DE19803791A1

DE19803791A1 - Akustisches Oberflächenwellenbauelement

Info

Publication number: DE19803791A1
Application number: DE19803791A
Authority: DE
Inventors: Michio Kadota
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1997-02-07
Filing date: 1998-01-30
Publication date: 1998-08-13
Anticipated expiration: 2018-01-31
Also published as: JP3196678B2; JPH10224172A; DE19803791B4; US6710509B1

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

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.