АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2007, том 53, № 4, с. 533-539
^=ФИЗИЧЕСКАЯ АКУСТИКА
УДК 534.6.8
ОСОБЕННОСТИ ЗАТУХАНИЯ И ЗАХВАТ ЭНЕРГИИ КОЛЕБАНИЙ В СОСТАВНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ СВЧ РЕЗОНАТОРАХ НА ОСНОВЕ МОНОКРИСТАЛЛОВ НАГ
© 2007 г. С. Г. Алексеев, Г. Д. Мансфельд, Н. И. Ползикова, И. М. Котелянский
Институт радиотехники и электроники РАН E-mail: mans@mail.cplire.ru Поступила в редакцию 06.09.06 г.
Методом акустической резонансной спектроскопии экспериментально исследована частотная зависимость затухания акустических волн в составном пьезоэлектрическом СВЧ резонаторе. Помимо затухания из-за потерь в решетке, дифракционных потерь и потерь, связанных с рассеянием на шероховатостях отражающих граней обнаружена периодическая по частоте добавка к затуханию. Природа этой добавки объяснена отсутствием захвата энергии колебаний в резонаторе в ряде частотных интервалов.
PACS: 43.20.Ks
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы возник повышенный интерес к составным резонаторным структурам СВЧ диапазона из-за возможности создания на их основе малошумящих высокостабильных генераторов, генерирующих сигнал непосредственно в СВЧ диапазоне [1]. Добротность резонаторных структур определяется акустическими потерями, возникающими при распространении акустических волн в слоях структуры, дифракционными потерями, потерями, связанными с рассеянием энергии акустических волн при отражениях от шероховатостей отражающих граней, высокочастотными потерями энергии электромагнитного сигнала в слое преобразователя. В настоящей работе методом акустической резонансной спектроскопии экспериментально исследована частотная зависимость затухания акустических волн в составном пьезоэлектрическом СВЧ резонаторе.
В работе впервые обнаружена периодическая по частоте добавка к затуханию. Ее возникновение объясняется отсутствием захвата энергии колебаний в резонаторе в ряде частотных интервалов. Эти потери связаны с возбуждением мод Лэм-ба, уносящих энергию из резонансной области составного резонатора [2, 3]. Информация о величине этих потерь чрезвычайно важна как для развития методики измерения акустических потерь в тонких слоях и пленках акустическим резонансным методом [4-7] - резонансной спектроскопии так и для разработки практических устройств.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Ранее предложенный и использованный для измерения поглощения акустических волн [4, 5] оригинальный метод резонаторной акустической СВЧ спектроскопии был применен в настоящей работе для изучения механизмов затухания в монокристалле алюмоиттриевого граната (ИАГ). Хорошо известный эхо-метод [8], основанный на измерении толщины образцов и времени задержки сигнала, технически оказывается неприменимым в случае тонких образцов и пленок. В противоположность эхо-методу метод акустической СВЧ спектроскопии основан лишь на измерениях толщины слоев и измерении резонансных особенностей спектра в частотной области. Суть метода состоит в том, что исследуемый слой или пленка входят в акустический составной СВЧ резонатор, показанный на рис. 1а. Здесь 1 - исследуемый слой толщиной ё, 2 - слой пьезоэлектрика толщиной 1,3 - верхний и нижний электроды, их толщины, соответственно, t и Ь. ws, w¡, wt и - фазовые набеги в этих слоях. Связь с внешней электрической цепью осуществляется с помощью пьезоэлектрической пленки с пленочными металлическими электродами - пьезоэлектрического преобразователя. Такая структура является многочастотным резонатором. Резонансы возникают каждый раз, когда полный набег фаз в структуре кратен целому числу п. При общей толщине резо-наторной структуры порядка 0, 3.. .1 мм толщина пьезоэлектрической пленки имеет порядок 1 мкм. В такой структуре, работающей в диапазоне от сотен мегагерц до нескольких гигагерц, на час-
Хз
г щ у/////////,
1 «1 2
Ь «ь У/////Ж
(а)
Х1
7, Ом 60 г
55
50
45
40
35
30
25
20
15
(б)
1.280 1.285 1.290 1.295 1.300
1.305 1.310 /, ГГц
Рис. 1. Составная резонаторная структура: а) схематический вид; б) фрагмент частотной характеристики модуля электрического импеданса резонатора.
тотной характеристике модуля электрического импеданса наблюдается серия резонансных провалов (резонансы) и пиков (антирезонансы). Эти пики отстоят друг от друга в частотной области на несколько мегагерц. Пример фрагмента частотной характеристики модуля импеданса (для одной из исследованных в настоящей работе структур) показан на рис. 16. Резонансные особенности в частотных характеристиках составных резонаторных структур подобны классическим зависимостям, имеющим место в случае кварцевых резонаторов. Каждому обертону соответствуют свои частоты резонанса и антирезонанса. По ширине этих резонансных пиков можно определить полное поглощение энергии акустических волн в структуре (диэлектрическими потерями в пленке, как правило, можно пренебречь в силу их малости). Интервал в частотной области между соседними резонансами (или антирезонан-сами) может быть использован для измерения скорости звука в слоях, составляющих структуру.
Частотные характеристики амплитуды и фазы электрического импеданса структуры находятся из экспериментально измеренных значений коэффициента отражения электромагнитных волн от нее S11. Путем обработки массива экспериментальных данных удается устранить вклады от паразитной емкости и сопротивления и найти резо-
нансные кривые, соответствующие либо только серии резонансов, либо только серии антирезо-нансов. Ширина полосы пропускания на каждой резонансной частоте находится стандартным способом (либо по уровню 0.707 на частотной характеристике модуля импеданса, либо из измеренной крутизны фазочастотной характеристики на резонансной частоте). В случае, когда толщина исследуемого слоя (подложки) достаточно велика, а потери в слоях преобразователя относительно малы, по ширине резонансных пиков можно непосредственно определить поглощение в исследуемом слое. В общем же случае потери в слоях преобразователя легко учитываются и вычитаются из общих потерь.
В настоящей работе приводятся результаты измерения коэффициента отражения электромагнитных волн от резонаторной структуры, выполненного с помощью цифрового рефлектометра НР 8753ES. Исследовались образцы из алюмо-иттриевого граната (подложка) толщиной 0.5 мм с ориентацией плоскости [100], алюминиевых электродов толщиной 0.1 мкм и пленки окиси цинка толщиной 1-3 мкм, ориентированной вдоль оси С. Параллельность лицевых граней подложки была не хуже 5 угловых секунд, плоскостность 0.25 кольца Ньютона. Высота неровностей поверхности составляла 15...20 нм (среднеквадратичные значения). Электроды из алюминия и пленка ZnO наносились методом магнетронного распыления в вакууме. Измерения производились в широком диапазоне частот от 0.3 до 5.3 ГГц.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Частотная зависимость коэффициента поглощения. На рис. 2 (треугольники) показан типичный вид частотной зависимости коэффициента затухания, измеренной на одном из образцов со следующими параметрами: толщина подложки 0.5 мм, толщина пьезоэлектрической пленки 2 мкм. Диаметр преобразователя составил 160 мкм. На кривой можно выделить две области. На низких частотах с ростом частоты (область 1) наблюдается рост затухания. При дальнейшем повышении частоты (область 2) наблюдаются осцилляции коэффициента затухания. Зоны роста коэффициента затухания чередуются с зонами его резкого падения.
Известно, что в области низких частот, когда отношение апертуры преобразователя к длине волны уменьшается, возникают значительные дифракционные потери [8], уменьшающиеся с ростом частоты и увеличении апертуры преобразователя. Чтобы убедиться, что в области 1 действительно имеют место значительные дифрак-
1
ционные потери, была проведена серия опытов на одном и том же образце с различными диаметрами преобразователей. Эти данные представлены на рис. 2 - крестики и кружки для диаметров преобразователей 280 цш и 340 цш, соответственно. Видно, что по мере увеличения апертуры преобразователя, величина потерь действительно уменьшается. На границе области 1 относительный вклад дифракционных потерь в общее затухание уже незначителен.
Квадратичный рост зависимости затухания от частоты, наблюдаемый в высокочастотной части области 1 характерен для механизма потерь энергии, обусловленного взаимодействием акустических волн с акустическими фононами [8]. Однако значения коэффициента затухания в этой области существенно превышают табличные значения [11] для коэффициента поглощения из-за взаимодействия акустических волн с акустическими фононами. Таким образом, можно предположить, что существенное затухание, наблюдаемое в эксперименте также дающим квадратичный рост поглощения с частотой, обусловлено другим механизмом. Таким механизмом может быть рассеяние энергии акустических волн при их отражениях от поверхностей резонатора. В отличие от низких частот, в СВЧ диапазоне, когда отношение размеров неоднородностей к длине волны уже не является пренебрежимо малым, эти потери могут быть значительными.
Отличие наблюдаемой частотной зависимости затухания от квадратичного закона в области 2 также требует для объяснения привлечения дополнительных механизмов потерь энергии. Таким механизмом потерь может быть отсутствие захвата энергии колебаний в резонаторе в ряде частотных интервалов [3].
Потери, связанные с рассеянием энергии акустических волн при отражениях от границ. Потери, обусловленные рассеянием энергии акустических волн при единичном отражении от шероховатой границы, пересчитанные в эффективный коэффициент поглощения, рассматривались в ряде работ [9, 10]. При единичном отражении, в случае, когда поперечные размеры шероховатостей много меньше длины волны, на затухание в основном влияет высота шероховатостей в соответствии с формулой:
- 2п8.68д2п2 дБ.
(1)
а, дБ/мкс 100 г
10
1
X
А
X
ЛЛ
ДА V
Xх0
XV
-а
/ V
0.6 0.8 1
3 4 5 /, ГГц
Здесь д и п волновой вектор и средняя высота неоднородностей, соответственно.
В случае резонатора акустические волны совершают многочисленные отражения от обеих граней резонатора. Поэтому для оценки поглощения нужно знать полное число отражений в единицу време
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.