DE3237358A1 - Element fuer elastische oberflaechenwellen - Google Patents
Element fuer elastische oberflaechenwellenInfo
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Description
Element für elastische Oberflächenwellen
Die Erfindung betrifft ein Element für elastische Oberflächenwellen
mit hohem Wirkungsgrad und nur einem geringen Temperaturkoeffizienten.
Zur Zeit sind verschiedene Elemente in Entwicklung, die elastische Oberflächenwellen verwenden, die sich längs
der Oberfläche des elastischen Materials fortpflanzen.
Bekannt als Materialien für das piezoelektrische Substrat für solch elastische Oberflächenwellenelemente sind
piezoelektrisches Einkristall, wie Lithiumniobat (LiNbO,), piezoelektrische Keramik, wie Blei'zirkonattitanat (PZT)
oder eine Kombination aus einem nicht piezoelektrischen Substrat und einer piezoelektrischen Schicht, wie Zinkoxid
(ZnO). Unter diesen Materialien hat Lithiumniobat den Vorteil, dass der elektromechanische Kopplungsfaktor K
gross ist und die Fortpflanzungsverluste der Oberflächenwelle gering sind, doch hat dieses Material den Nachteil/
dass es einen grossen Temperaturkoeffizienten aufweist.
Piezoelektrische Keramik hat den Vorteil eines grossen
elektromechanischen Kopplungsfaktors K, jedoch den Nachteil, dass der Fortpflanzungsverlust der Oberflächenwelle
mit zunehmender Frequenz ansteigt, da es sich um ein gesintertes Material handelt. Da ferner piezoelektrischer
Einkristall und die piezoelektrische Keramik nur ihre eigenen spezifischen Funktionsweisen zeigen, können sie
nur in relativ beschränktem Umfang verwendet werden und eignen, sich nicht zur Kombination mit integrierten Schaltkreisen
(IC) zur Herstellung von Vorrichtungen mit neuartigen Funktionen.
Wenn dagegen, wie in Fig. 1 gezeigt, die piezoelektrische
Schicht in Verbindung mit z.B. einer Zinkoxidschicht, die auf einem nicht piezoelektrischen Substrat, wie
Siliciumsubstrat, aufgegeben ist,und mit auf der Zinkoxidschicht angeordneten Elektroden verwendet wird, ermöglicht
dies eine Abänderung der auf dem Siliciumsubstrat auszubildenden Halbleiterelemente, was zur Bereitstellung
von Vorrichtungen mit neuartigen Funktionen führt.
Elastische Oberflächenwellenelemente mit einer solchen
piezoelektrischen Schicht haben jedoch den Nachteil, dass
der elektromechanische Kopplungsfaktor kleiner als bei piezoelektrischem Einkristall und piezoelektrischer
Keramik ist, was die Wirksamkeit der Funktion beeinträchtigt.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass der Temperaturkoeffizient
ziemlich gross ist, wodurch sich solche Elemente für Vorrichtungen nicht eignen, bei denen die Laufzeit
des Signals ein wichtiger Faktor darstellt.
Ein Ziel der Erfindung ist daher die Beseitigung der
bislang bestehenden vorgenannten Schwierigkeiten durch Schaffung eines elastischen Oberflächenwellenelementes,
bestehend aus einer Zinkoxidschicht, die auf einer Oberfläche von einem Siliciumsubstrat,das so geschnitten ist,
dass eine bestimmte kristalline Oberfläche vorliegt, aufgegeben ist, und aus einer dielektrischen Schicht sowie
Elektroden, die beide in Berührung mit der Zinkoxidschicht
stehen.
Das erfindungsgemässe elastische Oberflächenwellenelement
zeichnet sich aus durch
ein Siliciumsubstrat mit einer Hauptfläche, die eine bestimmte
kristallinie Orientierung hat, 35
eine Zinkoxidschicht und eine dielektrische Schicht, die beide auf der Hauptfläche des Siliciumsubstrates aufgegeben
sind, und
auf der Zinkoxidschicht ausgebildete Elektroden, die so erregbar sind, dass sie eine Fortpflanzung der elastischen
Oberflächenwelle längs eines bestimmten kristallinen Achse des Siliciumsubstrates ermöglichen.
5
Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend unter vorhergehender Bezugnahme auf den Stand der
Technik näher erläutert. Es zeigen.
Fig. 1 eine geschnittene Ansicht von einem bekannten elastischen Oberflächenwellenelement,
Fig. 2, 4, geschnittene Ansichten von Ausführungs-
u* formen von erfindungsgemäss aufgebauten
elastischen Oberflächenwellenelementen,
Fig. 3 u. 7 Darstellungen bezüglich der mit der Erfindung erzielten Eigenschaften, und
Fig. 8 weitere Ausführungsformen der Erfindung, bis 11
Bei dem in Fig. 1 gezeigten und vorbeschriebenen bekannten
elastischen Oberflächenwellenelement betreffen das Bezugszeichen 1 das Siliciumsubstrat, 2 die Zinkoxidschicht
und 3 und 4 die Elektroden.
Die Erfindung wird nachfolgend im Detail anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen beschrieben.
Fig. 2 ist eine geschnittene Ansicht von einer Ausführungsform eines erfindungsgemässen Elementes für elastische
Oberflächenwellen. Das Bezugszeichen 5 betrifft ein Siliciumsubstrat mit einer 01Q)-orientierten Hauptfläche
und das Bezugszeichen 6 eine Zinkoxidschicht, die auf dem Siliciumsubstrat 5 so ausgebildet ist, dass die
piezoelektrische Achse der Schicht 6 senkrecht zu der Hauptfläche
des Substrates 5 liegt. Das Bezugzeichen 7 betrifft eine dielektrische Schicht aus z.B. Siliciumdioxid, die
teilweise auf der Zinkoxidschicht 6 aufgegeben ist. Die Bezugszeichen 8 und 9 betreffen kamraförmige Eingangsbzw. Ausgangselektroden, die auf der Zinkoxidschicht 6
an Stellen ausgebildet sind, bei denen keine dielektrische Schicht 7 vorliegt.
Die Zinkoxidschicht 6 und die dielektrische Schicht 7 können nach dem bekannten Aufspritz- oder chemischen
Bedampfungsverfahren (CVDj gebildet werden. Die kammförmigen
Elektroden 8 und 9 können dadurch gebildet werden, dass man Aluminiumatome nach dem bekannten
Bedampfungsverfahren ablagert.
Die Eingangselektrode 8 wird so erregt, dass eine Sezawa-Welle
als elastische Oberflächenwelle entsteht, die sich in Richtung der COOiJ-Achse des Siliciumsubstrates 5
fortpflanzt. Dann bewegt sich die elastische Oberflächenwelle längs der Oberfläche der Zinkoxidschicht 6 und
erreicht die Ausgangselektrode 9.
Fig. 3 zeigt eine typische Kurve, wie sie mit dem elastisehen
Oberflächenwellenelement nach Fig. 2 erhalten wird. Die Abszisse gibt die normalisierte Dicke 2 TTh/A, für
die Dicke h der Zinkoxidschicht 6 wieder (Λ = Wellenlänge
der elastischen Oberflächenwelle), während auf der Ordinate
ο
der Quadratwert K des elektromechanischen Kopplungsfaktors K in Prozent aufgetragen ist. Wenn die Leitfähigkeit nahe der Grenzschicht zwischen dem Siliciumsubstrat 5 und der Zinkoxidschicht 6 bei der Ausführungsform nach Fig. 2
der Quadratwert K des elektromechanischen Kopplungsfaktors K in Prozent aufgetragen ist. Wenn die Leitfähigkeit nahe der Grenzschicht zwischen dem Siliciumsubstrat 5 und der Zinkoxidschicht 6 bei der Ausführungsform nach Fig. 2
-y-
hoch ist, ändert sich der Quadratwert K2 des elektromagnetischen
Kopplungsfaktors K gemäss der Kurve A in Fig. 3. Darauf hinzuweisen ist, dass die Kurve A einen
charakteristischen Verlauf zeigt, der durch eine Sezawa-Welle erhalten wird.
Die gerade Linie B stellt den maximalen Wert für K2 dar,
wenn das Substrat aus Lithiumniobat besteht. Dieser maximale Wert für K2 beträgt etwa 5,5 %.
Wie aus Fig. 3 hervorgeht, kann, wenn die elastische Oberflächenwelle sich in Richtung der COO-Q -Achse des
Siliciumsubstrates 5 fortpflanzt, ein ausreichend grosser elektromagnetischer Kopplungsfaktor, um wirksam das
Element zu aktivieren, dadurch erhalten werden, dass man die Dicke h der Zinkoxidschicht 6 -so festlegt, dass
sie der Beziehung 0,9 <. 2 T'h/ A<3,0 genügt.
Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht von einer anderen Ausführungsform von einem erfindungsgemässen elastischen
Oberflächenwellenelement. Das Bezugszeichen 51 betrifft
ein Siliciumsubstrat, das so geschnitten ist, dass eine p003-orientierte Oberfläche vorliegt. Die anderen Teile
entsprechen denjenigen in Fig. 2 und tragen die gleichen Bezugszeichen.
Die Eingangselektrode 8 wird so erregt, dass eine Sezawa-Welle als elastische Oberflächenwelle entsteht, die sich
in Richtung der 010} -Achse des Siliciumsubstrates 51
■30 fortpflanzt.
Fig. 5 zeigt die charakteristische mit dem elastischen Oberflächenwellenelement nach Fig. 4 erhaltene Kurve. Wenn
die Leitfähigkeit nahe der Grenzschicht zwischen dem
35
• · < a
Siliciumsubstrat 5' und der Zinkoxidschicht 6 hoch ist,
ändert sich der Quadratwert K2 des elektromechanischen Kopplungsfaktors K gemäss der Kurve A in Fig. 5. Darauf
hinzuweisen ist, dass die Kurve A einen typischen Verlauf hat, wie er durch eine Sezawa-Welle erhalten wird.
Die Gerade B stellt den maximalen Wert von K2 dar, wenn
das Substrat aus Lithiumniobat besteht; dieser Wert beträgt etwa 5,5 %.
Wenn, wie aus Fig. 5 hervorgeht, die elastische Oberflächenwelle sich in Richtung der COlO-Achse des Siliciumsubstrates
5' fortpflanzt, kann ein ausreichend grosser elektromechanischer Kopplungsfaktor zur wirksamen Aktivierung
des Elementes erhalten werden, indem man die Dicke h der Zinkoxidschicht 6 so festlegt, dass die
Beziehung 0,9 L· 2 J^h//L<3 , 5 erfüllt ist.
Der Umstand, dass die Leitfähigkeit nahe der Grenzschicht
zwischen dem Siliciumsubstrat 5 und der Zinkoxidschicht 6, wie vorbeschrieben, hoch ist, bedeutet, dass der
gleiche Effekt ebenfalls erhalten wird, wenn gemäss Fig. 6 an der Grenzschicht eine Metallschicht 10 vorgesehen
wird.
Auch bei Vorsehen einer Epitaxialschicht an dem Siliciumsubstrat 5 kann der gleiche Effekt wie bei der Anordnung
nach Fig. 2 erhalten werden, da der Restwiderstand verringert werden kann.
Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Eine dielektrische Schicht 11 aus z.B. Siliciumdioxid,
die wesentlich dünner als die Wellenlänge der elastischen Oberflächenwelle ist, ist gleichmässig auf der gesamten
Oberfläche der Zinkoxidschicht einschliesslich der kamm-
förmigen Elektroden aufgegeben. Diese Anordnung ergibt
ebenfalls die gleichen Wirkungen wie die Ausführungsform nach Fig. 2 und 4.
Fig. 8 bis 11 zeigen weitere Ausführungsformen der Erfindung.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 8 ist die dielektrische Schicht 7 bereichsweise auf dem Siliciumsubstrat 5 ausgebildet,
das eine D10} -orientierte Hauptfläche hat. Die
Zinkoxidschicht ist auf der Hauptfläche des Siliciumsubstrates 5 und auf der dielektrischen Schicht 7 abge-.lagert.
Die Eingangs- und Ausgangselektroden 8 und 9 sind auf der Zinkoxidschicht 6 ausgebildet.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 9 hat das Siliciumsubstrat
5' eine Ci 00j -orientierte Hauptfläche. Die
anderen Teile entsprechen denjenigen in Fig. 8.
Fig. 10 zeigt ein elastisches Oberflächenwellenelement,
bei dem die Metallschicht 10 zwischen dem Siliciumsubstrat 5 (51) und der Zinkoxidschicht 6 von Fig. 8 oder 9
vorgesehen ist.
Beider Ausführungsform nach Fig. 11 ist die dielektrische
Schicht 11 gleichmässig über die gesamte Hauptfläche
des Siliciumsubstrates 5 (51) aufgegeben.
Bei diesen Anordnungen bewirkt das Siliciumdioxid, das die dielektrische Schicht 7 ausmacht eine. Verringerung
des Temperaturkoeffizienten des Elementes, der durch das Siliciumsubstrat 5 und die Zinkoxidschicht 6 bestimmt ist.
Dies bedeutet, dass der Temperaturkoeffizient des Elementes
insgesamt ziemlich klein ist.
35
35
Die kammförmigen Elektroden können auf dem Siliciumsubstrat
ausgebildet werden. Auch kann die Metallschicht auf der Zirikoxidschicht/die den kammförmigen Elektroden gegenüberliegt,
abgelagert werden.
5
5
Bei den, wie vorerwähnt, aufgebauten Ausführungsformen
ist die Zinkoxidschicht so ausgebildet, dass ihre piezoelektrische Achse senkrecht zur Hauptfläche des Siliciumsubstrates
5 steht. Wenn jedoch die piezoelektrische Achse unter einem Winkel von innerhalb etwa 10° gegenüber der
Senkrechten geneigt liegt, werden im wesentlichen die · gleichen Ergebnisse erzielt. Auch wenn die Hauptfläche
des Siliciumsubstrates 5 und die Fortpflanzungsachse der erregten elastischen Oberflächenwelle innerhalb gewisser
Grade von der CliCQ-Fläche oder (1 00)-Fläche bzw.
der QD0O -Achse oder (Td11D-Achse abweichen, werden im
wesentlichen die gleichen Charakteristika erhalten.
Wie aus der vorausgehenden Beschreibung hervorgeht, besteht
das erfindungsgemässe elastische Oberflächenwellenelement
aus einem Siliciumsubstrat, das so geschnitten ist, dass eine bestimmte kristalline Oberfläche vorliegt, einer
Zinkoxidschicht, die auf dem Siliciumsubstrat aufgegeben ist/und einer dielektrischen Schicht sowie Elektroden, die
beide auf der Zinkoxidschicht vorgesehen sind. Der elektromechanische Kopplungsfaktor wird dadurch flexibel und kann
auf einen gewünschten Wert festgelegt werden. Ferner lässt sich der Temperaturkoeffizient verringern, indem man eine
dielektrische Schicht vorsieht.
Da der elektromechanische Kopplungsfaktor vergrössert werden
kann, lässt sich die Impedanz des elastischen Oberflächenwellenwandlers
klein halten, was eine leichte Anpassung ermöglicht. Dies führt zu Bereitstellung eines elastischen
Oberflächenwellenelementes, das mit hoher Wirksamkeit
arbeitet.
Da es gleichzeitig möglich ist, die Anzahl der Elektroden auf dem elastischen Oberflächenwellenwandler zu
verringern, kann das Element kompakter ausgebildet und mit niedrigeren Kosten hergestellt werden.
Der geringe Temperaturkoeffizient gewährleistet einen
zuverlässigen Betrieb des elastischen Oberflächenwellenelementes.
Bei Verwendung einer Sezawa-Welle als elastische Oberflächenwelle
erweist sich die hohe Phasengeschwindigkeit der Sezawa-Welle als vorteilhaft bei der Bereitsstellung
eines Elementes, das inbesondere für hohe Frequenzen geeignet ist.
Wenn ein IC-Substrat als Siliciumsubstrat verwendet wird, kann eine Vorrichtung erhalten werden, die kompakt» hochgradig
integriert und in ihrer Funktion neuartig ist. Die Vorrichtung erweist sich für viele Anwendungsfälle als wirksam.
Claims (5)
1.) Elastisches Oberflächenwellenelement, gekennzeichnet durch
ein Siliciumsubstrat (5) mit einer Hauptfläche, die eine
bestimmte kristalline Orientierung hat;
eine Zinkoxidschicht (6) und eine dielektrische Schicht (7, 11), die beide auf der Hauptfläche des Siliciumsubstrates
aufgegeben sind; und
Elektroden (8, 9), die auf der Zinkoxidschicht ausgebildet
sind, wobei die Elektroden so erregbar sind, dass sie
eine Fortpflanzung der elastischen Oberflächenwelle längs einer bestimmten kristallinen Achse des Siliciumsubstrates
ermöglichen.
2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zinkoxidschicht (6) auf
der Hauptfläche des Siliciumsubstrates (5) aufgegeben ■ ist, während die dielektrische Schicht (7) und die
Elektroden (8, 9) auf der Zinkoxidschicht vorgesehen sind.
3. Element nach Anspruch 2, dadurch g e k en η —
zeichnet , dass zwischen der Zinkoxidschicht (6) und dem Siliciumsubstrat (5) eine Metallschicht
(10) aufgegeben ist.
4. Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht (11)
gleichmässig auf der gesamten Oberfläche der Zinkoxidschidht (6) einschliesslich der Elektroden (8, 9)
aufgegeben ist.
• '
5. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die dielektrische Schicht (7)
nur bereichsweise auf der Hauptfläche des Siliciumsubstrates (5) aufgegeben ist, dass die Zinkoxidschicht
(6) auf der dielektrischen Schicht und den restlichen Teilen der Hauptfläche des Siliciumsubstrates aufgegeben
ist, und dass die Elektroden (8, 9) auf der Zinkoxidschicht ausgebildet sind.
6. Element nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Siliciumsubstrat (5)
und der Zinkoxidschicht (6) eine Metallschicht (10) vorgesehen ist.
7. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht (11)
gleichmässig auf der gesamten Hauptfläche des Siliciumsubstrates (5) aufgegeben ist/ dass die Zinkoxidschicht
(6) auf der dielektrischen Schicht aufgegeben ist, und dass die Elektroden (8,9) auf der Zinkoxidschicht
ausgebildet sind.
8. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass die Hauptfläche eine
0103-kristalline Orientierung hat.
9. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet , dass die kristalline Achse C0010 ist.
10. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet , dass die piezoelektrische Achse der Zinkoxidschicht (6) unter einem
Winkel von 80 bis 90° zu der Hauptfläche des Siliciumsubstrates (5) steht.
11. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , dass die Dicke
h der Zinkoxidschicht (6) in Bezug auf die Wellenlänge Λ der elastischen Oberflächenwelle so abgestimmt ist,
dass die Beziehung 0,9C 2ffh/ Λ<3,5 erfüllt ist.
12. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet , dass die dielektrische
Schicht (7) aus Siliciumdioxid besteht.
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