DE3422108A1

DE3422108A1 - Akustische oberflaechenwellen ausbildendes bauelement

Info

Publication number: DE3422108A1
Application number: DE3422108A
Authority: DE
Inventors: Ryuichi Asai; Shoichi Tokio/Tokyo Minagawa; Takeshi Okamoto
Original assignee: Clarion Co Ltd
Current assignee: Faurecia Clarion Electronics Co Ltd
Priority date: 1983-06-14
Filing date: 1984-06-14
Publication date: 1984-12-20
Also published as: JPS59231911A; JPH0336326B2; US4567393A

Description

Akustische Oberflächenwellen ausbildendes Bauelement

Die Erfindung betrifft ein- akustische Oberflächenwellen ausbildendes Bauelement, das mit hohem Wirkungsgrad arbeiten kann.

Es sind viele Vorschläge gemacht und Versuche, unternommen worden, um akustische Oberflächenwellen ausbildende Bauelemente als Fortpflanzungsmedien für eine akustische Oberflächenwelle zu entwickeln, die an der Oberfläche eines ,piezoelektrischen Substrates entlangläuft. Der Grund dafür besteht darin, dass die Laufgeschwindigkeit einer akustischen Oberflächenwelle nur das etwa 10 -fache der von elektromagnetischen Wellen beträgt, so dass eine extreme Verringerung der Grosse der jeweiligen Schaltungsbauelemente und somit eine Integration einer grossen Anzahl von Schaltungsbauelementen einschliesslich der akustische Oberflächenwellen ausbildenden Bauelemente auf einem einzigen Substrat möglich sind. Der zweite Anreiz derartiger akustische Oberflächenwellen ausbildender Bauelemente besteht darin, dass ein Signal leicht von irgendeiner gewünschten Stelle des Fortpflanzungsweges abgenommen werden kann, da sich eine akustische Oberflächenwelle in der Nähe der Oberfläche eines Festkörpers fortpflanzt. Der dritte Grund besteht darin, dass aufgrund der Tatsache, dass die Energie entlang der Oberfläche des Festkörpers konzentriert ist, ein akustische Oberflächenwellen ausbildendes Bauelement zur Wechselwirkung mit Licht, dem Ladungsträger in einem Halbleiter oder ähnlichem angeordnet werden kann und aufgrund der hochkonzentrierten Energie eine nichtlineare Wirkung entfalten kann. Der vierte Grund besteht darin, dass ein akustische Oberflächenwellen ausbildendes Bauelement zusammen mit anderen Schaltungsbau-

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elementen gleichzeitig auf einem einzigen Substrat erzeugt werden kann, so dass diese Schaltungsbauelemente so zusammenarbeiten, dass sich eine integrierte Schaltung mit einzigartiger Wirkungsweise ergibt.

In den Fig. 1 und 2 der zugehörigen Zeichnung sind bekannte akustische Oberflächenwellen ausbildende Bauelemente dargestellt. Auf einem Halbleitersubstrat 1 aus Silicium oder einem ähnlichen Material ist eine piezoelektrische Schicht 2 oder 3 aus Zinkoxid oder Aluminiumnitrid vorgesehen. Interdigitalelektrodenwandler 4 und 5 sind auf der Zinköxidschicht 2 oder der Aluminiumnitridschicht 3 vorgesehen. Einer der Wandler, beispielsweise der Wandler 4, stellt die Eingangs-

* elektrode dar, während der andere Wandler 5 die Ausgangs-

elektrode bildet.

Eine akustische Oberflächenwelle, die durch Umwandlung eines elektrischen Signales durch die Eingangselektrode 4 angeregt wird, läuft entlang der Oberfläche der Zinkoxidschicht 2 oder der Aluminiumnitridschicht 3 und wird von der Ausgangselektrode 5 abgenommen.

Aus einem Vergleich der beiden in Fig. 1 und 2 dargestellten Bauelemente miteinander bei Fortpflanzung einer Rayleigh-Welle als akustischer Oberflächenwelle ergibt sich, dass das in Fig. 2 dargestellte Bauelement eine Phasengeschwindigkeit" von 5000 m/s bis 5500 m/s liefert, während das in Fig.1 dargestellte Bauelement eine Phasengeschwindigkeit von 2700 m/s bis 5100 m/s liefert. Daraus ergibt sich, dass das in Fig. 2 dargestellte Bauelement eine höhere Phasengeschwindigkeit liefert und sich daher zur Verwendung im Hochfrequenzbereich eignet.

Das in Fig. 2 dargestellte Bauelement ist jedoch dem in Fig. dargestellten Bauelement im elektromechanischen Kopplungskoeffizienten unterlegen, der einer der wichtigen Faktoren

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. eines derartigen akustische Oberflächenwellen ausbildenden Bauelementes für den-Betrieb mit hohem Wirkungsgrad ist.

Durch die Erfindung soll ein akustische Oberflächenwellen · ausbildendes Bauelement geschaffen werden, das sich nicht nur zur Verwendung im Hochfrequenzbereich eignet, sondern auch einen ausgezeichneten-elektromechanischen Kopplungskoeffizienten hat.

Um das zu erreichen, umfasst das .erfindungsgemässe akustische Oberflächenwellen ausbildende Bauelement ein Siliciumsubstrat, eine Aluminiumnitridschicht, die auf dem Siliciumsubstrat vorgesehen ist, eine Zinkoxidschicht, die auf der Aluminiumnitridschicht vorgesehen ist, und Elektroden, die auf dem Siliciumsubstrat, auf der Aluminiumnitridschicht oder auf der Zinkoxidschicht vorgesehen sein können.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert:

Fig. 1 zeigen Querschnittsansichten bekannter ⁿ akustische Oberflächenwellen ausbildender

Bauelemente.
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Fig. 3 zeigen Querschnittsansichten von Ausführungs-J₁C beispielen des erfindungsgemässen akustische Oberflächenwellen ausbildenden Bauelementes.

0 Fig. 11 zeigen in grafischen Darstellungen die Kennlinien,

die bei den Ausführungsbeispielen des erfindungsgemässen Bauelementes erhalten werden.

Die in den Fig. 3 bis 5 in Schnittansichten dargestellten Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen akustische Oberflächenwellen ausbildenden Bauelementes umfassen ein Silicium-

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substrat 11, eine Aluminiumnitridschicht 12, die auf dem Siliciumsubstrat 11 vorgesehen ist und eine Stärke h₂ hat, eine Zinkoxidschicht 13, die auf der Aluminiumnitridschicht 12 vorgesehen ist und eine Stärke h-| hat, und kammförmige Eingangs- und Ausgangselektroden 14 und 15 jeweils.

Die Eingangs- und Ausgangselektroden 14 und 15 sind bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel auf der Zinkoxidschicht 13, in Fig. 4 auf der Aluminiumnitridschicht und in Fig. 5 auf dem Siliciumsubstrat 11 vorgesehen.

In den Fig'. 6 bis 10 sind in Querschnittsansichten weitere . - Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen akustische Oberflächenwellen ausbildenden Bauelementes dargestellt. Diese Ausführungsbeispiele enthalten eine leitende Schicht, vorzugsweise mit einer Stärke, die so klein wie möglich ist und die auf dem Siliciumsubstrat 11, auf der Aluminiumnitridschicht 12 oder auf der Zinkoxidschicht 13 vorgesehen ist. Die leitende Schicht 16 oder die Zinkoxidschidht 13 ist vorzugsweise wenigstens direkt unter oder direkt über den Bereichen zwischen den Zähnen den kammförmigen Elektroden 14 und 15 vorgesehen. Die leitende Schicht 16 ist bei den in den Fig. 6 und 7 dargestellten Ausführungsbeispielen auf dem Siliciumsubstrat 11, in Fig. 8 und 9 auf der Zinkoxidschicht 14 und in Fig. 10 sowohl auf dem Siliciumsubstrat 11 als auch der Zinkoxidschicht vorgesehen.

In der folgenden Tabelle sind die verschiedenen Kombinationen der kristallinen Orientierungen der Oberfläche des Siliciumsubstrates 11, der Aluminiumnitridschicht 12 und der Zinkoxidschicht 13 sowie die Fortpflanzungsachsen einer akustischen Oberflächenwelle aufgeführt.

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-JS-

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ZnO Schicht	AlN Schicht	Fortpflanzunqs- acnse	Si Substrat	Fortpflanzungs achse
QJ3B3?filafche	Oberfläche		Dberfläche	[001] [011] [001] [110] [112] [111]
(0001)		[0001]	(100) (100) (110) (110) (111) (112)	[001] ■ [011] [001] - [1Ϊ0] [112] [ill]
(1120)	[0001]	(100) (100) (110) (110) (111) (112)	[001] [Oil] [001] [1Ϊ0] [112]. [Ill]
(llOO)	\	(100) (100) (110) (110) (111) (112)
(0001)

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-Js-

-^" Fig.- 11 zeigt die Kennlinie A von K² in Prozent des elektromechanischen Koppiungskoeffizienten K des Bauelementes auf der Ordinate bezüglich OJh₁ auf der Abszisse, wobei w die Winkelfrequenz der laufenden Welle und h- die Stärke der Zinkoxidschicht 13 bezeichnen, wenn die Zinkoxidschicht 13 eine (0001)-Oberfläche, die Aluminiumnitridschicht 12 eine (0001)-OberflächeT—das~Siliciumsubstrat 11 eine (100)-Oberflache und die /011_7-Achse hat und eine Rayleigh-Welle als akustische Oberflächenwelle betrachtet wird. Die grafische Darstellung zeigt, dass die Kurve A einen grössten prozentualen Wert von K² = 0,68 % (Rayleigh-Wellengeschwindigkeit

V = 4440 m/s) an der Stelle a hat, an der ujh.. und ^h₂ jeweils 1600 und 1000 betragen.

Fig. 12 zeigt in ähnlicher Weise eine Kennlinie B von K² in Prozent, wenn die Zinkoxidschicht 13 eine (0001)-Oberfläche, die Aluminiumnitridschicht 12 eine (1120)-Oberfläche und die /"OOOI7-Achse ^unc^ das Siliciumsubstrat eine (1 00)-Oberfläche und die /"011.7-Achse hat und eine Rayleigh-Welle als akustische Oberflächenwelle betrachtet wird. Die Kurve B zeigt einen grössten prozentualen Wert von K² = 0,54 % (Rayleigh-Wellengeschwindigkeit V = 4460 m/s) an einer Stelle b, an der Uh₁ und ¹^h₂ jeweils 1660 und 1000 betragen.

Fig. 13 zeigt in ähnlicher Weise eine Kennlinie C von K² in Prozent, wenn die Zinkoxidschicht 13 die (0001)-Oberfläche, die Aluminiumnitridschicht 12 die (0001)-Oberfläche, das Siliciumsubstrat 11 die (100)-Oberfläche und die /u01_7-Achse hat und eine Rayleigh-Welle sich als akustische Oberflächenwelle fortpflanzt. Die Kurve C zeigt einen maximalen Wert von K² in Prozent = 3,71 % (Rayleigh-Wellengeschwindigkeit

V = 3260 m/s) an einer Stelle c, an der Uh₁ und uih₂ jeweils 8600 und 15500 betragen.

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.-'■""' Fig. 14 zeigt in ähnlicher Weise eine Kennlinie D von K² in Prozent, wenn die-Zinkoxidschicht 13 eine (0001)-Oberfläche, die Aluminiumnitridschicht 12 eine (1120)-Oberfläche und die /000Ij-Achse-und das Siliciumsubstrat 11 die (100)-Ober-• 5 fläche und die /"011./-Ach se hat und sich eine Rayleigh-Welle als akustische Oberflächenwelle fortpflanzt. Die Kurve D zeigt einen maximalen Wert—VoiL K² in Prozent = 4,71 % (Rayleigh-Wellengeschwindigkeit V = 3260 m/s) an einer Stelle d, an der Uh. und Uh₂ jeweils 8600 und 13500 betragen.

Jeder der oben angegebenen maximalen Werte von K² in Prozent, der bei den Ausführungsbeispielen der Erfindung erhalten wird, ist grosser als der entsprechende Wert der bekannten aus zwei Schichten bestehenden Bauelemente,die inFig. 1 und 2 dargestellt sind, was dazu führt, dass das akustische Oberflächenwellen ausbildende Bauelement mit höherem Wirkungsgrad arbeitet.

Es sei darauf hingewiesen, dass andere Kombinationen von kristallinen Orientierungen und Wellenfortpflanzungsachsen, die in der obigen Tabelle aufgeführt sind, jedoch nicht in den Kombinationen der Fig. 11 bis 14 enthalten sind, ähnliche Wirkungen zeigen, wie sie oben beschrieben wurden.

Eine Neigung oder Abweichung jeder kristallinen Orientierung und Wellenfortpflanzungsachse des Siliciumsubstrates 11, der Aluminiumnitridschicht 12 und der Zinkoxidschicht 13 innerhalb von 10° gegenüber der Orientierung, die in der Tabelle angegeben ist, führt zu keinen wesentlichen Änderungen in den Kennwerten des Bauelementes.

Fig. 15 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, das als Wendelleiter dient. Die Zinkoxidschicht 13 ist wahlweise nur auf der Eingangs- und der Ausgangselektrode 14 und 15 vorgesehen. Das Bauelement enthält weiterhin eine Gatter-

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,^''"' oder-Steuerelektrode 17, die nicht von der Zinkoxidschlcht 13 überdeckt ist.~Dä~~däs"~Bauelement den Zweischichtauf ban beibehält, wenn die Elektrode 17 vorgesehen ist, d.h. irar die Aluminiumnitridschicht 12 und das Siliciumsubstrat 11 unter der Steuerelektrode i7 liegen, ergibt sich ein akustische Oberflächenwellen ausbildendes Bauelement, nämlich ein Wendelleiter m±tr~ausgezeichneten K²-Kennwerten, der gleichfalls den Vorteil hat, dass die Gruppengeschwindigkeit sich mit der Frequenz nicht zu sehr von der Phasengeschwindigkeit unterscheidet.

Die leitende Schicht, die auf dem Siliciumsubstrat 11 bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen vorgesehen war, kann durch einen hochleitenden Bereich ersetzt sein, der durch Störstellendotierung längs der Oberfläche des Siliciumsubstrates 11 gebildet ist.

Ein elektrisches Potential, das im Siliciumsubstrat 11, in der Aluminiumnitridschicht 12 oder in der Zinkoxidschicht 13 erzeugt wird, kann an die Stelle der kammförmigen Elektroden treten.

Wie es oben beschrieben wurde, wird gemäss der Erfindung ein Siliciumsubstrat mit einer darauf vorgesehenen Aluminirannitridschicht und mit einer auf der Aluminiumnitridschicht vorgesehenen Zinkoxidschicht verwandt, wobei Elektroden auf dem Siliciumsubstrat,der Aluminiumschicht oder der Zinkoxidschicht vorgesehen sind, wodurch ein grosser elektromechanischer Kopplungskoeffizient erhalten wird, der dem akustische Oberflächenwelle ausbildenden Bauelement einen grösseren Wirkungsgrad gibt.

Statt einer Rayleigh-Welle kann ein anderer Typ einer akustischen Oberflächenwelle, beispielsweise eine Sezawa-Welle, verwandt werden, um dieselbe Wirkung zu erzielen. Wenn das Silicium-

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substrat des akustische Oberflächenwellen ausbildenden Bauelementes durch—ein-gemeinsames Substrat ersetzt wird, in dem auch andere Bauelemente in integrierter Form ausgebildet sind, ist es möglich, eine kompakte integrierte Schaltung zu bilden, die eine~grosse Anzahl von akustische Oberflächenwellen ausbildenden Bauelementen und anderen Schaltungsbauelementen—enthält.

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Claims

Patentanwälte

Dipx-Ing. H.-"We-Ick-mXNg,. Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke

DIPL₁-INCRA₁WEICKMANN₅DIPL₁-ChEM-B-HUBER

3422TOSi Dr.-Ing. H. LiSKA , Dipl.-Phys. Dr. J. Pr echt el

8000 MÜNCHEN 86 POSTFACH 860 820

MÖH LSTRASSE 22

TELEFON (089) 980352

TELEX 5 22 621

TELEGRAMM PATENTWEICKMANN MÖNCHEN

P/ht.

CLARIOlT CO., LTD.
35-2, Hakusan 5-chome, Bunkyo-ku Tokyo / Japan

Akustische Oberflächenwelle!! ausbildendes Bauelement

PATENTANSPRÜCHE

1./ Akustische Oberflächenwellen ausbildendes Bauelement, gekennzeichnet durch ein Siliciumsubstrat (11) mit einer Hauptfläche, eine Aluminiumnitridschicht (12), die auf der Hauptfläche des Siliciumsubstrates (11) vorgesehen ist, eine Zinkoxidschicht (13), die auf der Aluminiumnitridschicht (12) vorgesehen ist, und Elektroden (14, 15), die auf dem Siliciumsubstrat (11), der Aluminiumnitridschicht (12) oder der Zinkoxidschicht (13) vorgesehen sind.^

_ 2 —

^-'--"" 2. -Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Hauptfläche des Siliciumsubstrates (11) im wesentlichen eine kristalline (10O)-, (110)-, (111)- oder (112)-Orientierung hat.

3. Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass—sich die akustische Oberflächenwelle im wesentlichen in Richtung der /001_7- oder /u11_7~Achse
auf der (100)-Substratoberfläche, in der Richtung der
/OOIJ- oder £iTo_7-Achse auf der (11 0) -Substratoberfläche, in Richtung der /"i12/-Achse auf der (111)-Substratoberfläche oder in Richtung der £11?3 -Achse auf der (112) —
Substratoberfläche fortpflanzt.

4. Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass die Aluminiumnitridschicht (12) eine (1120)-, (1 TOO)- oder (0001)-Oberfläche hat, die parallel zur Hauptfläche des Siliciumsubstrates (11) liegt.

5. Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , dass sich eine akustische Oberflächenwelle in Richtung der /"00017-Achse auf der Oberfläche der Aluminiumnitridschicht (12) fortpflanzt.

6'. Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass die Zinkoxidschicht (13) eine (0001)-Oberfläche parallel zur Hauptfläche des Siliciumsubstrates (11) hat.

7. Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet , dass die kristallinen Orientierungen des Siliciumsubstrates (11), der Aluminiumnitridschicht (12) und der Zinkoxidschicht (13) und die Fortpflanzungs-

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achse der akustischen Oberflächenwelle innerhalb von 10° von den genannten Orientierungen und Achsen abweichen oder dazu geneigt sind.

8. Bauelement nach-"einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , dass die Zinkoxidschicht (13) eine Stärke h₁ hat, die die Beziehung 0^1 Uh₁ £15500,0 erfüllt, wobei ui die Winkelfrequenz der akustischen Welle bezeichnet.
" ■'____-_

9. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , dass die Aluminiumnitridschicht (12) eine Stärke h₂ hat, die die Beziehung 04 uh- 4i 15500,0 hat, wobei *~> die Winkelfrequenz der akustischen Oberflächenwelle ist.

10. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , dass eine leitende Schicht (16) wenigstens auf dem Siliciumsubstrat (11), der Aluminiumnitridschicht (12) oder der Zinkoxidschicht (13) vorgesehen ist.

11. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , dass die Elektroden (14, 15) ein kammförmiges Muster haben.

12. Bauelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , dass die leitende Schicht (16) wenigstens direkt über oder direkt unter den Bereichen zwischen den Zähnen der kammförmigen Elektroden (14, 15) vorgesehen ist.

13. Bauelement nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zinkoxidschicht (13) wenigstens direkt über oder direkt unter den zwischen den Zähnen liegenden Bereichen der kammförmigen Elektroden (14, 15) vorgesehen ist.

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14." Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gek. e η n~z~~e "i c h η e t , dass das Siliciumsubstrat (11) das Substrat einer integrierten Schaltung ist, das auch andere Schaltungsbauelemente trägt.

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