[发明专利]声学超晶格材料的制备和超高频声学器件

说明书

本发明属新材料和新技术领域，涉及声学超晶格的材料设计，MOCVD法制备超高频场学器件和声光器件。

体声波换能器的基频振动频率与其厚度成反比，而换能器的转换率却与厚度成正比，当频率大于1GHz时。厚度为微米量级，同时导致换能器的转换效率急剧减小，以致于根本无法实现电-声转换。在另一方面，采用声表面波方式激发的声波也与叉指的周期成反比，当频率大于1GHz时，周期也达微米量级，已经达到目前通常的光刻技术的极限。因此，目前市场上很少见到大于1GHz的体声波或声表面波换能器。在利用毫米波的场合，一般是采用高次谐波的方式，这样势必增大器件的体积和重量，减小转换效率。

七·五期间，南京大学提出的声学超晶格理论指出：声学器件的频率与超晶格的周期宽度成反比，而转换效率与周期数N的平方成正比，这就为制备大于1GHz体声波器件指明了新的途径。同时利用直拉法制成了以LiNbO₃，聚片多畴声学超晶格材料以及频率在300～1000MHz的声学器件，但由于生长方法的限制，在材料选择方面仅限于LiNbO₃、LiTaO₃和BNN等少数晶体，而在频率范围只限于小于1GHz的频段，因而要突破材料和频率的局限十分困难（几乎不可能）。

80年代末，美国Stanford大学在溅射过程中交替改变衬底位置制备了ZnO材料交替择优取向的ZnO多层膜，演示了29GHz和96GHz的毫米波段的声换能器，但由于其仅靠取向不同所引起的机电耦合不同实现周期调制，因而其调制深度不大，转换效率不高，此外，换能器尺寸非常小（φ＝20μm），因此加工极困难，不能实用。

本发明的目的是通过选择合适的材料和MOCVD工艺，制备声学超晶格并制备频率大于1GHz的，主要处于毫米波段的声学器件。

本发明的技术解决方案是：在衬底材料上生长压电材料，选择压电材料（包括LiNbO₃、LiTaO₃、PbTiO₃、BaTiO₃、Li₃BO₇、SiO₃、ZnO、PZT、TeO₂、Bi₁₂GeO₂₀、Bi₃TiO₄等）和非压电介电材料（包括MgO、TiO₂、SrTiO₃、Al₂O₃等），利用MOCVD方法生长出两两组合的声学超晶格材料，亦可以压电材料中任意两种材料生长，其周期宽度0.1～3μm，周期数10～100，以上两类材料均可作为衬底材料和传声介质。

声学超晶格的制备-MOCVD技术

利用MOCVD技术对每一层膜的晶体微结构和厚度进行准确控制，每一层之间的过滤层厚度可以达到原子量级，所制备的每一层膜，尤其是压电薄膜须为单晶外延，或是高度择优取向的薄膜。厚度控制在微米量级，精度控制在1%内，从而保证声学器件的中心频率精度也在1%以内。