DE102010056572A1

DE102010056572A1 - Elektronisches Bauelement und Verfahren zur Herstellung des elektronischen Bauelements

Info

Publication number: DE102010056572A1
Application number: DE102010056572A
Authority: DE
Inventors: Dr. Schmidhammer Edgar; Gudrun Henn
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: SnapTrack Inc
Priority date: 2010-12-30
Filing date: 2010-12-30
Publication date: 2012-07-05
Anticipated expiration: 2030-12-31
Also published as: US9590163B2; CN103283145B; JP2016001881A; JP5926287B2; JP6122070B2; US20130342079A1; JP2014502814A; DE102010056572B4; CN103283145A; WO2012089416A1

Abstract

Es wird ein elektronisches Bauelement mit einer Schichtenfolge, die zumindest eine erste Elektrode (10), eine zweiten Elektrode (20), und einen aktiven Bereich (30) umfasst und zumindest in Teilbereichen monoatomare Kohlenstoffschichten enthält.

Description

Es wird ein elektronisches Bauelement angegeben sowie ein Verfahren zur Herstellung des elektronischen Bauelements.
Wesentlicher Bestandteil eines elektronischen Bauelements, beispielsweise eines elektroakustischen Bauelements, ist die Elektrode und gegebenenfalls reflektierende Schichten. Als Material für Elektroden sind viele metallische Werkstoffe bereits untersucht worden, beispielsweise Molybdän oder Wolfram.
Aufgabe mindestens einer Ausführungsform der Erfindung ist es, elektronische Bauelemente bereitzustellen, die einen Werkstoff mit verbesserten Eigenschaften aufweisen. Diese Aufgabe wird durch ein elektronisches Bauelement gemäß Anspruch 1 gelöst. Eine weitere Aufgabe einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines solchen elektronischen Bauelements. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 15 gelöst. Weitere Ausführungsformen sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein elektronisches Bauelement angegeben, das eine Schichtenfolge aufweist, die zumindest eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode, und einen aktiven Bereich, der mit der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode elektrisch gekoppelt ist, umfasst und die zumindest in Teilbereichen monoatomare Kohlenstoffschichten enthält. Damit wird ein elektronisches Bauelement angegeben, das wenigstens in Teilbereichen seiner Schichtenfolge einen synthetischen Werkstoff, nämlich monoatomare Kohlenstoffschichten, enthält.
Unter ”elektrisch gekoppelt” wird in diesem Zusammenhang ein ohmscher oder ein elektromagnetischer Kontakt verstanden.
Unter „Schichtenfolge” können mehrere übereinander angeordnete Schichten, aber auch beispielsweise zwei Schichten, die nebeneinander auf einer dritten Schicht angeordnet sind, verstanden werden.
Die Schichtenfolge des elektronischen Bauelements kann gemäß einer Ausführungsform weiterhin reflektierende Schichten umfassen. Weiterhin können die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode und/oder eine reflektierende Schicht zumindest in Teilbereichen monoatomare Kohlenstoffschichten enthalten.
Dabei enthält zumindest eines aus der ersten Elektrode, der zweiten Elektrode und einer reflektierenden Schicht zumindest in Teilbereichen monoatomare Kohlenstoffschichten.
Es wird also ein elektronisches Bauelement angegeben, das mindestens eine Elektrode und/oder mindestens eine reflektierende Schicht aufweist, die vollständig oder in Teilbereichen monoatomare Kohlenstoffschichten, also einen synthetisierten Werkstoff, enthalten.
Monoatomare Kohlenstoffschichten können Graphene umfassen, und werden im Folgenden zumindest teilweise als solche bezeichnet.
Damit wird in einer oder beiden Elektroden und/oder in reflektierenden Schichten eines elektronischen Bauelements kein schweres Metall, wie beispielsweise Molybdän oder Wolfram verwendet, sondern ein alternativer, synthetisierter Werkstoff.
Die Erfinder haben erkannt, dass Graphene sowohl den hohen elektrischen wie auch akustischen Anforderungen, die ein elektronisches Bauelement stellen kann, gerecht werden. So weist Graphen insbesondere mechanische Stabilität und elektrische Leitfähigkeit auf. Die mechanische Stabilität kann diejenige von Stahl übertreffen, die elektrische Leitfähigkeit diejenige von Kupfer.
Graphen ist die Bezeichnung für eine monoatomar dünne Schicht von SP²-hybridisiertem Kohlenstoff. Seine Synthese kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen. Beispielsweise können einzelne Graphenlagen dadurch isoliert werden, dass Graphit mit Sauerstoff oxidiert wird, an jedes zweite Kohlenstoffatom ein Sauerstoffatom angeordnet wird und durch den eingelagerten Sauerstoff sich die einzelnen Graphitschichten gegenseitig abstoßen. Eine weitere Synthesemethode ist das Erhitzen von Siliziumcarbid auf 1500°C.
Graphen ist ein definierter, polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoff, der auch funktionalisiert sein kann. Seine Grundstruktur basiert auf Hexa-peri-hexabenzocoronen (HBC), das in den meisten Lösungsmitteln unlöslich ist. Diese Grundstruktur kann beispielsweise durch Alkylketten substituiert sein, wodurch das substituierte Graphen in Lösungsmitteln löslich wird.
Sowohl in kristalliner Form als auch in Lösung können sich Graphen säulenartig anordnen. Aromatische Kerne können dabei direkt übereinander angeordnet sein. Die säulenartige Anordnung wird als Selbstorganisation bezeichnet und bildet sich abhängig von den Substituenten an dem Graphen, der Temperatur und der Konzentration, falls die Anordnung in Lösung erfolgt, aus. Durch die säulenartige Anordnung in Lösung können beispielsweise dünne Oberflächenfilme hergestellt werden, die gut geordnete Schichten – im Idealfall ohne Defekte – und eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit aufweisen.
Die säulenartig angeordneten Graphene können in der so genannten Edge-on-Anordnung auf beispielsweise einem Substrat aufgebracht sein. Dabei sind die einzelnen Säulen parallel zu dem Substrat angeordnet. Alternativ kann das Graphen in seiner säulenartigen Anordnung in der so genannten Face-on-Orientierung auf einem Substrat angeordnet werden. Dabei sind die einzelnen Säulen senkrecht zu dem Substrat angeordnet. Beide Anordnungen zeichnen sich durch eine hohe Ordnung innerhalb der Graphenschicht aus.
Das Graphen, also die monoatomaren Kohlenstoffschichten, können als Monolagen oder als Multilagen in dem elektronischen Bauelement angeordnet sein. Somit können die Kohlenstoffschichten als isolierte Schichten oder als übereinander angeordnete Schichten, die eine hohe Ordnung aufweisen können, in dem elektronischen Bauelement, beispielsweise in der ersten oder zweiten Elektrode oder einer reflektierenden Schicht, vorhanden sein.
Das elektronische Bauelement kann ein elektroakustisches Bauelement sein, wobei der aktive Bereich eine piezoelektrische Schicht umfasst. Die piezoelektrische Schicht kann beispielsweise Aluminiumnitrid enthalten.
Die erste und die zweite Elektrode kann auf einer Seite der piezoelektrischen Schicht angeordnet sein. Somit kann es sich bei dem elektroakustischen Bauelement beispielsweise um ein oberflächenwellenbasiertes Bauelement handeln. Alternativ können die erste und die zweite Elektrode auf sich gegenüberliegenden Seiten der piezoelektrischen Schicht angeordnet sein. Beispielsweise kann es sich in dieser Ausführungsform um ein volumenwellenbasiertes Bauelement handeln.
Um monoatomare Kohlenstoffschichten, also Graphen, als Material für die erste und/oder zweite Elektrode und/oder als reflektierende Schicht in einem elektronischen Bauelement anwenden zu können, muss es bestimmte Anforderungen an seine akustischen Eigenschaften, seine elektrischen Eigenschaften sowie seine Reaktion auf Stress erfüllen.
Für eine Elektrode beispielsweise ist eine möglichst hohe akustische Impedanz erforderlich, wenn die Elektrode in einem elektroakustischen Bauelement eingesetzt wird. Damit kann eine gute Güte Bauelements erzielt werden. Da Graphen eine hohe akustische Impedanz aufweist, kann es als Elektrode in elektroakustischen Bauelementen eingesetzt werden.
Eine gute elektrische Leitfähigkeit ist eine weitere Eigenschaft, die für den Einsatz von Graphen beispielsweise in Elektroden von elektronischen Bauelementen erforderlich ist. Die elektrische Leitfähigkeit von Graphen kann 10⁸ S/m betragen, womit Graphen eine höhere Leitfähigkeit besitzt als beispielsweise Silber und als Elektrodenmaterial eingesetzt werden kann.
Ein weiterer Faktor bei der Auswahl von Elektrodenmaterial ist das Vermögen, den in einem elektroakustischen Bauelement erzeugten Stress innerhalb der piezoelektrischen Schicht zu halten. Das Stressverhalten beziehungsweise die Stress-Verteilung ist besonders für volumenwellenbasierte Bauelemente von Bedeutung. Graphen zeigt hier vergleichbare Werte wie bisherige Elektrodenmaterialien wie beispielsweise Molybdän oder Wolfram.
In dem elektronischen Bauelement kann die erste und/oder die zweite Elektrode mehrere übereinander angeordnete Schichten umfassen, wobei mindestens eine Schicht monoatomare Kohlenstoffschichten enthält. Die erste und/oder zweite Elektrode kann somit vollständig aus monoatomaren Kohlenstoffschichten aufgebaut sein, oder aber eine Sandwich-Struktur aus einer Schicht, die monoatomare Kohlenstoffschichten enthält, und Schichten, die andere Materialien enthalten, aufweisen.
Die mindestens eine monoatomare Kohlenstoffschicht enthaltende Schicht der ersten und/oder zweiten Elektrode kann mit mindestens einer Schicht kombiniert werden, die ein Material enthält, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Ti, Mo, Mischungen aus Ti und Mo, Pt, Ru, W, Al, Cu und Mischungen aus Al und Cu umfasst.
Beispielsweise kann eine Sandwich-Struktur gebildet sein, die folgenden Aufbau aufweist: Ti, Al/Cu, W, wobei die monoatomare Kohlenstoff enthaltende Schicht entweder zwischen Ti und Al/Cu oder zwischen Al/Cu und W oder auf W angeordnet sein kann.
Eine weitere mögliche Sandwich-Struktur weist den folgenden Aufbau auf: Mo, Ti/Mo, Ru. Auch hier kann Graphen entweder zwischen Mo und Ti/Mo oder zwischen Ti/Mo und Ru angeordnet sein. Eine solche Sandwich-Struktur kann beispielsweise die Elektrode eines volumenwellenbasierten Bauelements darstellen, bei dem die piezoelektrische Schicht auf einem Substrat angeordnet ist, und die erste Elektrode zwischen dem Substrat und der piezoelektrischen Schicht, und die zweite Elektrode auf der piezoelektrischen Schicht auf der von dem Substrat abgewandten Seite angeordnet ist. Die Sandwich-Struktur kann dabei beispielsweise die erste Elektrode des Bauelements bilden.
Ein weiteres Beispiel für eine Sandwich-Struktur ist eine monoatomare Kohlenstoffschicht in Verbindung mit einer Al- oder einer Al/Cu-Schicht. Eine solche Elektrode kann beispielsweise die erste und/oder die zweite Elektrode eines oberflächenwellenbasierten Bauelements darstellen, bei dem beide Elektroden auf einer Seite der piezoelektrischen Schicht angeordnet sind.
Die beiden Elektroden eines oberflächenwellenbasierten Bauelements können eine so genannte Kammstruktur aufweisen, bei der abwechselnd Finger des Kamms der ersten und zweiten Elektrode abwechselnd nacheinander auf dem piezoelektrischen Substrat angeordnet sind. Dabei können sich zwischen der jeweils ersten und der zweiten Elektrode Feldlinien ausbilden.
Im Falle des oberflächenwellenbasierten Bauelements ist besonders die mechanische Stabilität des Graphens vorteilhaft für seine Verwendung als Material für die Elektroden. Im Falle eines volumenwellenbasierten Bauelements sind die hohe elektrische Leitfähigkeit und die gut definierbare Schichtdicke einer Graphenschicht vorteilhaft für den Einsatz als Elektrode. In beiden Fällen können die Eigenschaften der Bauelemente durch die Verwendung von Graphen als Elektrodenmaterial verbessert werden. Weiterhin kann auch die Bauelementgröße verringert werden, da durch die erhöhte Leitfähigkeit beziehungsweise erhöhte mechanische Stabilität die Schichtdicken aller weiterer verwendeten Elektrodenmaterialien verringert werden können.
Ein elektronisches Bauelement kann weiterhin mindestens eine erste reflektierende Schicht mit hoher akustischer Impedanz und mindestens eine zweite reflektierende Schicht mit niedriger akustischer Impedanz und ein Substrat umfassen, wobei die erste reflektierende Schicht und die zweite reflektierende Schicht zwischen dem Substrat und der ersten Elektrode angeordnet sind. Es können auch zwei erste und zwei zweite reflektierende Schichten abwechselnd übereinander angeordnet sein. Damit kann beispielsweise ein Bragg-Spiegel zwischen dem Substrat und der piezoelektrischen Schicht ausgebildet sein, der dafür sorgt, dass in der piezoelektrischen Schicht erzeugte Wellen nicht durch das Substrat hindurch ausweichen können. Bei der ersten und zweiten reflektierenden Schicht kann es sich um λ/4-Spiegelschichten handeln.
Zumindest eine erste reflektierende Schicht kann W enthalten. Die erste reflektierende Schicht kann elektrisch leitfähig sein.
Zumindest eine zweite reflektierende Schicht kann chemisch modifizierte monoatomare Kohlenstoffschichten aufweisen. Beispielsweise kann mit Sauerstoff versehenes Graphen eingesetzt werden, das isolierende Eigenschaften aufweist.
Die zweite reflektierende Schicht kann elektrisch isolierend sein.
Somit kann Graphen auch als nichtleitendes Material als Teil eines Bragg-Spiegels in einem elektronischen Bauelement, beispielsweise einem volumenwellenbasierten Bauelement, eingesetzt werden. Die zweite reflektierende Schicht, die monoatomare Kohlenstoffschichten enthält, kann zwischen der ersten reflektierenden Schicht und der ersten Elektrode angeordnet sein. Damit wird Graphen als Isolator eingesetzt, womit bislang benötigte Strukturierungen zur Vermeidung von Kurzschlüssen entfallen und der Aufbau eines Schichtstapels prozesstechnisch vereinfacht werden kann.
Graphen kann also sowohl als Isolator als auch als elektrischer Leiter realisiert werden. Die Zugabe von Sauerstoff zur Erhaltung eines Isolators kann ohne Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften geschehen.
Das elektronische Bauelement kann als oberflächenwellenbasiertes Bauelement, als volumenwellenbasiertes Bauelement oder als mikro-elektro-mechanisches Bauelement ausgebildet sein. Ein oberflächenwellenbasiertes Bauelement kann auch als SAW-Bauelement (SAW: surface acoustic wave) bezeichnet werden. Ein volumnewellenbasiertes Bauelement kann auch als BAW-Bauelement (BAW: bulk acoustic wave) bezeichnet werden.
Es können also beispielsweise SAW- oder BAW-Filter, Resonatoren oder Sensoren wie auch Wellenleiter oder Verzögerungsleitungen mit dem elektronischen Bauelement bereitgestellt werden. Weiterhin kann das elektronische Bauelement ein so genanntes Guide Bulk Acoustic Wave-basiertes Bauelement darstellen. Aus Filtern können weiterhin Duplexer aufgebaut werden sowie weitere komplexe Module dargestellt werden. Solche elektroakustischen Bauelemente können beispielsweise im Mobilfunk eingesetzt werden.
Somit kann Graphen je nach seiner elektrischen Eigenschaft als Elektrodenmaterial und/oder als reflektierende Schicht in einem beispielsweise elektroakustischem Bauelement eingesetzt werden.
Es wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements nach einem der vorhergehenden Ausführungsformen angegeben. Dabei können die monoatomaren Kohlenstoffschichten mittels einer Methode aufgebracht werden, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, die chemische Gasphasenabscheidung, physikalische Gasphasenabscheidung, Aufbringen in Lösung und chemische Oberflächenreaktionen umfasst. Damit wird ein vielseitiges Verfahren bereitgestellt, mit dem sich Graphenschichten unkompliziert an der gewünschten Stelle eines elektronischen Bauelements aufbringen lassen.
Anhand der Figuren und Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden.
1 zeigt eine grafische Darstellung der akustischen Impedanz von Graphen im Vergleich zu anderen Materialien,
2 zeigt eine dreidimensionale schematische Seitenansicht einer Elektrode,
3a) bis c) zeigt die Stressverteilung verschiedener Schichtenfolgen,
4 zeigt die schematische Seitenansicht eines volumenwellenbasierten elektroakustischen Bauelements,
5 zeigt die Dispersionskurve eines Bauelements,
6a zeigt die schematische Seitenansicht eines oberflächenwellenbasierten elektroakustischen Bauelements,
6b zeigt die schematische Draufsicht eines oberflächenwellenbasierten elektroakustischen Bauelements.
1 zeigt die grafische Darstellung der akustischen Impedanz von verschiedenen Materialien.
Für die akustischen Eigenschaften ist der so genannte Young-Modulus Y (das Elastizitätsmodul), der für Graphen zwischen 0,5 und 1,2 TPa liegt, die Dichte ρ, die für Graphen etwa zwischen 3000 bis 4000 kg/m³ liegt und die Poisson Ratio ν, die für Graphen zwischen 0,04 und 0,11 liegt, zu beachten. Aus diesen Größen können akustische Parameter abgeschätzt werden, die zusammen mit der Herstellungsweise des Graphens die exakten akustischen Parameter ergeben. Werden Extremwerte angenommen und ein isotropes Material vorausgesetzt, können abgeschätzte Werte erhalten werden, wenn die Beziehungen der so genannten Compliance-Matrix c₁₁ = (1–ν) / (1+ν)(1–2ν) c₁₂ = Y ν / (1+ν)(1–2ν) c₄₄ = Y 1 / 2(1+ν) ausgewertet werden. Aus diesen Parametern können akustische Bezugsparameter abgeleitet werden, die folgendermaßen definiert sind:
Akustische Impedanz (longitudinal):

Akustische Impedanz (Scher):
Dabei ist v_L bzw. v_S die longitudinale bzw. die Scher-Geschwindigkeit. Aus diesen Impedanzen lassen sich entsprechende Ausbreitungsgeschwindigkeiten ableiten.
Auf der x-Achse der 1 ist die Geschwindigkeit in km/s und auf der y-Achse die Dichte in g/cm³ angegeben. Die Größe jeder Blase stellt die akustische Impedanz des jeweiligen Materials dar. Die mit G gekennzeichnete Blase steht dabei für die akustische Impedanz von Graphen. Die Größe dieser Blase wird mit einigen herkömmlichen Materialien für Elektroden von elektroakustischen Bauelementen, beispielsweise Pt, W, U oder Mo, verglichen.
Beispielsweise für ein volumenwellenbasiertes Bauelement muss die akustische Impedanz der Elektrode sehr hoch sein, um eine möglichst gute Güte zu erzielen. In 1, in der die akustische Impedanz durch den Blasenradius angegeben ist, kann also ein geeignetes Material nach dem möglichst großen Blasenradius ausgesucht werden. Graphen liegt dabei in der Größenordnung von Molybdän und Uran. Es kann somit unter Erhaltung oder Verbesserung der Güte einer Elektrode eingesetzt werden und dabei Molybdän oder Wolfram ersetzen oder ergänzen, wenn eine Elektrode mehrere Schichten aufweist, und wenigstens eine dieser Schichten Graphen aufweist.
In ähnlicher Weise könnte auch die Scherwelle von verschiedenen Materialien dargestellt werden (hier nicht gezeigt). Aus einer solchen Grafik könnte auch ersichtlich werden, dass synthetisches Graphen ein guter Ersatz für Molybdän oder Wolfram ist.
2 zeigt die schematische dreidimensionale Ansicht einer Elektrode in Form eines Quaders. In diesem sind die Größen der Elektrode d₁, d₂ und t dargestellt. Dabei bedeutet d₁ die Länge der Elektrode, d₂ die Breite der Elektrode und t die Dicke der Elektrode.
Anhand der geometrischen Struktur eines elektronischen Bauelements, beispielsweise eines volumenwellenbasierten Bauelements, kann der elektrische Widerstand R ausgerechnet werden. Anhand der Beziehung
kann der elektrische Widerstand bestimmt werden. Dabei ist κ_el die elektrische Leitfähigkeit, A die Fläche beispielsweise einer Elektrode, d₁ = l die Länge, d₂ die Breite und t die Dicke. Die elektrische Leitfähigkeit von Graphen kann beispielsweise 10⁸ S/m betragen, womit Graphen eine höhere Leitfähigkeit besitzt als beispielsweise Silber. Bei einer Elektrodendicke t von 200 μm sowie einer Fläche A von 200 μm × 200 μm ergibt sich für ausgewählte Materialien beispielsweise folgende Widerstandswerte:

Material Widerstand

Pt 0,5263158

Ru 0,3649635

W 0,2747253

Mo 0,2702703

Ir 0,2304147

Al 0,1351351

Au 0,1063830

Cu 0,0847458

Graphen 0,05
Daraus kann man entnehmen, dass Graphen auch aufgrund seiner elektrischen Eigenschaften als Elektrodenmaterial in elektroakustischen Bauelementen verwendbar ist.
3a bis 3c zeigen eine grafische Darstellung der Stressverteilung in verschiedenen Schichtenfolgen. Dabei ist jeweils auf der x-Achse der Kehrwert der Schichtdicke t in 1:nm angegeben und auf der y-Achse die Stressverteilung D_S. In den 3a bis c sind über der oberen x-Achse der Bereich der Elektroden E und der Bereich der piezoelektrischen Schicht P angezeigt. Die dargestellten Linien stehen für den Stress S. Das Vermögen, den in einem elektroakustischen Bauelement erzeugten Stress innerhalb der piezoelektrischen Schicht zu halten, ist besonders für volumenwellenbasierte Bauelemente von Bedeutung. Graphen zeigt hier vergleichbare Werte wie bisherige Elektrodenmaterialien wie beispielsweise Molybdän oder Wolfram.
In 3a wird die Stressverteilung der Schichtenfolge AlCu, AlN, AlCu dargestellt. AlCu ist jeweils die erste und zweite Elektrode und AlN die piezoelektrische Schicht. In 3b sind die beiden Elektroden durch Graphen ersetzt. In 3c sind die beiden Elektroden durch Molybdän Mo ersetzt.
Der Vergleich der drei 3a bis 3c zeigt, dass bei der Verwendung von Graphen als Elektrodenmaterial die Stressverteilung geringfügig geringer ist als bei der Verwendung von AlCu oder Mo Elektroden. Da die Dichte von Graphen in etwa im Bereich der Dichte von AlN liegt, ist auch das Stressverhalten des Sandwiches Graphen-AlN-Graphen dem Stressverhalten des Sandwiches AlCu-AlN-AlCu sehr ähnlich. Somit kann Graphen auch im Hinblick auf sein Vermögen, den erzeugten Stress innerhalb der piezoelektrischen Schicht zu halten, herkömmliches Elektrodenmaterial ersetzen oder ergänzen.
4 zeigt die schematische Seitenansicht eines volumenwellenbasierten elektroakustischen Bauelements. Dieses umfasst ein Substrat 40, jeweils zwei erste reflektierende Schichten 51 und zweite reflektierende Schichten 52, eine erste Elektrode 10, eine zweite Elektrode 20 und eine piezoelektrische Schicht 30. Die reflektierenden Schichten stellen Bragg-Spiegel dar, wobei die erste reflektierende Schicht 51 eine hohe akustische Impedanz aufweist und die zweite reflektierende Schicht eine niedrige akustische Impedanz. Eine hohe akustische Impedanz kann mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit verbunden sein, während eine niedrige akustische Impedanz oft mit einer isolierenden Eigenschaft des Materials verbunden sein kann.
Die erste reflektierende Schicht 51 kann beispielsweise Wolfram enthalten, die zweite reflektierende Schicht 52 SiO₂. Die zweite reflektierende Schicht kann alternativ Graphen enthalten, wenn es beispielsweise mit Sauerstoff so behandelt wurde, dass es isolierende Eigenschaften aufweist.
Derart angeordnete reflektierende Schichten haben eine hohe Reflektivität sowohl für longitudinale Wellen als auch für Scherwellen. Damit können diese Wellen so reflektiert werden, dass zurück in die piezoelektrische Schicht geleitet werden.
Das Substrat 40 kann beispielsweise Si oder SiO₂ aufweisen. Der eigentliche Resonator befindet sich auf den reflektierenden Schichten und umfasst die erste Elektrode 10, die zweite Elektrode 20 und die piezoelektrische Schicht 30. Die piezoelektrische Schicht kann beispielsweise AlN enthalten, die beiden Elektroden können Metalle wie Ti, Mo, Mischungen aus Ti und Mo, Ru, Pt, W, Al, Cu und Mischungen aus Al und Cu aufweisen. Die Elektroden können auch mehrere Teilschichten, die übereinander gestapelt sind, enthalten, wobei jede Teilschicht ein anderes Material, das aus den oben aufgezählten ausgewählt sein kann, enthält. Eine dieser Teilschichten kann dabei Graphen sein. Dies kann sowohl in der ersten als auch in der zweiten Elektrode 10, 20 der Fall sein oder auch in beiden. Beide Elektroden 10, 20 können auch vollständig aus Graphen gebildet sein.
Beispielsweise kann eine Elektrode die Sandwich-Struktur Ti, Al/Cu, W aufweisen, wobei die Graphen enthaltende Schicht entweder zwischen Ti und Al/Cu oder zwischen Al/Cu und W oder auf W angeordnet sein kann.
Eine weitere mögliche Sandwich-Struktur weist Aufbau Mo, Ti/Mo, Ru auf, wobei Graphen entweder zwischen Mo und Ti/Mo oder zwischen Ti/Mo und Ru angeordnet ist.
Auf dem Schichtstapel, wie er in 4 gezeigt ist, kann weiterhin eine abschließende Oxidschicht als Passivierung aufgebracht sein (hier nicht gezeigt).
Die Schichtenfolge aus reflektierenden Schichten 51, 52 kann so dimensioniert sein, dass sich eine flache Dispersion ergibt.
5 zeigt die Dispersionskurve f_R(kx) eines elektroakustischen volumenwellenbasierten Bauelements, beispielsweise eines Resonators. Dabei ist die Frequenz f_R in MHz gegenüber der Wellenzahl kx in 1/μm aufgetragen. Die Dispersionskurve hat bei kx = 0 eine verschwindende Steigung. Die Dispersion sollte immer so gewählt werden, dass diese monoton steigend oder sehr flach ist. Eine flache bzw. monoton steigende Dispersion bedeutet einen geringen Energieverlust aus der akustischen Welle. Der waagrechte Doppelpfeil in 5 zeigt einen kx Bereich für monotone Steigung. Die senkrechten Doppelpfeile zeigen die Abstände zwischen den Moden TE (thickness extensional) und TS (thickness shear). Die Kreise zeigen Verzweigungspunkte in der Dispersionskurve.
Dispersionskurven beschreiben die Relation zwischen der Kreisfrequenz oder der Frequenz von Volumenwellen einerseits und dem Wellenvektor oder der Wellenzahl der Volumenwellen andererseits. Verschiedene Zweige im Frequenz-Wellenvektor-Diagramm geben dabei unterschiedliche Schwingungsmoden des Resonators an. Akustische Verluste können minimiert werden, wenn die Abstände zwischen Moden verschiedenen Typs in der Umgebung des longitudinalen Hauptmodus möglichst groß gewählt werden.
6a zeigt die schematische Seitenansicht eines oberflächenwellenbasierten Bauelements. Dieses umfasst die piezoelektrische Schicht 30, eine erste Elektrode 10 und eine zweite Elektrode 20. In 6b ist ein solches Bauelement in einer schematischen Draufsicht gezeigt. Anhand dieser Figur ist erkennbar, dass die erste Elektrode 10 und die zweite Elektrode 20 jeweils eine kammartige Struktur aufweisen, wobei jeder Kamm abwechselnd einen kurzen und einen langen Finger aufweist. Die Finger der verschiedenen Kämme sind entlang der Längsachse der piezoelektrischen Schicht 30 abwechselnd nacheinander auf der piezoelektrischen Schicht angeordnet. Dies ist auch in der schematischen Seitenansicht der 6a erkennbar. Zwischen den einzelnen Fingern der Elektroden 10, 20 bilden sich somit elektromagnetische Wellen aus, die von der piezoelektrischen Schicht in mechanische Wellen umgewandelt werden können und umgekehrt.
Mindestens eine der beiden Elektroden 10 und 20 ist dabei aus Graphen gebildet. Dabei kann die Elektrode vollständig aus Graphen gebildet sein oder eine Schichtenfolge aus übereinander gestapelten Schichten aufweisen, wobei mindestens eine dieser Schichten Graphen als Material enthält. Beispielsweise kann eine oder beide Elektroden eine Sandwich-Struktur mit einer monoatomare Kohlenstoffschicht in Verbindung mit einer Al- oder einer Al/Cu-Schicht aufweisen.
Aufgrund seiner hohen mechanischen Stabilität und guten elektrischen Leitfähigkeit kann dadurch die Performance eines Bauelements mit einer Graphen enthaltenden Elektrode verbessert werden.
Über den Bauelementen, wie sie schematisch in den 4 und 6 dargestellt sind, können weiterhin Gehäusestrukturen, die eine Kavität aufweisen können, aufgebracht sein (hier nicht gezeigt).
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

10: erste Elektrode
20: zweite Elektrode
30: piezoelektrische Schicht
40: Substrat
51: erste reflektierende Schicht
52: zweite reflektierende Schicht
t: Dicke
D_S: Stressverteilung
d₁: Länge
d₂: Breite
v: Geschwindigkeit
D: Dichte
E: Bereich der Elektroden
P: Bereich der piezoelektrischen Schicht
f_R: Frequenz
kx: Wellenzahl
TE: Modus
TS: Modus

Claims

Elektronisches Bauelement aufweisend eine Schichtenfolge, die zumindest – eine erste Elektrode (10), – eine zweite Elektrode (20), und – einen aktiven Bereich (30), der mit der ersten Elektrode (10) und der zweiten Elektrode (20) elektrisch gekoppelt ist, umfasst, und die zumindest in Teilbereichen monoatomare Kohlenstoffschichten enthält.
Elektronisches Bauelement nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Schichtenfolge weiterhin reflektierende Schichten (51, 52) umfasst.
Elektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Elektrode (10) und/oder die zweite Elektrode (20) und/oder eine reflektierende Schicht (52) zumindest in Teilbereichen monoatomare Kohlenstoffschichten enthalten.
Elektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die monoatomaren Kohlenstoffschichten als Monolagen oder als Multilagen angeordnet sind.
Elektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ein elektroakustisches Bauelement ist, wobei der aktive Bereich (30) eine piezoelektrische Schicht umfasst.
Elektronisches Bauelement nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die erste und die zweite Elektrode (10, 20) auf einer Seite der piezoelektrischen Schicht (30) oder auf sich gegenüberliegenden Seiten der piezoelektrischen Schicht (30) angeordnet sind.
Elektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und/oder die zweite Elektrode (10, 20) mehrere übereinander angeordnete Schichten umfassen, wovon mindestens eine Schicht monoatomare Kohlenstoffschichten enthält.
Elektronisches Bauelement nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die mindestens eine monoatomare Kohlenstoffschichten enthaltende Schicht der ersten und/oder zweiten Elektrode (10, 20) mit mindestens einer Schicht kombiniert ist, die ein Material enthält, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Ti, Mo, Mischungen aus Ti und Mo, Ru, Pt, W, Al, Cu und Mischungen aus Al und Cu umfasst.
Elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 8, das mindestens eine erste reflektierende Schicht (51) mit hoher akustischen Impedanz und mindestens eine zweite reflektierende Schicht (52) mit niedriger akustischer Impedanz und ein Substrat (40) umfasst, wobei die mindestens eine erste reflektierende Schicht (51) und die mindestens eine zweite reflektierende Schicht (52) zwischen dem Substrat (40) und der ersten Elektrode (10) angeordnet sind.
Elektronisches Bauelement nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei mindestens eine zweite reflektierende Schicht (52) chemisch modifizierte monoatomare Kohlenstoffschichten aufweist.
Elektronisches Bauelement nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die zweite reflektierende Schicht (52) elektrisch isolierend ist.
Elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei mindestens eine erste reflektierende Schicht (51) W enthält.
Elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei eine zweite reflektierende Schicht (52) zwischen einer ersten reflektierenden Schicht (51) und der ersten Elektrode (10) angeordnet ist.
Elektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das als Oberflächenwellenbasiertes Bauelement, als Volumenwellenbasiertes Bauelement oder als mikro-elektro-mechanisches Bauelement ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die monoatomaren Kohlenstoffschichten mittels einer Methode aufgebracht wird, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, die chemische Gasphasenabscheidung, physikalische Gasphasenabscheidung, Aufbringen in Lösung und chemische Oberflächenreaktionen umfasst.