大尺寸Y方向钽酸镓镧压电晶体生长及性能研究

石自彬，李和新，龙 勇，丁雨憧

(中国电子科技集团公司第二十六研究所，重庆 400060)

0 引 言

钽酸镓镧(分子式La3Ga5.5Ta0.5O14，简称LGT)晶体兼具较大的机电耦合系数和良好的温度稳定性，是性能优异的新型高温压电晶体材料，在声表面波(SAW)器件和声体波(BAW)方面有着广阔的应用前景。多个课题组对LGT晶体的性能进行了研究报道。由于LGT晶体生长时占据重要组成的Ga2O3容易挥发，会造成晶体的成分偏析，并且晶格结构也存在一定的无序性，导致难以制备质量优良、均匀性好的大尺寸单晶。

关于LGT晶体生长的报道很多，绝大多数沿Z方向生长[1-5]。Y方向的对称性比Z方向低，晶体容易倾斜生长，质量也较差[6]。Pisarevsky 等测量了LGT晶体各种模式下声速随温度的变化关系，结果表明Y切晶片的一阶温度系数为零，二阶温度系数与LGS相近[7]，基于Y切LGT晶体的器件研究也有相关报道[8-10]。目前尚无沿Y方向生长大尺寸LGT晶体的相关报道。

本研究中，使用提拉法获得了φ80 mm×100 mm的大尺寸Y方向LGT晶体，测试了所得晶体的介电常数和压电应变常数，还测试了(010)晶面X射线摇摆曲线和频率温度系数，研究了晶体头尾频率常数的差异性。

1 实 验

1.1 晶体生长

LGT晶体是一致熔融化合物，室温至熔点(～1 450 ℃)之间无相变，适合采用提拉法进行晶体制备。选用纯度至少99.99%的Ga2O3、La2O3、Ta2O5原料进行原料制备，为了避免由于Ga2O3的挥发造成组分偏差，配料时在化学计量比的基础上将Ga2O3过量0.5wt%～1wt%。经过8 h混制后，在1 200 ℃下固相反应12 h，合成生长用多晶料。将多晶料放入φ125 mm×100 mm铱坩埚中，生长设备使用二十六所自主研发的JGD-800型中频感应炉。为了防止Ir坩埚氧化并抑制Ga2O3的挥发，采用氮气混合1%体积氧气的生长气氛。提拉速度0.5～2 mm/h，旋转速度控制在5～15 r/min。生长过程结束后，将晶体从熔体中脱离，以30～50 ℃/h 的速率降降温至室温。

为消除晶体中的参与热应力，对所得晶体进行了退火处理。退火过程如下：将晶体置于退火炉中，空气气氛下经24 h升温到1 250 ℃，保温12 h后，以30～50 ℃/h降温速率降至室温。

1.2 性能测试

LGT晶体密度采用浮力法进行了测试，结果为6.145 g/cm3。该晶体属于32点群，只有两个独立的介电常数和两个独立的压电应变常数，分别为ε11和ε33、d11和d14。使用HP4294A型阻抗分析仪来测定电容，进而计算得到介电常数，样品为厚度X、Z方向加工的8 mm×8 mm×1.6 mm方片。使用d33准静态测试仪来测定d11，通过测试样品的谐振频率和反谐振频率来测定d14，样品尺寸为12 mm×4 mm×1.6 mm。根据GB/T 3389中长方片厚度切变模式[11]，测试基频至七次谐波的频率值，得到并联谐振频率fp，样品尺寸为12 mm×6 mm×1 mm。以上所用晶片样品待测试表面需要均匀涂覆银电极。

使用荷兰飞利浦公司的X′Pert pro X射线衍射仪，对Y方向抛光后晶片进行回摆测试，以Cu Kα射线作为辐射光源，驱动方式为θ单动，扫描速度为0.001°/s,设置电压和电流分别为20 mV和10 mA。

使用MS4630B型网络分析仪测试Y方向频率温度系数，样品为直径8 mm、厚度0.1 mm的圆片，电极直径1 mm，测试温度区间-55～85 ℃。

2 结果与讨论

2.1 晶体生长

通过对温场结构的调整和工艺参数(PID参数、拉速、转速等)控制，解决了Y方向晶体容易倾斜生长的问题，实现了晶体垂直生长。为了提高晶体性能的头尾一致性，生长界面采用了微凸界面进行晶体生长。获得的晶体照片如图1所示，整体透明，无包裹体，晶体等径部分尺寸为φ80 mm×100 mm。大尺寸Y方向晶体的成功生长，可以避免通过从其它生长方向晶体中定向切割工序，有利于标准晶圆片的制备。

图2为(010)面的XRD摇摆曲线，曲线的峰形尖锐，强度高，峰形对称性好，半高全峰宽(FHMW)为38.5″，表明晶体结构完整，结晶性良好。

2.2 性能参数

采用LCR电桥测量了X、Z片的电容，相对介电常数εr按照公式(1)计算获得：

(1)

式中ε—晶片的绝对介电常数，A—晶片的面积，t—晶片的厚度，C—晶片在频率为1 kHz时的电容，ε0=8.854 pF/m，为真空中的介电常数。

使用ZJ-6A型准静态测试仪测试d11，测得为7.1 pC/N。采用yzt45°切型测量压电常数d14，使用公式(2～4)计算获得d’23,而d14=2d’23。

(2)

(3)

(4)

式中s—弹性柔顺常数，ρ—晶体的密度，l—样品的长度，fr—谐振频率，fa—反谐振频率，k—机电撮合系数，d—压电应变常数，ε—绝对介电常数。

相对介电常数和压电应变常数测试结果如表1所示。

表1 LGT晶体相对介电常数和压电应变常数Table 1 Relative dielectric and piezoelectric strain constants of LGT crystal

到目前为止，国内外对LGT晶体进行了大量研究工作，在不同报道中测得的晶体性能存在着一定差异。一般认为这可能是由于不同的晶体生长工艺，如原料配比中组分过量与否、生长气氛的选择等，使得晶体质量之间存在差异造成的。另外测试样品和测试方法的选择也会造成一定影响，测试d11可采用直接测试法和谐振法，这就会产生一定差异。d14的测试也可以采用多种切型的样品，如果计算时要使用到d11的数据，差异就会进一步产生。例如采用xytθ切型时，压电应变常数d12′(θ)可以通过公式(5)计算：

(5)

式中d12′(θ)-xytθ切型下压电应变常数，使用公式(2～4)计算得到，这种情况下，d14的计算就需要使用d11的数据。

频率常数N通过公式(6)计算：

N=fp·t

(6)

式中fp—基波并联谐振频率，t—样品厚度。

频率常数均匀性S通过公式(7)计算：

(7)

式中N头—晶体等径部分头部所取测试片测得的频率常数，N尾—等径部分尾部所取测试片测得的频率常数。晶体头尾频率测试均匀性测试结果为99.95%，表明晶体具有良好的均匀性。

使用LGT晶体制作压电振子、压电换能器或驱动器时，会对频率的温度稳定性提出要求。本研究中，测试了-55～85 ℃的测试温度区间内，谐振频率随温度的变化。以20 ℃时测得的频率为标准频率，计算了不同温度下谐振频率的相对变化。经过归一化处理后，频率温度变化曲线如图3所示。在测试温度区间内，该切型的频率温度系数为1.23ppm/K。与Pisarevsky 等报道的一阶温度系数为零存在差异，分析原因可能与测温区间的选择、样品尺寸比例的设计及电极的设计等因素有关。

3 结 论

采用提拉法成功生长出了整体透明、无包裹体的优质晶体，晶体等径部分尺寸φ80 mm×100 mm。采用LCR电桥测量了晶体的相对介电常数，采用谐振-反谐振法测量了压电应变常数，晶体头尾频率常数均匀性达到99.95%。XRD摇摆曲线测试结果显示(010)晶面的FHWM为38.5″，-55～85 ℃温度区间内，该切型的频率温度系数为1.23ppm/K。