孔 輝,張忠偉,錢 煜,沈 浩,曹 煥,徐秋峰,,王勤峰

(1.天通凱巨科技有限公司,江蘇 徐州 221000;2.天通控股股份有限公司,浙江 嘉興 314000)

0 引言

鉭酸鋰( LiTaO3,簡(jiǎn)稱LT)做為一種優(yōu)良的多功能晶體材料,其具有良好的壓電、電光和熱釋電等性能,是制作聲表面波(SAW)濾波器、諧振器、調(diào)Q開關(guān)及熱釋電探測(cè)器等產(chǎn)品的重要功能材料,被廣泛應(yīng)用于汽車電子市場(chǎng)、5G通信及紅外探測(cè)器等領(lǐng)域,市場(chǎng)前景廣闊[1-3]。

1965年,Ballman[4]使用提拉法生長(zhǎng)出鉭酸鋰單晶。鉭酸鋰晶體屬于鐵電晶體,呈無(wú)色或淡黃色,三方晶系,密度為7.45 g/cm3,穩(wěn)定性較高[5],居里溫度為603 ℃,熔點(diǎn)為1 650 ℃,在20～80 ℃內(nèi)延遲時(shí)間溫度系數(shù)為18×10-6[6]。鉭酸鋰晶體原料豐富,晶體性能穩(wěn)定,易加工,能夠制備高質(zhì)量、大尺寸單晶,目前市場(chǎng)的需求越來(lái)越大。本文介紹了鉭酸鋰晶體的特性、性能調(diào)控方式及晶體制備方法,分析了各應(yīng)用領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展,并對(duì)鉭酸鋰晶體未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 鉭酸鋰晶體特性與性能調(diào)控

1.1 晶體結(jié)構(gòu)及缺陷

鉭酸鋰屬于三方晶體,在每個(gè)六角晶胞中包含6個(gè)LiTaO3分子,表1為鉭酸鋰晶體六方晶胞的原子坐標(biāo)。鉭酸鋰屬于鈦鐵礦型結(jié)構(gòu),有氧八面體骨架的ABO3晶格。Miyazawa等[7]研究得到鉭酸鋰固液同成分點(diǎn)在Li2O摩爾分?jǐn)?shù)為48.75%,即摩爾比r(Li)/r(Ta) =48.75/51.25=0.951時(shí),晶格常數(shù)a=b=0.515 4 nm,c=1.386 3 nm。

表1 鉭酸鋰六方晶胞的原子坐標(biāo)

圖1 鉭酸鋰晶體結(jié)構(gòu)模型

1.2 近化學(xué)計(jì)量比鉭酸鋰晶體

目前應(yīng)用的鉭酸鋰晶體大多是經(jīng)同成分配比的熔體中生長(zhǎng)出來(lái)的,一般稱為同成分鉭酸鋰晶體(CLT),但由于同成分鉭酸鋰晶體中存在大量缺陷,導(dǎo)致晶體物理特性受到影響,故而行業(yè)專家針對(duì)近化學(xué)計(jì)量比鉭酸鋰(NSLT)展開了研究。近化學(xué)計(jì)量比鉭酸鋰可降低材料缺陷,提高其物理性能。經(jīng)測(cè)試,近化學(xué)計(jì)量比鉭酸鋰相比同成分鉭酸鋰晶體有更好的光損傷閾值、電光系數(shù)和有效非線性系數(shù)。表2為同成分鉭酸鋰與近化學(xué)計(jì)量比鉭酸鋰晶體的離子間距[10]對(duì)比。

表2 同成分鉭酸鋰與近化學(xué)計(jì)量比鉭酸鋰晶體的離子間距對(duì)比

通過(guò)對(duì)比同成分鉭酸鋰和近化學(xué)計(jì)量比鉭酸鋰晶體的拉曼光譜發(fā)現(xiàn)[11],同成分鉭酸鋰?yán)V比近化學(xué)計(jì)量比鉭酸鋰?yán)V多278 cm-1和750 cm-1兩個(gè)峰,而造成這兩個(gè)峰的原因是鉭酸鋰晶體中存在空位缺陷,同時(shí)因?yàn)榻瘜W(xué)計(jì)量比鉭酸鋰中空位缺陷減小,導(dǎo)致近化學(xué)計(jì)量比鉭酸鋰的吸收邊比同成分鉭酸鋰的吸收邊寬[12-13],表3為同成分鉭酸鋰晶體與近化學(xué)計(jì)量比鉭酸鋰晶體性能對(duì)比。與同成分鉭酸鋰晶體相比,近化學(xué)計(jì)量比鉭酸鋰晶體大多數(shù)性能都有提升,主要優(yōu)點(diǎn)有:

1) 近化學(xué)計(jì)量比鉭酸鋰晶體的矯頑場(chǎng)比同成分鉭酸鋰晶體低1個(gè)量級(jí)。

2) 近化學(xué)計(jì)量比鉭酸鋰晶體的紫外吸收邊更寬。

3) 近化學(xué)計(jì)量比鉭酸鋰晶體的抗光損傷能力更強(qiáng)。

4) 近化學(xué)計(jì)量比鉭酸鋰晶體的電光系數(shù)和有效非線性系數(shù)變大。

5) 近化學(xué)計(jì)量比鉭酸鋰晶體的光折邊光柵建立和擦除的時(shí)間常數(shù)是同成分鉭酸鋰晶體減少5倍。

表3 CLT和NSLT性能對(duì)比

1.3 鉭酸鋰晶體摻雜

不同領(lǐng)域內(nèi)對(duì)鉭酸鋰晶體性能的要求不同,在制備高密度、大容量全息信息存儲(chǔ)器件時(shí),需要其具備優(yōu)良的光折變性能。由于鉭酸鋰晶體結(jié)構(gòu)的特殊性,可以通過(guò)摻雜工藝調(diào)節(jié)其本身的物理性質(zhì),如光折變摻雜是目前應(yīng)用較多的一種摻雜方式,通過(guò)摻雜特定元素提高鉭酸鋰的光折變性能。光折變摻雜原理:將光折變敏感雜質(zhì)離子摻入鉭酸鋰晶體后,光折變敏感雜質(zhì)離子充當(dāng)光折變中心,并在光照下電離出自由電子或空穴,參與建立晶體內(nèi)的空間電場(chǎng),以增強(qiáng)晶體的光折變效應(yīng)。.這種摻雜方式要求摻雜離子在晶體內(nèi)的吸收波長(zhǎng)與實(shí)際所需波長(zhǎng)相匹配,在晶體內(nèi)需要同時(shí)以兩種氧化態(tài)形式存在,分別充當(dāng)載流子施主和陷阱,當(dāng)這兩種氧化態(tài)形成的離子相互轉(zhuǎn)化時(shí),產(chǎn)生電子或空穴。目前光折變摻雜常用鐵、錳、銅等,其中摻鐵的效果最好。后續(xù)研究表明,鉻、鈷、鎳對(duì)晶體的存儲(chǔ)特性影響很小[14-16]。

當(dāng)鉭酸鋰晶體應(yīng)用于其他光學(xué)領(lǐng)域時(shí),需要提高鉭酸鋰晶體的抗光折變性能,此時(shí)需采用抗光折變摻雜,抗光折變摻雜需摻雜不易變價(jià)的元素,以減少晶體的光折變中心。張國(guó)權(quán)[17]通過(guò)對(duì)過(guò)渡族元素研究發(fā)現(xiàn),單一價(jià)態(tài)和滿殼層結(jié)構(gòu)是作為抗光折變摻雜離子的必要條件。表4為幾種雜質(zhì)離子電子層結(jié)構(gòu)[17]。

表4 抗光損傷離子的可能化合價(jià)和外電子層結(jié)構(gòu)

2 鉭酸鋰晶體的制備

2.1 同成分鉭酸鋰晶體制備

同成分鉭酸鋰晶體常以高純五氧化二鉭和高純碳酸鋰按0.95∶1(摩爾比)的化學(xué)計(jì)量比混合,并采用坩堝提拉法制備。鉭酸鋰晶體質(zhì)量一般受原料配比、提拉速度、籽晶質(zhì)量、坩堝形狀及類型等因素影響。鉭酸鋰晶體經(jīng)切片、黑化、研磨、倒角及清洗等工藝獲得鉭酸鋰晶片[18-19]。提拉法又被稱為直拉法、Cz法或丘克拉斯基法等,是目前制備同成分鉭酸鋰晶體最常用的方法。

直拉法制備同成分鉭酸鋰晶體時(shí)通過(guò)加熱將裝在坩堝中的原材料熔化,坩堝上方有1根可旋轉(zhuǎn)和升降的提拉桿,提拉桿下端有1個(gè)夾頭,夾頭上裝有1根籽晶,降低提拉桿將旋轉(zhuǎn)的籽晶插入熔體表面進(jìn)行熔接,然后緩慢向上提拉和旋轉(zhuǎn)籽晶桿,經(jīng)引頸、縮頸、放肩、等徑控制及收尾等步驟完成晶體制備。長(zhǎng)晶過(guò)程中需嚴(yán)格控制溫度及熱場(chǎng)、拉速與轉(zhuǎn)速、爐內(nèi)氣體種類與壓力等參數(shù)。

Ohno Yutaka等[20]研究了36°Y鉭酸鋰單晶在直拉生長(zhǎng)過(guò)程中的開裂過(guò)程,發(fā)現(xiàn)裂紋出現(xiàn)在孿晶薄片的交叉處,當(dāng)錠的直徑突然減小時(shí),孿晶出現(xiàn)裂紋。直拉法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單,便于操作和摻雜。泡生法、導(dǎo)模法、溫梯法也可以完成同成分鉭酸鋰晶體的制備,但考慮到制備成本、晶體質(zhì)量及工藝難度等問(wèn)題,故使用較少。

2.2 近化學(xué)計(jì)量比鉭酸鋰晶體制備

近化學(xué)計(jì)量比鉭酸鋰晶體的制備較難,目前制備近化學(xué)計(jì)量比鉭酸鋰晶體的方法主要包括雙坩堝法、助熔劑提拉法、區(qū)熔法和氣相交換平衡法。

2.2.1 雙坩堝法

雙坩堝法是在晶體制備過(guò)程中持續(xù)向坩堝中添加熔料以保持坩堝內(nèi)熔體組分不變,制備出近化學(xué)計(jì)量比鉭酸鋰晶體。雙坩堝法制備的近化學(xué)計(jì)量比鉭酸鋰晶體組分均勻,但工藝復(fù)雜,成本較高,同時(shí)固液界面分凝導(dǎo)致生長(zhǎng)出的晶體存在大量生長(zhǎng)條紋。

2.2.2 助熔劑提拉法

助熔劑提拉法是在晶體熔體中加入助熔劑以調(diào)整晶體熔點(diǎn),目前常用的助熔劑為K2O。此法工藝難度較小,但助熔劑易進(jìn)入晶體,隨著助熔劑比例的升高,熔體的組分隨晶體的生長(zhǎng)不斷變化,制備出的晶體均勻性難以保證。Jia等[21]通過(guò)助熔劑提拉法成功生長(zhǎng)了摻鎂近化學(xué)計(jì)量比鉭酸鋰晶體,加入4%MgO和l4.5% K2CO3,經(jīng)過(guò)7天的生長(zhǎng)過(guò)程,生長(zhǎng)出直徑?50 mm、長(zhǎng)度45 mm的摻鎂近化學(xué)計(jì)量比鉭酸鋰晶體。鄭偉等[22]利用助熔劑提拉法制備出直徑?15 mm、長(zhǎng)度10 mm的摻鋅近化學(xué)計(jì)量比鉭酸鋰晶體。

2.2.3 區(qū)熔法

區(qū)熔法是利用熱能在半導(dǎo)體棒料的一端產(chǎn)生熔區(qū),再熔接單晶籽晶,調(diào)節(jié)溫度使熔區(qū)緩慢地向棒的另一端移動(dòng),通過(guò)整根棒料完成晶體制備。利用區(qū)熔法制備近化學(xué)計(jì)量比鉭酸鋰晶體時(shí),需要考慮Li的揮發(fā)損失,在進(jìn)行原料配置時(shí),r(Li)/r(Nb)需略大于1。專家在區(qū)熔法的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)出銥金加熱區(qū)熔法,這種方法生長(zhǎng)出的晶體成分分布均勻,節(jié)能降耗,原料利用率高且晶體質(zhì)量較高。Hsu等[23]利用水平區(qū)熔法生長(zhǎng)出未摻雜和摻鎂近化學(xué)計(jì)量比鉭酸鋰晶體,水平區(qū)熔法在生長(zhǎng)晶體過(guò)程中也可以保持熔體組分不變。

2.2.4 氣相交換平衡法

氣相交換平衡法最大的優(yōu)勢(shì)在于可以控制生長(zhǎng)過(guò)程中晶體Li的含量,可以根據(jù)實(shí)際需求獲得任意已知Li含量的鉭酸鋰樣品,但這種方法處理晶體所需時(shí)間較長(zhǎng),適用于大尺寸薄片樣品的制備,難以獲得大塊均勻的化學(xué)計(jì)量比單晶[24]。Xiao Xuefeng等[25]采用氣相交換平衡法制備了近化學(xué)計(jì)量比鉭酸鋰晶體,對(duì)近化學(xué)計(jì)量比鉭酸鋰晶片的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試,發(fā)現(xiàn)隨著晶體中Li含量的增加, 近化學(xué)計(jì)量比鉭酸鋰晶片的電導(dǎo)率先減小后增大再減小,在x(Li)=49.64%(摩爾分?jǐn)?shù))時(shí)測(cè)得最大電導(dǎo)率為4.4 × 10-12Ω-1cm-1。通過(guò)分析不同x(Li)的近化學(xué)計(jì)量比鉭酸鋰晶片的熱學(xué)和力學(xué)性能發(fā)現(xiàn),隨著x(Li)的逐漸增加,近化學(xué)計(jì)量比鉭酸鋰晶片的熱導(dǎo)率先增大后減小,當(dāng)x(Li)=49.75%時(shí),熱導(dǎo)率達(dá)到最大值(為4.6 W/(m·K))。研究發(fā)現(xiàn),x(Li)=49.64%～49.75%時(shí),晶片具有更優(yōu)異的電學(xué)和熱學(xué)性能。同時(shí)采用差熱分析和X線光電子能譜對(duì)近化學(xué)計(jì)量比鉭酸鋰晶體進(jìn)行測(cè)試和分析,研究了x(Li)對(duì)近化學(xué)計(jì)量比鉭酸鋰晶體居里溫度和內(nèi)部缺陷的影響。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)近化學(xué)計(jì)量比鉭酸鋰晶片中Li含量增加時(shí), X線光電子能譜技術(shù)(XPS)譜圖中Ta4+電子層峰對(duì)應(yīng)的結(jié)合能先減小后增大,表明在不同Li含量的晶片中Ta價(jià)態(tài)的比例不同[25-26]。

2.3 鉭酸鋰單晶薄膜

20世紀(jì)80年代后,薄膜制備技術(shù)取得迅猛發(fā)展。目前使用較多的鉭酸鋰單晶薄膜制備技術(shù)主要包括化學(xué)氣相沉積法、物理氣相沉積法、磁控濺射法及溶膠-凝膠法。

化學(xué)氣相沉積法通過(guò)化學(xué)反應(yīng)在襯底上合成薄膜,精確控制生成物的化學(xué)組成,具有應(yīng)力小,質(zhì)量好的特點(diǎn),但在制備薄膜過(guò)程中難以控制襯底的溫度,所以對(duì)薄膜襯底的要求較高。物理氣相沉積法制備鉭酸鋰單晶薄膜時(shí)主要使用物理氣相沉積技術(shù)中的熱蒸發(fā)技術(shù),熱蒸發(fā)技術(shù)沉積薄膜因其熱蒸發(fā)源是發(fā)散式的,沉積均勻性難以得到保證,故而影響鉭酸鋰薄膜質(zhì)量;又因不同元素的飽和蒸汽壓不同,蒸鍍鉭酸鋰薄膜會(huì)出現(xiàn)薄膜元素化學(xué)計(jì)量比失衡的問(wèn)題[27]。磁控濺射法是近年來(lái)制備鉭酸鋰薄膜使用較多的方法,130多年前,格洛夫發(fā)現(xiàn)了濺射這種物理現(xiàn)象,現(xiàn)己廣泛地應(yīng)用于各種薄膜的制備[28]。磁控濺射制備的鉭酸鋰薄膜具有致密性較好,薄膜附著性強(qiáng),應(yīng)力小的特點(diǎn)。Yasuyoshi Saito等[29]首次制備出單晶鉭酸鋰薄膜,并發(fā)現(xiàn)鉭酸鋰薄膜為單晶結(jié)構(gòu)。Gia Russo等[30]以玻璃為襯底材料,使用磁控濺射法制備出具有良好性能的鉭酸鋰薄膜。Zhang Kaisheng等[31]采用快速熱退火方法對(duì)晶體離子切片制備的Z切-鉭酸鋰薄膜進(jìn)行了不同溫度和時(shí)間的退火處理,研究了退火參數(shù)對(duì)鉭酸鋰薄膜微結(jié)構(gòu)和介電性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),快速熱退火可以根據(jù)X線衍射(XRD)的衍射峰位移部分釋放晶格應(yīng)變,這種晶格釋放對(duì)介電常數(shù)和介電損耗也有影響,經(jīng)原子力顯微鏡測(cè)試發(fā)現(xiàn),晶粒異常長(zhǎng)大,在較高溫度或較長(zhǎng)時(shí)間退火的樣品中觀察到了異常再結(jié)晶現(xiàn)象,同時(shí)還測(cè)到600 ℃退火樣品的介電常數(shù)和介電損耗異常增加,分析原因是晶粒異常長(zhǎng)大的結(jié)果。這證明了快速熱退火是一種有效的釋放晶格應(yīng)變的方法,它可以影響晶體離子切片制備的鉭酸鋰薄膜的電學(xué)性能。溶膠-凝膠法是目前制備鉭酸鋰薄膜應(yīng)用最廣的方法[32],其可精確控制薄膜成分配比,且工藝簡(jiǎn)單,制造成本低,生長(zhǎng)出的薄膜質(zhì)量良好。以乙醇鉭和醋酸鋰為原料,以甲基乙二醇或乙二醇甲醚為溶劑,使用旋涂法可制備鉭酸鋰薄膜[33-34]。

3 鉭酸鋰晶體的主要應(yīng)用

3.1 SAW濾波器

在SAW器件中濾波器的研究較多,濾波器具有傳輸損耗低,可靠性高,制作靈活性大,模擬/數(shù)字兼容,頻率選擇特性優(yōu)異,并能實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜的功能等優(yōu)點(diǎn)。制作濾波器的材料一般要求具有良好的表面平整度,機(jī)電耦合系數(shù)較高,傳播損耗較小,溫度系數(shù)較小,重復(fù)性好,可靠性高,可批量生產(chǎn),同時(shí)成本低。

SAW濾波器按插入損耗可分為高損耗SAW濾波器和低損耗SAW濾波器;按結(jié)構(gòu)和耦合方式可分為橫向型SAW濾波器和諧振器型SAW濾波器。圖2為橫向型SAW濾波器(SHSAW)結(jié)構(gòu)示意圖。輸入激勵(lì)電信號(hào)通過(guò)輸入端叉指換能器時(shí),由于逆壓電效應(yīng)激發(fā)出SAW,并在壓電基片上傳播到達(dá)輸出叉指換能器,同時(shí)由于壓電效應(yīng)SAW被輸出叉指換能器再轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出,在電-聲、聲-電的轉(zhuǎn)換過(guò)程中實(shí)現(xiàn)濾波[35]。

圖2 橫向型SAW濾波器結(jié)構(gòu)示意圖

目前制備濾波器使用的材料主要有石英、鉭酸鋰、鈮酸鋰等,表5為主要晶體及其壓電性質(zhì)。由表可看出,石英的溫度系數(shù)最低,其溫度穩(wěn)定性最好,但石英機(jī)電耦合系數(shù)太低,當(dāng)工作頻率過(guò)高時(shí),晶片裝配后受支架電容等因素影響,可實(shí)現(xiàn)的相對(duì)帶寬范圍將急劇下降[36],故而以石英材料做成的濾波器難以實(shí)現(xiàn)高頻大帶寬。

表5 晶體材料及壓電性質(zhì)

鉭酸鋰和鈮酸鋰的機(jī)電耦合系數(shù)比石英的機(jī)電耦合系數(shù)高,鉭酸鋰晶體能實(shí)現(xiàn)6%～7%的相對(duì)帶寬,而鈮酸鋰能實(shí)現(xiàn)10%～12%的相對(duì)帶寬,但鉭酸鋰和鈮酸鋰的溫度系數(shù)較高,X切-鉭酸鋰晶體具有零溫度切向,通過(guò)精確控制切向精度,可將零溫度系數(shù)點(diǎn)控制在室溫范圍內(nèi),以便用于制作高頻大帶寬的濾波器[37-38]。

彭勝春等[39]采用離子刻蝕工藝對(duì)鉭酸鋰晶體進(jìn)行刻蝕加工得到高基頻晶體諧振器,以該晶體諧振器設(shè)計(jì)出高頻寬帶濾波器,提高了濾波器的工作頻率和可靠性,增加了濾波器的帶寬,保證了濾波器的高溫度穩(wěn)定性和低插入損耗。該濾波器的測(cè)試結(jié)果表明,采用刻蝕工藝處理的鉭酸鋰晶體可提高濾波器的工作頻率上限。若采用離子刻蝕工藝加工出納米級(jí)別的鉭酸鋰晶體薄膜,頻率大于2 GHz,便可制備出具有大帶寬和良好溫度系數(shù)的單晶薄膜體聲波諧振器。張永川等[40]對(duì)離子刻蝕工藝進(jìn)行了優(yōu)化,采用間歇式離子束刻蝕方法對(duì)鉭酸鋰晶體進(jìn)行刻蝕加工,避免了刻蝕區(qū)域出現(xiàn)微裂紋的問(wèn)題,成功將60 μm的鉭酸鋰晶片減薄至30 μm,通過(guò)該晶片制備出中心頻率70 MHz、3 dB帶寬1 109 kHz的高基頻寬帶鉭酸鋰晶體濾波器。曹陽(yáng)[41]通過(guò)在石英、鈮酸鋰和鉭酸鋰3種材料上應(yīng)用絲網(wǎng)印刷工藝和噴墨打印工藝制備SAW濾波器,制備完成后分別對(duì)比其壓電特性,同時(shí)測(cè)試濾波器性能。通過(guò)對(duì)濾波器的形貌和電學(xué)性能測(cè)試,結(jié)果表明將鈮酸鋰和鉭酸鋰作為壓電襯底制備的 SAW濾波器可以滿足使用需求。Ruby等[42]研制了一種新型的鉭酸鋰鍵合硅基混合襯底硅SAW濾波器,提供了溫度補(bǔ)償、良好的功率處理性能,同時(shí)消除了LT/Si界面間產(chǎn)生的雜散模式。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)之一是可以將盡可能多的濾波器集成到一個(gè)模具上,這表現(xiàn)出高質(zhì)量溫度補(bǔ)償表面聲波固有性能,既節(jié)省了成本又節(jié)省了面積。Wu Jinbo等[43]研究了在藍(lán)寶石襯底上的超薄Y42°方向鉭酸鋰薄膜上具有優(yōu)異溫度穩(wěn)定性和低損耗的剪切水平表面聲波器件,諧振頻率為1.76～3.17 GHz,有效機(jī)電耦合系數(shù)為5.1%～7.6%。中心頻率為3.26 GHz的濾波器具有抑制的寄生通帶、3%的3 dB帶寬和2.39 dB的最小插入損耗。此外,在25～150 ℃,比較了在鉭酸鋰薄膜和鉭酸鋰襯底上構(gòu)建的共面波導(dǎo)和SAW諧振器。經(jīng)測(cè)試,150 ℃時(shí),鉭酸鋰薄膜濾波器的阻抗衰減至3.7 dB,而鉭酸鋰襯底濾波器的阻抗衰減達(dá)到9.6 dB,表明鉭酸鋰薄膜濾波器襯底的射頻性能具有優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性。

諧振器是濾波器的基本單元,其本身的性能對(duì)濾波器的性能有較大影響。隨著通信終端對(duì)濾波器越來(lái)越高的性能需求,諧振器型SAW濾波器因可以解決小尺寸、低功耗、低插入損耗等問(wèn)題而被廣泛使用。諧振器型SAW濾波器的基本電路元件是諧振器,叉指換能器激發(fā)的SAW在兩個(gè)反射柵之間來(lái)回反射形成諧振,通過(guò)調(diào)節(jié)諧振器的諧振頻率及反諧振頻率,可以合成低通、高通、帶通及帶阻濾波器。諧振器可以提高濾波器的諧振頻率和中心頻率,降低濾波器的帶外抑制,諧振器型SAW濾波器的工作頻率一般為10 MHz～1 GHz,插入損耗為1～5 dB。

楊清瑞等[44]采用鉭酸鋰-二氧化硅-硅襯底設(shè)計(jì)出諧振器SAW濾波器。圖3、4分別為器件的光學(xué)照片和器件的局部掃描電子顯微鏡圖,圖中器件的叉指電極清晰,未見(jiàn)粘連,之后對(duì)其進(jìn)行分析優(yōu)化。由此可知,增加諧振器的電極對(duì)數(shù)或電極孔徑可以提升器件本身的性能系數(shù),且電極對(duì)數(shù)對(duì)性能影響更大;在具有相同靜態(tài)電容的諧振器中,電極孔徑與電極對(duì)數(shù)的比值越小,器件的性能系數(shù)越高;諧振器的機(jī)電耦合系數(shù)隨著電極周期的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

圖3 器件的光學(xué)照片

圖4 器件的局部掃描電子顯微鏡圖像

Kimura T等[45]研究了使用置于薄壓電晶體板上的叉指換能器聲波器件在3～5 GHz的適用性,其中SAW器件性能顯著下降。這證明了采用LiTaO3/SiO2/Si 的復(fù)合結(jié)構(gòu)層,其品質(zhì)因數(shù)Q值比42°Y-XLiTaO3(42-LT)體材料高3～4倍。使用KrF步進(jìn)/掃描儀制作了3種類型的鋸齒狀器件,并從各方面比較了其性能:使用旋轉(zhuǎn)V形切割LiTaO3板連接在Si襯底上的3.5 GHz諧振器;在Si襯底上使用X切-LiNbO3板的5 GHz諧振器;獨(dú)立的Z切-LiNbO3板上的5.4 GHz A1-Lamb模諧振器。結(jié)果表明,這些器件在3～5 GHz也具有優(yōu)異的性能。付琛等[46]使用ANSYS軟件對(duì)36°YX-LiTaO3材料進(jìn)行有限元分析,設(shè)計(jì)出一種通用的有效分析漏波諧振器的方法。Kadota Michio等[47]設(shè)計(jì)了一種使用限制在由石英(Qz)襯底支撐的薄鉭酸鋰層中的水平剪切波(SH)的SAW諧振器,測(cè)量的阻抗比達(dá)到84 dB。另一方面,由于石英的獨(dú)特性,SH SAW以外的雜散波不會(huì)被限制在LT層中,導(dǎo)致整個(gè)寬頻率范圍內(nèi)的無(wú)雜散特性。Yan Xiongshuo等[48]利用聚焦離子束( FIB )技術(shù)制備了一種基于LT-on-Insulator(LTOI)薄膜的高品質(zhì)因子LT諧振器。LTOI微盤在輸入功率500 mW下實(shí)現(xiàn)了輸出功率2 μW的二次諧波,同時(shí)在器件中也觀察到了級(jí)聯(lián)三次諧波的產(chǎn)生。

3.2 振蕩器

振蕩器是一種將直流電能轉(zhuǎn)換為具有一定頻率交流電能的能量轉(zhuǎn)換裝置,此電路稱為振蕩電路。振蕩器通過(guò)磁場(chǎng)能與電場(chǎng)能之間的相互轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)自由振蕩。

振蕩器分為RC振蕩器、LC振蕩器和晶體振蕩器。晶體振蕩器具有壓電效應(yīng),在晶片兩極外加電壓后晶體會(huì)產(chǎn)生變形。晶片受到外力變形,會(huì)在金屬片上產(chǎn)生電壓。晶體振蕩器因具有頻率高度穩(wěn)定的交流信號(hào)而被廣泛應(yīng)用于通信電臺(tái)、GPS、衛(wèi)星通信、遙控移動(dòng)設(shè)備、移動(dòng)電話發(fā)射臺(tái)及高檔頻率計(jì)數(shù)器等。晶振通常使用可將電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的晶體,以提供穩(wěn)定、精確的單頻振蕩。目前采用的晶片多為石英半導(dǎo)體材料,石英的溫度系數(shù)小,溫度穩(wěn)定性好,但石英機(jī)電耦合系數(shù)低,所以以石英材料做成的濾波器難以實(shí)現(xiàn)高頻大帶寬。為了提高振蕩器片式化、小型化及高頻化,近年來(lái)許多專家采用鉭酸鋰晶片進(jìn)行振蕩器的研究,器件性能表現(xiàn)良好。

王艷等[49]基于鉭酸鋰晶體設(shè)計(jì)出一種低相位噪聲壓控振蕩器,通過(guò)分析計(jì)算鉭酸鋰晶體振蕩器的有載品質(zhì)因數(shù)(QL),并對(duì)鉭酸鋰晶體振蕩器的相位噪聲進(jìn)行測(cè)試,得到鉭酸鋰晶體振蕩器的調(diào)諧范圍寬比于聲體波振蕩器。通過(guò)添加壓控元件實(shí)現(xiàn)了鉭酸鋰晶體振蕩器的電壓頻率調(diào)諧,設(shè)計(jì)了一種鉭酸鋰壓控振蕩器,并對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)得其相位噪聲水平可達(dá)到-85 dBc/Hz@10 Hz、-145 dBc/Hz@1 kHz,增加的壓控元件可實(shí)現(xiàn)電壓頻率調(diào)諧。結(jié)果表明,此鉭酸鋰振蕩器可實(shí)現(xiàn)寬調(diào)諧范圍下的低相位噪聲特性。孫博等[50]從受激電磁耦子散射原理出發(fā),對(duì)由鉭酸鋰晶體組成的太赫茲波參量振蕩器的工作運(yùn)轉(zhuǎn)特性展開了研究,研究結(jié)果表明,在受激散射過(guò)程中,鉭酸鋰晶體對(duì)稱性晶格振動(dòng)模自身固有的特性會(huì)限制鉭酸鋰晶體太赫茲波參量振蕩器在頻率調(diào)諧、增益等方面的運(yùn)轉(zhuǎn)性能,但由于鉭酸鋰晶體本身具有良好的非線性光學(xué)性能,選取短波長(zhǎng)抽運(yùn)光,提高抽運(yùn)能量,縮短太赫茲波參量振蕩器諧振腔腔長(zhǎng)等方法完全可實(shí)現(xiàn)鉭酸鋰晶體太赫茲波參量振蕩器的高性能運(yùn)轉(zhuǎn),證明了鉭酸鋰晶體是一種性能優(yōu)良的太赫茲波參量振蕩器工作介質(zhì)。Sukeert等[51]設(shè)計(jì)了一種基于周期性極化MgO摻雜的同質(zhì)鉭酸鋰的振蕩器,通過(guò)簡(jiǎn)單的機(jī)械平移晶體在室溫下提供連續(xù)調(diào)諧,對(duì)于長(zhǎng)29 mm的晶體,振蕩器在長(zhǎng)度1 476.5 nm處產(chǎn)生131 mW的平均空轉(zhuǎn)功率,輸入功率為1.8 W,重復(fù)頻率為25 kHz,斜率效率為11.3%。當(dāng)功率大于1.8 W,且長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),在周期性極化摻鎂鉭酸鋰晶體中觀察到體損傷。

3.3 調(diào)Q開關(guān)

激光調(diào)Q技術(shù)的基礎(chǔ)是一種特殊的光學(xué)元件:快速腔內(nèi)光開關(guān)一般稱為調(diào)Q開關(guān)或Q開關(guān)。Q值是評(píng)定激光器中光學(xué)諧振腔質(zhì)量好壞的指標(biāo),Q值越高,所需泵浦閾值越低,激光越易起振。激光調(diào)Q技術(shù)目的是為了壓縮脈沖寬度,提高峰值功率。目前常用的調(diào)Q開關(guān)包括電光調(diào)Q技術(shù)、聲光調(diào)Q技術(shù)、可飽和吸收染料調(diào)Q及Cr4+∶YAG可飽和吸收調(diào)Q。新的激光調(diào)Q技術(shù)不斷得到開發(fā)和應(yīng)用,其中包括主動(dòng)調(diào)Q和被動(dòng)調(diào)Q相結(jié)合的主被動(dòng)雙調(diào)Q技術(shù)、雙被動(dòng)調(diào)Q技術(shù)、調(diào)Q鎖模技術(shù)[52-53]。

目前絕大多數(shù)納秒脈沖激光是利用電光調(diào)Q技術(shù)制成,電光調(diào)Q技術(shù)的核心材料是電光調(diào)Q晶體,目前常用的電光調(diào)Q晶體包括磷酸二氘鉀晶體、鉭酸鋰晶體、鈮酸鋰晶體及磷酸氧鈦銣晶體。鉭酸鋰晶體性能穩(wěn)定、不潮解,損傷閾值高,使用較多。李清連等[54]設(shè)計(jì)出一種LT雙晶體匹配的鉭酸鋰電光調(diào)Q開關(guān)(見(jiàn)圖5),對(duì)匹配晶體通光方向尺寸偏差及軸向角偏差對(duì)自然雙折射補(bǔ)償?shù)挠绊戇M(jìn)行了分析,在消光比為100∶1的基礎(chǔ)上保證晶向精度和晶體尺寸,用雙晶匹配的方法來(lái)補(bǔ)償自然雙折射引起的相位差,制備出雙晶體匹配的鉭酸鋰電光調(diào)Q開關(guān)。通過(guò)對(duì)調(diào)Q性能進(jìn)行測(cè)試,得到匹配較好的LT調(diào)Q開關(guān)能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。

圖5 LT雙晶體匹配電光調(diào)Q開關(guān)示意圖

3.4 熱釋電探測(cè)器

熱釋電探測(cè)器一般通過(guò)熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)及熱輻射3種方式與外界發(fā)生熱交換以檢測(cè)目標(biāo),其工作原理是熱釋電材料表面吸附有電子,表面呈中性,材料表面受熱產(chǎn)生溫度變化,材料的電偶極矩發(fā)生變化,為保持材料表面呈中性,表面釋放電荷。熱釋電傳感器一般具有探測(cè)率高,工作頻率寬,成本低,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。

熱釋電探測(cè)器探測(cè)單元包括陶瓷、單晶、薄膜。陶瓷主要使用鉭鈮酸鉀和鋯鈦酸鉛,單晶材料一般采用鈮酸鋰和鉭酸鋰,常用的薄膜有鉭酸鋰薄膜和鋯鈦酸鉛薄膜。鉭酸鋰晶體因具有良好的熱釋電系數(shù)、居里點(diǎn)和介電常數(shù)而在熱釋電探測(cè)器中使用較多[55-56]。董航榮等[57]針對(duì)太赫茲熱釋電探測(cè)器進(jìn)行研究,并設(shè)計(jì)出太赫茲熱釋電探測(cè)器,其光敏直徑為?10 mm。通過(guò)有限元分析和熱電耦合仿真分析設(shè)計(jì)了太赫茲熱釋電探測(cè)器模型,通過(guò)對(duì)減薄拋光和剝離工藝進(jìn)行優(yōu)化,完成了太赫茲熱釋電探測(cè)器的研制。經(jīng)測(cè)試,探測(cè)器響應(yīng)度為371.8 V/W,響應(yīng)時(shí)間好,集成度高,噪聲功率低,有效地解決了大光斑太赫茲光束功率測(cè)試問(wèn)題。趙玲等[58]通過(guò)在圓片表面預(yù)置20 μm深的溝槽制備出超薄LiTaO3晶片,圖6為L(zhǎng)iTaO3敏感元件制備工藝流程。采用電噴霧方法制備炭黑紅外吸收層,通過(guò)對(duì)炭黑紅外吸收層進(jìn)行分析可知,當(dāng)電噴霧時(shí)間為20 min時(shí),炭黑顆粒已均勻布滿整個(gè)襯底表面,吸收層的紅外吸收率達(dá)到98%,探測(cè)器的黑體探測(cè)率達(dá)到1.78×108cm·Hz1/2/W。Anonymou S等[59]設(shè)計(jì)了一款采用厚7 μm芯片的熱釋電鉭酸鋰探測(cè)器,適用于傅里葉變換紅外光譜。探測(cè)器在高溫下不需要Peltier元素的額外冷卻,10 Hz下可提供典型的4.0×109的特異性檢測(cè)率。

圖6 LiTaO3敏感元件制備工藝流程

程金寶[60]對(duì)晶片的減薄和拋光工藝參數(shù)進(jìn)行了分析優(yōu)化,采用高壓靜電噴涂法制備油墨-炭黑紅外吸收層,最后對(duì)減薄拋光并制備好吸收層的敏感元封裝成器件。經(jīng)測(cè)試,鉭酸鋰晶片厚度越薄,響應(yīng)率越好。器件的響應(yīng)隨著入射光的功率成正比,高頻時(shí),器件的電壓響應(yīng)與其頻率逐漸降低,探測(cè)器的等效噪聲功率為4.3×10-10W/Hz1/2,比探測(cè)率為 3.3×108cm·Hz1/2/W,性能良好,滿足熱釋電探測(cè)器的要求。王建飛[61]結(jié)合室溫探測(cè)器的研究現(xiàn)狀,通過(guò)對(duì)敏感單結(jié)構(gòu)、吸收層和制備工藝進(jìn)行優(yōu)化,設(shè)計(jì)了基于鉭酸鋰薄膜的紅外探測(cè)傳感器,實(shí)現(xiàn)了室溫探測(cè)。在室溫條件下,脈沖頻率為3 Hz時(shí),器件等效噪聲功率最小為7.46×10-4W/Hz1/2,探測(cè)率達(dá)到1.34×103Hz1/2/W,所選吸收層的吸收率達(dá)到94%,滿足探測(cè)需求。Zhou Libing等[62]基于鉭酸鋰晶片的雙通道型制備了紅外熱釋電探測(cè)器,光學(xué)氣室采用了2個(gè)橢球和1個(gè)球面頂面的組合,不僅提高了光傳播的耦合效率,而且有利于傳感器模塊的小型化。此外還提出了一種基于最小二乘法的溫濕度補(bǔ)償算法,使測(cè)量精度達(dá)到±0.9%。Zhang Kaisheng等[63]設(shè)計(jì)出一種波長(zhǎng)選擇性吸收的探測(cè)器,其中熱電材料與超材料完美吸收體(MPA)集成。選擇兩面都有金屬膜的LiTaO3單晶作為襯底,并在其頂部沉積金屬介電金屬型MPA,MPA結(jié)構(gòu)由SiO2介電層和交叉型周期單元組成,在3.16 μm處提供了高選擇性吸收,隨著入射輻射功率被介電層轉(zhuǎn)化為熱量,并擴(kuò)散到鉭酸鋰中,產(chǎn)生熱電電壓。

4 結(jié)束語(yǔ)

鉭酸鋰材料熱釋電系數(shù)大,居里溫度高,介電損耗因子小,單位體積熱熔低,相對(duì)介電常數(shù)小,性能穩(wěn)定,是良好的鐵電、壓電材料,它還具有非線性光學(xué)的特性,因此,鉭酸鋰逐漸成為通信、電子等領(lǐng)域使用的熱門材料。隨著5G通訊技術(shù)的不斷發(fā)展,作為智能手機(jī)射頻前端核心元器件的聲表面波(SAW)濾波器的市場(chǎng)持續(xù)增長(zhǎng),但是鉭酸鋰晶體材料作為SAW濾波器的關(guān)鍵襯底材料,國(guó)產(chǎn)化率較低,國(guó)產(chǎn)替代空間巨大,市場(chǎng)前景廣。

隨著第五代基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)、通信的發(fā)展,迫切需要下一代高頻和/或?qū)拵漕l濾波器。日本村田大規(guī)模生產(chǎn)的高性能SAW雙工器包括單晶LT膜的能量限制結(jié)構(gòu)。通過(guò)在Si上使用低阻抗和高阻抗層的多層結(jié)構(gòu),聲波能量被限制在LT層中,這些SAW諧振器的Q值大3倍,諧振頻率溫度系數(shù)(TCF)降低80%,與基于LN/LT單晶的傳統(tǒng)SAW諧振器相比,其帶寬寬12%。具有低插入損耗、高衰減和良好的熱穩(wěn)定性的濾波器可在更寬的頻率范圍內(nèi)使用,但使用單晶制造薄膜的時(shí)間、能量和成本效率較低。晶圓鍵合膜在3D結(jié)構(gòu)上的集成也具有挑戰(zhàn)性。基于單晶晶片或標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)硅晶片上高耦合鉭酸鋰膜的外延/紋理生長(zhǎng)技術(shù)的引入可能是射頻和通信行業(yè)的真正突破。近年來(lái),圓鍵合技術(shù)在電子器件和光電器件領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用,國(guó)內(nèi)有關(guān)鉭酸鋰鍵合的研究尚處于起步階段,亟待更多系統(tǒng)性研究工作的開展。對(duì)鉭酸鋰晶片的厚度要求較高,未來(lái)若能大批量產(chǎn)業(yè)化加工出納米級(jí)高質(zhì)量的鉭酸鋰晶體薄膜,這將極大地提高鉭酸鋰晶片制備器件的性能,鉭酸鋰晶體的應(yīng)用前景更廣。另一方面,鉭酸鋰因具有多種光電性能而在光通信及集成光子領(lǐng)域有著較廣泛的應(yīng)用,在光量子信息處理、生物傳感、探測(cè)成像及信號(hào)處理等領(lǐng)域,未來(lái)需求也將越來(lái)越大,鉭酸鋰未來(lái)的市場(chǎng)空間將不斷擴(kuò)大。