專利名稱：聲學超晶格材料的制備和超高頻聲學器件的制作方法
技術領域：
本發明屬新材料和新技術領域，涉及聲學超晶格的材料設計，MOCVD法制備超高頻場學器件和聲光器件。
體聲波換能器的基頻振動頻率與其厚度成反比，而換能器的轉換率卻與厚度成正比，當頻率大于1GHz時。厚度為微米量級，同時導致換能器的轉換效率急劇減小，以致于根本無法實現電-聲轉換。在另一方面，采用聲表面波方式激發的聲波也與叉指的周期成反比，當頻率大于1GHz時，周期也達微米量級，已經達到目前通常的光刻技術的極限。因此，目前市場上很少見到大于1GHz的體聲波或聲表面波換能器。在利用毫米波的場合，一般是采用高次諧波的方式，這樣勢必增大器件的體積和重量，減小轉換效率。
七·五期間，南京大學提出的聲學超晶格理論指出聲學器件的頻率與超晶格的周期寬度成反比，而轉換效率與周期數N的平方成正比，這就為制備大于1GHz體聲波器件指明了新的途徑。同時利用直拉法制成了以LiNbO3，聚片多疇聲學超晶格材料以及頻率在300～1000MHz的聲學器件，但由于生長方法的限制，在材料選擇方面僅限于LiNbO3、LiTaO3和BNN等少數晶體，而在頻率范圍只限于小于1GHz的頻段，因而要突破材料和頻率的局限十分困難(幾乎不可能)。
80年代末，美國Stanford大學在濺射過程中交替改變襯底位置制備了ZnO材料交替擇優取向的ZnO多層膜，演示了29GHz和96GHz的毫米波段的聲換能器，但由于其僅靠取向不同所引起的機電耦合不同實現周期調制，因而其調制深度不大，轉換效率不高，此外，換能器尺寸非常小(φ＝20μm)，因此加工極困難，不能實用。
本發明的目的是通過選擇合適的材料和MOCVD工藝，制備聲學超晶格并制備頻率大于1GHz的，主要處于毫米波段的聲學器件。
本發明的技術解決方案是在襯底材料上生長壓電材料，選擇壓電材料(包括LiNbO3、LiTaO3、PbTiO3、BaTiO3、Li3BO7、SiO3、ZnO、PZT、TeO2、Bi12GeO20、Bi3TiO4等)和非壓電介電材料(包括MgO、TiO2、SrTiO3、Al2O3等)，利用MOCVD方法生長出兩兩組合的聲學超晶格材料，亦可以壓電材料中任意兩種材料生長，其周期寬度0.1～3μm，周期數10～100，以上兩類材料均可作為襯底材料和傳聲介質。
聲學超晶格的制備-MOCVD技術利用MOCVD技術對每一層膜的晶體微結構和厚度進行準確控制，每一層之間的過濾層厚度可以達到原子量級，所制備的每一層膜，尤其是壓電薄膜須為單晶外延，或是高度擇優取向的薄膜。厚度控制在微米量級，精度控制在1%內，從而保證聲學器件的中心頻率精度也在1%以內。
MOCVD技術的關鍵在于選擇合適的MO源(包括有機Ti、Ba、Sr、Li、B、Ge、Si、Pb、Zn、Zr、Bi、Te、Mg、Nb、Ta等)、合括的襯底溫度(450～700℃)、合適的反應室壓力(20～100Torr)。其中所使用的MO源包括Ba(hfa)2，Ba(fod)2，Ba(dpm)2，Ba(thd)2，Ti(i-OC3H7)4，Ti(C2H5O)4，Zr(C5H7O2)4，Zr(C11H19O)2(thd)4，Zr(i-OC3H7)4，Zr(dpm)4，Pb(OBut)2，Pb(C11H19O2)2，Pb(fod)2，Pb(C2H3)4，Pb(C5HF6O2)2，CP2Mg，DETe，DEZn，DMZn，TEAl，TEB，TESi，TMBi，TMB，TMGe，等。
利用本發明產品及工藝方法可以制作(1-90GHz)的聲電子器件，可用于微波延遲線、雷達本機振蕩器、聲電轉換器件、聲光器件等，其制作只要經引電極后封裝即可對應不同頻率通過材料設計確定相應周期寬度和周期數的超聲超晶格材料。
由本發明所制成的超高頻聲學器件可方便地實現毫米波聲波的激發、接收和處理，在信息領域具有十分重要的應用價值。它具有轉換效率高、體積小、重量輕的優點，同時該技術接近工業生產，且產率極高每一塊聲學超晶格可分割成許多聲學器件，甚至可以集成比。
本發明的附圖及簡單說明

圖1為聲學超晶格材料結構示意圖。
圖2為制備聲學超晶格的MOCVD系統結構示意圖。
He1～5為MO源，生長室102為石英管，支架104上置襯底106，高頻加熱設備108環繞生長室，110、112為壓力計和熱電。114為流閥并接至抽真空系統116。
圖1，P表示壓電材料，N表示非壓電材料，能夠對壓電系數進行周期性調制是材料設計的關鍵。
ⅰ、雷達1～10GHz的體聲波器件可作為微波延遲線和雷達用本機振蕩器，由于可省去為獲得同樣頻率的方法所采用的倍頻器、濾波器和匹配網絡，可減少重量達數磅。這對于機載雷達、導彈、火箭的價值重大。
ⅱ、超聲顯微鏡超聲顯微鏡的分辨率與聲波頻率成正比，目前德國Leica公司生產的價值數十萬美元的超聲顯微鏡的超聲鏡頭頻率也只有數百兆，若要提高其分辨率，則超聲換能器因體積大而無法置于鏡頭內，采用超晶格可解決這一問題。
ⅲ、樓間移動電話目前，國外正開始研究樓間短程無線通訊的領域，由于該系統無需中繼，且傳輸距離有限，容易保密，因此，頗受青瞇。它所采用的即為毫米波段，聲學超晶格及其器件在此領域大有用處。
ⅳ、電子戰電子戰中頂警雷達、電子支持措施，電子偵察等系統的聲光頻譜分析儀，其關鍵部件為聲光器件。聲光器件的兩個重要指標可分辨點數、時間帶寬積都與頻率成正比，目前所采用的頻率為數百兆，大于1GHz的聲波器件對于提高這些手段的性能具有十分重要的價值。
ⅴ、MOCVD工藝實施例例如，在常壓條件下，襯底溫度530℃，流量為100sccm，生長TiO2[(001)擇優取向]厚度1.02μm，而在50Torr，200sccr襯底溫度550℃生長的PbTiO3，厚度約0.8μm，周期為1.82μm，制成頻率為2GHz的超高頻聲學換能器。
權利要求
1.一種聲學超晶格材料，其特征是在襯底材料上生長壓電材料，選擇壓電材料(包括LiNbO3，LiTaO3，PbTiO3，Li3BO7，SiO2，ZnO，PZT，TeO2，Bi12GeO20，Bi3TiO4等)，和非壓電介電材料(包括MgO，TiO2，SrTiO3，Al2O3等)，利用MOCVD生長方法生長出兩兩組合的聲學超晶格材料，亦可以壓電材料中任意兩種材料生長，其周期寬度0.1～3μm，周期數10～100，上兩類材料均可作為襯底材料。
2.一種聲學超晶格材料的生長方法，其特征是選擇有機金屬源用MOCVD法生長，反應室壓力20～100Torr，襯底溫度450～700℃。
3.一種利用聲學超晶格材料制成的聲電子器件，將聲學超晶格材料引電極后封裝，可以制成1～30GHz的聲電子器件。
全文摘要
本發明屬新材料和新技術領域，在襯底材料上生長壓電材料，選擇壓電材料(包括LiNbO
文檔編號C04B35/00GK1098823SQ93109510
公開日1995年2月15日 申請日期1993年8月7日 優先權日1993年8月7日
發明者閔乃本, 陳延峰 申請人:南京大學