DE3729333A1

DE3729333A1 - Oberflaechenwellen-wendelleiter

Info

Publication number: DE3729333A1
Application number: DE19873729333
Authority: DE
Inventors: Syuichi Mitsutsuka; Shoichi Minagawa
Original assignee: Clarion Co Ltd
Current assignee: Faurecia Clarion Electronics Co Ltd
Priority date: 1986-09-02
Filing date: 1987-09-02
Publication date: 1988-03-10
Also published as: US4757226A; JPS6362281A; FR2603423B1; GB2196502A; GB8720354D0; FR2603423A1; GB2196502B

Description

Die Erfindung betrifft einen akustische Oberflächenwellen ausbildenden monolithischen Oberflächenwellen-Wendelleiter aus einer dünnen piezoelektrischen Schicht und einem Halbleiter, der im folgenden als SAW-Wendelleiter bezeichnet wird.

In Fig. 14 und 15 der zugehörigen Zeichnung sind Querschnittsansichten von zwei verschiedenen bekannten monolithischen Wendelleitern mit einem Halbleitersubstrat 1 hoher Konzentration, einem Isolator 2, einer dünnen piezoelektrischen Schicht 3, Eingängen 4 und 4′, kammförmigen Elektroden 5 und 5′, einem Ausgang 6, einer Gegenelektrode 7, einer Steuerelektrode 8 und einer dünnen halbleitenden Epitaxialschicht 9 dargestellt.

Die in den Fig. 14 und 15 dargestellten Ausbildungen unterscheiden sich im Halbleiteraufbau. In Fig. 14 dient als Halbleiter ein massives Halbleitersubstrat, während bei der in Fig. 15 dargestellten Ausbildung ein Substrat vorgesehen ist, das durch epitaxiales Wachstum einer dünnen halbleitenden Schicht auf einem Halbleitersubstrat mit hoher Konzentration, d. h. einem Substrat mit hoher Störstellendichte ausgebildet ist. Die verschiedenen Eigenschaften dieser Ausbildungen sind in den folgenden Druckschriften wiedergegeben:
1. B. T. Khuri - Yakub and G. S. Kino "A Detailed Theory of the Monolithic Zinc Oxide on Silicon Convolver", IEEE Trans. Sonics Ultrason., Bd. SU - 24, No. 1, Januar 1977, Seite 34- 43,
2. J. K. Elliott, et al. "A Wideband SAW convolver utilizing Sezawa waves in the metal - ZnO - SiO₂ - Si configuration", Appl. Phys. Lett. 32, Mai 1978, Seite 515-516,
3. J. E. Bowers, et al. "Monolithic Sezawa wave Storage Correlators and Convolvers", IEEE Proc. Ultrasonics Symposium, 1980, Seite 118-123,
4. S. Minagawa et al. "Efficient ZnO - SiO₂ - Si Sezawa wave Convolver", IEEE Trans. Sonics Ultrason., Bd. SU - 32, Nr. 5, September 1985, Seite 670-674.

Die Druckschriften 1, 2 und 3 geben die Eigenschaften des in Fig. 14 dargestellten Wendelleiters wieder, während die Druckschrift 4 die Eigenschaften des in Fig. 15 dargestellten Wendelleiters beschreibt.

Aus einem Vergleich dieser Berichte ergibt sich, daß die in Fig. 15 dargestellte Ausbildung dazu neigt, einen höheren Wert als die in Fig. 14 dargestellte Ausbildung zu zeigen. Diesbezüglich ist die Verwendung eines Substrates mit einer dünnen Epitaxialschicht, wie es in Fig. 15 dargestellt ist, als Wendelleiter vorteilhafter. Es wurden jedoch bisher keine detaillierten theoretischen oder experimentiellen Untersuchungen vorgenommen. Es gibt daher keine Angaben über die günstigste Beschaffenheit einer derartigen Epitaxialschicht und es ist bisher kein Wendelleiter mit der günstigsten Ausbildung entwickelt worden.

Durch die Erfindung soll daher ein SAW-Wendelleiter mit der günstigsten Ausbildung unter Berücksichtigung des Ergebnisses der detaillierten Analyse der Auswirkungen einer dünnen halbleitenden Epitaxialschicht geschaffen werden.

Durch die Erfindung soll insbesondere ein Wendelleiter mit der günstigsten Beziehung zwischen der Stärke und der Störstellendichte der dünnen halbleitenden Epitaxialschicht bei der in Fig. 15 dargestellten Ausbildung geschaffen werden.

Dazu umfaßt der erfindungsgemäße monolithische Wendelleiter ein hochkonzentriertes Halbleitersubstrat, eine dünne halbleitende Epitaxialschicht, die durch epitaxiales Wachstum auf einer Oberfläche des Halbleitersubstrates ausgebildet ist, einen Isolator, der auf der Epitaxialschicht vorgesehen ist, und eine dünne piezoelektrische Schicht, die auf dem Isolator vorgesehen ist, wobei die dünne halbleitende Epitaxialschicht eine Stärke L hat, die der folgenden Beziehung genügt:

W _max < L W _max + 2 µm

wobei W _max die maximale Verarmungsbreite ist, die ausgedrückt wird als:

wobei N die Störstellendichte der dünnen Epitaxialschicht, n _i die Eigenladungsträgerdichte der dünnen Epitaxialschicht, e _s die Dielektrizitätskonstante der dünnen Epitaxialschicht, k die Boltzmann-Konstante, e die Elementarladung und T die absolute Temperatur bezeichnen.

Vorzugsweise besteht der Halbleiter aus Silizium Si und liegt die Störstellendichte N in dem folgenden Bereich:

1×10¹³ cm^-3 N 1×10¹⁶ cm^-3

Wenn ein monolithischer SAW-Wendelleiter ein hochkonzentriertes Halbleitersubstrat, eine erste dünne halbleitende Schicht auf dem Substrat, eine zweite dünne halbleitende Schicht auf der ersten dünnen halbleitenden Schicht, einen Isolator auf der zweiten dünnen halbleitenden Schicht und eine dünne piezoelektrische Schicht umfaßt, dann sind die erste und die zweite halbleitende dünne Schicht halbleitende Epitaxialschichten vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp und liegt die Gesamtstärke der dünnen halbleitenden Epitaxialschichten im folgenden Bereich:

l₂ < L l₂ + W _m + 2 µm

wobei l₂ die Stärke der dünnen zweiten halbleitenden Schicht ist und W _m ausgedrückt wird als:

wobei N₁ die Störstellendichte der ersten dünnen halbleitenden Schicht, n _i die Eigenladungsträgerdichte der dünnen ersten halbleitenden Schicht, ε _s die Dielektrizitätskonstante der ersten dünnen halbleitenden Schicht, k die Boltzmann-Konstante, e die Größe der Elementarladung und T die absolute Temperatur bezeichnen.

Vorzugsweise besteht der Halbleiter aus Silizium Si und liegt die Störstellendichte N₁ der dünnen Epitaxialschichten im folgenden Bereich:

1×10¹³ cm^-3 N₁ 1×10¹⁶ cm^-3

Der Halbleiter kann aus GaAs bestehen. Der Isolator kann im wesentlichen fehlen oder aus SiO₂ bestehen. Die dünne piezoelektrische Schicht besteht aus ZnO oder AlN und eine Sezawawelle ist als Fortpflanzungsart der akustischen Oberflächenwellen bevorzugt.

Die Oberflächenorientierung des Si ist (110) bei einer Fortpflanzungsrichtung [100] der akustischen Oberflächenwellen. Die Oberflächenorientierung des Si kann auch (100) bei einer Fortpflanzungsrichtung [110] der akustischen Oberflächenwellen sein.

Fig. 1 zeigt in einer vergrößerten Ansicht die Ausbildung unterhalb der Steuerelektrode in Fig. 15. In Fig. 1 bezeichnen die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 15 identische oder entsprechende Bauteile. In Fig. 1 sind weiterhin ein Verarmungszonenende 10, das Ende der maximalen Verarmung 11, die Donatordichte in der dünnen Epitaxialschicht Nd, die Akzeptordichte der dünnen Epitaxialschicht Na, die Stärke der dünnen Epitaxialschicht L, die maximale Verarmungsbreite W _max, die Verarmungsbreite W, die Stärke der dünnen piezoelektrischen Schicht h, die Frequenz einer akustischen Oberflächenwelle f, die Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle λ und die Vorspannung V _B dargestellt. Bei dieser Ausbildung sind die Stärke L und die Störstellenkonzentration N der dünnen halbleitenden Epitaxialschicht in der folgenden Weise festgelegt.

(A) Die Stärke L der dünnen halbleitenden Epitaxialschicht ist auf den folgenden Wert bezüglich der maximalen Verarmungsbreite W _max bestimmt, die durch die Störstellendichte der dünnen Epitaxialschicht (Donatordichte bei einem N-Halbleiter und Akzeptordichte bei einem P-Halbleiter) gegeben ist.

W _max < L W _max + 2 µm (1)

wobei W _max die maximale Verarmungsbreite bei Raumtemperatur (23°C) ist und die Werte L und W _max in µm angegeben sind. W _max läßt sich ausdrücken als:

wobei N die Störstellendichte der dünnen Epitaxialschicht ist, die gleich der Donatordichte Nd für den Fall, daß die Epitaxialschicht ein N-Halbleiter ist, oder gleich der Akzeptordichte Na für den Fall ist, daß die Epitaxialschicht ein P-Halbleiter ist.

T ist die absolute Temperatur:

T = 296 (K) (3)

ni ist die Eigenladungsträgerdichte der halbleitenden Schicht, ε _s ist die Dielektrizitätskonstante der halbleitenden Schicht, k ist die Boltzmann-Konstante und e ist die Elementarladung.

Wenn insbesondere Silizium Si als Halbleiter verwandt wird, ist die Störstellendichte vorzugsweise zusätzlich zu der Bedingung für die Stärke der dünnen Epitaxialschicht in der folgenden Weise gewählt.

(B) Wenn der Halbleiter aus Si besteht, ist die Stärke L der dünnen Epitaxialschicht so gewählt, daß sie dem Ausdruck (1) genügt und ist die Störstellendichte N aus dem folgenden Bereich gewählt:

1×10¹³cm^-3 N 1×10¹⁶cm^-3 (4)

Als Vergleich zeigt Fig. 2 die Beziehung zwischen der maximalen Verarmungsbreite W _max von Si und der Störstellendichte Nd. In Fig. 2 ist N-leitendes Si dargestellt. Wenn jedoch P-leitendes Si verwandt wird, ergibt sich die identische Beziehung mit der Ausnahme, daß die Donatordichte durch die Akzeptordichte ersetzt ist. Aus Fig. 2 und dem Ausdruck (1) ergeben sich die folgenden bevorzugten Werte für die Stärke der dünnen Epitaxialschicht:

2,4 µm <L4,4 µm
wenn N=1×10¹⁴ cm^-3
und 0,9 µm <L2,9 µm
wenn N=1×10¹⁵ cm^-3.

Gemäß der Erfindung werden die Verhältnisse der dünnen Epitaxialschicht in Fig. 15, wie sie oben unter (A) und (B) beschrieben wurden, aus den folgenden Gründen gewählt:

F _T (Wendelleitungswirkungsgrad) des Wendelleiters läßt sich ausdrücken als:

F _T = 20 log γ₂ - 10 log R _B - α Lg - 30 + L _e (5)

wobei γ₂ der nichtlineare Wirkungsgrad ist, R _B der Ausgangswiderstand des Steuerteils des Wendelleiters bezeichnet, α der Fortpflanzungsverlust der akustischen Oberflächenwellen ist und Lg die Steuerelektrodenlänge bezeichnet. Le ist ein unabhängig von den Verhältnissen der dünnen Epitaxialschicht festliegender Ausdruck und Einflüssen des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten, der Wandlerverluste, der Stärke und der Dielektrizitätskonstanten der dünnen piezoelektrischen Schicht, der Frequenz und Wellenlänge der akustischen Oberflächenwellen usw. ausgesetzt. Da Le von Einflüssen aus der Stärke der dünnen Epitaxialschicht unabhängig ist, fehlt der entsprechende Ausdruck oder die entsprechende Gleichung. F _T (dBm) ist in der folgenden Weise bezüglich der beiden Eingänge Pi₁ und Pi₂ und des Ausgangs P₀ bestimmt:

F _T = P₀ - Pi₁ - Pi₂ (Pi₁, Pi₂ und P₀ in µm)

Die nichtlineare Konstante γ₂ hat die folgende Beziehung zur Störstellendichte N der dünnen Epitaxialschicht, wenn sich die Halbleiteroberfläche des Wendelleiters in einem verarmten Zustand oder in einem invertierten Zustand befindet:

F _T zeigt einen großen Wert, wenn sich die Halbleiteroberfläche in einem verarmten oder schwach-invertierten Zustand befindet. Es kann daher angenommen werden, daß der Ausdruck (6) bei der Aktivierung des Wendelleiters gültig ist. Der Ausdruck (6) ist jedoch nur dann gültig, wenn die Stärke L der dünnen Epitaxialschicht größer als die Verarmungsbreite W ist. Wenn L kleiner W, dann schließt sich das Verarmungsende an die Grenzfläche zwischen der dünnen Epitaxialschicht und dem hochkonzentrierten Halbleitersubstrat an (Durchschlag), was ersichtlich eine Schwingung des Verarmungsendes verhindert. In diesem Fall fällt die nichtlineare Konstante γ₂ schnell ab und kann diese Konstante durch den Ausdruck (6) nicht wiedergegeben werden. Auf einen Abfall von γ₂ fällt auch F _T aufgrund der Beziehung des Ausdruckes (5) stark ab. Daher wird die folgende Beziehung für die Stärke der dünnen Epitaxialschicht benötigt:

W < L (7)

Die Verarmungsbreite W ändert sich mit der an der Steuerelektrode liegenden Vorspannung V _B, überschreitet jedoch nicht eine maximale Verarbeitungsbreite W _max, die in Fig. 1 dargestellt ist. Der Ausdruck (7) ist daher praktisch nicht gültig, es sei denn, daß die Stärke L der dünnen Epitaxialschicht größer als die maximale Verarmungsbreite ist:

W _max < L (8)

Das ist einer der Gründe für die Festlegung der unteren Grenze des Ausdruckes (1).

Im folgenden wird erläutert, warum die obere Grenze für die Stärke L der dünnen Epitaxialschicht im Ausdruck (1) festgelegt ist.

Wenn L dem Ausdruck (8) genügt, wird die nicht-lineare Konstante γ₂ durch den Ausdruck (6) ausgedrückt und wird diese Konstante γ₂ unabhängig von der Stärke L der dünnen Epitaxialschicht. Die Elemente, die F _T-Einflüsse der Stärke L der dünnen Epitaxialschicht liefern, sind daher die Ausdrücke des Ausgangswiderstandes R _B und des SAW-Fortpflanzungsverlustes im Ausdruck (5). Aus dem Ausdruck (5) ergeben sich die folgenden Beziehungen:

(i) F _T nimmt mit abnehmendem R _B zu.
(ii) F _T nimmt mit abnehmendem Fortpflanzungsverlust zu.

Bezüglich des obigen Ergebnisses (i) kann R _B bei der Verwendung eines halbleitenden Epitaxialsubstrates, wie es in Fig. 15 dargestellt ist, stärker als bei der Verwendung eines massiven Halbleitersubstrates verringert werden, wie es in Fig. 14 dargestellt ist. Der Grund dafür besteht darin, daß der Widerstand des hochkonzentrierten Halbleitersubstrates unter der dünnen Epitaxialschicht außerordentlich klein ist. Diesbezüglich ist daher die Verwendung des Epitaxialsubstrates vorteilhafter als die Verwendung des massiven Substrates. Zu diesem Ergebnis kommen auch die Druckschriften 1) und 4). In der Praxis hat jedoch der Widerstand der dünnen Epitaxialschicht dann, wenn diese eine Stärke unter einem gegebenen Wert hat, nahezu keinen Einfluß auf F _T. Die folgende Tabelle 1 zeigt die numerischen Werte von Δ F _T, berechnet nach dem Ausdruck (5), wenn N-leitendes Si verwandt wird und die Stärke der dünnen Epitaxialschicht in der folgenden Weise gewählt wird:

L = Wmax und L = Wmax + 2 µm

Tabelle 1

In diesem Fall beträgt die Steuerelektrodenbreite 1 mm und die Steuerelektrodenlänge 20 mm und beträgt die Summe aus dem Widerstand des hochkonzentrierten halbleitenden Substrates, dem Widerstand einer festen Verbindungsleitung und dem Ohmschen Widerstand 1 Ω×Δ F _T ergibt sich weiterhin aus der Berechnung der Einflüsse des Ausdruckes R _B im Ausdruck (5). Wie es später beschrieben wird, zeigt sich jedoch, daß in der Praxis der Wert F _T sich um einige dB oder mehr bei einer kleinen Änderung um etwa 2 µm in der Stärke der dünnen Epitaxialschicht ändert. Unter den Einflüssen der Stärke der dünnen Epitaxialschicht hat der Fortpflanzungsverlus α somit einen größeren Einfluß auf F _T als R _B.

Es wurde sorgfältig die Abhängigkeit des Fortpflanzungsverlustes α von der Stärke der dünnen Epitaxialschicht analysiert und es stellte sich heraus, daß der Einfluß der Abhängigkeit gegenüber F _T bemerkenswert ist, und es wurden die gewünschten Bedingungen bezüglich der Stärke der dünnen Epitaxialschicht gefunden. Eine derartige Abhängigkeit des Fortpflanzungsverlustes von der Stärke der dünnen Epitaxialschicht war bisher nicht bekannt, so daß die Bedingung für die Stärke der dünnen Epitaxialschicht zum erstenmal auf der Grundlage dieser Abhängigkeit festgelegt wurde.

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

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines monolithischen SAW-Wendelleiters,

Fig. 2 in einer graphischen Darstellung die Beziehung zwischen der Donatordichte und der maximalen Verarmungsbreite,

Fig. 3 in einer graphischen Darstellung die Beziehung zwischen der maximalen Verarmungsbreite und dem Fortpflanzungsverlust,

Fig. 4 bis 12 in graphischen Darstellungen die Kennlinien eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen monolithischen SAW-Wendelleiters,

Fig. 13 eine Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen monolithischen SAW-Wendelleiters und

Fig. 14 und 15 in Querschnittsansichten zwei verschiedene bekannte monolithische Wendelleiter.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel der Abhängigkeit des SAW-Fortpflanzungsverlustes von der Stärke der dünnen Epitaxialschicht, wobei sich die akustische Oberflächenwelle entlang eines Wendelleiters fortpflanzt, der einen ZnO/SiO₂/N-Si-Aufbau hat. Auf der Abszisse ist der Unterschied zwischen der Stärke der dünnen Epitaxialschicht und der maximalen Verarmungsbreite aufgetragen und auf der Ordinate ist der Fortpflanzungsverlust aufgetragen (dB/cm). Dieses Beispiel beruht auf den folgenden Verhältnissen: Frequenz der akustischen Oberflächenwelle f=215 MHz, Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle λ=24 µm, Stärke h der dünnen piezoelektrischen Schicht (ZnO)=5 µm, Fortpflanzungsart der akustischen Oberflächenwellen ist die Sezawa-Welle.

Nd ist die Donatordichte. Der Fortpflanzungsverlust ist ein Wert, der einer an der Steuerelektrode liegenden Vorspannung V _B zum Maximieren von F _T entspricht. Wie es in der Zeichnung dargestellt ist, wird der Fortpflanzungsverlust nicht nur durch die Störstellendichte, sondern auch stark durch die Stärke der dünnen Epitaxialschicht beeinflußt. Der Fortpflanzungsverlust nimmt mit der Stärke der dünnen Epitaxialschicht zu und ändert sich manchmal um einige dB/cm oder mehr bei einer Änderung um ewa 2 µm in der Stärke der dünnen Epitaxialschicht. Im Vergleich mit dem Wert der Tabelle 1 ergibt sich, daß bezüglich der Änderungen von F _T über die Stärke der dünnen Epitaxialschicht der Fortpflanzungsverlust einen deutlicheren Einfluß als der Ausgangswiderstand in diesem Bereich der Stärke der dünnen Epitaxialschicht hat.

Unter sorgfältiger Berücksichtigung der oben genannten Einflüsse des Fortpflanzungsverlustes wurden in diesem Zusammenhang Änderungen von F _T unter verschiedenen Bedingungen gemessen und wurden die besten Bedingungen für die dünne Epitaxialschicht erhalten. Die Ergebnisse sind graphisch in den Fig. 4 bis 12 dargestellt. Jede graphische Darstellung basiert auf einer ZnO/SiO₂/N-Si-Anordnung. In den graphischen Darstellungen bezeichnen f die Frequenz einer akustischen Oberflächenwelle, λ die Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle, h die Stärke der dünnen ZnO-Schicht, Nd die Donatordichte und Na die Akzeptordichte. Die Stärke der dünnen SiO₂- Schicht beträgt 0,1 µm.

Die Fig. 4 bis 12 zeigen die folgenden Beziehungen:

Fig. 4: Beziehung zwischen der Stärke der dünnen Epitaxialschicht und F _T bei f=215 MHz, einer Sezawa-Welle, einem N-leitenden Halbleiter, einer Gatter- oder Steuerelektrodenlänge von 20 mm und einer Temperatur von 23°C.

Fig. 5: Beziehung zwischen der Stärke der dünnen Epitaxialschicht und dem dynamischen Bereich bei f=215 MHz, einer Sezawa-Welle, einem N-leitenden Halbleiter, einer Gatter- oder Steuerelektrodenlänge von 23 nm und einer Temperatur von 23°C.

Fig. 6: Beziehung zwischen der Stärke der dünnen Epitaxialschicht und F _T bei f=100 MHz, einer Sezawa-Welle, einem N-leitenden Halbleiter, einer Gatter- oder Steuerelektrodenlänge von 20 mm und einer Temperatur von 23°C.

Fig. 7: Beziehung zwischen der Stärke der dünnen Epitaxialschicht und F _T bei f=400 MHz, einer Sezawa-Welle, einem N-leitenden Halbleiter, einer Gatter- oder Steuerelektrodenlänge von 20 mm und einer Temperatur von 23°C.

Fig. 8: Die Beziehung zwischen der Stärke der dünnen Epitaxialschicht und F _T bei f=215 MHz, einer Sezawa-Welle, einem N-leitenden Halbleiter, einer Gatter- oder Steuerelektrodenlänge von 20 mm und einer Temperatur von -20°C.

Fig. 9: Die Beziehung zwischen der Stärke der dünnen Epitaxialschicht und F _T bei f=215 MHz, einer Sezawa-Welle, einem N-leitenden Halbleiter, einer Gatter- oder Steuerelektrodenlänge von 20 mm und einer Temperatur von -80°C.

Fig. 10: Die Beziehung zwischen der Stärke der dünnen Epitaxialschicht und F _T bei f=215 MHz, einer Sezawa- Welle, einem N-leitenden Halbleiter, einer Gatter- oder Steuerelektrodenlänge von 40 mm und einer Temperatur von 23°C.

Fig. 11: Die Beziehung zwischen der Stärke der dünnen Epitaxialschicht und F _T bei f=200 MHz, einer Rayleigh- Welle, einem N-leitenden Halbleiter, einer Gatter- oder Steuerelektrodenlänge von 20 mm und einer Temperatur von 23°C.

Fig. 12: Die Beziehung zwischen der Stärke der dünnen Epitaxialschicht und F _T bei f=215 MHz, einer Sezawa- Welle, einem P-leitenden Halbleiter, einer Gatter- oder Steuerelektrodenlänge von 20 mm und einer Temperatur von 23°C.

In den graphischen Darstellungen ist auf der Abszisse der Unterschied zwischen der Stärke der dünnen Epitaxialschicht und der maximalen Verarmungsbreite bei Raumtemperatur von 23°C aufgetragen. Der Wert von F _T entspricht einer an der Steuerelektrode liegenden Vorspannung zum Maximieren von F _T.

Aus den Fig. 4 und 12 ist erkennbar, daß F _T merklich durch die Stärke der dünnen Epitaxialschicht beeinflußt wird und daß F _T mit zunehmender Stärke der dünnen Epitaxialschicht abnimmt. Diesbezüglich ist eine qualitativ ähnliche Tendenz bei verschiedenen Frequenzen der akustischen Oberflächenwellen (Fig. 4, 6 und 7), bei verschiedenen Temperaturen (Fig. 4, 8 und 9), bei verschiedenen Gatter- oder Steuerelektrodenlängen (Fig. 4 und 10), bei verschiedenen Fortpflanzungsarten der akustischen Oberflächenwelle (Fig. 4 und 11) und bei verschiedenen Leitfähigkeitstypen des Halbleiters (Fig. 12) erkennbar. Quantitativ sind die Einflüsse der Stärke der dünnen Epitaxialschicht dann bemerkenswert, wenn das Gatter oder die Steuerelektrode lang ist.

Aus diesen Ergebnissen ergibt sich, daß die Stärke der dünnen Epitaxialschicht so klein wie möglich sein sollte, um F _T zu vergrößern. Wie es in Fig. 5 dargestellt ist, fällt jedoch F _T manchmal bei niedriger Temperatur schnell ab, wenn die Epitaxialschicht so dünn ist. Der Grund dafür besteht darin, daß die Verarmungsbreite dazu neigt, sich bei niedriger Temperatur weiter als bei normaler Temperatur auszudehnen und das Verarmungsende sich direkt an die Grenzfläche der dünnen Epitaxialschicht und des hochkonzentrierten Halbleiterbereiches anschließt (Durchbruch) und an einer Schwingung gehindert ist. Diese Einflußfaktoren stellen einen weiteren Grund dafür dar, warum die Bedingung des Ausdruckes (8) benötigt wird. Die dünne Epitaxialschicht muß daher um ein gewisses Maß dicker als die maximale Verarmungsbreite sein. Die Stärke der dünnen Epitaxialschicht muß darüber hinaus nicht zu einer großen Abnahme von F _T einladen.

Gemäß der Erfindung ist die geeignete Stärke L der dünnen Epitaxialschicht innerhalb eines Bereiches 2 µm über der maximalen Verarmungsbreite Wmax gewählt:

L Wmax + 2 µm (9)

Der Grund dafür besteht darin, daß F _T möglicherweise um 10 dB oder mehr unter den Maximalwert fällt, wenn L größer Wmax+2 µm ist, wie es in den Fig. 4 bis 12 dargestellt ist. Aus einem Vergleich der Fig. 8 und 9 ergibt sich bezüglich des Temperaturganges weiterhin, daß sich F _T stark mit der Temperatur ändert, wenn L größer Wmax+2 µm ist. Auch in dieser Hinsicht ist die Bedingung des Ausdruckes (9) vernünftig. Aus Fig. 5 ist ersichtlich, daß diesbezüglich keine Schwierigkeit auftritt, da der dynamische Bereich einen praktisch ausreichenden Wert auch unter den Bedingungen des Ausdruckes (9) hat.

Das ist ein Grund, warum der obere Grenzwert der Stärke L für die dünne Epitaxialschicht so festgelegt ist, wie es im Ausdruck (1) angegeben ist.

Bezüglich der Einflüsse der Störstellendichte der dünnen Epitaxialschicht ergibt sich aus den Fig. 4 bis 12, daß F _T mit abnehmender Störstellendichte innerhalb des Bereiches der Stärke der dünnen Epitaxialschicht gemäß Ausdruck (1) zunimmt. Was den dynamischen Bereich anbetrifft, so ergibt sich jedoch aus Fig. 5, daß dieser Bereich mit der Störstellendichte abnimmt. Wenn N <1×10¹³ cm^-3 ist, dann wird der dynamische Bereich annähernd gleich 30 dB, was in der Praxis ausreicht.

Andererseits fällt F _T mit Zunahme von N ab und wird F _T gleich etwa -60 dB oder weniger, wenn N< 1×10¹⁶ cm^-3 ist. In Hinblick auf die Art der Anordnung der dünnen piezoelektrischen Schicht und des Halbleiters, von der zu erwarten ist, daß sie einen hohen F _T-Wert zeigt, ist dieser Wert zu niedrig. Daher ist die Störstellendichte vorzugsweise innerhalb des folgenden Bereiches gewählt:

1×10¹³ cm^-3 N 1×10¹⁶ cm^-3

Das ist ein Grund, warum die Störstellendichte so festgelegt ist, wie es im Ausdruck (4) angegeben ist.

Im obigen wurden die Bedingungen (A) und (B) für die dünne Epitaxialschicht gemäß der Erfindung erläutert.

Im folgenden wird die Verwendung des Grundgedankens der Erfindung bei einem SAW-Wendelleiter beschrieben, der einen Aufbau mit einem halbleitenden Epitaxialsubstrat hat. Die Bedingungen für die dünne Epitaxialschicht für diesen Fall werden im folgenden beschrieben.

Wie es oben beschrieben wurde, bestimmen die Bedingungen (A) und (B) die Bedingungen für die Stärke der dünnen Epitaxialschicht bei einem Wendelleiter mit der in Fig. 15 dargestellten Ausbildung. Der in Fig. 15 dargestellte Wendelleiter kann zu einem Wendelleiter weiterentwickelt werden, der die in Fig. 13 dargestellte Ausbildung hat. Es hat sich herausgestellt, daß der Wendelleiter mit der in Fig. 13 dargestellten Ausbildung ohne Vorspannung arbeiten kann (japanische Patentanmeldung Nr. 60-202845) und daß diese Ausbildung bei ihrem praktischen Einsatz außerordentlich zweckmäßig ist.

Die dünne halbleitende Epitaxialschicht besteht aus einer ersten dünnen halbleitenden Epitaxialschicht 9-1 und einer zweiten dünnen halbleitenden Epitaxialschicht 9-2. Die erste dünne halbleitende Epitaxialschicht 9-1 ist ein Halbleiter vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie dem des hochkonzentrierten halbleitenden Substrates 1, wohingegen die dünne zweite halbleitende Epitaxialschicht 9-2 ein Halbleiter vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp ist. Wenn die erste dünne halbleitende Epitaxialschicht 9-1 vom N-Leitfähigkeitstyp ist, dann ist die zweite dünne halbleitende Epitaxialschicht 9-2 vom P-Leitfähigkeitstyp. Wenn im Gegensatz dazu die erste dünne halbleitende Epitaxialschicht 9-1 vom P-Leitfähigkeitstyp ist, dann ist die zweite dünne halbleitende Epitaxialschicht 9-2 vom N-Leitfähigkeitstyp. Der Unterschied gegenüber der Ausbildung in Fig. 15 besteht darin, daß die zweite dünne halbleitende Epitaxialschicht 9-2 von einem anderen Leitfähigkeitstyp in der Epitaxialschicht vorgesehen ist. In den meisten Fällen wird die zweite dünne halbleitende Epitaxialschicht 9-2 durch Injizieren von Ionen ausgebildet und hat die Stärke an dem Teil einen Wert, der beträchtlich kleiner als der der Stärke der ersten dünnen halbleitenden Epitaxialschicht 9-1 ist. Weiterhin sind die Störstellendichte und die Stärke der zweiten dünnen halbleitenden Epitaxialschicht so gewählt, daß eine Verarmung des gesamten Teils der zweiten dünnen halbleitenden Epitaxialschicht 9-2 bewirkt wird, wenn die an der Steuerelektrode 8 liegende Vorspannung gleich Null ist. Es ist beabsichtigt, daß diese Ausbildung am besten bei einer Vorspannung gleich Null arbeitet. Diese Ausbildung kann daher so betrachtet werden, als würde während der Arbeit des Wendelleiters das Verarmungsende in der ersten dünnen halbleitenden Epitaxialschicht 9-1 liegen.

Wie es oben beschrieben wurde, ist F _T hauptsächlich durch die nicht lineare Konstante γ₂ und den Fortpflanzungsverlust α bestimmt, und werden die Einflüsse der Stärke der dünnen Epitaxialschicht insbesondere durch den Fortpflanzungsverlust α wiedergegeben. Während der Arbeit eines Wendelleiters mit der in Fig. 13 dargestellten Ausbildung liegt andererseits das Verarmungsende in der ersten dünnen halbleitenden Epitaxialschicht 9-1, wie es oben beschrieben wurde. Die nichtlineare Konstante γ₂ ist durch die Störstellendichte N an der Stelle des Verarmungsendes bestimmt und wird durch den Ausdruck (6) wiedergegeben. Der Fortpflanzungsverlust der akustischen Oberflächenwellen ist weiterhin hauptsächlich durch den inneren Energieverlust im Halbleiter jenseits des Verarmungsendes, d. h. im Verarmungsbereich oder im schwach konvertierten Bereich bestimmt. Unter Berücksichtigung der oben genannten Einflußfaktoren kann daher angenommen werden, daß F _T hauptsächlich durch die erste dünne halbleitende Epitaxialschicht 9-1 auch bei der in Fig. 13 dargestellten Ausbildung bestimmt ist, und daß die Abhängigkeit von F _T von der Stärke der dünnen Epitaxialschicht gleichfalls durch die Störstellendichte der ersten dünnen halbleitenden Epitaxialschicht 9-1 und durch die Beziehung zwischen der Lage des Verarmungsendes darin und der Stärke der Epitaxialschicht bestimmt ist.

Es ist daher vernünftig, die Bedingungen für die Stärke der dünnen Epitaxialschicht relativ zur maximalen Verarmungsbreite über den gleichen Ausdruck (1) wie für die in Fig. 15 dargestellte Ausbildung festzulegen.

Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die maximale Verarbeitungsbreite bei der in Fig. 13 dargestellten Ausbildung durch einen Ausdruck wiedergegeben wird, der sich von dem Ausdruck (2) unterscheidet, da im Gegensatz zu der in Fig. 15 dargestellten Ausbildung die zweite dünne halbleitende Epitaxialschicht 9-2 vorhanden ist. Wenn die zweite dünne halbleitende Epitaxialschicht 9-2 eine Stärke l₂ hat, liegt Wmax im folgenden Bereich:

l₂ < Wmax l₂ + Wm (10)

wobei Wm die maximale Verarbeitungsbreite für den Fall ist, daß nur die erste dünne halbleitende Epitaxialschicht 9-1 vorhanden ist, und durch den folgenden Ausdruck wiedergegeben wird:

wobei N₁ die Störstellendichte der ersten dünnen halbleitenden Epitaxialschicht 9-1 ist und die anderen Parameter identisch mit denen des Ausdrucks (2) sind.

Es ist daher vernünftig, die Bedingungen für die Stärke der dünnen Epitaxialschicht bei der in Fig. 13 dargestellten Ausbildung in der folgenden Weise festzulegen.

(C) Die Stärke L der dünnen Epitaxialschicht bei der in Fig. 13 dargestellten Ausbildung ist wie folgt bestimmt:

l₂ < L l₂ + Wm + 2 µm (12)

wobei l₂ die Stärke der zweiten dünnen halbleitenden Epitaxialschicht 9-2 ist und Wm durch den Ausdruck (11) wiedergegeben wird.

Da bei der in Fig. 13 dargestellten Ausbildung F _T weiterhin hauptsächlich durch die erste dünne halbleitende Epitaxialschicht 9-1 bestimmt ist, ist es vernünftig, die Bedingungen für die Störstellendichte der dünnen Epitaxialschicht in derselben Weise wie im Ausdruck (4) festzulegen, wie es im folgenden angegeben wird.

(D) Wenn Si als Leiter bei der in Fig. 13 dargestellten Ausbildung benutzt wird, wird die Stärke L der dünnen Epitaxialschicht so gewählt, daß sie dem Ausdruck (12) genügt, und wird die Störstellendichte N₁ der ersten dünnen halbleitenden Epitaxialschicht 9-1 aus dem folgenden Bereich gewählt:

1×10¹³ cm^-3 N₁ 1×10¹⁶ cm^-3 (13)

Die obigen Bedingungen (A), (B), (C) und (D) sind für die in den Fig. 15 und 13 dargestellten Ausbildungen vorgesehen. Unter den in den Fig. 13 und 15 dargestellten Ausbildungen ist auch eine Ausbildung möglich, die keinen Isolator 2 enthält. Da der Isolator 2 in den meisten Fällen sehr dünn ist, treten keine großen Änderungen weder in der Fortpflanzungsart der akustischen Oberflächenwellen noch im Potentialverlust in den Halbleiter beim Fehlen des Isolators 2 auf. Die Benutzung der Bedingungen (A), (B), (C) und (D) ist daher auch zweckmäßig beim Fehlen des Isolators 2 bei den in den Fig. 15 und 13 dargestellten Ausbildungen.

Wie es oben beschrieben wurde, wird durch die Erfindung ein monolithischer SAW-Wendelleiter mit gutem Wirkungsgrad und gutem Temperaturgang geschaffen.

Der erfindungsgemäße Wendelleiter kann nicht nur bei allen Vorrichtungen, die einen SAW-Wendelleiter verwenden, sondern auch bei anderen Vorrichtungen wie beispielsweise Korrelatoren, SSC-Kommunikationsvorrichtungen, Radarvorrichtungen, Videoverarbeitungsvorrichtungen, Fourier-Transformatoren usw. angewandt werden.

Claims

1. Monolithischer Oberflächenwellen-Wendelleiter mit einer Anordnung aus einer dünnen piezoelektrischen Schicht, einem Isolator, einer dünnen halbleitenden Epitaxialschicht und einem hochkonzentrierten halbleitenden Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne halbleitende Epitaxialschicht eine Stärke L im folgenden Bereich hat: W _max < L W _max + 2 µmwobei W _max die maximale Verarmungsbreite ist, die gegeben ist durch: wobei N die Störstellendichte der dünnen Epitaxialschicht, n _i die Eigenladungsträgerdichte der dünnen Epitaxialschicht, ε _s die Dielektrizitätskonstante der dünnen Epitaxialschicht, k die Boltzmann-Konstante, e die Elementarladung und T die absolute Temperatur bezeichnen.

2. Wendelleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter Silizium (Si) ist, und daß die Störstellendichte N der dünnen Epitaxialschicht im folgenden Bereich liegt: 1×10¹³ cm^-3 N 1×10¹⁶ cm^-3

3. Wendelleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter GaAs ist.

4. Wendelleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolator SiO₂ ist.

5. Wendelleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne piezoelektrische Schicht aus ZnO besteht.

6. Wendelleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne piezoelektrische Schicht aus AlN besteht.

7. Wendelleiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fortpflanzungsart der akustischen Oberflächenwellen die Sezawa-Welle ist.

8. Wendelleiter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenorientierung des Si (110) ist, und daß die Fortpflanzungsrichtung der akustischen Oberflächenwellen [100] ist.

9. Wendelleiter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenorientierung des Si (100) ist, und daß die Fortpflanzungsrichtung der akustischen Oberflächenwellen [110] ist.

10. Monolithischer Oberflächenwellen-Wendelleiter mit einer Anordnung aus einer dünnen piezoelektrischen Schicht, einem Isolator, einer zweiten halbleitenden Schicht, einer ersten halbleitenden Schicht und einem hochkonzentrierten halbleitenden Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite halbleitende Schicht dünne halbleitende Epitaxialschichten sind, deren Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt ist, und daß die Stärke L der dünnen halbleitenden Epitaxialschicht im folgenden Bereich liegt: l₂ < L l₂ + W _m + 2 µmwobei l₂ die Stärke der zweiten halbleitenden Schicht ist und W _m gegeben ist durch: wobei N₁ die Störstellendichte der ersten halbleitenden Schicht, n _i die Eigenladungsträgerdichte der ersten halbleitenden Schicht, e _s die Dielektrizitätskonstante der ersten halbleitenden Schicht, k die Boltzmann-Konstante, e die Größe der Elementarladung und T die absolute Temperatur bezeichnen.

11. Wendelleiter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter Silizium (Si) ist, und daß die Störstellendichte N₁ der dünnen Epitaxialschicht im folgenden Bereich liegt: 1×10¹³ cm^-3 N₁ 1×10¹⁶ cm^-3

12. Wendelleiter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter GaAs ist.

13. Wendelleiter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolator SiO₂ besteht.

14. Wendelleiter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne piezoelektrische Schicht aus ZnO besteht.

15. Wendelleiter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne piezoelektrische Schicht aus AlN besteht.

16. Wendelleiter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Fortpflanzungsart der akustischen Oberflächenwellen die Sezawa-Welle ist.

17. Wendelleiter nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenorientierung des Si (110) ist, und daß die Fortpflanzungsrichtung der akustischen Oberflächenwellen [100] ist.

18. Wendelleiter nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenorientierung des Si (100) ist, und daß die Fortpflanzungsrichtung der akustischen Oberflächenwellen [110] ist.