DE4100060C2

DE4100060C2 - Oszillator/Resonator für insbesondere superhohe Frequenzen

Info

Publication number: DE4100060C2
Application number: DE4100060A
Authority: DE
Inventors: Ronald Legge; Curtis D Moyer
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1990-01-03
Filing date: 1991-01-03
Publication date: 1995-06-08
Anticipated expiration: 2011-01-04
Also published as: DE4100060A1; CA2033318A1; CA2033318C; MX167068B; JPH0537287A; US5023503A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Schwingungssignale, insbesondere Stromsignale sehr hoher Frequenz gemäß Anspruch 1. Die Erfindung betrifft ferner Resonatoren entsprechend den Ansprüchen 6 und 12 und insbesondere piezoelektrischer Resonatoren und Oszillatoren, welche in andere elektronische Einrichtung integriert werden können.

Bei der Gestaltung von Radioempfängern, insbesondere Ruf empfängern, Zellfunktelefonen und Mikrowellensatelliten kommunikationssystemen, ist es erforderlich, daß die Bau teile, die das System bilden, einen Platzbedarf haben, der so gering wie möglich ist. Es ist erwünscht, daß möglichst viele Bauteile bzw. Komponenten in einen einzelnen integrier ten Schaltkreis integriert werden können. Diese Integration verringert die erforderlichen Verbindungen, wodurch der Funkempfänger eine verbesserte Betriebssicherheit erreicht und die Herstellkosten herabgesetzt werden.

Neben der verringerten Baugröße werden immer höhere Betriebs frequenzen allgemein gebräuchlich. Dies führt zur Verwen dung von Halbleitermaterialien, welche im Gigahertz(GHz)- Frequenzbereich arbeiten können, und welche für die elektro nischen Komponenten verwendet werden. Integrierte Schalt kreise, welche in Galliumarsenid hergestellt sind, können bei diesen Freqenzen betrieben werden. Ein grundsätzliches Problem beim Betrieb von Hochfrequenzempfängern besteht jedoch in der Erzeugung hochfrequenter elektrischer Schwin gungssignale, welche sowohl für die Übertragung der Infor mation als auch für den Empfang der Information verwendet werden. In gleicher Weise benötigt man Resonatorschaltkreise, welche als Hochfrequenzfilter im Gigahertzfrequenzbereich verwendet werden können.

Es ist seit einiger Zeit bekannt, daß bekannte kristalline Stoffe piezoelektrische Eigenschaften haben. Insbesondere existiert ein sogenannter direkter piezoelektrischer Effekt, bei welchem elektrische Ladungen an Kristalloberflächen beim Anwenden äußerer Spannung erscheinen. In gleicher Weise exi stiert ein umgekehrter piezoelektrischer Effekt, bei welchem der Kristall eine Verformung bzw. Deformation zeigt, wenn eine elektrische Ladung mit Hilfe äußerer Mittel auf die Oberflächen des Kristalls aufgebracht wird. Diese Effekte werden seit mehreren Jahren bei Kristalloszillatoren und anderen Einrichtungen, in welchen eine große Anzahl an aku stischen Wellen durch einen Kristall, insbesondere zwischen Elektrodenplatten an entgegengesetzten Kristallseiten, über tragen werden, ausgenützt.

Im allgemeinen werden Quarzkristalle verwendet, um hoch frequente Oszillatoren und Resonatoren herzustellen. Diese Quarzoszillatoren werden auch akustische Volumenwellengeräte genannt, da akustische Wellen durch das Volumen bzw. die Masse des Kristalls hindurchschreiten. Quarzkristalloszilla toren können jedoch nicht mit anderen Komponenten integriert werden. Es ist daher erforderlich, daß sie an die anderen Komponenten von beispielsweise PC-Bords oder Hybridsubstraten angekoppelt werden. Darüber hinaus begrenzt die Technologie der Quarzkristalloszillatoren ihre Schwingfähigkeit bei höheren Frequenzen. Die Verwendung von Volumenwellen auf diese Weise führt zu Kristalloszillatoren und Filtern mit guter Temperaturstabilität. Jedoch sind die Frequenzen auf etwa 200 Megahertz (MHz) aufgrund äußerst hoher Kapazität beschränkt, wobei die oberste Frequenzgrenze typischerweise eher unter 50 MHz fällt. Folglich können höhere Frequenzen ohne die Anwendung von Mehrkomponenten, wie beispielsweise Frequenzvervielfacher, nicht erhalten werden. Wenn höhere Frequenzen von Frequenzvervielfachern abgeleitet werden, lei det darunter die Genauigkeit und Stabilität. Da der Aufwand, die Genauigkeit und die Abmessung eines Frequenzverviel facherschaltkreises proportional zur erforderlichen Verviel fachung ist, ist es angebracht, die Frequenzvervielfachung so klein wie möglich zu halten.

Eine Resonatoranordnung mit einem piezoelektrischen Kristall ist in der US 4 282 454 beschrieben. Der durch ein Abstandsstück im Abstand zu einem Substrat gehaltene, in Form einer Platte ausgebildete Kristall weist auf seinen beiden Seiten Elektroden auf, wobei von Elektroden auf der dem Substrat abgewandten Seite des Kristalls Anschlußdrähte zu Leitbahnen auf dem Substrat geführt sind. Der piezoelektrische Kristall, in dem sich Volumenwellen ausbreiten, weist Abmessungen im Zentimeterbereich auf und ist daher nicht in andere Halbleitereinrichtungen integrierbar, d. h. nicht zusammen mit anderen Halbleitereinrichtungen nach den für die Herstellung von elektronischen Mikrostrukturen verwendeten Verfahren produzierbar.

Neben den akustischen Volumenwelleneinrichtungen gibt es andere piezoelektrische Einrichtungen, welche ebenfalls als elektroakustische Einrichtungen bezeichnet werden. Diese sind in zwei Grundkategorien unterteilt: akustische Ober flächenwellen (SAW) und akustische Oberflächenvolumenwellen (SBAW). Wie die Namen schon angeben, beziehen sich diese beiden Arten auf die Lage der akustischen Wellen in einem piezoelektrischen Film: an der Oberfläche oder knapp unter halb der Oberfläche. Einrichtungen, welche SBAW anwenden, werden immer mehr gebräuchlich, da diese stabiler sind als SAW-Einrichtungen, und da sie bei höheren Frequenzen arbei ten können.

Akustische Wellen werden in einem piezoelektrischen Film dadurch erzeugt, daß ein elektrisches Feld quer zum Film vorgesehen wird. Da die meisten piezoelektrischen Filme Isolatoren sind, ist es einfach, ein elektrisches Feld quer zum Film vorzusehen. Vertikalwellen können durch ein elek trisches Feld, welches an entgegengesetzten Oberflächen eines piezoelektrischen Films angelegt wird, erzeugt werden.

Lateralwellen können durch zwei Elektroden an einer einzel nen Oberfläche erzeugt werden. Wenn ein oszillierendes bzw. pulsierendes elektrisches Feld an den Film angelegt wird, wird eine schwingende akustische Welle erzeugt. Um einen akustischen Wellenoszillator/Resonator zu bilden, muß im Film eine stehende akustische Welle erzeugt werden. Die Frequenz der stehenden akustischen Welle ist eine Funktion der Einrichtungsgeometrie und der physikalischen Eigenschaf ten des piezoelektrischen Materials.

Es sind Techniken bekannt zur Feinbearbeitung von Silizium strukturen bei der Bildung von Membranen, Trägern und frei tragenden Trägern, welche dann oszillieren, wenn eine aku stische Welle in ihnen erzeugt wird. Da Silizium kein piezo elektrisches Material ist, können elektroakustische Einrich tungen nur dadurch hergestellt werden, daß eine piezoelek trische Schicht auf einer feinbearbeiteten Siliziumstruktur gebildet wird. Diese mechanisch feinbearbeiteten Strukturen ermöglichen einen höherfrequenten Betrieb, da kleinere Geo metrien verwendet werden im Vergleich zu Strukturen, welche unter Anwendung konventioneller Halbleiterbearbeitungs techniken gebildet werden. Da jedoch ein piezoelektrischer Film auf einer nichtpiezoelektrischen Halbleiterstruktur aufgebracht ist, wird der piezoelektrische Film selbst bei Anwendung von feinmechanischer Bearbeitung von einer Struktur getragen, die einen andersartigen Ruhezustand aufweist. Mechanische Kopplung zwischen dem piezoelektrischen Film und dem nichtpiezoelektrischen Material verursacht eine Dämpfung der akustischen Welle und eine Verringerung des Gütefaktors (Q) der akustischen Wellenfilter und Oszillatoren. Bislang sind jedoch Einrichtungen, bei denen nichtgestützte piezo elektrische Schichten verwendet werden, nicht erhältlich.

Es ist Aufgabe der Erfindung, neue Oszillatoren/Resonatoren zur Erzeugung eines elektrischen Schwingungssignals, insbesondere einer Stromschwingung mit äußerst hoher Frequenz, zu schaffen.

Lösungen dieser Aufgabe sind in den unabhängigen Ansprüchen 1, 6 und 12 angegeben.

Durch diese Erfindungslösungen, die im wesentlichen auf der selektiven Hinterätzung von auf Substrate aufgebrachten piezoelektrischen Schichten beruhen, lassen sich Vorrichtungen zur Erzeugung von Schwingungssignalen insbesondere von Stromschwingungen mit äußerst hoher Frequenz, vorteilhaft unter Integration in andere Halbleitereinrichtungen, herstellen. Dabei erhält man außerdem Resonatoren mit verbesserter Betriebssicherheit.

Gemäß den Lösungen der Ansprüche 1 und 6 wird ein Stromschwingungssignal dadurch erzeugt, daß zwischen der piezoelektrischen Schicht, dessen schwingender Teil sich der leitfähigen Schicht periodisch annähert, und der leitfähigen Schicht ein schwingender Tunnelstrom durch den Zwischenraum, welcher durch selektives Ätzen unter Bildung des schwingungsfähigen Teils der piezoelektrischen Schicht gebildet ist, fließt. Die im unabhängigen Anspruch 12 angegebene Lösung für einen Resonator zur Erzeugung eines elektrischen Schwingungssignals beruht darauf, daß durch stimulierte Schwingungen des durch Hinterätzen gebildeten schwingungsfähigen Teils der piezoelektrischen Halbleiterschicht schwingende Oberflächenladungen erzeugt werden, durch die eine Halbleitereinrichtung steuerbar ist, so daß entsprechend der Steuerung über die Halbleitereinrichtung ein schwingender Strom fließen kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die durch die Oberflächenladungen gesteuerte Halbleitereinrichtung eine Schottky-Diode auf. In einer anderen Ausführungsform umfaßt die Halbleitereinrichtung einen Feldeffekttransistor.

Bei allen vorgeschlagenen Lösungen kann der schwingungsfähige Teil der piezoelektrischen Schicht freitragend einseitig gestützt oder auf beiden Seiten des durch selektives Ätzen gebildeten Zwischenraum gestützt sein.

Als Mittel zur Stimulation einer akustischen Welle ist in vorteilhafter Weise wenigstens eine Antriebselektrode mit dem piezoelektrischen Film gekoppelt, wobei bevorzugt ein Schottky-Kontakt mit dem piezoelektrischen Film gebildet wird. Hierbei kann unter der Antriebselektrode durch den Schottky-Kontakt eine Sperrschicht gebildet werden. Ein un gefiltertes Wechselstromsignal wird an die Antriebselektrode gekoppelt, so daß eine akustische Welle erzeugt wird, wenn das ungefilterte Wechselstromsignal eine Komponente mit Reso nanzfrequenz enthält. Die Oberflächenladung auf dem piezo elektrischen Film, welche aus der Schwingung des Schwing hebels bzw. freitragenden Trägers resultiert, ermöglicht es der Resonanzfrequenzkomponenten des ungefilterten Wechsel stromsignals, durch die Sperrschicht hindurchzugelangen bzw. alternativ eine Halbleitereinrichtung zu schalten. Fer ner ist es möglich, daß die Resonanzfrequenzkomponente mit Hilfe eines Tunnelstromes durch den Hohlraum hindurchgeführt werden kann. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.

Anhand der Figuren wird die Erfindung noch näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einem Port-Resonator in einer frühen Herstel lungsstufe;

Fig. 2 einen Port-Resonator der Fig. 1 in einer späteren Herstellungsstufe;

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Resonator der Fig. 2;

Fig. 4 eine Querschnittsansicht eines zweiten Ausfüh rungsbeispiels der Erfindung mit einem Doppel- Port-Resonator;

Fig. 5 eine Draufsicht auf einen Doppel-Port-Resonator der Fig. 4;

Fig. 6 eine Querschnittsansicht eines dritten Ausfüh rungsbeispiels der Erfindung, das einen Resonator mit Verstärkung aufweist; und

Fig. 7 eine Draufsicht auf einen Resonator der Fig. 6.

Die Fig. 1 zeigt in stark vereinfachter Weise schematisch eine Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung, welches einen piezoelektrischen Resonator bei einer frühen Herstellungsstufe darstellt. Es sind ver schiedene Abänderungen dieses Grundaufbaus möglich und können unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einfacher Weise eingesetzt werden. Der piezoelektrische Resonator kann als diskrete Komponente bzw. diskreter Baustein hergestellt werden. Ferner kann er mit anderen elektronischen Einrich tungen in einer integrierten Schaltung integriert sein, um entweder eine abstimmbare Verstärker- oder eine Oszillator funktion zu erhalten. Ein abstimmbarer Verstärker bzw. Reso nanzverstärker wird durch Hinzufügen einer Verstärkerstruktur an den Resonator erhalten. Ein Oszillator wird durch Hinzu fügen einer Verstärkerstruktur und einer geeigneten Rück kopplung an den Resonator erhalten. Ein erstes und ein zwei tes Ausführungsbeispiel, welche an Resonator-Funktionen an gepaßt sind, werden im folgenden beschrieben. Ein drittes Ausführungsbeispiel erläutert einen Resonator mit einem tunnelnden Verstärkungselement. Die drei Ausführungsformen unterscheiden sich strukturell nur geringfügig voneinander. Durch diese Ausführungsformen werden jedoch verschiedene Betriebsarten erläutert, welche mit Hilfe der Erfindung durchgeführt werden können.

Beim ersten Ausführungsbeispiel enthält eine Halbleiter schicht 11 eine quasi isolierende Schicht bzw. Hochwider standsschicht. Ferner enthält die Halbleiterschicht ein III-V-Verbindungsmaterial, wie beispielsweise Galliumarsenid. Galliumarsenid ist in bevorzugter Weise geeignet, da andere hochfrequente Einrichtungen auf der gleichen Schicht herge stellt werden können, und ferner bekannte Halbleiterherstel lungstechniken zur Fertigung der Resonatorstruktur bzw. des Resonatoraufbaus eingesetzt werden können. Die Halbleiter schicht 11 kann auf einem anderen Haltleitersubstrat bzw. anderem, quasi isolierendem Substrat, beispielsweise durch ein Epitaxial-Aufwachsverfahren gebildet werden.

Beim ersten Ausführungsbeispiel wird eine Halbleiterschicht 14 aus einem dotierten Halbleitermaterial gebildet. Die Halbleiterschicht 14 wird als durchgehende Schicht ausge bildet, die die Halbleiterschicht 11 bedeckt. Eine piezo elektrische Schicht 13 wird als Überzug auf der Halbleiter schicht 14, welche als Träger für den Schwinghebel wirkt, gebildet. Die piezoelektrische Schicht 13 wird strukturiert und geätzt unter Anwendung herkömmlicher Halbleitertechniken. Wie noch zu ersehen ist, ist es erforderlich, daß die piezo elektrische Schicht 13 bezüglich der Halbleiterschicht 14 unterschiedlich ätzbar ist. Dies läßt sich in einfacher Weise dadurch erreichen, daß die Halbleiterschicht 14 Gallium arsenid (GaAs) aufweist und die piezoelektrische Schicht 13 Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) oder einen ähnlichen Halb leiter aufweist. Andere piezoelektrische Schichten können für die piezoelektrische Schicht 13 verwendet werden, soweit ein geeignetes Material als Halbleiterschicht 14, die den Schwinghebelsupport bildet, ausgewählt wird.

Die Fig. 2 stellt die in Fig. 1 gezeigte Struktur in einer späteren Herstellungsstufe dar. Nach Strukturierung und Ätzung der piezoelektrischen Schicht 13 wird die Halbleiter schicht 14 in der Weise selektiv geätzt, daß die piezoelek trische Schicht 13 unterschnitten ist. Die Ätzbehandlung hinterläßt einen Hohlraum 12 unter einem Schwinghebelteil 16 der piezoelektrischen Schicht 13. Der Schwinghebelteil 16 kann frei in den Hohlraum 12 schwingen, wie das durch die strichliert dargestellten ausgelenkten Schwinghebel 16′ und 16′′ gezeigt ist.

Eine Elektrode 17 bildet einen Schottky-Kontakt zur piezo elektrischen Schicht 13. Die Elektrode ist in unmittelbarer Nähe zum Schwinghebelteil 16 gebildet. Eine Elektrode 18 bildet einen Ohm′schen Kontakt zur einen mechanischen Support bildenden Halbleiterschicht 14. Diese Elektrode ist entfernt vom Schwinghebelteil 16 gebildet. Bei diesem ersten Ausfüh rungsbeispiel kann eine Spannung an die Elektrode 17 durch eine in Fig. 3 dargestellte Vorspannungsquelle 22 angelegt werden, so daß während des Betriebs der Schottky-Kontakt mit einer Vorspannung beaufschlagt ist. Ein Kontakt mit um gekehrter Vorspannung ergibt sich in einem quasi isolieren dem Bereich 19, der in Fig. 1 unterhalb der Elektrode 17 vorhanden ist. In diesem Bereich wird ein elektrisches Feld quer zur piezoelektrischen Schicht 13 erzeugt. Wenn ein Schottky-Kontakt verwendet wird, ist der quasi isolierende Bereich 19 lediglich eine Sperrschicht des Schottky-Kontak tes, wenn sie mit einer umgekehrten Vorspannung beaufschlagt ist. Durch geeignete Dimensionierung einer Null-Vorspannungs- Sperrschichttiefe des Schottky-Kontaktes ist es möglich, daß die Vorspannungsquelle 22 nicht erforderlich ist. Dieser Sperrschichtbereich ermöglicht ein oszillierendes elektri sches Feld und kann auch als Erregungsfeld bezeichnet werden. Dieses oszillierende elektrische Feld wird quer zur piezo elektrischen Schicht 13 erzeugt. Die Elektrode 18 kann mit der piezoelektrischen Schicht 13 kontaktiert sein, da der Sperrschichtbereich 19 einen Stromfluß von der Elektrode 18 zur Elektrode 17 verhindert.

Bislang hat man piezoelektrische Halbleiter nicht als aku stische Wellenresonatoren oder Oszillatoren verwendet wegen der schwierigen Erzeugung des Erregungsfeldes in ihnen bzw. quer zu ihnen. Durch die Verwendung eines Sperrschicht bereiches einer Schottky-Diode läßt sich jedoch diese Schwie rigkeit lösen. Zusätzlich zu einem Sperrschichtbereich kön nen andere geeignete Techniken verwendet werden. Beispiels weise kann unter dem Kontakt 17 eine Protonenimplantierung durchgeführt werden. Hierdurch wird halbleitendes AlGaAs bzw. GaAs in quasi isolierendes Material umgewandelt. Durch Umwandlung eines Teils der piezoelektrischen Schicht 13 in einen Isolator bzw. durch Verarmung von Ladungsträgern in diesem Teil kann ein Erregerfeld erzeugt werden.

Die Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf den in Fig. 2 darge stellten Resonator. Der Schwinghebelteil 16 hat in bevor zugter Weise Abmessungen von 1 Mikron×1 Mikron und er streckt sich über den Hohlraum 12. Die Elektrode 17 ist nahe an einem Rand des Schwinghebelteils 16 auf dem mechanischen Support 14, welcher in Fig. 3 nicht dargestellt ist, gebil det. Eine Zwischenverbindung 15 koppelt die Elektrode 17 an eine externe Signalquelle 21 und die Vorspannungsquelle 22. Wie oben schon erläutert wurde, kann die Vorspannungsquelle 22 auch ersetzt sein durch ein Null-Vorspannungspotential des Schottky-Kontaktes, und eine wirkliche Spannungsquelle ist dann nicht erforderlich. Es können verschiedene Elektro den 17, die mit der piezoelektrischen Schicht 13 gekoppelt sind, gebildet werden. In der Figur ist jedoch nur eine Elektrode dargestellt. Beim dargestellten ersten Ausfüh rungsbeispiel ist die Elektrode 17 an eine Gleichspannungs quelle als Vorspannungsquelle 22 angeschlossen. Diese hält den Schottky-Kontakt während des Betriebs bei umgekehrter Vorspannung. Die Elektrode 17 ist ferner an die schwingende externe Signalquelle 21 angeschlossen, welche eine Schwingung im frei tragenden Schwinghebelteil 16 hervorruft. Das von der Signalquelle 21 gelieferte Schwingungssignal kann ein Signal sein, das beispielsweise von einer Antenne, die an den Resonator gekoppelt ist, empfangen wird.

Techniken zur Bildung und Anordnung der Elektroden 17 für eine maximale piezoelektrische Kopplung an den frei tragen den Schwinghebelteil 16 sind bekannt. Beispielsweise kann die Elektrode bzw. können die Elektroden 17 so ausgebildet sein, daß akustische Oberflächenvolumenwellen (SBAWs) anstelle von akustischen Oberflächenwellen (SAWs) erzeugt werden. SBAWs sind gegenüber SAWs bevorzugt, da derartige Einrichtungen länger anwendbare Lebenszeiten aufweisen und durch Konta mination oder Alterung der piezoelektrischen Schicht 13 nicht wesentlich beeinträchtigt werden.

Anstelle eines frei tragenden Schwinghebels kann ein Schwinghebel bzw. Schwinghebelteil 16 verwendet werden, der als gestützter Schwinghebel ausgebildet ist, wie es bei einem zweiten Ausführungsbeispiel, das in den Fig. 4 und 5 dargestellt ist, der Fall ist. Ähnliche Techniken können verwendet werden zur Bildung einer Membran anstelle eines Schwinghebels 16. In den Fig. 4 und 5 werden für analoge Bauteile, welche in den Fig. 2 und 3 vorkommen, die gleichen Bezugszeichen verwendet. Wie die Fig. 5 zeigt, ist der voll abgestützte Schwinghebel 16 an seinen beiden Enden abgestützt. An diesen beiden entgegengesetzten Enden werden in vorteilhafter Weise die Elektroden 17 gebildet. Auf diese Weise wird eine größere Flexibilität beim Layout der Elek troden 17b gewährleistet. Eine der Elektroden 17 wird in der Weise eingesetzt, daß eine SBAW im Schwinghebel 16 erzeugt wird. Die andere Elektrode wird zur Erfassung der SBAW und zur Umwandlung der mechanischen Energie in ein elektrisches Signal angewendet. Die Gleichspannung liefernde Vorspannungs quelle 22, welche in Fig. 3 dargestellt ist, ist in Fig. 4 weggelassen. Sperrschichtbereiche 19 werden durch das Null- Vorspannungspotential der Schottky-Kontakte 17 gebildet. Von der nicht näher dargestellten Signalquelle 21 wird ein un gefiltertes Wechselspannungssignal an einen Port 23A ange legt, während der andere Port 23B zur Erfassung eines gefil terten Ausgangssignals verwendet wird. Obgleich die Grund frequenz und harmonische Frequenzen unterschiedlich sind, wenn verschiedene schwingende Strukturen verwendet werden, ist das Grundprinzip des Betriebs das gleiche bei der Aus führungsform mit dem frei tragenden Schwinghebel (Fig. 2 und 3) und bei dem voll abgestützten Schwinghebel (Fig. 4 und 5). Die Arbeitsweise der nach der Erfindung arbeitenden Ausführungsformen soll lediglich im Zusammenhang mit dem Aufbau, bei welchem der frei tragende Schwinghebel verwendet wird, erläutert werden.

Der in den Fig. 2 und 3 gezeigte Aufbau dient als Serien resonanzstruktur. Der Schwinghebel 16 besitzt eine Resonanz frequenz, die durch seine Geometrie bestimmt ist. Wenn ein ungefiltertes Wechelstromsignal von der Signalquelle 21 ge liefert wird und dieses Signal eine Komponente mit Resonanz frequenz enthält, wird dieses Signal an den quasi isolieren den Bereich 19 angelegt. Hierdurch wird der Schwinghebel 16 bei Resonanzfrequenz in Schwingungen versetzt. Das ungefil terte, von der Signalquelle 21 gelieferte Wechselstromsignal kann einen niedrigen Störabstand aufweisen und kann bei spielsweise ein von einer Antenne kommendes Signal sein. Unerwünschte Signalanteile, welche sich von der Resonanz frequenz unterscheiden, haben eine nur geringe Wirkung auf die Schwingung des Schwinghebels 16. Die Schwingung des Schwinghebels 16 verursacht insbesondere in der Nähe des Randes des mechanischen Supports 14 eine schwingende Ober flächenladung an der oberen Oberflächenseite und der unteren Oberflächenseite der piezoelektrischen Schicht 13. Diese schwingende Oberflächenladung erscheint insbesondere in der Nähe des abgestützten Randes des Schwinghebels 16. Diese Oberflächenladung schwingt mit Resonanzfrequenz, und es wird auf diese Weise das Signal mit Resonanzfrequenz durch den Sperrschichtbereich 19 piezoelektrisch hindurchgeleitet. Da nur Schwingungsanteile des von der Signalquelle 21 kommen den ungefilterten Wechselstromsignals, welche Resonanz frequenz haben, durch den Sperrschichtbereich 19 hindurch treten können, wird das Wechselstromsignal gefiltert.

Anstelle des Schottky-Kontaktes können auch andere Halb leiterschalter verwendet werden. Beispielsweise kann ein bipolarer Transistor verwendet werden, dessen Basis durch die piezoelektrische Schicht 13 angetrieben wird. Ferner kann ein Feldeffekttransistor verwendet werden, der einen Kanal aufweist, welcher in der Nähe der piezoelektrischen Schicht 13 angeordnet ist oder von dieser Schicht angetrie ben wird. Dieser Transistor kann zur Erfassung des Resonanz signals aus der bei Resonanz schwingenden Oberflächenladung verwendet werden. Diese Einrichtungen sind in gleicher Weise wirksam beim zweiten Ausführungsbeispiel in den Fig. 4 und 5 einsetzbar. Bei Verwendung von Transistoren als Sensor elemente bzw. Erfassungselemente wird ferner eine Struktur mit Resonanzverstärkung gewonnen.

Ein Querschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels ist schematisch in Fig. 6 dargestellt. Der strukturelle Aufbau dieses Ausführungsbeispiels ist ähnlich dem Ausführungs beispiel in der Fig. 2. Die Widerstandswerte und die Mate rialien für die Bestandteile in diesem Ausführungsbeispiel sind jedoch unterschiedlich gewählt zu den beiden vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen. Beim dritten Ausfüh rungsbeispiel besteht eine Schicht 31 aus einem leitfähigen Material und wird gebildet bevorzugt von N-Typ-GaAs bzw. -AlGaAs. In vorteilhafter Weise besitzt die Schicht 31 einen niedrigen Widerstandswert, so daß die Signalstärke nicht in Widerstandserwärmung in der Schicht 31 verlorengeht. Die Schicht 31 kann auf einem quasi isolierenden bzw. halblei tenden Substrat beispielsweise durch Epitaxial-Aufwachsen aufgebracht sein, wenn dies erwünscht ist.

Eine Isolationsschicht 42 ist auf der leitfähigen Schicht 31 gebildet, um diese elektrisch von darüberliegenden Schich ten zu isolieren. Die Isolationsschicht 42 kann ein quasi isolierendes Material mit einem breiten Bandabstand oder einen Bereich von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp gegen über der leitfähigen Schicht 31 aufweisen. Wie im einzelnen noch erläutert wird, dient die Isolationsschicht 42 haupt sächlich zur Isolierung eines Schwinghebels 36 von der leit fähigen Schicht 31. Es können auch andere geeignete Anord nungen und Techniken zur Anwendung kommen, um diese Isolation zu erreichen. Beispielsweise kann unter einer piezoelektri schen Schicht 33 eine Isolierschicht gebildet sein.

Eine mechanische Supportschicht 34, die piezoelektrische Schicht 33 und der Schwinghebel 36 sind durch selektive Ätzvorgänge in der gleichen Weise wie beim Ausführungs beispiel der Fig. 2 hergestellt. Beim dritten Ausführungs beispiel besitzt der Schwinghebel 36 jedoch einen niedrigen Widerstandswert, und gegenüber dem Schwinghebel 36 muß ein Ohm′scher Kontakt 38 hergestellt sein. In bevorzugter Weise ist der Ohm′sche Kontakt 38 sowohl mit der piezoelektrischen Schicht 33 als auch mit dem mechanischen Support 34 gekop pelt. Wie beim ersten Ausführungsbeispiel muß jedoch ein Erregerfeld an der piezoelektrischen Schicht 33 erzeugt werden, um eine akustische Welle zu stimulieren. Ein Schottky-Kontakt 37 bildet einen Sperrschichtbereich 39, welcher die Erzeugung des Erregerfeldes ermöglicht. Der Schottky-Kontakt 37 dient als Erregerelektrode und wirkt in der gleichen Weise wie der Schottky-Kontakt beim Ausfüh rungsbeispiel der Fig. 2 und 3.

Die Fig. 7 zeigt eine Draufsicht auf den in Fig. 6 gezeig ten Resonator. Dieser Aufbau ist im wesentlichen der gleiche wie der in Fig. 3 gezeigte Aufbau, ausgenommen, daß eine Öffnung 43 in der Elektrode bzw. dem Schottky-Kontakt 37 vorgesehen ist. Beide Teile der Elektrode 37 sind an einer vom Schwinghebel 36 entfernten Stelle miteinander verbunden. Der Einfachheit halber ist diese Verbindungsstelle, mit welcher die Elektrodenteile verbunden sind, nicht darge stellt. Die Öffnung 43 dient zur Ankopplung des Schwing hebels 36 an die Elektrode 38, so daß der Sperrschicht bereich 39, welcher in Fig. 6 dargestellt ist, einen Strom fluß zwischen der Elektrode 38 und dem Schwinghebel 36 nicht verhindert.

Während des Betriebs wird eine Schwingung im frei tragenden Schwinghebel 36 durch Anlegen eines Erregersignals einer Erregersignalquelle zwischen die Elektrode 37 und die Elek trode 38 erzeugt. Das Signal der Erregersignalquelle 44 wird bevorzugt durch ein positives Rückkopplungsnetzwerk vorgesehen, so daß der Schwinghebel 36 konstant bei seiner Resonanzfrequenz schwingt. Die Schwingung bewegt den frei tragenden Schwinghebel 36 auf die Halbleiterschicht 31 zu und von dieser weg. Ein Zwischenraum bzw. Hohlraum 32 bildet eine isolierende Barriere gegenüber einem Stromfluß zwischen dem frei tragenden Schwinghebel 36 und der leitfähigen Schicht 31. Wenn der Schwinghebel 36 in die Nähe der leit fähigen Schicht 31 schwingt, wie das durch den strichliert dargestellten Schwinghebel 36′′ gezeigt ist, können Elek tronen vom Schwinghebel 36 durch Tunnelung in die leitfähige Schicht 31 gelangen. Die Anzahl der Elektronen, welche durch Tunnelung durch die Hohlraumbarriere gelangen, ist eine strenge Funktion des Abstands zwischen Schwinghebel 36 und leitfähiger Schicht 31. Diese Tunnelung kann aufgrund eines Phänomens in Erscheinung treten, welches als Fowler-Nord heim-Tunnelung bekannt ist. Damit Fowler-Nordheim-Tunnelung auftritt, besitzt der Zwischenraum bzw. Hohlraum 32 eine Tiefe in der Größenordnung von 5-100 Angström. Der Tunnel strom erhöht sich bei einer Änderung von etwa der Größen ordnung von 0,1 Nanometer im Abstand zwischen dem Schwing hebel 36 und der leitfähigen Schicht 31.

Während der Schwinghebel 36 schwingt, fließt ein schwingen der Tunnelstrom durch den Zwischenraum bzw. Hohlraum 32. Die Amplitude dieses schwingenden Stroms, der durch den Hohlraum 32 durch Tunneleffekt fließt, ist daher stark abhängig von bzw. eine Funktion der Schwingfrequenz des Schwinghebels 36. Der durch den Hohlraum 32 in die leitfähige Schicht 31 flie ßende Strom wird über eine Elektrode 41 an eine externe Schaltung angekoppelt. Der Einfachheit halber ist die Elek trode 41 an der Bodenfläche der leitfähigen Schicht 31 dar gestellt. Es ist jedoch auch möglich und eher gebräuchlich, daß die leitfähige Schicht 31 von der Oberseite her kontak tiert wird.

Die Schwingfrequenz des frei tragenden Schwinghebels 36 ist bestimmt durch die Abmessungen des Schwinghebels 36. Hierin eingeschlossen sind seine Dicke, seine Breite und seine Länge. Da alle diese Abmessungen durch Halbleiterprozeß techniken gesteuert werden können, beispielsweise durch Film abscheidung, Photolithographie und Ätzen, welche bekannte Techniken sind, lassen sich diese Abmessungen in der Größen ordnung von 10 Angström bis zu einigen Mikrometern genau reproduzierbar erreichen.

Obgleich äußerst hochfrequente Schwingungen aufgrund der geringen Abmessungen erreicht werden können, gewährleistet das dritte Ausführungsbeispiel einen zusätzlichen Vorteil im Hinblick auf hochfrequente Schwingungen ohne Verwendung von Frequenzvervielfachern. Da die Fowler-Nordheim-Tunnelung beim Schalten des Stromes miteinbezogen ist, erreicht man einen großen Anteil an Nichtlinearität, die dem schwingenden Stromsignal hinzugefügt wird. Diese Nichtlinearität stellt sich in der Zeitdomäne als scharfer Stromimpuls dar, welcher sich bei Resonanzfrequenz wiederholt. In der Frequenzdomäne jedoch kann dieser scharfe Impuls als Stromausgangssignal angesehen werden, das reich an Harmonischen der Resonanz frequenz höherer Ordnung ist. Während lediglich eine Reso nanzfrequenz von 1 GHz mit Hilfe des Schwinghebels 36 er reicht werden kann, läßt sich aus dem Ausgangssignal ein Schwingungssignal ableiten, welches 9 GHz und mehr aufweist. Techniken zur Ableitung des Frequenzdomänensignals sind be kannt.

Aus obiger Erläuterung ergibt sich, daß die für den piezo elektrischen Resonator/Oszillator der Erfindung verwendeten Strukturen und Materialien kompatibel sind mit Herstellungs techniken auf dem Halbleiterbauelementegebiet. Insbesondere sind sie kompatibel mit Herstellungstechniken bei Bauelemen ten aus III-V-Verbindungshalbleitermaterialien wie Gallium arsenidsubstraten. Jeder der Resonatoren der oben erläuter ten Art kann in einen Oszillator durch geeignete Rückkopp lung umgewandelt werden. Verstärker, Filter und dgl. können in einfacher Weise in integrierten Schaltungen mit piezo elektrischen Oszillatoren gemäß der Erfindung hergestellt werden. Hierbei läßt sich die Betriebsfrequenz der Schaltung und die Betriebssicherheit bei verringertem Aufwand erheb lich steigern.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer ein elektrisches Schwingungssignal erzeugenden Vorrichtung, mit den Verfahrensschritten

a) Anordnen einer leitfähigen Schicht (31);
b) Anordnen einer piezoelektrischen Schicht (33) und Isolieren der piezoelektrischen Schicht (33) von der leitfähigen Schicht (31) durch eine isolierende Schicht (42) und ein Zwischenraum (32) von vorbestimmter Tiefe, welcher durch selektives Ätzen der isolierenden Schicht (42) unter Bildung eines schwingfähigen Teils (36) der piezoelektrischen Schicht (33) erzeugt wird;
c) Vorsehen von Mitteln zur Stimulation einer akustischen Welle in der piezoelektrischen Schicht (33), um den Teil der piezoelektrischen Schicht (33) zu veranlassen, daß er in dem Zwischenraum (32) schwingt;
d) Vorsehen der Tiefe des Zwischenraums derart, daß ein Strom zwischen dem Teil (36) der piezoelektrischen Schicht (33) und der leitfähigen Schicht (31) durch Tunnelung durch den Zwischenraum (32) fließen kann, und
e) Vorsehen von Mitteln zum Erfassen des Stroms als das elektrische Schwingungssignal.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Schicht (31) einen dotierten Halbleiter aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Tiefe des Zwischenraums (32) 5 bis 100 Å beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der schwingfähige Teil der piezoelektrischen Schicht (33) als frei tragender Schwinghebel (36) ausgebildet ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der schwingfähige Teil der piezoelektrischen Schicht (33) als Schwinghebel ausgebildet ist, dessen beide Enden gestützt sind.

6. Resonator zur Erzeugung eines elektrischen Schwingungssignals, mit

a) einer leitfähigen Schicht (31);
b) einer piezoelektrischen Schicht (33), die von der leitfähigen Schicht (31) durch eine isolierende Schicht (42) und durch einen Zwischenraum (32) von vorbestimmter Tiefe, der durch selektives Ätzen der isolierenden Schicht (42) unter Bildung eines schwingfähigen Teils (36) der piezoelektrischen Schicht (33) erzeugt ist, isoliert ist;
c) einer ersten Elektrode (37), die auf der piezoelektrischen Schicht (33) vorgesehen ist, und einer zweiten Elektrode (38), die mit der piezoelektrischen Schicht (33) verbunden ist, zum Stimulieren einer akustischen Welle in der piezoelektrischen Schicht, um den schwingfähigen Teil (36) der piezoelektrischen Schicht (33) zu veranlassen, in dem Zwischenraum (32) zu schwingen; und
d) einer dritten Elektrode (41), die mit der leitfähigen Schicht (31) verbunden ist, wobei die Tiefe des Zwischenraums (32) derart vorgesehen ist, daß ein Strom zwischen der piezoelektrischen Schicht (33) und der leitfähigen Schicht (31) durch Tunnelung durch den Zwischenraum (32) fließen kann, und wobei der Strom über die zweite Elektrode (38) und die dritte Elektrode (41) erfaßbar ist.

7. Resonator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Schicht (31) dotiertes Galliumarsenid aufweist.

8. Resonator nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der schwingfähige Teil der piezoelektrischen Schicht (33) als frei tragender Schwinghebel (36) ausgebildet ist.

9. Resonator nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der schwingfähige Teil der piezoelektrischen Schicht (33) einen Schwinghebel bildet, dessen beide Enden gestützt sind.

10. Resonator nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum (32) eine Tiefe von weniger als 100 Å aufweist.

11. Resonator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des elektrischen Schwingungssignal durch die Abmessungen des frei tragenden Schwinghebels (36) bestimmt ist.

12. Resonator zur Erzeugung eines elektrischen Schwingungssignals, mit

a) einem Halbleitersubstrat (11) und einer Trägerschicht (14), die auf einem Teil des Halbleitersubstrats (11) gebildet ist;
b) einer piezoelektrischen Halbleiterschicht (13), die auf der Trägerschicht (14) gebildet ist, wobei die Halbleiterschicht (13) einen Teil (16) umfaßt, der sich über die Trägerschicht (14) hinaus erstreckt und durch selektives Ätzen der Trägerschicht (14) derart gebildet ist, daß er schwingen kann;
c) Mitteln zum Stimulieren einer akustischen Welle in der piezoelektrischen Halbleiterschicht (13) derart, daß der schwingfähige Teil (16) unter Erzeugung schwingender Oberflächenladungen auf der piezoelektrischen Halbleiterschicht (13) schwingt, und
d) einer Halbleitereinrichtung (17, 18, 19), die auf der piezoelektrischen Halbleiterschicht (13) nahe dem Rand der Trägerschicht (14), über den der Teil (16) der piezoelektrischen Halbleiterschicht (13) übersteht, gebildet ist, wobei die Halbleitereinrichtung (17, 18, 19) durch die Oberflächenladungen der piezoelektrischen Halbleiterschicht (13) zur Erzeugung des elektrischen Schwingungssignals steuerbar ist.

13. Resonator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleitereinrichtung (17, 18, 19) eine Schottky-Diode aufweist.

14. Resonator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleitereinrichtung einen Feldeffekttransistor aufweist.

15. Resonator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleitereinrichtung einen gleichrichtenden Kontakt sowie einen Ohmschen Kontakt zur Halbleiterschicht (13) aufweist.

16. Resonator nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der schwingfähige Teil der Halbleiterschicht (13) als frei tragender Schwinghebel (16) ausgebildet ist.

17. Resonator nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der schwingfähige Teil der Halbleiterschicht (13) einen Schwinghebel (16) bildet, dessen beide Enden gestützt sind.