DE3729333A1 - Oberflaechenwellen-wendelleiter - Google Patents
Oberflaechenwellen-wendelleiterInfo
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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.
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.
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
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 (18)
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.
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