DE3909511A1

DE3909511A1 - Oberflaechenwellen-wandleranordnung

Info

Publication number: DE3909511A1
Application number: DE3909511A
Authority: DE
Inventors: Syuichi Mitsutsuka
Original assignee: Clarion Co Ltd
Current assignee: Faurecia Clarion Electronics Co Ltd
Priority date: 1988-03-24
Filing date: 1989-03-22
Publication date: 1989-10-05
Also published as: US4967113A; NL8900727A; FR2629235A1; FR2629235B1; GB8906598D0; GB2216742A; GB2216742B

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Oberflächen wellen-Wandleranordnung nach dem Oberbegriff des Patentan spruchs 1.

Die Fig. 13 und 14 zeigen eine erste und eine zweite Ausführungsform einer Oberflächenwellen-Wandleranordnung. In diesen Figuren ist mit 1 ein piezoelektrischer Film, mit 2 ein Isolator, mit 3 eine epitaktische Halbleiterschicht, mit 4 ein p-leitender oder n-leitender Halbleiter, mit 5 ein n-leitender oder ein p-leitender Halbleiter, mit 6 ein n⁺-leitendes oder p⁺-leitendes Halbleitersubstrat, mit 7 eine Gate-Elektrode, mit 8 eine Unterseitenelektrode, mit 9 eine kammförmige Elektrode, mit 10 eine Vorspannungsquelle, mit 11 ein Eingangsanschluß und mit 12 ein Ausgangsanschluß bezeichnet.

Bei der ersten Ausführungsform handelt es sich um eine monolithische Struktur, welche in einfacher Weise herstell bar ist und einen hohen Wandlerwirkungsgrad besitzt. Ihre Einzelheiten sind in "IEEE Trans. Sonics Ultrason., Vol. Su-32, Nr. 5, September 1985, Seiten 670-674 beschrieben.

Diese Wandleranordnung besitzt einen hohen Wandlerwirkungs grad, wenn sich ihre Halbleiteroberfläche in einem Verar mungszustand bzw. einem schwach invertierten Zustand befindet. In der praktischen Anwendung muß daher eine solche Gleichvorspannung an die Gate-Elektrode 7 angelegt werden, daß die Halbleiteroberfläche diesen Zustand annimmt. Eine derartige Vorspannung wird durch die Dotierungsdichte des Halbleiters, die Grenzflächenpegel-Dichte und die Umgebungs temperatur beeinflußt. Der Einfluß der Temperatur ist speziell wichtig, wobei sich der einen hohen Wert des Wandlerwirkungsgrades bewirkende Betriebsvorspannungsbereich in den meisten Fällen stark mit der Temperatur ändert. Auch wenn beispielsweise der Betriebsvorspannungsbereich oberhalb mehrerer Volt liegt, sinkt er bei einer hohen Temperatur um 80°C auf 1 Volt oder weniger.

Die zweite bekannte Ausführungsform einer Oberflächenwel len-Wandlerwirkungsanordnung arbeitet bei einer Vorspannung von 0 Volt (im folgenden als Oberflächenwellen-Wandleranord nung mit 0 Volt bezeichnet). Sie besitzt auf der Halbleiter seite eine Anordnung aus p-leitendem Halbleiter/n-leitendem Halbleiter/n⁺-leitendem Halbleiter oder einer Anordnung aus n-leitendem Halbleiter/p-leitendem Halbleiter/p⁺-leitendem Halbleiter, wobei die Dotierungsdichte und die Filmdicke in der oberen Halbleiterschicht 4 (p-leitender Halbleiter in der erstgenannten und n-leitender Halbleiter in der letztge nannten Anordnung) so gewählt sind, daß sich die gesamte Halbleiterschicht 4 bei einer Vorspannung von 0 Volt (V _B=0V) in eine Verarmungsschicht umwandelt. Da eine generell durch ein piezoelektrisches Element und einen Halbleiter gebilde te monolithische Oberflächenwellen-Wandleranordnung einen hohen Wandlerwirkungsgrad besitzt, wenn die Halbleiterober fläche sich in einem Verarmungszustand oder in einem schwach invertierten Zustand befindet, macht es dieser Zustand der Halbleiterschicht 4 möglich, die Wandleranordnung nach Fig. 4 auch bei einer Vorspannung von 0 Volt mit hohem Wandler wirkungsgrad zu aktivieren. Die Natur der Wirksamkeit bei einer Vorspannung von 0 Volt zeigt an, daß die äußere Vorspannungsquelle 10 nicht erforderlich ist und daß die bekannte Anordnung nach Fig. 14 zu einer Maßstabsverkleine rung der peripheren Schaltung und zu einer Kostenreduzierung beiträgt. Eine derartige Ausführungsform ist in der JP-OS 60-2 02 845 und in Autumn, 1976, "Preliminary Manus cripts for Applied Physics Academy Lecture", Seite 905 beschrieben.

Wird bei der Anordnung nach Fig. 14 die Vorspannung V _B geändert, so ändert sich der Wandlerwirkungsgrad entspre chend, wobei der einen hohen Wandlerwirkungsgrad bewirkende Vorspannungsbereich (im folgenden als "Betriebsvorspannungs bereich" bezeichnet) einer Vorspannung entspricht, welche die Halbleiteroberfläche in einen Verarmungszustand oder einen schwach invertierten Zustand ändert. Gelangt die Halbleiteroberfläche in einen Anreicherungszustand, so fällt der nichtlineare Wirkungsgrad des Halbleiters und damit der Wandlerwirkungsgrad entsprechend. Nimmt die Halbleiterober fläche einen invertierten Zustand an, so bewirkt der in der invertierten Ladungsschicht fließende Strom eine Joule-Wär me, wodurch die Ausbreitungsverluste der Oberflächenwellen entsprechend steigen, was zu einem großen Abfall des Wandlerwirkungsgrades führt. Da der Betriebsvorspannungsbe reich vom Oberflächenzustand des Halbleiters im oben beschriebenen Sinne abhängt, wird er durch die Dotierungs dichte des Halbleiters, die Grenzschichtpegel-Dichte und die Umgebungstemperatur beeinflußt. Um einen Betrieb mit einer Vorspannung von 0 Volt bei einer Anordnung nach Fig. 14 zu realisieren, ist es wichtig, daß die Vorspannung von 0 Volt (V _B=0V) unabhängig von möglichen Änderungen des Betriebs spannungsbereiches in Abhängigkeit von diesen Faktoren im Betriebsspannungsbereich gehalten wird. Zu diesem Zweck muß der Halbleiter eine geeignete Dotierungsdichte und Dicke besitzen, welche im Hinblick auf diese Faktoren richtig festgelegt werden. Der Einfluß der Temperatur ist speziell wichtig. Beispielsweise in einer Anordnung von ZnO/SiO₂/Si nimmt der Betriebsspannungsbereich manchmal bei hohen Temperaturen um 80°C ab, auch wenn der Betriebsspannungsbe reich bei Raumtemperatur oberhalb von mehreren Volt liegt. Um den Betrieb mit einer Vorspannung von 0 Volt in einem weiten Temperaturbereich sicherzustellen, ist es daher notwendig, einen genaueren Zustand der Halbleiterschicht 4 gemäß Fig. 14 einzustellen.

Da in der ersten Ausführungsform nach Fig. 13 die Gleichvor spannung an die Gate-Elektrode 7 angelegt werden muß, was zu einer Infiltration von elektrischen Ladungen in den piezo elektrischen Film 1 führt, bedarf es manchmal einer langen Zeit, um die Charakteristik der Anordnung zu stabilisieren. Es ist darauf hinzuweisen, daß dies durch die Tatsache bedingt ist, daß Ladungen in dem piezoelektrischen Film aufgrund des Vorhandenseins von Fangstellen oder einem Grenzschichtpegel im piezoelektrischen Film oder längs der Grenzschicht zwischen dem piezoelektrischen Film und dem Isolator entladen werden und daß eine lange Zeit erforder lich ist, bis die gesamte Ladungsverteilung im Gleichgewicht ist.

Um diese Nachteile zu vermeiden, ist vorgeschlagen worden, eine Vorspannung direkt und nicht über den piezoelektrischen Film an das Halbleitersubstrat 3 anzulegen. Derartige Anordnungen gemäß den Fig. 23 und 24 sind in "Applied Physics Letters", Vol. 31 Nr. 2, vom 15. Juli 1977, Seiten 63-65 beschrieben.

Bei den Anordnungen gemäß Fig. 23 und 24 ist der piezo elektrische Film 1 aus ZnO, der Isolator 2 aus SiO₂ und das Halbleitersubstrat 3 aus p-leitendem Si hergestellt. Mit 20 ist eine Steuerelektrode (n⁺-Si) und mit 21 eine Steuer vorspannungsquelle bezeichnet.

In den Anordnungen nach den Fig. 23 und 24 sind in einem Teil zwischen dem Isolator und dem Halbleiter Steuerelektro den 20 in vorgegebenen Abständen vorgesehen, wobei an diese Steuerelektroden eine Vorspannung V _J angelegt wird, um den Oberflächenzustand des Halbleiters direkt zu steuern. Gemäß der vorgenannten Druckschrift werden Steuerelektroden 20 in Form von n⁺-Si-Zonen verwendet, die durch Diffusion in das p-leitende Si-Substrat gebildet werden. Das Wandler-Aus gangssignal wird ebenso wie bei den oben diskutierten Ausführungsformen von der auf dem piezoelektrischen Film (ZnO-Film) angeordneten Gate-Elektrode 7 abgenommen. Da bei dieser Ausführungsform eine Vorspannung nicht über den piezoelektrischen Film 1 (ZnO-Film) angelegt wird, werden die oben diskutierten Nachteile vermieden, wobei das Ausgangssignal der Anordnung sofort auf eine Steuerspannung anspricht und die Charakteristik der Anordnung daher in kurzer Zeit stabilisiert wird.

Wie oben erläutert, wird bei den ersten beiden Ausführungs formen der Betriebsspannungsbereich durch die Dotierungs dichte des Halbleiters und die Grenzflächenpegel-Dichte bestimmt. Es ist daher oft schwierig, eine gewünschte Betriebsvorspannung zu realisieren, wobei in vielen Fällen die Herstellungsausbeute verringert wird.

Die erstgenannte Ausführungsform nach Fig. 13 hat daher den Nachteil einer Abnahme der Herstellungsausbeute speziell dann, wenn Elemente hergestellt werden, die in einem weiten Temperaturbereich bei einer Vorspannung von 0 Volt arbeiten. Die Herstellungskosten werden daher entsprechend hoch.

Bei den Anordnungen nach den Fig. 23 und 24 wird der Oberflächenzustand des Halbleiters 3 in einfacher Weise invertiert, wobei längs der Halbleiteroberfläche oft eine Minoritätsträger-Ladungsschicht erzeugt wird. Das Vorhanden sein einer derartigen Minoritätsträgerschicht bewirkt einen Stromfluß in dieser Schicht und Verluste durch Joule-Wärme, was wiederum zu einer Zunahme der Ausbreitungsverluste der längs der Wandleranordnung laufenden Oberflächenwellen führt. Bei den genannten Anordnungen ist daher eine Abnahme des Wandlerwirkungsgrades nicht vermeidbar, so daß es schwierig ist, einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen, wie dies bei der Anordnung nach Fig. 13 der Fall ist.

Die vorgenannten bekannten Anordnungen erfüllen daher nicht gleichzeitig die Forderung nach einem hohen Wandlerwirkungs grad und einem sofortigen Ansprechen auf eine Vorspannung.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine monolithische Wandleranordnung mit einem weiten Betriebs spannungsbereich und einer verbesserten Herstellungsausbeute anzugeben.

Die Anordnung soll dabei insbesondere bei einer Vorspannung von 0 Volt arbeiten und einen weiten Betriebsspannungsbe reich in einem weiten Temperaturbereich besitzen.

Darüber hinaus soll sie einen hohen Wandlerwirkungsgrad und eine Charakteristik besitzen, die hinsichtlich einer Vorspannung in kurzer Zeit stabilisiert wird.

Diese Aufgabe wird bei einer Oberflächenwellen-Wandleranord nung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch das Merkmal des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

In Weiterbildung der Erfindung ist bei einer Mehrschichtan ordnung mit piezoelektrischem Element/Isolator/Halbleiter eines ersten Leitungstyp/Halbleiters eines zweiten Leitungs typ/hochdotierter Halbleiter des zweiten Leitungstyps mit wenigstens einer kammförmigen Elektrode und einer Gate-Elek trode auf dem piezoelektrischen Element vorgesehen, daß zwischen dem Isolator und dem Halbleiter eine meanderförmige oder gezackte Grenzfläche vorgesehen ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist bei einer solchen Anordnung vorgesehen, daß eine meanderförmige oder gezackte Grenzfläche zwischen einem Isolator und einem Halbleiter vorhanden ist und daß längs der Grenzfläche an Stellen, an denen der Isolator dünn ist, eine Steuerelektro denreihe vorgesehen ist.

Der Betriebsspannungsbereich bei den bekannten Anordnungen nach den Fig. 13 und 14 entspricht einem Zustand, in dem die Halbleiteroberfläche in einen Verarmungszustand oder einen schwach invertierten Zustand verändert ist. Wird eine solche Vorspannung angelegt, daß die Halbleiteroberfläche in den bekannten Anordnungen eine inverten Zustand annimmt, so wird eine gleichförmige oder sogar invertierte Ladungsschicht 13 längs der Halbleiteroberfläche erzeugt, wie dies in Fig. 4 (a) dargestellt ist, wobei in der invertierten Schicht aufgrund eines Oberflächenwellenpotentials ein Strom fließt. In der invertierten Schicht treten daher durch Joule-Wärme bewirkte Verluste auf, wodurch sich die Oberflächenverluste der Oberflächenwellenfilter wesentlich erhöhen. Der Wandler wirkungsgrad nimmt daher im invertierten Zustand der bekannten Anordnungen stark ab. Fig. 4 zeigt ein Beispiel für den Fall eines n-leitenden Halbleiters. Bei der erfin dungsgemäßen meanderförmigen oder gezackten Struktur ist dagegen die Verteilung von invertierten Ladungen im inver tierten Zustand an der Halbleiteroberfläche nicht gleichför mig sondern nimmt die Konfiguration nach 4 (b) an, in der invertierte Ladungen in versetzten Isolatorteilen gefangen sind.

Speziell wenn das Meanderintervall P klein ist, ist der Einfangeffekt groß, wobei die Ladungen tief gegen die invertierte Seite vorgespannt werden, so daß auch bei höherer Temperatur in den versetzten Isolatorbereichen die invertierte Schicht erzeugt und ein weiter Vorspannungsbe reich erreicht wird.

Einer von vielen Unterschieden zwischen der erfindungsgemä ßen Anordnung und der bekannten Anordnung nach Fig. 14 liegt in der Art und Weise, wie die Steuerelektroden angeordnet sind. In der bekannten Anordnung nach Fig. 24 sind speziell periodische Steuerelektroden unter dem Isolator (SiO₂-Film) mit gleichförmiger Dicke vorgesehen. Im Gegensatz dazu ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Steuerelektroden unter dem einen periodisch meanderförmigen Rand aufweisenden Isolator und an Isolatordünnstellen vorgesehen sind (an Stellen, an denen der Isolator vom Halbleiter aus gesehen, gegen den piezoelektrischen Film hin versetzt ist). Wie im folgenden noch beschrieben wird, kann durch die erfindungs gemäße mäanderförmige oder gezackte Struktur eine wirksame Abführung von längs der Halbleiteroberfläche erzeugten Minoritätsträgern erreicht werden, wodurch im Vergleich zur bekannten Anordnung ein höherer Wandlerwirkungsgrad reali sierbar ist.

Weitere spezielle Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemä ßen Oberflächenwellenfilter-Wandleranordnung;

Fig. 2 einen Schnitt zur Erläuterung der Theorie der Ausführungsform nach Fig. 1.

Fig. 3 einen Schnitt aus dem die meanderförmige oder gezackte Konfiguration der Grenzfläche zwischen einem Isolator und einen Halbleiter der gleichen Ausführungsform ersichtlich ist;

Fig. 4 und 5 jeweils einen Schnitt, welcher die Erzeugung einer Inversionsladungsschicht zeigt;

Fig. 6 ein Diagramm, das die Verluste in der invertierten Ladungsschicht zeigt;

Fig. 7 ein Diagramm, das den Wandlerwirkungsgrad und die Kapazität in bezug auf eine Vorspannung zeigt;

Fig. 8 einen Schnitt einer Oberflächenwellen-Wandleran ordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 9 und 10 jeweils einen Schnitt, welcher die in der Ausführungsform nach Fig. 8 erzeugte Inversionsla dungsschicht zeigt;

Fig. 11 ein Diagramm des Wandlerwirkungsgrades und der Kapazität in Abhängigkeit von einer Vorspannung bei der Ausführungsform nach Fig. 8;

Fig. 12 einen Schnitt, der eine meanderförmige oder gezackte Struktur der Grenzfläche zwischen einem Isolator und einem Halbleiter in der Ausführungs form nach Fig. 8 zeigt;

Fig. 13 eine perspektivische Ansicht der bereits erläuter ten Oberflächenwellen-Wandleranordnung;

Fig. 14 einen Schnitt der bereits erläuterten zweiten bekannten Oberflächenwellen-Wandleranordnung;

Fig. 15 einen Teilschnitt einer Oberflächenwellen-Wandler anordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 16 eine Draufsicht dieser Wandleranordnung;

Fig. 17 einen Teilschnitt einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Oberflächenwellen-Wandleran ordnung;

Fig. 18 einen Teilschnitt einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Oberflächenwellen-Wandleran ordnung;

Fig. 19 eine Draufsicht einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Oberflächenwellen-Wandleran ordnung;

Fig. 20 Ersatzschaltbilder von Steuerelektroden einer erfindungsgemäßen Oberflächenwellen-Wandleranord nung;

Fig. 21 ein Diagramm des Zusammenhangs zwischen dem Kopplungswiderstand und dem Wandlerwirkungsgrad F _T;

Fig. 22 einen Schnitt zur Erläuterung der Erzeugung einer invertierten Schicht; und

Fig. 23 und 24 eine Draufsicht bzw. einen Schnitt der bereits erläuterten weiteren bekannten Oberflä chenwellen-Wandleranordnung.

Bei der in Fig. 1 im Querschnitt dargestellten ersten Ausführungsform einer Oberflächenwellen-Wandleranordnung bezeichnen die gleichen Bezugszeichen wie diejenigen nach Fig. 13 identische oder äquivalente Elemente.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 liegt der Unterschied gegenüber der ersten bekannten Ausführungsform darin, daß die Dicke des Isolators 2 sich so ändert, daß die Grenzflä che zwischen Isolator und Halbleiter eine zackenförmige Fläche 2 a ist. Diese Grenzfläche 2 a ist unter der Gate-Elek trode 12 der Wandleranordnung vorgesehen und verläuft meanderförmig in der gleichen Richtung wie die Fortpflan zungsrichtung der Oberflächenwellen. Die Intervalle in der zackenförmigen Fläche 2 a brauchen über das Element nicht konstant zu sein. Die Zackenform ist jedoch in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ einer Oberflächenwelle auf der Wandleranordnung auf den folgenden Wert eingestellt:

worin P das Intervall der Zackenform bedeutet. Die Gleichung (1) stellt einen Zustand dar, mit dem verhindert wird, daß eine Oberflächenwelle auf dem Element durch die Zackenform stark reflektiert wird.

Für den piezoelektrischen Film 1, den Isolator 2 und den erfindungsgemäß verwendeten Halbleiter 3 können ebenso wie bei der ersten vorbekannten Anordnung verschiedene Materia lien verwendet werden. Beispielsweise können für den piezoelektrischen Film 1 ZnO, AlN usw., für den Isolator SiO₂, SiNx, usw. und für den Halbleiter Si, GaAs, usw. verwendet werden.

Das Halbleitersubstrat 6 kann ein epitaktisches Substrat (n/n⁺- oder p/p⁺-Substrat) sein, das durch epitaktisches Aufwachsen eines Halbleiters geringer Dotierungskonzentra tion auf einem Halbleiter hoher Dotierungskonzentration hergestellt wird, wie dies aus Fig. 2 ersichtlich ist. Die Ausbreitungsverluste von sich längs der Wandleranordnung fortpflanzenden Oberflächenwellen ist bei Verwendung eines epitaktischen Substrates gemäß Fig. 2 kleiner als bei Verwendung eines gleichförmigen Substrates, so daß sich im Ergebnis bei Verwendung eines epitaktischen Substrates ein größerer Wandlerwirkungsgrad ergibt. Die Verwendung des in der Figur dargestellten epitaktischen Substrates ist daher in der Praxis vorteilhaft.

Die Zackenform 2 a kann gemäß den Fig. 3A, B und C unter schiedlich ausgebildet sein. Bei den meisten normalen Herstellungsprozessen gestaltet sich eine Ausführungsform gemäß Fig. 3C einfacher als geradlinige Konfigurationen gemäß den Fig. 3A und B. Es sei darauf hingewiesen, daß als Zackenmuster 2 a auch Ausführungsformen verwendbar sind, die sich von denjenigen nach Fig. 3 unterscheiden und eine gezackte oder meanderförmige Grenzfläche zwischen dem Isolator und dem Halbleiter definieren.

Die Funktion der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird nun erläutert.

Es wird zunächst erklärt, warum die Grenzfläche zwischen dem Isolator und dem Halbleiter eine gezackte oder mäanderförmi ge Konfiguration aufweist.

Wie oben beschrieben, entspricht der Betriebsvorspannungsbe reich der bekannten Anordnung nach Fig. 13 einem Verarbei tungszustand bzw. einem schwach invertierten Zustand der Halbleiteroberfläche. Bei dieser bekannten Anordnung wird bei Anlegen einer Vorspannung zur Überführung der Halblei teroberfläche in einen invertierten Zustand eine gleichför mig invertierte Ladungsschicht längs der Oberfläche des Halbleiters 3 erzeugt, wie dies in Fig. 4A dargestellt ist. Dabei fließt in der invertierten Schicht aufgrund eines Potentials der Oberflächenwelle ein Strom. In der invertier ten Schicht treten daher durch Joule-Wärme erzeugte Verluste auf, wodurch die Ausbreitungsverluste der Oberflächenwelle stark zunehmen. In der vorbekannten Anordnung nach Fig. 13 wird daher der Wandlerwirkungsgrad im invertierten Zustand signifikant verringert. Es sei darauf hingewiesen, daß Fig. 4 ein Beispiel für den Fall eines n-leitenden Halbleiters zeigt.

Bei Verwendung einer gezackten Konfiguration im vorgenannten Ausführungsbeispiel ergibt sich andererseits, daß die Verteilung von invertierten Ladungen im invertierten Zustand keine gleichförmige Verteilung längs der Halbleiteroberflä che ist. Die Ladungsverteilung verhält sich vielmehr so, als ob Ladungen in ausgewählten Teilen gefangen wären, in denen der Isolator dünn bzw. versetzt ist, wie dies in Fig. 4B dargestellt ist. Als spezielle Beispiele zeigt Fig. 5 unterschiedliche Verteilungsformen von invertierten Ladungen einer Oberflächenwellen-Wandleranordnung einer Al/SiO₂/n-Si- Struktur, wie sie sich als Ergebnis einer Simulation ergeben. Die Fig. 5B und C zeigen den Fall unter der Annahme, daß die gezackte Struktur periodisch ist und eine Donatordichte des n-Si von 2×10¹⁴cm^-3 vorliegt. Wie ein Vergleich zwischen dem bekannten Fall nach Fig. 5A und den gezackten Strukturen nach Fig. 5B und C zeigt, sind inver tierte Ladungen (Minoritätsträger) in der gezackten Struktur so verteilt, als ob sie in bestimmten Teilen gefangen wären, in denen der Isolator 2 (SiO₂) versetzt und dünn ist. Ist insbesondere das gezackte Intervall P gemäß Fig. 5C klein, so ist der Einfangeffekt groß, d.h., die Ladungen werden tief zur invertierten Seite hin vorgespannt. Auch bei höherer Temperatur wird die invertierte Schicht hauptsäch lich in den Teilen erzeugt, in denen der Isolator 2 versetzt und dünn ist. Zwar enthält eine praktische Wandleranordnung zwischen dem Isolator (beispielsweise SiO₂) und Metall (beispielsweise Al) gemäß Fig. 5 einen piezoelektrischen Film 1. Der Einfangeffekt ist jedoch im wesentlichen gleich demjenigen nach Fig. 4.

Werden invertierte Ladungen im oben beschriebenen Sinne ge fangen, so können sie sich nur schwer in bezug auf das Oberflächenpotential bewegen, so daß die in der invertierten Ladungsschicht erzeugte Joule-Wärme im Vergleich zur vorbekannten Anordnung abnimmt. Fig. 6 zeigt das Ergebnis eines Vergleichs zwischen den Verlusten (Sp) in einer gezackten Struktur und den Verlusten (Su) bei der vorbekann ten Anordnung, wobei diese Verluste in den entsprechenden invertierten Ladungsschichten erzeugt werden. Speziell zeigt Fig. 6 den Zusammenhang zwischen dem gezackten Intervall P und dem Verlustverhältnis Sp/Su für ein Beispiel, bei dem die Länge a jedes Bereiches, in dem invertierte Ladungen gefangen werden, gleich 0 ist, die invertierten Ladungen positive Löcher sind, der Halbleiter Si ist, die Frequenz der Oberflächenwelle 215 MHz beträgt und die Wellenlänge gleich 24 µm ist. Gemäß Fig. 6 sind die Verluste Sp in der gezackten Struktur kleiner als die Verluste Su in der vorbekannten Anordnung, wobei Sp/Su mit kleiner werdendem gezackten Intervall P abnimmt. Daraus folgt, daß die in der invertierten Schicht erzeugten Verluste durch Verkleinerung des gezackten Intervalles P verringert werden können.

Fig. 7 zeigt den Zusammenhang zwischen der Vorspannung und dem Wandlerwirkungsgrad F _T in einer ZnO/SiO₂/n-Si-Struktur als Ergebnis einer Simulation zur Realisierung der Vorspan nungscharakteristik des Wandlerwirkungsgrades F _T einer Wandleranordnung bei Betrachtung einer solchen Abnahme der Verluste. Zum Vergleich ist in dieser Figur auch die C-V-Charakteristik (Kapazitäts-Spannungs-Charakteristik) der Gate-Elektrode der vorbekannten Anordnung dargestellt. In diesem Beispiel ist die Donatordichte des Si 1×10¹⁴cm^-3 und die Länge der Gate-Elektrode 1 gleich 40 mm. Weiterhin ist die Oberflächenwelle eine Sezawa-Welle bei einer Frequenz von 215 MHz. Der Wandlerwirkungsgrad F _T ist durch die folgende Gleichung gegeben:

F _T ≡ P _aus - P₁ - P₂ (2)

worin P ₁ und P ₂ die Eingangsleistung an zwei kammförmigen Elektroden und P _aus die Ausgangsleistung an der Gate-Elek trode bedeuten. Alle Größen sind in dBm angegeben. In Fig. 7 zeigt die Kurve die Charakteristik der vorbekannten Anordnung, die Kurve die Charakteristik einer gezackten Struktur mit a=1 µm und p=2 µm und die Kurve die Charakteristik einer gezackten Struktur mit a=0,5 µm und p=1 µm. Aus Fig. 7 ist ersichtlich, daß jede erfindungsge mäße gezackte Struktur auch bei einer Vorspannung V _B, welche tief in der invertierten Seite liegt, im Vergleich zur vorbekannten Anordnung einen hohen Wandlerwirkungsgrad besitzt und daß dieser hohe Wandlerwirkungsgrad F _T bei einer tieferen Vorspannung aufrechterhalten bleibt, wenn das gezackte Intervall kleiner wird. Die erfindungsgemäße gezackte Grenzfläche zwischen dem Isolator und dem Halblei ter macht es daher möglich, den Vorspannungsbereich im Vergleich zur vorbekannten Anordnung signifikant zu vergrö ßern. Wenn sich der Betriebsvorspannungsbereich aufweitet, so ist die Vorspannungseinstellung auch einfach, wenn die Anordnung in einem weiten Temperaturbereich betrieben wird, wobei eine genaue Vorspannungseinstellung wie bei der vorbekannten Anordnung nicht erforderlich ist. Weiterhin ergibt sich aus dem weiten Betriebsvorspannungsbereich der Vorteil, daß das Wandlerausgangssignal sich bei Änderung anderer Größen als der Temperatur, beispielsweise zeitliche Änderungen des Elementes oder Änderungen in der Ausgangsgröße des externen Vorspannungskreises nicht stark ändert. Die gezackten Strukturen erleichtern daher nicht nur die Vorspannungseinstellung sondern tragen auch zur Stabili sierung des Wandlerausgangssignals bei.

Wie oben ausgeführt, können für den piezoelektrischen Film, den Isolator und den Halbleiter im vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel verschiedene Materialien verwendet werden. Zur Vergrößerung des elektromechanischen Kopplungs effektes einer sich längs der Wandleranordnung ausbreitenden Oberflächenwelle und zu einer entsprechenden Erhöhung des Wandlerwirkungsgrades ist jedoch eine ZnO/SiO₂/n-Si-Struk tur bei der die sich ausbreitende Oberflächenwelle eine Sezawa-Welle ist, bevorzugt. In diesem Falle ist eine (110)- Oberfläche des Si bei einer (100)-Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle ziemlich vorteilhaft, da dadurch der elektromechanische Kopplungskoeffizient speziell vergrößert wird. Eine (100)-Oberfläche des Si bei einer (110)-Ausbreitungsrichtung einer Oberflächenwelle führt ebenfalls zu einem ziemlich großen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten, so daß es sich auch dabei um einen vorteilhaften Zustand handelt.

Fig. 8 zeigt eine Oberflächenwellen-Wandleranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, bei der die Ausgestaltung der Halbleiterseite durch einen p-leitenden Halbleiter/n-leitenden Halbleiter/n⁺-leitenden Halbleiter oder durch einen n-leitenden Halbleiter/p-leitenden Halblei ter/p⁺-leitenden Halbleiter gebildet wird, wie dies auch bei der vorbekannten Anordnung nach Fig. 14 der Fall ist. Bei der Ausführungsform nach Fig. 8 ist jedoch im Gegensatz zu der vorbekannten Anordnung die Dicke des Isolators 2 unterschiedlich, um eine Grenzfläche zwischen dem Isolator und dem Halbleiter in Form einer zackenförmigen Struktur 2 b zu realisieren, wobei die oberste Halbleiterschicht 4 längs der zackenförmigen Struktur 2 b vorgesehen ist. Die Zacken form ist unter der Gate-Elektrode 7 der Wandleranordnung so vorgesehen, daß sich eine Meanderform in Ausbreitungsrich tung der Oberflächenwelle ergibt. Das gezackte Intervall muß nicht notwendig über das Element konstant sein; es ist vielmehr in Bezug auf die Wellenlänge λ der Oberflächenwelle auf der Wandleranordnung auf einen Wert gemäß der Gleichung (1) eingestellt.

Der piezoelektrische Film, der Isolator und der Halbleiter der vorstehend genannten Ausführungsform können aus ver schiedenen Materialien hergestellt werden, wie dies auch bei der vorbekannten Anordnung nach Fig. 14 der Fall ist.

Die gezackte Konfiguration kann verschiedene Formen gemäß den Fig. 12A, B und C annehmen.

Die Funktion der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist die folgende.

Wie oben beschrieben, entspricht der Betriebsspannungsbe reich der vorbekannten Anordnung (Fig. 14) einem Verarmungs zustand oder einem schwach invertierten Zustand der Halb leiteroberfläche. Die Inversion zeigt hier eine Inversion in bauf die Halbleiterschicht 5 nach Fig. 14 nicht jedoch in bezug auf die oberste Halbleiterschicht 4 an. Ist beispielsweise der Halbleiter eine p/n/n⁺-Struktur, so wird die Erzeugung einer Ladungsschicht von positiven Löchern längs der Halbleiteroberfläche als "Inversion" bezeichnet (es handelt sich in diesem Fall um eine Version der n-Schicht und nicht der obersten p-Schicht). Diese Situation gilt auch für die Erläuterung der erfindungsgemäßen Ausfüh rungsform nach Fig. 8.

Wird bei der vorbekannten Anordnung eine Vorspannung zur Änderung der Halbleiteroberfläche in einen invertierten Zustand angelegt, so wird gemäß Fig. 9A längs der Halblei teroberfläche eine gleichförmige invertierte Ladungsschicht erzteugt. Wie oben beschrieben, treten in der invertierten Schicht in diesem Falle durch Joule-Wärme hervorgerufene Verluste auf, was zu einer Zunahme der Oberflächenwellen- Ausbreitungsverluste und einer Abnahme des Wandlerwirkungs grades führt. Der gemäß Fig. 9 verwendete Halbleiter besitzt eine p/n/n⁺-Struktur.

Bei Verwendung einer gezackten Konfiguration gemäß der vorstehend erläuterten Ausführungsform ergibt sich anderer seits, daß die Verteilung von invertierten Ladungen im invertierten Zustand keine gleichförmige Verteilung längs der Halbleiteroberfläche ist sondern sich so verhält, als ob in ausgewählten Teilen, in denen der Isolator gemäß Fig. 9B versetzt und dünn ist, Ladungen eingefangen würden.

Fig. 10 zeigt spezielle Beispiele für unterschiedliche Verteilungen von invertierten Ladungen in einer Oberflächen wellen-Wandleranordnung mit Al/SiO₂/p-Si/n-Si-Struktur, die sich aufgrund einer Simulation ergeben. Fig. 10B und C zeigen jeweils den Teil einer Periode unter der Annahme, daß die gezackte Struktur periodisch ist, wobei das Bezugszei chen 14 das Verarmungsende bezeichnet. In diesem Fall ist angenommen, daß die Donatordichte des n-Si 2×10¹⁴cm^-3 beträgt. Darüber hinaus ist die Dicke der p-Si-Schicht gleich 0,2 µm, wobei die Akzeptordichte einen Wert besitzt, welcher die gesamte p-Schicht bei einer Vorspannung von 0 Volt in einen Verarbeitungszustand überführt. Wie sich aus einem Vergleich des bekannten Falles nach Fig. 10A mit den gezackten Strukturen nach den Fig. 10B und C ergibt, sind invertierte Ladungen (positive Löcher) in den gezackten Strukturen so verteilt, als ob sie in ausgewählten Teilen, in denen der Isolator (SiO₂) versetzt und dünn ist, einge fangen wären. Ist speziell das gezackte Intervall P gemäß Fig. 10C klein, so ist der Einfangeffekt groß, wobei die invertierte Schicht auch hauptsächlich in den Teilen gebildet wird, in denen der Isolator dünn ist, wenn die Ladungen tief zur invertierten Seite hin vorgespannt werden. Zwar enthält eine praktische Wandleranordnung einen piezo elektrischen Film zwischen dem Isolator (SiO₂) und Metall (Al) gemäß Fig. 10; der Einfangeffekt ist jedoch dabei im wesentlichen gleich demjenigen nach Fig. 10.

Werden invertierte Ladungen im vorstehend beschriebenen Sinne eingefangen, so können sie sich nur schwer in bezug auf das Oberflächenpotential bewegen, so daß die in der invertierten Ladungsschicht 13 erzeugte Joule-Wärme im Vergleich zur vorbekannten Anordnung abnimmt.

Fig. 11 zeigt unterschiedliche Vorspannungscharakteristiken des Wandlerwirkungsgrades F _T der Wandleranordnung, welche sich aufgrund einer Simulation ergeben. Zum Vergleich ist in Fig. 11 auch die C-V-Charakteristik (Kapazitäts-Spannungs- Charakteristik) der Gate-Elektrode 7 dargestellt. Fig. 11 zeigt ein Beispiel der Vorspannungscharakteristik einer Wandleranordnung in Form einer ZnO/SiO ₂/p-Si/n⁺-Si-Struktur. In diesem Beispiel ist die Donatordichte der n-Si-Schicht gleich 2×10¹⁴cm^-3, wobei das Produkt der Akzeptordichte und der Schichtdicke der p-Si-Schicht (im folgenden "Dosis-Be trag" bezeichnet) für die Kurven und in Fig. 11 unterschiedlich ist. Die Kurve bezeichnet dabei Anderun gen des Wandlerwirkungsgrades F _T der vorbekannten Anordnung (Dosis-Betrag=3×10¹⁰cm^-2), während die Kurve 2 Änderun gen in einer gezackten Struktur (a=0,5 µm, p=1 µm, Dosis-Betrag=1×x10¹¹cm^-2) bezeichnet. Darüber hinaus ist die Oberflächenwelle eine Sezawa-Welle, die Frequenz gleich 215 MHz und die Gate-Länge gleich 40 mm. Der Wandlerwir kungsgrad F _T ist durch die Gleichung (2) gegeben. Fig. 11 zeigt, daß es die gezackte Struktur der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform möglich macht, nicht nur eine Aktivierung der Anordnung bei einer Vorspannung von 0 Volt wie bei der vorbekannten Anordnung sondern auch eine Zunahme des Betriebsspannungsbereiches, welcher größer als derjenige der vorbekannten Anordnung ist, zu realisieren. Dies ergibt sich daraus, daß im Gegensatz zu der vorbekann ten Anordnung die Verluste in der invertierten Schicht längs der Halbleiteroberfläche klein sind, wobei ein hoher Wirkungsgrad F _T selbst dann erhalten bleibt, wenn die Vorspannung tief in die invertierte Seite durchgreift. Der breite Betriebsspannungsbereich zeigt an, daß der Zustand für einen Betrieb mit einer Vorspannung von 0 Volt des Elementes leicht realisierbar ist. Um die vorbekannte Anordnung nach Fig. 14 bei einer Vorspannung von 0 Volt betreiben zu können, müssen die Dotierungsdichte und die Dicke der obersten Halbleiterschicht 4 auf Werte eingestellt werden, welche die gesamte oberste Schicht 4 bei einer Vorspannung von 0 Volt in einen Verarmungszustand überfüh ren. Im Gegensatz dazu ist bei der zweiten Ausführungsform nach Fig. 8 ein Zustand für invertierte Teile, in denen der Isolator gemäß Fig. 9B versetzt und dünn ist, ebenfalls als Zustand zur Realisierung eines Betriebs bei einer Vorspan nung von 0 Volt an Stelle eines Zustandes zur Überführung der obersten Halbleiterschicht 4 in einen Verarmungszustand zulässig. Dies ergibt sich daraus, daß der Betriebsspan nungsbereich auf eine Vorspannung erstreckt ist, welche im vorstehend beschriebenen Sinne tief in die invertierte Seite in der gezackten Struktur durchgreift. Dies zeigt, daß der bei der vorbekannten Anordnung erforderliche genaue Zustand zur Realisierung eines bei einer Vorspannung von 0 Volt in einem weiten Temperaturbereich arbeitenden Elementes nicht erforderlich ist, wodurch die Herstellung vereinfacht und eine Verbesserung der Herstellungsausbeute erreicht wird. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Erweiterung des Betriebs spannungsbereiches in der gezackten Struktur in der inver tierten Seite und nicht in der angereicherten Seite auf tritt. Um einen Betrieb bei einer Vorspannung von 0 Volt zu realisieren, ist daher ebenso wie in der vorbekannten Anordnung das Vorhandensein der obersten Halbleiterschicht 4 unerläßlich.

Die Fig. 15 und 16 zeigen eine dritte erfindungsgemäße Ausführungsform. Dabei bezeichnen die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 23 identische oder äquivalente Elemente, wobei das Bezugszeichen 24 einen Widerstand bezeichnet.

Ein weiterer Unterschied zwischen der erfindungsgemäßen Oberflächenwellen-Wandleranordnung und der vorbekannten Anordnung nach den Fig. 23 und 24 besteht gegenüber den bereits erläuterten Unterschieden darin, daß erfindungsgemäß entsprechende Elektroden einer Steuerelektrodenreihe 22 miteinander verbunden und eine Vorspannungsquelle 23 über diesen Widerstand 24 angeschlossen ist. Die erfindungsgemäße Steuerelektrode kann ebenso wie bei der vorbekannten Anordnung (Fig. 23) ein hochdotierter Halbleiter mit sich vom Leitungstyp des Halbleitersubstrats 3 unterscheidendem Leitungstyp sein (p⁺-leitender Halbleiter, wenn das Halblei tersubstrat n-leitend ist und n⁺-leitender Halbleiter, wenn das Halbleitersubstrat p-leitend ist). Die Steuerelektrode kann auch aus Metall hergestellt sein. Wird Metall für die Steuerelektrode verwendet, so ist die Verbindung durch den Widerstand 24 unerläßlich. Der Grund dafür wird im folgenden bei der Funktionserläuterung angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, daß der Übergang zwischen der Steuerelektrode und dem Halbleitersubstrat ein p/n-Übergang ist, wenn als Steuerelektrode ein hochdotierter Halbleiter verwendet wird. Bei Verwendung von Metall für die Steuerelektrode ergibt sich ein Schottky-Kontakt.

Für den piezoelektrischen Film, den Isolator, den Halblei ter, die Steuerelektroden und den Widerstand können erfin dungsgemäß verschiedene Materialien verwendet werden. Beispielsweise kann für den piezoelektrischen Film ZnO oder AlN, für den Isolator SiO₂ oder SiNx und für den Halbleiter Si oder GaAs verwendet werden. Im Falle der Herstellung der Steuerelektrode aus Metall kann beispielsweise Al, Al/Ti oder AU verwendet werden, wobei der Widerstand durch Einbringen von Dotierungen in das Halbleitersubstrat oder durch Aufbringen einer dünnen Schicht aus amorphen Si gebildet werden kann.

Das Halbleitersubstrat kann ein epitaktisches Substrat sein, das durch epitaktisches Aufwachsen eines Halbleiters 25 mit geringer Dotierung auf einem Halbleitersubstrat 26 mit hoher Dotierung hergestellt wird, wie dies in Fig. 17 dargestellt ist (n/n⁺-Substrat oder p/p⁺-Substrat). Die Ausbreitungsver luste einer sich in der Wandleranordnung ausbreitenden Oberflächenwelle ist bei Verwendung eines epitaktischen Substrates gemäß Fig. 17 kleiner als bei Verwendung eines homogenen Substrates, wodurch bei Verwendung eines epitakti schen Substrates auch ein größerer Wandlerwirkungsgrad erzielbar ist. Die Verwendung eines epitaktischen Substrates ist daher in der Praxis vorteilhafter.

Die Oberfläche des Halbleitersubstrates in Bereichen, auf denen kein piezoelektrischer Film vorhanden ist, kann gemäß Fig. 18 mit einem Isolator 2 überzogen werden.

Anstelle der Anordnung nach Fig. 17 kann eine Anordnung nach Fig. 19 verwendet werden, um an die Steuerelektrodenreihe 22 eine Vorspannung V _b anzulegen. Die Anordnung nach Fig. 19 ist eine Abwandlung, bei der die Vorspannung V _b von der Vorspannungsquelle 23 über den Widerstand 24 an sich gegenüberliegenden Enden der Steuerelektrodenreihe 22 angelegt wird.

Die Funktion der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist die folgende.

Diese Wandleranordnung stellt eine Verbesserung gegenüber der vorbekannten Anordnung nach Fig. 13 in der Hinsicht dar, daß ein sofortiges Ansprechen auf die Steuervorspannung und ein hoher Wandlerwirkungsgrad realisiert sind.

In der erfindungsgemäßen Oberflächenwellen-Wandleranordnung nach den Fig. 17 und 18 liefert die Steuervorspannungsquelle 23 eine solche Vorspannung V _b für die Steuerelektrodenreihe 22, daß der Oberflächenzustand des Halbleiters 3 direkt und nicht über den piezoelektrischen Film 1 gesteuert wird. Bei Aufrechterhaltung der Natur eines unmittelbaren Ansprechens auf das Anlegen der Steuervorspannung wie bei der vorbekann ten Anordnung wird darüber hinaus auch die Charakteristik der Anordnung in kurzer Zeit stabilisiert.

Die Realisierung eines höheren Wandlerwirkungsgrades bei der vorgenannten Wandleranordnung im Vergleich zur vorbekannten Anordnung ergibt sich aus den beiden Verbesserungen durch die Verwendung der gezackten Konfiguration des Isolators 2 sowie des Anschlusses der Steuerelektrodenreihe 22 über den Widerstand 24. Im folgenden wird erläutert, wie diese Verbesserungen im Hinblick auf die Erhöhung des Wandlerwir kungsgrades wirksam werden. Bei der vorbekannten und der erfindungsgemäßen Anordnung mit einer Steuerelektrodenreihe sind ein Widerstand r _b des die Elektroden anschließenden Leitungselementes, ein durch die Oberflächenladungsträger des Halbleiters hervorgerufener Widerstand r _c und ein Widerstand r _a der Elektroden selbst gemäß Fig. 20A zwischen den Elektroden wirksam, wobei benachbarte Elektroden als ganzes als durch einen Kopplungswiderstand R _s miteinander verbunden angesehen werden können, wie dies Fig. 20B zeigt. In Fig. 20 ist mit 27 ein Oberflächenträger und mit 28 ein Kopplungswiderstand bezeichnet, wobei Fig. 20A ein durch die entsprechenden Elemente gegebenes Ersatzschaltbild und Fig. 20B ein durch den Kopplungswiderstand gegebenes Ersatz schaltbild zeigt. Es gilt dabei:

Der Kopplungswiderstand R _s hat einen starken Einfluß auf den Wandlerwirkungsgrad F _T. Fig. 21 zeigt den Zusammenhang zwischen R _s und F _T. Dies ist ein Beispiel für die Charakte ristik einer Wandleranordnung mit einer Zno/SiO₂/n-Si- Struktur. In diesem Beispiel ist die Donatordichte des Si gleich 2×10¹⁴cm^-3, die Gate-Länge gleich 40 mm, die Breite der Steuerelektrode gleich 2,5 µm und die Periode bzw. das Intervall der Steuerelektrode gleich 5 µm. Darüber hinaus ist die Oberflächenwelle eine Sezawa-Welle und die Frequenz gleich 215 MHz. Der Wirkungsgrad F _T ist durch die folgende Gleichung gegeben:

F _T = P _aus - PO₁ - P₂ (4)

worin P ₁ und P ₂ die Eingangsleistung für zwei kammförmige Elektroden und P _aus die Ausgangsleistung an der Gate-Elek trode bezeichnen. Diese Größen sind in dBm angegeben.

Aus Fig. 21 ist ersichtlich, daß F _T minimal ist, wenn R _s näherungsweise mehrere kΩ beträgt. Für die Realisierung eines hohen Wertes des Wirkungsgrades F _T oberhalb -50 dBm unter einem Gate mit 40 mm ist als Kopplungswiderstand R _s ein großer Widerstand oberhalb von 100 kΩ erforderlich. Zur Vergrößerung des Wandlerwirkungsgrades F _T ist die Verwendung einer Anordnung bevorzugt, in der R _s so groß wie möglich ist. Erfindungsgemäß ist zur größtmöglichen Erhöhung von R _s die Erfindung der gezackten Konfiguration des Isolators und der Anschluß der Steuerelektroden über einen Widerstand vorgesehen.

Einer der Faktoren, welcher einen großen Einfluß auf R _s haben, ist der durch Oberflächenträger des Halbleiters hervorgerufene Widerstand r _c, wie dies in Fig. 20 und in Gleichung (3) zum Ausdruck kommt. Zur größtmöglichen Erhöhung von r _c muß die Halbleiteroberfläche in einen Verarmungszustand überführt und die Erzeugung einer durch Minoritätsträger hervorgerufenen invertierten Schicht verhindert werden. Bei der vorgenannten Ausführungsform wird die gezackte Konfiguration des Isolators 2 sowie die Anordnung der Steuerelektrodenreihe 22 an Stellen ausge nutzt, wo der Isolator dünn ist (oder an Stellen, an denen der Isolator von der Halbleiterseite her gesehen, gegen den piezoelektrischen Film versetzt ist), da diese Ausgestaltung zur Abführung von Minoritätsträgern von der Halbleiterober fläche vorteilhaft ist. Fig. 22 zeigt das Ergebnis eines Vergleichs zwischen der durch Minoritätsträger in der vorbekannten Anordnung hervorgerufenen Verteilung einer invertierten Schicht (Fig. 22A) und der erfindungsgemäßen gezackten Struktur (Fig. 22B), wobei es sich in beiden Fällen um eine Simulation handelt. In Fig. 22 ist mit 29 eine invertierte Schicht und mit 30 eine Verarmungsschicht bezeichnet. Fig. 22 zeigt ein Beispiel, bei dem die Steuer elektrode durch p⁺-Si (Akzeptordichte von 10¹⁸cm^-3 und Dicke von 0,4 µm) auf einem Si-Substrat mit einer Donator dichte von 2×10¹⁴cm^-3 gebildet ist. Aus Fig. 22 ist ersicht lich, daß zwischen den Elektroden in der gezackten Struktur selbst dann keine invertierte Schicht erzeugt wird, wenn zwischen den Steuerelektroden der vorbekannten Anordnung eine invertierte Schicht erzeugt wird. Wird zwischen den Elektroden eine invertierte Schicht erzeugt, so fallen r _c und R _s unter einige kΩ, wie dies aus Gleichung (3) hervorgeht. Dies führt gemäß Fig. 21 zu einer großen Verringerung des Wandlerwirkungsgrades F _T. Die Verwendung der erfindungsgemäßen gezackten Struktur ist daher zur Abführung von Minoritätsträgern vorteilhafter als die Verwendung einer vorbekannten Anordnung, so daß erfindungs gemäß der Wirkungsgrad F _T gegenüber der vorbekannten Anordnung vergrößerbar ist. Aus diesen Gründen wird erfin dungsgemäß die gezackte Struktur des Isolators verwendet. Fig. 22 zeigt ein Beispiel in Form eines p/n-Übergangs; die Verwendung von Metall unter Bildung eines Schottky-Kontaktes für die Steuerelektrode ist aber qualitativ identisch. Auch in diesem Fall kann durch die erfindungsgemäße gezackte Struktur der Wirkungsgrad F _T gegenüber der vorbekannten Anordnung vergrößert werden.

Andere Faktoren, welche R _s beeinflußen, sind r _a und r _b gemäß Fig. 20 und Gleichung (3). Der Widerstand r _a der Steuer elektrode selbst hängt von der Wahl des Elektrodenmaterials ab. Wird als Steuerelektrode ein hochdotierter Halbleiter verwendet, so ist eine Erhöhung von r _a auf 100 kΩ oder mehr durch Wahl einer geeigneten Dotierungsdichte und einer geeigneten Dicke der Steuerelektrode möglich. Entsprechend kann R _s auf einen ausreichend großen Wert erhöht werden, wie sich dies aus Gleichung (3) ergibt. Wird jedoch Al oder ein anderes Metall für die Steuerelektrode gewählt, so nimmt r _a auf einige Ohm oder weniger ab, so daß R _s nur dann ausrei chend erhöht werden kann, wenn r _b des Leiters erhöht wird, wie sich dies aus Gleichung (3) ergibt. Um r _b zu erhöhen, muß an Stelle des Leiters ein Widerstand verwendet werden. Speziell bei Verwendung eines Metalls für die Steuerelektro de ist es daher unerläßlich, die entsprechenden Elektroden durch den Widerstand 24 zu verbinden. Dies sind die wesent lichen Gründe, warum bei der vorgenannten Ausführungsform die Elektroden 22 durch den Widerstand 24 verbunden sind. Wird ein hochdotierter Halbleiter als Steuerelektrode 22 verwendet und der Widerstand der Elektrode selbst ausrei chend erhöht, so können entsprechende Elektroden an Stelle eines Widerstandes durch einen Leiter kleinen Widerstandes, wie beispielsweise Metall, verbunden werden. Zur Erhöhung des Widerstandes der Steuerelektrode ist es jedoch notwen dig, die Dotierungsdichte oder die Dicke der Elektrode etwas zu verringern, wodurch oft die Herstellungsausbeute verrin gert wird. Selbst wenn für die Steuerelektrode 22 ein hochdotierter Halbleiter verwendet wird, macht es in diesem Fall jedoch die Verbindung zwischen entsprechenden Elektro den durch den Widerstand möglich, R _s entsprechend zu erhöhen, so daß die Herstellung des hochdotierten Halblei ters nicht kritisch ist. Bei der vorstehend erläuterten Ausführungsform ist daher die Verbindung der Steuerelektroden 22 durch den Widerstand 24 nicht nur unerläßlich, wenn Metall oder auch ein hochdotierter Halbleiter für die Steuerelektroden verwendet wird.

Wie oben ausgeführt, können verschiedene Materialien für den piezoelektrischen Film, den Isolator und den Halbleiter für die vorstehend erläuterte Ausführungsform verwendet werden. Zur Erhöhung des elektromechanischen Koeffizienten der sich durch die Wandleranordnung ausbreitenden Oberflächenwelle ist es jedoch zweckmäßig, eine Anordnung aus ZnO/SiO₂/Si und eine Sezawa-Welle für die Oberflächenwellenausbreitung zu verwenden. In diesem Falle ist wegen der Erhöhung speziell des elektromechanischen Koeffizienten die Verwendung einer (110)-Fläche des Si mit der (100)-Richtung der Ausbreitung einer Oberflächenwelle zu verwenden. Auch die Verwendung einer (100)-Fläche des Si mit der (110)-Ausbreitungsrichtung einer Oberflächenwelle führt zu einem großen elektromechani schen Kopplungskoeffizienten, so daß es sich auch dabei um eine vorteilhafte Ausführungsform handelt.

Die erfindungsgemäße Oberflächenwellen-Wandleranordnung ist in vielen Anwendungsfällen möglich. Speziell ist sie in Korrelationsgeräten, SSC-Sendern, Radar-Geräten, Bildverar beitungsgeräten und Fouriertransformationsgeräten verwend bar.

Wie oben erläutert, ist es bei der ersten Ausführungsform der Erfindung möglich, dem Betriebsvorspannungsbereich im Vergleich zu einer vorbekannten Anordnung signifikant zu vergrößern. Die Erweiterung des Betriebsvorspannungsberei ches erleichtert eine Vorspannungseinstellung auch dann, wenn die Anordnung in einem weiten Temperaturbereich betrieben wird, wobei eine genaue Vorspannungseinstellung wie bei der vorbekannten Anordnung nicht notwendig ist. Darüber hinaus verringert ein derartig weiter Betriebsvor spannungsbereich Änderungen im Wandlerausgangssignal, die durch Änderungen anderer Faktoren als der Temperatur, beispielsweise durch Änderungen des Elementes in Abhängig keit von der Zeit, durch Änderungen der Ausgangsgröße der externen Vorspannungsschaltung usw. hervorgerufen werden.

Bei der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist keine externe Vorspannungsquelle erforderlich und es wird die Herstellungsausbeute verbessert, da eine Wandleranordnung mit einer Vorspannung von Null und einem weiten Betriebsvor spannungsbereich verwendet wird.

Gemäß der dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist es möglich, ein Wandleranordnungs-Verwendungssystem vorzusehen, das keine Aufwärmzeit erfordert und bei dem der Leistungs verbrauch verringert ist, da es sich um eine Wandleranord nung handelt, welche unmittelbar auf eine Vorspannung anspricht und einen ausgezeichneten Wirkungsgrad besitzt.

Claims

1. Akustik-Oberflächenwellen-Wandleranordnung in Form einer Mehrschichtstruktur aus einer piezoelektrischen Schicht (1), einer Isolatorschicht (2) und einer Halbleiter schicht (5, 6; 4, 5, 6; 25, 26) mit wenigstens einer kammförmigen Elektrode (9) und einer Gate-Elektrode (7), die auf der piezoelektrischen Schicht (1) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Isola tionsschicht (2) und der Halbleiterschicht (5, 6; 4, 5, 6; 25, 26) eine Grenzfläche mit Zackenform (2 a, 2 b) vorgesehen ist.

2. Wandleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht durch eine Halbleiterschicht (4) eines ersten Leitungstyps, einer Halbleiterschicht (5) eines zweiten Leitungstyps und einer hochdotierten Halbleiterschicht (6) des zweiten Leitungstyps gebildet ist und daß die gezackte Grenzfläche (2 b) zwischen der Isolationsschicht (2) und der Halbleiterschicht (4) des ersten Leitungstyps ausgebildet ist.

3. Wandleranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zackenform (2 a; 2 b) unter der Gate-Elektrode (7) vorgesehen ist und eine periodische Meanderform in Ausbreitungsrichtung einer Oberflächenwelle aufweist.

4. Wandleranordnung nach Anspruch 3, in der die Periode (P) der Zackenform (2 a; 2 b) gemäß folgender Formel von der Wellenlänge (λ) einer Oberflächenwelle abhängt: worin m eine positive ganze Zahl einschließlich 0 angibt.

5. Wandleranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Zackenform (2 a; 2 b) die Form von Kanonenaugen aufweist.

6. Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zackenform (2 a; 2 b) sägezahnförmig ausgebildet ist.

7. Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zackenform (2 a; 2 b) wellenförmig ausgebildet ist.

8. Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Leitungstyp vom p-Typ, der zweite Leitungstyp vom n-Typ und der hochdo tierte zweite Leitungstyp vom n⁺-Typ ist.

9. Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Leitungstyp vom n-Typ, der zweite Leitungstyp vom p-Typ und der hochdo tierte zweite Leitungstyp vom p⁺-Typ ist.

10. Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter durch Si gebildet und die Oberflächenwelle eine Sezawa-Welle ist.

11. Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenorientierung des Si (110) und die Ausbreitungsrichtung (100) ist.

12. Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenorientierung des Si (100) und die Ausbreitungsrichtung (110) ist.

13. Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch eine Steuerelektrodenreihe (22) mit längs der Grenzfläche in Bereichen, in denen die Isolationsschicht (2) versetzt und dünn ist, ausgebilde ten Elektroden.

14. Wandleranordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden der Steuer elektrodenreihe (22) aus einem hochdotierten Halbleiter des gleichen Materials und des anderen Leitungstyps der Halbleiterschicht (25, 26) hergestellt sind.

15. Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden der Steuer elektrodenreihe (22) zur Bildung eines Schottky-Kontak tes zwischen der Halbleiterschicht (25, 26) und sich selbst aus Metall hergestellt sind.

16. Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden der Steuer elektrodenreihe (22) durch einen Widerstand (24) auf der Halbleiterschicht (25, 26) hergestellt sind.

17. Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht (25, 26) in Form einer n-leitenden Halbleiter/n⁺-leitenden Halbleiter-Struktur oder in Form einer p-leitenden Halbleiter/p⁺-leitenden Halbleiterstruktur ausgebildet ist.

18. Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter aus Si hergestellt ist.

19. Wandleranordnung nach einen der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter aus GaAs hergestellt ist.

20. Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht (2) aus SiO₂ hergestellt ist.

21. Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht aus SiNx hergestellt ist.

22. Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Schicht (1) aus ZnO hergestellt ist.

23. Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 21 dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Schicht (1) aus AlN hergestellt ist.

24. Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter aus Si hergestellt und als Oberflächenwelle eine Sezawa-Welle verwendet ist.

25. Wandleranordnung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenorientierung des Si (110) und die Ausbreitungsrichtung (100) ist.

26. Wandleranordnung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenorientierung des Si (100) und die Ausbreitungsrichtung (110) ist.