第二章元件制作过程与样品封装-HMLT低温高磁实验室.doc

第一章 緒論 在這一個章節，首先對表面聲波（Surface Acoustic Wave，SAW）研究發展的歷史，然後對其應用做一個簡單的介紹。接著後面章節則是介紹表面聲波的原理，實驗相關的量子通道之研究，最後介紹與實驗相關的量子霍爾效應，還有的目的。 表面聲波的簡介 表面聲波（Surface Acoustic Wave，SAW）元件的研究在近幾年來廣泛的被應用，由於SAW元件的敏感度高，在晶體有擾動影響下，頻率的飄移都在幾百個kHz之間，以目前的量測儀器，可以精密偵測到1Hz的變化量。其優點還有體積小，操作容易，因而廣受應用，加上製程上容易和半導體技術整合，可以大量生產，大大的提升了SAW的實用性質。 [1] 而表面聲波的發展歷史，起因是在1885年英國物理學家Lord Rayleigh 在他的研究中發現的，他發表的文章中有提到，固體的波動中，除了 Shear waves 和longitudinal waves 之外，在具有彈性的晶體表面上有著一種波動，即為表面聲波。當時以其數學波動理論證實，所以表面聲波又稱做Rayleigh wave，如圖1-1.1所示，此種波在晶體表面行進時，最重要的就是能量能集中在表層，所以這獨特的性質，使得表面聲波元件可以很容易運用其所攜帶的能量。到了1965年，R. M. White 和 F. M. Voltmer 兩人在壓電材料的表面上做出了梳狀電極感應器（Interdigital Transducers，IDT），成功產生出表面聲波的訊號，於是表面聲波的研究就因此而展開了，元件裝置原理如圖1-1.2 。到了1986年，A. Wixforth , J.P. Kotthaus, 與 G.. Weimann開始用SAW以及二維電子系統（Two-dimensional electron system，2DES）之間的交互作用，應用在GaAs/AlxGa1-xAs半導體材質，觀察在低溫以及高磁場下傳輸的特性。[2][3] 表面聲波從以前發展至今，在電子業上佔有非常重要的角色，剛開始是作為軍用雷達的應用，作為頻譜分析的濾波器，後來的研究都是將其應用在壓電材料上，作為震盪器或訊號濾波器使用。現今，因為SAW元件可以利用表面電極來作為訊號的處理，因此更將其推展至訊號處理以及訊號傳播器，引起更多的學術上的學者對其產生濃厚的興趣。SAW由於幾項重要物理參數，質量、溫度、應力、還有導電度都有很高的靈敏度，所以大量運用。 表面聲波的原理及其量子通道之相關研究 表面聲波元件主要的結構，包含梳狀電極（Interdigital Transducer，IDT），如圖1-2.1，λ 為其表面聲波的波長。將表面聲波的梳狀電極結構以薄膜型式製作在壓電材料上，在IDT兩端輸入（RF）射頻訊號，而在梳狀電極的指縫相連之間，兩極之間電場會因而改變，使得壓電晶體材料因為電場改變產生應變，而將電能轉為聲波能，進而產生表面聲波。　　在製作表面聲波元件時，我們必須先決定中心頻率，然後根據我們使用的樣品材料之表面聲波波速（如圖表1-2.1）[]來設計我們要製作的IDT線寬，基本公式如下： V = f ? λ V：材料表面聲波的波速， F：中心頻率 λ：表面聲波的波長 Crystal Orientation Velocity v (m/s) Coupling K2( ﹪) Permittivity Cut Direction Of Propagation GaAs 〈100〉 (011) 2863 0.022 12.5 LiNbO3 Y Z 3490 4.6 40 Quartz ST X 3158 0.16 4.5 LiTaO3 Y Z 3230 0.9 47 表1-2.1各種不同的壓電材質對應的表面聲波波速表 　　把表面聲波製作於壓電材料上，由於表面聲波的傳遞能量使得電荷重新分布，進而帶動電子的傳輸，這就是聲電效應。 　　其中較為著名的研究，在199年，英國劍橋大學Cavendish實驗室中，J. M. Shilton，V. I. Talyanskii等人，在具有二維電子氣（2DEG）的GaAs-AlGaAs異質結構的材料上，製作一維量子通道（one-dimensional quantum channel）還有表面聲波（Surface Acoustic Wave）來做相關研究，有了許多突破。[][8]在此實驗中，他們利用電子束微影（e-beam lithography）的技術製作一維量子通道與表面聲波的結構，如圖1-2.2中的小圖示為元件示意圖：1～4為歐姆接點，5、6為兩端的匣道，7、8是用來產生表面聲波的梳狀電極（IDT）。他們SAW的頻率是使用通