DE3444749A1

DE3444749A1 - Akustische oberflaechenwellen ausbildendes bauelement

Info

Publication number: DE3444749A1
Application number: DE19843444749
Authority: DE
Inventors: Ryuichi Asai; Shoichi Minagawa; Takeshi Okamoto
Original assignee: Clarion Co Ltd
Current assignee: Faurecia Clarion Electronics Co Ltd
Priority date: 1983-12-09
Filing date: 1984-12-07
Publication date: 1985-08-01
Anticipated expiration: 2004-12-08
Also published as: GB2152315B; GB8430699D0; US4567392A; DE3444749C2; GB2152315A

Description

Akustische Oberflächenwellen ausbildendes Bauelement

Die Erfindung betrifft ein akustische Oberflächenwellen ausbildendes Bauelement.

Es besteht ein großes Bedürfnis an Oberflächenbauelementen der verschiedenen Art, die eine akustische Oberflächenwelle ausnutzen, die sich in der Nähe der Oberfläche eines elastischen Festkörpers fortpflanzt. Auf dem Gebiet der Entwicklung derartiger Bauelemente sind bereits erhebliche Fortschritte erzielt worden. Ein Grund für diese Entwicklung besteht darin, daß sich eine akustische Oberflächenwelle sehr

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langsam mit einer Geschwindigkeit bis zum 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 an irgendeiner Stelle des Fortpflanzungsweges abgenommen werden kann. Da weiterhin Energien nahe an der Oberfläche eines Festkörpers konzentriert sind, kann das Bauelement als eine Einrichtung verwandt werden, die die Wechselwirkung zwischen Licht und einem Ladungsträger eines Halbleiters oder eine Nichtlinearität aufgrund der hohen Energiekonzentration ausnutzt. Ein weiterer Grund besteht schließlich darin, daß das Bauelement in integrierter Schaltungstechnik hergestellt werden kann und somit leicht mit integrierten Schaltungen kombiniert werden kann, um ein neues Bauelement zu liefern.

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In Figur 1 und Figur 2 der zugehörigen Zeichnung sind bekannte Oberflächenwellenbauelemente dargestellt. In diesen Figuren sind ein piezoelektrisches Substrat aus Lithiumniobat LiNbO₃ mit einer 132° II-Orientierungsflache, ein Halbleitersubstrat 2 aus Silizium, das längs einer Kristallfläche geschnitten ist, die im wesentlichen der (100)-Fläche äquivalent ist, eine piezoelektrische Schicht 3 aus Zinkoxyd ZnO, dessen 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 der Zinkoxydschicht 3 so angeordnet sind, daß ihre Zahnzwischenräume ineinander greifen. Beispielsweise dient die Elektrode als Eingangselektrode, während die Elektrode 5 als Ausgangselektrode dient.

Eine durch die Eingangselektrode 4 erregte und eingegebene akustische Oberflächenwelle pflanzt sich längs der Oberfläche des Lithiumniobat-Substrats 1 oder der Zinkoxydschicht 3 fort und wird von der Ausgangselektrode 5 abgenommen.

Wenn eine Rayleigh-Welle als akustische Oberflächenwelle verwandt wird, liefert das in Figur 1 dargestellte Bauelement

einen hohen quadratischen Wert K von 5,5% des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten K, der eine der wichtigsten Faktoren der Güte des Bauelementes ist. Dieser Vorteil stärkt den Bedarf an derartigen Bauelementen auf verschiedenen technischen Gebieten. Da jedoch das Substrat aus einem einzigen Material besteht, hat das in Figur 1 dargestellte Bauelement den Nachteil, daß der elektromechanische Kopplungskoeffizient K durch die Kristallachsenrichtung des Substrates und die Fortpflanzungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle festliegt.

Wenn bei dem in Figur 2 dargestellten Bauelement eine Sezawa-Welle sich in der [θ 1 {j- Achsenrichtung des Siliziumsubstrates 2

2 fortpflanzt, kann das Bauelement eine flexible K -Charakteri-

stik und einen größeren elektromechanischen Kopplungskoeffizienten K haben, indem eine Stärke h.. der Zinkoxydschicht 3 gewählt wird, die über eine Analyse erhalten wird. Wenn beispielsweise die Stärke h. so gewählt ist, daß sie die Beziehung Uh₁= 8000 erfüllt, wobei Ui die Winkelfre-

quenz der akustischen Oberflächenwelle ist, so wird K annähernd gleich 6,05%. Das in Figur 2 dargestellte Bauelement ist jedoch mit hohen Kosten verbunden, da es eine größere Stärke der Zinkoxydschicht benötigt, die normalerweise durch Aufdampfen ausgebildet 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 Fläche geschnitten ist, die der(100) oder (110)- Kristallfläche äquivalent ist, eine Siliziumdioxydschicht, die auf dem Siliziumsubstrat . vorgesehen ist, und eine Zinkoxy.dschicht, die auf der Siliziumdioxydschicht so vorgesehen ist, daß ihre Fläche, die im wesentlichen der(0001)—Kristallflache äquivalent ist, parallel zur Schnittfläche des Siliziumsubstrats verläuft, wobei die von einer Eingangselektrode eingegebene akustische Oberflächenwelle sich in eine Richtung zu einer Ausgangselektrode fortpflanzt, die im wesentlichen der/Ö 11j-oder £00!/-Achse des Siliziumsubstrates äquivalent ist.

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

Figur"1 und 2 zeigen Schnittansichten bekannter Oberflächenwellenbauelemente.

Figur 3 und 6 zeigen Schnittansichten von Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Oberflächenwellenbau-

elementes.

Figur 4 und 5 zeigen in graphischen Darstellungen die Kennlinien des in Figur 3 dargestellten Bauelementes,

Figur 7 und 8 zeigen Schnittansichten weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Figur 9 und 10 zeigen in graphischen Darstellungen die Kennlinien des in Figur 7 dargestellten Bauelementes.

Figur 11 zeigt in einer schematischen Ansicht eine kammförmige Elektrode zur Verwendung bei den erfindungsgemäßen Bauelementen.

Figur 12 zeigt schematisch noch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 3 zeigt eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Oberflächenwellenbauelementes. Ein Siliziumsubstrat 11 ist an einer Fläche geschnitten, die im wesentlichen der (lOO)-Fläche äquivalent ist. Eine Schicht aus Siliziumdioxyd SiOp ist auf dem Siliziumsubstrat 11 vorgesehen und weist eine Stärke h₂ auf. Eine Zinkoxydschicht 13 mit einer Stärke h- ist auf der Siliziumdioxydschicht 12 so vorgesehen, daß ihre im wesentlichen der (OOOD-Fläche äquivalente Fläche parallel zur Schnittfläche des Siliziumsubstrates 11 verläuft. Eingangs- und Ausgangselektroden 14 und 15 sind kammförmig ausgebildet und mit ihren Zahnzwischenräumen ineinandergreifend angeordnet. Eine leitende Schicht 16 ist zwischen dem Siliziumsubstrat 11 und der Siliziumdioxydschicht 12 vorgesehen und vorzugsweise so dünn wie möglich ausgebildet.

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 Fig.11

dargestellt ist.

Wenn bei einer derartigen Anordnung, die im folgenden als
"ZnO(OOOI)ZSiO₇ZSi(IOO)ZoIIj¹¹ bezeichnet wird, sich eine

Sezawa-Welle in der/θ 1 y-Achsenrichtung des Siliziumsubstra-

tes 11 fortpflanzt, hat das Bauelement eine K -Charakteristik, wie es in Fig.4 und 5 dargestellt ist.

In Figur 4 ist auf der Abszisse die Stärke h„ der Siliziumdioxydschicht 12 in Form von 1*» h~ aufgetragen, wobei U» die Winkelfrequenz ist,und ist auf der Ordinate der Quadratwert

K des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten K in Prozent aufgetragen. In Figur 5 ist auf der Abszisse die Stärke h.. der Zinkoxydschicht 13 in Form von <*»h.. aufgetragen, wobei to die Winkelfrequenz ist, und ist auf der Ordinate der

Quadratwert K des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten K in Prozent aufgetragen. Figur 4 zeigt, in welcher Form

2
sich der Wert K mit u> h₂ vorzugsweise im Bereich zwischen 126 bis 10000 ändert, während VMh₁ = 7000 beibehalten wird.

2
Figur 5 zeigt, wie sich der Wert K mit Wh₁ vorzugsweise im Bereich von 4200 bis 15000 ändert, während U>h₂ = 1000 beibehalten wird.

Aus den Figuren 4 und 5 ist ersichtlich, daß durch eine Wahl der Stärken h.. und h₂ der Zinkoxydschicht 13 und der Siliziumdioxydschicht 12 derart, daß, Ui h₁ = 7000 und Io h₉ = 1000 ist

2
an der Stelle A der maximale Wert von K =6,12% erhalten wird.

2
Der obige Wert ist größer als der Wert von K =6,04% bei

h* = 80 00 für den bekannten in Fig. 2 dargestellten Aufbau. Darüberhinaus ist die Stärke h* der Zinkoxydschicht 13 gegenüber dem Wert bei dem bekannten Bauelement von U» h.. = 8000 bis Ui h-, = 7000 geringer, da die Siliziumdioxydschicht 12 zwischengelegt ist. Das trägt zu einer Verringerung der Kosten bei der Herstellung des Bauelementes bei.

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Andere Änderungen der Stärke h.. und h„ der Zinkoxydschicht 13 und der Siliziumdioxydschicht 12 innerhalb der oben erwähnten Bereiche liefern gleichfalls bessere Charakteristiken und eine höhere Flexibilität des Oberflächenwellenbauelementes verglichen mit dem bekannten Aufbau.

Es haben sich keine wesentlichen Unterschiede in der Charakteristik des Bauelementes gezeigt, wenn die Kristallflächen des Siliziumsubstrates 11 und der Zinkoxydschicht 13 innerhalb von 10° von den (100) und (OOOD-Flächen jeweils abwichen und die Fortpflanzungsachse des Siliziumsubstrates 11 innerhalb von 10° von der/011^-Richtung abwich.

In Figur 6 ist ein Wendelleiter mit einem Aufbau gemäß der Erfindung dargestellt, bei dem eine Steuerelektrode 17 auf der Zinkoxydschicht 13 im mittleren Teil zwischen der Eingangsund der Ausgangselektrode 14 und 15 vorgesehen ist. Auch dieses

2 Bauelement hat die im wesentlichen gleiche ausgezeichnete K Charakteristik, wie das zuerst genannte Ausführungsbeispiel.

Es ist zu erwarten, daß sich gleichfalls ein Bauelement ergibt, das ein elektrisches Potential ausnutzt, das in dem Siliziumsubstrat 11, der Siliziumdioxydschicht 12 und der Zinkoxydschicht 13 erzeugt wird, und das ohne kammförmige Elektroden auskommt.

Die Figuren 7 und 8 zeigen weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung, die mit der Ausnahme den gleichen Aufbau wie in Fig. 3 und 6 haben, daß das Siliziumsubstrat 11 an einer Fläche geschnitten ist, die im wesentlichen der (110)-Fläche äquivalent ist. Der Aufbau, wie er in Fig. 7 und 8 dargestellt ist, liefert im wesentlichen die gleiche Charakteristik- wie der in Figur 3 und 6 dargestellte Aufbau, was sich aus den Figuren 9 und 10 ergibt, die zeigen, daß an einer Stelle A der maximale

2
Wert von K = 5,89% erhalten wird, wenn die Stärke h.. und h₂ der Zinkoxydschicht 13 und der Siliziumdioxydschicht 12 so gewählt ist, daß Uh₁= 7000 und Ui h₂ = 1000 ist.

Wie es oben beschrieben wurde, umfaßt das erfindungsgemäße Bauelement ein Siliziumsubstrat mit einer (100) oder (110)-orientierten Fläche, eine Siliziumdioxydschicht, die auf dem Siliziumsubstrat vorgesehen ist, eine Zinkoxydschicht, die auf der Siliziumdioxydschicht so vorgesehen ist, daß Ihre (OOOI)-orientierte Fläche parallel zur genannten Fläche des Siliziumsubstrates liegt, und Elektroden, die auf der Zinkoxydschicht so vorgesehen sind, daß sich eine akustische Oberflächenwelle in der/oii/-oder/ÖOiZ-Ächsenrichtung des Siliziumsubstrates fortpflanzt. Es ist daher möglich, den elektromechanischen Kopplungskoeffizienten zu erhöhen und somit ein leistungsfähiges Arbeiten des Oberflächenwellenbauelementes sicherzustellen.

Durch Verwendung eines einzigen Siliziumsubstrates als Substrat 11 des Oberflächenwellenbauelementes SAW und gleichfalls als Substrat 11' einer integrierten Schaltung IC, die mit der Eingangs- und Ausgangselektrode des Oberflächenwellenbauelementes verbunden ist, ist es in der in Figur 12 dargestellten Weise möglich, ein funktionelles Bauelement und ein Halbleiterbauelement durch integrierte Schaltungstechnik zu vereinen,um ein noch kompakteres Schaltungssystem mit wesentlich mehr kombinierten Schaltungsbauelementen zu liefern.

— Leerseite -

Claims

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Weickmaxn, ϋΐΡΐ..-PiiYj. Du. K. i;incke Dipl.-Ing. V. A.Weickmann, Dipl-Chem. B. Huber Dr.-Ing. H. Liska , Dipl.-Phys. Dr. J. Prechtel 3444743 8000 MÜNCHEN S6 POSTIAC-H 860 820 MU! H S IR ASSI·: 21 ΊΤΊ.Ι ION (0«'J)'iS01ü2 TIU IX 5 22621 ITI TdRAMM IWIi NIWTK "ΚΜΛΝΝ MONCIIFN P/ha CLARIOKi GO., LTD. 35-2, Hakusan 5-chome, Bunkyo-ku Tokyo / Japan Akustische Oberflächenwellen ausbildendes Bauelement PATENTANSPRÜCHE

1. Akustische Oberflächenwellen ausbildendes Bauelement gekennzeichnet, durch ein Siliziumsubstrat (11), das an einer Fläche geschnitten ist, die der (100)-Kristallfläche äquivalent ist, eine Siliziumdioxydschicht (12), die auf dem Siliziumsubstrat (11) vorgesehen ist, und eine Zinkoxydschicht (13), die auf der Siliziumdioxydschicht (12) so vorgesehen ist, daß ihre Fläche, die im wesentlichen der (0001)-Kristallflache äquivalent ist, parallel zur Schnittfläche des Siliziumsubstrates (11) verläuft, wobei eine akustische Oberflächenwelle, die von einer Eingangselektrode (14) eingegeben wird, sich zu einer Ausgangselektrode (15) in eine Richtung fortpflanzt, die im wesentlichen der /01 !/-Achse des Siliziumsubstrates (11) äquivalent ist.

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2. Akustische Oberflächenwellen ausbildendes Bauelement gekennzeichnet durch ein Siliziumsubstrat (11), das an einer Fläche geschnitten ist, die im wesentlichen der (110)-Kristallfläche äquivalent ist, eine Siliziumdioxydschicht (12), die auf dem Siliziumsubstrat (11) vorgesehen ist, und eine Zinkoxydschicht (13), die auf der Siliziumdioxydschicht (12) so vorgesehen ist, daß ihre Fläche, die im wesentlichen der (0001)-Kristallfläche äquivalent ist, parallel zur Schnittfläche des Siliziumsubstrates (11) verläuft, wobei eine von einer Eingangselektrode (14) eingegebene akustische Oberflächenwelle sich zu einer Ausgangselektrode (15) in eine Richtung fortpflanzt, die im wesentlichen der ßJOiJ-Achse des Siliziumsubstrates (11) äquivalent ist.

3. 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 (100)-Flächen und der $1{7-Achse jeweils abweichen.

4. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die akustische Oberflächenwelle eine Sezawa-Welle ist.

5. Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zinkoxydschicht (13) eine Stärke h₁ hat, die die Beziehung 42006 Wh₁ 4z 15000 erfüllt, wobei U> die Winkelfrequenz der akustischen Oberflächenwelle ist.

6. Bauelement nach Anspruch 5, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Siliziumdioxydschicht (12) eine Stärke h₂ hat, die die Beziehung 126 <= Uh₁ 4> 10000 erfüllt.

7. Bauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine leitende Schicht (16) zwischen der Zinkoxydschicht (13) und der Siliziumdioxydschicht (12) vorgesehen ist.

8. Bauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede Elektrode (14,15) kammförmig ausgebildet ist.

9. Bauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Schicht (16) wenigstens direkt unter den ineinandergreifenden Teilen der kammförmigen Elektroden (14,15) vorgesehen ist.

10. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die leitende Schicht (16) wenigstens direkt über den ineinandergreifenden Teilen der kammförmigen Elektroden (14,15) vorgesehen ist.

11. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliziumsubstrat (11) ein Substrat ist, das auch eine integrierte Schaltung trägt, die mit der Eingangs- und Ausgangselektrode (14,15) zu verbinden ist.

12. Bauelement nach Anspruch 2, 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 (110)-Flächen und der/jÖOiJ-Achse jeweils abweichen.

13. Bauelement nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η ζ eichnet, daß die akustische Oberflächenwelle eine Sezawa-Welle ist.

14. Bauelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Zinkoxydschicht (13) eine Stärke h₁ hat, die die Beziehung 4200 4 Wh₁ ζ. 15000 erfüllt, wobei ω die Winkelfrequenz der akustischen Oberflächenwelle ist.

15. Bauelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliziumdioxydschicht (12) eine Stärke h₂ hat, die die Beziehung 1264wh- ^. 10000 erfüllt.

16. Bauelement nach Anspruch 15, dadurch g e k e η η zeichnet, daß eine leitende Schicht (16) zwischen der Zinkoxydschicht (13) und der Siliziumdioxydschicht (12) vorgesehen ist.

17. Bauelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß jede Elektrode (14,15) kammförmig ausgebildet ist.

18. Bauelement nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Schicht (16) wenigstens direkt unter den ineinandergreifenden Teilen der kammförmigen Elektroden (14,15) vorgesehen ist.

19. Bauelement nach Anspruch 17, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die leitende Schicht (16) wenigstens direkt über den ineinandergreifenden Teilen der kammförmigen Elektroden (14,15) vorgesehen ist.

20. Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliziumsubstrat (11) ein Substrat ist, das auch eine integrierte Schaltung trägt, die mit der Eingangs- und Ausgangselektrode zu verbinden ist.