DE19803791A1 - Akustisches Oberflächenwellenbauelement - Google Patents
Akustisches OberflächenwellenbauelementInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein akustisches Oberflächenwellenbauelement mit
einem Quarzsubstrat und insbesondere ein akustisches Oberflächenwellenbauele
ment, das auf die Erzeugung eines Grundtyps einer verlustbehafteten akustischen
Oberflächenwelle ausgelegt ist.
Ein akustisches Oberflächenwellenbauelement (surface acoustic wave = SAW; im
folgenden werden akustische Oberflächenwellen kurz als "SAW" bezeichnet) wird
beispielsweise weit verbreitet als Bandfilter bei Mobilkommunikationsgeräten ver
wendet. Im allgemeinen weist ein akustisches Oberflächenwellenbauelement ein
piezoelektrisches Substrat und mindestens einen Interdigitalwandler (interdigital
transducer, im folgenden kurz "IDT") auf, der mindestens ein Paar kammförmiger
Elektroden umfaßt, die auf dem piezoelektrischen Substrat angeordnet sind. Das
Substratmaterial des akustischen Oberflächenwellenbauelements kann ein piezo
elektrischer Einkristall, beispielsweise LiNbO3, LiTaO3 oder Quarz sowie piezo
elektrische Keramik, beispielsweise PZT-piezoelektrische Keramik, sein.
Zur Verwirklichung breiter Bandeigenschaften in dem akustischen Oberflächenwel
lenbauelement muß ein piezoelektrisches Material einen großen elektromechani
schen Kopplungsfaktor besitzen. Bei manchen spezifischen Anwendungen muß
das piezoelektrische Material weiterhin einen guten Temperaturkennwert aufwei
sen, d. h. die Frequenzverschiebung seiner Filtereigenschaften, die durch eine
Temperaturänderung verursacht wird, muß gering sein.
Quarz ist unter den eingangs erwähnten piezoelektrischen Materialien als Sub
stratmaterial mit einem kleinen Temperaturkoeffizient der Verzögerung (tempera
ture coefficient of delay, im folgenden auch kurz "TCD") bekannt. Daher sind ver
schiedene Arten von akustischen Oberflächenwellenbauelementen, die jeweils ein
Quarzsubstrat verwenden, vorgeschlagen worden.
Wenn jedoch Rayleigh-Wellen auf einem Quarzsubstrat angeregt werden, tritt das
Problem auf, daß der elektromechanische Kopplungsfaktor unerwünschterweise
klein ist. Der elektromechanische Kopplungsfaktor ks beträgt beispielsweise höch
stens 3,7%, wenn ein Quarzsubstrat mit einer ausgezeichneten TCD verwendet
wird.
Weiterhin tritt das Problem auf, daß die auf dem Quarzsubstrat angeregten Ray
leigh-Wellen eine derart geringe SAW-Geschwindigkeit besitzen, daß das das
Quarzsubstrat umfassende akustische Oberflächenwellenbauelement nicht für ein
Hochfrequenzbauelement verwendet werden kann. Es ist zwar bekannt, daß eine
verlustbehaftete akustische Oberflächenwelle mit einer verhältnismäßig hohen
Schallgeschwindigkeit auf einem Quarzsubstrat angeregt werden könnte, doch ist
der Betrag des Ausklingens der verlustbehafteten akustischen Oberflächenwelle
aufgrund der Ausbreitung derart groß, daß die Verwendung der verlustbehafteten
akustischen Oberflächenwelle als schwierig betrachtet wird.
Akustische Oberflächenwellen unterliegen beispielsweise in Quarzschichten auf
grund von sich parallel von der Oberfläche ausbreitenden Scherwellen einem Ener
gieverlust. Diese Erscheinung wird als "verlustbehaftete akustische Oberflächen
welle" bezeichnet, die in der Literatur als "leaky surface acoustic wave" bekannt ist.
Aus den vorstehend genannten Gründen ist es sehr schwierig, ein akustisches
Oberflächenwellenbauelement zu verwirklichen, das bei hohen Frequenzen arbei
ten und einen hohen elektromechanischen Kopplungsfaktor und eine geringe TCD
aufweisen kann.
In der offengelegten japanischen Patentveröffentlichung Nr. 61-222312 wird bei
spielsweise ein akustisches Oberflächenwellenbauelement offenbart, bei dem eine
piezoelektrische Dünnschicht auf einem Quarzsubstrat und eine IDT-Elektrode auf
der piezoelektrischen Dünnschicht angeordnet werden. Diese japanische Patent
veröffentlichung offenbart, daß eine akustische Oberflächenwelle mit einer etwa 1,7
Mal höheren Schallgeschwindigkeit als eine normale Rayleigh-Welle durch Ver
wendung eines ST-geschnittenen Quarzsubstrats und derartiges Ausbilden einer
Elektrode, daß die Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle senk
recht zur x-Ausbreitungsrichtung erfolgt erzielt werden kann. Die akustische Ober
flächenwelle, die nach diesem Stand der Technik als möglich angesehen wird, ist
jedoch eigentlich eine Kombination einer Oberflächenshim-Volumenwelle (surface
shimming bulk waqve, im folgenden auch "SSBW") und einer Oberflächenquerwelle
(suface transverse wave, im folgenden auch "STW"), die sich in bezug auf die Fre
quenz ähneln. Daher ist ihre Verwendung bei einem akustischen Oberflächenwel
lenresonator oder ähnlichem schwierig.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein akustisches Oberflächenwellenbauelement
zu schaffen, das eine geringe TCD und einen großen elektromechanischen Kopp
lungsfaktor aufweist und zum Einsatz bei hohen Frequenzen geeignet ist.
Diese Aufgabe wird bei einem akustischen Oberflächenbauelement nach dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch dessen kennzeichnenden Merkmale ge
löst.
Die Erfindung überwindet die eingangs erwähnten Probleme, die bei herkömmli
chen Einrichtungen auftreten.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfaßt
ein akustisches Oberflächenwellenbauelement ein Quarzsubstrat, eine auf dem
Quarzsubstrat angeordnete piezoelektrische Dünnschicht und eine in Kontakt mit
der piezoelektrischen Dünnschicht stehende Interdigitalelektrode. Das Quarzsub
strat weist einen Winkel Φ bei dem Eulerschen Winkel (0, Φ, θ) auf, der so gewählt
ist, daß das Quarzsubstrat bei einer vorbestimmten Ausbreitungsrichtung Θ einen
negativen Temperaturkoeffizienten der Verzögerung aufweist. Die piezoelektrische
Dünnschicht besitzt einen positiven Temperaturkoeffizienten der Verzögerung und
eine Stärke H, die so gewählt ist, daß ein Grundtyp einer verlustbehafteten akusti
schen Oberflächenwelle auf dem Quarzsubstrat angeregt wird, und das akustische
Oberflächenwellenbauelement arbeitet unter Verwendung des Grundtyps der ver
lustbehafteten akustischen Oberflächenwelle.
Eine durch Dividieren der Stärke H der piezoelektrischen Dünnschicht durch eine
Wellenlänge λ der anzuregenden verlustbehafteten akustischen Oberflächenwelle
erhaltene normierte Schichtstärke H/λ liegt bevorzugt in dem Bereich von etwa 0,01
bis etwa 0,15.
Der Winkel Φ liegt bevorzugt in dem Bereich von etwa 119° bis etwa 167° und be
vorzugter in dem Bereich von 119° bis 138°.
Die Ausbreitungsrichtung Θ liegt bevorzugt in dem Bereich von etwa 85° bis etwa
95°.
Die piezoelektrische Dünnschicht wird bevorzugt aus einem Material hergestellt,
das aus der Gruppe bestehend aus ZnO, AlN, Ta2O5 oder CdS gewählt wird.
Die Interdigitalelektrode kann zwischen der piezoelektrischen Dünnschicht und dem
Quarzsubstrat angeordnet werden. Weiterhin kann das akustische Oberflächen
bauelement eine auf der piezoelektrischen Dünnschicht angeordnete Erdungselek
trode umfassen.
Bei dem akustischen Oberflächenwellenbauelement nach den bevorzugten erfin
dungsgemäßen Ausführungsbeispielen weist ein Quarzsubstrat einen so gewählten
Winkel auf, daß ein Temperaturkoeffizient einer Verzögerung (TCD) bei der vorbe
stimmten Ausbreitungsrichtung einen negativen Wert annimmt, während eine pie
zoelektrische Dünnschicht einen positiven Temperaturkoeffizienten der Verzöge
rung aufweist. Auf dem Quarzsubstrat ist auch eine piezoelektrische Dünnschicht
mit einem positiven Temperaturkoeffizienten der Verzögerung vorgesehen. Deshalb
wird durch die Kombination der einzigartigen Merkmale des Quarzsubstrats und der
piezoelektrischen Dünnschicht, einschließlich des jeweiligen negativen Tempera
turkoeffizienten der Verzögerung und des jeweiligen positiven Temperaturkoeffizi
enten der Verzögerung, ein verringerter TCD-Wert definiert, wodurch ein zusam
mengesetztes Substrat mit einer sehr geringen TCD gebildet wird.
Darüberhinaus ist die Stärke der piezoelektrischen Dünnschicht so ausgelegt, daß
ein Grundtyp einer verlustbehafteten akustischen Oberflächenwelle erzeugt wird.
Daher ist es möglich, ein akustisches Oberflächenwellenbauelement zur Hand zu
geben, das bei dem Grundtyp einer verlustbehafteten akustischen Oberflächen
welle arbeitet und eine sehr geringe TCD aufweist.
Weiterhin ist es bei Festsetzen einer normierten Schichtstärke der piezoelektri
schen Dünnschicht innerhalb des oben festgelegten bevorzugten Bereichs möglich,
ein akustisches Oberflächenbauelement zu bilden, das nicht nur eine sehr geringe
TCD, sondern auch einen hohen elektromechanischen Kopplungsfaktor aufweist.
Da der Eulersche Winkel des Quarzsubstrats auf etwa (0, 119° bis 167°, 85° bis
95°) festgesetzt ist, ist es weiterhin möglich, ein akustisches Oberflächenwellen
bauelement zuverlässig zur Hand zu geben, das beim Grundtyp einer verlustbe
hafteten akustischen Oberflächenwelle arbeitet und einen sehr niedrigen Tempe
raturkoeffizienten und einen sehr hohen elektromechanischen Kopplungsfaktor
aufweist.
Zur Veranschaulichung der Erfindung werden in den Zeichnungen mehrere Ausbil
dungen gezeigt die zur Zeit bevorzugt werden, es versteht sich jedoch, daß die
Erfindung nicht auf die gezeigten präzisen Anordnungen und Zweckdienlichkeiten
beschränkt ist.
Fig. 1A ist eine Draufsicht auf ein akustisches Oberflächenwellenbauele
ment nach einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführung.
Fig. 1B ist eine Querschnittsansicht eines Hauptteils des in Fig. 1A ge
zeigten akustischen Oberflächenwellenbauelements.
Fig. 2A ist eine Draufsicht auf ein akustisches Oberflächenwellenbauele
ment nach einer weiteren bevorzugten erfindungsgemäßen Ausfüh
rung.
Fig. 2B ist eine Querschnittsansicht eines Hauptteils eines in Fig. 2A ge
zeigten akustischen Oberflächenwellenbauelements.
Fig. 3A ist eine Draufsicht auf ein akustisches Oberflächenwellenbauele
ment nach einer noch weiteren bevorzugten erfindungsgemäßen
Ausführung.
Fig. 3B ist eine Querschnittsansicht eines Hauptteils eines in Fig. 3A ge
zeigten akustischen Oberflächenwellenbauelements.
Fig. 4 ist eine Kurve, die das Verhältnis zwischen einer normierten
Schichtstärke H/λ einer ZnO-Dünnschicht und der Schallgeschwin
digkeit in dem akustischen Oberflächenwellenbauelement, in dem
die ZnO-Dünnschicht auf einem Quarzsubstrat mit einem Euler
schen Winkel (0, 132°75', 90°) gebildet wird, zeigt.
Fig. 5 ist eine Kurve, die das Verhältnis zwischen der TCD und dem Win
kel Φ des Quarzsubstrats bei dem Eulerschen Winkel (0, Φ, 90°)
zeigt.
Fig. 6 zeigt das Verhältnis zwischen der TCD des akustischen Oberflä
chenwellenbauelements mit einem Quarzsubstrat bei dem Euler
schen Winkel (0, 132°45', 90°) und verschiedenen normierten Stär
ken der auf dem Quarzsubstrat ausgebildeten ZnO-Dünnschicht.
Fig. 7 ist eine Kurve, die das Verhältnis zwischen dem elektromechani
schen Kopplungsfaktor und der normierten Schichtstärke der ZnO-Dünnschicht
in dem in Fig. 1A und 1B gezeigten akustischen Ober
flächenwellenbauelement zeigt.
Fig. 8 ist eine Kurve, die das Verhältnis zwischen dem elektromechani
schen Kopplungsfaktor und der normierten Schichtstärke der ZnO-Dünnschicht
in dem in Fig. 2A und 2B gezeigten akustischen Ober
flächenwellenbauelement zeigt.
Fig. 9 zeigt das Verhältnis zwischen der TCD in dem in Fig. 1A und 1B
gezeigten akustischen Oberflächenwellenbauelement und dem
Winkel Φ bei dem Eulerschen Winkel (0, Φ, 90°) und verschiedenen
normierten Schichtstärken H/λ.
Fig. 10 ist eine Kurve, die das Verhältnis zwischen dem elektromechani
schen Kopplungsfaktor des in Fig. 1A und 1B gezeigten akusti
schen Oberflächenwellenbauelements und dem Winkel Φ bei dem
Eulerschen Winkel (0, Φ, 90°) und verschiedenen normierten
Schichtstärken H/λ zeigt.
Die bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beruhen auf der
Entdeckung des Erfinders, daß ein neues akustischen Oberflächenwellenbauele
ment unter Verwendung eines Grundtyps einer verlustbehafteten akustischen
Oberflächenwelle und mit ausgezeichneten Eigenschaften konstruiert werden kann,
wenn die mit dem Abklingen der verlustbehafteten akustischen Oberflächenwelle
während der Ausbreitung verbundenen Probleme überwunden werden. In Folge
intensiver Untersuchungen hat der Erfinder entdeckt daß das Abklingen der ver
lustbehafteten akustischen Oberflächenwelle während der Ausbreitung durch An
ordnen der piezoelektrischen Dünnschicht auf dem Quarzsubstrat unterdrückt wer
den kann und daß die TCD des Quarzsubstrats mit der piezoelektrischen Dünn
schicht sehr niedrig bzw. im wesentlichen bei Null gehalten werden kann, indem ein
Quarzsubstrat mit einer negativen TCD und eine piezoelektrische Dünnschicht mit
einer positiven TCD verwendet werden.
Nachfolgend werden die bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungen ausführ
lich unter Bezug auf die Zeichnungen erläutert.
Fig. 1A und 1B zeigen ein akustisches Oberflächenwellenbauelement 4 nach einer
bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführung. Das akustische Oberflächenwellen
bauelement 4 ist ein Transversalfilter und beinhaltet ein Quarzsubstrat 1, eine dar
auf angeordnete piezoelektrische Dünnschicht 3 und Interdigitalwandler 2. Die In
terdigitalwandler (IDT) 2 sind vorzugsweise zwischen der piezoelektrischen Dünn
schicht 3 und dem Quarzsubstrat 1 so angeordnet, daß die Interdigitalwandler 2 in
Kontakt mit der piezoelektrischen Schicht 3 stehen. Jeder der Interdigitalwandler 2
beinhaltet einen Satz kammförmiger Elektroden, die fingerartig miteinander greifen.
Die Interdigitalwandler 2 können auf der piezoelektrischen Dünnschicht 3 vorgese
hen werden. Wie in Fig. 2A und 2B dargestellt ist, wird insbesondere in einem aku
stischen Oberflächenwellenbauelement 5 die piezoelektrische Schicht 3 auf dem
Quarzsubstrat 1 vorgesehen, und die Interdigitalwandler 2 können auf einer Ober
fläche der piezoelektrischen Dünnschicht 3 angeordnet werden.
Ein akustisches Oberflächenwellenbauelement 4 nach einer bevorzugten erfin
dungsgemäßen Ausführung kann weiterhin eine Erdungselektrode umfassen. Wie
in Fig. 3A und 3B gezeigt ist, umfaßt ein akustisches Oberflächenwellenbauelement
7 das Quarzsubstrat 1, die piezoelektrische Dünnschicht 3, die Interdigitalwandler 2
und eine Erdungselektrode 6. Die Erdungselektrode 6 ist vorzugsweise so auf der
piezoelektrischen Dünnschicht 3 vorgesehen, daß sie die zwischen dem Quarzsub
strat 1 und der piezoelektrischen Dünnschicht 3 vorgesehenen Interdigitalwandler 2
bedeckt.
Die in dem akustischen Oberflächenwellenbauelement nach diesem bevorzugten
Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendete piezoelektrischen Dünnschicht ist
bevorzugt aus ZnO, AlN, Ta2O5 oder CdS hergestellt. Nach der Entdeckung des
Erfinders ist eine ZnO-Dünnschicht bevorzugter.
In den akustischen Oberflächenwellenbauelementen 4, 5 und 7 weist das Quarz
substrat vorzugsweise einen so gewählten Winkel Φ bei dem Eulerschen Winkel (0,
Φ, θ) auf, daß ein negativer Temperaturkoeffizient der Verzögerung (TCD) bei einer
vorbestimmten Ausbreitungsrichtung in der sich die akustischen Oberflächenwellen
ausbreiten, verliehen wird. Die piezoelektrische Dünnschicht 3 weist eine Stärke
auf, die die Anregung eines Grundtyps einer verlustbehafteten akustischen Ober
flächenwelle auf dem Quarzsubstrat 1 erlaubt. Weiterhin weist die piezoelektrische
Dünnschicht 3 eine positive TCD auf.
In dem akustischen Oberflächenwellenbauelement dieses bevorzugten Ausfüh
rungsbeispiels der Erfindung ist der Grundtyp einer verlustbehafteten akustischen
Oberflächenwelle eine Scherhorizontal(SH)-Oberflächenwelle, die eine Verdrän
gung aufweist, die im wesentlichen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Ober
flächenwelle erfolgt, und die eine Hauptkomponente aufweist, die im wesentlichen
parallel zur Oberfläche des Substrats ist. Bei der Verwendung der verlustbehafteten
akustischen SH-Oberflächenwelle wird bevorzugt daß die Ausbreitungsrichtung Θ,
in der sich die verlustbehaftete akustische SH-Oberflächenwelle ausbreitet, inner
halb des Bereichs von etwa 85° bis etwa 95° liegt. Dies bedeutet, daß das Quarz
substrat 1 vorzugsweise einen Eulerschen Winkel (0, Φ, 85°-95°) aufweist.
Fig. 4 ist eine Kurve, die das Verhältnis zwischen der Schallgeschwindigkeit einer
akustischen Oberflächenwelle und einer normierten Schichtstärke H/λ einer ZnO-Dünnschicht
in einem akustischen Oberflächenwellenbauelement zeigt, bei dem ein
IDT auf einem Quarzsubstrat mit einem Eulerschen Winkel (0, 132°45', 89°) ange
ordnet wird und die ZnO-Dünnschicht darauf weiterhin in verschiedenen Stärken
angeordnet wird. Die normierte Schichtstärke H/λ wird als Wert definiert, der durch
Dividieren der Stärke H (µm) der piezoelektrischen Dünnschicht durch die Wellen
länge λ (µm) der anzuregenden akustischen Oberflächenwelle erhalten wird. In Fig.
4 stellt die Linie A einen Grundtyp einer verlustbehafteten akustischen Oberflä
chenwelle dar und die Linie B stellt eine Rayleigh-Welle dar.
Wie aus Fig. 4 hervorgeht werden sowohl ein Grundtyp einer verlustbehafteten
akustischen Oberflächenwelle als auch eine Rayleigh-Welle in dem akustischen
Oberflächenwellenbauelement angeregt, und der Grundtyp einer verlustbehafteten
akustischen Welle mit einer größeren SAW-Geschwindigkeit als die der Rayleigh-Welle
kann durch Festsetzen der normierten Schichtstärke H/λ der ZnO-Dünnschicht
auf die erforderlichen Werten angeregt werden.
Daher offenbart Fig. 4, daß die Verwendung des oben erwähnten Quarzsubstrats
die Anregung des Grundtyps der verlustbehafteten akustischen Oberflächenwelle
mit einer höheren SAW-Geschwindigkeit als die der Rayleigh-Welle ermöglicht.
Es ist bestätigt worden, daß der Grundtyp einer verlustbehafteten akustischen
Oberflächenwelle sowohl in der ZnO-Dünnschicht als auch in dem Quarzsubstrat
angeregt wird, während die Hauptkomponente des Grundtyps der verlustbehafteten
akustischen Oberflächenwelle in der ZnO-Dünnschicht vorliegt. Somit fungieren die
ZnO-Dünnschicht und das Quarzsubstrat als ein zusammengesetztes Substrat.
Wenngleich dies in Fig. 4 nicht insbesondere gezeigt wird, können eine Sezawa-Welle,
die ein höherer Typ der Rayleigh-Welle ist, und ein Typ höherer Ordnung der
verlustbehafteten akustischen Oberflächenwelle ebenfalls zusätzlich zu den akusti
schen Oberflächenwellen durch Festsetzen der relativen Stärke H/λ der ZnO-Dünnschicht
auf die erforderlichen Werte angeregt werden.
Fig. 5 ist eine Kurve, die das Verhältnis zwischen der TCD und dem Winkel Φ des
Quarzsubstrats bei dem Eulerschen Winkel (0, Φ, 90°) zeigt. Fig. 5 zeigt, daß die
TCD durch Ändern des Winkels Φ variiert wird und daß die TCD einen negativen
Wert besitzt, wenn der Winkel Φ innerhalb des Bereichs von etwa 123° bis etwa
177° liegt.
Fig. 6 zeigt das Verhältnis zwischen der TCD des oben erwähnten akustischen
Oberflächenwellenbauelements mit einem Quarzsubstrat bei dem Eulerschen Win
kel (0, 132°45', 90°) und auf dem Quarzsubstrat angeordneten verschiedenen nor
mierten Stärken der ZnO-Dünnschicht. In Fig. 6 stellt die Linie C einen Grundtyp
einer verlustbehafteten akustischen Oberflächenwelle dar, die Linie D stellt eine
Rayleigh-Welle und die Linie E einen Typ höherer Ordnung der verlustbehafteten
akustischen Oberflächenwelle dar.
Fig. 6 offenbart, daß die TCD durch Festlegen der normierten Schichtstärke H/λ der
ZnO-Dünnschicht auf etwa 0,05 Null werden kann, wenn der Grundtyp der verlust
behafteten akustischen Oberflächenwelle verwendet wird.
Dies bedeutet, daß, wenngleich die TCD des Quarzsubstrats bei dem Eulerschen
Winkel (0,132°45', 90°) negativ ist, ein Grundtyp einer verlustbehafteten akusti
schen Oberflächenwelle mit einer höheren Schallgeschwindigkeit als bei einer
Rayleigh-Welle durch Überlagern einer ZnO-Dünnschicht mit einer positiven TCD
angeregt werden kann und die TCD auf etwa Null gebracht werden kann.
Fig. 7 ist eine Kurve, die das Verhältnis zwischen dem elektromechanischen Kopp
lungsfaktor und der normierten Schichtstärke der ZnO-Dünnschicht in dem in Fig.
1A und 1B gezeigten akustischen Oberflächenwellenbauelement zeigt. In Fig. 7
stellt die Linie F einen Grundtyp einer verlustbehafteten akustischen Oberflächen
welle dar und die Linie G stellt einen Typ höherer Ordnung der verlustbehafteten
akustischen Oberflächenwelle dar. Wie aus Fig. 7 ersichtlich ist, liegt der elektro
mechanische Kopplungsfaktor in dem akustischen Oberflächenwellenbauelement 4
bei mehr als etwa 0,03, wenn die normierte Schichtstärke H/λ der ZnO-Dünnschicht
innerhalb des Bereichs von etwa 0,01 bis etwa 0,15 liegt. Es ist daher möglich,
durch Festlegen der normierten Schichtstärke H/λ in dem gewünschten Bereich
einen hinreichend großen elektromechanischen Kopplungsfaktor zu erhalten. Wenn
die normierte Schichtstärke H/λ der ZnO-Dünnschicht auf den Wert innerhalb des
Bereichs von etwa 0,03 bis etwa 0,08 gesetzt wird, wird darüberhinaus der elektro
mechanische Kopplungsfaktor größer als etwa 0,04. Dieser Wert kann nicht durch
ein ein herkömmliches Quarzsubstrat und eine Rayleigh-Welle einsetzendes aku
stisches Oberflächenwellenbauelement erzielt werden.
Wenn ein Quarzsubstrat mit so gewähltem Winkel Φ und so gewählter Ausbrei
tungsrichtung Θ, daß eine negative TCD gegeben ist, als ein Quarzsubstrat ver
wendet wird, eine piezoelektrische Dünnschicht, die sich auf dem Quarzsubstrat
befindet, so ausgewählt wird, daß sie einen positiven Temperaturkoeffizienten der
Verzögerung besitzt und die Stärke H/λ der piezoelektrischen Dünnschicht inner
halb des Bereichs von etwa 0,01 bis etwa 0,15 liegt, ist es daher möglich, ein aku
stisches Oberflächenwellenbauelement zu erhalten, das einen hohen elektrome
chanischen Kopplungsfaktor und eine sehr niedrige TCD aufweist.
Fig. 8 ist eine Kurve, die das Verhältnis zwischen dem elektromechanischen Kopp
lungsfaktor und der normierten Schichtstärke der ZnO-Dünnschicht in dem in Fig.
2A und 2B gezeigten akustischen Oberflächenwellenbauelement 5 zeigt. In Fig. 8
stellt die Linie H einen Grundtyp eines verlustbehafteten akustischen Oberflächen
wellentyps dar, die Linie I stellt eine Rayleigh-Welle und die Linie J stellt einen hö
heren Typ der verlustbehafteten akustischen Oberflächenwelle dar. Die in Fig. 6
gezeigten Eigenschaften ergeben sich auch aus der Verwendung des Quarzsub
strats mit dem oben erwähnten Eulerschen Winkel.
Fig. 8 offenbart, daß der elektromechanische Kopplungsfaktor des Grundtyps der
verlustbehafteten akustischen Oberflächenwelle auch durch Festlegen der nor
mierten Schichtstärke H/λ der ZnO-Dünnschicht innerhalb des Bereichs von etwa
0,01 bis etwa 0,15 in dem in Fig. 2A und 2B gezeigten akustischen Oberflächen
wellenbauelement 5 hoch gehalten werden kann.
Fig. 9 zeigt das Verhältnis zwischen der TCD in dem in Fig. 1A und 1B gezeigten
akustischen Oberflächenwellenbauelement und dem Winkel Φ bei dem Eulerschen
Winkel (0, Φ, 90°) und verschiedenen normierten Schichtstärken H/λ. In Fig. 9 stel
len die Linien K, L und M Fälle dar, bei denen H/λ jeweils auf etwa 0,032, etwa
0,044 und etwa 0,009 gesetzt wurde.
Fig. 9 offenbart, daß selbst bei Ausbildung einer der obigen ZnO-Dünnschichten,
die die oben genannten drei Stärken aufweisen, die TCD des akustischen Oberflä
chenwellenbauelements innerhalb des Bereichs von 0 ± 20 ppm/°C liegt, indem der
Winkel Φ innerhalb des Bereichs von etwa 119° bis etwa 138° und des Bereichs von
etwa 162° bis etwa 178° gesetzt wird und die normierte Schichtstärke H/λ der ZnO-Dünnschicht
auf den zuvor erwähnten Wert gesetzt wird.
Aus den oben erwähnten Gründen wird die Verwendung des Quarzsubstrats mit
einem Eulerschen Winkel (0, 119°-138°, 85°-95°) und (0, 1620-178°, 85°-95°)
bevorzugt, um ein akustisches Oberflächenelement mit einer ausgezeichneten TCD
zu erhalten.
Wenngleich Fig. 9 die Ergebnisse des in Fig. 1A und 1B gezeigten akustischen
Oberflächenwellenbauelements zeigt, ist bestätigt worden, daß die TCD bei den in
Fig. 2A, 2B, 3A und 3B gezeigten akustischen Oberflächenwellenbauelementen 5
und 7 ausgezeichnet ist, wenn der Eulersche Winkel auf den oben erwähnten Wert
gesetzt wird.
Fig. 10 ist eine Kurve, die das Verhältnis zwischen dem elektromechanischen
Kopplungsfaktor k des in Fig. 1A und 1B gezeigten akustischen Oberflächenwel
lenbauelements und dem Winkel Φ bei dem Eulerschen Winkel (0, Φ, 90°) und ver
schiedenen normierten Schichtstärken H/λ zeigt.
In Fig. 10 stellen die Linien N, O und P die Fälle dar, bei denen die Werte von H/λ
jeweils auf etwa 0,032, etwa 0,044 und etwa 0,009 gesetzt sind.
Wie in Fig. 10 dargestellt ist, wird bevorzugt, daß vom Standpunkt der Verbesse
rung des elektromechanischen Kopplungsfaktors k aus ein Winkel Φ so ausgewählt
wird, daß er einen Wert innerhalb des Bereichs von etwa 119° bis etwa 167° be
sitzt. Nach weiterer Forschung wurde bestätigt daß ein großer elektromechani
scher Kopplungsfaktor dadurch erzielt werden kann, daß der Winkel Φ bei den in
Fig. 2A, 2B, 3A und 3B gezeigten akustischen Oberflächenwellenbauelementen 5
und 7 innerhalb des oben festgelegten Bereichs gesetzt wird. Es wurde dadurch
bestätigt, daß der Winkel Φ vorzugsweise innerhalb des Bereichs von etwa 119° bis
etwa 167° liegt, damit der große elektromechanische Kopplungsfaktor erzielt wird.
In Anbetracht der vorstehenden Ergebnisse ist es bevorzugter, daß das akustische
Oberflächenwellenbauelement nach den bevorzugten Ausführungsbeispielen ein
Quarzsubstrat mit Eulerschem Winkel (0, 119°-138°, 85°-95°) und eine normierte
Stärke H/λ der piezoelektrischen Dünnschicht innerhalb des Bereichs von etwa
0,01 bis etwa 0,15 aufweist.
Wenngleich das akustische Oberflächenwellenbauelement nach den bevorzugten
Ausführungen der vorliegenden Erfindung als Transversalfilter erklärt wird, kann
das erfindungsgemäße akustische Oberflächenwellenbauelement ein Resonator
oder ein Resonatorfilter sein. Weiterhin kann der Resonator entweder ein Resona
tor mit Drahtnetzreflektoren oder ein Substratrand-Reflexionsresonator sein.
Auch wenn bevorzugte Ausführungen der Erfindungen offenbart worden sind, wer
den verschiedene Arten der Umsetzung der hierin offenbarten Grundsätze als in
nerhalb des Schutzumfangs der nachfolgenden Ansprüche liegend betrachtet. Es
versteht sich daher, daß der Schutzumfang der Erfindung nicht zu beschränken ist,
es sei denn, in den Ansprüchen wird etwas anderes aufgezeigt.
Claims (9)
1. Akustisches Oberflächenwellenbauelement mit
- - einem Quarzsubstrat,
- - einer auf dem Quarzsubstrat angeordneten piezoelektrischen Dünn schicht mit einem positiven Temperaturkoeffizienten der Verzögerung und mit
- - einer Interdigitalelektrode, die so angeordnet ist, daß sie mit der pie
zoelektrischen Dünnschicht in Kontakt steht,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Quarzsubstrat einen Winkel Φ bei dem Eulerschen Winkel (0, Φ, θ) aufweist, der so gewählt ist, daß das Quarzsubstrat bei einer vorbe stimmten Ausbreitungsrichtung Θ einen negativen Temperaturkoeffizien ten der Verzögerung aufweist und die piezoelektrische Dünnschicht eine Stärke H aufweist, die so gewählt ist, daß ein Grundtyp einer leckenden akustischen Oberflächenwelle auf dem Quarzsubstrat angeregt wird und das akustische Oberflächenwellenbauelement unter Verwendung des Grundtyps der leckenden akustischen Oberflächenwelle arbeitet.
2. Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß eine durch Dividieren der Stärke H der piezoelektri
schen Dünnschicht durch eine Wellenlänge λ der anzuregenden lecken
den akustischen Oberflächenwelle erhaltene normierte Schichtstärke H/λ
innerhalb eines Bereichs von etwa 0,01 bis etwa 0,15 liegt.
3. Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Winkel Φ in einem Bereich von etwa 119° bis et
wa 167° liegt.
4. Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Winkel Φ in einem Bereich von etwa 119° bis et
wa 138° liegt.
5. Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ausbreitungsrichtung Θ in einem Bereich von
etwa 85° bis etwa 95° liegt.
6. Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Dünnschicht aus einem Material
hergestellt wird, das aus der Gruppe bestehend aus ZnO, AlN, Ta2O5 oder
CdS gewählt wird.
7. Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Dünnschicht aus ZnO herge
stellt wird.
8. Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Interdigitalelektrode zwischen der piezoelektri
schen Dünnschicht und dem Quarzsubstrat angeordnet wird.
9. Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 8, welches
weiterhin eine auf der piezoelektrischen Dünnschicht angeordnete Er
dungselektrode umfaßt.
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