DE3444749C2 - Akustische Oberflächenwellen ausbildendes Bauelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein akustische Oberflächenwellen aus­ bildendes Bauelement.

Es besteht ein großes Bedürfnis an Oberflächenbauelementen der verschiedenen Art, die eine akustische Oberflächenwelle ausnutzen, die sich in der Nähe der Oberfläche eines elasti­ schen Festkörpers fortpflanzt. Auf dem Gebiet der Entwick­ lung derartiger Bauelemente sind bereits erhebliche Fort­ schritte erzielt worden. Ein Grund für diese Entwicklung be­ steht darin, daß sich eine akustische Oberflächenwelle sehr langsam mit einer Geschwindigkeit bis zum 10^-5-fachen der Ge­ schwindigkeit einer elektromagnetischen Welle fortpflanzen kann und somit eine extreme Verringerung der Größe des Bauelementes mög­ lich ist. Ein anderer Grund besteht darin, daß eine akusti­ sche 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 Schal­ tungstechnik hergestellt werden kann und somit leicht mit inte­ grierten Schaltungen kombiniert werden kann, um ein neues Bau­ element zu liefern.

In Fig. 1 und Fig. 2 der zugehörigen Zeichnung sind erprobte Oberflächenwellenbauelemente dargestellt. In diesen Figuren sind ein piezoelektrisches Substrat 1 aus Lithiumniobat LiNbO₃ mit einer 132° Y-Schnittfläche, ein Halblei­ tersubstrat 2 aus Silizium, das längs einer Kristallfläche geschnitten ist, die im wesentlichen der (100)-Fläche äqui­ valent ist, eine piezoelektrische Schicht 3 aus Zinkoxyd ZnO, dessen Kristallfläche, die im wesentlichen der (0001)- Fläche äquivalent ist, parallel zur Schnittfläche des Sili­ ziumsubstrates 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 Finger ineinander greifen. Beispielsweise dient die Elektrode 4 als Eingangselektrode, während die Elektrode 5 als Ausgangs­ elektrode dient.

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

Wenn eine Rayleigh-Welle als akustische Oberflächenwelle ver­ wandt wird, liefert das in Fig. 1 dargestellte Bauelement einen hohen quadratischen Wert K² von 5,5% des elektromecha­ nischen Kopplungskoeffizienten K, der eine der wichtigsten Faktoren der Güte des Bauelementes ist. Dieser Vorteil stärkt den Bedarf an derartigen Bauelementen auf verschiedenen tech­ nischen Gebieten. Da jedoch das Substrat aus einem einzigen Material besteht, hat das in Fig. 1 dargestellte Bauelement den Nachteil, daß der elektromechanische Kopplungskoeffizient K durch die Kristallachsenrichtung des Substrates und die Fort­ pflanzungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle festliegt.

Wenn bei dem in Fig. 2 dargestellten Bauelement eine Sezawa- Welle sich in der (011)-Achsenrichtung des Siliziumsubstrates 2 fortpflanzt, kann das Bauelement eine flexible K²-Charakteri­ stik und einen größeren elektromechanischen Kopplungs­ koeffizienten K haben, indem eine Stärke h₁ der Zinkoxyd­ schicht 3 gewählt wird, die über eine Analyse erhalten wird.

Wenn beispielsweise die Stärke h₁ so gewählt ist, daß sie die Beziehung ω h₁ = 8000 m/s erfüllt, wobei ω die Winkelfre­ quenz der akustischen Oberflächenwelle ist, so wird K² annä­ hernd gleich 6,05%. Das in Fig. 2 dargestellte Bauelement ist jedoch mit hohen Kosten verbunden, da es eine größere Stärke der Zinkoxydschicht benötigt, die normalerweise durch Aufdampfen ausgebildet wird.

Aus einem, den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 2 zugrunde liegenden Artikel "Efficient Monolithic ZnO/Si Sezawa Wave Convolver" von S. Minagawa, T. Okamoto, R. Asai und Y. Sato, 1982 IEEE Ultrasonics Symposium, Seiten 447-451, ist ein Oberflächenwellen-Bauelement bekannt, das auf einem Si-Substrat eine SiO₂-Schicht und darüber eine aus ZnO bestehende piezoelek­ trische Schicht trägt. Zwei Varianten des Bauelements werden in diesem Artikel untersucht. Einmal ist das Si-Substrat längs einer zur (100)-Kristallebene äquivalenten Schnittfläche ge­ schnitten und wird eine zur [011] -Kristallachse des Si-Sub­ strats äquivalente Ausbreitungsrichtung von Sezawa-Wellen betrachtet, ein anderes Mal werden eine zur (110)-Kristallebene äquivalente Schnittfläche des Si-Substrats und eine zur [001]- Kristallachse des Si-Substrats äquivalente Ausbreitungsrichtung der Sezawa-Wellen betrachtet. In beiden Fällen liegt die ZnO- Schicht mit einer zur (0001)-Kristallebene äquivalenten Fläche parallel zur Schnittfläche des Si-Substrats. Für die normierte Schichtdicke ωh der ZnO-Schicht läßt sich ein Bereich von etwa 4000 bis 18000 m/s entnehmen (siehe dort die Fig. 3 und 4). Der Maximalwert des elektromechanischen Kopplungsfaktors wird bei einer normierten Schichtdicke der ZnO-Schicht von etwa 8000 m/s erreicht. Über die Schichtdicke der SiO₂-Schicht finden sich keine Angaben. Es finden sich ebenfalls keine Hinweise darauf, ob und inwieweit die Dicke der SiO₂-Schicht Einfluß auf den Kopplungsfaktor nehmen kann.

Aus der DE 32 08 239 A1 ist es ferner bekannt, daß die Ober­ flächeneigenschaften des Si-Substrats durch eine SiO₂-Schicht insbesondere thermisch stabilisiert werden können. Ein Hinweis auf eine mögliche Beeinflussung des Kopplungsfaktors durch geeignete Wahl der Dicke der SiO₂-Schicht ist auch diesem Dokument nicht zu entnehmen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie bei einem akustischen Oberflächenwellen-Bauelement die Dicke der Zinkoxid-Schicht reduziert werden kann, ohne dabei einen geringeren elektromechanischen Kopplungskoeffizienten des Bauelements hinnehmen zu müssen.

Bei der Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung nach einem ersten Aspekt von einem akustische Oberflächenwellen ausbilden­ den Bauelement aus, umfassend ein Siliziumsubstrat, das an einer der (100)-Kristallebene äquivalenten Fläche geschnitten ist, eine auf dem Siliziumsubstrat vorgesehene Siliziumdioxid­ schicht, eine Zinkoxidschicht, die derart auf der Siliziumdi­ oxidschicht vorgesehen ist, daß eine zur (0001)-Kristallebene des Zinkoxids im wesentlichen äquivalente Fläche der Zinkoxid­ schicht parallel zur Schnittfläche des Siliziumsubstrats liegt, wobei sich eine von einer Eingangselektrode ausgehende aku­ stische Oberflächenwelle in Form einer Sezawa-Welle in einer zur [011]-Kristallachse des Siliziumsubstrats im wesentlichen äquivalenten Richtung zu einer Ausgangselektrode hin fort­ pflanzt.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Zinkoxidschicht eine normierte Dicke ωh₁ ungefähr gleich 7000 m/s und zugleich die Siliziumdioxidschicht eine normierte Dicke ωh₂ ungefähr gleich 1000 m/s aufweisen, wobei ω die Kreisfrequenz der akustischen Oberflächenwelle ist, und daß zwischen der Zinkoxidschicht und der Siliziumdioxidschicht eine leitende Schicht vorgesehen ist.

Nach einem zweiten Aspekt sieht die Erfindung ein akustische Oberflächenwellen ausbildendes Bauelement vor, umfassend ein Siliziumsubstrat, das an einer der (110)-Kristallebene äquiva­ lenten Fläche geschnitten ist, eine auf dem Siliziumsubstrat vorgesehene Siliziumdioxidschicht, eine Zinkoxidschicht, die derart auf der Siliziumdioxidschicht vorgesehen ist, daß eine zur (0001)-Kristallebene des Zinkoxids im wesentlichen äquiva­ lente Fläche der Zinkoxidschicht parallel zur Schnittfläche des Siliziumsubstrats liegt, wobei sich eine von einer Eingangs­ elektrode ausgehende akustische Oberflächenwelle in Form einer Sezawa-Welle in einer zur [001]-Kristallachse des Siliziumsub­ strats im wesentlichen äquivalenten Richtung zu einer Ausgangs­ elektrode hin fortpflanzt. Bei einem derartigen Bauelement ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Zinkoxidschicht eine normierte Dicke ωh₁ ungefähr gleich 7000 m/s und zugleich die Siliziumdioxidschicht eine normierte Dicke ωh₂ ungefähr gleich 1000 m/s aufweisen, wobei ω die Kreisfrequenz der akustischen Oberflächenwelle ist, und daß zwischen der Zinkoxidschicht und der Siliziumdioxidschicht eine leitende Schicht vorgesehen ist.

Bei der vorstehenden Dimensionierung der SiO₂-Schicht genügt eine gegenüber den bekannten Bauelementen deutlich geringere Dicke der ZnO-Schicht, um einen Kopplungskoeffizienten zu erhalten, der größer als bei den bekannten Bauelementen sein kann. Die Herstellung der ZnO-Schicht wird dadurch preiswerter und einfacher.

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

Fig. 1 und 2 zeigen Schnittansichten erprobter Oberflächen­ wellenbauelemente

Fig. 3 und 6 zeigen Schnittansichten von Ausführungsbeispie­ len des erfindungsgemäßen Oberflächenwellenbau­ elementes.

Fig. 4 und 5 zeigen in graphischen Darstellungen die Kenn­ linien des in Fig. 3 dargestellten Bauelementes.

Fig. 7 und 8 zeigen Schnittansichten weiterer Ausführungs­ beispiele der Erfindung.

Fig. 9 und 10 zeigen in graphischen Darstellungen die Kenn­ linien des in Fig. 7 dargestellten Bauelementes.

Fig. 11 zeigt in einer schematischen Ansicht eine kamm­ förmige Elektrode zur Verwendung bei den erfin­ dungsgemäßen Bauelementen.

Fig. 12 zeigt schematisch noch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Oberflächenwellenbauelementes. Ein Sili­ ziumsubstrat 11 ist an einer Fläche geschnitten, die im we­ sentlichen der (100)-Fläche äquivalent ist. Eine Schicht aus Si­ liziumdioxyd SiO₂ ist auf dem Siliziumsubstrat 11 vorgesehen und weist eine Stärke h₂ auf. Eine Zinkoxydschicht 13 mit einer Stärke h₁ ist auf der Siliziumdioxydschicht 12 so vorgesehen, daß ihre im wesentlichen der (0001)-Fläche äquivalente Fläche pa­ rallel zur Schnittfläche des Siliziumsubstrates 11 verläuft. Eingangs- und Ausgangselektroden 14 und 15 sind kammförmig als Interdigitalelektroden aus­ gebildet. Eine leitende Schicht 16 ist zwischen dem Silizium­ substrat 11 und der Siliziumdioxydschicht 12 vorgesehen und vorzugsweise so dünn wie möglich ausgebildet.

Die leitende Schicht 16 oder die Zinkoxydschicht 13 ist vor­ zugsweise 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(0001)/SiO₂/Si(100)[011]" bezeichnet wird, sich eine Sezawa-Welle in der [011]-Achsenrichtung des Siliziumsubstra­ tes 11 fortpflanzt, hat das Bauelement eine K²-Charakteri­ stik, wie es in Fig. 4 und 5 dargestellt ist.

In Fig. 4 ist auf der Abszisse die Stärke h₂ der Silizium­ dioxydschicht 12 in Form von ωh₂ der normierten Stärke aufgetragen, wobei ω die Winkelfrequenz ist, und ist auf der Ordinate der Quadratwert K² des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten K in Pro­ zent aufgetragen. In Fig. 5 ist auf der Abszisse die Stärke h₁ der Zinkoxydschicht 13 in Form von ωh₁ aufgetragen, wo­ bei ω die Winkelfrequenz ist, und ist auf der Ordinate der Quadratwert K² des elektromechanischen Kopplungskoeffizien­ ten K in Prozent aufgetragen. Fig. 4 zeigt, in welcher Form sich der Wert K² mit ωh₂ vorzugsweise im Bereich zwischen 126 m/s bis 10000 m/s ändert, während ωh₁ = 7000 m/s beibehalten wird. Fig. 5 zeigt, wie sich der Wert K² mit ωh₁ vorzugsweise im Bereich von 4200 m/s bis 15000 m/s ändert, während ωh₂ = 1000 m/s beibe­ halten wird.

Aus den Fig. 4 und 5 ist ersichtlich, daß durch eine Wahl der Stärken h₁ und h₂ der Zinkoxydschicht 13 und der Silizium­ dioxydschicht 12 derart, daß ωh₁ = 7000 m/s und ωh₂ = 1000 m/s ist an der Stelle A der maximale Wert von K² = 6,12% erhalten wird.

Der obige Wert ist größer als der Wert von K² = 6,04% bei ωh₁ = 8000 m/s für den bekannten in Fig. 2 dargestellten Aufbau. Darüberhinaus ist die Stärke h₁ der Zinkoxydschicht 13 gegen­ über dem Wert bei dem bekannten Bauelement von ωh₁ = 8000 m/s bis ωh₁ = 7000 m/s geringer, da die Siliziumdioxydschicht 12 zwi­ schengelegt ist. Das trägt zu einer Verringerung der Kosten bei der Herstellung des Bauelementes bei.

Andere Änderungen der Stärke h₁ und h₂ der Zinkoxydschicht 13 und der Siliziumdioxydschicht 12 innerhalb der oben erwähnten Bereiche liefern gleichfalls bessere Charakteristiken und eine höhere Flexibilität des Oberflächenwellenbauelementes vergli­ chen mit dem bekannten Aufbau.

Es haben sich keine wesentlichen Unterschiede in der Charakte­ ristik des Bauelementes gezeigt, wenn die Kristallflächen des Siliziumsubstrates 11 und der Zinkoxydschicht 13 innerhalb von 10° von den (100) und (0001)-Flächen jeweils abwichen und die Fort­ pflanzungsachse des Siliziumsubstrates 11 innerhalb von 10° von der [011]-Richtung abwich.

In Fig. 6 ist ein Konvolver mit einem Aufbau gemäß der Er­ findung dargestellt, bei dem eine Steuerelektrode 17 auf der Zinkoxydschicht 13 im mittleren Teil zwischen der Eingangs- und der Ausgangselektrode 14 und 15 vorgesehen ist. Auch dieses Bauelement hat die im wesentlichen gleiche ausgezeichnete K²- Charakteristik, wie das zuerst genannte Ausführungsbeispiel.

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

Die Fig. 7 und 8 zeigen weitere Ausführungsbeispiele der Er­ findung, die mit der Ausnahme den gleichen Aufbau wie in Fig. 3 und 6 haben, daß das Siliziumsubstrat 11 an einer Fläche ge­ schnitten ist, die im wesentlichen der (110)-Fläche äquivalent ist. Der Aufbau, wie er in Fig. 7 und 8 dargestellt ist, lie­ fert im wesentlichen die gleiche Charakteristik, wie der in Fig. 3 und 6 dargestellte Aufbau, was sich aus den Fig. 9 und 10 ergibt, die zeigen, daß an einer Stelle A der maximale Wert von K² = 5,89% erhalten wird, wenn die Stärke h₁ und h₂ der Zinkoxydschicht 13 und der Siliziumdioxydschicht 12 so ge­ wählt ist, daß ωh₁ = 7000 m/s und ωh₂ = 1000 m/s ist.

Wie es oben beschrieben wurde, umfaßt das erfindungsgemäße Bau­ element ein Siliziumsubstrat mit einer (100) oder (110)-orientier­ ten Fläche, eine Siliziumdioxydschicht, die auf dem Silizium­ substrat vorgesehen ist, eine Zinkoxydschicht, die auf der Si­ liziumdioxydschicht so vorgesehen ist, daß ihre (0001)-orientier­ te Fläche parallel zur genannten Fläche des Siliziumsubstrates liegt, und Elektroden, die auf der Zinkoxydschicht so vorgese­ hen sind, daß sich eine akustische Oberflächenwelle in der [011]- oder [001]-Achsenrichtung des Siliziumsubstrates fortpflanzt. Es ist möglich, den elektromechanischen Kopplungskoeffi­ zienten zu erhöhen und somit ein leistungsfähiges Arbeiten des Oberflächenwellenbauelementes sicherzustellen, indem für die normierte Schichtdicke ωh₁ der ZnO-Schicht ein Wert gewählt wird, der ungefähr gleich 7000 m/s beträgt, für die normierte Schichtdicke ωh₂ der SiO₂-Schicht ein Wert gewählt wird, der ungefähr gleich 1000 m/s beträgt, und eine leitende Schicht zwischen der SiO₂- Schicht und der ZnO-Schicht vorgesehen wird.

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

Claims (7)

1. Akustische Oberflächenwellen ausbildendes Bauelement, umfassend

• - ein Siliziumsubstrat (11), das an einer der (100)- Kristallebene äquivalenten Fläche geschnitten ist,
• - eine auf dem Siliziumsubstrat (11) vorgesehene Silizi­ umdioxidschicht (12),
• - eine Zinkoxidschicht (13), die derart auf der Silizium­ dioxidschicht (12) vorgesehen ist, daß eine zur (0001)- Kristallebene des Zinkoxids (13) im wesentlichen äquivalente Fläche der Zinkoxidschicht (13) parallel zur Schnittfläche des Siliziumsubstrats (11) liegt,

wobei sich eine von einer Eingangselektrode (14) ausgehende akustische Oberflächenwelle in Form einer Sezawa-Welle in einer zur [011]-Kristallachse des Siliziumsubstrats (11) im wesentlichen äquivalenten Richtung zu einer Ausgangselektrode (15) hin fortpflanzt, dadurch gekennzeichnet,
daß die Zinkoxidschicht (13) eine normierte Dicke ωh₁ ungefähr gleich 7000 m/s und zugleich die Siliziumdioxidschicht (12) eine normierte Dicke ωh₂ ungefähr gleich 1000 m/s aufweisen, wobei ω die Kreisfrequenz der akustischen Oberflächenwelle ist, und
daß zwischen der Zinkoxidschicht (13) und der Siliziumdioxid­ schicht (12) eine leitende Schicht (16) vorgesehen ist.

2. Akustische Oberflächenwellen ausbildendes Bauelement, umfassend

• - ein Siliziumsubstrat (11), das an einer der (110)- Kristallebene äquivalenten Fläche geschnitten ist,
• - eine auf dem Siliziumsubstrat (11) vorgesehene Silizi­ umdioxidschicht (12),
• - eine Zinkoxidschicht (13), die derart auf der Silizium­ dioxidschicht (12) vorgesehen ist, daß eine zur (0001)- Kristallebene des Zinkoxids (13) im wesentlichen äquivalente Fläche der Zinkoxidschicht (13) parallel zur Schnittfläche des Siliziumsubstrats (11) liegt,

wobei sich eine von einer Eingangselektrode (14) ausgehende akustische Oberflächenwelle in Form einer Sezawa-Welle in einer zur [001]-Kristallachse des Siliziumsubstrats (11) im wesentlichen äquivalenten Richtung zu einer Ausgangselektrode (15) hin fortpflanzt, dadurch gekennzeichnet,
daß die Zinkoxidschicht (13) eine normierte Dicke ωh₁ ungefähr gleich 7000 m/s und zugleich die Siliziumdioxidschicht (12) eine normierte Dicke ωh₂ ungefähr gleich 1000 m/s aufweisen, wobei ω die Kreisfrequenz der akustischen Oberflächenwelle ist, und
daß zwischen der Zinkoxidschicht (13) und der Siliziumdioxid­ schicht (12) eine leitende Schicht (16) vorgesehen ist.

3. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schnittfläche des Siliziumsubstrats (11), die Fläche der Zinkoxidschicht (13) und die Fortpflanzungs­ richtung der akustischen Oberflächenwelle um bis zu 10° von der (100)- bzw. (110)-Kristallebene des Siliziumsubstrats (11), der (0001)-Kristallebene der Zinkoxidschicht (13) und der [011]- bzw. [001)-Kristallachse des Siliziumsubstrats (11) abweichen.

4. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Elektroden (14, 15) kammförmig ausgebildet sind und daß die leitende Schicht (16) zumindest mit inein­ andergreifenden Bereichen der kammförmigen Elektroden (14, 15) in Überdeckung steht.

5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Siliziumsubstrat (11) auch ein Substrat einer mit der Eingangs- und der Ausgangselektrode (14, 15) zu verbindenden integrierten Schaltung bildet.