DE3539697A1 - Oberflaechenwellenvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine akustische Oberflächenwellen aus­ bildende Oberflächenwellenvorrichtung mit einer Vielzahl von Oberflächenwellenbauelementen oder wenigstens einem Oberflä­ chenwellenbauelement und einer integrierten Halbleiterschal­ tung, die auf einem einzigen Substrat vorgesehen sind, und be­ faßt sich insbesondere mit einer Anordnung zum akustischen Iso­ lieren oder Trennen der Oberflächenwellenbauelemente voneinan­ der oder von den anderen elektronischen Schaltungen.

Die jüngsten Fortschritte auf dem Gebiet der akustische Ober­ flächenwellen ausbildenden Oberflächenwellenvorrichtungen haben zu einer komplexen Oberflächenwellenfilteranordnung mit einer Anzahl von Oberflächenwellenfiltern, die auf einem einzigen Substrat ausgebildet sind, und einer monolithischen integrier­ ten HF-Schaltungsanordnung mit einer Oberflächenwellenvorrich­ tung und einer integrierten Halbleiterschaltung geführt, die auf einem einzigen Substrat angeordnet sind.

Es wurde jedoch kein wirksamer Vorschlag gemacht, wie akustisch die jeweiligen Filter voneinander in einer komplexen Oberflä­ chenwellenfilteranordnung isoliert werden können oder die Ober­ flächenwellenvorrichtung von der integrierten Halbleiterschal­ tung in einer monolithischen integrierten HF-Schaltungsanord­ nung getrennt werden kann.

Bekannte Einrichtungen können lediglich die Störungen zwischen den Oberflächenwellenbauelementen oder zwischen einer Oberflä­ chenwellenvorrichtung und einer integrierten Halbleiterschaltung dadurch verringern, daß die Oberflächenwellenfilter so angeordnet sind, daß die Fortpflanzungswege der akustischen Oberflächen­ wellen einander nicht kreuzen oder daß schallabsorbierendes Material dazwischen angeordnet wird, um die akustischen Ober­ flächenwellen zu dämpfen, wie es in Fig. 5 dargestellt ist, in der das schallabsorbierende Material 3 eingebettet in ein piezoelektrisches Substrat 1 dargestellt ist, um eine Ober­ flächenwellenvorrichtung mit zwei kammförmigen Elektroden 2 gegenüber anderen ähnlichen Oberflächenwellenvorrichtungen zu isolieren.

Die spezielle Anordnung der Oberflächenwellenbauelemente bei bekannten Vorrichtungen zur Isolation der Fortpflanzungswege der akustischen Oberflächenwellen verringert in ungebührlichem Maß die Anzahl der Oberflächenwellenfilter, die auf einem Sub­ strat gemeinsam angeordnet werden können. Die Verwendung von schallabsorbierendem Material macht eine hochentwickelte Tech­ nik erforderlich, um das Material in einem begrenzten Raum richtig anzuordnen oder eine gleichmäßige Form und Menge des Materials beizubehalten, so daß eine Ungleichmäßigkeit der fer­ tigen Produkte hervorgerufen wird.

Durch die Erfindung soll daher eine spezielle Anordnung einer komplexen Oberflächenwellenfilteranordnung oder einer monoli­ thischen integrierten HF-Schaltungsanordnung geschaffen werden, die eine wirksame akustische Isolation oder Trennung zwischen den Oberflächenwellenfiltern oder zwischen einer Oberflächen­ wellenvorrichtung und einer integrierten Halbleiterschaltung liefert.

Das wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß eine Metall­ elektrode verwandt wird, die auf einem Substrat einer komple­ xen Oberflächenwellenfilteranordnung oder auf einer monolithi­ schen integrierten HF-Schaltungsanordnung vorgesehen ist und jedes der Oberflächenwellenbauelemente in der Anordnung so um­ gibt, daß diese Bauelemente voneinander isoliert sind. Zwischen der Elektrode und dem Halbleitersubstrat liegt eine Vorspannung mit einer Höhe, die so gewählt ist, daß zwangsweise die Polari­ tät der Halbleiterfläche umgekehrt ist.

Insbesondere kann die Oberfläche des Halbleitersubstrats gemäß der Erfindung mit einer Isolierschicht beispielsweise aus SiO₂ oder Si₃N₄ überzogen sein. Jede Kante der Metallelektrode, die dem Oberflächenwellenbauelement gegenüberliegt, bildet vor­ zugsweise einen unregelmäßigen Rand, um die auftreffende akusti­ sche Oberflächenwelle unregelmäßig zu reflektieren. Kammförmige Elektroden in jedem Oberflächenwellenbauelement sind mit äuße­ ren Elektroden oder anderen elektronischen Schaltungen auf einem gemeinsamen Substrat über Metallstreifen verbunden, die sich quer über die Metallelektrode über die dazwischen liegende Iso­ lierschicht erstrecken.

Der Teil, an dem die Metallelektrode vorgesehen ist, hat einen sogenannten monolithischen MIS-Aufbau (Metall/Isolator/Halblei­ ter). Wenn sich eine akustische Oberflächenwelle durch den mono­ lithischen MIS-Aufbau fortpflanzt, ändert sich in starkem Maße ihr Ausbreitungsverlust auf eine Vorspannung ansprechend, die zwischen dem Metall und dem Halbleiter liegt. Der Ausbreitungs­ verlust und die Vorspannung haben eine Beziehung zueinander, wie sie in Fig. 6 mit der Temperatur als Parameter dargestellt ist. Fig. 6 zeigt, daß der Ausbreitungsverlust in einem be­ grenzten Spannungsbereich merklich zunimmt und 100dB/cm erreicht. Das heißt, daß in diesem Spannungsbereich die akustische Ober­ flächenwelle nach einer kurzen Fortpflanzungsstrecke im wesent­ lichen verschwindet.

Der Spannungsbereich, der zu dem schnellen Verlust der akusti­ schen Oberflächenwelle einlädt, entspricht einem Spannungswert, der zwangsweise die Polarität der Oberfläche des Halbleiters umkehrt (Grenzfläche zwischen der piezoelektrischen Schicht und dem Halbleiter). Fig. 7 zeigt in einer graphischen Darstel­ lung das Ergebnis des Vergleiches der Kapazitätsspannungs­ charakteristik in Form der Kurve b und den Ausbreitungsver­ lust in Form der Kurve a. Fig. 7 zeigt, daß der Ausbreitungs­ verlust plötzlich zunimmt, wenn die Polarität der Halbleiter­ oberfläche zwangsweise umgekehrt wird, was auf der linken Sei­ te einer gestrichelten Linie der Fall ist.

Da in der oben beschriebenen Weise eine Vorspannung mit einem Wert, bei dem die Polarität der Halbleiteroberfläche zwangs­ weise umgekehrt wird, in bezeichnender Weise die akustischen Oberflächenwellen dämpft, die einander stören, kann gemäß der Erfindung die akustische Störung zwischen benachbarten Oberflä­ chenwellenfiltern oder zwischen einer Oberflächenwellenvorrich­ tung und einer integrierten Halbleiterschaltung verhindert wer­ den.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer komplexen Oberflächenwellenfilteranordnung gemäß eines Ausfüh­ rungsbeispiels der Erfindung.

Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer monolithischen integrierten HF-Schaltung mit einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung von Oberflächenwellen­ bauelementen.

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf eine komplexe Oberflächenwel­ lenfilteranordnung gemäß eines besonders bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Fig. 4 zeigt eine perspektivische Teilansicht der in Fig. 1 oder Fig. 2 dargestellten Anordnung, wobei dargestellt ist, in welcher Weise eine kammförmige Elektrode mit einer äußeren Elektrode oder einer integrierten Halbleiterschaltung verbunden ist.

Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf die bekannte Anordnung einer Oberflächenwellenvorrichtung.

Fig. 6 zeigt in einer graphischen Darstellung die Beziehung zwischen dem Ausbreitungsverlust und der Vorspannung.

Fig. 7 zeigt in einer graphischen Darstellung die Beziehung zwischen dem Ausbreitungsverlust und der Kapazitäts­ spannungscharakteristik (Hochfrequenzkapazität gegen­ über der Vorspannung).

Fig. 1 zeigt eine komplexe, akustische Oberflächenwellen ausbil­ dende Oberflächenwellenfilteranordnung gemäß eines Ausführungs­ beispiels der Erfindung. Eine piezoelektrische Schicht 5 ist auf einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats 4 vorgesehen, wo­ bei beide ein piezoelektrisches Substrat 1 bilden. Auf der an­ deren Oberfläche des Halbleiters 4 ist eine Bodenelektrode 6 aus­ gebildet, die an Masse liegt. Eine Vielzahl von beispielsweise vier Oberflächenwellenfiltern F ₁ bis F₄, von denen jedes zwei kammförmige Elektroden 2 aufweist, ist auf einer oberen Außen­ fläche der piezoelektrischen Schicht 5 dem Halbleiter 4 gegen­ über ausgebildet. Die jeweiligen Filter F ₁ bis F ₄ sind von einer Metallelektrode 7 umgeben und durch diese gegeneinander isoliert. Eine Vorspannung V _B liegt zwischen der Metallelektrode 7 und der Bodenelektrode 6.

Fig. 2 zeigt eine monolithische integrierte HF-Schaltungsan­ ordnung mit einer Ausbildung gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. Ein Halbleitersubstrat 4 ist auf einer Oberfläche mit einer Isolierschicht 8 versehen, auf der teilweise eine piezoelektrische Schicht 5 vorgesehen ist. Der Teil, der die piezoelektrische Schicht 5 aufweist, ist ein Oberflächenwel­ lensegment 9, wohingegen der Teil, an dem die Isolierschicht 8 freiliegt, ein integriertes Halbleiterschaltungssegment 10 ist. Das Oberflächenwellensegment 9 umfaßt eine Vielzahl von Ober­ flächenwellenbauelementen, von denen jedes zwei kammförmige Elektroden 2 aufweist. Die einzelnen Oberflächenwellenbauele­ mente sind von einer Metallelektrode 7 umgeben und werden durch diese gegeneinander isoliert. Eine Vorspannung liegt zwischen der Metallelektrode 7 und der Bodenelektrode 6, die auf der Bodenfläche des Halbleiters 4 vorgesehen ist und an Masse liegt. Das integrierte Halbleiterschaltungssegment 10 umfaßt verschie­ dene elektronische Schaltungen I ₁ bis I ₃.

Bei der in Fig. 1 und in Fig. 2 dargestellten Anordnung kann die Metallelektrode 7 aus dem gleichen Material wie die kamm­ förmigen Elektroden 2 oder die Elektroden der integrierten Halb­ leiterschaltungen bestehen. Die Metallelektrode 7 kann auch gleichzeitig und nach demselben Verfahren wie beispielsweise nach einem Ätzverfahren wie die kammförmigen Elektroden 2 und die Elektroden der integrierten Halbleiterschaltungen ausgebil­ det werden. Jede Kante der Metallelektrode 7, die dem Filter gegenüberliegt, muß nicht gerade ausgebildet sein, wie es in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, vielmehr kann sie einen unregelmäßigen Rand mit dem Filter bilden, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, um die Wirkung der Reflektion von akustischen Oberflächenwellen durch die Kante herabzusetzen.

Die Verwendung der Metallelektrode 7 macht eine spezielle Anord­ nung zum Verbinden der kammförmigen Elektroden 2 mit äußeren Elektroden oder den Elektroden der integrierten Halbleiterschal­ tungen notwendig, obwohl eine herkömmliche Verdrahtung verwandt werden kann. Gemäß der Erfindung ist insbesondere die Mehrschicht­ verdrahtung vorgesehen, wie es in Fig. 4 dargestellt ist, und bei der eine Isolierschicht 11 auf der Metallelektrode 7 und ein Verdrahtungsmetall 12 auf der Isolierschicht 11 vorgesehen sind, um die kammförmigen Elektroden 2 mit einer äußeren Elektrode oder einer Elektrode 13 einer integrierten Halbleiterschaltung elektrisch zu verbinden.

Die erfindungsgemäße Ausbildung kann nicht nur bei einer Ober­ flächenwellenfilteranordnung oder einer monolithischen inte­ grierten HF-Schaltungsanordnung, wie es in der Zeichnung darge­ stellt ist, sondern auch bei einem Verzögerungsleitungsoszilla­ tor, einem Wendelleiter oder einer Oberflächenwellenladungs­ übertragungsvorrichtung vorgesehen sein.

Da gemäß der Erfindung eine Metallelektrode vorgesehen ist, die im gleichen Verfahren und im gleichen Verfahrensschritt wie die kammförmigen Elektroden ausgebildet werden kann, werden die gleichmäßige Form und Anordnung der Metallelektrode und somit die Gleichförmigkeit der fertigen Produkte verglichen mit der herkömmlichen Anordnung, die schallabsorbierendes Material ver­ wendet, beibehalten. Im Vergleich mit anderen bekannten Anord­ nungen, die einen großen Abstand zwischen den einzelnen Ober­ flächenwellenbauelementen vorsehen, um die Fortpflanzungswege der akustischen Oberflächenwellen gegeneinander zu isolieren, was zu einer Begrenzung der Anzahl der Bauelemente führt, die an einem gegebenen Flächenbereich eines Substrates vorgesehen werden können, können bei der erfindungsgemäßen Anordnung mehr Elemente in einem Substrat bei gleichem Flächenbereich vorgese­ hen werden.

Claims (4)

1. Akustische Oberflächenwellen ausbildende Oberflächenwel­ lenvorrichtung gekennzeichnet durch ein piezo­ elektrisches Substrat (4, 5), eine Vielzahl von Oberflächenwel­ lenbauelementen (F ₁ bis F ₄), die auf dem Substrat (4, 5) vorge­ sehen sind, eine Metallelektrode (7), die das Substrat (4, 5) zwischen den Oberflächenwellenbauelementen (F ₁ bis F ₄) und um die Oberflächenwellenbauelemente (F ₁ bis F ₄) herum überzieht, und eine eine Vorspannung anlegende Einrichtung, die eine Vor­ spannung (V _B ) an die Metallelektrode (7) legt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das piezoelektrische Substrat (4, 5) ein Halbleitersubstrat (4) und eine piezoelektrische Schicht (5) umfaßt, die auf dem Halbleitersubstrat (4) vorgesehen ist, und daß die Vorspannung (V _B ) einen derartigen Wert hat, daß die Pola­ rität der Oberfläche des Halbleitersubstrates (4) zwangsweise umgekehrt wird.

3. Akustische Oberflächenwellen ausbildende Oberflächenwel­ lenvorrichtung gekennzeichnet durch ein Halb­ leitersubstrat (4), eine Isolierschicht (8), die auf dem Halb­ leitersubstrat (4) vorgesehen ist, eine piezoelektrische Schicht (5), die teilweise auf der Isolierschicht (8) vorgesehen ist, eine Vielzahl von Oberflächenwellenbauelementen (9), die auf der piezoelektrischen Schicht (5) vorgesehen sind, wenigstens eine Halbleiterschaltung (10), die auf der Isolierschicht (8) dort vorgesehen ist, wo diese durch die piezoelektrische Schicht (5) nicht überzogen ist, eine Metallelektrode (7), die die piezoelektrische Schicht (5) zwischen den Oberflächenwellenbau­ elementen (9) und um die Oberflächenwellenbauelemente (9) herum überzieht,und eine eine Vorspannung anlegende Einrichtung, die eine Vorspannung (V _B ) an die Metallelektrode (7) legt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jede Kante der Metallelektrode (7), die einem äußeren Rand jedes der Oberflächenwellenbauelemente (F ₁-F ₄) gegenüberliegt, einen unregelmäßigen Rand mit dem Bauelement bildet.