DE10150253A1

DE10150253A1 - Piezoelektrisches Bauelement

Info

Publication number: DE10150253A1
Application number: DE2001150253
Authority: DE
Inventors: Robert Aigner; Stephan Marksteiner; Winfried Nessler; Lueder Elbrecht; Hans-Joerg Timme; Gernot Fattinger
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2001-10-11
Filing date: 2001-10-11
Publication date: 2003-04-30

Abstract

Erfindungsgemäß wird ein piezoelektrisches Bauelement bereitgestellt, das einen Schichtstapel aus zumindest zwei piezoelektrischen Schichten und zumindent drei Elektroden umfasst. Dabei sind die piezoelektrischen Schichten innerhalb des Schichtstapels derart angeordnet, dass jede piezoelektrische Schicht zwischen zwei benachbarten Elektroden angeordnet ist. Weiterhin sind genau ein Signaleingang und genau ein Signalausgang vorgesehen und alle Elektroden sind entweder mit dem Signaleingang oder dem Signalausgang in einer Weise verbunden, dass von benachbarten Elektroden je eine Elektrode mit dem Signaleingang und je eine Elektrode mit dem Signalausgang verbunden ist. Das so erhaltene Bauelement weist bei einer wesentlich verringerten Resonatorfläche eine mit herkömmlichen BAW-Resonatoren vergleichbare relative Bandbreite auf und ermöglicht den Einsatz von akustischen Spiegeln ohne Verlust an relativer Bandbreite, wodurch wiederum das "packaging" für diese Bauelemente gegenüber den BAW-Resonatoren erleichtert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft piezoelektrische Bauelemente.
Mit der immer weiter zunehmenden Verbreitung der mobilen Kommunikation und Datenübertragung besteht auch ein immer größer werdendes Interesse an der Entwicklung von Filtern und Resonatoren für Schmalbandanwendungen mit hoher Sperrbanddämpfung.
Eine hohe Sperrbanddämpfung wird üblicherweise durch die Verwendung von mehrstufigen Filtern erreicht. Beispiele solcher bekannten Filter sind in den Fig. 1a und 1b schematisch dargestellt. In der in Fig. 1a dargestellten Filtertopographie sind beispielsweise frequenzverschobene Serien- und Shunt-Resonatoren 5 in einer sogenannten "Leiterstruktur" verschaltet. Alternativ können auch, wie in Fig. 1b dargestellt, sogenannte "balanced"-Filter verwendet werden, die in der Regel eine Brückenschaltung frequenzverschobener Resonatoren 5 aufweisen.
Geeignete Resonatoren, die sich auch besonders gut mittels Dünnschicht-Techniken in miniaturisierter Form auf Substraten herstellen lassen, sind sogenannte BAW-Resonatoren (Bulk-Acoustic-Wave). BAW-Resonatoren weisen typischerweise zwei Elektroden und eine piezoelektrischen Schicht auf, die zwischen den beiden Elektroden angeordnet ist. Um den Resonator akustisch von dem Substrat zu isolieren, werden entweder Hohlräume oder akustische Spiegel verwendet. Beispiele solcher BAW-Filter sind in den Fig. 2 und 3 dargestellt. In den Fig. 2 und 3 ist neben dem Resonatoraufbau auf dem Substrat jeweils eine Vergrößerung des durch den Kreis erfassten Bereichs des BAW-Resonators dargestellt. Der in Fig. 2 dargestellte BAW-Resonator 20, der auf einem Substrat 10 über einem Hohlraum 11 angeordnet ist, umfaßt eine untere Elektrode 22, eine darüber angeordnete piezoelektrische Schicht 31 sowie eine über der piezoelektrischen Schicht angeordnete obere Elektrode 21.
In Fig. 3 ist als Alternative die Anordnung eines BAW- Resonators über einem akustischen Spiegel 40 dargestellt. Der akustische Spiegel besteht in dem in Fig. 3 dargestellten Beispiel aus einem Stapel aus zwei Schichten aus einem Material mit niedriger akustischer Impedanz (41, 43) sowie aus zwei Schichten aus einem Material mit hoher akustischer Impedanz (42, 44). Dabei wechseln sich die Schichten mit niedriger und hoher akustischer Impedanz jeweils ab. Neben einem unteren akustischen Spiegel kann zusätzlich auch ein oberer akustischer Spiegel verwendet werden, um den Resonator von der Umgebung akustisch zu isolieren.
BAW-Resonatoren beanspruchen auf dem Chip eine gewisse Fläche, die für jeden Resonator wesentlich durch seine Flächendichte der Resonatorkapazität und sein spezifisches Impedanzniveau bestimmt wird. Um eine möglichst hohe Integrationsdichte zu erreichen, sollte diese Fläche möglichst gering sein. Für ein vorgegebenes piezoelektrisches Material mit einer relativen dielektrischen Konstante ε_r und einem Material-Kopplungs-Koeffizienten k² _mat kann gezeigt werden, dass eine optimale Schichtdicke für den Schichtstapel aus piezoelektrischer Schicht und Elektroden existiert, so daß eine maximale relative Bandbreite erzielt wird. Dabei ist die relative Bandbreite (rel. BW) als die Differenz aus Serien- und Parallelresonanzfrequenzen geteilt durch deren Mittelwert definiert. Durch eine Verringerung der Dicke der piezoelektrischen Schicht bei gleichzeitiger Erhöhung der Schichtdicke der Elektroden kann zwar eine Reduzierung der Resonatorgröße erreicht werden, gleichzeitig geht damit aber auch ein Verlust an relativer Bandbreite einher.
Zur Verwendung in typischen Hochfrequenzanwendungen, beispielsweise Mobilfunkanwendungen, werden üblicherweise Filter benötigt, die eine relative Bandbreite von etwa 4% aufweisen. Beispielsweise werden für den EGSM-Standard eine relative Bandbreite von 35 MHz bei 930 MHz, für den PCN- Standard eine relative Bandbreite von 75 MHz bei 1,85 GHz, für den PCS-Standard eine relative Bandbreite von 60 MHz bei 1,9 GHz und bei ISM-Anwendungen eine relative Bandbreite von 80 MHz bei 2,4 GHz benötigt. Unter Berücksichtigung gewisser durch den Herstellungsprozess der Filter vorgegebenen Toleranzen ergibt sich somit, dass die relative Bandbreite eines geeigneten Resonators zumindest 2,8% betragen sollte.
Ein idealer Resonator, der entsprechend der in Fig. 2 dargestellte Bauweise ausgebildet ist und der als piezoelektrische Schicht eine Aluminiumnitrid-Schicht und als Elektrodenmaterial Aluminium verwendet, erreicht bei einem Material-Kopplungskoeffizienten von k² _mat = 0.065 für Aluminiumnitrid eine relative Bandbreite von 3,0%. Werden Verdichtungsschichten mit hoher akustischer Impedanz als Elektroden oder zwischen der piezoelektrischen Schicht und den Elektroden verwendet, kann die relative Bandbreite weiter erhöht werden. Geeignete Materialien für solche Verdichtungsschichten sind beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung 100 45 090.3 beschrieben.
Die Verwendung eines prozesstechnisch leichter zu realisierenden, unteren akustischen Spiegels anstatt eines Hohlraums führt in der Regel zu einem Verlust an relativer Bandbreite des Resonators. Bei der Verwendung von Aluminiumnitrid als piezoelektrisches Material und Wolfram- Verdichtungsschichten als Elektroden sowie eines unteren akustischen Spiegels aus Schichten aus Wolfram und Siliziumoxid kann nur noch eine maximale relative Bandbreite von 2,8% erreicht werden. Dies stellt gleichzeitig die untere Anforderungsgrenze für die oben erwähnten Anwendungen dar. Für solche BAW-Resonatoren können somit keine weiteren, die relative Bandbreite weiter vermindernde konstruktive Kompromisse eingegangen werden. So kann insbesondere kein oberer akustischer Spiegel verwendet werden, da dies die relative Bandbreite dieses BAW-Resonators auf ca. 2,6% senken würde. Die Verwendung eines oberen akustischen Spiegels wäre aber besonders erstrebenswert, da dadurch eine akustische Isolierung der Resonatoren ohne die Strukturierung von Hohlräumen ermöglicht werden würde. Dies wiederum würde das "packaging" dieser Bauteile wesentlich erleichtern, da auf herkömmliche, kostengünstige "packaging"-Methoden, z. B. sogenannte "Mold-Verfahren", zurückgegriffen werden könnte.
Die Verwendung anderer piezoelektrischer Materialien, die einen höheren Material-Kopplungs-Koeffizienten und/oder eine höhere relative dielektrische Konstante haben als Aluminiumnitrid, wie z. B. ZnO oder Bleizirkoniumtitanat (PZT), ergeben zwar zusätzliche Möglichkeiten die Resonatorfläche zu reduzieren und obere akustische Spiegel zu verwenden, ihre Verwendung bringt aber schwerwiegende prozesstechnische Probleme mit sich und ist nur wenig kompatibel mit den üblicherweise zum Einsatz kommenden Strukturierungsprozessen.
Ein weiterer Resonatortyp, der für Schmalbandanwendungen in Frage kommt, sind die sogenannten "Stacked-Crystal-Filter" (SCF). Ein Stacked-Crystal-Filter umfaßt typischerweise zwei piezoelektrische Schichten und drei Elektroden. Die erste piezoelektrische Schicht ist zwischen einer ersten, unteren Elektrode und einer zweiten, mittleren Elektrode angeordnet, eine zweite piezoelektrische Schicht zwischen der zweiten, mittleren Elektrode und einer oberen, dritten Elektrode. Die mittlere Elektrode ist dabei in der Regel geerdet. Die akustische Isolierung dieser Resonatoren kann ebenfalls mittels Hohlräume oder akustischer Spiegel erfolgen. Die Schichtenabfolge eines solchen SCF ist beispielsweise in Fig. 4 dargestellt. Der SCF 50 besteht aus der oberen, mittleren und unteren Elektrode 21, 22, 23 sowie der ersten und zweiten piezoelektrischen Schicht 31 und 32. Über der oberen Elektrode 21 und unteren Elektrode 23 ist jeweils ein Hohlraum angeordnet.
SFC sind beispielsweise in "Stacked Crytal Filters Implemented with Thin Films, K. M. Lakin, G. R. Kline, R. S. Ketcham, J. T. Martin, K. T. McCarron, 43re Annual Symposium on Frequency Control (1989), Seite 536-543" beschrieben. Weitere Beispiele für die Verwendung von miniaturisierten Stacked-Crystal-Filtern sind weiterhin in den Patentschriften US 5,910,756 und US 5,872,493 beschrieben. In letzterer wird beschrieben, dass ein Stacked-Crystal-Filter durch einen oberen und unteren akustischen Spiegel von dem Substrat akustisch abgeschirmt werden kann.
In den aus dem Stand der Technik bekannten Stacked- Crystal-Filtern wird das Passband ausschließlich durch eine akustische Kopplung zwischen der oberen und der unteren Piezoschicht erzeugt. Der Vorteil dieser Filter ist, dass sie eine sehr gute Sperrband-Dämpfung gewährleisten, was darauf zurückzuführen ist, dass die Ausgangselektrode durch die mittlere, geerdete Elektrode von der Eingangselektrode abgeschirmt ist. Nachteilig ist allerdings, dass die relative Bandbreite eines SCF, der als piezoelektrisches Material Aluminiumnitrid verwendet, auch unter Verwendung von Verdichtungsschichten geringer ist als die von den oben beschriebenen BAW-Resonatoren. Daher können SCF nicht ohne zusätzliche Bauelemente in den oben aufgelisteten Schmalbandanwendungen verwendet werden. Weiterhin ist der Übergang zwischen Sperr- und Passband in diesem Filtertyp nicht steil genug für die Anforderungen, die an Empfangs- und Sendefilter gestellt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, piezoelektrische Bauelemente zur Verfügung zu stellen, welche die oben aufgeführten Nachteile deutlich verringern bzw. ganz vermeiden. Insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung piezoelektrische Bauelemente bereitzustellen, die eine geringere Resonatorfläche bei gleicher relativer Bandbreite aufweisen, die bei Verwendung bekannter Materialien für die Resonatoren eine erhöhte relative Bandbreite aufweisen und/oder welche die Verwendung von einfachen, kostengünstigen "packaging"- Methoden zulassen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das piezoelektrische Bauelement gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen, Ausgestaltungen und Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Erfindungsgemäß wird ein piezoelektrisches Bauelement bereitgestellt, das einen Schichtstapel aus zumindest zwei piezoelektrischen Schichten und zumindest drei Elektroden umfasst. Dabei sind die piezoelektrischen Schichten innerhalb des Schichtstapels derart angeordnet, dass jede piezoelektrische Schicht zwischen zwei benachbarten Elektroden angeordnet ist. Weiterhin sind genau ein Signaleingang und genau ein Signalausgang vorgesehen und alle Elektroden sind entweder mit dem Signaleingang oder dem Signalausgang in einer Weise verbunden, daß von benachbarten Elektroden je eine Elektrode mit dem Signaleingang und je eine Elektrode mit dem Signalausgang verbunden ist.
Beginnend mit einer äußeren Elektrode sind somit die Elektroden in einer alternierenden Weise mit dem Signaleingang bzw. Signalausgang verbunden. Unter einer äußeren Elektrode ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Elektrode zu verstehen, die innerhalb des Schichtstapels nur an eine piezoelektrische Schicht angrenzt. Dabei ist unter "angrenzt" hier zu verstehen, dass die Elektrode direkt mit der piezoelektrischen Schicht in Kontakt steht oder das zwischen der Elektrode und der piezoelektrischen Schicht optional eine zusätzliche Hilfsschicht, beispielsweise eine Verdichtungsschicht, angeordnet ist. Entsprechend ist unter einer inneren Elektrode eine Elektrode zu verstehen, die direkt zwischen zwei piezoelektrischen Schichten oder indirekt zwischen zwei piezoelektrischen Schichten angeordnet ist.
Das erfindungsgemäße piezoelektrische Bauelement besitzt den Vorteil, daß die inneren Elektroden in guter Näherung akustische Knoten (Stress-Knoten) darstellen, deren Lage von der Frequenz weitgehend unabhängig ist. Dies hat zur Folge, daß der Stress-Knoten unabhängig von der Frequenz immer innerhalb der Elektrode angeordnet ist. Deshalb verhält sich eine solche Elektrode wie eine Elektrode, die von einem Material mit niedriger akustischer Impedanz, beispielsweise Luft, umgeben ist. Auf diese Weise ergibt sich beispielsweise ein piezoelektrischen Bauelement mit zwei Piezoschichten und drei Elektroden, das eine relative Bandbreite wie der in Fig. 2 gezeigte BAW-Resonator aufweist, obwohl das erfindungsgemäße piezoelektrische Bauelement bei gleicher Impedanz nur etwa die Hälfte der Fläche benötigt.
Weiterhin ermöglicht das erfindungsgemäße piezoelektrische Bauelement den Einsatz von akustischen Spiegeln ohne Verlust an relativer Bandbreite, wodurch wiederum das "packaging" für diese Bauelemente gegenüber den BAW-Resonatoren erleichtert wird.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass die piezoelektrischen Schichten im wesentlichen aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe umfassend Aluminiumnitrid (ALN), Zinkoxid (ZnO) und Bleizirkoniumtitanat (PZT) bestehen. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von Aluminiumnitrid, da sich die Verwendung dieses Materials besonders einfach in bestehende Strukturierungsprozesse integrieren lässt. Als Materialien für die Elektroden können beispielsweise Aluminium, Aluminium-enthaltende Legierungen, Wolfram, Molybdän oder Platin verwendet werden. Es kann aber auch jedes andere geeignete elektrisch leitfähige Material verwendet werden. Als Substratmaterial kann z. B. Silizium, GaAs oder Glas verwendet werden.
In bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist zwischen den Elektroden und den piezolektrischen Schichten jeweils eine Verdichtungsschicht, beispielsweise eine Wolframschicht, angeordnet. Weitere Beispiele für eine Verdichtungsschicht sind in deutschen Patentanmeldung 100 45 090.3 gezeigt, deren Inhalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Schichtstapel zwei piezoelektrische Schichten und drei Elektroden. Dadurch, dass sich in diesem Bauelement die mittlere der drei Elektroden einen frequenzunabhängigen akustischen Knoten darstellt, weist diese Ausführungsform die gleiche relative Bandbreite auf wie ein herkömmlicher BAW-Resonator aus den gleichen Materialien, der durch Hohlräume von dem Substrat akustisch isoliert ist. Gleichzeitig beträgt die Resonatorfläche des erfindungsgemäßen Bauelements bei gleichem Impedanzniveau nur 50% des herkömmlichen BAW-Resonators.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Bauelements umfasst der Schichtstapel drei piezoelektrische Schichten und vier Elektroden, bzw. vier piezoelektrische Schichten und fünf Elektroden, bzw. fünf piezoelektrische Schichten und sechs Elektroden. Je mehr innere Elektroden vorhanden sind desto mehr Resonatoren verhalten sich wie "ideale" Resonatoren, die von einem Material mit geringer Impedanz umgeben sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Bauelements ist der Schichtstapel durch zumindest einen Hohlraum von dem Substrat akustisch isoliert. Besonders bevorzugt ist weiterhin, dass der Schichtstapel durch zumindest einen akustischen Spiegel von dem Substrat akustisch isoliert ist. Die akustischen Spiegel weisen bevorzugt jeweils eine Schichtfolge von alternierend angeordneten Schichten mit niedriger oder hoher akustischer Impedanz auf. Geeignete Materialien mit niedriger akustischer Impedanz sind beispielsweise Silizium (Si), Polysilizium, Aluminium oder Polymere. Geeignete Materialien mit hoher akustischer Impedanz sind beispielsweise Gold (Au), Molybdän (Mo), Wolfram (W) oder Platin (Pt).
Besonders bevorzugt ist es, dass der Schichtstapel in Bezug auf die Umgebung zumindest durch einen oberen akustischen Spiegel akustisch isoliert wird. Durch die Verwendung eines oberen akustischen Spiegels wird es im Gegensatz zur Verwendung eines oberen Hohlraums möglich, kostengünstige herkömmliche "packaging"-Methoden zu verwenden, was die Herstellung der erfindungsgemäßen Bauelemente weiter vereinfacht und verbilligt. Dabei ist die Verwendung des oberen neben einem unteren akustischen Spiegels besonders bevorzugt, da dadurch die aufwendige Strukturierung von Hohlräumen zur akustische Isolierung ganz vermieden werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Schichtdicke der einzelnen piezoelektrischen Schichten jeweils im wesentlichen gleich. Dadurch wird in der Regel die größte relative Bandbreite für das jeweilige piezoelektrische Bauelements erreicht. Dies gilt insbesondere für die erfindungsgemäßen Bauelemente, in denen der Schichtstapel durch sowohl einen oberen und einen unteren akustischen Spiegel akustisch isoliert ist. Kommt nur ein akustischer Spiegel zusammen mit einem Hohlraum zum Einsatz, kann es zum Erreichen der maximalen relativen Bandbreite für das piezoelektrische Bauelement bevorzugt sein, wenn die jeweiligen piezoelektrischen Schichten unterschiedliche Schichtdicken aufweisen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 8 näher dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1a die schematische Darstellung einer bekannten zweistufigen "single-ended"-Leitertyp- Filtertopographie;
Fig. 1b die schematische Darstellung einer einstufigen "balanced"-Gittertyp-Filtertopographie;
Fig. 2 einen BAW-Filter mit Hohlraum auf einem Substrat;
Fig. 3 einen BAW-Filter mit akustischem Spiegel auf einem Substrat;
Fig. 4 die Schichtfolge in einem SCF
Fig. 5 die schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Bauelements;
Fig. 6 akustische Moden in einem erfindungsgemäßen piezoelektrischen Bauelement;
Fig. 7 die Schichtfolge in einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Bauelements
Fig. 8 die Schichtfolge in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Bauelements; und
Fig. 9 die schematische Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen piezoelektrischen Bauelements.
Fig. 5 zeigt die schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Bauelements. Dieses Bauelement umfasst eine obere, mittlere und untere Elektroden 21, 22 und 23 sowie die jeweils zwischen zwei Elektroden angeordneten piezoelektrischen Schichten 31 und 32. Diese bilden zusammen den Schichtstapel 50. Schichtstapel 50 entspricht somit seiner Schichtabfolge nach der eines herkömmlichen Stacked-Crystal-Filters. Im Unterschied zu herkömmlichen Stacked-Crystal-Filtern ist im erfindungsgemäßen Bauelement die mittlere Elektrode 22 nicht geerdet, sondern mit dem Signaleingang verbunden. Ebenso im Gegensatz zu herkömmlichen Stacked-Crystal-Filtern ist sowohl die obere Elektrode 21 als auch die untere Elektrode 23 mit demselben Signalausgang verbunden.
Bei dieser Anordnung ist leicht zu erkennen, dass die mittlere Elektrode 22 aus Symmetriegründen einen akustischen Knoten (Stress-Knoten) darstellt. Dieser akustische Knoten ist frequenzunabhängig, d. h. die Lage des Knoten innerhalb der mittleren Elektrode ist unabhängig von der Frequenz. Dadurch verhält sich die mittlere Elektrode so, als wäre sie von einem Material mit niedriger akustischer Impedanz, beispielsweise Luft, umgeben. Als Folge dessen wird in dem piezoelektrischen Bauelement der sonst bei Verwendung von akustischen Spiegeln zu beobachtende Verlust an relativer Bandbreite vermieden.
Diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Bauelements weist somit die gleiche relative Bandbreite auf wie der in Fig. 2 dargestellte herkömmliche BAW-Resonator, der um diese Bandbreite zu erreichen allerdings sowohl einen Hohlraum in unmittelbarer Nachbarschaft zu der oberen Elektrode 21 sowie einen Hohlraum in unmittelbarer Nachbarschaft zu der unteren Elektrode 23 aufweisen muss. Ein wesentlicher Vorteil des in Fig. 5 dargestellten erfindungsgemäßen Bauelements besteht weiterhin darin, dass es die gleiche relative Bandbreite erreicht wie herkömmliche BAW-Filter, dabei allerdings nur die halbe Resonatorfläche benötigt. Dadurch kann eine höhere Integrationsdichte auf dem Substrat erreicht werden.
In Fig. 6 sind akustische Schwingungsmoden innerhalb eines Schichtstapels 50 gezeigt. Bei der akustischen Schwingungsmode a löschen sich die jeweiligen Ladungen der oberen und unteren Elektroden 21, 23 gegenseitig aus, so dass es zu keiner Kopplung in die elektrische Domäne kommt. Bei der akustischen Schwingungsmode b, bei der die Wellenlänge ungefähr doppelt so groß ist wie die Schichtdicke der jeweiligen piezoelektrischen Schichten 31 und 32, ist die Kopplung am stärksten. Geradzahlige höhere Schwingungmoden wie beispielsweise Schwingungsmode c koppeln wesentlich schwächer als die Schwingungsmode b.
In Fig. 7 und 8 sind weitere mögliche Schichtfolgen für die erfindungsgemäßen piezoelektrischen Bauelemente dargestellt. In Fig. 7. kommt neben dem Schichtstapel 50 ein unterer akustischer Spiegel 40 zum Einsatz, der die Schichten 41, 42, 43 und 44 umfasst, die alternierend entweder eine niedrige oder hohe akustische Impedanz aufweisen. Dadurch wird das Bauelement gegenüber dem darunter gelegenen Substrat 10 akustisch abgeschirmt. Über der oberen Elektrode ist zur akustischen Abschirmung ein Hohlraum angeordnet. Wenn diese Schichtfolge verwendet wird, kann es möglich sein, dass zur Erreichung der maximalen relativen Bandbreite die piezoelektrischen Schichten unterschiedliche Schichtdicken aufweisen können.
In der in Fig. 8 dargestellten Ausführungsform kommt zusätzlich ein oberer akustische Spiegel 40' zum Einsatz, der einen analogen Aufbau zu dem unteren akustischen Spiegel 40 aufweist. Hier ist es bevorzugt, dass die piezoelektrischen Schichten 31 und 32 im wesentlichen identische Schichtdicke aufweisen. Durch die Verwendung des oberen akustischen Spiegels 40' wird es möglich das erfindungsgemäße Bauelement mit herkömmlichen, kostengünstigen "packaging"-Methoden zu verarbeiten, ohne Hohlräume strukturieren zu müssen.
In Fig. 9 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauelements dargestellt. In dieser Ausführungsform umfasst der Schichtstapel 50 fünf piezoelektrische Schichten 31, 32, 33, 34, 35 sowie sechs Elektroden 21, 22, 23, 24, 25, 26. Die Elektroden 22, 24 und 26 sind dabei jeweils mit dem selben Signaleingang verbunden, die Elektroden 21, 23 und 25 entsprechend mit dem selben Signalausgang. Weiterhin ist eine entsprechende Schwingungsmode in Form einer Stresskurve dargestellt. Wie aus Fig. 9 ersichtlich sind die Stressknoten im wesentlichen innerhalb der Elektroden 21, 22, 23, 24, 25, 26 lokalisiert.
Durch diese Anordnung kann die Resonatorfläche weiter verringert werden und gleichzeitig die relative Bandbreite an die eines idealen, in Fig. 2 dargestellten BAW-Resonators angenährt werden. Diese Ausführungsform kann ebenfalls mit einem oberen und/oder unteren Spiegel verwendet werden.

Claims

1. Piezoelektrisches Bauelement umfassend
einen Schichtstapel (50) aus zumindest zwei piezoelektrischen Schichten (10, 12) und zumindest drei Elektroden (30, 32, 34),
wobei die piezoelektrischen Schichten (10, 12) innerhalb des Schichtstapels derart angeordnet sind, dass jede piezoelektrische Schicht (10, 12) zwischen zwei benachbarten Elektroden (30, 32, 33) angeordnet ist, und
wobei genau ein Signaleingang und genau ein Signalausgang vorgesehen sind und alle Elektroden (30, 32, 33) entweder mit dem Signaleingang oder dem Signalausgang in einer Weise verbunden sind, daß von benachbarten Elektroden je eine Elektrode mit dem Signaleingang und je eine Elektrode mit dem Signalausgang verbunden ist.

2. Piezoelektrisches Bauelement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtstapel (50) zwei piezoelektrische Schichten und drei Elektroden umfasst.

3. Piezoelektrisches Bauelement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtstapel (50) drei piezoelektrische Schichten und vier Elektroden umfasst.

4. Piezoelektrisches Bauelement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtstapel (50) vier piezoelektrische Schichten und fünf Elektroden umfasst.

5. Piezoelektrisches Bauelement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtstapel (50) fünf piezoelektrische Schichten und sechs Elektroden umfasst.

6. Piezoelektrisches Bauelement gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der piezoelektrischen Schichten (31, 32, 33, 34, 35) im wesentlichen der halben Wellenlänge ihrer jeweiligen Resonanzschwingung entspricht.

7. Piezoelektrisches Bauelement gemäß zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtstapel (50) durch zumindest einen Hohlraum von dem Substrat akustisch isoliert ist.

8. Piezoelektrisches Bauelement gemäß zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtstapel durch zumindest einen akustischen Spiegel (40, 40') von dem Substrat akustisch isoliert ist.

9. Piezoelektrisches Bauelement gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtstapel (50) durch zumindest einen oberen akustischen Spiegel (40') akustisch isoliert wird.

10. Piezoelektrisches Bauelement gemäß zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der einzelnen piezoelektrischen Schichten (31, 32, 33, 34, 35) jeweils im wesentlichen gleich ist.

11. Piezoelektrisches Bauelement gemäß zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrischen Schichten (31, 32, 33, 34, 35) im wesentlichen aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe umfassend Aluminiumnitrid, Zinkoxid und Bleizirkoniumtitanat bestehen.

12. Piezoelektrisches Bauelement gemäß zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Elektroden (21, 22, 23, 24, 25, 26) und den piezolektrischen Schichten (31, 32, 33, 34, 35) jeweils eine Verdichtungsschicht angeordnet ist.