DE1422620A1 - Piezoelektrischer Ultraschallerzeuger - Google Patents

Description

C COMfaHX» iac. B.L.White 3/10 Broadway, Sew York 7, H.Y., U.S.A. 1422620 Piezoelektrischer Ultraschallerzeuger

Die Erfindung betrifft piezoelektrische Ultraachallsrzeuger, dl· Üblicherweise zusammen mit Ultraachäll-Yerzögerungsleitungen verwendet worden, und insbesondere Ultraschallerseuger alt einem ürundresonansbetrieb bei Frequenzen in das bisher schwierigen bereich von 30 bis 500 MHs, sowie bei Frequenzen au8erhalb des Bereichs·

Um einen wirkungsvollen piezoelektrischen Ultraschallerseuger su erhalten* ist es vorteilhaft, wenn die üohioht des piezoelektrischen Elemente in der Größenordnung einer halben Wellenlänge der Ultraschallschwingung liegt· Dies erfordert sehr dünne Ultraschallelemente für die Verwendung la Bereich hoher Frequenzen. Jiβ an eine« p-n-Ubergang in halbleitenden Materalien gebildete Schicht stellt eine piezoelektrische Schicht dar» die eich von einer auäerordentlieh geringen Blöke bis su einer Dicke von etwa 1 /u andern kann und deshalb eine urundresonansfrequenz aufweist» die sich bis zu etwa $00 MBs erstreckt. Dieser Bereich kann nur dadurch weiter herabgesetzt werden, daS Materalien alt eine» Reinheitsgrad verwendet werden, welcher derzeit eohwierig zu erhalten ist· für da» andere Bad· des Mikrowellen-Frequenzbereiche sind Quarzkristall In Scheiben hergestellt worden, die Dieken to» weniger ala 2}Λ muh

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weisen und Resonanzfrequenzen im Grundbetrieb bei mehr al« 30, aiB besten 50 MHs erzeugen· Diese Kristallscheiben bringen jedoch große Schwierigkeiten bei der Bearbeitung« Befestigung* usw. ait sich·

Ein Zweck der Erfindung besteht deshalb darin, den Arbeitabereich von piezoelektrischen Ultraschallerseuger zu erweitern.

üin anderer Zweck besteht darin, piezoelektrische Teile ait einer Dicke «u bilden» die Resonanz in einem vergrößerten Frequenzbereich und insbesondere im Bereich von 30 bis 300 HHs erzeugt·

Gemäß der Erfindung wird eine dünne, im wesentlichen gleichförmige Schicht aus piesoelektrisohem halhleltenden Material hohen speeifIschen Widerstands vollständig auf einer Basis oder Unterlage niedrigen spezifischen Widerstands gebildet» Bis Unterlage kann is allgemeinen aus derselben Zusammensetzung wie die Schicht oder aus einem Material bestehen, da· wenigstens eine Kristallstruktur und eine einheitliche ZellengriSSe be— sitst, dl« auch bei unterschiedlicher Zusammensetzung dem Schichtmaterial entsprechen. In jedem falle wird der Fremdstoff gehalt der Schicht und der Basis wesentlich verschieden gemacht, so daß die Schicht einen speeifischen widerstand hat» der ein Vielfaches des fid erstand <ae der Basis beträgt· Dies ist wesentlich, da Umr piezoelektrische Effekt nur in feststoffen hohen spezifischen Widerstands auftritt, in denen sich sin elektrisches Feld auabilden kann, welch·· «roß genug ist, tat •im· piezoelektrische Reaktion zu erzeugen* Be ist lediglich neu, das piezoelektrische Affekte in einigen,hier betrachtetem Materalien beobaohtet worden sind« de si« lsi allgemeinen se leitfähig sind, mi das erforderlich* VeId aufzunehmen.

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Dar durch fremdstoffe eingestellte höh« spesifieche ftideratand der Schiebt kann auf verschiedenen Wegen erbalten «erden· Erstens kann die Schiebt durch noch iu beschreibende Bearbeitungen eines Materials gebildet werden» das eine so hohe reinheit besitst» daß Stromträger in de« Schieb.tsaterial tatsächlich nicht vorhanden sind· Andererseits können die Stromträger durch Dotieren der äohichtaateraliea alt anderen fremdatoffen kompensiert werden» welche «um Abfangen oder Kompensieren der Stromträger des ursprünglichen Materials ohne Einführung an- ä derer Stro»träger bekannt sind.

Gemäß einer ersten Aueführungsfora der Erfindung wird das Verfahren sub epitaxlalen Wachsen verwendet, um eine behiebt hohen speslfiscben Widerstands auf einer Unterlage niedrigen spezifischen Widerstände su bilden· Bas Unterlagematerial ist insbesondere so ausgerichtet» da8 dessen Kristallaciise» die der gewünschten piesoelektriachen Achse in den uchichtmaterial entspricht» aehr oder weniger ait der dicken Abmessung der Schicht ausgerichtet ist· I>a somit das Wesen des epitaxialen Sachsens derart ist» daß die Kristalle der Schicht sich selbst ku den Kristallen der Unterlage ausrichten» ist die piezoelektrische Achse der Schicht genau bestimmt. Die Unterlage wird eine elektrode und ein leitfähiger Überzug, der auf der epitaxialen Schicht niedergeschlagen wird» dient als die andere Elektrode.

Bei besonderen AusfUhrungsformen der Erfindung» die nachfolgend beschrieben werden, XaBt man ein kubisches, piesoelektrisches, halbleitendes Material aus Verbindungen der Gruppe III-V, s.B. Galliumphosphid oder Galliumarsenid» in einer Form mit hohem spesifischen Widerstand epitaxial auf Unterlagen geringen spe-

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siflschen Widerstände desselben Materials oder auf Unterlagen von Verbindungen der kubischen Sruppe 17 alt geringem spezifischen Wideret nd» s.B. Germanium und Silicium» wachsen. Andererseits läßt man faexegonales, piezoelektrisches» halbleitendes Material aus'Verbindungen der Gruppe II-VI, β. B. Kadniumsulphid oder Zinkoxyd, epitaxial auf Unterlagen geringen spesifieohen Wideretande aus denselben Materallen wachsen. Der gewünschte hohe spezifische tfideretand der so geformten Schicht kann dadurch erhalten werden» daß die Reinheit der Schicht durch niederschlagen kompensierenden Materials,, während des epitaxi-

alen Wachsens oder durch Diffusion nach der Bildung der Schicht aufrechterhalten wird.

aemäß einer anderen Aueführungeform der Erfindung wird die Schicht vollständig durch Diffusion gebildet. Bei dieser Aueführungsfora haben die Schicht und die Unterlage dieselbe GrundsuBammeneetsung und unterscheiden eich nur in Gehalt der fremdstoffe.

Die piesoelektrisohen Schichten» die gemäß der Erfindung hergestellt werden» haben Dicken» die fUr einen Eesonansgrundbetrieb Über einen großen Frequenzbereich geeignet sind, der den bisher schwierig »u erhaltenden Bereich einschließt. Die piezoelektrische Sehloht wird so alt der Unterlage verbunden» daß die bisher auftretenden Schwierigkeiten alt den Bearbeitung*- und Be-

festifoagseleaenten geringer Abmessung vermieden werden. Die erhaltenen Ultraschallerseuger weisen einen hohen Grad elektro- , aeohanlsoher Kopplung auf und sind sehr wirkungsvoll.

Beispielhafte Ausfuhrungsforaen sind in der Zeichnung dargesteilt,und «war zeigen

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Fig. 1 einen querschnitt durch einen Ultraachaller-

zeu&er alt einer epitaxial gewachsenen Schiebt aua halbleitendem Material Bit hohem spesifiachen Widerstand sum Aufnehmen eines piesoelektrisohen Feldes geaäö der Erfindung«

Fig. 2 eine andere. Kopplung eines Ultraschallerseugsra geaäfi ά·τ Erfindung «it einer Ultrasohall-Vsr-» sö&erungsleitung, und

Fig. 5 eine Uitrasohall-Yersugerungsleitung· bei der das Material der Verzögerungsleitung auch die Unterlage des epitaxial gewachsenen Ultraschallerzeugers enthält.

Der Ultraschallsrseuger nach flg. 1 enthalt einen Block 10 aus halbleitendea Material hohen apeslf!sehen #iderstände, der die Unterlage und einen Kontakt geringen Widerstands bildet« eine Schicht 11, welche die auf einer ausgewählten Fläche de« Blocke 10 epitaxial niedergeschlagene piezoelektrische Schicht hohen spesifIschen tiderstands bildet, und einen Uoldübersug 12« der auf der gegenüberliegenden fläche der Schicht 11 in geeigneter Stärke niedergesohlagen ist und den anderen Iontakt geringen Viderstands bildet. £in Xontakt «it de« Goldubersug 12 wir« «ittels eines Drahtes 13 hergestellt« wobei eis« 14 verwendet wird. Dl· fechselstromquelle 15_t der·« Sasrgie durch den Ultraaohallerieuger in Ultrasehallwellen uagewamdelt wird» let «wischen den Draht 13 uns einen ohaeoaen iMitakt« β·». durch einen niedergeschlagenem Mstallusersag 1», aa* ein«r gw* eigneten fläohe dee Blocke 10 gesehaltet. «eeigaete lie««r~ sohlagsmaterialien sind liokel oder Ilnn· ©er Ilsek 10 iet . aeohaniaoh «it des Qltraschall-fersogerMAgesiealw« vertm«ie«.

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Bei der zuerst zu beschreibendes speziellen Aueführungsform iet das Material des Blocke 10 und der Schicht 11 Galliumarsenid· Beat Material des Blocks 10 ist ein geringer spezifischer Widerstand, wie nachfolgend beschrieben wird« durch Dotieren alt ionisierten yreadstoffatomen gegeben· geeignete Dotieraaterälien sind 2ink, Sinn, Schwefel, Selen und andere Materalien» welche in bekannter Weise zum Vergrößern der Leitfähigkeit von αalIiumaraenid und gleichartigen Verbindungen zweckmäßig sind. Be ist nicht wesentlich, ob das spezielle Dotieraaterial anderweitig als Donator- oder Akzeptor-Material bezeichnet wird*

Die Fläche des Blocke 10, auf der die Schicht 11 niedergeschlagen werden soll, wird im Hinblick auf die Ausrichtung der in der Schicht 11 gewünschten piezoelektrischen Achse A ausgewählt· £s sei erinnert, daS das Wesen des epltaxialen Wachsens darin besteht, daß sich die niedergeschlagenen Kristalle auf der Unterlage in einer Richtung aufbauen, die der Kristallriohtung der Unterlage folgt. Unter Verwendung der Miller-Beselehnung ist die piezoelektrische Aohse der Schicht 11 aus kubisches Galliumarsenid die fi10]-Achse und äquivalente Achsen für Scherschwingungsärten und die [Hl]-Ach·· uni äquiralente Achsen für Längeachwingungsartsn. Somit wird 41· fiio|-Achse oder die äojmivalente Fläche öder dl· (111J-Achse oder dl· äquivalente ?läeh« dar Unterlage 10 ausgewählt» um dl· Schicht 11 abhängig von ··? gewünschten Schwingungsart auf «nehmen. Diese ?läehen etebiWft tatsächlich senkrecht *u der gewünschten pie*oelektrieoh*t Acaae.

HIr 41· Zweeke der Erfindung ist ·· notwendig, deJ da· gesohlagene Schichtmateriel einea hohes spesiflachen

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1422620 -τι» Vergleich su dm niedriges spezifischen widerstand dc· Qnterlagraaterials aufweist· Abgesehen tob dtr sehr wichtigen aechanisehen Funktion dar Unterlage besteht deren elektrische funktion ledigllah darin» einen Kontakt alt der Schicht herzustellen. Deren Impedanz sollte deshalb klein und überwiegend ohasch sein» ua elektrische Verluste su vermelden. Der spezifisohe Widerst nd der Schicht auB andererseits groß genug sein, ua das gewünscht· elektrische Feld aufeunehsen^und deren lapedans Überwiegend kapazitiv sein. Verschiedene Kriterien können bei Festlegung der Grenzen der beiden Bereiche nütslich sein. Xs sei erinnert, da0 bei einer gegebenen Betrlebsfreagens dl· objuche lapedsns jede· Halbleiters gleich seiner kapasitlTen lapedans 1st, wenn für den spezifischen Widerstand gilts

die 1/u£, worin <-> die Krelsfrequenz und £ Dielektrisitätakon-

stante (8.85 x 1O"^U F/cb χ relative Dlelektrieitätskonstants) sind. Der speslfisehe Widerstand S₁ dsr Schicht soll ein Vielfaches Ton Sq und der speifische Wideret and J₂ der Unterlage viel kleiner als S ₀ sein· Versuchsergebnisse seigen» daJ ein Faktor 10 in jede« Fall brauchbare Ergebnisse bringt« obwohl größere Faktoren selbstverständlich bevorsugt werden. Deshalb gilt S 1 > ¹⁰So "¹^ S₂ ^<S°/*^Q' **^r β··«*· Widerstand B₂ der Unterlage 1st desweitsren 5₂VA_t wobei 1 dl· Länge der unterlage und k deren Fläcae< ist, und der gesaate widerstand K^ der Schiohl Si */A Λ, worin T dl· Dicke der Schient ist· Si« kapazitive Heaktan« Z₁ der Schicht bei der Betriebsfre^uens beträgt ^O /km Für eine wirkungsvoll· Leistungsübertragung auf dl· kapaaitlTe Schicht Z^ üb«r dem Serienwiderstand der Unter» lag· &2* wenn die Schicht alt ilirea inneren tiderstand E₁ paraSsl geschaltet ist, ist es notwendig, daß H₂ < 1OZ₁ und A₁ > Ί/10

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let. £β ergibt sich dann, daß S ₂ > 100^₁ ^Τ/Ί let. Deshalb bedeuten die Ausdrucke "hoher spezifischer widerstand" im ^uaemmenliang mit der Schicht und "niedriger spezifischer Widere tand^H im Zusammenhang mit der Unterlage, wie eie hier verwendet werden, spezifische Äiöeratände, welche die vorstehenden Bedingungen erfüllen. her gewünschte none spezifische Widersttmd der Schiebt kann für die Zwecke der Iirjtinäung auf wenigsten· drei Wegen erhalten werden, von denen jeder in Verbindung mit anderen haibleitenden Einrichtungen bereits verwendet worden ist. erstens kann das Schichtaiaterlal in ausreichend roiner Form vorliegen« um den gewünschten spezifischen widerstand zu erhalten, pur jede« spezielle Material ist auch der Reinheitsgrad, um diesen spezifischen Widerstand zu erhalten, bekannt, .indereraeiti* können andere Dotiensateralien auf des Johicatmaterlal niedergeschlagen werden, welche die otroiaträger in dem Sahichtroaterial kompensieren und Senken bilden, weiche den Niederschlag hohen spezifischen «Viderstands erreichen, lie tätlich kann das .Dotiermaterial durch ein LL ffusionsv erfahren αer schicht zugegeben werden, nachdem diese niedergeschlagen worden ist. Z.B. kann Galliumarsenid durch Kupfer kompensiert werden. Andere j otiermateralien und Verfahren zu deren Behandlung sind bekannt.

Beim Anwenden einer Diffusion miß dafür S orge getragen werden, daß di« diffundierten Atone die epitaxiale Schicht mit hohem Widerstand versehen, jedoch dl· Unterlage nicht so kompensieren, daß deren Leitfähigkeit um einen wesentlichen Betrag abnimmt. Di·· kann durch Dotieren der Unterlage erfolgen, und ßwar inebesondere des Teils, der nahe der Flüche liegt, auf der ziale Schicht angebracht werden soll, iait einem Material in ausreichend

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starker Konzentration, so da8 dis Leitfähigkeit dsr Unterlage trots einer Streudlffusion von kompensisrenden Atomen durch die · äohicht aufrechterhalten wird. Wie weiter unten ausgeführt wird, kann der epitaxial« Schritt unter glittst igen Umstunden und beim Bilden dsr Schloht aus dsr Unterlage durch den Diffusionsvorgang weggelassen werden. Verschiedene Verfahren mit Dampfübergang und FlüssigksitsUbsrgang fUr das epitaxiale Nisdersohlagen von uier betrachteten Materalisn entweder in reiner Form oder mit dsr gewünschten Verunreinigung sind bekannt und es scheint lediglich notwendig su sein, sinee der Dampfνerfahren für die Erläuterung im vorliegenden Falls susammensufasasn. Im allgemeinen geht das Verfahren von einer DampfÜbergangserscheinung von halbleitendem Material von einer quelle festsr Phase su einer Unterlage aus. Der Übergangsvorgmng enthält die bevorzugte Oxy» dation des Materials dsr Quelle in einen Dampfsuatand und einem übergang des Dampfes auf «ils Unterlage, wobei jeder Vorgang *&*~ grund eines genau bestimmten Abstandeverhältnisaes und Tempermtur^jgradlenvauftritt. Dam Verfahren erfordert einen iihergsugm block odsr -scheibe mit der Zusammensstsung und Leitfähigkelt_v die für dis Schicht erforderlich sind» und sins unterlage dem gewünschten Materials, auf die das Material des Dbergangebloeka Ubsrtragsn wird· Bsi der Bildung einer epitaxialen Schient mttmssn das Unterlagematerial und dam Sohlehtmaterial vertrig!lohe Krlstallglttsretrakturea aufweisen, d.h. gleichartige Krlstalletrukturen und äquivalente llnhelte-ZellengrOse· Andererseite kennen swei beliebige halbleitende Materalien fur Ale 8ehleht und dis Unterlage gewählt werden.

See Übergangsmatsrial und «le Unterlage werden 0mm la ■!■— ·-; J$4 Behalter angeordnet, der gemaft elaem Verf ahran mit

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atoffoaltlgen Sas gefüllt let. Der tllMtrtreguiigablock: und dl· Unterleg* werden auf ein« £^fe»p*ratur vorzugsweise uasiistelbar unter dem SolraelspunJct der aa niedrigsten 8cb»«l*endea äceponejate erhitst« i-in SeBpersturgrmdle&t wird swlee&eß de» Über-

und der Unterlage durch A&erdmrag äae nahe ö#a Ubergengeaiaferlal au£re@liter*i&lt*iu

Speziellere Verfabren und Eiiuriehtui^^ii sar Ausftihrase sind fcsschriöbeE iß. Ι«Β«Μ· Imzhßl&al. jQurml of I>e¥el6pmeiit_v .Band 4» Ir» 3« Jfili ISiO^ %al>ei sieh dies« $·-» ««ate Auegftbß isst weaentllchen alt

Di« Torejitfegangen» £rläist#ruiie wurde ämz®h <Sts Beiepi«! bleeiiest pieioßlektrieehe» S*lliUB»ra#aiä erläutert· phoepöid und Phoephld in ämr £oim vom lMluawr««£ild_f wel«e et&billsiert« AluBiniuephoepiil^ mbI indiujteotiaouid Gruppe IU-V And. für alle rorli*e*nd«a Zwecke *iulr«Ient sm öaliiutnareecis, slt der Auanmfaae der ö«is eplf axiales

bekanntea Altä&deruotseK· ZueÄtzIioh küssen kubiseiie Mat*r«li#r 4er Gruppe Xl-fl, s.B. 2inkeulX±d (Zinkbiend·)» verwendet werden»

Materallen dar Gruppe II-VI «it hexagoiialer odei* Wurtei t-fitnsö: tür kinnen ebenfalla für die «pltazlal® Schicht; und di« mir praictlac&es Ausführung dar irfindiü^r varwenäat waream· eonder« Salapiela Ib dieser Gruppe m:i&£ Ssideiuiieulplslfe «ai

Jfreadatöffa wf# laätm

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Silber «lad geeignet sub Kompensieren dar niedergeschlagenen Kristalle« ta diaaan einen hohen apesifiachen Widerstand ma §ß~ ben· Ba dia piesoelektrieche Ache« dieear Materalien läng· su dar hexagonalen Achaa sum £rseugen yon Langeweilen und senkrecht BU dar hexagonalen Achse sum Erzeugen von Schallwellen liegt, iat daa Unterlageaaterial nach dar gewünschten» oben beschriebenen Schwingungeart auegerichtet«

Der erhaltene Ultrasehallerssuger kann mechanisch mit einer Ultraechall-Vereögerungeleitung 20 durch geeignetes Verbinden da« ünterlageblocke 10 mit dem Ende der YersÖ&eruntieleltung 20 gekoppelt werden· Diese Anordnung let ale Reeonanzultraechaller— seuger bekannt und iat durch hohe Wirksamkeit und ein relatir BObJialea Band« daa su dar Reaonansfrequenajzentral liegt« gekennselchnet. Ein Metallfilm 12 kann nahe den Versögerungamediue 21, wie in fig« 2 geseigt iat, angeordnet und in geeignetar tfeiae an das 7ers3gerung8mediu» angebracht sein. Dieee Anordnung wird in bekannter tfeiee ala belasteter ültraachaller-Eeuger beceiohnet und ist durch ein breites Band gekennzeichnet· Entaprechende Bezugaseichan alnd in den Flg. 1 und 2 verwendet worden·

*ie dargestellt worden iat, sind die Ultraachallerseuger dar Fig. 1 und 2 Bit Yerzögerungaaedien aua Materalien verbunden« die von dan Materialien aowohl dar Unterlage 10 ala auch dar Schicht 11 vereohieden aind. üa iat dennoch su bemerken« daJ daa Unterlagematerial aelbat auareichende Longe haben kann« ua daa Yersöcerungaaediusi κ« bilden· Materalien dar öruppan 111-T ItBi IX-VI aind relativ teuer und achwierig su bearbeiten und wardam Ublicherweiee nur unter besonderen Umatandea für VarsO-* garttftgsaadian verwendet·

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iiecotlektriache, epit&xiule bcLichten können jedoch auf anderen Materialien viaehßen, die sowohl al« ler£%eruugesi$dien als auch eis leitf&hi&e Unterlage dienen können, j.iee ist in i-ig. 5 dargestellt· 1-er ütreii'üri 31 bildet uier eine Verzögerungsleitung

aus kubischen Vertinaun^en der Gruppe IV mit ^riu^em spezifischen widerstand oder aus anderen i&terialien, die in bekannter ßeise ^eei^nete ti^ensciiftiten für Verzö^eruii^eluitunken fcei hohen ire^uenzen aufweisen und die auch eine Arietailetruktur naben, die mit der r'.riatallstrujitur der «jewünschteri e^itaxiaien schicht vertrj^lici: ist. lie Vertr&ijlic.-.t.cit bringt eine u sowohl der tiriötallstruKtur ale aucü der

mit sich. Besondere i-eie^iele geeigneter der gruppe IV sind oiliziuin und vrerfl.aniuia. jupitaxiale ~j2 und 3^ aus pieeoelektriüuiieo tialLleitenden material uohun epeüii'isehen ..ider^tanda Aerueu &n jedeu: i.iide den otreiierr& ^1 auf Flächen nieder^eaciila^en, die, wie oben beschrieben, zuj\ ^rseu- ^en der gewünschten Auerichtung der i-ie^oelektriscnen Achse der schicht au&^ewahlt sind« lurch ««e^les&en der Veriindur% zwischen den .Teilen 10 und 20 der ii^· 1 oder den ι eilen 12 unä 21 der ?ig. 2 wird eine vollkommene mecnaniache Vercindung zwischen, dem tltraschallerzeuger 52 und der jueitun^ 31 ernalten. Jie des Jltraöchallerzeu^er 33 zugeordneten uinriciitunken :. steilen detektoren oder einrichtungen zur /erwendun^ der elektrischen Kneröie dar, weiche tais aur verzögerten Ultraachallener^ie aurcii den Ultratjuhalleriseu&er 33 zurück verwandelt wird.

für die Auswahl dee materials fur die schichten 32 unü 33 in der ueiset daß die ocuichtm&teralien vertr.-gliche ivriataligitterstrukturen zu der ο tinktur dee tvaaterlalö dejr unterlage bsw.

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der Verzögerungsleitung haben, können beaondere Beispiele angegeben werden. .Venn die x.eitung 31 aus kubischem Silizium besteht? kann die epitaxiale Jchicht Galliumphosphid, daa eine äquivalente

iinüeitezellen&roQe aufweist, enthalten, 4enn die Leitung 31 aus Jeraanium tea tent, kann die epitaxial«* Schicht aus ualliumaroeniii bestehen.

Lin weiteres -erkEal dieser Auafiihrunejaforrc der :.ri'indung be-Bteht in den Ultraachall-Abzweigunjen, z.B. 34 und 35..Jede Ab- zwei^un^ k?jnn ait dem Haupt-Ultraschallerzeuger gleich sein, mit Ausnahme der Abmeeaun^en, und kann epitaxial in Abstunden in Lan^arichtunc, der zeitung 31 gewachsen sein, wodurch ein Signal von der x-eitun^ eine bestieunte öuitapanne eher ala die maximale Verzöjerunoeztiit abtienoflimen wex'den.icami. Lie Abzweigungen aollen eine Abmeasung in Auabreitun^uriohtung der //eile liin^e der i.uitunj aui'wcinen, die in der Größenordnung einer halben ■«ellenlinie lie^t. Ba die Abzweigun&en klein Bind, tritt nur eine geringe ütörun^ der ausgebreiteten welle auf·

Die epitaxiale ~cuicht muD natürlich eine ..icke aufweisen, die olch ic wesentlichen in der Richtung der piezoelektrischen Aon·· des . ateriala eratreckt, obwohl es nicht notwendig ist, daß diese 1 icke _oenau der piezoelektrischen Achse entspricht, so lange eine wesentliche Konp onente der Achse in den passenden ctichtungen liegt. I er hier verwendet· Ausdruck "piesoelektrlsche tlache" soll deshalb eine Fläche beetlernen, die zu einer pieaoeloktrischen Achse derart in Ueaug gesetst ist, dafl ein in einer hithtung senkrecht su der Fluch« angelegtes Signal ein ν» β «ent lichee piezoelektrisches feld in den Kristall erseugt. Lie bevorsugten piexoelektrisohen flächen sind seltstTerständ-

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lieh ia wesentlichen senkrecht eu einer piezoelektrisch«*!! A Abweichungen von dieser optimalen Ausrichtung konnan jödasii au« «gelassen werden, so lange die ^owuaaolitea piezoc?iöktriacfe@ii LfXekte erualten werden.

Der hler verw&ndifce Ausdruck "epitaxial⁸ soll in seinem weitesten üirme verstanden werden» indem er eis Verfahren beseich&ot» dureti das eir& aateria.1 auf einem Baei3Jöat®;pi&l wachet oder niedergeschlagen wird ₉ dns etwaa varsefeisdea ist_s und guar ent-#e£e2? der fega::;tEönset8un^,iii dsm Fremdstoff gehalt ₉ in dem spc< V/iderstaad oder in aad®r©a Si^enschaftea, und auf dem das aeaa i:at@rial ia einer Kriatallatruktur nieder^eachl&^on wird» derea Au&riahtun^ dureh die iiristallaasrioiitun^ des Basisisateriöle beatiöa-ä ist» Da® Ve.-fahrsn EO&lieSt solche Vcrgünge ©in, die aiii iijd^otaeris&le Sjnthns©_g BIl©Swachsturn und dazu g^uiva» lent« "/erfahren bezeieimst werdsn, und solche Vor^au^e, wie eie in ddn oben angeführten Veröfi'entlishun^n beschrieben sind·

Für solche unkendun^an» bei denen Jcein Vorteil darin besteht» daJ die üüterl&n· auß einer voe der Schicht verschiedenen uiiUßdsue*i3ser₄setKUBg besttht, kann die dobioht durch DHfundiorea koepensierenden Materials direkt in der U&terlago gebildet wrnruMH» Die oüiiicht 1t in ?ig· 1 etellt ?..B. den leil geringen speaifiechen Widerstands dar« wobei das halbleitend« Material 10 seinen epesifieehen widerstand durch Bindiffundieren eines Frewiatoffe in 4me Material 10 erhuht hat. D»r Fresdstoff behindert es*. koeptiiaiert die 3troaträger₉ die für den ursprünglichen niedrigen speeiflachen Widerstand des Material« 10 berechnet sind«

])er Slocfe 10 kann beiepieleweiee at&@ Xadminetsulfid gebildet sein« das dUirefe Dotieren mit Iadiwa und/sder Sälsx'gfis, spie ob$m-verge» einen geringen epe«ifisshasi iide^etand eroaltea hat.

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üin dünner Film 12 aus Kupfer kann dann auf die ausgewählte fläche senkrecht zur piezoelektrischen Achse des kad&iuaaulfldi aufgedampft werden, nenn diese combination im Vakuum bei etwa 4OvJ⁰C einige Minuten erhitzt wird, diffundiert etwas Kupfer in die Flache und behindert die Elektronen« welche durch Freadstorfe in dem Kristallgitter beigesteuert sind, ohne selbst Locher einzuführen, weiche zur leitfähigkeit beitragen. Me diffundierte Schicht wird überkosapenölert, weshalb uie einen um ein Vielfaches höheren speziflachen kiderutand als die Unterlage aufweist. i:ie Unterlage 10 soll vorzugsweise einen spe- | zifiechen widerstand haben, der nicht größer ale die vorstehend angeführten Frenzen von ^₂ ^iat» während die diffundierte üohicht 11 einen 8i>eüifiuchen widerstund hüben soll, der nicht kleiner

von
als die oben angeführten Grenzen S^ ist. iie liickti der diffunaierten Schicht wachst ait der Lrhitzun^Bseit und -temperatur und kann ^steuert werden, um eine schichtdicke zu erhalten» dl· bei der ^ewUnucht^n üetriebsfre^uene in ueßon&na ist. ^usäteilch Lu Kupfer sind oilier und Gold bekannt, um nadiciutuoulfid, Zinksulfid und gleichartigen Halbleitern einen hohen spezifischen «iüeratand su geben. Kompensierende fr&teralien für andere Halbleiter sind vorstehend angeführt worden. .berle^ungen, die oben in Bezug, auf die !icke, die Ausdehnun^srichtung, die belastung, die Anbrin^unfe von Kontakten und die strukturellen. Vorteile la Zumoh· menhang alt der epitaxial erzeugten schicht engestellt worden sind, gelten gleichermaßen flir die durch die Diffusion erseugte Schicht.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   1· Piezoelektrischer'Ultraschallerzeuger,bei dem ein elektrisches ftechselfeld an eine dünne Schicht aus piezoelektrischem Material relativ hohen spezifischen Widerstand· in der iiiehtun^ einer durch die Krietalletruktur des Materials bestimmten piezoelektrischen Achse angelegt wird*, wobei die Schicht auf einer Unterlage aua einem Material relativ geringen spezifischen widerstände gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der hohe spezifische Widerstand infolge wesentlicher ^nterochiede in dem Fremdstoff gehalt des üehichtmateriala und des unterlagemateriale ein vielfache« des geringen spezifischen Xideratands betrugt und daß der hohe epeziflache Λiderstand ein Vielfaches

   die größer als 1/ωε ist, wobei ^ die Kreiaire<iuenz,£ Pielektrizi-

   tätskonstante des ücaici-tmaterialB sind.

   2· Piezoelektrischer ültrascnallerzeuger, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage eine Kristallstruktur, die der Kristallstruktur des äohichtmaterials gleichartig ist,und eine gegebene üristallachse aufweist, die der piezoelektrischen Achse des iichichtmateriale entspricht, wobei das ^chichtaatsrlal vollständig auf einer Fläche des Unterlagematsriale gebildet ist, die i» wesentlichen senkrecht zu der gegebenen Aches steht, so daß die piezoelektrische Achse mit der gegebenen Achse ausgs- richtet 1st·

   3· Piezoelektrischer ültraschallerzeu^er nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dis utromträ*er, die normaler-

   BAD

   w&ise den spezifischen Aiderat nd des üchlchtaiaterials be a tiemen, durch weitere fremdstoff· in der Schicht kompensiert sind.

   4. Piezoelektrischer Ultraschallerzeuger nach Anspruch 3 t dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Fremdstoffe der dünnen üchicht durch infusion zugegeben sind.

   5· Piezoelektrischer UltrusohalXerzeuger naoh Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Schicht epitaxial auf der Unterlage gebildet ist.

   6. Piezoelektrischer Ultraschallerzeuger nach Anspruch 5, dadurch f gekennzeichnet, daß das Unterlagematerial eine form geringen spezifischen Widerstands einer Verbindung der Gruppe Hi-V und daß das achichtmaterial eine Fora hohen epesifieohen widerstände einer Verbindung der Gruppe IiI-V sind·

   7· Piezoelektrischer Ultraschallerzeuger nach Anspruch 6, dadurch e^ekeimzuichnet, daß beide Materialien aus der Gruppe, die Galliumarsenid und Galliumphosphid enthält, ausgewählt sind.

   8. iieaoulektriacher Ultraschallerzeuger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Unterlageeaterial eine form geringen ' spezifischen Widerstands einer Verbindung der Gruppe Il-VI und das bchichtmaterial ein« Fora hohen spezifischen fider-

   der GruPDe
   stands einer Verbindung)TI-Yl ist.

   9· Piezoelektrischer ültraschallerzeuger nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß beide Materalien aus άτ Gruppe, die Cad-■iuBsulphid und Zinkoxyd enthält, ausgewählt sind·

   10· Piezoelektrischer Ultraschallerseuger naoh Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß das Unterlacesaterial ein· Terbindung der

   BADORiGJNAL 809803/06A1

   -ff

   Gruppe IY und dag üehichtmaterial eine form hohen spezifischen Widerstands einer Verbindung der Gruppe XII-V sind·

   11. Piezoelektrischer Ultraschallerzeuger nach Anspruch 10» dadurch gekennzeichnet, daß das Unterlagematerial aus der Gruppe, die Silizium und Germanium enthält, und das ochichtmaterial aus U9T Gruppe, die Galliumphosphid und Galliumarsenid enthalt, auegewählt sind.

   12· Piezoelektrischer Ultraschallerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein überzug au· leitfähigem Material einen ohmschen Kontakt geringen Wideretand· auf der Schicht bildet und daß eine Einrichtung zum übertragen Ton Ultraschallschwingungen auf die und von der Schicht vorgesehen ist..

   13· Verfahren sum Herstellen eine· piezoelektrischen Ultraschallerzeuger· nach einem der Ansprüche 5 bis 12, gekennzeichnet durch •pltaxialee «achsen einer Schicht aus halbleitendem, pieaektrischem Material hohen spezifischen Widerstand· auf einer halbleitenden Unterlage niederen spzifleohen Wideretands aus einem Material mit einer Kristallstruktur und einheitlichen ^ellengröfl·, dl· dem Schlchtmaterial gleichartig sind, und auf der Fläch· des Unterlagekristalle, die der pieeoelektriachen Fläch· des Schiohtmateriale entspricht, und durch Anbringen «in·· obmsehen Kontakt· an der verbleibenden !fläche der Schicht·

   BAD ORIGINAL* 809803/0641