DE3030636A1

DE3030636A1 - Vorrichtung zur verarbeitung von akustischen oberflaechenwellen

Info

Publication number: DE3030636A1
Application number: DE19803030636
Authority: DE
Inventors: Shoichi Toda Saitama Minagawa; Morihiro Toda Saitama Niimi; Takeshi Toda Saitama Okamoto; Takamasa Toda Saitama Sakai
Original assignee: Clarion Co Ltd
Current assignee: Faurecia Clarion Electronics Co Ltd
Priority date: 1979-08-14
Filing date: 1980-08-13
Publication date: 1981-03-26
Also published as: GB2056810B; FR2463473B1; US4357553A; FR2463473A1; GB2056810A

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verarbeitung von akustischen Oberflächenwellen,die als Verstärker oder dgl. für akustische Oberflächenwellen dienen kann. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung der in Rede stehenden Art mit einer Sperrschicht-Steuereinrichtung, die aus einem p-n Übergang an einem Zwischenflächenbereich zwischen einem Halbleiter und einer piezoelektrischen Lage ausgebildet ist, was verhindert, dass an die piezoelektrische Lage eine Gleichspannung angelegt wird, wodurch die Spannungshysterese so klein wie möglich gehalten wird und ein stabiles Arbeitsverhalten sichergestellt ist.

In der üS-Patentschrift 948 82 6 wird eine akustische Oberflachenwellen verarbeitende Vorrichtung erläutert, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist.. Diese Vorrichtung wird von einer kontinuierlichen Welle beaufschlagt und hat ein gewünschtes Signal/Rauschverhältnis, einen hohen Q-Wert, wenn als Frequenzwähler verwendet, ein in weitem Bereich verfügbares Eingangsfrequenzband und dgl.

Im übrigen wird auf die bekannten Vorrichtung einschliesslich der damit verbundenen Nachteile noch näher eingegangen.

Demgegenüber ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Verarbeitung von akustischen Oberflächenwellen zu schaffen, die den mit der bekannten Vorrichtung verbundenen Nachteilen begegnet.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung zeichnet sich aus durch ein Laminat aus einem Halbleitermaterial und einem piezoelektrischen Material; einer Sperrschicht-Steuereinrichtung, die an einem Zwischenflächenbereich zwischen Halbleitermaterial und piezoelektrischem Material örtlich vorgesehen ist; und einer Einrichtung zum Anlegen einer Gleichvorspannung

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und einer Pumpspannung an die Sperrschicht-Steuereinrichtung, um die Sperrschicht des Laminats zu steuern, und an ein oder mehreren Bereichen ausserhalb desjenigen Bereiches, an dem die Sperrschicht-Steuereinrichtung vorgesehen ist, eine parametrische Wechselwirkung hervorzurufen.

Zusammengefasst wird somit durch die Erfindung eine akustische Oberflächenwellen verarbeitende Vorrichtung mit einem Laminat geschaffen, das aus einem Halbleiter und einem piezoelektrischen Material besteht. An einem Zwischenflächenbereich zwischen Halbleiter und piezoelektrischer Lage befindet sich örtlich eine Sperrschicht-Steuereinrichtung, so dass an einem Bereich ausserhalb der Zone, an der die Sperrschicht-Steuereinrichtung vorgesehen ist, eine parametrische Wechselwirkung hervorgerufen und die Kapazität der Sperrschicht gesteuert wird, indem man an die Sperrschicht-Steuereinrichtung eine Gleichvorspannung und eine Pumpspannung anlegt.

Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung unter vorausgehender Bezugnahme auf eine bekannte Vorrichtung der in Rede stehenden Art näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht von einer herkömmlichen

akustische Oberflächenwellen verarbeitenden Vorrichtung,

Fig. 2 eine Seitenansicht von einer Ausführungsform

einer erfindungsgemäss aufgebauten Vorrichtung zur Verarbeitung akustisch Oberflächenwellen,

Fig. 3 eine geschnittene Ansicht von einem Hauptteil

der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung,

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Fig. 4 eine Draufsicht auf die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung mit weggenommener piezoelektrischer Lage zur Darstellung eines Anordnungsheispiels für eine Sperrschicht-Steuereinrichtung,

Fig. 5 eine Draufsicht auf die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung mit weggenommener piezoelektrischer Lage zur Darstellung eines weiteren Anordnungsbeispiels für eine Sperrschicht-Steuereinrichtung,

Fig. 6 eine Draufsicht auf die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung mit weggenommener piezoelektrischer Lage zur Darstellung von einem dritten Anordnungsbeispiel für eine Sperrschicht-Steuereinrichtung,

Fig. 7 fragmentarische geschnittene Ansichten von verschiedenen konkreten und speziellen Ausführungen von Sperrschicht-Steuereinrichtungen für die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung, wobei Fig. einen p-n Übergang, Fig. 8 und 9 einen p-n Übergang und eine auf diesem aufgegebene Metallelektrode und Fig. 10 einen Schottky-Übergang zeigen,

Fig. 11 eine grafische Darstellung von einem Beispiel eines charakteristischen Verlaufs des Verstärkungsfaktors in Abhängigkeit von der Pumpenergie für die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung,

Fig. 12 eine grafische Darstellung von einem Beispiel des charakteristischen Verlaufs der Frequenz bei einem Leistungsverstärkungsfaktor für die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung,

Fig. 13 Seitenansichten von anderen Ausführungsformen erfindungsgemäss aufgebauter Vorrichtungen, und

Fig. 15 fragmentarische geschnittene Ansichten von verschiedenen, konkreten und speziellen Ausführungen von Sperrschicht-Steuereinrichtungen für die in Fig. 14 gezeigte Vorrichtung.

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Stand der Technik

In Fig. 1 betrifft das Bezugszeichen 1 ein Halbleitersubstrat, auf dem ein Isolierfilm 2 und eine piezoelektrische Lage 3 unter Bildung eines Laminats angeordnet sind. Eine auf der piezoelektrischen Lage 3 vorgesehene Elektrode 4 dient zum Anlegen einer Gleichvorspannung und einer Pumpenergie. Mit 5 ist eine Ohm'sche Elektrode, mit 6 eine Gleichspannungsquelle zum Aufbringen der Gleichvorspannung und mit 7 eine Hochfrequenzenergiequelle zum Aufbringen der Pumpenergie bezeichnet.

Bei der so ausgebildeten Vorrichtung wird man erkennen, dass' bei Anlagen einer Gleichvorspannung und einer Pumpenergie an das Laminat über die Elektrode 4 ein Welleneingangssignal 8 im Laufe der Fortpflanzung durch den Wirkbereich unter der Elektrode 4 durch eine parametrische Wechselwirkung mit einer Sperrschichtkapazität an einer Oberfläche des Halbleitersubstrats 1 durch den piezoelektrischen Effekt der piezoelektrischen Lage verstärkt wird und verstärkte akustische Wellensignale 9, 9' über nicht gezeigte geeignete Ausgabeeinrichtungen abgegeben werden.

Bei der praktischen Herstellung der vorbeschriebenen Vorrichtung können die folgenden Materialien für die betreffenden Komponenten der Vorrichtung mit dem Ziel, Materialkosten und Fertigungskosten einzusparen, ausgewählt werden: Silicium (Si) für das Halbleitersubstrat 1, Siliciumdioxid (SiO„) für den

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Isolierfilm 2 und Zinkoxid (ZnO) für die piezoelektrische Lage 3. Die piezoelektrische Lage 3 aus Zinkoxid lässt sich einfach auf das Substrat 1 nach herkömmlichen Vorgehensweisen,wie Aufdampfen oder Aufspritzen oder dgl., auflaminieren.

Wie vorbeschrieben, wird bei der bekannten Vorrichtung an die Fläche des Halbleitersubstrats 1 eine Gleichvorspannung über die Elektrode 4 angelegt. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass nach Wegnahme der Gleichvorspannung (d.h. Abfall der Spannung auf Null) eine Spannungshysterese auftritt. Diese Spannungshysterese ist ein Phänomen, das sich dahingehend äussert, dass der Zustand des Oberflachenbereich.es des HaIbleitersubstrats 1,an dem die Gleichvorspannung angelegt worden war, nicht in seinen Ausgangszustand zurückkehrt, wenn die Spannung weggenommen wird. Daher ist es schwierig, definitiv einen Wert für die Vorspannung zu bestimmen, bei dem ein optimales Betriebsverhalten vorliegt, und stabile Eigenschaften sicherzustellen.

Obgleich die Ursache für das Phänomen noch nicht vollständig bekannt-ist, nimmt man an, dass die elektrische Ladung, die in die durch Aufdampfen oder dgl. gebildete Zinkoxidlage über die Elektrode 4 durch die angelegte Gleichvorspannung eingebracht wird, von der Lage eingefangen wird und sich durch die Lage bewegt.

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Erfindung

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In Fig. 2 ist ein Halbleiter S z.B. aus Silicium (Si) und eine piezoelektrische Lage A aus Zinkoxid oder dgl. gezeigt. Der Halbleiter S und die piezoelektrische Lage A bilden ein Laminat.

Das Laminat wird z.B. dadurch hergestellt, dass man den Halbleiter S als Substrat verwendet, auf dem Substrat eine Sperrschicht-Steuereinrichtung,auf die nachfolgend noch näher eingegangen wird, ausbildet und ein piezoelektrisches Material, wie Zinkoxid (ZnO) oder dgl., auf das Substrat in Form eines Filmes durch Aufdampfen,Aufsprühen oder dgl. aufgibt.

Obwohl die Art der Leitfähigkeit des Halbleiters S bei der Erfindung entweder vom p-oder η-Typ sein kann, ist bei der gezeigten Ausführungsform ein Halbleiter des η-Typs vorgesehen. Das Bezugszeichen 11 betrifft eine Elektrode, die in leitender Verbindung mit dem Halbleiter S steht.

Erfindungsgemäss ist eine Sperrschicht-Steuereinrichtung D, D ... an der Grenzfläche 12 zwischen Halbleiter S und piezoelektrischer Lage A ausgebildet.

Bei der Steuereinrichtung D kann es sich um irgendeine Einrichtung handeln, die eine Sperrschicht an einem Oberflächenbereich des Halbleiters S bildet, z.B. ein p-n Übergang, ein Schottky-Übergang oder dgl. Um die Sperrschicht-Steuereinrichtung D an der Zwischenfläche 12 vorzusehen, ist eine Vielzahl von diesbezüglichen Steuerelementen D längs der Fortpflanzungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle SAW. gemäss Fig. 3 angeordnet.

Fig. 4 zeigt eine Art einer planaren Anordnung der Sperrschicht-Steuereinrichtungen D, D ..., indem die Steuereinrichtungen D, D ... kammförmig ausgebildet sind, wobei ein Ende von jedem Element D gemeinsam mit den anderen Enden verbunden ist. Eine Klemme 13 für den äusseren Anschluss

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ist an dem die Enden gemeinsam verbindenden Abschnitt gemäss Fig. 4 vorgesehen. Die Klemme¹ 13 steht an ihrer einen Seite in Verbindung mit einer veränderlichen Gleichstromquelle E, um über eine Drosselspule CH eine Vorspannung zur Blockierung eines Stromes mit hoher Frequenz anzulegen. Die andere Seite der Klemme ist mit einer Hochfrequenz-Energiequelle P verbunden, die über einen Kondensator C eine Pumpenergie zur Blockierung des Gleichstromes abgibt. Die Bereiche, wo keine Steuerelemente D, D ... vorliegen, d.h. die in Fig. 3 mit b angedeuteten Bereiche, stellen Spalte zwischen den betreffenden Steuerelementen D, D ... dar und werden als parametrische Wechselwirkungszonen verwendet, so dass eine Sperrschicht d an den bätreffenden parametrischen Wechselwirkungszonen hervorgerufen werden kann, wenn an die Steuereinrichtung D, D ... von aussen eine Gleichvorspannung angelegt wird.

Wenn, wie in Fig. 4 gezeigt, die Breite von jedem Steuerelement D in Fortpflanzungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle mit a angenommen wird und der Spalt zwischen den einzelnen Steuerelementen D, D ,d.h. die Breite von jeder parametrischen Wechselwirkungszone b ist, sollte vorzugsweise die Beziehung a = b vorliegen. In diesem Fall kann der Spaltbereich, d.h. die parametrische Wechselwirkungszone b,. breiter sein, solange die Sperrschicht d an den parametrischen Wechselwirkungszonen erzeugt werden kann, und lässt sich die wirksame Fläche für die parametrischen Wechselwirkungszonen relativ zu der gesamten Vorrichtung vergrössern. Dies erweist sich hinsichtlich der Einsparung von Materialkosten als vorteilhaft.

Die Eindringtiefen t und t¹ der Steuereinrichtung D in das Halbleitersubstrat S bzw. in die piezoelektrische Lage A ändern sich je nach verschiedener Ausbildung der Sperrschicht-Steuereinrichtung. Wenn z.B. die Sperrschicht-Steuereinrichtung D in Form eines p-n Überganges ausgebildet ist,

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beträgt die Eindringtiefe t in das Halbleitersubstrat S das 0,1- bis 10-fache der Breite a. Eine derartige Eindringtiefe reicht aus, um eine Sperrschicht D an der parametrischen Wechselwirkungszone vorzusehen, die für den gewünschten Betrieb der Vorrichtung ausreichend ist. Andererseits wird vorzugsweise die Eindringtiefe t¹ in die piezoelektrische Lage A so klein wie möglich gehalten.

Wenigstens entweder die Breite a der Sperrschicht-Steuerelemente D oder die Breite b der parametrischen Wechselwirkungszonen wird so gewählt, dass sie kleiner als die Wellenlänge /L von einer eingegebenen akustischen Oberflächenwelle SAW₁ ist. Hierdurch lässt sich der Einfluss einer mechanischen Reflexion der akustischen Oberflächenwelle an dem Grenzbereich zwischen der Steuereinrichtung D und der parametrischen Wechselwirkungszone verringern und damit eine Beeinträchtigung des Verhaltens der Vorrichtung verhindern.

Wenn sich insbesondere dieakustische Oberflächenwelle abwechselnd durch die Steuereinrichtung D und die parametrischen Wechselwirkungszonen in der Reihenfolge a-*b-*»a-*b-* ... fortpflanzt, ist der Einfluss der mechanischen Reflexion der akustischen Oberflächenwelle an den betreffenden Grenzbereichen zwischen a und b am grössten, wenn X ·~ a, b ist. Um diesen Einfluss zu minimieren, wird vorzugsweise eine Beziehung zwischen a, b und Λ,wie vorgegeben, gewählt.

Fig. 5 und 6 zeigen eine andere Art der planaren Anordnung Sperrschicht-Steuereinrichtung D. In Fig. 5 ist die Einrichtung D¹ in Form eines Gitters und in Fig. 6 ist die Einrichtung D" in Form eines Netzes oder Maschenwerkes angeordnet.

Im Falle der Anordnung der Steuereinrichtung D in Form eines Gitters oder Netzes geasäss Fig. 5 und 6 lässt sich die Steuerung der Sperrschicht d an den Spalten oder parametrischen Wechselwirkungszonen leichter vornehmen.

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Bei der in Fig. 5 und 6 gezeigten mit akustischen Oberflächenwellen arbeitenden Vorrichtung besteht zwischen der Breite a der Sperrschicht-Steuereinrichtungen D' und D" in Fortpflanzungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle und der Breite b der parametrischen Wechselwirkungszonen die Beziehung a = b, wobei wenigstens entweder die Breite a oder b kleiner als die Wellenlänge /L der eingegebenen Oberflächenwelle ist. _

Eine konkretere und spziellere Ausbildung der Steuereinrichtung D wird nachfolgend anhand von Fig. 7 bis 10 beschrieben.

Nach Fig. 7 ist eine Sperrschicht-Steuereinrichtung D₁ als p-n Übergang ausgebildet, wobei die p-Bereiche 14, 14 an den erforderlichen Stellen eines η-Halbleiters S durch gezielte Diffusion vorgesehen sind. Die Steuereinrichtung D., in Form eines p-n Überganges lässt sich leicht ausbilden. Wenn es sich bei dem verwendeten Halbleiter S um einen p-Typ handelt, werden die Bereiche des n—Typs durch gezielte Diffusion gebildet.

Nach Fig. 8 sind die p-Bereiche 14, 14,an denen die betreffenden p-n Übergänge vorliegen, mit Metallelektroden M₁ bedeckt. Eine Steuerspannung, z.B. eine Gleichvorspannung in Sperrrichtung wird an die p-n Übergangsstellen 14', 14' über die betreffenden Metallelektroden M₁, M₁ angelegt.

Wenn die Metallelektroden M₁ gemäss Fig. 8 angeordnet sind, lässt sich eine Steuerspannung gleichmässig über den gesamten Bereich anlegen, an dem die Steuereinrichtung D angeordnet ist, so dass ein Verlust an Pumpenergie und dergl. gering ist und sich das Verhalten der Vorrichtung verbessern lässt.

Zur Verstärkung von diesen Effekten können die Metallelektroden M₁ in leitender Berührung mit den betreffenden p-Bereichen 14 stehen.

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Nach Fig. 9 haben die p-Bereiche 15, an denen p-n Übergänge vorliegen, eine U-förmige Gestalt und sind auf den betreffenden konkaven Abschnitten Metallelektroden M₂ aufgelegt.

Bei der Herstellung einer derartigen Sperrschicht-Steuereinrichtung D., wird ein Halbleiter S einer gezielten Ätzbehandlung unterzogen, um an den Stellen Nuten auszubilden, an denen die Steuereinrichtung- D vorgesehen wird. Danach wird an den Nuten unter Bildung der p-Bereiche 15 eine gezielte Fremdkörperdiffusion vorgenommen. Auf die betreffenden p-Bereiche 15 wird durch Aufdampfen oder dgl. ein Metall aufgegeben, um die Metallelektroden M₂ zu bilden. Da bei der so geschaffenen Vorrichtung die Metallelektroden M₂ per se einen geringen Widerstand haben, lässt sich der Verlust an Pumpenergie weiter reduzieren.

Fig. 10 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Sperrschicht-Steuereinrichtung, die als Schottky-Übergang ausgebildet ist. Der Schottky-Übergang lässt sich durch einen einfachen BehandlungsVorgang erzielen, indem man z.B. lediglich Metallelektroden M^ auf einem Halbleiter S aufgibt.

Als Material für die Metallelektroden MU kann Aluminium (Al), Molybdän (Mo) und dgl. für einen Siliciumhalbleiter des n-Tpys, oder Gold (Au) und dgl. für einen Siliciumhalbleiter des p-Typs verwendet werden. Mit diesen Metallelektroden werden Schottky-Sperren gebildet.

Die akustische Oberflächen verarbeitende Vorrichtung gemäss der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung arbeitet wie folgt:

Zunächst wird Gleichvorspannung in Sperrichtung von geeigneter Grosse von der Gleichstromquelle E an die Steuereinrichtung D, D angelegt, um die gewünschte Nichtlinearität

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der Sperrschicht-Kapazität gegenüber den parametrisehen Wechselwirkungszonen zu erhalten. Da die Steuereinrichtung D, D an der Grenzschicht 12 zwischen-Halbleiter S und piezoelektrischer Lage A oder direkt auf der Oberfläche des Halbleiters S angeordnet ist, ist die erhaltene Nichtlinearität der Kapazität der Sperrschicht höher als bei herkömmlichen Vorrichtungen. Da 'ferner die Gleichvorspannung direkt am Halbleiter S angelegt wird, ohne dass sie die piezoelektrische Lage A durchlaufen muss, kann eine unnötige elektrische Aufladung der piezoelektrischen Lage A verhindert werden.

Dann wird eine Pumpenspannung mit einer Frequenz Fp von der Hochfrequenzenergiequelle P an die Steuereinrichtung D, D angelegt, so dass sie sich der Gleichvorspannung überlagert. Infolge davon ändert sich die an den parametrischen Wechselwirkungszonen hervorgerufene Sperrschichtkapazität mit der Frequenz Fp. Da im Vergleich zu herkömmlichen Vorrichtungen eine höhere Nichtlinearität der Kapazität der Sperrschicht vorliegt, reicht eine geringere Pumpenspannung aus, um die Sperrschichtkapazität zu verändern.

unter diesen Bedingungen pflanzt sich ein Eingangssignal SAW₁ mit einer Frequenz F-) in Form einer akustischen Oberflächenwelle durch den Oberflächenbereich der piezoelektrischen Lage A über eine nicht gezeigte Eingangselektrode fort. Obgleich die Fortpflanzung des Eingangssignales SAW₁ in Fig. 1 von links nach rechts erfolgt, kann dies auch in entgegengesetzter Richtung der Fall sein.

Wenn das Eingangssignal SAW. in Form einer akustischen Oberflächenwelle sich durch die parametrischen Wechselwirkungsbereiche , nämlich Wirkungsbereiche., fortpflanzt, wird es durch eine parametrische Wechselwirkung mit der Sperrschichtkapazität über den piezoelektrischen Effekt der piezoelektrischen Lage A verstärkt,und es entsteht eine

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weiterlaufende akustische Oberflächenausgangswelle SAW₂ mit einer Frequenz F₂ sowie eine rückwärtsgerichtete akustische Oberflächenausgangswelle SAW mit einer Frequenz Fo· Die Frequenzen der akustischen Ein- und Ausgangswellen folgen der Beziehung F. = F₂/ F = F₂ + F,. Die weiterlaufende Ausgangswelle SAW₂ oder die rückwärtsgerichtete Ausgangswelle SAW₃ werden durch eine nicht gezeigte Ausgangselektrode abgenommen.

In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass die parametrische Wechselwirkung mit dem akustischen Oberflächenwellensignal kaum an Zonen entsteht, an denen die Sperrschicht-Steuereinrichtung D, D aufgegeben ist, so dass das akustische Wellensignal an dieser Stelle keiner Verstärkung oder Schwächung unterworfen ist/ Da ferner die Breite a der Steuereinrichtung D und/oder die Breite b der parametrischen Wechselwirkungszone kleiner als die Wellenlänge λ. des Eingangssignales SAW₁ gewählt wurde,wird der Einfluss der mechanischen Reflexion der akustischen Oberflächenwelle an der Grenzschicht zwischen Steuereinrichtung D und parametrischer Wechselwirkungszone verringert und eine Beeinflussung des Verhaltens der Vorrichtung aufgrund dieses Umstandes vermieden .

Fig. 11 zeigt ein Beispiel für den Verlauf des Verstärkungsfaktors der sich weiter fortpflanzenden Ausgangswelle SAW₂ und der rückwärtsgerichteten Ausgangswelle SAW-. in Abhängigkeit von der Pumpenergie mit einer Frequenz Fp = 2F.. , wie sie von der Hochfrequenzenergiequelle P abgegeben wird.

Man kann aus Fig. 11 entnehmen, dass, wenn die Pumpenergie den Schwellenwert Ps überschreitet, der Verstärkungswert unendlich wird und ein Wellenausgangssignal erzeugt wird, ohne dass das Eingangssignal SAW-] eine Frequenz von F-] hat, so dass die Vorrichtung als Generator für akustische Oberflächenwellen arbeiten kann, um eine weiterlaufende Welle und eine rückwärtsgerichtete Welle zu erzeugen.

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Fig. 12 zeigt ein Beispiel für das Frequenzverhalten bei den einzelnen Leistungsverstärkungsfaktoren. Dabei betrifft die Frequenz F /2 in Fig. 12 die Mittenfrequenz des Ausgangssignales.

Wenn die Pumpenenergie zunimmt, steigt auch, wie beschrieben, der Leistungsverstärkungsfaktor an und nimmt die Durchlassbandbreite des akustischen Oberflächenwellensignals ab, so dass ein hoher Q-Wert vorliegt.

Obgleich für die piezeoelektrische Lage A bei der vorliegenden Ausführungsform Zinkoxid (ZnO) verwendet wird, können hierzu auch andere Materialien, wie Lithiumniobat (LiNbO₃), Aluminiumnitrid (AlN), Cadmiumsulfid (CdS), Zinksulfid (ZnS) und dgl. verwendet werden.

Wie erwähnt, befindet sich erfindungsgemäss die Sperrschicht-Steuereinrichtung teilweise oder lokal an der Zwischenfläche zwischen Halbleiter und piezoelektrischer Lage, wodurch das Anlegen eines elektrischen Gleichspannungsfeldes an die piezoelektrische Lage vermieden wird. Hierdurch wird eine unnötige elektrische Aufladung der piezoelektrischen lage verhindert und kann auch das Auftreten einer Spannungshysterese ausgeschaltet werden. Somit ergibt sich ein stabiles Betriebsverhalten. Aus diesem Grund kann ein piezoelektrisches Filmmaterial, wie Zinkoxid, das sich leicht in Form einer Lage, z.B. durch Aufdampfen oder dgl. ausbilden lässt und preisgünstigt erhältlich ist, trotz seiner Eigenschaft, elektrische Ladungen aufzufangen, ohne Einbusse an stabilem Betriebsverhalten der Vorrichtung verwendet werden.

Da ferner erfindungsgemäss die Sperrschicht-Steuereinrichtung direkt auf der Oberfläche des Halbleiters ausgebildet ist, wird eine hohe Nichtlinearität für die Kapazität der Sperrschicht erhalten, was eine ausreichende parametrische

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Wechselwirkung durch eine geringe Pumpenenergie und damit eine Herabsetzung der erforderlichen Pumpeneingangsleistung bedingt.

Fig. 13 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit einer Pumpenelektrode M, die auf einer Oberfläche der piezoelektrischen Lage A zum Anlegen einer Pumpenenergie vorgesehen ist.

Bei dieser Ausführungsform wird die Pumpenenergie der Elektrode M zugeführt und ist eine Anschlussklemme 13 mit einer variablen Gleichstromenergiequelle E verbunden. Die Sperrschicht-Steuereinrichtung D, D wird daher nur mit einer Gleichvorspannung versorgt. Die Pumpenelektrode M hat eine ausreichende Grosse, um sämtliche Bereiche abzudecken, an denen die Sperrschicht-Steuereinrichtung angeordnet ist, vgl. Fig. 13.

Bei dieser Ausführungsform ist die Pumpenelektrode unabhängig von der Sperrschicht-Steuereinrichtung vorgesehen und werden die Pumpenenergie und Gleichvorspannung separat voneinander angelegt, so dass sich die Verwendung einer Drosselspule zum Blockieren des Hochfrequenzstromes und eines Kondensators zum Blockieren des Gleichstromes zu den betreffenden Energieleitern erübrigt.

Fig. 14 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit einem Isolierfilm I zur Oberflächenpassivierung.

Der Isolierform I für die Oberflächenpassivierung hat eine

Dicke von beispielsweise 1 000 A und dient zur Passivierung der Oberfläche der piezoelektrischen Lage A. Wenn die piezoelektrische Lage A durch Aufdampfen oder dgl. gebildet wurde und keinen ausreichenden dielektrischen Widerstand besitzt, wird ein solcher Film vorzugsweise vorgesehen, um Leckströme durch die piezoelektrische Lage A zu reduzieren und damit die Ausbildung der Sperrschicht am Oberflächen-

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bereich des Halbleiters S sicherzustellen. Ausserdem werden Oberflächenzustände des Halbleiters S verringert und damit der Betrieb der Vorrichtung stabilisiert.

Um eine piezoelektrische Lage aus z.B. Zinkoxid (ZnO) auf dem Isolierfilm I auszubilden, wird Zinkoxid in Form eines Filmes durch Aufdampfen oder Aufsprühen auf den Isolierfilm I aufgegeben, nachdem die Sperrschicht-Steuereinrichtung auf dem Oberflächenbereich des Halbleiters S oder auf dem Isolierfilm I ausgebildet ist.

Bei dieser Ausführungsform befindet sich die Sperrschicht-Steuereinrichtung D, D an der Zwischenfläche zwischen Halbleiter S und piezoelektrischer Lage A, wo der die Oberfläche passivierende Isolierfilm I ausgebildet ist.

Konkrete und spezielle Beispiele für die Ausbildung der Sperrschicht-Steuereinrichtung D bei der vorliegenden Ausführungsform werden anhand von Fig. 15 bis 20 beschrieben.

In Fig. 15 ist die Sperrschicht-Steuereinrichtung D₁ als p-n Übergang ausgebildet. Für die Herstellung des p-n Überganges wird der die Oberfläche passivierende Isolierfilm I einer gezielten Ätzbehandlung unterworfen, um an den erforderlichen Stellen des Filmes I Durchgangslöcher vorzusehen, und werden durch gezielte Diffusion an den Stellen des n-Halbleiters S, die den entsprechenden Durchgangslöchern entsprechen, die p-Bereiche 14, 14 ausgebildet. Die Steuereinrichtung D. hat den Vorteil, dass sie sich leicht vorsehen lässt.

Sofern es sich bei dem verwendeten Halbleiter um einen des p-Typs handelt, werden durch entsprechende gezielte Diffusion Bereiche des η-Typs ausgebildet.

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In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass es für den Betrieb der akustischen Oberflächenwellen verarbeitenden Vorrichtung nicht wesentlich ist, den die Oberfläche passivierenden Isolierfilm I an den Stellen zu entfernen, die den p-Bereichen 14, 14 entsprechen, vgl. Fig. 15. Vielmehr kann der Isolierfilm I über beiden Stellen,an denen die p-Bereiche 14, 14 ausgebildet sind und die p-Bereiche 14, 14 nicht vorliegen, vorgesehen werden. Irr diesem Fall lässt sich der Betrieb der Vorrichtung weiter stabilisieren.

Der Aufbau der Sperrschicht-Steuereinrichtung nach Fig. und 18 entspricht demjenigen nach Fig. 8 bzw. 9.

Fig. 19 zeigt eine Sperrschicht-Steuereinrichtung D. mit einem Metall-Isolator-Halbleiter (MIS). Bei dieser Anordnung dient ein die Oberfläche passivierender Isolierfilm I als Isolator für die MIS-Konstruktion. Die Elektroden M, können daher nach Aufgabe eines Metalls auf den Isolierfilm I ausgebildet werden. Eine Vorrichtung mit der besagten MIS-Anordnung lässt sich daher leicht herstellen.

Die Anordnung nach Fig. 20 entspricht der in Fig. 10 gezeigten. Ein Schottky-Übergang wird einfach dadurch hergestellt, dass man gezielt die erforderlichen Stellen eines oberflächenpassivierenden Isolierfilmes I entfernt und ein Metall auf den Halbleiter S an den Stellen aufgibt, an denen der Film I entfernt worden ist, so dass Metallelektroden Mr entstehen.

Da bei der vorliegenden Ausführungsform der Isolierfilm I an der Grenzfläche zwischen Halbleiter S und piezoelektrischer Lage A angeordnet ist,wira , der Einfluss der Oberflächenzustände des Halbleiters S und der Leckströme durch die piezoelektrische Lage A reduziert und wird die Betriebsstabilität

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der Vorrichtung verbessert.

Die Ausführung nach Fig. 13 ist hinsichtlich ihrer Wirkungen ähnlich demjenigen, was durch das Vorsehen des oberflächenpassivierenden Isolierfilmes erzielbar ist.

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Claims

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Vorrichtung zur Verarbeitung von akustischen Oberflächenwellen

PATENTANSPRÜCHE

Vorrichtung zur Verarbeitung von akustischen Oberflächenwellen, gekennzeichnet durch ein Laminat, bestehend aus einem Halbleitermaterial (S) und einem piezoelektrischen Material (A); eine Sperrschicht-Steuereinrichtung (D), die lokal an einem Zwischenflächenbereich zwischen Halbleitermaterial und piezoelektrischem Material vorgesehen ist; und eine Einrichtung zum Anlegen einer Gleichvorspannung und einer Pumpenspannung an die Sperrschicht-Steuereinrichtung,um die Sperrschicht des Laminats zu steuern und an ein oder mehreren Bereichen ausserhalb des Bereiches, an dem die Sperrschicht-Steuereinrichtung vorgesehen ist, eine parametrische Wechselwirkung hervorzurufen.

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2. Vorrichtung zur Verarbeitung von akustischen Oberflächenwellen, gekennzeichnet durch ein Laminat, bestehend aus einem Halbleitermaterial (S) und einem piezoelektrischen Material (A); eine Sperrschicht-Steuereinrichtung (D), die an einem Zwischenflächenbereich zwischen Halbleitermaterial und piezoelektrischem Material örtlich vorgesehen ist;, eine Pumpelektrode, die an einer Oberfläche des piezoelektrischen Materials vorgesehen ist; eine Einrichtung zum Anlegen einer Gleichvorspannung an die Sperrschicht-Steuereinrichtung; und eine Einrichtung zum Anlegen einer Pumpenspannung an die Pumpelektrode, so dass die Sperrschicht des Laminats durch Anlegung der Spannungen gesteuert wird, um an ein oder mehreren Bereichen ausserhalb desjenigen Bereiches,an dem die Sperrschicht-Steuereinrichtung vorgesehen ist, eine parametrische Wechselwirkung hervorzurufen.
3. Vorrichtung zur Verarbeitung von akustischen Oberflächenwellen, gekennzeichnet durch ein Laminat, bestehend aus einem Halbleitermaterial (S) und einem piezoelektrischen Material (A); eine Sperrschicht-Steuereinrichtung (D), die an einem Zwischenflächenbereich zwischen Halbleitermaterial und piezoelektrischem Material örtlich vorgesehen ist; einen am Zwischenflächenbereich vorgesehenen Isolierfilm (I) zur Oberflächenpassivierung des Halbleitermaterials; und eine Einrichtung zum Anlegen einer Gleichvorspannung und einer Pumpenspannung an die Sperrschicht-Steuereinrichtung, um die Sperrschicht des Laminats zu steuern und an ein oder mehreren Bereichen ausserhalb desjenigen Bereiches, an dem die Sperrschicht-Steuereinrichtung vorgesehen ist, eine parametrische Wechselwirkung hervorzurufen.
4. · Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpelektrode eine ausreichende Grosse hat, um die Fläche abzudecken, an der die Sperrschicht-Steuereinrichtung (D) angeordnet ist.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet ,dass die Einrichtung zum Anlegen einer Gleichvorspannung und einer Pumpenspannung aufweist: eine Pumpenergiequelle (P), eine variable Gleichspannungsquelle (E), einen den Gleichstrom blockierenden Kondensator (C) und eine den Wechselstrom blockierende Drosselspule (CH), wobei die Pumpenergiequelle mit der Sperrschicht-Steuereinrichtung (D) über den Kondensator (C) und die variable Gleichspannungsquelle mit der Sperrschicht-Steuereinrichtung über die Drosselspule (CH) verbunden ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Zwischenflächenbereich ein Isolierfilm (I) zur Oberflächenpassivierung des Halbleitermaterials (S) vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η ze ichnet, dass die Einrichtung zum Anlegen einer Gleichvorspannung eine variable Gleichspannungsquelle (E), die mit der Sperrschicht-Steuereinrichtung (D) verbunden ist, und die Einrichtung zum Anlegen einer Pumpenspannung eine Pumpenergiequelle (P), die mit der Sperrschicht-Steuereinrichtung verbunden ist, umfasst.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet , dass die Sperrschicht-Steuereinrichtung (D) eine Vielzahl von Steuerelementen umfasst, die in Fortpflanzungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle angeordnet sind, wobei jedes Steuerelement eine Breite (a) in Fortpflanzungsrichtung aufweist, die kleiner als der Raum (b) zwischen den einzelnen Elementen ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet , dass die Sperrschicht-

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Steuereinrichtung (D) eine Vielzahl von Steuerelementen umfasst, die in Fortpflanzungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle angeordnet sindy wobei jedes Steuerelement eine Breite (a) in Fortpflanzungsrichtung hat und/oder der Raum (b) zwischen den einzelnen Elementen so ist, dass sie kleiner als die Wellenlänge (λ.) der akustischen Oberflächenwelle sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch g e k e η η ζ eic'hnet , dass die Breite (a) von jedem Sperrschicht-Steuerelement und/oder der Raum (b) zwischen den einzelnen Elementen kleiner als die Wellenlänge (^L) der akustischen Oberflächenwelle ist.
11 . Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet , dass die Sperrschicht-Steuereinrichtung (D) als p-n Übergang (14) ausgebildet ist, der an dem Zwischenflächenbereich vorgesehen ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet , dass die Sperrschicht-Steuerelemente als p-n Übergänge (14) ausgebildet sind, die an dem Zwischenflächenbereich vorgesehen sind, und dass an den Stellen, an denen die p-n Übergänge ausgebildet sind, Elektroden (M) zum Anlegen der Spannung vorgesehen sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet , dass die Sperrschicht-Steuerelemente als p-n Übergänge (15) mit U-förmiger Gestalt ausgebildet und an dem Zwischenflächenbereich vorgesehen sind, und dass auf den betreffenden konkaven Abschnitten der p-n Übergänge Elektroden (M) zum Anlegen einer Spannung aufgegeben sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet , dass die Sperrschicht-Steuereinrichtung ein an dem Zwischenflächenbereich ausge-

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bildeter Schottky-Übergang ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrschicht-Steuereinrichtung (D) aus einem Metall-Isolator-Halbleiter (MIS) besteht, der auf dem Isolierfilm (I) an dem Zwischenflächenbereich ausgebildet ist.

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