DE3208239C2

DE3208239C2 - Oberflächenwellenbauelement

Info

Publication number: DE3208239C2
Application number: DE3208239A
Authority: DE
Inventors: Ryuichi Asai; Shoichi Minagawa; Takeshi Okamoto
Original assignee: Clarion Co Ltd
Current assignee: Faurecia Clarion Electronics Co Ltd
Priority date: 1981-03-05
Filing date: 1982-03-05
Publication date: 1994-06-16
Anticipated expiration: 2002-03-06
Also published as: JPS5861686A; JPS5856513A; DE3208239A1; JPS5856514A; NL8200935A; JPH025327B2; GB2110033B; JPH027526B2; FR2509927A1; JPS57145419A; JPH027525B2; GB2095948A; FR2509927B1; JPS6135716B2; GB2110033A; NL8203917A; DE3237358A1; FR2514567A1; JPS5856515A; GB2095948B

Description

Die Erfindung betrifft ein Oberflächenwellenbauelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In der letzten Zeit sind verschiedene elastische Oberflächenwellen ausbildende Elemente ent wickelt worden, die mit einer elastischen Oberflächenwelle arbeiten, die sich längs der Oberfläche eines elastischen Materials fortpflanzt. Der Grund dafür besteht darin, daß eine elastische Oberflächenwelle eine Wellenbewegung ist, die sich dicht längs der Oberfläche eines Materials fortpflanzt, 2. die Fortpflanzungsgeschwindigkeit einer elastischen Oberflächenwelle das etwa 10⁻⁵-fache der Ge schwindigkeit einer elektromagnetischen Welle beträgt, so daß eine Miniaturisierung und eine hohe Konzentration des Elementes möglich sind, und 3. erwartet wird, ein neues Element kombiniert mit einer integrierten Schaltung zu verwirklichen.

Fig. 1 der zugehörigen Zeichnungen zeigen ein Beispiel eines herkömmlichen, elastische Oberflächenwellen ausbildenden Elementes mit einem piezoelektrischen einkristallinen Substrat 1 aus LiNbO₃ und mit kammförmigen Elektroden 2 und 3, die auf dem Substrat 1 vorgesehen sind, wobei eine der Elektroden, beispielsweise die Elektrode 2, als Eingangs elektrode dient, während die andere Elektrode 3 als Ausgangs elektrode dient. Eine elastische Oberflächenwelle, die über die Eingangselektrode 2 erregt wird, pflanzt sich längs des piezoelektrischen einkristallinen Substrats 1 aus LiNbO₃ fort und wird an der Ausgangselektrode 3 abge nommen.

Ein elastische Oberflächenwellen ausbildendes Element mit dieser Anordnung hat aufgrund seines hohen elektromagneti schen Kopplungskoeffizienten K bei der Verwendung in Filtern usw. mit kammförmigen Elektroden verschiedene Vorteile, wie beispielsweise die Verwirklichung einer Breitband charakteristik, einer leichten Anpassung oder Abstimmung, einer Verringerung der Einführungsverluste bzw. Einspeisungsverluste, einer Abnahme der Anzahl der Zähne der kammförmigen Elektroden und einer Miniaturisierung des Elementes mit der sich daraus er gebenden Abnahme der Herstellungskosten. Ein derartiger Aufbau des Substrates aus dem einkristallinen Material LiNbO₃ hat jedoch den Nachteil, daß die Fortpflanzungsge schwindigkeit und der elektromechanische Kopplungskoeffizient des Elementes im wesentlichen entsprechend der Richtung der kristallinen Ausrichtung der Oberfläche des Substrates fest liegen und daß die Fortpflanzungsrichtung der elastischen Oberflächenwelle durch die Richtung der kristallografischen Ausrichtung bestimmt ist.

Aus dem dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zugrunde liegenden Artikel "A Wide-Band SAW Convolver Utilizing Sezawa Waves in the Metal-ZnO-SiO₂-Si Configuration" von Elliott, Gunshore, Pierret und Day, Appl. Phys. Lett. 32(9), 1. Mai 1978, Seiten 515-516, ist ein als Convolver eingesetztes Oberflächenwellenbauelement mit einer Zink oxid-Siliziumdioxid-Silizium-Schichtstruktur beschrieben, bei dem das Silizium längs der (100)-Ebene geschnitten ist. Als elastische Oberflächenwelle wird eine Sezawa- Welle, d. h. der erste höhere Rayleigh-Modus, verwendet. Zur Gewährleistung der Existenz- und Ausbreitungsfähig keit des Sezawa-Modus ist eine normierte Dicke h(2π/λ) der Zinkoxidschicht von 1,2 angegeben, wobei h die Dicke der Zinkoxidschicht und λ die Wellenlänge der Sezawa- Welle ist.

Aus der US-PS 4 194 171 ist es bekannt, bei Schichtstruk turen aus einem piezoelektrischen Film und einem nicht piezoelektrischen Substrat eine solche Anordnung zu wählen, daß die piezoelektrische Hauptachse des Films senkrecht auf dem Substrat steht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Oberflä chenwellenbauelement zu schaffen, mit dem ein hoher Wirkungsgrad realisierbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 16 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, daß entweder das Siliziumsubstrat mit einer im wesentlichen der (110)-Fläche äquivalenten Fläche geschnitten ist und die Fort pflanzungsrichtung der Sezawa-Welle im wesentlichen der [001]-Achsrichtung äquivalent ist oder das Siliziumsub strat mit einer im wesentlichen der (100)-Fläche äquiva lenten Fläche geschnitten ist und die Fortpflanzungsrich tung der Sezawa-Welle im wesentlichen der [001]-Achsrich tung äquivalent ist und daß die piezoelektrische Achse der Zinkoxidschicht senkrecht zur Oberfläche des Sili ziumsubstrats oder innerhalb von 10° schräg zur Vertikal linie bezüglich der Oberfläche des Siliziumsubstrats verläuft und die Zinkoxidschicht eine Dicke h bezogen auf die Wellenlänge der Sezawa-Welle hat, die im Bereich 0,9 < 2πh/λ < 3,5 liegt.

Vorteilhafte Weiterbildungen dieses Erfindungsgedankens ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 15.

Aus der DE-OS 26 07 837 ist ein Wandler für elastische Oberflächenwellen bekannt, bei dem eine mit Elektroden in Kontakt stehende dünne dielektrische Schicht auf einer piezoelektrischen Schicht oder zwischen der piezoelektri schen Schicht und einem dielektrischen Substrat angeord net ist.

Bei einer weiteren Betrachtungsweise geht die Erfindung deshalb von einem Oberflächenwellenbauelement mit einem Siliziumsubstrat, einer auf dem Siliziumsubstrat ausge bildeten Zinkoxidschicht, einer insbesondere aus SiO₂ bestehenden dielektrischen Schicht und in Kontakt mit der dielektrischen Schicht stehenden Elektroden aus.

Bei einem solchen Oberflächenwellenbauelement ist dann erfindungsgemäß vorgesehen, daß das Siliziumsubstrat mit einer im wesentlichen der (110)-Fläche äquivalenten Fläche geschnitten ist und die Fortpflanzungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle im wesentlichen der [001]-Achsrichtung äquivalent ist und daß die Elektroden auf der Zinkoxidschicht angeordnet und von der dielektrischen Schicht überdeckt sind. Bevorzugte Ausführungsformen dieser erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich aus den Ansprüchen 17 und 18.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnungen be vorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben:

Fig. 1 zeigt in einer Schnittansicht ein herkömmliches Element.

Fig. 2 und 3 zeigen in Schnittansichten bevorzugte Ausführungs beispiele der Erfindung.

Fig. 4 zeigt ein Kennliniendiagramm der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Fig. 5 zeigt in einer Schnittansicht ein weiteres Aus führungsbeispiel des erfindungsgemäßen Elementes.

Fig. 6 zeigt ein Kennliniendiagramm des in Fig. 5 darge stellten Ausführungsbeispiels.

Fig. 7, 9 u. 10 zeigen in Schnittansichten weitere Ausführungs beispiele der Erfindung.

Fig. 8 und 11 zeigen Kennliniendiagramme der in den Fig. 7, 9 und 10 dargestellten Ausführungsbeispiele.

Fig. 12, 14, 16, 18, 20, 22 und 23 zeigen in Schnittansichten weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Fig. 13, 15, 17, 19, 21 und 24 zeigen die Kennliniendiagramme der in den Fig. 12, 14, 16, 18, 20, 22 und 23 dargestellten Ausführungsbeispiele.

Fig. 25, 27, 29, 30 u. 31 zeigen in Schnittansichten weitere Ausführungs beispiele der Erfindung.

Fig. 26 und 28 zeigen Kennliniendiagramme der in den Fig. 25, 27, 29, 30 und 31 dargestellten Ausführungs beispiele.

Fig. 32, 34, 36 u. 37 zeigen in Schnittansichten weitere Ausführungs beispiele der Erfindung.

Fig. 33 und 35 zeigen die Kennliniendiagramme der in den Fig. 32, 34, 36 und 37 dargestellten Ausführungs beispiele.

Fig. 38, 40, 42 und 43 zeigen in Schnittansichten weitere Ausführungs beispiele der Erfindung und

Fig. 39 und 41 zeigen die Kennliniendiagramme der in den Fig. 38, 40, 42 und 43 dargestellten Ausführungsbeispiele.

Fig. 2 zeigt in einer Schnittansicht ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen, elastische Oberflächenwellen aus bildenden Elementes mit einem (110)-orientierten Silicium substrat 4, einer Zinkoxidschicht 5, die so ausgebildet ist, daß ihre gebildete piezoelektrische Achse vertikal zur Oberfläche des Siliciumsubstrats 4 liegt, und mit kamm förmigen Elektroden 6 und 7, die auf der Oberfläche der Zinkoxidschicht 5 vorgesehen sind.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer dielektrischen Schicht 8 aus z. B. einer Siliciumdioxid schicht, die zwischen dem Siliciumsubstrat 4 und der Zinkoxidschicht 5 angeordnet ist. Die Silicium dioxidschicht kann dadurch aufwachsen, daß das Silicium substrat 4 einer Wärmebehandlung in einer oxidierenden Atmosphäre ausgesetzt wird.

Die in den Fig. 2 und 3 dargestellten Elemente werden nach dem folgenden Verfahren hergestellt.

Zunächst wird das (110)-orientierte Siliciumsubstrat gebildet. Die Zinkoxidschicht 5 mit einer Stärke von 6,8 µm und einer C-Achsen-Orientierung wird dann auf dem Siliciumsubstrat 4 durch Hochfrequenzaufdampfen ausgebildet. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird vorher eine dielektri sche Schicht 8 aus Siliciumdioxid auf dem Siliciumsubstrat 4 durch die beschriebene Wärmebehandlung gebildet. Anschließend wird über der Zinkoxidschicht 5 durch Gleichstromaufdampfen eine Aluminiumschicht gebildet, die danach teilweise durch Foto ätzen entfernt wird, um kammförmige Elektroden 6 und 7 auszubilden, von denen die Elektrode 6 als Eingangselektrode dient, während die andere Elektrode 7 als Ausgangselektrode dient. In diesem Fall hat jeder Zahn der kammförmigen Elektro den eine Breite von etwa 6 µm, wobei die Elektrodenteilung etwa 24 µm beträgt.

An der Eingangselektrode 6 eines elastische Oberflächenwellen ausbildenden Elementes, das nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt ist, liegt ein Signal von einem ge eigneten, bei den folgenden Ausführungsbeispielen nicht dargestellten Signalgenerator G, das als elastische Ober flächenwelle eine Sezawa-Welle erzeugt, die sich zur [001]-Achsenrichtung des Siliciumsubstrats 4 fortpflanzt und durch das Signal erregt wird. Die elastische Ober flächenwelle pflanzt sich daher längs der Oberfläche der Zinkoxidschicht 5 fort, bis sie die Ausgangselektrode 7 erreicht.

Fig. 4 zeigt die Kennlinie der in den Fig. 2 und 3 darge stellten Ausführungsbeispiele der Erfindung, wobei auf der Abszisse die standardisierte Dicke aufgetragen ist, die dadurch erhalten wird, daß die Dicke h in der Gleichung 2πh/λ (λ = Wellenlänge des elastische Oberflächenwellen ausbildenden Elementes) eingesetzt wird, während auf der Ordinate der Quadratwert K² des elektromechanischen Kopplungs koeffizienten K in Prozent aufgetragen ist. Wenn die elektri sche Leitfähigkeit an der Grenze zwischen dem Silicium substrat 4 und der Zinkoxidschicht 5 bei dem in Fig. 2 dargestellten Aufbau hoch ist und wenn die elektrische Leit fähigkeit an der Oberfläche des Siliciumsubstrates 4 hoch ist, sowie die Dicke H der dielektrischen Schicht 8 kleiner als die Dicke h der Zinkoxidschicht 5 bei dem in Fig. 3 dargestellten Aufbau ist, hat die Kennlinie einen Verlauf, wie er in Fig. 4 durch die Kurve A₁ dargestellt ist. Dabei ist die Kurve A₁ die einer Sezawa-Welle unter den elastischen Oberflächenwellen. Die gerade Linie B₁ zeigt die K² Kennlinie, die dann erhalten wird, wenn ein LiNbO₃ Substrat zur Er reichung des Maximalwertes von 5,5% benutzt wird.

Aus der in Fig. 4 dargestellten Kennlinie ergibt sich, daß dann, wenn eine elastische Oberflächenwelle sich zur [001]-Achsenrichtung auf der Oberfläche des Siliciumsubstrats 4 fortpflanzen kann, ein elektromechanischer Kopplungs koeffizient, der groß genug ist, um einen hohen Wirkungs grad des Elementes zu verwirklichen, dadurch erhalten werden kann, daß die Stärke bzw. Dicke h der Zinkoxidschicht 5 so bestimmt wird, daß die Beziehung 0,9 < 2πh/λ < 3,0 erfüllt ist. Wenn beispielsweise der Abszissenwert 2 πh/λ gleich 1,78 gewählt ist, wird ein Wert für K² von 6% erhalten. Dieser Wert ist im wesentlichen gleich dem theoretischen Wert.

Der elektromechanische Kopplungskoeffizient K kann in der gewünschten Weise dadurch bestimmt werden, daß die Stärke h der Zinkoxidschicht 5, die Orientierung des Siliciumsubstrats 4, die Fortpflanzungsachse der elastischen Oberflächen welle und andere Faktoren geändert werden.

Die zwischen dem Siliciumsubstrat 4 und der Zinkoxidschicht 5 angeordnete dielektrische Schicht 8 dient dazu, die Ober flächeneigenschaften des Siliciumsubstrates 4 zu stabilisieren und bewirkt somit eine stabile Funktion des Elementes.

Fig. 7 zeigt eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungs beispiels des erfindungsgemäßen elastische Oberflächenwellen ausbildenden Elementes, wobei gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 2 gleiche oder ähnliche Bauteile bezeichnen. Eine Zinkoxidschicht 5A ist so ausgebildet, daß sie die kamm förmigen Eingangs- und Ausgangselektroden 6 und 7 voll ständig überdeckt, die auf dem Siliciumsubstrat 4 ausge bildet sind, und daß ihre piezoelektrische Achse senkrecht zur Oberfläche des Siliciumsubstrates 4 verläuft.

Fig. 8 zeigt die Kennlinie, die bei dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel erhalten wird. Der Wert K² ändert sich in der durch die Kurve A₂ dargestellten Weise nach Maßgabe von Änderungen der Stärke h der Zinkoxidschicht 5A. Diese Kurve A₂ bezieht sich gleichfalls auf eine Sezawa-Welle.

Die Kurve B₂ zeigt die K² Kennlinie, die dann erhalten wird, wenn eine Sezawa-Welle in [001]-Achsenrichtung des Siliciums bei einem (100)-orientierten Siliciumsubstrat angeregt wird.

Aus den in Fig. 8 dargestellten Kennlinien ist ersichtlich, daß dann, wenn sich eine elastische Oberflächenwelle in [001]-Achsenrichtung des Siliciums fortpflanzt, ein elektro mechanischer Kopplungskoeffizient, der groß genug ist, um einen hohen Wirkungsgrad des Elementes zu verwirklichen, dadurch erhalten werden kann, daß die Stärke h der Zink oxidschicht 5A so bestimmt wird, daß die Beziehung 1,2 < 2 πh/λ < 3,0 erfüllt ist.

Fig. 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine dielektrische Schicht 8, beispielsweise aus Siliciumdioxid, auf der Oberfläche der Zinkoxidschicht 5A vorgesehen ist.

Fig. 10 zeigt in einer Schnittansicht noch ein Ausführungs beispiel des erfindungsgemäßen elastische Oberflächenwellen ausbildenden Elementes, bei dem eine Metallschicht 15 auf der Zinkoxidschicht 5A ausgebildet ist.

Wenn eine Sezawa-Welle, d. h. der zweite Modus einer elastischen Oberflächenwellen vom Rayleigh-Typ, in [001]-Achsenrichtung des Siliciums über die Eingangselektrode 6 des elastische Oberflächenwellen ausbildenden Elementes mit dem oben beschriebenen Aufbau angeregt wird, werden die in Fig. 11 dargestellten Kenn linien erhalten. Wenn die Stärke H der Metallschicht 15 in Fig. 10 verglichen mit der Wellenlänge der elastischen Oberflächenwelle ausreichend klein ist, ändert sich der Wert K² in der durch die Kurve A₃ dargestellten Weise mit einer Änderung der Stärke h der Zinkoxidschicht 5A. Die Kurve A₃ bezieht sich gleichfalls auf eine Sezawa-Welle.

Die Kurve B₃ zeigt die K² Kennlinie, die dann erhalten wird, wenn ein (100)-orientiertes Siliciumsubstrat verwandt wird und eine Sezawa-Welle in [001]-Achsenrichtung des Siliciums angeregt wird.

Aus den in Fig. 11 dargestellten Kennlinien ist ersicht lich, daß dann, wenn sich die elastische Oberflächenwelle in [001]-Achsenrichtung des Siliciums fortpflanzt, ein elektromechanischer Kopplungskoeffizient, der groß genug ist, um einen hohen Wirkungsgrad des Elementes zu ver wirklichen, dadurch erhalten werden kann, daß die Stärke h der Zinkoxidschicht 5A die Beziehung 1,0 < 2 πh/λ < 2,6 er füllt.

Die Metallschicht 15 muß nicht die gesamte Zinkoxidschicht 5A überdecken, es reicht aus, wenn sie wenigstens die Teile direkt über den kammförmigen Elektroden 6 und 7 über deckt.

Bei einer derartigen Anordnung kann der elektromechanische Kopplungskoeffizient K in der gewünschten Weise dadurch bestimmt werden, daß die Stärke h der Zinkoxidschicht 5A, die Orientierung des Siliciumsubstrats 4, die Fortpflanzungs achse der elastischen Oberflächenwelle usw. geändert werden.

Fig. 12 zeigt in einer Schnittansicht ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elastische Oberflächenwellen aus bildenden Elementes, wobei gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 2 gleiche oder ähnliche Bauteile bezeichnen. Bei dem in Fig. 12 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein (100)-orientiertes Siliciumsubstrat 4A vorgesehen.

Dieses Element wird nach dem folgenden Verfahren hergestellt.

Es wird das (100)-orientierte Siliciumsubstrat 4A vorbereitet und eine Zinkoxidschicht 5, die 4 bis 11 µm stark und c-achsenorientiert ist, auf dem Siliciumsubstrat 4A durch Hochfrequenzaufdampfen aufgewachsen. Eine Aluminium schicht wird über der gesamten Zinkoxidschicht 5 durch Gleichstromaufdampfen aufgewachsen und danach teil weise entfernt, um kammförmige Elektroden 6 und 7 zu bilden, von denen die Elektrode 6 als Eingangselektrode dient, während die andere Elektrode 7 als Ausgangselektrode dient. In diesem Fall ist jeder Zahn der Elektroden 6 und 7 3 bis 9 µm breit, die Elektrodenteilung beträgt 12 bis 38 µm.

Über die Eingangselektrode 6 des elastische Oberflächenwellen ausbildenden Elementes mit dem oben beschriebenen Aufbau wird eine Sezawa-Welle, d. h. der vorstehend benannte Typ einer elastischen Oberflächenwelle, in [011]-Achsenrichtung des Siliciums ange regt. Dementsprechend pflanzt sich die elastische Oberflächen welle längs der Oberfläche der Zinkoxidschicht 5 bis zum Erreichen der Ausgangselektrode 7 fort.

Fig. 13 zeigt die Kennlinie, die bei dem in Fig. 12 darge stellten Ausführungsbeispiel erhalten wird. Wenn die elektrische Leitfähigkeit in der Nähe der Grenzfläche zwi schen dem Siliciumsubstrat 4A und der Zinkoxidschicht 5 in Fig. 12 groß ist, ändert sich die Kennlinie in der durch die Kurve A₄ in Fig. 13 dargestellten Weise. Die Kurve A₄ bezieht sich gleichfalls auf eine Sezawa-Welle. Die gerade Linie B₄ zeigt den maximalen Wert von K² von 5,5%, der dann erhalten wird, wenn ein LiNbO₃ Substrat verwandt wird.

Aus der in Fig. 13 dargestellten Kennlinie ist ersichtlich, daß dann, wenn sich die elastische Oberflächenwelle in [001]-Achsenrichtung des Siliciums fortpflanzt, ein elektro mechanischer Kopplungskoeffizient, der groß genug ist, um einen hohen Wirkungsgrad des Elementes zu verwirklichen, dadurch erhalten werden kann, daß die Stärke h der Zinkoxid schicht 5 so bestimmt wird, daß die Beziehung 0,9 < 2 πh/λ < 3,5 erfüllt ist.

Fig. 14 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine dielektrische Schicht 8, beispielsweise aus Siliciumdioxid, auf dem (100)-orientierten Siliciumsubstrat 4A durch Oxidieren des Siliciumsubstrates ausgebildet ist.

Wenn eine Sezawa-Welle über die Eingangselektrode 6 des elastische Oberflächenwellen ausbildenden Elementes mit der oben be schriebenen Anordnung in [011]-Achsenrichtung des Siliciums angeregt wird, wird die in Fig. 15 dargestellte Kennlinie erhalten. Wenn die elektrische Leitfähigkeit an der Oberfläche des Siliciumsubstrates 4A groß ist und die Stärke H der dielektrischen Schicht 8 verglichen mit der Stärke h der Zinkoxidschicht 5 in Fig. 14 klein ist, ändert sich die Kennlinie in der durch die Kurve A₅ in Fig. 15 dargestellten Weise. Die Kurve A₅ bezieht sich gleichfalls auf die Sezawa- Welle. Die gerade Linie B₅ zeigt den maximalen Wert von K², der dann erhalten wird, wenn ein LiNbO₃ Substrat verwandt wird.

Aus der in Fig. 15 dargestellten Kennlinie ist ersichtlich, daß dann, wenn sich die elastische Oberflächenwelle in [011]-Achsenrichtung des Siliciums fortpflanzt, ein elektromechanischer Kopplungskoeffizient, der groß genug ist, um einen hohen Wirkungsgrad des Elementes zu verwirk lichen, dadurch erhalten werden kann, daß die Stärke h der Zinkoxidschicht 5 so bestimmt wird, daß sie die Be ziehung 0,9 < 2 πh/λ < 3,5 erfüllt.

Fig. 16 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine Metallschicht 15 auf dem (100)-orientierten Siliciumsubstrat 4A ausgebildet ist.

Wenn eine Sezawa-Welle über die Eingangselektrode 6 des elastische Oberflächenwellen ausbildenden Elementes mit dem oben beschriebenen Aufbau in [011]-Achsenrichtung des Siliciums angeregt wird, wird die in Fig. 17 dargestellte Kennlinie erhalten. Wenn die Stärke H′ der Metallschicht 15, verglichen mit der Wellenlänge der elastischen Ober flächenwelle bei dem in Fig. 16 dargestellten Ausführungs beispiel ausreichend klein ist, ändert sich die Kennlinie in der durch die Kurve A₆ in Fig. 17 dargestellten Weise. Die Kurve A₆ bezieht sich gleichfalls auf eine Sezawa- Welle.

Die Kurve B₆ zeigt die K² Kennlinie, die dann erhalten wird, wenn ein (100)-orientiertes Siliciumsubstrat verwandt wird und eine Sezawa-Welle in [001]-Achsenrichtung angeregt wird.

Aus den in Fig. 17 dargestellten Kennlinien ist ersichtlich, daß dann, wenn sich die elastische Oberflächenwelle in [011]-Achsenrichtung des Siliciums fortpflanzt, ein hoher elektromechanischer Kopplungskoeffizient, der groß genug ist, um einen hohen Wirkungsgrad des Elementes zu verwirk lichen, dadurch erhalten werden kann, daß die Stärke h der Zinkoxidschicht 5 so bestimmt wird, daß die Beziehung 0,9 < 2 πh/λ < 3,5 erfüllt ist.

Fig. 18 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine Zinkoxidschicht 5 auf einem (100)-orientierten Siliciumsubstrat 4A aufgewachsen ist und kammförmige Elektroden 6 und 7 auf der Zinkoxidschicht 5 vorgesehen sind.

Wenn eine Sezawa-Welle in [011]-Achsenrichtung des Siliciums über die Eingangselektrode 6 des elastische Oberflächen wellen ausbildenden Elementes mit dem oben beschriebenen Aufbau angeregt wird, wird die in Fig. 19 dargestellte Kennlinie erhalten. Der Wert K² ändert sich in der durch die Kurve A₇ dargestellten Weise mit der Stärke der Zink oxidschicht 5. Die Kurve A₇ bezieht sich gleichfalls auf eine Sezawa-Welle.

Die Kurve B₇ zeigt die K² Kennlinie, die dann erhalten wird, wenn ein (100)-orientiertes Siliciumsubstrat ver wandt wird und die Sezawa-Welle in [001]-Achsenrichtung des Siliciums angeregt wird.

Aus den in Fig. 19 dargestellten Kennlinien ist ersichtlich, daß dann, wenn sich die elastische Oberflächenwelle in [011]-Achsenrichtung des Siliciums fortpflanzt, ein elektromechanischer Kopplungskoeffizient, der groß genug ist, um einen hohen Wirkungsgrad des Elementes zu ver wirklichen, dadurch erhalten werden kann, daß die Stärke h der Zinkoxidschicht 5 so bestimmt wird, daß die Beziehung 1,0 < 2 πh/λ < 3,5 erfüllt ist.

Fig. 20 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem kammförmige Elektroden 6 und 7 auf einem (100)-orientierten Siliciumsubstrat vorgesehen sind und eine Zinkoxidschicht 5A auf dem Siliciumsubstrat 4 so aufgewachsen ist, daß sie die Elektroden 6 und 7 vollständig überdeckt.

Wenn eine Sezawa-Welle, d. h. ein Typ einer elastischen Oberflächenwelle, in [011]-Achsenrichtung des Siliciums über die Eingangselektrode 6 des elastische Oberflächen wellen ausbildenden Elementes mit dem oben beschriebenen Aufbau angeregt wird; wird die in Fig. 21 dargestellte Kennlinie erhalten. Der Wert K² ändert sich in der durch die Kurve A₈ dargestellten Weise mit der Stärke h der Zinkoxidschicht 5A. Die Kurve A₈ bezieht sich ebenfalls auf eine Sezawa-Welle.

Die Kurve B₈ zeigt die K² Kennlinie, die dann erhalten wird, wenn ein (100)-orientiertes Siliciumsubstrat verwandt wird und die Sezawa-Welle in [001]-Achsenrichtung des Siliciums angeregt wird.

Aus den in Fig. 21 dargestellten Kennlinien ist ersichtlich, daß dann, wenn sich die elastische Oberflächenwelle in [011]-Achsenrichtung des Siliciums fortpflanzt, ein elektro mechanischer Kopplungskoeffizient, der groß genug ist, um einen hohen Wirkungsgrad des Elementes zu verwirklichen, dadurch erhalten werden kann, daß die Stärke h der Zink oxidschicht 5A so bestimmt wird, daß die Beziehung 1,0 < 2 πh/λ < 3,0 erfüllt ist.

Fig. 22 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine dielektrische Schicht 8 beispielsweise aus Siliciumdioxid auf der Oberfläche der Zinkoxidschicht 5A in Fig. 20 aufgewachsen ist.

Fig. 23 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem weiterhin eine Metallschicht 15 auf der Zinkoxid schicht 5A auf dem (100)-orientierten Siliciumsubstrat 4A ausgebildet ist.

Wenn eine Sezawa-Welle über die Eingangselektrode 6 des elastische Oberflächenwellen ausbildenden Elementes mit dem oben beschriebenen Aufbau in [011]-Achsenrichtung des Siliciums angeregt wird, wird die in Fig. 24 dargestellte Kennlinie erhalten. Wenn die Stärke H′ der Metallschicht 15 in Fig. 23 verglichen mit der Wellenlänge der elastischen Oberflächenwelle ausreichend klein ist, ändert sich der Wert K² in der durch die Kurve A₉ dargestellten Weise mit der Stärke h der Zinkoxidschicht 5A. Die Kurve A₉ bezieht sich gleichfalls auf die Sezawa-Welle.

Die Kurve B₉ zeigt die K² Kennlinie, die dann erhalten wird, wenn ein (100)-orientiertes Siliciumsubstrat verwandt wird und die Sezawa-Welle in [011]-Achsenrichtung angeregt wird.

Aus den in Fig. 24 dargestellten Kennlinien ist ersichtlich, daß dann, wenn sich die elastische Oberflächenwelle in [011]-Achsenrichtung des Siliciums fortpflanzt, ein elektromechanischer Kopplungskoeffizient, der groß genug ist, um einen hohen Wirkungsgrad des Elementes zu verwirk lichen, dadurch erhalten werden kann, daß die Stärke h der Zinkoxidschicht 5A so bestimmt wird, dass die Be ziehung 1,0 < 2 πh/λ < 2,6 erfüllt ist.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen war die piezoelektrische Achse der Zinkoxidschicht 5 oder 5A senk recht zum Siliciumsubstrat 4 oder 4A angeordnet. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß im wesentlichen gleiche Kennwerte oder Kennlinien selbst dann erhalten werden können, wenn die piezoelektrische Achse zur vertikalen Linie bezüglich der Substratoberfläche innerhalb eines Bereiches von 10° schräg liegt und wenn die Schnittfläche des Silicium substrates 4 und die Fortpflanzungsachse zum Anregen der elastischen Oberflächenwelle innerhalb eines Bereiches von einigen Grad von der (110)-Fläche und der [001]-Achse jeweils abweichen.

Weiterhin ist zu erwarten, daß das Element selbst dann einen hohen Wirkungsgrad zeigt, wenn die elektrische Leit fähigkeit an der Grenze zwischen dem Siliciumsubstrat und der Zinkoxidschicht nicht so groß ist oder wenn das im Siliciumsubstrat und der Zinkoxidschicht erzeugte elektrische Potential ausgenutzt wird, statt kammförmige Elektroden vorzusehen.

Aus dem Obigen ist ersichtlich, daß gemäß der Erfindung durch die Verwendung eines (110)- oder (100)-orientierten Siliciumsubstrates, das Aufwachsen einer eine Zinkoxid schicht umfassenden piezoelektrischen Schicht auf dem Substrat und das Anordnen einer dielektrischen Schicht zwischen dem Substrat und der piezoelektrischen Schicht, falls dieses notwendig sein sollte, flexibel der elektro mechanische Kopplungskoeffizient auf einen gewünschten Wert festgelegt werden kann. Wenn daher das Element in einem Filter, das kammförmige Elektroden aufweist, verwandt wird, ist es möglich, ein elastische Oberflächenwellen ausbildendes Element mit einem hohen Wirkungsgrad zu er halten, das verschiedene Vorteile, nämlich die Verwirklichung einer Breitbandcharakteristik, leichte Abstimmung bzw. Anpassung, Verringerung der Einfügungsverluste bzw. Eingangsverluste, Abnahme der Anzahl der Zähne der kammförmigen Elektroden, Miniaturi sierung des Elementes, Verringerung der Herstellungs kosten usw. aufweist.

Die erfindungsgemäße Ausbildung ist insbesondere deswegen zweckmäßig, da sie es möglich macht, ein miniaturisiertes und hochkonzentriertes Element zu erhalten, indem das Substrat für eine integrierte Schaltung gemeinsam als Siliciumsubstrat benutzt wird.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ein Substrat 14 aus Silicium von einer Metallschicht 15 mit einer Stärke h überzogen ist. Das Substrat 14 ist weiterhin von einer Zinkoxidschicht 13 mit einer Stärke h überzogen. Eine kammförmige Elektrode 11 ist anschließend auf der Zinkoxidschicht 13 ausgebildet, um eine sich ausbreitende elastische Oberflächenwelle anzuregen. In diesem Fall dient (110)-orientiertes Silicium als Substrat 14 und wird als elastische Oberflächenwelle eine Sezawa-Welle verwandt. Wenn bei der in Fig. 5 dargestellten Anordnung eines elastische Oberflächenwellen ausbildenden Elementes die Stärke h₁ der Metallschicht 15 verglichen mit der Wellenlänge der elastischen Oberflächenwelle ausreichend klein ist, kann die Beziehung zwischen den Quadratwert K² des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten K und der Stärke h der Zinkoxidschicht 13 durch die Kurve 6 in Fig. 6 ausgedrückt werden. Die Kurve 6 ist die Kurve einer Sezawa-Welle, die angeregt wird und sich längs der Oberfläche des Siliciumsubstrates 14 in [001]-Achsen richtung, d. h. auf die Bodenfläche zu, fortpflanzt. In Fig. 6 ist auf der Ordinate der Quadratwert K² des elektro mechanischen Kopplungskoeffizienten K in Prozent aufge tragen, während auf der Abszisse der Wert aufgetragen ist, der dann erhalten wird, wenn die Stärke h der Zinkoxid schicht 13 in die Formel 2 πh/λ eingesetzt wird. Dieser Wert ist eine dimensionslose Zahl. Die Kurve 7 in Fig. 6 zeigt die Beziehung zwischen dem Quadratwert des elektro mechanischen Kopplungskoeffizienten K und der Stärke h der Zinkoxidschicht, die dann erhalten wird, wenn ein (100)- orientiertes Siliciumsubstrat 14 verwandt wird, wie es in Fig. 5 dargestellt ist, und eine Sezawa-Welle angeregt wird, die sich in [010]-Achsenrichtung fortpflanzt.

Auf dem (110)-orientierten Siliciumsubstrat 14 wird eine Metallschicht 15 aus Aluminium durch Hochfrequenzauf dampfen ausgebildet. Danach wird eine Zinkoxidschicht 13, die 4 bis 11 µm stark und c-achsenorientiert ist, auf der Metallschicht 15 durch Gleichstromaufdampfen ausge bildet. Anschließend wird ein Muster für die kammförmige Elektrode 11, die als Eingangselektrode dient, auf der Zinkoxidschicht 13 durch Fotoätzen gebildet. In diesem Fall hat jeder Zahn der kammförmigen Elektrode 11 eine Breite von 3 bis 13,5 µm und beträgt die Elektrodenteilung 12 bis 54 µm. Unter Verwendung eines aus Silicium hergestellten Substrates 14 bei diesen Bedingungen wurde ein Experiment durchgeführt, bei dem eine elastische Oberflächenwelle angeregt wurde, die sich in [001]-Achsen richtung, d. h. zur Bodenfläche hin, fortpflanzt. Die mit X in Fig. 6 angegebenen Punkte zeigen die Werte, die durch dieses Experiment erhalten wurden und die nahe an den theoretischen Werten liegen.

Aus Fig. 5 ist ersichtlich, daß dieses Ausführungs beispiel eines elastische Oberflächenwellen ausbildenden Elementes eine Schichtstruktur aus der Metallschicht 15 aus Aluminium, der Zinkoxidschicht 13 usw. umfaßt, so daß eine freie Wahl des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten K über eine passende Einstellung der Stärke h der Zink oxidschicht 13 usw. möglich ist.

Aufgrund der Metallschicht 15 aus Aluminium kann der elektro mechanische Kopplungskoeffizient K selbst dann frei gewählt werden, wenn der spezifische Widerstand des Silicium substrates 14 groß ist, was zu einer Abnahme der Dämpfung der elastischen Oberflächenwelle führt, die durch den elektrischen Geräuscheffekt bewirkt wird.

Aus Fig. 6 ist ersichtlich, daß dann, wenn das Silicium substrat 14 verwandt wird und eine elastische Oberflächen welle angeregt wird, die sich in [001]-Achsenrichtung, d. h. zur Bodenfläche hin, fortpflanzt, der elektromechanische Kopplungskoeffizient K dadurch einen hohen Wert bekommen kann, daß die Stärke h der Zinkoxidschicht 13 so bestimmt wird, daß die Beziehung 0,9 < 2 πh/λ < 3,5 erfüllt ist.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel verläuft die piezoelektrische Achse der Zinkoxidschicht 13 senkrecht bezüglich der Unterfläche des Siliciumsubstrates 14. Wenn jedoch der Neigungswinkel der piezoelektrischen Achse bezüglich der Unterfläche des Siliciumsubstrates 14 zwischen 80 und 110° liegt, ändern sich die Kennlinien des elastische Oberflächenwellen ausbildenden Elementes nicht wesentlich.

Obwohl weiterhin eine elastische Oberflächenwelle ange regt wurde, die sich in [001]-Achsenrichtung, d. h. zur Unterfläche hin, längs des Siliciumsubstrates 14 fortpflanzt, kann die Welle auch in anderen Richtungen angeregt werden und sich in anderen Richtungen fortpflanzen.

Die kammförmige Elektrode 11 kann durch Elektroden anderer Art ersetzt werden. Wenn eine kammförmige Elektrode 11 verwandt wird, ist es notwendig, diese direkt über der Aluminiumschicht 15 anzuordnen, die auf dem Silicium substrat 14 ausgebildet ist. Es ist ersichtlich möglich, ein Element mit hohem Wirkungsgrad selbst dann zu ver wirklichen, wenn statt der Anordnung der Elektrode 11 das elektrische Potential ausgenutzt wird, das im Silicium substrat 14 und in der Zinkoxidschicht 13 gebildet wird.

Da das vorliegende Ausführungsbeispiel das Siliciumsubstrat 14 verwendet, ist es möglich, dieses Substrat gemeinsam gleichfalls als Substrat einer integrierten Schaltung zu verwenden.

Obwohl weiterhin die (110)-Fläche und die [001]-Achse als Schnittfläche des Siliciumsubstrates 14 und zur Anregung und Fortpflanzung der elastischen Oberflächenwelle jeweils gewählt wurden, treten wesentliche Änderungen der Kennlinien und Kennwerte selbst dann nicht auf, wenn diese Fläche und diese Achse etwas davon abweichen.

Durch eine Änderung der Schnittfläche des Siliciumsubstrates, der Fortpflanzungsrichtung, der Stärke der Schichten usw. kann ein noch größerer elektromechanischer Kopplungs koeffizient erhalten werden.

Fig. 25 zeigt in einer Schnittansicht ein weiteres Aus führungsbeispiel des erfindungsgemäßen elastische Ober flächenwellen ausbildenden Elementes mit einem elastischen Element 27, beispielsweise aus Siliciumdioxid oder Saphir. Eine (110)-orientierte Siliciumschicht 25 überdeckt das elastische Element 27, während eine Zinkoxidschicht 26 so ausgebildet ist, daß ihre piezoelektrische Achse senkrecht zur Oberfläche der Siliciumschicht 25 verläuft. Kammförmige Elektroden 28, 29 sind auf der Zinkoxidschicht 26 vorgesehen.

Die Zinkoxidschicht 26 kann durch das bekannte Aufdampfen, durch chemisches Bedampfen und ähnliche Verfahren ge bildet werden, während die kammförmigen Elektroden 28 und 29 dadurch gebildet werden können, daß ein Metall, wie Aluminium usw., durch ein bekanntes Niederschlagsverfahren aufgebracht wird.

Wenn eine Sezawa-Welle, d. h. eine Art einer elastischen Oberflächenwelle über die Eingangselektrode 28 des elastische Oberflächenwellen ausbildenden Elementes mit dem oben beschriebenen Aufbau in [001]-Achsenrichtung des Siliciums 25 angeregt wird, pflanzt sich die elastische Oberflächen welle längs der Zinkoxidschicht 26 fort, bis sie die Aus gangselektrode 29 erreicht.

Fig. 26 zeigt die Kennlinie, die bei dem in Fig. 25 dargestellten Ausführungsbeispiel erhalten wird. Wenn die elektrische Leitfähigkeit an der Grenze zwischen der Siliciumschicht 25 und der Zinkoxidschicht 26 groß ist, ändert sich der Quadratwert K² des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten K in der durch die Kurve A₁₀ in Fig. 26 dargestellten Weise. Die Kurve A₁₀ bezieht sich auf die Sezawa-Welle unter den elastischen Oberflächenwellen.

Die gerade Linie B₁₀ zeigt den Wert von K² der durch ein Lithiumnioboxid-Substrat (LiNbO₃) erhalten wird und etwa 5,5% beträgt.

Aus der in Fig. 26 dargestellten Kennlinie ist ersicht lich, daß dann, wenn sich die elastische Oberflächen welle in [001]-Achsenrichtung fortpflanzt, ein elektro mechanischer Kopplungskoeffizient, der groß genug ist, um einen hohen Wirkungsgrad des Elementes zu verwirklichen, dadurch erhalten werden kann, daß die Stärke der Zink oxidschicht 26 so bestimmt wird, daß die Beziehung 0,9 < 2 πh/λ < 3,0 erfüllt ist.

Fig. 27 zeigt eine Schnittansicht eines weiteren Aus führungsbeispiel des erfindungsgemäßen elastische Ober flächenwellen ausbildenden Elementes mit einem (100)- orientierten Siliciumsubstrat 25A und einem Aufbau, der im übrigen dem des in Fig. 25 dargestellten Elementes gleich ist.

An der Eingangselektrode 28 des elastische Oberflächen wellen ausbildenden Elementes mit dem oben beschriebenen Aufbau wird eine Sezawa-Welle in [011]-Achsenrichtung angeregt.

Fig. 28 zeigt die Kennlinie, die von dem in Fig. 27 dar gestellten Element erhalten wird, wobei dann, wenn die elektrische Leitfähigkeit an der Grenze zwischen dem Siliciumsubstrat 25A und der Zinkoxidschicht 26 groß ist, sich der Quadratwert K² des elektromechanischen Kopplungs koeffizienten K in der durch die Kurve A₁₁ dargestellten Weise ändert. Die Kurve A₁₁ bezieht sich auf eine Sezawa- Welle.

Die gerade Linie B₁₁ zeigt den Maximalwert von K², der bei einem Lithiumnioboxid-Substrat (LiNbO₃) erhalten werden kann und etwa 5,5% erreicht.

Aus der in Fig. 28 dargestellten Kennlinie ist ersichtlich, daß dann, wenn sich die elastische Oberflächenwelle in [011]-Achsenrichtung des Siliciums 25A fortpflanzt, ein elektromechanischer Kopplungskoeffizient, der groß genug ist, um einen hohen Wirkungsgrad des Elementes zu verwirklichen, dadurch erhalten werden kann, daß die Stärke h der Zinkoxidschicht 25 so bestimmt wird, daß die Beziehung 0,9 < 2 πh/λ < 3,5 erfüllt ist.

Wenn insbesondere Saphir als elastisches Element 27 bei den in Fig. 25 und 27 dargestellten Ausführungsbeispielen verwandt wird, ist es möglich, leicht ein epitaxiales Wachstum einer einkristallinen Siliciumschicht 25 auf dem Saphir in einer SOS-, d. h. Silicium auf Saphir, Anordnung zu ermöglichen. Das SOS-Substrat, das in der oben be schriebenen Weise erzeugt wird, erlaubt die Herstellung eines elastische Oberflächenwellen ausbildenden Elementes und eines Halbleiterelementes auf demselben Substrat und im selben Arbeitsvorgang.

Wie es oben beschrieben wurde, bedeutet eine hohe elektrische Leitfähigkeit an der Grenze zwischen dem Siliciumsubstrat 25 und der Zinkoxidschicht 26, daß derselbe Effekt selbst dann erhalten werden kann, wenn eine Metallschicht 30 an der Grenze ausgebildet ist, wie es in Fig. 29 dargestellt ist. Da weiterhin der Bahnwiderstand selbst dann herabge setzt werden kann, wenn die Siliciumschicht 25 eine epitaxial aufgewachsene Schicht umfaßt, kann derselbe Effekt er halten werden.

Wenn Siliciumdioxid als elastisches Element 27 verwandt wird, bewirkt das Siliciumdioxid, daß der Temperatur koeffizient des Elementes beseitigt wird, der durch die Siliciumschicht 25 und die Zinkoxidschicht 26 be stimmt ist, so daß es möglich ist, daß das Element als Ganzes einen kleinen Temperaturkoeffizienten hat. Es kann daher der Temperaturkoeffizient der Laufzeit herabge setzt werden.

Die kammförmigen Elektroden 28 und 29 können in der Weise auf der Siliciumschicht 25 vorgesehen sein, wie es bei dem in Fig. 30 dargestellten Ausführungsbeispiel der Fall ist. Es ist auch möglich, einen Aufbau zu wählen, wie er in Fig. 31 dargestellt ist, bei dem eine Metallschicht 30 auf der Zinkoxidschicht 26 haftet, die die kammförmigen Elektroden 28 und 29 überdeckt.

Bei den in den Fig. 30 und 31 dargestellten Ausführungs beispielen kann Siliciumdioxid vorgesehen sein, um die Siliciumschicht 25 zu schützen.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die piezoelektrische Achse der Zinkoxidschicht 26 senkrecht zur Siliciumschicht 25 angeordnet. Es können jedoch im wesentlichen dieselben Kennlinien und Kennwerte selbst dann erhalten werden, wenn die piezoelektrische Achse von der Vertikallinie bezüglich der Substratfläche inner halb eines Bereiches von 10° abweicht und wenn die Kristallfläche der Siliciumschicht 25 und die Fortpflanzungs achse zum Anregen der elastischen Oberflächenwelle inner halb einiger Grad von der (110)-Fläche und der [001]-Achse jeweils abweichen.

Aus dem Obigen ist ersichtlich, daß bei diesen Ausführungs beispielen der Erfindung durch das Vorsehen einer Silicium schicht mit einer bestimmten Kristallorientierung und in Kontakt mit einem elastischen Element, durch das Aufwachsen einer Zinkoxidschicht auf der Siliciumschicht und durch das Vorsehen von Elektroden in Kontakt mit der Zink oxidschicht der elektromechanische Kopplungskoeffizient flexibel auf einen gewünschten Wert festgelegt werden kann. Die Möglichkeit der Festlegung des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten erlaubt eine Abnahme der Impedanz eines elastische Oberflächenwellen ausbildenden Wandlers, eine leichte Abstimmung bzw. Anpassung und die Verwirklichung eines elastische Oberflächenwellen erzeugenden Elementes mit hohem Wirkungsgrad. Da die Anzahl der Elektrodenelemente eines elastische Oberflächenwellen ausbildenden Wandlers herabgesetzt werden kann, ist es gleichzeitig möglich, das Element zu miniaturisieren und die Herstellungskosten zu verringern.

Weiterhin kann der Temperaturkoeffizient dadurch klein ge macht werden, daß ein elastisches Element vorgesehen wird, was zu einer stabilen Funktion des elastische Oberflächen wellen ausbildenden Elementes führt.

Fig. 32 zeigt in einer Schnittansicht ein weiteres Aus führungsbeispiel des erfindungsgemäßen elastische Oberflächen wellen ausbildenden Elementes mit einem (110)-orientierten Siliciumsubstrat 35. Eine Zinkoxidschicht 36 ist so aus gebildet, daß ihre piezoelektrische Achse senkrecht zur Oberfläche des Siliciumsubstrates 35 liegt. Eine dielektrische Schicht 37, beispielsweise aus Siliciumdioxid, ist teilweise auf der Oberfläche der Zinkoxidschicht 36 aufgewachsen und kammförmige Elektroden 38 und 39 sind im selben Schichtbereich wie die dielektrische Schicht 37 und auf der Zinkoxid schicht 36 vorgesehen, die nicht durch die dielektrische Schicht 37 überzogen ist.

An der Eingangselektrode 38 des elastische Oberflächenwellen ausbildenden Elementes mit dem oben beschriebenen Aufbau wird eine Sezawa-Welle, d. h. eine Art einer elastischen Oberflächenwelle in [001]-Achsenrichtung des Siliciums 35 angeregt. Die elastische Oberflächenwelle pflanzt sich dann längs der Oberfläche der Zinkoxidschicht 36 fort, bis sie die Ausgangselektrode 39 erreicht.

Fig. 33 zeigt die Kennlinie, die bei dem in Fig. 32 dar gestellten Ausführungsbeispiel erhalten werden kann, wobei dann, wenn die elektrische Leitfähigkeit an der Grenze zwischen dem Siliciumsubstrat 35 und der Zinkoxidschicht 36 hoch ist, sich der Quadratwert K² des elektromechani schen Kopplungskoeffizienten K in der durch die Kurve A₁₂ in Fig. 33 dargestellten Weise ändert. Die Kurve A₁₂ bezieht sich unter den elastischen Oberflächenwellen auf die Sezawa-Welle.

Die gerade Linie B₁₂ zeigt den Maximalwert von K², der mit einem Lithiumnioboxid-LiNbO₃-Substrat erhalten werden kann und etwa 5,5% erreicht.

Aus der in Fig. 33 dargestellten Kennlinie ist ersichtlich, daß dann, wenn sich die elastische Oberflächenwelle in der [001]-Achsenrichtung des Siliciums 35 fortpflanzt, ein elektromechanischer Kopplungskoeffizient, der groß genug ist, um einen hohen Wirkungsgrad des Elementes zu verwirklichen, dadurch erhalten werden kann, daß die Stärke h der Zinkoxidschicht 36 so bestimmt wird, daß die Be ziehung 0,9 < 2 πh/λ < 3,0 erfüllt ist.

Fig. 34 zeigt in einer Schnittansicht ein weiteres Ausführungs beispiel der Erfindung mit einem (100)-orientierten Silicium substrat 35A, wobei die übrigen Bezugszeichen sich auf dieselben Bauteile wie in Fig. 32 beziehen.

Hinsichtlich der Eingangselektrode 38 des elastische Ober flächenwellen ausbildenden Elementes mit der oben beschriebenen Anordnung wird eine Sezawa-Welle in [011]-Achsenrichtung des Siliciums 35A angeregt.

Fig. 35 zeigt die Kennlinie, die bei dem in Fig. 34 dar gestellten Ausführungsbeispiel erhalten wird, wobei dann, wenn die elektrische Leitfähigkeit an der Grenze zwischen dem Siliciumsubstrat 35 und der Zinkoxidschicht 36 groß ist, sich der Quadratwert K² des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten K in der durch die Kurve A₁₃ darge stellten Weise ändert. Die Kurve A₁₃ bezieht sich unter den elastischen Oberflächenwellen auf die Sezawa-Welle.

Die gerade Linie B₁₃ zeigt den Maximalwert von K² der mit einem Lithiumnioboxid-Substrat (LiNbO₃) erhalten werden kann und etwa 5,5% erreicht.

Aus der Kennlinie von Fig. 35 ist ersichtlich, daß dann, wenn sich die elastische Oberflächenwelle in der [011]-Achsen richtung des Siliciums 35A fortpflanzt, ein elektromechani scher Kopplungskoeffizient, der groß genug ist, um einen hohen Wirkungsgrad des Elementes zu verwirklichen, dadurch erhalten werden kann, daß die Stärke h der Zink oxidschicht 36 so bestimmt wird, daß die Beziehung 0,9 < 2 π/λ < 3,5 erfüllt ist.

Eine hohe elektrische Leitfähigkeit an der Grenze zwischen dem Siliciumsubstrat 35 und der Zinkoxidschicht 36, wie es oben beschrieben wurde, bedeutet, daß derselbe Effekt selbst dann erhalten werden kann, wenn eine Metallschicht 40 an der Grenze ausgebildet ist, wie es in Fig. 36 darge stellt ist.

Da der Bahnwiderstand selbst dann herabgesetzt werden kann, wenn das Siliciumsubstrat 35 eine epitaxial gewachsene Schicht umfaßt, kann derselbe Effekt wie bei dem in Fig. 32 dar gestellten Ausführungsbeispiel erhalten werden.

Fig. 37 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine dielektrische Schicht 37A aus Siliciumdioxid usw. mit einer ausreichend kleinen Stärke, verglichen mit der Wellenlänge der elastischen Oberflächenwelle, eben oder flach aufgewachsen ist, so daß sie die kammförmigen Elektroden 38 und 39 vollständig über der Zinkoxidschicht 36 überdeckt. Auch mit diesem Aufbau kann derselbe Effekt wie bei den in Fig. 32 und 36 dargestellten Ausführungs beispielen erreicht werden.

Das Siliciumdioxid, das die dielektrische Schicht 37 bildet, bewirkt, daß der Temperaturkoeffizient des Elementes verschwindet, der durch das Siliciumsubstrat 35 und die Zinkoxidschicht 36 bestimmt ist, so daß es möglich ist, daß das Element insgesamt einen kleinen Temperaturkoeffizienten hat.

Die kammförmigen Elektroden können auf dem Siliciumsubstrat vorgesehen sein und eine Metallschicht kann auf der Zink oxidschicht so aufgebracht sein, daß sie die kammförmigen Elektroden überdeckt.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen lag die piezoelektrische Achse der Zinkoxidschicht 36 senkrecht zum Siliciumsubstrat 35. Selbst wenn die piezoelektrische Achse jedoch innerhalb eines Bereiches von 10° gegenüber der Vertikallinie bezüglich des Substrates 35 schräg liegt, können im wesentlichen dieselben Kennwerte erhalten werden. Selbst wenn weiterhin die Orientierung des Siliciumsubstrates 35 und die Fortpflanzungsachse zum Anregen der elastischen Oberflächenwelle von der (110)- oder (100)-Fläche und der [001]- oder [011]-Achse jeweils um einige Grad abweichen, gönnen im wesentlichen die gleichen Kennwerte erhalten werden.

Fig. 38 zeigt in einer Schnittansicht ein weiteres Aus führungsbeispiel des erfindungsgemäßen elastische Ober flächenwellen ausbildenden Elementes mit einem (110)-orientierten Siliciumsubstrates 45. Eine dielektrische Schicht 47, beispielsweise aus Siliciumdioxid, ist teilweise auf dem Siliciumsubstrat 45 aufgewachsen und eine Zinkoxid schicht 46 ist so ausgebildet, daß ihre piezoelektrische Achse senkrecht zum Siliciumsubstrat 45 und zur dielektri schen Schicht 47 liegt, wobei kammförmige Elektroden 48 und 49 auf der Zinkoxidschicht 46 vorgesehen sind.

Über die Eingangselektrode 48 des elastische Oberflächen wellen ausbildenden Elementes mit dem oben beschriebenen Aufbau wird eine Sezawa-Welle in [001]-Achsenrichtung des Siliciums 45 angeregt, so daß diese längs der Oberfläche der Zink oxidschicht 46 wandert, bis sie die Ausgangselektrode 49 erreicht.

Fig. 39 zeigt die Kennlinie, die bei dem in Fig. 38 dar gestellten Ausführungsbeispiel erhalten wird, wobei dann, wenn die elektrische Leitfähigkeit an der Grenze zwischen dem Siliciumsubstrat 45 und der Zinkoxidschicht 46 groß ist, sich der Quadratwert K² des elektromechanischen Kopp lungskoeffizienten K in der durch die Kurve A₁₄ dargestell ten Weise ändert. Die Kurve A₁₄ bezieht sich unter den elastischen Oberflächenwellen auf die Sezawa-Welle.

Die gerade Linie B₁₄ zeigt den Maximalwert von K², der mit einem Lithiumnioboxid-Substrat (LiNbO₃) erhalten werden kann und etwa 5,5% erreicht.

Aus der in Fig. 39 dargestellten Kennlinie ist erkennbar, daß dann, wenn sich die elastische Oberflächenwelle in der [001]-Achsenrichtung fortpflanzt, ein elektro mechanischer Kopplungskoeffizient, der groß genug ist, um einen hohen Wirkungsgrad des Elementes zu verwirklichen, dadurch gehalten werden kann, daß die Stärke h der Zinkoxidschicht 46 so bestimmt wird, daß die Beziehung 0,9 < 2 πh/λ < 3,0 erfüllt ist.

Fig. 40 zeigt in einer Schnittansicht ein weiteres Aus führungsbeispiel des erfindungsgemäßen elastische Ober flächenwellen ausbildenden Elementes mit einem (100)-orientierten Siliciumsubstrates 45A, wobei die anderen Bezugszeichen sich auf gleiche Bauteile wie in Fig. 38 beziehen.

Hinsichtlich der Eingangselektrode 48 des elastische Ober flächenwellen ausbildenden Elementes mit dem oben be schriebenen Aufbau wird eine Sezawa-Welle, d. h. eine Art einer elastischen Oberflächenwelle in [011]-Achsenrichtung des Siliciums 45A angeregt.

Fig. 41 zeigt die Kennlinie, die bei dem in Fig. 40 dar gestellten Ausführungsbeispiel erhalten wird, wobei dann, wenn die elektrische Leitfähigkeit an der Grenze zwischen dem Siliciumsubstrat 45 und der Zinkoxidschicht 46 groß ist, sich der Quadratwert K² des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten K in der durch die Kurve A₁₅ darge stellten Weise ändert. Die Kurve A₁₅ bezieht sich unter den elastischen Oberflächenwellen auf die Sezawa-Welle.

Die gerade Linie B₁₅ zeigt den Maximalwert von K², der mit einem Lithiumnioboxid-Substrat (LiNbO₃) erhalten wird und etwa 5,5% erreicht.

Aus der in Fig. 41 dargestellten Kennlinie ist ersichtlich, daß dann, wenn sich die elastische Oberflächenwelle in [011]-Achsenrichtung des Siliciums 45A fortpflanzt, ein elektromechanischer Kopplungskoeffizient, der groß genug ist, um einen hohen Wirkungsgrad des Elementes zu ver wirklichen, dadurch erhalten werden kann, daß die Stärke h der Zinkoxidschicht 46 so bestimmt wird, daß die Beziehung 0,9 < 2 πh/λ < 3,5 erfüllt ist.

Eine hohe elektrische Leitfähigkeit an der Grenze zwischen dem Siliciumsubstrat 45 und der Zinkoxidschicht 46 be deutet, daß es möglich ist, denselben Effekt auch dann zu erzielen, wenn eine Metallschicht 50 an der Grenze ausgebildet ist, wie es in Fig. 42 dargestellt ist.

Da der Bahnwiderstand selbst dann herabgesetzt werden kann, wenn das Siliciumsubstrat 45 eine epitaxial ge wachsene Schicht umfaßt, kann derselbe Effekt wie bei dem in Fig. 38 dargestellten Ausführungsbeispiel er halten werden.

Fig. 43 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine dielektrische Schicht 47, beispiels weise aus Siliciumsdioxid usw. mit einer ausreichend kleinen Stärke verglichen mit der Wellenlänge der elastischen Oberflächenwelle über dem Silicium 45 oder 45A aufgewachsen ist. Dieser Aufbau liefert den gleichen Effekt wie die Ausführungsbeispiele die in Fig. 38 und 40 dargestellt sind.

Da das Siliciumdioxid, das die dielektrische Schicht 47 bildet, bewirkt, daß der Temperaturkoeffizient des Elementes verschwindet, der durch das Siliciumsubstrat 45 und die Zinkoxidschicht 46 bestimmt ist, kann das Element als Ganzes einen kleinen Temperaturkoeffizienten haben.

Die kammförmigen Elektroden können auf dem Siliciumsubstrat oder auf der dielektrischen Schicht vorgesehen sein, und eine Metallschicht kann auf der Zinkoxidschicht so aufge bracht sein, daß sie die kammförmigen Elektroden überdeckt.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen lag die piezoelektrische Achse der Zinkoxidschicht 46 senkrecht zum Siliciumsubstrat 45 oder 45A. Es können im wesentlichen gleiche Kennwerte selbst dann er halten werden, wenn die piezoelektrische Achse inner halb eines Bereiches von annähernd 10° schräg gegenüber der Vertikallinie bezüglich des Substrates 45 liegt. Es hat sich weiterhin herausgestellt, daß im wesent lichen gleiche Kennwerte auch dann erhalten werden können, wenn die Orientierung des Siliciumsubstrates 45 und die Fortpflanzungsachse zum Anregen der elastischen Oberflächenwelle innerhalb einiger Grade von der (110)- oder (100)-Fläche und der [001]- oder [011]-Achse jeweils abweichen.

Claims

1. Oberflächenwellenbauelement mit einem Siliziumsub strat, einer über dem Siliziumsubstrat ausgebildeten Zinkoxidschicht und Elektroden auf einer der Oberflä chenseiten der Zinkoxidschicht, wobei als akustische Oberflächenwelle eine Sezawa-Welle verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß entweder das Siliziumsubstrat mit einer im wesentli chen der (110)-Fläche äquivalenten Fläche geschnitten ist und die Fortpflanzungsrichtung der Sezawa-Welle im wesentlichen der [001]-Achsrichtung äquivalent ist oder das Siliziumsubstrat mit einer im wesentlichen der (100)-Fläche äquivalenten Fläche geschnitten ist und die Fortpflanzungsrichtung der Sezawa-Welle im wesentlichen der [011]-Achsrichtung äquivalent ist und daß die piezoelektrische Achse der Zinkoxidschicht senkrecht zur Oberfläche des Siliziumsubstrats oder innerhalb von 10° schräg zur Vertikallinie bezüglich der Oberfläche des Siliziumsubstrats verläuft und die Zinkoxidschicht eine Dicke h bezogen auf die Wellen länge λ der Sezawa-Welle hat, die im Bereich 0,9 < 2 πh/λ < 3,5 liegt (Fig. 2; Fig. 12).

2. Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die insbesondere als Kammelektro den ausgebildeten Elektroden auf der vom Siliziumsub strat abgewandten Oberfläche der Zinkoxidschicht ausgebildet sind (Fig. 2; Fig. 12).

3. Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Siliziumsubstrat eine dielektrische Schicht, insbesondere eine SiO₂-Schicht, und die Zinkoxidschicht auf der dielektri schen Schicht ausgebildet ist (Fig. 3).

4. Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Schicht das Siliziumsubstrat lediglich teilweise bedeckt und an einem Teil der Grenzfläche zwischen dem Siliziumsub strat und der Zinkoxidschicht eine Metallschicht zwischen dem Siliziumsubstrat und der Zinkoxidschicht ausgebildet ist (Fig. 42).

5. Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Siliziumsubstrat eine Metallschicht und die Zinkoxidschicht auf der Metallschicht ausgebildet ist (Fig. 5).

6. Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht direkt unter den Elektroden auf dem Siliziumsubstrat ausgebildet ist.

7. Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die insbesondere als Kammelektro den ausgebildeten Elektroden auf dem Siliziumsubstrat und die Zinkoxidschicht auf dem Siliziumsubstrat und den Elektroden ausgebildet ist (Fig. 7).

8. Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem Siliziumsubstrat abgewandten Oberflächenseite der Zinkoxidschicht eine dielektrische Schicht ausgebildet ist (Fig. 9).

9. Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem Siliziumsubstrat abgewandten Oberflächenseite der Zinkoxidschicht eine Metallschicht ausgebildet ist (Fig. 10).

10. Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht zumindest direkt über den Kammelektroden angeordnet ist.

11. Oberflächenwellenbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Silizium substrat eine Siliziumschicht und ein der Zinkoxid schicht abgewandt an der Siliziumschicht anliegendes elastisches Element umfaßt (Fig. 25; Fig. 27).

12. Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Zinkoxidschicht und der Siliziumschicht oder auf der ihrerseits auf der Siliziumschicht ausgebildeten Zinkoxidschicht eine Metallschicht ausgebildet ist (Fig. 29; Fig. 31).

13. Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Element aus Saphir besteht.

14. Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliziumschicht eine Sili ziumepitaxialschicht ist.

15. Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Element aus SiO₂ besteht.

16. Oberflächenwellenbauelement mit einem Siliziumsub strat, einer auf dem Siliziumsubstrat ausgebildeten Zinkoxidschicht, einer insbesondere aus SiO₂ beste henden dielektrischen Schicht und in Kontakt mit der dielektrischen Schicht stehenden Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliziumsubstrat mit einer im wesentlichen der (110)-Fläche äquivalenten Fläche geschnitten ist und die Fortpflanzungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle im wesentlichen der [001]-Achsrichtung äquivalent ist und daß die Elek troden auf der Zinkoxidschicht angeordnet und von der dielektrischen Schicht überdeckt sind (Fig. 37).

17. Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Schicht auf der Oberfläche der Zinkoxidschicht mit gleichmäßiger Stärke ausgebildet ist (Fig. 37).

18. Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Schicht lediglich auf einem Teil der Oberfläche der Zinkoxid schicht ausgebildet ist.