DE3444748A1 - Akustische oberflaechenwellen ausbildendes bauelement - Google Patents
Akustische oberflaechenwellen ausbildendes bauelementInfo
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Description
Akustische Oberflächenwellen ausbildendes Bauelement
Die Erfindung betrifft ein akustische Oberflächenwellen ausbildendes
Bauelement.
Es besteht ein großer Bedarf an akustische Oberflächenwellen
ausbildenden Bauelementen der verschiedenen Art, die eine akustische Oberflächenwelle ausnutzen, die sich in der Nähe
der Oberfläche eines elastischen Festkörpers fortpflanzt. Bei der Entwicklung derartiger Oberflächenwellenbauelemente
sind bereits erhebliche. Fortschritte erzielt worden. Einer der Gründe für die Entwicklung derartiger Bauelemente besteht
darin, daß sich eine akustische Oberflächenwelle sehr langsam mit einer Geschwindigkeit von bis zu einem 10 -fachen der
Geschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle fortpflanzt und somit eine extreme Verringerung der Größe des Bauelementes
möglich ist. Ein anderer Grund besteht darin, daß eine akustische Oberflächenwelle, die sich in der Nähe der Oberfläche
eines Festkörpers fortpflanzt, leicht von irgendeiner Stelle des Fortpflanzungsweges abgenommen werden kann. Da weiterhin
die Energien nahe der Oberfläche des Festkörpers konzentriert sind, kann das Bauelement weiterhin als eine Einrichtung verwandt
werden, die die Wechselwirkung zwischen Licht und einem Ladungsträger eines Halbleiters oder eine Nichtlinearität aufgrund
der hohen Energiekonzentration ausnutzt. Schließlich kann ein derartiges Bauelement in integrierter Schaltungstechnik
hergestellt und somit ohne Schwierigkeiten mit integrierten Schaltungen zur Bildung eines neuen Bauelementes kombiniert
werden. CQPY
— 2 —
In den Figuren 1 und 2 der zugehörigen Zeichnung ist der Aufbau bekannter Cberflächenwellenbaueleitente dargestellt. In diesen
Figuren sind ein piezoelektrisches Substrat 1 aus Lithiumniobat (LiNbO3), ein Halbleitersubstrat 2 aus Silizium, das '■
längs einer kristallinen Fläche geschnitten ist, die in we- ; sentlichen der (100)-Fläche äquivalent ist, eine piezoelektrische
Schicht 3 aus Zinkoxyd ZnO, deren Kristallfläche, die im wesentlichen der (0001)-Fläche äquivalent ist, parallel zur
Schnittfläche des Siliziumsubstrates 2 verläuft, und kammförmige
Elektroden 4 und 5 gezeigt, die auf dem Lithiumniobat- ; ;
Substrat 1 oder auf dem Siliziumsubstrat 2 vorgesehen sind 5
und deren Zahnzwischenräume ineinandergreifen. Die Elektrode 4 dient beispielsweise als Eingangselektrode, während die Elektrode
5 als Ausgangselektrode dient.
Eine durch die Eingangselektrode 4 erregte und eingegebene akustische Oberflächenwelle wandert über die Oberfläche des
Lithiumniobat-Substrates 1 oder des Siliziumsubstrates 2 und wird von der Ausgangselektrode 5 abgenommen.
Wenn als akustische Oberflächenwelle eine Rayleigh-Welle ver- wandt
wird, liefert das in Figur 1 dargestellte Bauelement
einen hohen quadratischen Wert K des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten
K, der einer der wichtigsten Faktoren der Güte des Bauelementes ist. Dieser Vorteil stärkt den Bedarf |
j an einem derartigen Bauelement auf verschiedenen technischen :
Gebieten. Da jedoch das Substrat aus einem einzigen Material
besteht, hat das in Figur 1 dargestellte Bauelement den Nach- ; teil, daß der elektromechanische Kopplungskoeffizient K durch ■
die Kristallachsenrichtung des Substrates und die Fortpflan- j zungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle festgelegt ist. ·
Wenn bei dem in Figur 2 dargestellten Bauelement jedoch eine Rayleigh-Welle sich in die β 1 2~J-Achsenrichtung des Siliziumsubstrates
2 fortpflanzt, kann das Bauelement eine flexible
K -Charakteristik und einen größeren elektromechanischen Kopplungskoeffizienten
K haben, indem eine Stärke h,. der Zinkoxyd-.
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schicht 3 gewählt wird, die über eine Analyse erhalten wird. Wenn beispielsweise die Stärke h.. so gewählt ist, daß sie die
Beziehung Uh1= 8500 erfüllt, wobei ui die Winkel frequenz
der akustischen Oberflächenwelle ist, wird K gleich annähernd 3,05%. Das in Figur 2 dargestellte Bauelement ist jedoch mit
hohen Kosten verbunden, da es eine größere Stärke der Zinkoxydschicht benötigt, die normalerweise durch Aufdampfen hergestellt
wird.
Durch die Erfindung soll daher ein akustische Oberflächenwellen
ausbildendes Bauelement geschaffen werden, das eine geringere Stärke der Zinkoxydschicht hat und einen größeren elektromechanischen
Kopplungskoeffizienten K zeigt. Dazu umfaßt das erfindungsgemäße akustische Oberflächenwellen ausbildende Bauelement
ein Siliziumsubstrat, das längs einer Kristallfläche geschnitten ist, die im wesentlichen der (111)-Fläche äquivalent ist, eine
leitende Schicht, die auf dem Siliziumsubstrat vorgesehen ist, eine Siliziumdioxydschicht, die auf der leitenden Schicht vorgesehen
ist, Elektroden, die auf der Siliziumdioxydschicht zur Eingabe und Ausgabe einer akustischen Oberflächenwelle vorgesehen
sindjund eine Zinkoxydschicht, die auf den Elektroden
derart vorgesehen ist, daß ihre Kristallfläche, die im wesentlichen
der (0001) -Fläche äquivalent ist, parallel zur (111)-orientierten
Fläche des Siliziumsubstrates verläuft, wobei die von der Eingangselektrode eingegebene akustische Oberflächenwelle
sich in eine Richtung bis zur Ausgangselektrode fortpflanzt, die im wesentlichen der β 12t-Achse des Siliziumsubstrates äquivalent
ist.
Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben:
Figur 1 und 2 zeigen in Schnittansichten bekannte akustische
Oberflächenwellen ausbildende Bauelemente.
Figur 3 und 5 zeigen in Schnittansichten Ausführungsbeispiele
des erfindungsgemäßen Bauelementes.
Figur 4 zeigt in einer graphischen Darstellung die Kennlinie des erfindungsgemäßen Bauelementes.
Figur 6 zeigt in einer schematischen Ansicht eine kamm-
förmige Elektrode bei einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauelementes.
Figur 7 zeigt in einer schematischen Ansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Bauelementes.
Figur 3 zeigt in einer Schnittansicht ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen akustische Oberflächenwellen ausbildenden
Bauelementes. Ein Siliziumsubstrat 11 hat eine (111)-orientierte Hauptfläche. Eine Schicht 12 aus Siliziumdioxyd (SiO2)
ist auf der Hauptfläche des Siliziumsubstrates 11 angeordnet
oder niedergeschlagen und hat eine Stärke h-. Eine Zinkoxydschicht
13 mit einer Stärke h.. ist auf der Siliziumdioxydschicht
12 so angeordnet oder niedergeschlagen, daß ihre im wesentlichen (0001)-orientierte Hauptfläche parallel zur Hauptfläche
des Siliziumsubstrates 11 verläuft. Eingangs- und Ausgangselektroden 14 und 15 dienen zur Eingabe und Ausgabe einer akustischen Oberflächenwelle,beispielsweise einer Rayleigh-Welle.
Die jeweiligen Elektroden 14 und 15 sind ineinandergreifende kammförmige Elektroden, die auf der Zinkoxydschicht 12 vorgesehen
sind. Eine leitende Schicht 16 ist zwischen dem Siliziumsubstrat 11 und der Siliziumdioxydschicht 12 angeordnet und
vorzugsweise so dünn wie möglich ausgebildet. Die leitende Schicht ist nicht auf eine Metallschicht beschränkt, sie kann
auch vom Oberflächenbereich eines Substrates mit erheblich erhöhter
Leitfähigkeit gebildet sein.
Die leitende Schicht 16 oder die Zinkoxydschicht 13 ist vorzugsweise
direkt über oder unter dem ineinandergreifenden Teil P der kammförmigen Elektroden 14 und 15 vorgesehen, der in
Figur 6 dargestellt ist.
Wenn bei einer derartigen Anordnung, die im folgenden als "ZnO(OOOD/Sio2/Si(111) flÜJ" bezeichnet wird, sich eine
Rayleigh-Welle in die/i 1 2/-Achsenrichtung des Siliziumsubstra-
2 tes 11 fortpflanzt, hat das Bauelement eine K -Charakteristik, wie sie in Figur 4 dargestellt ist.
In Figur 4 ist auf der Abszisse die Stärke h- der Zinkoxydschicht
13 durch Wh1 aufgetragen, wobei Lj die Winkelfrequenz
' 2
ist l und ist auf der Ordinate der Quadratwert K des elektromechanischen
Kopplungskoeffizienten K in Prozent aufgetragen.
Figur 4 zeigt die Änderung des Wertes K gegenüber to tu vorzugsweise
im Bereich zwischen 4000 und 12000 bei U>h2=2600.
Die Stärke h2 der Siliziumdioxydschicht 12 kann im Bereich
0 - tjh2 -10000 variiert werden.
Aus Figur 4 ist ersichtlich, daß durch die Wahl der Stärke h..
und h„ der Zinkoxydschicht 13 und der Siliziumdioxydschicht 12
derart, daß tj h. = 7600 und ω h2=2600 an der Stelle A der maximale
Wert von K = 3,49% erhalten wird.
2 Der obige Wert ist größer als der Wert von K = 3,05%, tnh.. =
8500, der bei dem bekannten Aufbau gemäß Figur 2 erhalten wird. Darüberhinaus ist die Stärke h.. der Zinkoxydschicht 13 gegenüber
dem Wert bei dem bekannten Bauelement von Lo h- = 8500 bis
Ui h1 = 76 00 dadurch verringert, daß die Siliziumdioxydschicht
12 zwischengelegt ist. Das trägt zu einer Abnahme der Kosten bei der Herstellung des Bauelementes bei.
Andere Variationen der Stärke h* und h- der Zinkoxydschicht 13
und der Siliziumdxoxydschicht 12 innerhalb der oben erwähnten Bereiche geben dem Oberflächenbauelement verglichen mit dem
bekannten Aufbau gleichfalls verbesserte Charakteristiken und eine höhere Flexibilität.
Es hat sich kein wesentlicher Unterschied in der Charakteristik des Bauelementes herausgestellt, wenn die Orientierung der
Hauptfläche des Siliziumsubstrates 11 und der Zinkoxydschicht
13 innerhalb von 10° von den Flächen (111) und (0001) jeweils
abwich und die Fortpflanzungsachse des Siliziumsubstrates 11 innerhalb von 10° von der Richtung /i 1 2jabwich.
Figur 5 zeigt einen Wendelleiter mit dem erfindungsgemäßen Aufbau,
wobei eine Steuerelektrode 17 auf der Zinkoxydschicht 13 im mittleren Teil zwischen der Eingangs- und der Ausgangselektrode
14 und 15 vorgesehen ist. Auch dieses Bauelement liefert im
2 wesentlichen die gleiche ausgezeichnete K -Charakteristik, wie das zuerst genannte Ausführungsbeispiel.
Es kann weiterhin erwartet werden, daß sich ein Bauelement ergibt, das ein elektrisches Potential ausnutzt, das im Siliziumsubstrat
11, der Siliziumdxoxydschicht 12 und der Zinkoxydschicht 13 erzeugt wird, ohne daß kammförmige Elektroden verwandt
werden.
Wie es oben beschrieben wurde, umfaßt das erfindungsgemäße
Bauelement ein Siliziumsubstrat mit einer (111)-orientierten
Hauptfläche, eine Siliziumdxoxydschicht, die auf dem Siliziumsubstrat vorgesehen ist, eine Zinkoxydschicht, die auf der Siliziumdioxydschicht
so angeordnet ist, daß ihre (00 01)-orientierte Hauptfläche parallel zur Hauptfläche des Siliziumsubstrates
verläuft, Elektroden, die auf der Siliziumdioxydschicht vorgesehen sind/und weiterhin eine leitende Schicht, die zwischen
dem Siliziumsubstrat und der Siliziumdioxydschicht vorgesehen ist, so daß sich eine akustische Oberflächenwelle in
der Γι 12j-Achsenrichtung des Siliziumsubstrates fortpflanzt.
Es ist daher möglich, den elektromechanischen Kopplungskoeffizienten zu erhöhen und damit eine leistungsfähige Arbeit
des akustische Oberflächenwellen ausbildenden Bauelementes sicherzustellen.
Unter Verwendung eines einzigen Siliziumsubstrates als Substrat 11 des erfindungsgemäßen Oberflächenwellenbauelementes
SAW und gleichfalls als Substrat 11' einer integrierten Schaltung IC, die mit der Eingangs- und der Ausgangselektrode des
Oberflächenwellenbauelementes verbunden ist , ist es in der in Figur 7 dargestellten Weise möglich, ein funktionales Bauelement
und ein Halbleiterbauelement in integrierter Schaltungstechnik zu vereinen, um ein noch kompakteres Schaltungssystem
mit wesentlich mehr kombinierten Schaltungsbauelementen zu liefern.
COPV
Claims (9)
1. Akustische Oberflächenwellen ausbildendes Bauelement
gekennzeichnet durch ein Siliziumsubstrat (11), das längs einer Kristallfläche geschnitten ist, die im wesentlichen
der (111)-Fläche äquivalent ist, eine leitende Schicht "(16), die auf dem Siliziumsubstrat (11) vorgesehen ist, eine
Siliziumdioxydschicht (12), die auf der leitenden Schicht (16) vorgesehen ist, Elektroden (14,15), die auf der Siliziumdioxydschicht
(12) vorgesehen sind, um eine akustische Oberflächenwelle ein- und auszugeben, und eine Zinkoxydschicht (13), die
auf den Elektroden (14,15) so vorgesehen ist, daß ihre Kristallfläche,
die im wesentlichen der (0001)-Fläche äquivalent ist, parallel zur (111)-orientierten Fläche des Siliziumsubstrates
(11) verläuft, wobei die akustische Oberflächenwelle, die von der Eingangselektrode (14) eingegeben wird, sich zur Ausgangselektrode
(15) in eine Richtung fortpflanzt, die im wesentlichen der ti12"2-Achse des Siliziumsubstrates (11) äquivalent ist.
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_ ο —
2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallflächen der Zinkoxydschicht
(13) und des Siliziumsubstrates (11) und die Wellenfortpflanzungsachse
des Siliziumsubstrates (11) innerhalb von 10° von den (0001) und (111)-Flächen und der Cl 12]-Achse jeweils abweichen.
3. Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, xdaß die akustische Oberflächenwelle eine
Rayleigh-Welle ist.
4. Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zinkoxydschicht (13) eine Stärke
h- hat, die die Beziehung 4000έ ^h. 4r 12000 erfüllt, wobei
U die Winkelfrequenz der akustischen Oberflächenwelle
bezeichnet.
5. Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliziumdioxydschicht (12) eine
Stärke h2 hat, die die Beziehung 0 4s Ut h2 4s 10000 erfüllt,
wobei U die Winkelfrequenz der akustischen Oberflächenwelle ist.
6. Bauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Elektrode (14,15) kammförmig ausgebildet
ist.
7. Bauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Schicht (16) wenigstens
direkt unter den ineinandergreifenden Teilen der kammförmigen Elektroden (14,15) angeordnet ist.
8. Bauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zinkoxydschicht (13) wenigstens direkt
über den ineinandergreifenden Teilen der kammförmigen
Elektroden (14,15) angeordnet-ist.
9. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliziumsubstrat (11) ein Substrat
ist, das auch eine integrierte Schaltung trägt, die mit der Eingangs- und der Ausgangselektrode (14,15) zu verbinden ist.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
| 8125 | Change of the main classification |
Ipc: H03H 3/08 |
|
| 8120 | Willingness to grant licences paragraph 23 | ||
| 8131 | Rejection |