DE3630985A1 - Oberflaechenwellenbauelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein akustische Oberflächenwellen ausbildendes Oberflächenwellenbauelement und insbesondere einen monolithischen Oberflächenwendelleiter, der eine piezoelektrische Schicht und eine Halbleiterschicht umfaßt.

Fig. 4 der zugehörigen Zeichnung zeigt eine Querschnittsansicht eines typischen monolithischen Oberflächenwellenwendelleiters mit einer piezoelektrischen Schicht 1, einer isolierenden Schicht 2, einer Epitaxial-Halbleiterschicht 3, einem halbleitenden Substrat 4, einer Steuerelektrode 5, einer Gegenelektrode 6, kammförmigen Elektroden 7, einer Vorspannungsquelle 8, einem Induktivitätselement L _B und einem Kondensator C _B . Einige andere bekannte Bauelemente weisen keine isolierende Schicht 2 und keine Epitaxial- Halbleiterschicht 3 auf. In der üblichsten Form besteht die piezoelektrische Schicht aus Zinkoxid ZnO oder Aluminiumnitrid AlN, besteht die Epitaxial-Halbleiterschicht aus Silizium Si, besteht die isolierende Schicht aus Siliziumdioxid SiO₂ und bestehen die Elektroden aus dünnen Aluminium (Al)- oder Gold (Au)- Schichten.

Aufgabe eines derartigen Bauelementes ist es, ein Ausgangssignal zu liefern, das ein zusammengefaltetes oder zusammengedrehtes Signal von zwei Eingangssignalen ist. Wenn in Fig. 4 Eingangssignale S ₁ und S ₂ an den jeweiligen kammförmigen Elektroden 7 über die Eingangsanschlüsse IN ₁ und IN ₂ eintreten, wird ein Ausgangssignal S _OUT , das proportional zu einem zusammengedrehten oder zusammengefalteten Signal der beiden Eingangssignale S ₁ und S ₂ ist, am Ausgangsanschluß OUT über die Steuerelektrode 5 erzeugt. Die Amplitude des Ausgangssignales S _OUT ändert sich mit der Vorspannung V _B , die an der Steuerelektrode 5 liegt. Fig. 5 zeigt die Beziehung zwischen dem Wendelleitungswirkungsgrad bzw. dem Wirkungsgrad des Zusammendrehens oder Zusammenfaltens der Eingangssignale F _T und der Vorspannung V _B , die sich ausdrücken läßt als:

wobei die jeweiligen Werte in dBm aufgetragen sind.

Fig. 5 zeigt die Kennkurve eines Bauelementes mit einem N-leitenden Halbleiter. Wenn ein P-leitender Halbleiter verwandt wird, ist die Kurve qualitativ im Vorzeichen der Spannung umgekehrt. Wie es in Fig. 5 dargestellt ist, ist der maximale Wirkungsgrad bei einem Wert der Vorspannung gegeben, der normalerweise bei bekannten Bauelementen einige Volt beträgt.

Bei einem derartigen Spannungswert würde jedoch das Halbleiterisolatorgranzflächenpotential oder der Einfang an der Grenzfläche zwischen dem Isolator und der piezoelektrischen Schicht oder im piezoelektrischen Material zu einem Einfang von Elektroden oder zur Erzeugung von positiven Löchern führen und würde die dafür genötigte Zeit die Stabilisierung des Bauelementes verzögern.

Durch die Erfindung soll daher ein monolithischer Oberflächenwellenwendelleiter geschaffen werden, der ohne Vorspannung aktiviert wird, um den oben erwähnten Nachteil der bekannten Bauelemente zu beseitigen.

Dazu umfaßt das erfindungsgemäße Oberflächenbauelement ein Halbleitersubstrat von einem ersten Leitfähigkeitstyp mit niedrigem Widerstand, eine Halbleiterschicht vom ersten Leitfähigkeitstyp, die auf dem Substrat vorgesehen ist, eine Halbleiterschicht von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, die auf der Halbleiterschicht vom ersten Leitfähigkeitstyp vorgesehen ist, eine Isolierschicht, die auf der Halbleiterschicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp vorgesehen ist, eine piezoelektrische Schicht, die auf der isolierenden Schicht vorgesehen ist, eine Steuerelektrode, die auf der piezoelektrischen Schicht vorgesehen ist, zwei kammförmige Elektroden, die auf beiden Seiten der Steuerelektrode vorgesehen sind, und eine Vorspannungsquelle, die mit der Steuerelektrode verbunden ist, wobei die Halbleiterschicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp eine Störstellenkonzentration und eine Stärke hat, die es erlauben, daß sich eine Sperrschicht durch diese Schicht ausdehnt, wenn die von der Vorspannungsquelle gelieferte Vorspannung gleich Null ist.

Diese Ausbildung liefert Kurven des Wirkungsgrades F _T und der Kapazität C, die Funktionen der Spannung sind, wobei die Kurve für das erfindungsgemäße Bauelement, die in Fig. 3 in einer ausgezogenen Linie dargestellt ist, zeigt, daß der Wirkungsgrad F _T ein Maximum und einen hohen Wert näher bei Null Volt als die Kurve bekannter Bauelemente hat, die in gestrichelten Linien dargestellt ist.

Im Vergleich mit der C-V-Kennlinie ergibt sich, daß der Wirkungsgrad zunimmt, wenn die Oberfläche des Halbleiters zu einer Sperrschicht wird oder einen schwach umgekehrten Zustand erhält. Die Verwendung einer P-Schicht auf der Oberfläche eines N-Halbleiters oder die Verwendung einer N-Schicht auf der Oberfläche eines P-Halbleiters macht es möglich, aus der Oberfläche eine Sperrschicht ohne Vorspannung zu machen und somit den Wirkungsgrad F _T nahe einer Vorspannung von Null Volt zu erhöhen.

Die in Fig. 3 dargestellten Kurven basieren auf einem Aufbau, bei dem eine P-Schicht auf einem N-Halbleiter vorgesehen ist. Bei einem Bauelement mit einer N-Schicht auf einem P-Halbleiter sind die Kurven im Vorzeichen der Vorspannung qualitativ umgekehrt.

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

Fig. 1 und 2 Querschnittsansichten der Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen monolithischen Oberflächenwellenwendelleiters,

Fig. 3 in einem Diagramm die Änderungen im Wirkungsgrad und der Kapazität gegenüber der Vorspannung bei dem erfindungsgemäßen Bauelement in ausgezogenen Linien und bei einem bekannten Bauelement in gestrichelten Linien,

Fig. 4 eine Querschnittsansicht eines bekannten monolithischen Oberflächenwellenwendelleiters und

Fig. 5 in einem Diagramm die Änderung des Wirkungsgrades gegenüber der Vorspannung bei einem bekannten Wendelleiter.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine Epitaxial-Schicht 3 vom N-Leitungstyp auf einem Halbleitersubstrat 4 vom N⁺-Leitungstyp vorgesehen ist und die Oberflächenschicht der Epitaxial-Schicht 3 vom N-Leitungstyp in eine Halbleiterschicht 9 vom P-Leitungstyp umgewandelt ist. Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine Epitaxial-Schicht 3 vom P-Leitungstyp auf einem Halbleitersubstrat 4 vom P⁺-Leitungstyp vorgesehen ist und die Oberflächenschicht der Epitaxial-Schicht 3 vom P-Leitungstyp in eine Halbleiterschicht 10 vom N-Leitungstyp umgewandelt ist. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Halbleiterschicht 9 vom P-Leitungstyp auf der Epitaxial-Schicht 3 vom N-Leitungstyp eine Akzeptorkonzentration und eine Stärke auf, die es erlauben, daß sich eine Sperrschicht bei einer Vorspannung von Null Volt durch diese Schicht ausdehnt. In ähnlicher Weise hat bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel die Halbleiterschicht 10 vom N-Leitungstyp auf der Epitaxialschicht 3 vom P-Leitungstyp eine Donatorkonzentration und eine Stärke, die es erlauben, daß sich eine Sperrschicht bei einer Vorspannung von Null Volt durch diese Schicht hindurch ausdehnt. Die Halbleiterschicht 9 vom P-Leitungstyp in Fig. 1 und die Halbleiterschicht 10 vom N-Leitungstyp in Fig. 2 können durch Störstellendiffusion oder durch Ionenimplantation ausgebildet sein.

Die piezoelektrische Schicht 1, die isolierende Schicht 2, die Halbleiterschichten 3, 4, 9 und 10, die Elektroden 5, 6 und 7, der Kondensator C _B und das induktive Element L _B können in bekannter Weise aus jeweils geeigneten Materialien gebildet sein. Das erfindungsgemäße Bauelement erzeugt ein Signal S _OUT , das proportional zu einem Wendelleitungssignal oder zusammengefalteten oder zusammengedrehten Signal der Ausgangssignale S ₁ und S ₂ ist, die an den Eingangsanschlüssen eintreten, wie es bei den bekannten Bauelementen der Fall ist.

Wie es oben beschrieben wurde, wird das erfindungsgemäße Bauelement ohne Vorspannung oder bei einer Vorspannung im wesentlichen gleich Null aktiviert, so daß es stabil und zuverlässig arbeitet, ohne durch Änderungen in der Zeit zum Aktivieren des Bauelementes beeinflußt zu werden, die durch Einfang von Elektroden oder die Erzeugung von positiven Löchern hervorgerufen werden.

Claims (3)

1. Oberflächenwellenbauelement gekennzeichnet durch ein Halbleitersubstrat (4) von einem ersten Leitfähigkeitstyp mit niedrigem Widerstand, eine Halbleiterschicht (3) vom ersten Leitfähigkeitstyp, die auf dem Substrat (4) vorgesehen ist, eine Halbleiterschicht (9, 10) von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, die auf der Halbleiterschicht (3) vom ersten Leitfähigkeitstyp vorgesehen ist, eine isolierende Schicht (2), die auf dem Halbleitersubstrat (9, 10) vom zweiten Leitfähigkeitstyp vorgesehen ist, eine piezoelektrische Schicht (1), die auf der isolierenden Schicht (2) vorgesehen ist, eine Steuerelektrode (5), die auf der piezoelektrischen Schicht (1) vorgesehen ist, zwei kammförmige Elektroden (7), die auf beiden Seiten der Steuerelektrode (5) vorgesehen sind, und eine Vorspannungsquelle (8), die mit der Steuerelektrode (5) verbunden ist, wobei die Halbleiterschicht (9, 10) vom zweiten Leitfähigkeitstyp eine Störstellenkonzentration und eine Stärke hat, die es erlauben, daß sich eine Sperrschicht durch diese Schicht hindurch ausdehnt, wenn die von der Vorspannungsquelle (8) gelieferte Vorspannung gleich Null ist.

2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (4) ein N⁺-leitender Halbleiter ist, daß die Halbleiterschicht (3) vom ersten Leitfähigkeitstyp eine N-leitende Epitaxial-Halbleiterschicht ist und daß die Halbleiterschicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp (9) die Oberflächenschicht der Epitaxial-Schicht ist, die in eine P-leitende Halbleiterschicht umgewandelt wurde.

3. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (4) ein P⁺-leitender Halbleiter ist, daß die Halbleiterschicht (3) vom ersten Leitfähigkeitstyp eine P-leitende Epitaxial-Halbleiterschicht ist und daß die Halbleiterschicht (10) vom zweiten Leitfähigkeitstyp die Oberflächenschicht der Epitaxial-Schicht ist, die in eine N-leitende Halbleiterschicht umgewandelt wurde.