DE4117966A1

DE4117966A1 - Saw-oberflaechenwellen-convolver

Info

Publication number: DE4117966A1
Application number: DE4117966A
Authority: DE
Inventors: Syuichi Mitsutsuka
Original assignee: Clarion Co Ltd
Current assignee: Faurecia Clarion Electronics Co Ltd
Priority date: 1990-05-31
Filing date: 1991-05-31
Publication date: 1991-12-05
Also published as: GB2245444B; GB9111482D0; GB2245444A; US5091669A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Verbesserung eines SAW-Oberflächenwellen- Convolvers (engl. surface acoustic wave convolver), der aus einem piezoelektrischen Film und einem Halbleiter gebildet ist.

In den Fig. 9 und 10 sind in Schnittdarstellungen die Strukturen von zwei verschiedenen monolithischen SAW-Convolvern nach dem Stand der Technik gezeigt. Darin bezeichnen die Bezugszeichen: 1 ein Halbleitersubstrat mit einer hohen Fremdstoffkonzentration, 2 eine isolierende Schicht, 3 einen piezoelektrischen Film, 4 eine Gate-Elektrode, 5 sogenannte interdigitale Elektroden (engl. interdigitale electrodes) eines Eingangswandlers oder Eingangssignalgebers, 6 eine rückseitige Elektrode, 7 einen Eingangsanschluß, 8 einen Ausgangsanschluß, 9 ein Halbleitersubstrat mit einer hohen Fremdstoffkonzentration und 10 eine Halbleiterepitaxieschicht mit einer niedrigen Fremdstoffkonzentration.

Das in Fig. 9 gezeigte Bauteil ist durch eine Struktur aus einem piezoelektrischen Film/ einem Isolator/ und einem Halbleiter charakterisiert. Das in Fig. 10 gezeigte Bauteil ist durch eine Struktur aus einem piezoelektrischen Film/ einem Isolator/ einer Halbleiterepitaxieschicht mit niedriger Fremdstoffkonzentration/ und einem Halbleitersubstrat mit hoher Fremdstoffkonzentration charakterisiert. In der in Fig. 10 gezeigten Struktur sind die Halbleiterepitaxieschicht 10 und das Halbleitersubstrat mit hoher Fremdstoffkonzentration aus dem gleichen Material gebildet. Die Epitaxieschicht hat daher die gleiche Gitterkonstante wie das Halbleitersubstrat. Die Epitaxieschicht und das Halbleitersubstrat bilden daher einen homogenen Übergang, der in der englischen Fachsprache als homo-junction bezeichnet wird.

Es ist bekannt, daß die in Fig. 10 dargestellte Struktur eine höhere Konvolutionseffizienz F_T (engl. convolution efficiency F_T) als die in Fig. 9 dargestellte Struktur hat. In der Praxis wird gemäß dem heutigen Stand überwiegend die in Fig. 10 gezeigte Struktur verwendet. Verschiedene Charakteristiken von Convolvern mit der in Fig. 9 gezeigten Struktur sind detailliert in den nachstehend angegebenen Literaturstellen (1) und (2) beschrieben:

Literatur (1)
B. T. Khuri-Yakub and G. S. Kino
"A Detailed theory of the monolithic zinc oxide on silicon convolver",
IEEE Trans. Sonics Ultrason., vol. SU-24, No. 1, January 1977, pp. 34-43.

Literatur (2)
J. K. Elliott, et al.
"A wideband SAW convolver utilizing Sezawa waves in the metal-ZnO-SiO₂-Si configuration", Appl. Phys. Lett. 32, May 1978, pp. 515-516.

Verschiedene Charakteristiken von Convolvern mit der in Fig. 10 gezeigten Struktur sind detailliert in den nachstehend angegebenen Literaturstellen (3) und (4) beschrieben:

Literatur (3)
S. Minagawa, et al.
"Efficient ZnO-SiO₂-Si Sezawa wave convolver", IEEE Trans. Sonics Ultrason., vol. SU-32, No. 5, September 1985, pp. 670-674.

Literatur (4)
USP 47 57 226.

Es ist ferner eine Struktur bekannt, bei der nicht eine Struktur aus Epitaxieschicht mit niedriger Fremdstoffkonzentration/ und Halbleitersubstrat mit hoher Fremdstoffkonzentration gemäß Fig. 10, sondern an deren Stelle in umgekehrter Weise eine Struktur aus Epitaxieschicht mit hoher Fremdstoffkonzentration/ und ein Substrat mit niedrigerer Fremdstoffkonzentration vorgesehen ist, wobei die Epitaxieschicht und das Substrat aus dem gleichen Material gebildet sind. Zur Information über Beispiele dieser Strukturen wird auf die folgende Literaturstelle (5) verwiesen:

Literatur (5)
Kuroda, et al.
"Analysis of propagation characteristiks of SAW in ZnO/GaAs structure (in Japanese)"
Acoustic Wave Device, 131st Committee, Science
Promoting Association of Japan, Report of Research Subcommittee, January 26, 1983.

Die in der Literaturstelle (5) beschriebene Struktur hat den Mangel, daß deren Konvolutionseffizienz F_T so niedrig ist, wie die der in Fig. 9 gezeigten Struktur, was für einen Convolver oder SAW-Oberflächengenerator unpraktisch ist.

Von den bekannten Strukturen wird nach dem gegenwärtigen Stand in der Praxis nur die in Fig. 10 gezeigte verwendet, da diese eine große Konvolutionseffizienz F_T aufweist. Es ist insbesondere bekannt, daß man eine hohe Konvolutionseffizienz F_T erzielt, wenn man bei der in Fig. 10 gezeigten Struktur den piezoelektrischen Film aus ZnO bildet und als Halbleiter SI vorsieht. Demgemäß wird in der Praxis auch eine ZnO/SiO₂/n-Si-Epitaxieschicht/n⁺-Si- Substrat-Struktur verwendet. Diese Struktur ist im einzelnen in den bereits genannten Literaturstellen (3) und (4) beschrieben.

Die in Fig. 10 Struktur hat jedoch auch einen Nachteil, der darin besteht, daß es zur Erzielung einer ausreichend hohen Konvolutionseffizienz F_T unter guter Temperatureigenschaften eines betreffenden Elementes erforderlich ist, die Dicke L der Epitaxieschicht relativ zur maximalen Breite der Sperrschicht oder Verarmungsschicht W_max zu begrenzen, so daß die Bedingung: W_max<LW_max+2 µm näherungsweise erfüllt ist. Daraus folgt, daß es im Falle von Si erforderlich ist, die Dicke der Epitaxieschicht so zu begrenzen, daß die Bedingung Leinige µm erfüllt ist. (Dieser Punkt ist ebenfalls im einzelnen in der Literaturstelle (4) erklärt.)

Wenn man in der Praxis eine Epitaxieschicht mit niedriger Fremdstoffkonzentration auf ein Si-Substrat mit hoher Fremdstoffkonzentration mit einer Dicke kleiner als einige µm aufwachsen läßt, ist es schwierig, die Reproduzierbarkeit der Fremdstoffkonzentrationsverteilung und der Dicke L der Epitaxieschicht sicherzustellen, da die Fremdstoffe von der Substratseite mit hoher Fremdstoffkonzentration zu der Epitaxieschicht diffundieren. Schwankungen in den Charakteristiken von Elementen sind daher groß. Diese Schwankungen können eine Ursache für die Verminderung der Ausbeute bei der Herstellung entsprechender Elemente sein. Obgleich die in Fig. 10 gezeigte Struktur die nach dem Stand der Technik höchste Konvolutionseffizienz F_T aufweist, hat sie dennoch den Nachteil, daß sich die Herstellungs- oder Fabrikationsausbeute vermindert, wenn die Konvolutionseffizienz F_T vergrößert und die Temperatureigenschaften verbessert werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen SAW-Convolver anzugeben, der eine hohe Konvolutionseffizienz (engl. Convolution efficiency), sehr gute Temperatureigenschaften und eine hohe Herstellungsausbeute bzw. geringe Fehlerquote gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man die oben beschriebenen Probleme beseitigt, indem man die Si-Epitaxieschicht der monolithischen SAW-Convolverstruktur nach dem Stand der Technik durch eine GaAs-Epitaxieschicht, eine Ga(1-x)Al×As-Epitaxieschicht oder eine InP-Epitaxieschicht ersetzt.

Das für die Epitaxieschicht der SAW-Convolverstruktur verwendete GaAs, Ga(1-x)Al×As oder InP hat eine Beweglichkeit, die die Beweglichkeit in Si um ein Mehrfaches überschreitet. Daher können Verluste in der Epitaxieschicht im Vergleich zu denen in der Struktur nach dem Stand der Technik beobachteten reduziert werden. Es ist daher im Ergebnis möglich, die Konvolutionseffizienz F_T zu vergrößern und die Temperatureigenschaften zu verbessern.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigten

Fig. 1, 11 und 18 Querschnittdarstellungen von monolithischen SAW-Oberflächenwellen-Convolvern, die verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung entsprechen.

Fig. 2 ein Schaubild mit Kurven zur Darstellung von Vorspannungscharakteristiken der Konvolutionseffizienz der Struktur nach dem Stand der Technik.

Fig. 3, 12 und 19 Schaubilder mit Kurven zur Darstellung von Vorspannungscharakteristiken der Konvolutionseffizienz der in den Fig. 1, 11 bzw. 18 gezeigten Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Fig. 4, 13 und 20 Schaubilder mit Kurven zur Darstellung der Relationen zwischen der Filmdicke der Epitaxieschicht und dem Maximalwert der Konvolutionseffizienz der in den Fig. 1, 11 bzw. 18 gezeigten Ausführungsbeispiele.

Fig. 5, 14 und 21 Schaubilder mit Kurven zum Vergleich der Temperaturabhängigkeit des Maximalwertes der Konvolutionseffizienz der in der Fig. 1, 11 bzw. 18 gezeigten Ausführungsbeispiele mit der Temperaturabhängigkeit des Maximalwertes der Konvolutionseffizienz der Struktur nach dem Stand der Technik.

Fig. 6, 15 und 22 Schaubilder mit Kurven zum Vergleich der Temperaturabhängigkeit des Maximalwertes der Konvolutionseffizienz der in den Fig. 1, 11 bzw. 18 gezeigten Ausführungsbeispiele mit der Temperaturabhängigkeit des Maximalwertes der Konvolutionseffizienz der Struktur nach dem Stand der Technik, wobei die Epitaxieschichten sich von denen der Strukturen gemäß der Fig. 5, 14 bzw. 21 unterscheiden.

Fig. 7, 16 und 23 Querschnittsdarstellungen von monolithischen SAW-Oberflächenwellen-Convolvern, die weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung entsprechen.

Fig. 8, 17 und 24 Querschnittsdarstellungen von monolithischen SAW-Oberflächenwellen-Convolvern, die weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung entsprechen, und

Fig. 9 und 10 Querschnittdarstellungen der Struktur von SAW-Oberflächenwellen-Convolvern nach dem Stand der Technik.

Fig. 1 zeigt eine Querschnittdarstellung einer Struktur eines SAW-Oberflächenwellen-Convolvers oder SAW-Generators entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Darin bezeichnen die Bezugszeichen 11 ein Si-Substrat mit hoher Fremdstoffkonzentration, 12 eine GaAs-Epitaxieschicht, 2 eine isolierende Schicht, 3 einen piezoelektrischen Film, 4 eine Gate-Elektrode, 5 Interdigitalelektroden eines Eingangswandlers oder Eingangssignalgebers, 6 eine rückwärtige Elektrode, 7 einen Eingangsanschluß und 8 einen Ausgangsanschluß.

Wenngleich die vorstehend beschriebene Struktur der in Fig. 10 gezeigten Struktur nach dem Stand der Technik ähnelt, sind in der in Fig. 1 gezeigten Struktur das Si-Halbleitersubstrat 11 mit hoher Fremdstoffkonzentration und die GaAs-Halbleiterepitaxieschicht 12 aus unterschiedlichen Materialien gebildet, wohingegen die Struktur nach Fig. 10 ein Halbleitersubstrat 9 mit hoher Fremdstoffkonzentration und eine Halbleiterepitaxieschicht 10 mit niedriger Fremdstoffkonzentration aufweist, die aus dem gleichen Material gebildet sind. Bezüglich dieses Punktes unterscheiden sich die verglichenen Strukturen ganz wesentlich voneinander.

Da in der Struktur gemäß Fig. 1 die Epitaxieschicht und das Substrat aus unterschiedlichen Materialien gebildet sind, weisen sie voneinander verschiedene Gitterkonstanten auf und bilden daher einen heterogenen Übergang zwischen sich aus, wohingegen bei der Struktur nach dem Stand der Technik die Epitaxieschicht und das Substrat die gleiche Gitterkonstante haben und daher einen homogenen Übergang bilden. In der in Fig. 1 dargestellten Struktur ist daher als Substrat ein Si-Substrat mit hoher Fremdstoffkonzentration und als Epitaxieschicht eine GaAs-Epitaxieschicht vorgesehen.

Die Bildung der GaAs-Epitaxieschicht auf dem Si-Substrat kann mittels unlängst eingeführter Techniken, wie beispielsweise MOCVD, optisches CVD, MBE, etc., oder einer daraus kombinierten Technik, realisiert werden.

Die in den Fig. 2 bis 6 dargestellten Schaubilder zeigen Beispiele, in denen die im Fall der in Fig. 1 gezeigten Struktur A gemäß der Erfindung erzielten Eigenschaften mit den im Fall der Struktur B (Fig. 10) nach dem Stand der Technik erhaltenen Eigenschaften verglichen werden. Sie beziehen sich auf die folgenden Strukturen:

Struktur nach dem Stand der Technik:
Gate-Elektrode	Al
piezoelektrischer Film	ZnO (5 µm)
isolierende Schicht	SiO₂ (0,1 µm)
Epitaxieschicht	n-Si (Nd=5×10¹⁴ cm⁻³)
Substrat	n⁺-Si (Nd=1×10¹⁸ cm⁻³)

Struktur nach der Erfindung:
Gate-Elektrode	Al
piezoelektrische Schicht	ZnO (5 µm)
isolierende Schicht	SiO₂ (0,1 µm)
Epitaxieschicht	n-GaAs (Nd=5×10¹⁴ cm⁻³)
Substrat	n⁺-Si (Nd=1×10¹⁸ cm⁻³),

wobei Nd die Fremdstoffkonzentration (Donatorkonzentration) der jeweiligen Halbleiterschicht bezeichnet. Weitere numerische Werte, wie 5 µm und 0,1 µm, repräsentieren die Dicken der jeweiligen Schichten.

Die in Fig. 2 bis 6 dargestellten Kurven zeigen durch Simulation erhaltene Resultate, die Charakteristiken für eine Eingangssignalfrequenz von 215 MHz repräsentieren. Bezüglich der Berechnungsformeln für die Simulation wird auf die beiden nachstehend genannten Literaturstellen verwiesen:

Literatur (6)
S. Mitsutsuka et al.
"Propagation loss of surface acoustic waves on a monolithic metal-insulator-semiconductor structure"
Journal of Appl. Phys., vol. 65, No. 2, January 1989, pp. 651-661.

Literatur (7)
S. Minagawa, et al.
"Efficient monolithic ZnO/Si Sezawa Wave Convolver",
1982 Ultrasonics Symp. Proc., IEEE Cat. 82CH1823-4 1982, pp. 447-451.

Die in den Fig. 2 und 3 gezeigten Kurven bieten Vergleiche von Vorspannungscharakteristiken der Konvolutionseffizienz F_T. Die C-V-Charakteristiken (Relation zwischen der Kapazität C zwischen der Gate-Elektrode und Masse und der an der Gate- Elektrode angelegten Gate-Vorspannung) sind ebenfalls in den Figuren dargestellt. In den Figuren ist der Fall dargestellt, daß die Dicke L der Epitaxialschicht W_max+1 µm ist. W_max bezeichnet hier die maximale Breite der Sperrschicht, welche bei Raumtemperatur folgende Werte annimmt, wenn Nd=5×10¹⁴ cm⁻³ ist:

Aus einem Vergleich der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Kurven, wird es ersichtlich, daß nicht nur der Maximalwert F_Tmax der Konvolutionseffizienz F_T etwas größer ist, sondern daß auch der Bereich von Vorspannungen, in dem die Konvolutionseffizienz F_T groß ist, bei der Struktur A nach der Erfindung breiter ist als bei der Struktur B gemäß dem Stand der Technik. Ferner ist daraus ersichtlich, daß bei der Struktur nach der Erfindung die Konvolutionseffizienz F_T einen befriedigenden Wert beibehält, auch wenn die Vorspannung mehr oder weniger abweicht bzw. variiert, so daß auch unter diesem Gesichtspunkt die vorliegende Erfindung Vorteile gegenüber der Struktur B nach dem Stand der Technik aufweist.

Das in Fig. 4 gezeigte Schaubild repräsentiert die Relation zwischen der Dicke L der Epitaxieschicht und dem Maximalwert F_Tmax der Konversionseffizienz F_T. Die Abszisse repräsentiert L-W_max. Aus diesem Schaubild kann man ersehen, daß die L-Abhängigkeit von F_Tmax bei der Struktur A nach der Erfindung klein ist, und daß F_Tmax nur um etwa 4 dBm reduziert wird, wenn die Dicke L der Epitaxieschicht um etwa 5 µm (bei einer Gate-Länge von 40 mm) vergrößert wird. Bei der Struktur B nach dem Stand der Technik wird F_Tmax sehr schnell kleiner, wenn die Dicke L der Epitaxieschicht vergrößert wird. Daraus wird ersichtlich, daß, wenn die Epitaxieschicht gemäß der Erfindung aus GaAs gebildet ist, sich keine großen Differenzen bezüglich F_Tmax ergeben, wenn viele oder wenige Schwankungen der Dicke L der Epitaxieschicht vorliegen. Aus diesem Grunde ist es möglich, die Herstellungsausbeute zu vergrößern.

Die in den Fig. 5 und 6 gezeigten Kurven dienen zum Vergleich der Temperaturabhängigkeiten von F_Tmax. Aus diesen Kurven kann man ersehen, daß die Temperaturabhängigkeit von F_Tmax der Struktur A nach der vorliegenden Erfindung im Vergleich mit der Struktur B nach dem Stand der Technik deutlich kleiner und daher die Temperatureigenschaften besser sind. Insbesondere ist es ersichtlich, daß die L-Abhängigkeit der Temperatureigenschaften der Struktur A nach der Erfindung kleiner ist als die L-Abhängigkeit der Temperatureigenschaften der Struktur nach dem Stand der Technik. Bei der Struktur B nach dem Stand der Technik werden die Temperatureigenschaften signifikant verschlechtert, wenn die Dicke L der Epitaxieschicht auch nur geringfügig vergrößert wird. Auch unter diesem Gesichtspunkt kann man erkennen, daß bei der Struktur nach der Erfindung Schwankungen in den Temperatureigenschaften klein sind, wenn viele oder wenige Schwankungen in der Dicke L der Epitaxieschicht vorliegen. Daher ist die Erfindung zur Vergrößerung der Herstellungsausbeute nutzbar.

Wie vorstehend beschrieben und anhand der Fig. 2 bis 6 erläutert, ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, einen SAW-Oberflächenwellen-Convolver oder SAW-Generator zu erhalten, der eine hohe Konvolutionseffizienz F_T und ausgezeichnete Temperatureigenschaften aufweist und der geeignet ist, die Herstellungsausbeute zu steigern.

Für die in den Fig. 2 bis 6 gezeigten Kurven wurde angenommen, daß das GaAs-Substrat und das Si-Substrat vom n-leitenden Typ sind. Wie vorstehend beschrieben, ist es für die Realisierung der Erfindung vorteilhaft, einen n-leitenden Halbleitertyp zu verwenden, und zwar aus dem Grunde, daß bei GaAs nicht Löcher, sondern Elektronen eine größere Ladungsträgerbeweglichkeit als im Falle von Si aufweisen. Mit der Bezeichnung µe für die Beweglichkeit von Elektronen und µh für die Beweglichkeit von Löchern ist nachstehend ein Beispiel mit numerischen Werten angegeben.

Wie aus dem vorstehenden Beispiel von numerischen Werten zu ersehen ist, erzielt man in dem Fall, daß die Majoritätsladungsträger Elektronen sind, eine größere Beweglichkeit und kleinere Verluste in der Epitaxieschicht. Aus diesem Grunde ist es vorteilhaft, n-leitendes GaAs und n-leitendes Si zu verwenden.

Obgleich die in den Fig. 2 bis 6 gezeigten Schaubilder für Beispiele stehen, in denen der piezoelektrische Film aus ZnO gebildet ist, kann ebenso AlN zur Bildung des piezoelektrischen Films herangezogen werden. Ferner können SiN und Al₂O₃ statt SiO zur Bildung des Isolationsfilms herangezogen werden. Diese Isolationsfilme können mittels der sogenannten Sputtering-Methode, der CVD-Methode etc. gebildet werden. Ferner ist es möglich, einen Ga_xAs_yO_z-Film auf der Oberfläche von GaAs zu bilden, um einen isolierenden Film durch Anoden-Oxydierung des GaAs/Si-Substrates zu erhalten.

Obgleich vorstehend die in Fig. 1 gezeigte Struktur beschrieben ist, kann im Prinzip auch eine Struktur gemäß Fig. 7, in der der isolierende Film 2 der in Fig. 1 gezeigten Struktur fehlt, herangezogen werden. Der isolierende Film der in Fig. 1 gezeigten Struktur ist zur Stabilisierung von MOS-Charakteristiken des Halbleiters und unter dem Gesichtspunkt der grundsätzlichen Betriebsweise des Convolvers vorgesehen. Wenn eine Sperrschicht oder Verarmungsschicht stabil in dem Halbleiter ausgebildet ist, hat die Abwesenheit oder Anwesenheit der isolierenden Schicht grundsätzlich kaum einen Einfluß auf die Konvolutionseffizienz F_T. Wenn daher der piezoelektrische Film befriedigende Isolationseigenschaften hat, kann eine Struktur ohne Isolationsfilm verwendet werden, wie es in Fig. 7 gezeigt ist.

In den Strukturen nach der Erfindung, wie sie in den Fig. 1 und 7 dargestellt sind, kann ein Film mit einem verzerrten Überstrukturgitter (engl. distorted superlattice film) an der Grenze zwischen dem GaAs/ und dem Si mit hoher Fremdstoffkonzentration vorgesehen sein, um die Kristallinität der GaAs-Epitaxieschicht zu verbessern. Fig. 8 zeigt eine solche Struktur, in der ein Film 13 mit einem verzerrten Überstrukturgitter zu der in Fig. 1 gezeigten Struktur hinzugefügt ist. Da dieser Film 13 mit verzerrtem Überstrukturgitter extrem dünn ist, hat er nahezu keinen Einfluß auf die Charakteristiken des Convolvers. Da jedoch, wie oben erwähnt, die Kristallinität der GaAs-Epitaxieschicht verbessert ist, kann man eine vergrößerte Stabilität der Elementcharakteristiken erwarten, was zur Steigerung der Herstellungsausbeute beiträgt. Es ist selbstverständlich, daß der Film mit verzerrtem Überstrukturgitter auch der in Fig. 7 gezeigten Struktur hinzugefügt werden kann.

Die Fig. 11, 16 und 17 zeigen andere Ausführungsbeispiele der Erfindung, die mit den in den Fig. 1, 7 bzw. 8 gezeigten Ausführungsbeispielen korrespondieren. Das Bezugszeichen 12a bezeichnet darin eine Ga(1-x)Al×As-Epitaxieschicht. Die anderen Bezugszeichen entsprechen denen der anderen Ausführungsbeispiele, x repräsentiert das Al-Komponentenverhältnis (engl. mixed crystal ratio).

Die Fig. 12 bis 15 zeigen Kurven zum Vergleich der Eigenschaften der in Fig. 11 dargestellten Struktur A nach der Erfindung mit denen der in Fig. 10 dargestellten Struktur B nach dem Stand der Technik. Die Struktur B ist mit der bereits oben beschriebenen Struktur B identisch. Für die Struktur A nach der Erfindung gilt folgendes:

Gate-Elektrode
Al
piezoelektrischer Film	ZnO (5 µm)
isolierender Film	SiO₂ (0,1 µm)
Epitaxieschicht	n-Ga(1-x)Al×As (Nd=5×10¹⁴ cm⁻³)
Substrat	n⁺-Si (Nd=1×10¹⁸ cm⁻³).

Die Fig. 12 bis 15 zeigen Beispiele, bei denen das Komponentenverhältnis x=0,1.

Wenn das Al-Komponentenverhältnis x einen Wert aus dem Bereich:

O < x 0,4 (4)

hat, ist die Elektronenbeweglichkeit in Ga(1-x)Al×As größer als in Si in Gl. (2). Vorzugsweise hat das Al-Komponentenverhältnis x bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel daher einen Wert aus dem Bereich 0<x0,4. Wenn x größer als 0,4 ist, ist µe im Vergleich mit Si kleiner. In diesem Fall kann keine Vergrößerung der Konvolutionseffizienz F_T und keine Verbesserung der Temperatureigenschaften erwartet haben. Da jedoch die Bandlücke von Ga(1-x)Al×As breiter ist als die Bandlücke von Si, verbleibt jedoch der Vorteil, daß der Vorspannungsbereich, in dem eine befriedigende Konvolutionseffizienz erhalten werden kann, ausgedehnter ist, wie es aus Fig. 14 zu ersehen ist.

Für Fig. 12 gelten folgende Werte:

Die Ausdehnung des Vorspannungsbereiches (vgl. Fig. 12) ist darauf zurückzuführen, daß die Bandlücke von Ga(1-x)Al×As breiter ist als die Bandlücke von Si und daß sich bei ersterem eine Inversionsschicht schwerlicher bildet. Die Vergrößerung der Bandlücke kann als einer der Gründe genannt werden, aus denen es vorteilhaft ist, Ga(1-x)Al×As anstelle von Si zu verwenden.

µe und µh sind gegeben durch:

Die Fig. 18, 23 und 24 zeigen weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung, die mit den Fig. 1, 7 und 8 korrespondieren. Darin bezeichnet 12b eine InP-Epitaxieschicht. Die anderen Bezugszeichen entsprechen denen der vorhergehenden Ausführungsbeispiele.

Die Fig. 19 bis 22 zeigen Schaubilder zum Vergleich der Eigenschaften der in Fig. 18 dargestellten Struktur A nach der Erfindung mit den Eigenschaften der Struktur B nach dem Stand der Technik (vgl. Fig. 10). Die Struktur B nach dem Stand der Technik entspricht identisch der bereits oben beschriebenen Struktur B. Für die Struktur A nach der Erfindung gilt folgendes:

Gate-Elektrode
Al
piezoelektrischer Film	ZnO (5 µm)
isolierender Film	SiO₂ (0,1 µm)
Epitaxieschicht	InP (Nd=5×10¹⁴ cm⁻³)
Substrat	n⁺-Si(Nd=1×10¹⁸ cm⁻³).

Für Fig. 18 gelten folgende Werte:

In den verschiedenen Ausführungsbeispielen können die Eingangswandler unter dem piezoelektrischen Film 3 angeordnet sein.

Wie oben beschrieben, ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, einen SAW-Oberflächenwellen-Convolver anzugeben, der eine hohe Konvolutionseffizienz, ausgezeichnete Temperatureigenschaften und eine hohe Fabrikationsausbeute im Vergleich mit einem monolithischen SAW-Oberflächenwellen-Convolver mit einer Struktur gemäß dem Stand der Technik aufweist.

Ferner kann der SAW-Convolver nach der vorliegenden Erfindung bei allen Arten von Einrichtungen, die SAW-Convolver verwenden, benutzt werden. Er ist für ein breites Anwendungsspektrum geeignet, beispielsweise für Kommunikationseinrichtungen, einem Korrelator, einem Radar, Bildverarbeitung, einem Fouriertransformierer etc.

Es wird zusammenfassend ein SAW-Convolver angegeben, bei dem die Si-Epitaxieschicht mit niedriger Fremdstoffkonzentration einer Struktur aus einem piezoelektrischen Film/ einer isolierenden Schicht/ einer Si-Epitaxieschicht mit niedriger Fremdstoffkonzentration/ und einer Si-Epitaxieschicht mit hoher Fremdstoffkonzentration durch eine GaAs-Epitaxieschicht ersetzt ist. Auf diese Weise ist es möglich, die Konzentrationscharakteristiken im Vergleich zu denen der Struktur nach dem Stand der Technik zu verbessern, und es ist nicht erforderlich, die Dicke der Epitaxieschicht so genau zu steuern bzw. zu kontrollieren, wie es bei der Struktur nach dem Stand der Technik erforderlich ist.

Claims

1. SAW-Oberflächenwellen-Convolver mit einer ein Halbleitersubstrat (11) und einen piezoelektrischen Film (3) enthaltenden Struktur aus übereinander angeordneten Schichten (3, 11, 12, 13), gekennzeichnet durch ein Si-Substrat (11) mit hoher Fremdstoffkonzentration, eine auf dem Substrat (11) angeordnete Epitaxieschicht (12), die entweder aus GaAs oder aus Ga(1-x)Al×As oder aus InP hergestellt ist, einen auf der Epitaxieschicht (12) angeordneten piezoelektrischen Film (3) und Eingangswandler (5) sowie eine dazwischen angeordnete Ausgangs-Gate-Elektrode (4) in Kontakt mit dem piezoelektrischen Film (3).

2. SAW-Oberflächenwellen-Convolver nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein isolierender Film (2) zwischen der Epitaxieschicht (12) und dem piezoelektrischen Film (3) vorgesehen ist.

3. SAW-Oberflächenwellen-Convolver nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Film (13) mit einem verzerrten Überstrukturgitter an der Grenzfläche zwischen dem Si-Substrat (11) mit hoher Fremdstoffkonzentration und der Epitaxieschicht (12) vorgesehen ist.

4. SAW-Oberflächenwellen-Convolver nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl das Si-Substrat (11) mit hoher Fremdstoffkonzentration als auch die Epitaxieschicht (12) vom n-leitenden Typ sind.

5. SAW-Oberflächenwellen-Convolver nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Epitaxieschicht (12) Ga(1-x)Al×As hergestellt ist, dessen Al-Komponentenverhältnis x einen Wert aus dem Bereich: 0<x0,4 hat.