DE102019130080A1

DE102019130080A1 - Elektrische Komponente

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Publication number: DE102019130080A1
Application number: DE102019130080.0A
Authority: DE
Inventors: Conradin Langbrandtner; Jürgen Kiwitt; Maximilian Pitschi
Original assignee: RF360 Europe GmbH
Current assignee: RF360 Singapore Pte Ltd
Priority date: 2019-11-07
Filing date: 2019-11-07
Publication date: 2021-05-12

Abstract

In mindestens einer Ausführungsform umfasst die elektrische Komponente ein Trägersubstrat (1) mit einer Oberseite (10), eine fallenreiche Schicht (2) auf der Oberseite, eine dielektrische Schicht (3) auf der fallenreichen Schicht, einen elektroakustischen Resonator (4) auf der dielektrischen Schicht und eine Spule (5). Die dielektrische Schicht und die fallenreiche Schicht befinden sich zwischen der Spule und dem Trägersubstrat. Das Trägersubstrat basiert auf einem Halbleitermaterial. Die fallenreiche Schicht hat eine höhere Ladungsträgerfallendichte als das Trägersubstrat.

Description

Eine elektrische Komponente ist spezifiziert.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine elektrische Komponente mit verbesserter Leistungsfähigkeit zu spezifizieren.
Gemäß mindestens einer Ausführungsform weist die elektrische Komponente ein Trägersubstrat mit einer Oberseite auf. Das Trägersubstrat kann selbsttragend sein. Insbesondere ist das Trägersubstrat die mechanisch stabilisierende Komponente der elektrischen Komponente. Das Trägersubstrat kann in einem Stück ausgebildet sein, d.h. es kann einteilig aus einem Material oder einer Materialzusammensetzung geformt sein.
Gemäß mindestens einer Ausführungsform umfasst die elektrische Komponente eine fallenreichen Schicht auf der Oberseite des Trägersubstrats. Die fallenreiche Schicht kann entweder direkt auf der Oberseite oder im Trägersubstrat auf der Oberseite ausgebildet sein. Im zweiten Fall kann die fallenreiche Schicht selbst die Oberseite bilden.
Die fallenreiche Schicht kann eine zusammenhängende Schicht sein, z.B. ohne Unterbrechungen. Die fallenreiche Schicht kann in einem Stück gebildet werden. Beispielsweise bedeckt die fallenreiche Schicht die Oberseite des Trägersubstrats zu mindestens 50 % oder mindestens 75 % oder mindestens 90 %. Eine mittlere Dicke der fallenreichen Schicht beträgt z. B. höchstens 1,5 µm oder höchstens 1,0 µm oder höchstens 500 nm oder höchstens 200 nm. Zusätzlich oder alternativ dazu beträgt die mittlere Dicke der fallenreichen Schicht mindestens 10 nm oder mindestens 50 nm oder mindestens 100 nm.
Gemäß mindestens einer Ausführungsform umfasst die elektrische Komponente eine dielektrische Schicht auf der fallenreichen Schicht. Die dielektrische Schicht kann in direktem Kontakt mit der fallenreichen Schicht stehen. Somit ist die fallenreiche Schicht zwischen der dielektrischen Schicht und dem Trägersubstrat eingebettet. Die dielektrische Schicht kann eine zusammenhängende Schicht sein, z.B. ohne Unterbrechungen. Die dielektrische Schicht kann in einem Stück ausgebildet sein oder aus einem mehrschichtigen Stapel bestehen. Beispielsweise bedeckt die dielektrische Schicht die fallenreiche Schicht zu mindestens 50 % oder mindestens 75 % oder mindestens 90 %. Eine mittlere Dicke der dielektrischen Schicht beträgt z.B. höchstens 10 µm oder höchstens 5 µm oder höchstens 2 µm. Zusätzlich oder alternativ kann die Dicke der dielektrischen Schicht mindestens 100 nm oder mindestens 500 nm betragen.
Gemäß mindestens einer Ausführungsform umfasst die elektrische Komponente einen elektroakustischen Resonator auf der dielektrischen Schicht. Insbesondere befinden sich sowohl die dielektrische Schicht als auch die fallenreiche Schicht zwischen dem Trägersubstrat und der aktiven Fläche des elektroakustischen Resonators. Die aktive Fläche des elektroakustischen Resonators ist der Bereich, in dem akustische Wellen angeregt werden und sich ausbreiten. Der elektroakustische Resonator kann ein BAW-Resonator (BAW = akustische Volumenwelle) sein. Alternativ kann der elektroakustische Resonator ein SAW-Resonator (SAW = akustische Oberflächenwelle) sein.
Gemäß mindestens einer Ausführungsform umfasst die elektrische Komponente eine Spule. Die Spule ist aus einem elektrisch leitfähigen Material, zum Beispiel aus einem Metall, gebildet. Die Spule kann ein oder mehreren der folgenden Materialien umfassen: Al, Cu, Ti, Pd, Au, Ag, Ni.
Die Spule kann eine Induktivität zwischen 0.1 nH und einschließlich 20 nH aufweisen, insbesondere zwischen 1 nH und einschließlich 10 nH. Die Induktivität der Spule wird z.B. durch Anlegen einer Wechselspannung mit einer Frequenz von 100 MHz gemessen.
Die Spule kann elektrisch mit dem elektroakustischen Resonator verbunden sein. Die Spule kann mit dem elektroakustischen Resonator in Reihe oder parallel elektrisch verbunden sein. Die elektrische Komponente ist beispielsweise ein elektrischer Filter, der mehrere elektroakustische Resonatoren umfasst, die z.B. in einer Leiterstruktur angeordnet sind. Der elektroakustische Resonator und die Spule können Teil eines Nebenschlusspfades sein und können im Nebenschlusspfad in Reihe geschaltet werden.
Nach mindestens einer Ausführungsform befinden sich die dielektrische Schicht und die fallenreiche Schicht zwischen der Spule und dem Trägersubstrat. Insbesondere durchdringt das von der Spule im bestimmungsgemäßen Betrieb der elektrischen Komponente erzeugte Magnetfeld die dielektrische Schicht und die fallenreiche Schicht. Zum Beispiel befinden sich die fallenreiche Schicht und die dielektrische Schicht zwischen jedem Teil der Spule und dem Trägersubstrat, insbesondere zwischen jeder Wicklung der Spule und dem Trägersubstrat. Mit anderen Worten, wenn die Spule, die dielektrische Schicht und die fallenreiche Schicht auf die Oberseite projiziert werden, überlappen alle drei Elemente einander. Beispielsweise überlappt die Spule in dieser Projektion vollständig mit der fallenreichen Schicht und/oder der dielektrischen Schicht.
Gemäß mindestens einer Ausführungsform basiert das Trägersubstrat auf einem Halbleitermaterial. Dies bedeutet, dass das Trägersubstrat neben Verunreinigungen und Dotierstoffen auch das Halbleitermaterial aufweist. Das Halbleitermaterial ist z.B. Silizium. Das Halbleitermaterial kann dotiert sein, z.B. n-dotiert oder p-dotiert. Eine Dotierungskonzentration kann mindestens 1 · 10¹⁴ cm^-3 oder mindestens 1 · 10¹⁵ cm^-3 oder mindestens 1 ·10¹⁶ cm^-3 betragen. Zum Beispiel beträgt der spezifische Widerstand des Trägersubstrats mindestens 500 Ω · cm.
Gemäß mindestens einer Ausführungsform hat die fallenreiche Schicht eine höhere Dichte an Ladungsträgerfallen als das Trägersubstrat. Insbesondere weist die fallenreiche Schicht eine höhere Fallendichte für diejenigen Ladungsträger auf, die die Mehrheit der Ladungsträger im Trägersubstrat ausmachen.
Die Ladungsträgerfallen in der fallenreichen Schicht können eine mittlere Tiefe E_t von mindestens k . T haben, zum Beispiel von mindestens 10 · k · T, wobei k die Boltzmann-Konstante, T die Raumtemperatur oder die Betriebstemperatur und E_t die Energie ist, die erforderlich ist, um ein Elektron oder Loch aus der Falle in das Valenz- oder Leitungsband zu entfernen. Die Ladungsträgerfallen können durch Oberflächenzustände, kristallographische Defekte und/oder Verunreinigungen, wie Übergangsmetalle, insbesondere Eisen, Nickel, Kupfer, Gold oder Silber, realisiert werden. Insbesondere bei Ladungsträgerfallen, die durch Verunreinigungen induziert werden, kann das Basismaterial der fallenreichen Schicht und des Trägersubstrats das gleiche sein. Zum Beispiel wird die fallenreiche Schicht durch das Implantieren von Verunreinigungen in das Trägersubstrat gebildet.
Gemäß mindestens einer Ausführungsform beträgt der Abstand zwischen der Spule und der Oberseite des Trägersubstrats höchstens 120 µm oder höchstens 80 µm oder höchstens 60 µm oder höchstens 40 µm oder höchstens 5 µm. Der Abstand zwischen zwei Elementen ist definiert als die kürzeste Verbindung zwischen den beiden Elementen. Insbesondere der Abstand zwischen einem elektrisch leitenden Teil der Spule und der Oberseite des Trägersubstrats oder zwischen dem Schwerpunkt der Spule und der Oberseite ist durch die oben genannten Werte gegeben.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst die elektrische Komponente ein Trägersubstrat mit einer Oberseite, einer fallenreichen Schicht auf der Oberseite, einer dielektrischen Schicht auf der fallenreichen Schicht, einem elektroakustischen Resonator auf der dielektrischen Schicht und einer Spule. Die dielektrische Schicht und die fallenreiche Schicht befinden sich zwischen der Spule und dem Trägersubstrat. Das Trägersubstrat basiert auf einem Halbleitermaterial. Die fallenreiche Schicht hat eine höhere Dichte an Ladungsträgerfallen als das Trägersubstrat.
Im Allgemeinen werden Spulen in elektrischen Komponenten, insbesondere in elektrischen Filtern, verwendet, um die Leistungsfähigkeit in Bezug auf Anpassung, Auswahl, Isolierung und Bandbreite zu verbessern. Die kritischen Parameter einer solchen Spule sind ihre Induktivität und ihr Gütefaktor (Q-Wert). Der Q-Wert hat oft einen direkten Einfluss auf die Einfügungsdämpfung des Filters, auf die Steilheit der Filterflanke und auf die Tiefe des Übertragungsnullpunktes. Im Allgemeinen ist ein hoher Q-Wert erwünscht.
Es gibt elektrische Komponenten, bei denen die akustischen Strukturen nicht nur auf einem piezoelektrischen Substrat aufgebracht sind, sondern bei denen ein Mehrschichtsubstrat verwendet wird. Ein solches Mehrschichtsubstrat umfasst im Allgemeinen ein dickeres Halbleiterträgersubstrat, eine dünnere dielektrische Schicht und eine dünne piezoelektrischen Schicht. Der Grund dafür ist, dass mit einem solchen Mehrschichtsubstrat ein höherer Q-Wert und eine geringere Temperaturabhängigkeit erreicht werden kann. Typischerweise bildet sich jedoch eine leitende Schicht zwischen der dielektrischen Schicht und dem Trägersubstrat, wobei die leitende Schicht eine Dicke von etwa 100 nm hat. Diese leitende Schicht wird als parasitäre Oberflächenleitungsschicht (Parasitic Surface Conduction, PSC) bezeichnet. Die PSC-Schicht entsteht z.B., wenn die dielektrische Schicht positive Ladungsträger aufweist, die freie negative Ladungsträger des Halbleiterträgersubstrats anziehen. Diese freien negativen Ladungsträger des Trägersubstrats agglomerieren an der Grenzfläche zur dielektrischen Schicht und bilden die PSC-Schicht. Die Dicke und die Leitfähigkeit der PSC-Schicht hängen natürlich von mehreren Faktoren ab, wie der Dotierungskonzentration des Trägersubstrats, dem Widerstand im Trägersubstrat und der Anzahl der Ladungsträger in der dielektrischen Schicht.
Um Platz zu sparen, werden Spulen in elektrischen Komponenten oft in der Nähe des elektroakustischen Resonators angeordnet. Infolgedessen durchdringt das von der Spule erzeugte Magnetfeld oft die PSC-Schicht. Die daraus resultierenden Wirbelströme in der PSC-Schicht reduzieren den Q-Wert der Spule, wodurch die gesamte Leistungsfähigkeit der elektrischen Komponente vermindert wird.
Die vorliegende Erfindung basiert unter anderem auf der Idee, dass eine fallenreiche Schicht zwischen der dielektrischen Schicht und dem Trägersubstrat im Bereich der Spule die Beweglichkeit der freien Ladungsträger in der PSC-Schicht deutlich reduzieren kann. Dadurch wird der Q-Wert der Spule vergleichbar mit dem Fall, dass keine PSC-Schicht vorhanden ist.
Nach mindestens einer Ausführungsform beträgt die Dichte der Ladungsträgerfallen in der fallenreichen Schicht mindestens das 10-fache oder mindestens das 100-fache oder mindestens das 1000-fache oder mindestens das 10,000-fache oder mindestens das 100,000-fache der Dichte der Ladungsträgerfallen im Trägersubstrat.
Gemäß mindestens einer Ausführungsform hat die fallenreiche Schicht eine Ladungsträgerfallendichte von mindestens 10¹¹ cm^-2 eV^-1 oder mindestens 5 · 10¹¹ cm^-2 eV^-1 oder mindestens 10¹² cm^-2 eV^-1. Hier sind die Ladungsträgerfallen über die Dicke der fallenreichen Schicht integriert. Zusätzlich oder alternativ hat die fallenreiche Schicht eine Ladungsträgerfallendichte von mindestens 10¹⁹ cm^-3 eV^-1 oder mindestens 10²⁰ cm^-3 eV^-1 oder mindestens 10²¹ cm^-3 eV^-1.
Gemäß mindestens einer Ausführungsform basiert die fallenreiche Schicht auf polykristallinem Silizium oder amorphem Silizium.
Das Trägersubstrat basiert gemäß mindestens einer Ausführungsform auf kristallinem Silizium.
Ein Element basiert auf einem bestimmten Material, wenn das Element im Wesentlichen aus diesem Material besteht. Im Element können jedoch noch Verunreinigungen oder Dotierstoffe vorhanden sein.
Gemäß mindestens einer Ausführungsform ist die dielektrische Schicht eine Siliziumoxidschicht, insbesondere eine SiO2-Schicht.
Gemäß mindestens einer Ausführungsform hat die Spule mindestens eine Wicklung oder mindestens zwei Wicklungen oder mindestens drei Wicklungen oder mindestens vier Wicklungen oder mindestens fünf Wicklungen.
Nach mindestens einer Ausführungsform ist die Spule eine Flachspule. Die Spule kann aber auch eine mehrlagige Spule sein. Insbesondere kann die Spule aus Leiterbahnen gebildet sein. Die Dicke der leitenden Wicklungen der Spule kann zwischen 1 µm und einschließlich 25 µm liegen.
Nach mindestens einer Ausführungsform ist der elektroakustische Resonator ein SAW-Resonator mit einer piezoelektrischen Schicht und einer interdigitalen Elektrodenstruktur.
Die piezoelektrische Schicht umfasst zum Beispiel: LiTaO₃, LiNbO₃ oder Quarz. Die mittlere Dicke der piezoelektrischen Schicht kann höchstens 10 µm oder höchstens 5 µm oder höchstens 1 µm oder höchstens 500 nm betragen. Zusätzlich oder alternativ kann die mittlere Dicke der piezoelektrischen Schicht mindestens 10 nm oder mindestens 100 nm oder mindestens 500 nm betragen.
Die interdigitale Elektrodenstruktur umfasst zwei Elektroden, jede mit einer Vielzahl von Fingern. Die Finger der Elektroden interdigitalisieren miteinander (sind ineinander verzahnt). Zum Beispiel umfasst jede Elektrode mindestens 50 oder mindestens 100 Fingern. Die Finger einer Elektrode verlaufen im Wesentlichen parallel zueinander und sind durch eine Stromschiene elektrisch miteinander verbunden. Die Elektroden sind ein elektrisch leitendes Material, zum Beispiel ein Metall gefertigt. Die Elektroden können ein oder mehrere der folgenden Materialien umfassen: Al, Cu, Pd, Ti, Ni, Mo, W, Au.
Gemäß mindestens einer Ausführungsform befindet sich die piezoelektrische Schicht zwischen der dielektrischen Schicht und der interdigitalen Elektrodenstruktur. Insbesondere kann die piezoelektrische Schicht in direktem Kontakt mit der dielektrischen Schicht stehen. Die piezoelektrische Schicht kann ohne Unterbrechungen aneinander angrenzend und/oder in einem Stück ausgebildet sein. Die piezoelektrische Schicht kann mindestens 50 %, mindestens 75 % oder mindestens 90 % der dielektrischen Schicht bedecken. Die interdigitale Elektrodenstruktur, insbesondere die elektrisch leitenden Elektroden, können direkt auf die piezoelektrische Schicht aufgebracht werden.
Gemäß mindestens einer Ausführungsform überlappen sich die interdigitale Elektrodenstruktur, insbesondere die Finger der Elektroden, und die Spule, insbesondere die Wicklungen der Spule, wenn beide auf die Oberseite projiziert werden. Mit anderen Worten, entweder befindet sich die Spule zwischen der interdigitalen Elektrodenstruktur und der Oberseite des Trägersubstrats oder die interdigitale Elektrodenstruktur befindet sich zwischen der Spule und der Oberseite des Trägersubstrats.
Alternativ ist es aber auch möglich, dass sich die interdigitale Elektrodenstruktur und die Wicklungen der Spule nicht überlappen, wenn beide auf die Oberseite projiziert werden. In diesem Fall kann die interdigitale Elektrodenstruktur neben der Spule auf der Oberseite angeordnet sein.
Gemäß mindestens einer Ausführungsform ist die Spule auf dem Trägersubstrat angeordnet und wird vom Trägersubstrat getragen. Die Spule ist also indirekt mit dem Trägersubstrat verbunden. Beispielsweise wird die Spule direkt auf der piezoelektrischen Schicht oder auf der dielektrischen Schicht platziert. In diesem Fall beträgt der Abstand zwischen der Spule und der Oberseite des Trägersubstrats z.B. höchstens 10 µm oder höchstens 5 µm oder höchstens 2 µm.
Gemäß mindestens einer Ausführungsform umfasst die elektrische Komponente ein weiteres Trägersubstrat. Das weitere Trägersubstrat unterscheidet sich vom Trägersubstrat und ist z.B. selbsttragend. Das weitere Trägersubstrat kann auf einem Halbleitermaterial, wie Silizium, oder auf einem dielektrischen Material, wie Glas oder Keramik, basieren.
Nach mindestens einer Ausführungsform ist die Spule auf dem weiteren Trägersubstrat platziert und wird von dem weiteren Trägersubstrat getragen. Die Spule ist also direkt oder indirekt mit dem weiteren Trägersubstrat verbunden.
Gemäß mindestens einer Ausführungsform sind das Trägersubstrat und das weitere Trägersubstrat mechanisch miteinander verbunden. Insbesondere sind das Trägersubstrat und das weitere Trägersubstrat so miteinander verbunden, dass bei der Projektion der Spule auf das Trägersubstrat die Spule mit der fallenreichen Schicht überlappt.
Das Trägersubstrat und das weitere Trägersubstrat können durch einen dielektrischen Film oder durch einen Metallrahmen miteinander verbunden sein. Es können auch elektrisch leitende Verbindungselemente zwischen dem Trägersubstrat und dem weiteren Trägersubstrat vorhanden sein. Das Trägersubstrat und das weitere Trägersubstrat können so miteinander verbunden sein, dass die Seiten des Trägersubstrats und des weiteren Trägersubstrats, auf denen sich der elektroakustische Resonator und die Spule befinden, einander zugewandt sind. Das Trägersubstrat und das weitere Trägersubstrat können elektrisch miteinander verbunden sein. Während des bestimmungsgemäßen Betriebs der elektrischen Komponente kann ein elektrischer Strom vom Trägersubstrat zum weiteren Trägersubstrat fließen oder umgekehrt.
Auf das weitere Trägersubstrat ist nach mindestens einer Ausführungsform ein weiterer elektroakustischer Resonator aufgebracht. Der weitere elektroakustische Resonator ist z.B. mit dem elektroakustischen Resonator gekoppelt. Der weitere elektroakustische Resonator kann ein BAW-Resonator oder ein SAW-Resonator sein. Der weitere elektroakustische Resonator kann auf der gleichen Seite des weiteren Trägersubstrats wie die Spule angeordnet sein.
Nach mindestens einer Ausführung ist zwischen dem elektroakustischen Resonator und der Spule ein gasgefüllter, insbesondere luftgefüllter Zwischenraum ausgebildet. Insbesondere wird der elektroakustische Resonator in einem gasgefüllten Hohlraum platziert, so dass er vor mechanischer Belastung geschützt ist. Der gasgefüllte Hohlraum wird beispielsweise von einer dielektrischen Kappe umschlossen. Die Spule kann auf die dielektrische Kappe auf der dem gasgefüllten Hohlraum abgewandten Seite der dielektrischen Kappe aufgebracht sein.
Der elektroakustische Resonator hat nach mindestens einer Ausführungsform eine Resonanzfrequenz von mindestens 0,5 GHz oder mindestens 3 GHz oder mindestens 5 GHz oder mindestens 6 GHz. Dasselbe kann für den weiteren elektroakustischen Resonator oder für alle elektroakustischen Resonatoren der elektrischen Komponente gelten. Die elektrische Komponente ist zum Beispiel ein elektrischer Filter, wie ein Bandpassfilter.
Die elektrische Komponente kann in einem Multiplexer, wie einem Duplexer oder Quadplexer oder Pentaplexer, verwendet werden. Die elektrische Komponente kann in einem Kommunikationsgerät, wie einem Mobiltelefon, verwendet werden.
Weitere Ausführungsformen und Weiterentwicklungen der elektrischen Komponente werden im Folgenden im Zusammenhang mit den Abbildungen beschrieben. Gleiche oder ähnliche Elemente sowie Elemente mit gleicher Funktion werden in den Abbildungen mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Abbildungen und die Proportionen der in den Abbildungen dargestellten Elemente sind nicht als maßstabsgetreu anzusehen. Vielmehr können einzelne Elemente, insbesondere Schichten, zur besseren Darstellung und/oder zum besseren Verständnis vergrößert dargestellt sein.
In den Abbildungen:

Die , , bis zeigen beispielhafte Ausführungsformen der elektrischen Komponente,
zeigt ein vergleichendes Beispiel für eine elektrische Komponente,
zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Spule,
Die , , und zeigen Simulationsergebnisse von charakteristischen Merkmalen einer Spule in verschiedenen elektrischen Komponenten.

zeigt eine erste beispielhafte Ausführungsform einer elektrischen Komponente im Querschnitt. Die elektrische Komponente ist z.B. ein Bandpassfilter für ein Mobiltelefon. Die elektrische Komponente umfasst ein Trägersubstrat 1. Das Trägersubstrat 1 basiert z.B. auf kristallinem Silizium. Das Silizium kann dotiert sein. Auf einer Oberseite 10 des Trägersubstrats 1 ist eine fallenreiche Schicht 2 gebildet. Die fallenreiche Schicht 2 wird direkt auf die Oberseite 10, d.h. direkt auf das Silizium des Trägersubstrats 1 aufgebracht. Die fallenreiche Schicht 2 basiert z.B. auf polykristallinem Silizium oder amorphem Silizium. Insbesondere hat die fallenreiche Schicht 2 eine deutlich höhere Dichte an Ladungsträgerfallen, wie kristallographische Defekte, als das Trägersubstrat 1. Die mittlere Dicke der fallenreichen Schicht 2 beträgt z.B. 1 µm.
Auf der fallenreichen Schicht 2 befindet sich auf der dem Trägersubstrat 1 abgewandten Seite eine dielektrische Schicht 3. Die dielektrische Schicht 3 kann direkt auf die fallenreiche Schicht 2 aufgebracht sein. Die dielektrische Schicht 3 basiert z.B. auf SiO₂. Eine mittlere Dicke der dielektrischen Schicht 3 beträgt z.B. 1µm.
Die elektrische Komponente umfasst ferner eine piezoelektrische Schicht 40, die auf der dielektrischen Schicht 3, insbesondere direkt auf der dielektrischen Schicht 3, angeordnet ist. Die piezoelektrische Schicht 40 ist z.B. gebildet aus LiTaO₃ oder LiNbO₃. Die mittlere Dicke der piezoelektrischen Schicht 40 beträgt z.B. 1 µm.
Auf einer vom Trägersubstrat 1 abgewandten Seite der piezoelektrischen Schicht 40 ist eine interdigitale Elektrodenstruktur 41 angebracht. Die interdigitale Elektrodenstruktur 41 umfasst zwei Elektroden mit jeweils einer Vielzahl von Fingern, wobei die Finger beider Elektroden miteinander interdigitalisiert sind. Die interdigitale Elektrodenstruktur 41 und die piezoelektrische Schicht 40 bilden zusammen einen SAW-Resonator 4.
Darüber hinaus wird auf der gleichen Seite der piezoelektrischen Schicht 40, auf der sich die interdigitale Elektrodenstruktur 41 befindet, eine Spule 5 platziert. Die Spule 5 umfasst mehrere Windungen und ist z.B. aus einem Metall gefertigt. Die Spule 5 wird neben der interdigitalen Elektrodenstruktur 41 platziert. Die Spule 5 ist z.B. in Reihe oder parallel zum SAW-Resonator 4 geschaltet.
Die fallenreiche Schicht 2 zwischen der dielektrischen Schicht 3 und dem Trägersubstrat 1 hat den technischen Vorteil, dass sie die Erzeugung einer Parasitic Surface Conduction (PSC)-Schicht zwischen der dielektrischen Schicht 3 und dem Trägersubstrat 1 unterdrückt. Eine solche PSC-Schicht kann den Q-Wert der Spule 5 deutlich reduzieren.
zeigt ein vergleichendes Beispiel einer elektrischen Komponente, in der keine solche fallenreiche Schicht verwendet wird. Die dielektrische Schicht 3 wird direkt auf das Trägersubstrat 1 aufgebracht. Eine z.B. aus SiO2 gebildete dielektrische Schicht 3 umfasst in der Regel positive Ladungsträgern, die freie negative Ladungsträger des Siliziumträgersubstrats 1 anziehen. Diese negativen Ladungsträger agglomerieren im Bereich der Grenzfläche zwischen der dielektrischen Schicht 3 und dem Trägersubstrat 1 und bilden die PSC-Schicht, die im Vergleich zum übrigen Trägersubstrat 1 eine erhöhte Leitfähigkeit aufweist. Wenn das Magnetfeld der Spule 5 die PSC-Schicht durchdringt, entstehen Wirbelströme, die den Q-Wert der Spule 5 verringern.
zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der Spule 5, die in der elektrischen Komponente verwendet werden kann, zum Beispiel in der beispielhaften Ausführungsform von . Die Spule 5 ist eine aus Leiterbahnen gebildete Flachspule. Die Spule 5 umfasst einen Eingangs- und einen Ausgangsanschluss und drei Wicklungen. Die Spule hat zum Beispiel eine Induktivität von 2,5 nH, wenn eine Wechselspannung mit einer Frequenz von 1 MHz angelegt wird.
zeigt die simulierte Induktivität der Spule 5 aus bei Verwendung in einer elektrischen Komponente. Auf der y-Achse ist die Induktivität in nH dargestellt. Auf der x-Achse ist die Frequenz (in GHz) einer an die Spule 5 angelegten Wechselspannung dargestellt. Die mit dem Bezugszeichen C1 gekennzeichnete Kurve zeigt das Ergebnis bei Verwendung der Spule 5 als Spule 5 in der beispielhaften Ausführungsform von , in der eine fallenreiche Schicht 2 verwendet wird. Die mit dem Vorzeichen C2 gekennzeichnete Kurve zeigt den Fall, dass die Spule 5 als Spule 5 im Vergleichsbeispiel von verwendet wird, wenn keine solche fallenreiche Schicht verwendet wird. Eine Antiresonanz in der Induktivität erscheint in Kurve C2. Diese Antiresonanz wird unterdrückt, wenn die fallenreiche Schicht 2 verwendet wird.
zeigt den simulierten Q-Wert für beide Fälle. Die x-Achse stellt wiederum die Frequenz der Wechselspannung in GHz dar. Die y-Achse zeigt den Q-Wert. Es ist deutlich sichtbar, dass die fallenreiche Schicht den Q-Wert deutlich verbessert.
zeigt eine zweite beispielhafte Ausführungsform der elektrischen Komponente. Im Unterschied zu befindet sich die Spule 5 nicht auf dem Trägersubstrat 1, sondern auf einem weiteren Trägersubstrat 6. Das weitere Trägersubstrat 6 ist z.B. aus einem keramischen Werkstoff gefertigt. Das Trägersubstrat 1 und das weitere Trägersubstrat 6 sind durch Verbindungselemente 60, z.B. in Form eines Cu-Rahmens, mechanisch miteinander verbunden. In diesem Fall ist der Abstand zwischen der Spule 5 und der Oberseite 10 des Trägersubstrats 1 gegenüber dem Fall in vergrößert. Zum Beispiel beträgt der Abstand im Fall von 30 µm.
zeigt die Simulationsergebnisse für den Q-Wert für die beispielhafte Ausführungsform von (Kurve C₁) im Vergleich zu dem Fall, bei dem das gleiche Design wie in verwendet wird, jedoch ohne die fallenreiche Schicht (Kurve C2). Die y-Achse und die x-Achse zeigen dasselbe wie in .
Wie in zu sehen ist, hat sich zwar der Abstand zwischen der Spule 5 und der Oberseite 10 des Substrats 1 deutlich vergrößert, aber die positive Wirkung der fallenreichen Schicht auf den Q-Wert der Spule 5 ist immer noch vorhanden.
zeigt das Ergebnis für das gleiche Design wie in , aber für den Fall, dass der Abstand zwischen der Oberseite 10 des Trägersubstrats 1 und der Spule 5 weiter auf bis zu 120 µm vergrößert wird. Auch hier verbessert die Verwendung einer fallenreichen Schicht (Kurve C₁) den Q-Wert der Spule 5 im Vergleich zu dem Fall, in dem keine fallenreiche Schicht verwendet wird (Kurve C2).
zeigt eine dritte beispielhafte Ausführungsform einer elektrischen Komponente. Hier umfasst die elektrische Komponente ein Trägersubstrat 1 und ein weiteren Trägersubstrat 6, die durch Verbindungselemente 60 miteinander verbunden sind. Die beiden Trägersubstrate 1, 6 basieren z.B. auf kristallinem Silizium. Auf den Oberseiten der beiden Substrate 1, 6 werden eine fallenreiche Schicht 2, gefolgt von einer dielektrischen Schicht 3 und einer piezoelektrischen Schicht 40 gebildet. Die fallenreichen Schichten 2 basieren z.B. auf polykristallinem Silizium oder amorphem Silizium. Die dielektrischen Schichten 3 basieren z.B. auf SiO₂. Auf den beiden piezoelektrischen Schichten 40 werden interdigitale Elektrodenstrukturen 41 gebildet, die zusammen mit der piezoelektrischen Schicht 40 jeweils einen SAW-Resonator bilden. Auf jedem Trägersubstrat 1, 6 wird solch ein SAW-Resonator 4 gebildet.
Die Spule 5 ist auf das weitere Trägersubstrat 6 aufgebracht und ist mit dem weiteren Trägersubstrat 6 verbunden und von diesem getragen. In der beispielhaften Ausführungsform der wirken sich sowohl die fallenreiche Schicht 2 auf dem weiteren Trägersubstrat 6 als auch die fallenreiche Schicht 2 auf dem Trägersubstrat 1 positiv auf den Q-Wert der Spule 5 aus. Da jedoch die dem weiteren Trägersubstrat 6 zugeordnete fallenreiche Schicht 2 viel näher an der Spule 5 liegt als die dem Trägersubstrat 1 zugeordnete fallenreiche Schicht 2, ist der Effekt der ersteren viel größer.
zeigt eine vierte beispielhafte Ausführungsform der elektrischen Komponente. Im Unterschied zu der beispielhaften Ausführungsform in ist die piezoelektrische Schicht 40 direkt auf dem weiteren Trägersubstrat 6 angeordnet. In diesem Fall ist das weitere Trägersubstrat 6 z.B. auf Glasbasis aufgebaut. In diesem Fall wird auf dem Trägersubstrat 6 keine PSC-Schicht gebildet und daher keine fallenreiche Schicht verwendet. Dennoch wirkt sich die dem Trägersubstrat 1 zugeordnete fallenreiche Schicht 2 weiterhin positiv auf den Q-Wert der Spule 5 aus.
In der fünften beispielhaften Ausführungsform von ist das weitere Trägersubstrat 6 ein Laminat, in das die Spule 5 eingebettet ist. Insbesondere ist die Spule 5 in ein dielektrisches Material des Laminats, zum Beispiel in ein Polymer, eingebettet.
In den beispielhaften Ausführungsformen der bis wurde die Spule 5 immer über der interdigitalen Elektrodenstruktur 41 eines SAW-Resonators 4 so platziert, dass sich sowohl die interdigitale Elektrodenstruktur 41 als auch die Spule 5 bei der Projektion auf die Oberseite 10 des Trägersubstrats 1 überlappen. Die Spule 5 war jedoch in allen Fällen durch einen gasgefüllten Zwischenraum vom SAW-Resonator 4 getrennt.
In der sechsten beispielhaften Ausführungsform der ist die Spule 5 wiederum über dem SAW-Resonator 4 angeordnet und durch einen gasgefüllten Zwischenraum vom SAW-Resonator 4 getrennt. Der gasgefüllte Zwischenraum wird hier durch zwei dielektrische Schichten 8, 9 gebildet, die eine dielektrische Kappe bilden, die einen gasgefüllten Hohlraum umschließt. Die interdigitale Elektrodenstruktur 41 des SAW-Resonators 4 befindet sich in dem Hohlraum und ist durch die dielektrische Kappe 8, 9 vor äußeren Einflüssen geschützt. Auf einer dem Hohlraum abgewandten Seite der dielektrischen Kappe 8, 9 ist die Spule 5 ausgebildet. Auch in diesem Fall verbessert die fallenreiche Schicht 2 den Q-Wert der Spule 5.
Die hier beschriebene Erfindung wird durch die Beschreibung in Verbindung mit den beispielhaften Ausführungsformen nicht eingeschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, insbesondere auch jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination als solche in den Patentansprüchen oder beispielhaften Ausführungsformen nicht ausdrücklich genannt ist.
Bezugszeichenliste

1: Trägersubstrat
2: fallenreiche Schicht
3: dielektrische Schicht
4: elektroakustischer Resonator
5: Spule
6: weitere Trägersubstrate
8: dielektrische Schicht
9: dielektrische Schicht
10: Oberseite des Trägersubstrats 1
40: piezoelektrische Schicht
41: Interdigitaler Elektrodenstruktur
60: Verbindungselement
C1: Simulationskurve
C2: Simulationskurve

Claims

Elektrische Komponente aufweisen: - ein Trägersubstrat (1) mit einer Oberseite (10), - eine fallenreiche Schicht (2) an der Oberseite (10), - eine dielektrische Schicht (3) auf der fallenreichen Schicht (2), - einen elektroakustischen Resonator (4) auf der dielektrischen Schicht (3), - eine Spule (5), wobei - die dielektrische Schicht (3) und die fallenreiche Schicht (2) sich zwischen der Spule (5) und dem Trägersubstrat (1) befinden, - das Trägersubstrat (1) auf einem Halbleitermaterial basiert, - die fallenreiche Schicht (2) eine höhere Ladungsträgerfallendichte aufweist als das Trägersubstrat (1).
Elektrische Komponente nach Anspruch 1, wobei ein Abstand zwischen der Spule (5) und der Oberseite (10) des Trägersubstrats (1) höchstens 120 µm beträgt.
Elektrische Komponente nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ladungsträgerfallendichte in der fallenreichen Schicht (2) mindestens das Zehnfache der Ladungsträgerfallendichte im Trägersubstrat (1) beträgt.
Elektrische Komponente nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die fallenreiche Schicht (2) eine Ladungsträgerfallendichte von mindestens 10¹¹ cm^-2 eV^-1 aufweist.
Elektrische Komponente nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei - die fallenreiche Schicht (2) auf einem polykristallinen Silizium oder amorphem Silizium basiert, - das Trägersubstrat (1) auf kristallinem Silizium basiert.
Elektrische Komponente nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die dielektrische Schicht (3) eine Siliziumoxidschicht ist.
Elektrische Komponente nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Spule (5) mindestens zwei Windungen hat.
Elektrische Komponente nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Spule (5) eine Flachspule ist.
Elektrische Komponente nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Abstand zwischen der Spule (5) und der Oberseite (10) des Trägersubstrats (1) höchstens 40 µm beträgt.
Elektrische Komponente nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei - der elektroakustische Resonator (4) ein SAW-Resonator mit einer piezoelektrischen Schicht (40) und einer interdigitalen Elektrodenstruktur (41) ist, - die piezoelektrische Schicht (40) sich zwischen der dielektrischen Schicht (3) und der interdigitalen Elektrodenstruktur (41) befindet.
Elektrische Komponente nach Anspruch 10, wobei die interdigitale Elektrodenstruktur (41) und die Spule (5) einander überlappen, wenn sie auf die Oberseite (10) projiziert werden.
Elektrische Komponente nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Spule (5) auf dem Trägersubstrat (1) angeordnet ist und von dem Trägersubstrat (1) getragen wird.
Elektrische Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei - die elektrische Komponente ein weiteres Trägersubstrat (6) umfasst, - die Spule (5) auf dem weiteren Trägersubstrat (6) angeordnet ist und von dem weiteren Trägersubstrat (6) getragen wird, - das Trägersubstrat (1) und das weitere Trägersubstrat (6) mechanisch miteinander verbunden sind.
Elektrische Komponente nach dem vorstehenden Anspruch, wobei auf dem weiteren Trägersubstrat (6) ein weiterer elektroakustischer Resonator (4) angeordnet ist.
Elektrische Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem elektroakustischen Resonator (4) und der Spule (5) ein gasgefüllter Zwischenraum gebildet ist.
Elektrische Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der elektroakustische Resonator (4) eine Resonanzfrequenz von mindestens 3 GHz aufweist.