/Si // Современные наукоемкие технологии. 2012. № 1. С. 48-53;
URL: https://top-technologies.ru/en/article/view?id=29680 (дата обращения: 15.06.2026).