DE102020129294A1

DE102020129294A1 - SAW-Bauelement und Verfahren zu dessen Betrieb und Verwendung

Info

Publication number: DE102020129294A1
Application number: DE102020129294.5A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Priority date: 2020-11-06
Filing date: 2020-11-06
Publication date: 2022-05-12
Also published as: WO2022096623A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein SAW-Bauelement (1) mit einem Substrat (2) und zumindest einer auf dem Substrat angeordneten piezoelektrischen Schicht (3) und zumindest einem auf der piezoelektrischen Schicht (3) angeordneten Wandler (4), wobei das Substrat (2) und die piezoelektrische Schicht (3) jeweils ein Material enthalten oder daraus bestehen, welches ein wirteliges Kristallsystem bildet und das Substrat (2) zumindest eine erste Seite (21) aufweist, welche in der r-Ebene (1102) orientiert ist, und die piezoelektrische Schicht (3) zumindest eine erste Seite (31) aufweist, welche in der a-Ebene (1120) orientiert ist, wobei die erste Seite (21) des Substrates (2) und die erste Seite (31) der piezoelektrischen Schicht (3) in etwa parallel zueinander angeordnet sind und der Wandler (4) zumindest eine Metallschicht enthält oder daraus besteht, welche eine Mehrzahl von Kontaktfingern (45) umfasst, deren Länge (1) jeweils größer ist als die Breite (b) und deren Länge (1) mit der c-Achse der piezoelektrischen Schicht (3) einen Winkel von etwa 40° bis etwa 80° einschließt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines solchen SAW-Bauelementes (1) und dessen Verwendung.

Description

Die Erfindung betrifft ein SAW-Bauelement mit einem Substrat und zumindest einer auf dem Substrat angeordneten piezoelektrischen Schicht und zumindest einem auf der piezoelektrischen Schicht angeordneten Wandler. Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung eines solchen SAW-Bauelementes sowie ein Verfahren zum Betrieb eines SAW-Bauelementes. Bauelemente und Verfahren dieser Art können als Sensorelement oder als Teil einer Filterschaltung eingesetzt werden.
Aus A. Ding, L. Kirste, Y. Lu, R. Driad, N. Kurz, V. Lebedev, T. Christoph, N. Feil, R. Lozar, T. Metzger, O. Ambacher und A. Zukauskaite: „Enhanced electromechanical coupling in SAW resonators based on sputtered non-polar Al_0,77Sc_0,23N (1120) thin films“ , Appl. Phys. Lett. 116, 101903 (2020) ist ein SAW-Bauelement bekannt, bei welchem Al_0,77Sc_0,23N auf Al₂O₃ abgeschieden und auf der Oberfläche mit einem Wandler versehen wird. Bei Betrieb des Bauelementes können über den Wandler Rayleigh-Wellen und Sezawa-Wellen in der piezoelektrischen Schicht angeregt werden. Das SAW-Bauelement kann sodann beispielsweise als Hochfrequenzfilter für die Drahtloskommunikation eingesetzt werden.
Dieses bekannte SAW-Bauelement weist den Nachteil auf, dass die elektromechanische Kopplung zwischen dem Wandler und der piezoelektrischen Schicht ungenügend ist, so dass der Hochfrequenzfilter eine unzureichende Resonanzfrequenz und/oder eine unzureichende Resonatorgüte und/oder eine unzureichende Bandbreite aufweist.
Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, ein SAW-Bauelement mit höherer Bandbreite und/oder höherer Resonanzfrequenz und/oder verbesserter Güte anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, eine Verwendung nach Anspruch 8 und ein Verfahren nach Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird ein SAW-Bauelement vorgeschlagen, welches zumindest ein Substrat und zumindest eine auf dem Substrat angeordnete piezoelektrische Schicht aufweist. Das Substrat enthält zumindest an der der piezoelektrischen Schicht zugewandten ersten Seite ein Material, welches ein wirteliges Kristallsystem bildet. In anderen Ausbildungsformen der Erfindung kann das Substrat vollständig aus einem Material bestehen, welches ein wirteliges Kristallsystem bildet. Auch das Material der piezoelektrischen Schicht bildet ein solches wirteliges Kristallsystem aus. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung wird unter einem wirteligen Kristallsystem ein Kristall mit einer Einheitszelle verstanden, welche genau eine Drehachse mit einer höheren Zähligkeit als 2 besitzt. Somit kann das wirtelige Kristallsystem ausgewählt sein aus einem trigonalen, einem tetragonalen oder einem hexagonalen Kristallsystem. Diese ausgezeichnete Drehachse wird in der nachfolgenden Beschreibung als c-Richtung bzw. c-Achse bezeichnet.
Die piezoelektrische Schicht kann beispielsweise ein Gruppe-III-Nitrid enthalten oder daraus bestehen. Insbesondere kann die piezoelektrische Schicht GaN oder AlN oder AlScN enthalten oder daraus bestehen. Die piezoelektrische Schicht kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung aus einer Mehrzahl von Einzelschichten zusammengesetzt sein, welche übereinander abgeschieden sind und jeweils unterschiedliche Zusammensetzungen und/oder Dotierungen aufweisen.
Das Substrat kann in einigen Ausführungsformen ausgewählt sein aus einem Oxid, einem Nitrid, einem Oxynitrid oder einem Elementhalbleiter. Dementsprechend kann das Substrat in einigen Ausführungsformen der Erfindung ausgewählt sein aus Silizium, Diamant, Siliziumoxid, Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid oder Saphir. Das Substrat kann einkristallin sein. Weiterhin kann das Substrat in einigen Ausführungsformen der Erfindung selbst wiederum beschichtet und/oder strukturiert sein. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Substrat aktive oder passive Halbleiterkomponenten enthalten und beispielsweise Teil eines integrierten Schaltkreises sein.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung weist das Substrat eine erste Seite und eine gegenüberliegende zweite Seite auf. Die erste Seite kann unmittelbar oder unter Verwendung von Zwischenschichten mit der piezoelektrischen Schicht beschichtet sein. Eine Zwischenschicht kann insbesondere dazu eingerichtet und bestimmt sein, eine elektrische Isolation zwischen der piezoelektrischen Schicht und dem Substrat zu bewirken und/oder eine Gitterfehlanpassung zu reduzieren und/oder die Haftfestigkeit der piezoelektrischen Schicht auf dem Substrat zu erhöhen. Eine solche Zwischenschicht ist jedoch optional und kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung auch entfallen.
Zumindest die erste Seite des Substrates ist in der r-Ebene (1102) orientiert, wobei die Kristallrichtungen in der vorliegenden Beschreibung als Bravais-Miller-Indices angegeben werden.
Die piezoelektrische Schicht weist zumindest eine erste Seite auf, welche in der a-Ebene (1120) orientiert ist, wobei die erste Seite des Substrates und die erste Seite der piezoelektrischen Schicht in etwa parallel zueinander angeordnet sind. Somit ist die c-Achse der piezoelektrischen Schicht orthogonal zum Normalenvektor des Substrates bzw. innerhalb der durch das Substrat aufgespannten Ebene orientiert. Die piezoelektrische Schicht kann monokristallin oder polykristallin sein. Im Falle einer polykristallinen Schicht können mehr als 60% oder mehr als 70% oder mehr als 80% oder mehr als 90% der Kristallite wie vorstehend ausgeführt orientiert sein.
Auf der piezoelektrischen Schicht wird erfindungsgemäß ein Wandler angeordnet, welcher zumindest eine Metallschicht enthält oder daraus besteht. Die Metallschicht ist so strukturiert, dass diese eine Mehrzahl von Kontaktfingern umfasst, deren Länge jeweils größer ist als die Breite. Die einzelnen Kontaktfinger können voneinander beabstandet sein, wobei diese in einigen Ausführungsformen jeweils einen Abstand von etwa 2 µm bis etwa 12 µm zueinander aufweisen können. Die Kontaktfinger können parallel zueinander angeordnet sein. Der Abstand kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung konstant sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann sich der Abstand über die Ausdehnung des Wandlers verändern. Der Wandler ist dazu eingerichtet, Oberflächenwellen in der piezoelektrischen Schicht anzuregen, welche sich in etwa orthogonal zur Längsrichtung der jeweiligen Kontaktfinger ausbreiten.
Die zumindest eine Metallschicht kann in einigen Ausführungsformen Aluminium und/oder Kupfer und/oder Gold und/oder Platin und/oder Titan enthalten oder daraus bestehen. Die Metallschicht kann durch CVD- oder PVD-Verfahren abgeschieden und durch nachfolgendes Maskieren und Ätzen strukturiert werden. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann auf der Oberfläche der piezoelektrischen Schicht eine Hartmaske abgeschieden und durch Maskieren und Ätzen strukturiert werden, ehe die Metallschicht abgeschieden wird. Durch Entfernen der Maskierungsschicht verbleibt die strukturierte Metallschicht in Teilflächen auf der Oberfläche der piezoelektrischen Schicht. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Metallschicht ein Mehrschichtsystem enthalten oder daraus bestehen.
Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, dass die Längsrichtung der jeweiligen Kontaktfinger mit der c-Achse der piezoelektrischen Schicht einen Winkel von etwa 40 Grad bis etwa 80 Grad einschließt. Dieses Merkmal hat die Wirkung, dass bei Betrieb des SAW-Bauelementes horizontal polarisierte Scherwellen in der durch das Substrat definierten Ebene angeregt werden. Diese Wirkung der Erfindung beruht darauf, dass der Wandler bevorzugt Oberflächenwellen in der piezoelektrischen Schicht anregt, welche in einer Richtung orthogonal zur Längserstreckung der Kontaktfinger propagieren. Durch die erfindungsgemäße Orientierung der Kontaktfinger relativ zur c-Achse der piezoelektrischen Schicht werden Scherwellen bevorzugt angeregt und Rayleigh- und Sezawa-Wellen unterdrückt. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass die piezoelektrische Kopplung zwischen dem Wandler und der piezoelektrischen Schicht in der gewählten Ausbreitungsrichtung so groß ist, dass horizontal polarisierte und oberflächenlokalisierte Scherwellen angeregt werden können, welche eine erhöhte Resonatorgüte und/oder eine größere Bandbreite und/oder eine höhere Arbeitsfrequenz eines SAW-Bauelementes ermöglichen.
Das erfindungsgemäße SAW-Bauelement ermöglicht damit gegenüber dem Stand der Technik verbesserte elektronische Filterschaltungen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das SAW-Bauelement einen verbesserten Sensor ermöglichen, insbesondere einen Sensor für Druck, Temperatur und/oder die Zusammensetzung einer Flüssigkeit oder eines Gases. Hierzu kann die Oberfläche des SAW-Bauelementes zumindest teilweise funktionalisiert sein, um die Anlagerung bestimmter Mikroorganismen und/oder Moleküle zu ermöglichen, welche durch ihre zusätzlich aufgebrachte Masse die Resonanzfrequenz des SAW-Bauelementes beeinflussen und dadurch die Messung der Flächenbelegung ermöglichen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Längsrichtung der Kontaktfinger des Wandlers mit der c-Achse der piezoelektrischen Schicht einen Winkel von etwa 50 Grad bis etwa 70 Grad einschließen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Länge der Kontaktfinger des Wandlers mit der c-Achse der piezoelektrischen Schicht einen Winkel von etwa 55 Grad bis etwa 65 Grad einschließen. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass die Ausbreitungsrichtung der erfindungsgemäß zum Betrieb des SAW-Bauelementes verwendeten Scherwellen etwa 30 Grad fernab der c-Achse verläuft. Die elektromechanische Kopplung bzw. die Anregbarkeit ist daher maximal, wenn die Länge der Kontaktfinger orthogonal zur Ausbreitungsrichtung verläuft, wobei das erfindungsgemäße SAW-Bauelement auch bei Abweichungen funktionsfähig bleibt.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die piezoelektrische Schicht Al_1-aSc_aN enthalten oder daraus bestehen, wobei a zwischen etwa 0,05 und etwa 0,5 gewählt ist. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die piezoelektrische Schicht Al_1-aSc_aN enthalten oder daraus bestehen, wobei a zwischen etwa 0,15 und etwa 0,40 gewählt ist. In wiederum anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die piezoelektrische Schicht Al_1-aSc_aN enthalten oder daraus bestehen, wobei a zwischen etwa 0,2 und etwa 0,3 gewählt ist. Der Scandiumgehalt a beeinflusst dabei den Bindungsabstand innerhalb der piezoelektrischen Schicht, die Bandlückenenergie und die einzelnen Komponenten des Elastizitätstensors. Somit kann durch Anpassen des Scandiumgehaltes die Resonanzfrequenz an die jeweils vorgesehene Anwendung des SAW-Bauelementes angepasst werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Wandler ein Interdigitalwandler sein oder einen solchen enthalten, welcher zwei Leitschienen und eine Vielzahl ineinandergesetzter, davon abstehender Kontaktfinger umfasst, wobei die Kontaktfinger der ersten Leitschiene jeweils in die Abstände zwischen benachbarten Kontaktfingern der zweiten Leitschiene eingreifen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Verhältnis zwischen der Dicke der piezoelektrischen Schicht und dem Abstand der Kontaktfinger zwischen etwa 0,2 und etwa 0,4 betragen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Verhältnis zwischen der Dicke der piezoelektrischen Schicht und dem Abstand der Kontaktfinger zwischen etwa 0,25 und etwa 0,35 betragen. In wiederum anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Verhältnis zwischen der Dicke der piezoelektrischen Schicht und dem Abstand der Kontaktfinger etwa 0,3 betragen. Der Abstand der Kontaktfinger legt die Wellenlänge der vom Wandler angeregten Scherwellen fest. Insofern entspricht das Verhältnis zwischen der Dicke der piezoelektrischen Schicht und dem Abstand der Kontaktfinger auch dem Verhältnis zwischen der Dicke der piezoelektrischen Schicht und der Wellenlänge der bei Betrieb des SAW-Bauelementes propagierenden Scherwelle. Das Verhältnis der Schichtdicke zur Wellenlänge beeinflusst die elektromechanische Kopplung und die Phasengeschwindigkeit. Im genannten Bereich ist die elektromechanische Kopplung maximal bzw. hinreichend groß, um die gewünschten Scherwellen mit hoher Effizienz anzuregen, was zu hohen Resonatorgüten führt.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann dem Wandler bei Betrieb des SAW-Bauelementes ein elektrisches Signal mit einer Frequenz von etwa 0,55 GHz bis etwa 1,71 GHz oder von etwa 0,55 GHz bis etwa 2,7 GHz zugeführt werden. Damit eignet sich das erfindungsgemäße SAW-Bauelement insbesondere zur Verwendung in Filterschaltung in Empfängern oder Sendern für die mobile Kommunikation der 5. und 6. Generation.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei zeigt

1 eine schematische Darstellung eines SAW-Bauelementes.
2 erläutert die relative Orientierung zwischen Substrat und piezoelektrischer Schicht.
3 zeigt einen Ausschnitt aus einem Substrat und der piezoelektrischen Schicht mit der Ausbreitungsrichtung der erfindungsgemäß verwendeten Scherwellen.
4 zeigt die elektromechanische Kopplung für Scherwellen und Rayleigh-Wellen in Abhängigkeit der Ausbreitungsrichtung.
5 zeigt die Phasengeschwindigkeit von Scherwellen und Rayleigh-Wellen in Abhängigkeit der Ausbreitungsrichtung.
6 zeigt die elektromechanische Kopplung für Scherwellen in Abhängigkeit der Wellenlänge.
7 zeigt die Phasengeschwindigkeit der Scherwellen in Abhängigkeit der Wellenlänge.
8 zeigt die effektive elektromechanische Kopplung in Abhängigkeit der Ausbreitungsrichtung.
9 zeigt die effektive elektromechanische Kopplung in Abhängigkeit der Wellenlänge.

Anhand der 1 wird ein erfindungsgemäßes SAW-Bauelement 1 näher erläutert. Das SAW-Bauelement 1 weist ein Substrat 2 auf, auf welchem zumindest eine piezoelektrische Schicht 3 angeordnet ist. Sowohl das Material des Substrates 2 als auch das Material der piezoelektrischen Schicht 3 bilden ein wirteliges Kristallsystem aus, d.h. die Materialien bilden ein Kristallgitter, welches genau eine Drehachse mit einer höheren Zähligkeit als 2 besitzt. Beispielsweise können die Materialien des Substrates einerseits und der piezoelektrischen Schicht andererseits trigonale, tetragonale oder hexagonale Kristallstrukturen bilden. Das Substrat kann beispielsweise Saphir enthalten oder daraus bestehen.
Das Substrat 2 weist eine erste Seite 21 auf, auf welcher die piezoelektrische Schicht 3 abgeschieden ist. Die piezoelektrische Schicht 3 weist wiederum eine erste Seite 31 auf, welche zum umgebenden Halbraum des SAW-Bauelementes exponiert ist. Auf der ersten Seite 31 befindet sich der Wandler 4.
Die piezoelektrische Schicht 3 kann beispielsweise AlN oder Al_1-aSc_aN enthalten oder daraus bestehen, wobei der Scandiumgehalt a zwischen etwa 0,05 und etwa 0,6 oder zwischen etwa 0,15 und etwa 0,45 oder zwischen etwa 0,2 und etwa 0,3 gewählt sein kann. Die piezoelektrische Schicht kann eine Dicke zwischen etwa 100 nm und etwa 3000 nm oder zwischen etwa 200 nm und etwa 2000 nm aufweisen.
Der Wandler 4 enthält eine Mehrzahl von Kontaktfingern, wobei erste Kontaktfinger 41 mit einer ersten Leitschiene verbunden sind und jeweils in die Abstände zwischen benachbarten zweiten Kontaktfingern 42 eingreifen, welche mit einer zweiten Kontaktschiene verbunden sind. Der Abstand benachbarter erster Kontaktfinger 41 bzw. benachbarter zweiter Kontaktfinger 42 kann gleich gewählt sein und zwischen etwa 2 µm und etwa 12 µm betragen. Dieser Abstand entspricht der Wellenlänge der vom Wandler 4 angeregten Oberflächenwellen, welche in der piezoelektrischen Schicht 3 propagieren.
Auf der ersten Seite 31 der piezoelektrischen Schicht 3 kann weiterhin ein optionaler erster Reflektor 61 angeordnet sein, welcher die Ausbreitung der vom Wandler 4 angeregten Oberflächenwellen begrenzt, so dass die Oberflächenwellen in Ausbreitungsrichtung hinter dem ersten Reflektor 61 gesehen nicht oder nur abgeschwächt angeregt werden. In gleicher Weise kann ein gegenüberliegender zweiter Reflektor 62 vorhanden sein, welcher die Wellenausbreitung in der piezoelektrischen Schicht 3 in gleicher Weise beschränkt, so dass der das SAW-Bauelement bildende Resonator in einer Richtung orthogonal zur Längserstreckung der Kontaktfinger 41 und 42 räumlich begrenzt ist.
Anhand der 2 wird die Kristallorientierung der piezoelektrischen Schicht einerseits und des Substrates 2 andererseits näher erläutert. Im dargestellten Ausführungsbeispiel enthält das Substrat Al₂O₃, welches eine hexagonale Kristallstruktur ausbildet. Ein solcher hexagonaler Kristall ist in 2 b) zusammen mit seiner c-Achse dargestellt.
Wie 2 b) weiter zeigt, ist das Substrat 2 so ausgebildet, dass die erste Seite 21 eine (1102)-Orientierung aufweist. Dies bedeutet, die Orientierung der ersten Seite 21 des Substrates 2 entspricht einer r-Ebene des hexagonalen Kristalls des Al₂O₃.
Weiterhin zeigt 2 a) das hexagonale Kristallgitter des die piezoelektrische Schicht 3 bildenden Materials mit seiner c-Achse. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird für die piezoelektrische Schicht 3 Al_1-aSc_aN verwendet. Dieses wird so auf das Substrat 2 aufgebracht, dass dessen erste Seite 31 eine (1120)-Orientierung bzw. eine a-Ebene aufweist.
In 2 c) ist das in 2 a) gezeigte Material der piezoelektrischen Schicht 3 mit dem in 2 b) gezeigten Material des Substrates 2 zusammengefügt. Dabei läuft die c-Achse innerhalb der durch die erste Seite 21 des Substrates 2 aufgespannten Ebene, welche in 2 c) als x₁-x₂-Ebene bezeichnet ist.
Die Herstellung des Substrates 2 und der piezoelektrischen Schicht 3 kann in an sich bekannter Weise durch Sputterdeposition, MOCVD oder MBE erfolgen, wobei sich die Orientierung der ersten Seite 21 des Substrates so auf die aufwachsende piezoelektrische Schicht 3 auswirkt, dass diese in der gewünschten, in Fig. S c) gezeigten Orientierung aufwächst.
3 zeigt nochmals die Aufsicht auf 2 c). Gleiche Bestandteile der Erfindung sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Dargestellt ist auch das in 2 gezeigte Koordinatensystem, wobei die Ausbreitungsrichtung der erfindungsgemäß bei Betrieb des SAW-Bauelementes angeregten Scherwellen als Pfeil dargestellt ist, welcher mit der x₁-Richtung bzw. der c-Achse des Kristalls der piezoelektrischen Schicht einen Winkel φ einschließt. Die erfindungsgemäß verwendete, horizontal polarisierte Scherwelle propagiert somit in der x₁-x₂-Ebene und fernab der Hauptachsen des Kristalls der piezoelektrischen Schicht 3.
4 zeigt die elektromechanische Kopplung auf der Ordinate und die Ausbreitungsrichtung ϕ auf der Abszisse für ein SAW-Bauelement, dessen piezoelektrische Schicht 3 µm Al_0,77Sc_0,23N enthält. Das Substrat 2 enthält Saphir. Die Metallschicht des Wandlers 4 enthält im Wesentlichen Platin und weist eine Dicke von 100 nm auf. Dargestellt ist die elektromechanische Kopplung über der Ausbreitungsrichtung einmal für die erfindungsgemäß verwendeten Scherwellen und andererseits für die bekannten Rayleigh-Wellen.
Wie 4 zeigt, lassen sich Rayleigh-Wellen im Wesentlichen entlang der c-Achse des Kristalls anregen. Mit zunehmender Drehung des elektromechanischen Wandlers auf der ersten Seite 31 der piezoelektrischen Schicht 3 kommt es zunehmend zur Fehlanpassung der vom Wandler 4 angeregten Ausbreitungsrichtung und der Ausbreitungsrichtung der Rayleigh-Wellen. Ab einer Orientierung von etwa 30 Grad können Rayleigh-Wellen kaum noch angeregt werden.
Demgegenüber steigt die elektromechanische Kopplung für horizontal polarisierte Scherwellen bei einer Drehung des Wandlers ausgehend von der Richtung der x₁-Richtung stetig an. Wenn die Kontaktfinger des Wandlers orthogonal zur x₁-Richtung bzw. zur c-Achse der piezoelektrischen Schicht verlaufen, können Scherwellen nicht angeregt werden. Mit zunehmender Drehung nimmt die elektromechanische Kopplung der Scherwellen stetig zu und erreicht ein Maximum, wenn die Kontaktfinger um 60 Grad zur x₁-Richtung geneigt sind, entsprechend einer Ausbreitungsrichtung ϕ von 30°. Bei weiterer Drehung nimmt die elektromechanische Kopplung wieder ab.
5 zeigt die Phasengeschwindigkeit von Oberflächenwellen in Ausbreitungsrichtung für das bereits in 4 verwendete SAW-Bauelement. Wie 5 zeigt, ändert sich die Phasengeschwindigkeit der Rayleigh-Wellen im Wesentlichen nicht. Die Phasengeschwindigkeit der Scherwellen sinkt ausgehend vom Maximalwert bei 0°, d.h. parallel zur x₁-Richtung, bis auf einen Minimalwert bei etwa 45 Grad. Für noch größere Ausbreitungsrichtungen steigt die Phasengeschwindigkeit wieder an. Dieses Merkmal hat die Wirkung, dass Scherwellen auch dann effektiv angeregt werden können, wenn der Wandler nicht exakt auf die Propagationsrichtung von 30° ausgerichtet ist, da sich die Frequenzen von Scherwellen und Rayleigh-Wellen unterscheiden.
6 zeigt die elektromechanische Kopplung für Scherwellen gegen die Wellenlänge. Aufgetragen ist die elektromechanische Kopplung auf der Ordinate und das Verhältnis zwischen Schichtdicke der piezoelektrischen Schicht und Wellenlänge auf der Abszisse. Die in den 6 und 7 gezeigten Daten wurden mit einem Bauelement erhalten, bei welchem die piezoelektrische Schicht 3 Al_0,59Sc_0,41N enthält, wobei die Metallschicht des Wandlers im Wesentlichen aus Kupfer besteht.
Wie 6 zeigt, nimmt die elektromechanische Kopplung mit abnehmender Wellenlänge zu, bis diese bei einem Verhältnis zwischen der Schichtdicke und der Wellenlänge von etwa 0,3 einen konstanten, vergleichsweise hohen Wert erreicht. Da die Wellenlänge und die Ausbreitungsrichtung durch die Geometrie des Wandlers in einfacher Weise festgelegt werden kann, können anhand der in den 4 bis 7 gezeigten Daten in einfacher Weise SAW-Bauelemente mit vorgebbaren Eigenschaften konstruiert werden, welche sich sodann mit guter Reproduzierbarkeit fertigen lassen.
7 zeigt nochmals die Phasengeschwindigkeit der sich ausbreitenden Scherwelle gegen die Wellenlänge. Wie aus 7 ersichtlich ist, nimmt die Phasengeschwindigkeit mit abnehmender Wellenlänge nichtlinear ab.
8 zeigt die effektive elektromechanische Kopplung auf der Ordinate in Abhängigkeit der Ausbreitungsrichtung auf der Abszisse. Die 0°-Richtung der Abszisse bezeichnet dabei die c-Achse des Materials der orientiert auf dem Substrat aufgewachsenen piezoelektischen Schicht. Dargestellt sind Messwerte für zwei verschiedene piezoelektische Schichten, nämlich Al_0,68Sc_0,32N in Kurve A und Al_0,77Sc_0,23N in Kuve B. Das Verhältnis von Schichtdicke zu Wellenlänge beträgt jeweils 0,33.
Wie aus 8 ersichtlich ist, lassen sich die erfindunggemäß verwendeten, horizontal polarisierten Scherwellen bei einer Ausbreitungsrichtung von 30° relativ zu c-Achse des Materials der orientiert auf dem Substrat aufgewachsenen piezoelektischen Schicht mit maximaler elektromechanischer Kopplung anregen.
9 zeigt nochmals die elektromechanische Kopplung in Abhängigkeit der Wellenlänge für eine Ausbreitungsrichtung von 30° zur c-Achse, entsprechend der Maxima der elektromechanischen Kopplung in vorstehender 8. Wie bereits vorstehend anhand der 6 und 7 beschrieben, ist die Wellenlänge dabei als normalisierte Dicke, d.h. als Verhältnis zwischen der Schichtdicke der piezoelektrischen Schicht und der Wellenlänge angegeben. Aus 9 ist ersichtlich, dass die elektromechanische Kopplung mit abnehmender Wellenlänge rasch ansteigt und zwischen etwa 0,25 und etwa 0,40 ihr Maximum erreicht. Das breite, sich ausbildende Maximum der elektromechanischen Kopplung zeigt, dass entlang der aus 8 ersichtlichen, optimalen Ausbreitungsrichtung eine Vielzahl unterschiedlicher Wellenlängen bzw. Frequenzen der Scherwellen angeregt werden können, so dass ein breitbandiger Betrieb des erfindungsgemäßen Bauelementes möglich ist.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „erste“ und „zweite“ Ausführungsformen definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Ausführungsformen, ohne eine Rangfolge festzulegen.

Claims

SAW-Bauelement (1) mit einem Substrat (2) und zumindest einer auf dem Substrat angeordneten piezoelektrischen Schicht (3) und zumindest einem auf der piezoelektrischen Schicht (3) angeordneten Wandler (4), dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) und die piezoelektrische Schicht (3) jeweils ein Material enthalten oder daraus bestehen, welches ein wirteliges Kristallsystem bildet und das Substrat (2) zumindest eine erste Seite (21) aufweist, welche in der r-Ebene (1102) orientiert ist, und die piezoelektrische Schicht (3) zumindest eine erste Seite (31) aufweist, welche in der a-Ebene (1120) orientiert ist, wobei die erste Seite (21) des Substrates (2) und die erste Seite (31) der piezoelektrischen Schicht (3) in etwa parallel zueinander angeordnet sind und der Wandler (4) zumindest eine Metallschicht enthält oder daraus besteht, welche eine Mehrzahl von Kontaktfingern (41, 42) umfasst, deren Länge (1) jeweils größer ist als die Breite (b) und deren Länge (1) mit der c-Achse der piezoelektrischen Schicht (3) einen Winkel von etwa 40° bis etwa 80° einschließt.
SAW-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (1) der Kontaktfinger (41, 42) des Wandlers (4) mit der c-Achse der piezoelektrischen Schicht (3) einen Winkel von etwa 50° bis etwa 70° einschließt oder dass die Länge (1) der Kontaktfinger (41, 42) des Wandlers (4) mit der c-Achse (x₁) der piezoelektrischen Schicht (3) einen Winkel von etwa 55° bis etwa 65° einschließt.
SAW-Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrische Schicht (3) AlN enthält oder daraus besteht oder dass die piezoelektrische Schicht (3) Al_1-aSc_aN enthält oder daraus besteht, wobei a zwischen etwa 0,05 und etwa 0,50 oder zwischen etwa 0,15 und etwa 0,40 oder zwischen etwa 0,20 und etwa 0,30 gewählt ist.
SAW-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat Saphir enthält oder daraus besteht.
SAW-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler (4) ein Interdigitalwandler ist oder einen solchen enthält, welcher zwei Leitschienen und eine Vielzahl ineinandergesetzter, davon abstehender Kontaktfinger (41, 42) umfasst, wobei die Kontaktfinger (41) der ersten Leitschiene jeweils in die Abstände zwischen den Kontaktfingern (42) der zweiten Leitschiene eingreifen.
SAW-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der Dicke der piezoelektrischen Schicht (3) und dem Abstand der Kontaktfinger (41, 42) zwischen etwa 0,2 und etwa 0,4 oder zwischen etwa 0,25 und etwa 0,35 oder etwa 0,3 beträgt.
SAW-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das wirtelige Kristallsystem ein hexagonales Kristallgitter, insbesondere ein Wurtzit-Gitter enthält oder daraus besteht.
Verwendung eines SAW-Bauelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 7 als Teil einer elektronischen Filterschaltung oder als Sensor, insbesondere als Sensor für Druck und/oder Temperatur und/oder Zusammensetzung einer Flüssigkeit oder eines Gases.
Verfahren zum Betrieb eines SAW-Bauelementes (1) mit einem Substrat (2) und zumindest einer auf dem Substrat angeordneten piezoelektrischen Schicht (3) und zumindest einem auf der piezoelektrischen Schicht (3) angeordneten Wandler (4), dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) und die piezoelektrische Schicht (3) jeweils ein Material enthalten oder daraus bestehen, welches ein wirteliges Kristallsystem bildet und das Substrat (2) zumindest eine erste Seite (21) aufweist, welche in der r-Ebene (1102) orientiert ist, und die piezoelektrische Schicht (3) zumindest eine erste Seite (31) aufweist, welche in der a-Ebene (1120) orientiert ist, wobei die erste Seite (21) des Substrates (2) und die erste Seite (31) der piezoelektrischen Schicht (3) in etwa parallel zueinander angeordnet sind, wobei durch den Wandler (4) in der piezoelektrischen Schicht (3) horizontal polarisierte Scherwellen in der x₁-x₂-Ebene angeregt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich die horizontal polarisierten Scherwellen in einem Winkel von etwa 20° bis etwa 40° oder von etwa 25° bis etwa 35° von etwa 27° bis etwa 33° zur c-Achse (x₁) der piezoelektrischen Schicht (3) ausbreiten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die horizontal polarisierten Scherwellen mit einem Interdigitalwandler angeregt werden, welcher zwei Leitschienen und eine Vielzahl ineinandergesetzter, davon abstehender Kontaktfinger (41, 42) umfaßt, wobei die Kontaktfinger (41) der ersten Leitschiene jeweils in die Abstände zwischen den Kontaktfingern (42) der zweiten Leitschiene eingreifen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messgröße erfasst wird, insbesondere Druck und/oder Temperatur und/oder die Zusammensetzung einer Flüssigkeit oder eines Gases.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wandler ein elektrisches Signal mit einer Frequenz von etwa 0.55 GHz bis etwa 1.71 GHz oder mit einer Frequenz von etwa 0.55 GHz bis etwa 2.7 GHz zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der Dicke der piezoelektrischen Schicht (3) und der Wellenlänge den propagierenden horizontal polarisierten Scherwellen zwischen etwa 0,2 und etwa 0,4 oder zwischen etwa 0,25 und etwa 0,35 oder etwa 0,3 beträgt.