大尺寸Y方向鉭酸鎵鑭壓電晶體生長及性能研究

石自彬，李和新，龍 勇，丁雨憧

(中國電子科技集團公司第二十六研究所，重慶 400060)

0 引 言

鉭酸鎵鑭(分子式La3Ga5.5Ta0.5O14，簡稱LGT)晶體兼具較大的機電耦合系數和良好的溫度穩定性，是性能優異的新型高溫壓電晶體材料，在聲表面波(SAW)器件和聲體波(BAW)方面有著廣闊的應用前景。多個課題組對LGT晶體的性能進行了研究報道。由于LGT晶體生長時占據重要組成的Ga2O3容易揮發，會造成晶體的成分偏析，并且晶格結構也存在一定的無序性，導致難以制備質量優良、均勻性好的大尺寸單晶。

關于LGT晶體生長的報道很多，絕大多數沿Z方向生長[1-5]。Y方向的對稱性比Z方向低，晶體容易傾斜生長，質量也較差[6]。Pisarevsky 等測量了LGT晶體各種模式下聲速隨溫度的變化關系，結果表明Y切晶片的一階溫度系數為零，二階溫度系數與LGS相近[7]，基于Y切LGT晶體的器件研究也有相關報道[8-10]。目前尚無沿Y方向生長大尺寸LGT晶體的相關報道。

本研究中，使用提拉法獲得了φ80 mm×100 mm的大尺寸Y方向LGT晶體，測試了所得晶體的介電常數和壓電應變常數，還測試了(010)晶面X射線搖擺曲線和頻率溫度系數，研究了晶體頭尾頻率常數的差異性。

1 實 驗

1.1 晶體生長

LGT晶體是一致熔融化合物，室溫至熔點(～1 450 ℃)之間無相變，適合采用提拉法進行晶體制備。選用純度至少99.99%的Ga2O3、La2O3、Ta2O5原料進行原料制備，為了避免由于Ga2O3的揮發造成組分偏差，配料時在化學計量比的基礎上將Ga2O3過量0.5wt%～1wt%。經過8 h混制后，在1 200 ℃下固相反應12 h，合成生長用多晶料。將多晶料放入φ125 mm×100 mm銥坩堝中，生長設備使用二十六所自主研發的JGD-800型中頻感應爐。為了防止Ir坩堝氧化并抑制Ga2O3的揮發，采用氮氣混合1%體積氧氣的生長氣氛。提拉速度0.5～2 mm/h，旋轉速度控制在5～15 r/min。生長過程結束后，將晶體從熔體中脫離，以30～50 ℃/h 的速率降降溫至室溫。

為消除晶體中的參與熱應力，對所得晶體進行了退火處理。退火過程如下：將晶體置于退火爐中，空氣氣氛下經24 h升溫到1 250 ℃，保溫12 h后，以30～50 ℃/h降溫速率降至室溫。

1.2 性能測試

LGT晶體密度采用浮力法進行了測試，結果為6.145 g/cm3。該晶體屬于32點群，只有兩個獨立的介電常數和兩個獨立的壓電應變常數，分別為ε11和ε33、d11和d14。使用HP4294A型阻抗分析儀來測定電容，進而計算得到介電常數，樣品為厚度X、Z方向加工的8 mm×8 mm×1.6 mm方片。使用d33準靜態測試儀來測定d11，通過測試樣品的諧振頻率和反諧振頻率來測定d14，樣品尺寸為12 mm×4 mm×1.6 mm。根據GB/T 3389中長方片厚度切變模式[11]，測試基頻至七次諧波的頻率值，得到并聯諧振頻率fp，樣品尺寸為12 mm×6 mm×1 mm。以上所用晶片樣品待測試表面需要均勻涂覆銀電極。

使用荷蘭飛利浦公司的X′Pert pro X射線衍射儀，對Y方向拋光后晶片進行回擺測試，以Cu Kα射線作為輻射光源，驅動方式為θ單動，掃描速度為0.001°/s,設置電壓和電流分別為20 mV和10 mA。

使用MS4630B型網絡分析儀測試Y方向頻率溫度系數，樣品為直徑8 mm、厚度0.1 mm的圓片，電極直徑1 mm，測試溫度區間-55～85 ℃。

2 結果與討論

2.1 晶體生長

通過對溫場結構的調整和工藝參數(PID參數、拉速、轉速等)控制，解決了Y方向晶體容易傾斜生長的問題，實現了晶體垂直生長。為了提高晶體性能的頭尾一致性，生長界面采用了微凸界面進行晶體生長。獲得的晶體照片如圖1所示，整體透明，無包裹體，晶體等徑部分尺寸為φ80 mm×100 mm。大尺寸Y方向晶體的成功生長，可以避免通過從其它生長方向晶體中定向切割工序，有利于標準晶圓片的制備。

圖2為(010)面的XRD搖擺曲線，曲線的峰形尖銳，強度高，峰形對稱性好，半高全峰寬(FHMW)為38.5″，表明晶體結構完整，結晶性良好。

2.2 性能參數

采用LCR電橋測量了X、Z片的電容，相對介電常數εr按照公式(1)計算獲得：

(1)

式中ε—晶片的絕對介電常數，A—晶片的面積，t—晶片的厚度，C—晶片在頻率為1 kHz時的電容，ε0=8.854 pF/m，為真空中的介電常數。

使用ZJ-6A型準靜態測試儀測試d11，測得為7.1 pC/N。采用yzt45°切型測量壓電常數d14，使用公式(2～4)計算獲得d’23,而d14=2d’23。

(2)

(3)

(4)

式中s—彈性柔順常數，ρ—晶體的密度，l—樣品的長度，fr—諧振頻率，fa—反諧振頻率，k—機電撮合系數，d—壓電應變常數，ε—絕對介電常數。

相對介電常數和壓電應變常數測試結果如表1所示。

表1 LGT晶體相對介電常數和壓電應變常數Table 1 Relative dielectric and piezoelectric strain constants of LGT crystal

到目前為止，國內外對LGT晶體進行了大量研究工作，在不同報道中測得的晶體性能存在著一定差異。一般認為這可能是由于不同的晶體生長工藝，如原料配比中組分過量與否、生長氣氛的選擇等，使得晶體質量之間存在差異造成的。另外測試樣品和測試方法的選擇也會造成一定影響，測試d11可采用直接測試法和諧振法，這就會產生一定差異。d14的測試也可以采用多種切型的樣品，如果計算時要使用到d11的數據，差異就會進一步產生。例如采用xytθ切型時，壓電應變常數d12′(θ)可以通過公式(5)計算：

(5)

式中d12′(θ)-xytθ切型下壓電應變常數，使用公式(2～4)計算得到，這種情況下，d14的計算就需要使用d11的數據。

頻率常數N通過公式(6)計算：

N=fp·t

(6)

式中fp—基波并聯諧振頻率，t—樣品厚度。

頻率常數均勻性S通過公式(7)計算：

(7)

式中N頭—晶體等徑部分頭部所取測試片測得的頻率常數，N尾—等徑部分尾部所取測試片測得的頻率常數。晶體頭尾頻率測試均勻性測試結果為99.95%，表明晶體具有良好的均勻性。

使用LGT晶體制作壓電振子、壓電換能器或驅動器時，會對頻率的溫度穩定性提出要求。本研究中，測試了-55～85 ℃的測試溫度區間內，諧振頻率隨溫度的變化。以20 ℃時測得的頻率為標準頻率，計算了不同溫度下諧振頻率的相對變化。經過歸一化處理后，頻率溫度變化曲線如圖3所示。在測試溫度區間內，該切型的頻率溫度系數為1.23ppm/K。與Pisarevsky 等報道的一階溫度系數為零存在差異，分析原因可能與測溫區間的選擇、樣品尺寸比例的設計及電極的設計等因素有關。

3 結 論

采用提拉法成功生長出了整體透明、無包裹體的優質晶體，晶體等徑部分尺寸φ80 mm×100 mm。采用LCR電橋測量了晶體的相對介電常數，采用諧振-反諧振法測量了壓電應變常數，晶體頭尾頻率常數均勻性達到99.95%。XRD搖擺曲線測試結果顯示(010)晶面的FHWM為38.5″，-55～85 ℃溫度區間內，該切型的頻率溫度系數為1.23ppm/K。