DE3817728A1 - Oberflaechenwellenbauelement - Google Patents
OberflaechenwellenbauelementInfo
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- H03H9/02—Details
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Description
Die Erfindung betrifft ein Oberflächenwellenbauelement mit
monolithischem Aufbau, bei dem eine dünne piezoelektrische
Schicht auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist.
Oberflächenwellenbauelemente mit einem Aufbau, bei dem eine
dünne piezoelektrische Schicht auf einem Halbleitersubstrat
ausgebildet ist, sind bekannt. Oberflächenwellenbauelemente
mit diesem Aufbau sind auf vielen Anwendungsgebieten auf
grund ihres monolithischen Aufbaus sehr bedeutend, da die
Oberflächenwellenbauelemente und die dafür vorgesehenen
peripheren aktiven Schaltungen auf einem gemeinsamen Halb
leitersubstrat in integrierter Form ausgebildet werden können.
Ähnlich wie bei Oberflächenwellenbauelementen, die aus einem
piezoelektrischen Einkristall oder einem piezoelektrischen
keramischen Material bestehen, ist es auch bei Oberflächen
wellenbauelementen wie Filtern, Resonatoren, Oszillatoren
usw., die einen Aufbau aus einer dünnen piezoelektrischen
Schicht auf einem Halbleitersubstrat haben, wie er oben be
schrieben wurde, notwendig, daß die Geschwindigkeit und die
Mittenfrequenz der gebildeten akustischen Oberflächenwelle
sowie die Verzögerungszeit usw. sich nicht ändern und bezogen
auf Temperaturschwankungen stabil sind. Bei Oberflächenwellen
bauelementen aus einem piezoelektrischen Einkristall oder
einem piezoelektrischen keramischen Material ist es möglich,
eine ausgezeichnete Temperaturcharakteristik beispielsweise
dadurch zu erzielen, daß ein Substratmaterial, beispielsweise
ST geschnittener kristallisierter Quarz mit guter Temperatur
charakteristik, eine kristallographische Fläche und eine
Fortpflanzungsrichtung gewählt werden.
Im Gegensatz zu Oberflächenwellenbauelementen aus einem
piezoelektrischen Einkristall oder einem piezoelektrischen
keramischen Material ist es bei dem monolithischen Aufbau
aus einem Halbleitersubstrat aufgrund der Tatsache, daß das
Substratmaterial auf ein Halbleitermaterial wie beispiels
weise Silizium Si, Gallium-Arsenid (GaAs) und Silizium auf
Saphir begrenzt ist, im allgemeinen unmöglich, eine zufrie
denstellende Temperaturcharakteristik nur durch die Wahl des
Materials,der kristallographischen Fläche und der Richtung
zu erzielen.
Aus diesem Grunde wurde die Temperaturcharakteristik eines
Bauelementes bisher dadurch kompensiert, daß es aus zusammen
gesetzten Materialien einschließlich einer Glasschicht wie
beispielsweise einer relativ dicken Siliziumoxidschicht und
einer dünnen piezoelektrischen Schicht gebildet wurde. Das
ist ein Verfahren zum Kompensieren von Temperaturschwankungen,
das dazu dient, den sich ergebenden Temperaturkoeffizienten
des Bauelementes dadurch zu verringern, daß eine dünne Schicht
mit einem Temperaturkoeffizienten verwandt wird, dessen Vor
zeichen dem Vorzeichen entgegengesetzt ist, das der Tempera
turkoeffzient des Substratmaterials hat.
Bei dem obigen Verfahren der Kompensation der Temperatur
schwankungen wird nur auf die Wirkung geachtet, die haupt
sächlich durch den Temperaturkoeffizienten der dünnen Schicht
erhalten wird, und werden zur Kompensation von Temperatur
schwankungen für ein Halbleitersubstrat nur das Material,
die kristallographische Oberfläche und die Fortpflanzungs
richtung so gewählt, daß eine Temperaturcharakteristik er
halten wird, die so gut wie möglich ist, obwohl diese Wahl
unzureichend ist und in einem schmalen Bereich erfolgt. Die
Wahl des Substratmaterials erfolgt darüberhinaus im allge
meinen vorrangig vor der Temperaturcharakteristik in Abhängig
keit vom Anwendungsgebiet, der Funktion usw.
Durch die Erfindung soll ein Oberflächenwellenbauelement
geschaffen werden, das eine ausgezeichnete Temperaturcharak
teristik zeigt, indem der Temperaturkoeffizient des Materials
des Halbleitersubstrats verringert ist.
Dazu ist gemäß der Erfindung ein Dotierstoff mit hoher Dichte
in das Halbleitersubstrat eingebracht.
Aufgrund des Einbringens des Dotierstoffes mit hoher Dichte
in das Halbleitersubstrat in der oben beschriebenen Weise
kann der Temperaturkoeffizient des Substrates verringert wer
den und ist dann die Temperaturcharakteristik des Oberflächen
wellenbauelementes verbessert.
Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung besonders
bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrie
ben. Es zeigen
Fig. 1 eine Längsschnittansicht eines ersten Ausführungs
beispiels des erfindungsgemäßen Oberflächenwellen
bauelementes,
Fig. 2 eine Längsschnittansicht eines zweiten Ausführungs
beispiels des erfindungsgemäßen Oberflächenwellen
bauelementes und
Fig. 3-5 in graphischen Darstellungen die Temperaturcharak
teristik der Oberflächenwellenbauelemente.
Die Fig. 1 und 2 zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele
der Erfindung, von denen jedes aus einem mit hoher Dichte
dotierten Silizium-Substrat besteht.
In Fig. 1 sind ein einkristallines Silizium-Substrat 1, eine
darauf ausgebildete Siliziumschicht 2 mit niedrigem spezifi
schen Widerstand, eine dünne piezoelektrische Schicht 3 bei
spielsweise aus ZnO, AlN usw., die auf der Siliziumschicht
mit niedrigem spezifischen Widerstand ausgebildet ist, und
kammförmige Elektroden 4, 5 dargestellt, die auf der dünnen
piezoelektrischen Schicht ausgebildet sind, um akustische
Oberflächenwellen zu erzeugen und zu erfassen. Die oben er
wähnte Siliziumschicht 2 mit niedrigem spezifischen Wider
stand ist eine mit hoher Dichte dotierte Schicht. Diese
Siliziumschicht 2 mit niedrigem spezifischen Widerstand, die
eine hochdotierte Schicht ist, kann dadurch gebildet werden,
daß die Oberfläche des einkristallinen Siliziumsubstrates 1
einer Diffusion oder einer Ionenimplantation ausgesetzt wird
oder eine mit hoher Dichte dotierte dünne Siliziumschicht
auf dem einkristallinen Siliziumsubstrat 1 durch Aufdampfen
ausgebildet wird.
In Fig. 2 ist ein einkristallines Siliziumsubstrat 6 mit
niedrigem spezifischen Widerstand dargestellt, auf dem eine
dünne piezoelektrische Schicht 3 ausgebildet ist, auf der
die kammförmigen Elektroden 4 und 5 angeordnet sind. Das
einkristalline Siliziumsubstrat mit niedrigem spezifischen
Widerstand ist die mit hoher Dichte dotierte Schicht.
Die beschriebenen Dotierstoffe sind hauptsächlich Phosphor P,
Arsen As und Antimon Sb, die N-leitende dotierte Stoffe
sind, sowie Bor B, das ein P-leitender Dotierstoff ist.
Bei dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Aufbau der
Oberflächenwellenbauelemente bewirken die Siliziumschicht 2
mit niedrigem spezifischen Widerstand, die mit hoher Dichte
dotiert ist, und das einkristalline Siliziumsubstrat 6 mit
niedrigem spezifischen Widerstand eine Verringerung des Tempe
raturkoeffizienten der Oberflächenwellenbauelemente.
Bei anderen Ausführungsbeispielen, bei denen ein Passie
vierungseffekt und eine Verringerung des Temperaturkoeffi
zienten erwartet werden, können Glasschichten, wie bei
spielsweise Siliziumdioxidschichten, an der Grenzfläche
zwischen der Siliziumschicht 2 mit niedrigem spezifischen
Widerstand und der dünnen piezoelektrischen Schicht 3 und
auf der dünnen piezoelektrischen Schicht 3 bei dem in Fig. 1
dargestellten Aufbau sowie an der Grenzfläche zwischen dem
einkristallinen Siliziumsubstrat 6 mit niedrigem spezifischen
Widerstand und der dünnen piezoelektrischen Schicht 3 und
auf der dünnen piezoelektrischen Schicht 3 bei dem in Fig. 2
dargestellten Aufbau vorgesehen sein.
Fig. 3 und 4 zeigen in graphischen Darstellungen die Tempe
raturcharakteristik von Oberflächenwellenbauelementen mit
dem in Fig. 1 dargestellten Aufbau, wobei auf der Abszisse
die Temperatur T und auf der Ordinate die Frequenzänderungen F
aufgetragen sind.
In diesen graphischen Darstellungen zeigen die unterbrochenen
Linien die Temperaturcharakteristik bekannter Oberflächenwel
lenbauelemente, bei denen dünne piezoelektrische Schichten
auf einem N-leitenden einkristallinen Halbleitersubstrat
(Dotierstoff: Sb) mit niedrigem spezifischen Widerstand von
18/1000 Ω × m ausgebildet waren, während die ausgezogenen
Linien die Temperaturcharakteristik von Ausführungsbeispielen
des erfindungsgemäßen Oberflächenwellenbauelementes zeigen,
bei denen Schichten mit niedrigem spezifischen Widerstand
zwischen dünnen piezoelektrischen Schichten und einkristalli
nen Siliziumsubstraten durch Diffundieren von Phosphor P
als Dotierstoff durch die Oberfläche der einkristallinen Si
liziumsubstrate mit hoher Dichte in der oben beschriebenen
Weise ausgebildet wurden.
Die dünne piezoelektrische Schicht bei dem obigen Aufbau
besteht aus ZnO bei dem Oberflächenwellenbauelement von
Fig. 3, während sie aus AlN bei dem Oberflächenwellenbau
element von Fig. 4 besteht, in beiden Fällen ist sie
500 nm dünn ausgebildet.
Die kammförmigen Elektroden zum Erzeugen und Erfassen der
akustischen Oberflächenwellen sind auf der dünnen piezoelek
trischen Schicht ausgebildet und die Wellenlänge der akusti
schen Oberflächenwellen beträgt 14 µm. Die Mittenfrequenz
der akustischen Oberflächenwellen liegt in beiden Fällen
bei etwa 350 MHz.
Die Dotierstoffdichte in der Siliziumschicht mit niedrigem
spezifischen Widerstand beträgt 1,0×1020 cm-3 an der
Oberfläche und die Tiefe der Diffusionsschicht liegt bei
etwa 10 µm.
Bei den graphischen Darstellungen der Fig. 3 und 4 be
steht der Unterschied im Aufbau zwischen den Oberflächen
wellenbauelementen, deren Charakteristiken durch ausgezoge
ne und unterbrochene Linien dargestellt sind, nur darin,
daß die mit Phosphor P mit hoher Dichte dotierte Schicht
mit niedrigem spezifischen Widerstand vorhanden ist oder
fehlt. Bei den Oberflächenwellenbauelementen mit den in den
Fig. 3 und 4 dargestellten Charakteristiken ist ersicht
lich, daß die Temperaturcharakteristik eines Bauelementes
mit einer Schicht mit niedrigem spezifischen Widerstand
um etwa 5 bis 7 ppm/°C verbessert ist und daß somit die
Schicht mit niedrigem spezifischen Widerstand die Temperatur
charakteristik des Bauelementes verbessert.
Fig. 5 zeigt in einer graphischen Darstellung die Tempera
turcharakteristik eines Oberflächenwellenbauelementes mit
dem in Fig. 2 dargestellten Aufbau. Das Substrat ist ein
P-leitendes einkristallines Siliziumsubstrat (Dotierstoff:
B) mit einem spezifischen Widerstand von 18/1000 Ω × cm.
Die dünne piezoelektrische Schicht besteht aus AlN und ist
500 nm stark. Die Wellenlänge der akustischen Oberflächenwellen
beträgt 14 µm und ihre Mittenfrequenz liegt bei etwa 350 MHz.
Die Dotierstoffdichte des Siliziumeinkristalls mit niedrigem
spezifischen Widerstand liegt bei 5×1018cm-3 und ist im
gesamten Volumen gleichmäßig.
Aus der graphischen Darstellung von Fig. 5 ist ersichtlich,
daß das einkristalline Siliziumsubstrat mit niedrigem spezifi
schem Widerstand die Temperaturcharakteristik des Oberflächen
wellenbauelementes wesentlich verbessert. Weitere Meßergebnisse
zeigen, daß als Dotierstoff Bor B einen außerordentlich be
zeichnenden Einfluß auf die Verbesserung der Temperaturcharak
teristik hat.
Wie es oben beschrieben wurde, ist es möglich, die Temperatur
charakteristik des Bauelementes dadurch zu verbessern, daß
eine Siliziumschicht mit niedrigem spezifischen Widerstand,
in die ein Dotierstoff mit hoher Dichte eingeführt ist, in
das Oberflächenwellenbauelement eingebaut wird. Die Kompensa
tionswirkung auf den Temperaturkoeffizienten nimmt mit stei
gender Dotierstoffdichte zu und ist insbesondere dann merklich,
wenn die Dichte 1018cm-3 überschreitet.
Das erfindungsgemäße Verfahren der Kompensation von Tempera
turschwankungen kann weiterhin auch auf elektroakustische
Elemente angewandt werden, die aus Oberflächenwellenbauele
menten bestehen und die Wechselwirkung zwischen Trägern im
Halbleiter und der Oberflächenwelle ausnutzen.
Wenn eine Siliziumepitaxialschicht mit hohem spezifischen
Widerstand und einer für einen gegebenen Zweck geeigneten
Dotierstoffdichte auf der Siliziumschicht mit niedrigem spe
zifischen Widerstand oder dem einkristallinen Siliziumsubstrat
mit niedrigem spezifischen Widerstand angeordnet ist, wie es
oben beschrieben wurde, ist es möglich, die Temperaturcharak
teristik mittels der Schicht mit niedrigem spezifischen Wider
stand zu verbessern und gleichzeitig die notwendigen elektri
schen Funktionen mittels der Schicht mit hohem spezifischem
Widerstand sicherzustellen.
Wie es oben beschrieben wurde, ist es gemäß der Erfindung mög
lich, ein Oberflächenwellenbauelement mit ausgezeichneter
Temperaturcharakteristik dadurch zu verwirklichen, daß Dotier
stoffe mit hoher Dichte in das Halbleitersubstrat eingeführt
werden, so daß der Temperaturkoeffizient des Materials
des Halbleitersubstrates verringert wird oder das Vorzeichen
der Temperaturkoeffizienten umgekehrt wird.
Claims (4)
1. Oberflächenwellenbauelement gekennzeichnet
durch ein Halbleitersubstrat (1, 2; 6), das mit hoher Dichte mit
Dotierstoffen dotiert ist, eine dünne piezoelektrische Schicht
(3), die darauf ausgebildet ist,und Elektroden (4, 5) zum Er
zeugen und Aufnehmen einer akustischen Oberflächenwelle, die
auf der dünnen piezoelektrischen Schicht (3) angeordnet sind.
2. Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (1, 2)
aus einem einkristallinen Siliziumsubstrat (1) und einer darauf
angeordneten Siliziumschicht (2) mit niedrigem spezifischen Wi
derstand besteht, in die die Dotierstoffe in großer Dichte ein
gebracht sind.
3. Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (6)
aus einem einkristallinen Siliziumsubstrat mit niedrigem spe
zifischen Widerstand besteht, in das die Dotierstoffe mit
hoher Dichte eingebracht sind.
4. Oberflächenwellenbauelement nach einem der Ansprüche
1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotier
stoffdichte des Halbleitersubstrates (1, 2; 6) über 1018cm-3
liegt.
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