ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ...........................................................5
Глава I. ВЛИЯНИЕ ПОПЕРЕЧНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА ФАЗОВУЮ СКОРОСТЬ ПАВ В МОНОЛИТНОЙ СЛОИСТОЙ СТРУКТУРЕ n-Si-SiOx-ZnO.................19
1.1. Особенности технологии нанесения пьезоэлектрических пленок окиси цинка (объект исследований) ...........................20
1.2. Экспериментальные исследования изменения фазы ПАВ, распространяющейся в слоистой структуре n-Si-SiOx-ZnO , при приложениии поперечного постоянного напряжения...............25
1.3. Расчет изменения волнового вектора ПАВ при подаче поперечного постоянного поля в монолитной слоистой структуре.............30
1.4. Основные результаты главы....................................41
Глава II. ИССЛЕДОВАНИЕ ПАВ-КОНВОЛЬВЕРОВ, РАБОТАЮЩИХ НА УПРУГОЙ НЕЛИНЕЙНОСТИ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИКА..................................42
2.1. ПАВ-конвольверы, использующие упругую нелинейность пьезоэлектрика (предварительные замечания) .......................44
2.2. Влияние периодических структур на выходные характеристики
волноводных ПАВ-конвольверов ................................52
2.3. ВШП с емкостным взвешиванием электродов (выбор объекта исследований) .......................................66
2.4. Экспериментальное исследование широкополосного ПАВ-конвольвера, использующего ВШП с емкостным взвешиванием электродов ..........................................................83
2.5. Основные результаты главы........................................89
Глава III. НЕЛИНЕЙНОЕ АКУСГОЭЛЕКТРОННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ В ТОНКОШЕЕНОЧНОЙ СЛОИСТОЙ СТРУКТУРЕ ПЬЕЗОЭЛЖГРИК LiNbOj-ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ПЛЕНКА InSb....................................92
3.1. Расчет величины сигнала свертки для планарно-поперечного ПАВ-конвольвера на основе монолитной слоистой структуры пьезоэлектрик - тонкая полупроводниковая пленка..................93
3.2. Особенности изготовления монолитных слоистых структур YZ-срез LiNbO« - SiO - InSb - А1 (описание объекта исследований)... 101
о X
3.3. Экспериментальные исследования планарно-поперечных ПАВ-кснволь-веров на основе монолитной слоистой структуры YZ-срез LiNb03 -SiO - InSb - A1.................................................104
X
3.4. Основные результаты главы.......................................119
Глава IY. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ШИРОКОПОЛОСНЫХ ЛИНИЙ ЗАДЕРЖКИ НА ПАВ....................................121
4.1. Управляемое внешним напряжением электроакустическое преобразование .................................................... 122
3
4.2. Демодуляция радиосигналов за счет акустоэлектрического эффекта..............................................................134
4.3- Низкочастотная широкополосная линия задержки.....................143
4.4. Основные результаты главы.......................................147
Глава У. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОСТАВНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРОВ ДЛЯ СОЗДАНИЯ СОРБЦИОННЫХ ХИМИЧЕСКИХ СЕНСОРОВ ДЛЯ ГАЗОВОГО АНАЛИЗА..........................................................149
5.1. Исследование характеристик текстурированных пленок нитрата гуанидина и пьезопреобразователей, созданных на их основе ..150
5.2. Резонансный характер чувствительности химических сенсоров на основе составных акустических резонаторов .......................160
5.3. Основные результаты главы .......................................172
ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................174
ЛИТЕРАТУРА............................................................181
Публикации по теме диссертации .......................................201
4
ВВЕДЕНИЕ
Одним из современных научных направлений в физике твердого тела является акустоэлектроника, изучающая процессы возбуждения, распространения и взаимодействия с электронами акустических (звуковых) волн высокой частоты в твердых телах, в частности в пьезодиэлектриках, пьезополупроводниках и слоистых структурах пьезоэлектрик-полупроводник. Влияние электронов проводимости на распространение акустических волн в пьезоэлектриках впервые было рассмотрено Шапошниковым в 1941 году [1] . Однако вопросы взаимодействия акустических волн со свободными носителями заряда в полупроводниках стали интенсивно исследоваться после наблюдения в 1961 году Хатсоном, Мак Фи и Уайтом усиления ультразвука в монокристаллах сйб при сверхзвуковом дрейфе электронов [2] . Эта работа собственно и положила начало акустоэлекгроншсе.
Б практическом смысле целью акустоэлектроники является создание миниатюрных элементов высокочастотных трактов различных радиотехнических устройств, создание функциональных элементов акустоэлектронных систем обработки информации, а также ряда других приборов, использующих высокочастотный ультразвук.
Наблюдаемый быстрый переход от стадии первоначальных идей научных исследований к широкому использованию акустоэлектронных приборов объясняется, с одной стороны , тем, что акустоэлектронные элементы позволяют получить уникальные технические характеристики
5
устройств обработки информации, причем зачастую такие характеристики вообще не могут быть реализованы другими известными методами. С другой стороны, для производства значительной части акустоелектронных приборов можно использовать уже существующую технологическую базу, которая применяется для производства больших интегральных схем. Весьма существенно также то, что акустоэлектронные приборы по сравнению с их существующими радиотехническими аналогами отличаются малыми габаритами и весом, высокой степенью надежности, воспроизводимостью параметров при серийном производстве и относительно низкой стоимостью.
Развитие акустоэлектроники однозначно показало, что из всех известных типов акустических волн с точки зрения практических применений наибольший интерес представляют поверхностные акустические волны (ПАВ), т.е. акустические волны, распространяющиеся вдоль поверхности твердых тел в относительно тонком приповерхностном слое. Такие волны доступны на всем пути их распространения, и это обстоятельство обуславливает возможность создания обширного класса акустоелектронных приборов самого различного функционального назначения. Уже внедрены в практику радиотехнические ПАВ-фильтры с различными частотными и фазовыми характеристиками, а так же высокочастотные линии задержки. Нерешенной осталась задача осуществления задержки низкочастотных радиосигналов. Это связано с тем, что преобразователи, которые
6
возбуждали бы ПАВ в килогерцовом диапазоне, имеют большие размеры и невысокую эффективность.
Среди разнообразных практических применений акустоэлектронных явлений можно выделить, так называемые, конвольверы, формирование выходного сигнала в которых происходит таким образом, как будто сначала выполняется математическая операция умножения двух входных сигналов, а затем интегрирование полученного результата, т.е. выполняется операция свертки. В общем случае в коявольвере выходной сигнал максимален когда входные сигналы являются зеркальным отображением друг друга во времени. Следовательно, по своему функциональному назначению такое устройство является согласованным фильтром, который из множества сигналов , поступающих на его вход, выделяет только те сигналы, которые имеют определенную форму или определенный цифровой код.
Важным преимуществом конвольверов является то обстоятельство, что они производят операции над сигналами в реальном масштабе времени и при решении многих задач обеспечивают быстродействие недостижимое при использовании цифровой обработки сигналов. Таким образом, дальнейшие исследования направленные на поиск путей улучшения рабочих характеристик конвольверов представляют довольно важную нучно-практическую задачу.
В 1964 году Ю.В.Гуляевым и В.К.Пустовойтом было показоно, что в слоистых структурах пьезоэлектрик-полупроводкик взаимодействие ПАВ
7
с электронами проводимости наиболее сильное [31 , что позволяет создавать акустоэлектронные устройства с уникальными характеристиками. После опубликования этой работы стала активно развиваться, так называемая, "активная" акустоэлектрокика. С другой стороны, пассивные ПАВ-устройства, содержащие пьезоэлектрический звуколровод с нанесенными на его поверхность тонкопленочными металлическими структурами, также можно рассматривать как монолитные слоистые структуры. Таким образом, выбор в данной диссертационной работе з качестве обьекта исследований тонкопленочных монолитных структур является обоснованным, так как такие структуры используются для создания как пассивных, так и активных акустоэлектронных устройств обработки сигнальной информации.
К началу работы над диссертацией (1983-1984 гг.) акустоэлект-ронное взаимодействие в монолитных структурах было изучено довольно подробно. Тем не менее, ряд важных как с научной, так и с практической точки зрения вопросов остался не исследованным. Так, например, не было проведено исследование акустоэлектронного взаимодействия в слоистых структурах с периодической системой омических контактов. Особый интерес к изучению таких структур, в частности, связан с тем, что межэлектродные промежутки могут быть сделаны довольно малыми и, поэтому, даже с помощью небольшого 10-20 В приложенного к ним напряжения можно эффективно воздействовать на акустоэлектронное взаимодействие. В недостаточной
8
степени изучено взаимное влияние тонких слоев в сложных монолитных слоистых структурах. Не был изучен нестационарный акустоэлектри-чесхий эффект, возникающий при распространении в слоистых структурах модулированных ПАВ. Кроме того, в последние годы резко возрос интерес к разработке разного рода сенсоров для контроля состояния окружающей среды. Одним из типов сенсоров являются селективные (т.е. избирательные) акустоволновые химические сенсоры на основе составных акустических резонаторов, представляющих собой многослойные акустические системы. Все это обуславливает необходимость дальнейшего исследования физических процессов происходящих при распространении и взаимодействии акустических волн в тонкопленочных монолитных слоистых структурах, что и определяет актуальность темы данной диссертационной работы.
Основные задачи работы заключались в:
- изучении природы акустоэлектрснного взаимодействия в монолитных слоистых структурах полупроводник - диэлектрический подслой -пьезоэлектрическая пленка и возможности определения электрофизических параметров таких структур акустоэлектронными метода?,ш;
- исследовании особенностей нелинейного взаимодействия ПАВ, распространяющихся в монолитных слоистых структурах пьезодиэлектрическая подложка - диэлектрический подслой - тонкая полупроводниковая пленка с целью создания высокоэффективных устройств свертки сигналов, а также изучении нестационарного
9
акустоэлектрического эффекта, возникающего в таких структурах при распространении модулированных ПАВ;
экспериментальном исследовании переотражений ПАВ, распространяющихся в монолитных слоистых структурах с периодическими системами электродов и переспектив применения двухрядных электроакустических преобразователей с планарным емкостным взвещиванием электродов для создания широкополосных ПАВ-конвольверов с улучшенными характеристиками;
изучении переспективности использования тонких слоев органических материаллов и оптимизации их параметров (в частности, геометрии) для повышения чувствительности сорбционных химических сенсоров, созданных на основе составных акустических резонаторов.
Целью данной диссертационной работы являлось решение указанных выше задач.
Новизна и научно-практическая ценность полученных в работе результатов определяется тем, что
- впервые показана возможность улучшения частотных характеристик и уменьшения уровня ложных сигналов в ПАВ-конвольверах за счет использования двухрядных электроакустических преобразователей с планарным емкостным взвешиванием электродов и подавления переотражений ПАВ между многополосковым концентратором и преобразователем в волноводных ПАВ-конвольверах;
- предложена методика определения концентрации носителей заряда в
10
обогащенном слое для монолитных слоистых структур кремниевая подложка - диэлектрический подслой (ЗЮ ) - пьезопленка (ИпО)
X
неразрушающим экспресметодом, что позволяет оптимизировать величину акустоэлектронного взаимодействия б таких структурах;
- обосновано альтернотивное объяснение эффекта свертки сигналов в планарно-поперечном ПАВ-конвольвере на основе тонкопленочной монолитной слоистой структуры пьезодиэлектрик - полупроводниковая пленка основанное на предположении что концентрация носителей заряда в приповерхностной области полупроводника изменяется за счет высокочастотного эффекта поля;
- предложена конструкция планарно-поперечного ПАВ-конЕольвера, у которого полупроводниковая пленка выполнена в виде узкой полоски, которая расположена под некоторым углом к направлению распространения ПАВ и полностью перекрывает ширину звукового потока взаимодействующих волн. Проведенные эксперименты показали, что предложенная конструкция позволяет повысить эффективность работы планарно-поперечных ПАВ-конвольверов;
- детально исследованы эффекты управляемого электроакустического преобразования в монолитных слоистых структурах пьезодиэлектрик -полупроводниковая пленка с периодической системой омических контактов и демодуляции ПАВ за счет нестационарного акустоэлектрического эффекта. обоснована возможность использования этик эффектов для создания шрскогг^ооных низкочастотных (начиная
герцового диапазона) линий задержки;
- продемонстрировано резкое увеличение чувствительности газо-
V к . Т> '
аналитических химических сенсоров сорбционного типа на основе составных акустических резонаторов за счет использования тонкопленочных органических материалов и правильного подбора толщины сорбирующего покрытия.
Положения выносимые на защиту;
- Изменение фазовой скорости ПАВ, распространяющейся в монолитной слоистой структуре полупроводник - диэлектрический подслой - пьезопленка (например, п-31 - Б10 - Ипо) при приложении поперечного
X
постоянного электрического поля связано с изменением величины объемного заряда в приповерхностной области полупроводниковой подложки за счет "эффекта поля”. Измерение изменения фазы ПАВ, распространяющейся в такой структуре при подаче постоянного поперечного электрического поля дает методику определения концентрации носителей заряда в обогащенном слое неразрушащим експрессметодом и, следовательно, возможность оптимизации величины акустовлектронного взаимодействия.
Использование двухрядных ВШП с планарным емкостным взвешиванием электродов позволяет формировать амплитудно-частотную характеристику выходного сигнала свертки широкополосного ПАВ-конвольвера достаточно прямоугольной формы (коэффициент прямоугольности 1.2) с малыми (не более 5 град.) отклонениями фазо-
12
частотной характеристики от линейного закона.
- Сигнал свертки в планарно-поперечном ПАВ-конвольвере на основе тонкопленочной монолитной слоистой структуры пьезоелекгрик-
полупроводник обусловлен нелинейностью, связанной с изменением проводимости полупроводниковой пленки под воздействием электрических полей, сопровождающих ПАВ ("высокочастотный эффект поля”), причем эта нелинейность в ряде случаев значительно
превосходит концентрационную нелинейность.
- Изготовление полупроводниковой пленки в планарно-поперечном ПАВ-конвольвере в виде узкой полоски, которая расположена под некоторым углом к направлению распространения ПАВ и полностью перекрывает ширину звукового потока взаимодействующих волн, позволяет повысить эффективность по сравнению с традиционными
конструкциями; в частности, для монолитных слоистых структур
БЮ - 1пБЬ использование предложенной конструкции
и X
увеличивает эффективность работы ПАВ-конвольвера на 8 дБм при одновременном снижении величины напряжени смещения почти в 10 раз.
- Одновременно подавая на ВШП, расположенный на полупроводниковой пленке в монолитной слоистой структуре пьезоэлектрический звукопровод - тонкая полупроводниковая пленка, переменного сигнала с удвоенной частотой и постоянного напряжения в звукопроводе можно эффективно возбуждать ПАВ на удвоенной частоте; при подаче вместо постоянного напряжения низкочастотного переменного сигнала б
13
звукопроводе возбуждается амплитудно-модулированная ПАВ.
- Объединение описанного в предыдущем пункте эффекта возбуждения в звукопроводе амплитудно-модулированной ПАВ и возможности демодуляции ПАВ за счет акустоэлектрического эффекта, возникающего в тонкой полупроводниковой пленке, расположенной на поверхности звукопровода позволяет осуществить задержку низкочастотного сигнала, а в случае сверхнизких частот создать устройство обеспечивающее фиксированный фазовый сдвиг.
- Изменение частоты вынужденных высокочастотных колебаний составного акустического резонатора, содержащего тонкопленочный пъезопреобразователь, звукопровод и тонкий слой сорбирующего вещества связано с изменением толщины сорбирующего слоя при контакте с газовой средой и проявляется наиболее сильно в случае, когда начальная толщина сорбирующего слоя составляет четверть длины акустической волны; это позволяет при правильном выборе толщины сорбирующего покрытия увеличить чувствительность химического сенсора, созданного на основе тгкого составного резонатора, почти на два порядка.
Структура диссертации и публикации.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 140 наименований.
В первой главе рассмотрено влияние поперечного электрического поля на фазовую скорость ПАВ в монолитной слоистой структуре
14
полупроводник - подслой диэлектрика - пьезопленка [А1-А31 . Обосновывается предположение, что эффект изменения фазовой скорости ПАВ при приложении к такой структуре постоянного поперечного электрического поля связан с изменением величины объемного заряда в приповерхностной области полупроводниковой подложки за счет "эффекта поля”. Приводится расчет изменения волнового вектора ПАВ от величины приложенного поперечного напряжения при ее распространении в структуре п-31 - БЮх - 2по - А1. Показано, что в задаче существует только один подгоночный параметр - начальный (технологически заложенный) изгиб зон.
Проведены экспериментальные исследования двух типов монолитных тонкопленочных слоистых структур п-51 - Б10х - 2пО - А1 отличавшихся технологическими условиями их изготовления, что обеспечивало различный начальный изгиб зон. Продемонстрирована возможность определения концентрации носителей заряда в обогащенном слое для полностью изготовленных структур неразрушающим экспресметолом.
Во второй главе исследованы различные конструкции волноводных ПАВ-конвольверов для широкополосных систем связи (А4-А9) . Основным преимуществом таких конвольверов является их низкая себестоимость при массовом производстве, что обеспечивается относительно низкой стоимостью материалов и несложной технологией изготовления.
Исследовано влияние переотражения ПАВ между ВШП ж многополосковым концентратором на основные параметры волноводных
15
ПАВ-конвольверов. Показано, что изменяя соотношение периодов ВШП и концентраторов можно существенно снизить уровень ложных сигналов в данных устройствах. Созданы и исследованы два варианта широкополосных волноводных ПАВ-конвольверов с частотами 120 МГц и 190 МГц, временем интегрирования 10 мкс, информационной емкостью 300 и 500 обеспечивающих эффективность -(92-95) дБм.
Описаны результаты исследования широкополосного ПАВ-конвольвера, использующего двухрядные дисперсионные ВШП с емкостным взвешиванием электродов, имеющего рабочую частоту 96 МГц, время интегрирования 20 мкс, информационную емкость 720 и обладающего эффективностью работы -90 дБм. Показана возможность формирования амплитудно- и фазо- частотных характеристик таких конвольверов за счет подбора закона емкостного взвешивания электродов в ВШП.
В третьей главе СА10-А15) проведен расчет величины сигнала свертки для планарно-поперечного ПАВ-конвольвера, созданного на основе тонкопленочной слоистой структуры пьезоэлектрик -полупроводниковая пленка. При этом предполагалось, что концентрация носителей тока в области полупроводника, граничащей с подложкой, изменяется за счет высокочастотного эффекта поля. Приводятся результаты экспериментальных исследований планарно-поперечных ПАВ-коквольверов на основе тонкопленочных монолитных слоистых структур уг-срез Ьіиьо^-Біо -іпБЬ-аі. Показано хорошее совпадение расчетных и экспериментальных значений.
16
Предлагается конструкция и исследуется работа планарнопоперечного ПАВ-конвольвера, у которого полупроводниковая пленка выполнена в виде узкой полоски, которая расположена под некоторым углом к направлению распространения ПАВ и полностью перекрывает ширину звукового потока взаимодействующих волн. Это позволяет существенно снизить электронное затухание ПАВ в структуре. Полученный в сравнении с обычным планарно-поперечным ПАВ-конвольвером выйгрыш в эффективности свертки для конвольвера, созданного на основе монолитной слоистой структуры ЫМЬ03“Б10х“1п5Ь-А1, составил 8 дБм при одновременном снижении величины напряжения смещения почти в 10 раз.
В четвертой главе [А16-А22] экспериментально исследован эффект управляемого электроакустического преобразования в слоистой структуре пьезоэлектрик - полупроводниковая пленка - периодическая система омических контактов встречно-штыревого типа с периодом 2*Х , где X - длина волны ПАВ. Предложено объяснение этого эффекта основанное на том, что при приложении к системе контактов постоянного электрического поля из-за зависимости волнового вектора ПАВ от величины и направления этого поля в межэлектродных промежутках не происходит полной компенсации волн, возбуждаемых соседними парами электродов и таксй преобразователь возбуждает ПАВ.
Теоретически и экспериментально рассмотрена возможность демодуляции ПАВ в монолитной слоистой структуре пьезоэлектрик -
17
полупроводниковая пленка за счет акустоэлектрического эффекта.
Предложено использовать управляемое электроакустическое
, * : |
преобразование и эффект демодуляции ПАБ за счет акустоэлектрического эффекта для создания широкополосной низкочастотной линии задержки.
Пятая глава посвящена исследованию полимерных пьезопленок нитрата гуанидина и сорбционных химических сенсоров, созданных на основе составных акустических резонаторов, включающих эти пленки и тонкие сорбирующие слои [А23-А2Т1.
Приведена систематизация основных характеристик пьезопленки нитрата гуанидина (ее структура, ориентация оси текстуры, симметрия, плотнось, скорость продольной моды, коэффициенты электромеханической связи и теплового расширения), а так же частотная зависимость потерь преобразования и динамический диапазон пъезопреобразователей, созданных на ее основе.
Показано наличие резкого (почти на два порядка) увеличения чувствительности сенсоров, созданных на основе составных акустических резонаторов с полимерными сорбирующими покрытиями из дивинилстирольного каучука при использовании паров топливных углеводородов в качестве аналитов в условиях, когда толщина сорбента соответствует четверти длины акустической волны.
В Заключении сформулированы основные результаты работы.
18
- Київ+380960830922