DE4122836A1 - Einrichtung fuer oberflaechenschallwellen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung für Oberflächenschallwellen (Oberflächenakustikwellen), die ein Schmalband-Interferenzsignal, zu welchem eine Funktion einer erfaßten Spektralintensität eines Eingangssignals addiert wird, beseitigt, und insbesondere auf eine Verbesserung davon, bei welcher die Intensität des erfaßten Signals innerhalb eines Erfassungsabschnitts vergrößert werden kann.

Einer der problematischen Punkte in einem Kommunikationssystem mit Spreadspektrum, welches einen breitbandigen Frequenzbereich benutzt, ist, daß durch Großsignal- Schmalbandinterferenz die Kommunikation unmöglich gemacht wird oder die Fehlerrate steigt. Um dieses Problem zu lösen, wird ein Filter, der eine Oberflächenschallwelle (nachfolgend mit OSW abgekürzt) benutzt, vorgeschlagen.

Zum Beispiel hat der Erfinder dieser Erfindung eine Einrichtung für OSW vorgeschlagen, die in den Fig. 7, 8 und 9 in der USSN 5 21 142 und der USSN 6 37 058 gezeigt wird, um vorzugsweise eine Verbesserung der Eigenschaften eines der Systems, das zur Unterdrückung von Schmalbandinterferenzen angepaßt werden kann, zu erzielen, was für eine Kommunikation mit gestreutem Spektum nützlich ist.

In den Figuren ist die Bezugsziffer 1 ein p+ Typ Si Monokristallsubstrat; 2 ist eine p Typ Si Epitaxialschicht, 3 ist eine thermische Oxydschicht, 4 ist eine ZnO piezo­ elektrische Schicht; 5, 6 und 7 sind Metallelektroden, welche jeweils einen Eingangsumformer, einen Ausgangsumformer und eine Gateelektrode bilden; 8 ist als ein p+ Typ Bereich mit hoher eindiffundierter Störstellenkonzentration innerhalb der Epitaxialschicht 2 unter dem Eingangsumformer und dem Ausgangsumformer ausgebildet; 9 ist als ein n+ Typ Bereich mit eindiffundierten Störstellen innerhalb der Epitaxialschicht 2 unter der Gateelektrode ausgebildet; 10 ist als ein n+ Typ Bereich mit eindiffundierten Störstellen innerhalb der Epitaxialschicht 2, jedoch außerhalb des Eingangsumformers 5, ausgebildet; und 7 ist eine auf der piezoelektrischen Schicht ausgebildete Gateelektrode gemäß dem n+ Typ Bereich mit eindiffundierten Störstellen.

Eine erste PN Diodenanordnung ist entlang des OSW- Ausbreitungspfades durch den oben genannten n+ Typ Bereich 9 mit eindiffundierten Störstellen ausgebildet und eine zweite PN Diodenanordnung ist entlang des OSW-Ausbreitungspfades durch den n+ Typ Bereich 10 mit eindiffundierten Störstellen ausgebildet.

Mehrere Kanäle, von denen jeder die oben beschriebene Ausführungsform besitzt, werden gebildet. 11 ist ein Widerstand, der mit der PN Diodenanordnung 9 oder 10 verbunden ist; 12 ist eine Gleichspannungsenergieversorgung; und 13 ist ein Überwachungsanschluß für ein Spannungssignal, an welchem ein Spannungssignal dadurch erzielt wird, daß ein Eingangssignal in eine OSW umgewandelt wird und diese durch eine zweite PN Diodenanordnung erfaßt wird, wobei die Intensität (elektrische Leistung) des Eingangssignals innerhalb des entsprechenden Kanals (Frequenzbereich) als Spannungsänderung beobachtet wird. 14 ist ein Vorspannungssteueranschluß für die erste PN Diodenanordnung.

In der Einrichtung, die in der älteren Anmeldung USSN 5 21 142 offenbart wird, wird eine Funktion zur Überwachung der Spektralintensität des Eingangssignals an einem herkömmlichen Apparat angelegt. In dieser Ausführungsform, die in der älteren Anmeldung beschrieben ist, ist es notwendig, daß die Epitaxialschicht ausreichend dick ist, um eine große variable Spannnweite des Ausbreitungsverlustes der OSW in dem Filterbereich zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangsumformer zu erzielen.

Wenn die Epitaxialschicht jedoch dick ist, bewirkt dies eine Beeinträchtigung indem der Ausbreitungsverlust in dem Erfassungsbereich groß ist, was die Intensität des erfaßten Signals vermindert. Um dieses Problem zu lösen, schlägt der Erfinder der vorliegenden Erfindung eine Ausführungsform vor, in welcher die Epitaxialschicht im Filterbereich dick ist und im Erfassungsbereich dünn ist, wie in Fig. 9 gezeigt wird. Gemäß dieser Ausführungsform konnte die Erfassungsempfindlichkeit außerordentlich verbessert werden, ohne die Filtereigenschaften zu beeinträchtigen. Der Ausbreitungsverlust der OSW konnte aufgrund von elektro­ akustischen (EA) Effekten, welche Wechselwirkungen zwischen den Trägern im Si und dem Potenial der OSW sind, jedoch nicht vollständig beseitigt werden und eine Verschlechterung der Erfassungsempfindlichkeit kann nicht vernachlässigt werden, sodaß noch ein Spielraum für Verbesserungen bleibt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung für OSW anzugeben, die eine hohe Wirksamkeit eines anpaßbaren Systems zur Unterdrückung von Schmalbandinterferenzen besitzt. Diese Einrichtung ist für Kommunikationssysteme mit Spreadspektrum, etc. nützlich und in der Lage, die Erfassungsempfindlichkeit ohne eine Änderung der Filtereigenschaften zu verbessern.

Zur Lösung dieser Aufgabe, wird eine erfindungsgemäße Einrichtung für Oberflächenschallwellen vorgeschlagen, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß sie umfaßt: einen Mehrschichtkörper mit einem Siliziumsubstrat eines ersten Leitfähigkeitstyps mit hoher Störstellenkonzentration, einer Silizium-Epitaxialschicht des ersten Leitfähigkeitstyps, einen isolierenden Film und einen piezo-elektrischen Film; Eingangsumformer zur Einteilung eines Eingangssignals anhand der Frequenz und zur Erzeugung von Oberflächenschallwellen in einer Vielzahl von Ausbreitungspfaden; Ausgangsumformer, die auf dem piezo-elektrischen Film zur Erzielung eines Ausgangssignals von Oberflächenschallwellen, die sich in den Ausbreitungspfaden ausbreiten, angebracht sind; eine Gruppe von Gateelektroden, die auf dem piezo-elektrischen Film ausgebildet sind, entsprechend den verschiedenen Ausbreitungspfaden, die zwischen den Ausgangs- und Eingangsumformern angebracht sind; einer Gruppe von PN Diodenanordnungen, die an der vorderen Oberfläche der Silizium-Epitaxialschicht des ersten Leitfähigkeitstyps in einem Bereich zwischen den genannten Eingangs- und Ausgangsumformern ausgebildet sind; einer Gruppe von Metallstreifenanordnungen, die auf der den Ausgangsumformern in Bezug auf die Eingangsumformer gegenüberliegenden Seite auf der Oberfläche des piezo-elektrischen Films angeordnet sind; eine zweite Gruppe von Diodenanordnungen, die jeweils auf der Oberfläche der Silizium-Epitaxialschicht angeordnet und nacheinander mit der Gruppe der Metallstreifenanordnungen verbunden sind, besteht.

Sobald sich die Oberflächenschallwellen an der Gruppe der Metallstreifenanordnungen verteilen, ändern sich die Potentiale der verschiedenen Metallstreifen in ihrem hochfrequenten Verhalten und die hochfrequenten Potientiale werden durch die Gruppe der Diodenanordnungen in Form von Gleichspannungen ausgesondert, um elektrische Erfassungssignale zu erzielen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es stellen dar:

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Oberflächenschallwellen­ element, welches den Aufbau der vorliegenden Erfindung darstellt;

Fig. 2 einen schematischen Schnitt der Einrichtung, gesehen entlang der Linie A-A in Fig. 1;

Fig. 3 einen schematischen Schnitt der Einrichtung, gesehen entlang der Linie B-B in Fig. 1;

Fig. 4 ein Schema für eine erfindungsgemäße Ausführungsform des Aufbaus eines Filtersystems zur Unterdrückung von Schmalbandinterferenzsignalen;

Fig. 5 eine Funktion, die die Beziehung zwischen der Spannung an einem Eingangsüberwachungsanschluß und der Eingangsleitung gemäß dem oben beschriebenen Aufbau und der älteren Anmeldung aufzeigt;

Fig. 6 ein Schema welches ein verändertes Beispiel des oben beschriebenen Aufbaus zeigt.

Fig. 7 einen schematischen Schnitt eines erfindungsgemäßen Oberflächenschallwellenelements, das in der älteren Anmeldung offenbart wurde;

Fig. 8 ein Schema eines erfindungsgemäßen Oberflächenschallwellenelements, das in der älteren Anmeldung offenbart wurde; und

Fig. 9 einen schematischen Schnitt eines anderen erfindungsgemäßen Oberflächenschallwellenelements, das in der älteren Anmeldung offenbart wurde.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf den in den Figuren gezeigten Aufbau erklärt. Die Fig. 1, 2 und 3 zeigen die Ausführungsform eines Aufbaus von einem Kanal des Oberflächenschallwellenelements gemäß der Erfindung, welches eine bestimmte Grundfrequenz in einer Einrichtung zur Unterdrückung von Schmalband-Interferenzsignalen besitzt.

In diesen Figuren stellt das Bezugszeichen 1 ein p+ Typ Si Monokristallsubstrat dar; 2 ist eine p Typ Si Epitaxial­ schicht; 3 ist eine thermische Oxydschicht; 4 ist eine ZnO piezo-elektrische Schicht; 5, 6 und 7 sind Metallelektroden, welche nacheinander einen Eingangsumformer, einen Ausgangsumformer und eine Gateelektrode bilden; 8 ist als ein p+ Typ Bereich mit hoher eindiffundierter Störstellenkonzentration innerhalb der Epitaxialschicht 2 unter dem Eingangsumformer und dem Ausgangsumformer ausgebildet; 9 ist als ein n+ Typ Bereich mit eindiffundierten Störstellen innerhalb der Epitaxialschicht 2 unter der Gateelektrode ausgebildet; 16 und 17 sind Metallstreifenanordnungen, die auf der Oberfläche der ZnO piezo-elektrischen Schicht 4 außerhalb des Eingangsumformers 5 beziehungsweise streifenförmigen Masseelektroden angebracht sind, der p+ Typ Bereich 8 mit hoher eindiffundierter Störstellenkonzentration, welche sich unter dem Eingangsumformer 5 bis zu dem Teil unter den Metallstreifenanordnungen 16 und 17 erstreckt; und 18 ist eine Schottky Diodenanordnung auf der Oberfläche der p Typ Si Epitaxialschicht 2 außerhalb des Ausbreitungpfades, wobei verschiedene Dioden mit unterschiedlichen Streifen in der Metallstreifenanordnung 16, die auf der Oberfläche der ZnO piezo-elektrischen Schicht 4 angebracht ist, verbunden sind.

Entlang des Ausbreitungspfades der OSW ist eine PN Diodenanordnung durch den n+ Typ Bereich 9 mit eindiffundierten Störstellen ausgebildet. 11 ist ein Widerstand, der mit der PN Diodenanordnung 9 oder der Schottky Diodenanordnung 18 verbunden ist; 13 ist ein Überwachungsanschluß für ein Spannungssignal, an welchem Signale dadurch erzielt werden, daß Eingangssignale in OSW umgewandelt werden, und diese durch eine Schottky Diodenanordnung erfaßt und ausgegeben werden, sodaß die Intensität (elektrische Leistung) der Eingangssignale innerhalb der entsprechenden Kanäle (Frequenzbereiche) als Spannungsänderungen beobachtet werden; und 14 ist ein Vorspannungssteueranschluß für die PN Diodenanordnung.

Fig. 3 zeigt einen Abschnitt einer OSW-Erfassung mittels einer Schottky Diode im Detail. In der Figur ist 19 als n Senke, d. h. als Bereich, in welchen n Typ Störstellen eindiffundiert sind, in der p Typ Silizium-Epitaxialschicht 2 ausgebildet; 20 ist ein n+ Typ diffundierter Bereich; 21 ist eine Schottky Elektrode; und 22 ist eine Ohmsche Elektrode. In der oben beschriebenen Ausführungsform ist eine Schottky Diode an der Oberfläche der Epitaxialschicht 2 ausgebildet. Der ZnO piezo­ elektrische Film ist durch Ätzen in eine schräg verlaufende Form gebracht worden und ein Metallstreifen ist mit der Schottky Elektrode verbunden. Das schräge Ätzen des ZnO piezo­ elektrischen Films kann durch die Verwendung von Essigsäurelösung als Ätzlösung einfach realisiert werden. Fig. 4 zeigt ein Interferenzwellen-Unterdrückungssystem, in welchem eine Vielzahl der oben beschriebenen Konstruktionselemente auf einem Chip integriert und mit einem Vorspannungssteuerkreis kombiniert sind, wobei 23 eine Gruppe von Eingangsumformern, welche Eingangssignale empfangen und abhängig von der Frequenz OSWn in verschiedenen Ausbreitungspfaden erzeugen, darstellt; 24 ist eine Gruppe von Ausgangsumformern zur Erzielung eines synthetisierten Ausgangs von OSWn, die sich in die verschiedenen Ausbreitungspfade ausgebreitet haben; 25 ist eine Gruppe von PN Diodenanordnungen, die den Ausbreitungsverlust für die OSWn, die sich in die verschiedenen Ausbreitungspfade ausgebreitet haben, verändern; eine Gruppe von Detektoren, wovon jeder aus einer Metallstreifenanordnung besteht, erfassen das Potential der OSW und eine Schottky Diodenanordnung (Schottky Diode SD) erzeugt ein von einer Quadratfunktion abhängiges Erfassungssignal; und 28 stellt einen Vorspannungssteuerkreis, der auf ein erfaßtes Signal anspricht, zur Überwachung der Ausgangsintensität jedes Kanals dar.

Nachfolgend wird das Prinzip der Erfassung der AOW durch die Metallstreifenanordnungen 16, 17 und der Schottky Dioden Anordnung 18 des oben beschriebenen Aufbau erläutert. Die durch den Eingangsumformer 5 erzeugte OSW breitet sich an den Metallstreifenanordnungen 16, 17 aus. In der Elementkonstruktion der oben beschriebenen Ausführungsform, ist, da die p+ Typ Diffusionsschicht hoher Störstellenkonzentration an der Oberfläche der Silizium- Epitaxialschicht 2 unter der Metallstreifenanordnung 16, 17 angeordnet ist, keine Wechselwirkung zwischen dem Potential der OSW und den Trägern erzeugt worden. Auf diese Weise wird kein Verlust der OSW aufgrund der elektro-akustischen Effekte erzeugt. Das vorliegende Element unterscheidet sich somit in diesem Punkt außerordentlich von den herkömmlichen Elementen. Infolgedessen findet der Ausbreitungsverlust der OSW nur in den kristallographischen Unvollkommenheiten des ZnO piezo­ elektrischen Films 4 statt und deshalb hat er nur eine geringe Größe. Wenn sich die OSW an den Metallstreifenanordnungen 16, 17 ausbreitet, ändert sich das Potential der verschiedenen Metallstreifen in ihrem hochfrequenten Verhalten abhängig vom Potential der OSW.

Dieses hochfrequente Signal wird an der Schottky Diode 18, die mit jedem der Metallstreifen verbunden ist, angelegt und ein Gleichspannungssignal, das von einem nicht linearen Widerstand der Schottky Diode abhängt, wird erzeugt. Auf diese Weise wird, da ein Gleichstrom durch den Widerstand 11, der mit der Schottky Diode verbunden ist, fließt, das Potential des Spannungssignals am Überwachungsanschluß in Abhängigkeit von der Leistung der OSW verändert. Der Betrag der Veränderung erzeugt ein Erfassungssignal.

Fig. 5 zeigt den Vergleich der Erfassungsempfindlichkeit des erfindungsgemäßen Elements mit der Erfassungsempfindlichkeit, die mit herkömmlichen Geräte erzielt wird. Auf der Abszisse ist die in den Eingangsumformer eingeleitete hochfrequente Leistung und auf der Ordinate der Spannungswert des Erfassungssignals angetragen. Der Umwandlungsverlust im Eingangumformer beträgt ca. 5 dB und die Eingangsfrequenz etwa 215 MHz. Die Linie (1) in Fig. 5 weist aufgrund ihrer Charakteristik darauf hin, daß die OSW im herkömmlichen Fall durch eine PN Diode in einem Abschnitt, in dem die Epitaxialschicht dick ist (ca. 10µm), erfaßt wird; Linie (2) weist aufgrund ihrer Eigenschaft darauf hin, daß die OSW in diesem Fall durch eine PN Diode in einem Abschnitt, in dem die Epitaxialschicht dünn ist (ca. 2µm), erfaßt wird; und die Linie (3) weist aufgrund ihrer Eigenschaft darauf hin, daß die OSW in diesem Fall durch eine erfindungsgemäße PN Diode erfaßt wird. Wie in Fig. 5 gezeigt wird, ist das Erfassungssignal der erfindungsgemäßen Schottky Diode das Größte und man kann erkennen, daß das Erfassungssignal bedeutend verbessert wurde. Dies wird durch den Effekt verursacht, daß der Ausbreitungverlust der OSW minimiert wurde.

Fig. 6 zeigt die Ausführungsform eines OSW-Elements, mit einem anderen erfindungsgemäßen Aufbau. Obwohl nur der Erfassungsbereich in der Figur aufgezeigt ist, sind die anderen Teile identisch zu denjenigen in Fig. 1 bis 3 und sind deshalb weggelassen. In der in Fig. 6 aufgezeigten Ausführungsform kann eine Gleichspannung an die Schottky Diode 18, die als Erfassungseinrichtung dient, angelegt werden, sodaß sie in ihrem optimalen Arbeitspunkt betrieben wird. In der Figur ist ein hochohmiger Widerstand 29 zwischen den Metallstreifen 16 und den geerdeten Streifen 17 angeordnet; 30 ist eine Gleichspannungsenergieversorgung. Der Widerstand 29 sollte einen hohen Widerstand im Bereich mehrerer 10 Kiloohm besitzen, um ein Abfallen des OSW-Potentials zu verhindern. Die optimale Vorspannung hängt von der Materialart, aus der die Schottky Elektrode besteht, ab. Sie liegt bei ca. 100 mV. Als Mittel zur Realisierung dieses hohen Widerstands ist der Widerstand durch Eindiffundierung in die Siliziumschicht ausgebildet, indem ein dünner Filmwiderstand aus polykristallinem Silizium hergestellt wird. Ein hoher Widerstandswert wird durch die Ausbildung eines extrem dünnen Films aus Metallen wie Cr, Ti, W, Ni, etc. auf der Oberfläche des ZnO piezo-elektrischen Films vor der Ausbildung der Streifenelektroden, etc. erreicht. Auf diese Weise ist es möglich, die Erfassungsempfindlichkeit weiter zu steigern. Wie aus der obigen Beschreibung leicht entnehmbar, sind erfindungsgemäß, folgende Wirkungen erzielbar.

• 1) Da die Erfassungsempfindlichkeit bedeutend erhöht wurde, wurde die hochfrequente Eingangsleistung des Elements vermindert. Dafür wurde das System vereinfacht und zur gleichen Zeit ist es möglich, die verbrauchte Leistung vorzugsweise zu reduzieren.
• 2) Kerbeigenschaften des Filters werden durch die Überwachung einer an die Diode angelegten Vorspannung gesteuert, Reaktionszeiten sind extrem kurz.
• 3) Die für die Erfassung notwendige Zeit ist kurz (die Reaktionszeit der Erfassungseinrichtung ist kurz)
• 4) Es gibt keine Beschränkung in der Anzahl der schmalbandigen hochfrequenten Interferenzsignale und eine anpaßbare Unterdrückung ist möglich.
• 5) Ein anpassungsfähiges System zur Unterdrückung von Interferenzwellen kann in einer monolithischen Art und Weise aufgebaut werden und es ist vorzugsweise möglich, das System zu vereinfachen und dessen Größe zu verringern. Zudem ist die Leistungsfähigkeit des Apparates gut.

Claims (4)

1. Oberflächenschallwelleneinrichtung umfassend:
einen Mehrschichtkörper, mit einem
Siliziumsubstrat (1) eines ersten Leifähigkeitstyps mit hoher Störstellenkonzentration; eine Silizium-Epitaxialschicht (2) des ersten Leitfähigkeitstyps; einen isolierenden Film (3) und einen piezo-elektrischen Film (4);
Eingangsumformer (5), die auf dem piezo­ elektrischen Film (4) zur Einteilung eines Eingangssignals nach der Frequenz und zur Erzeugung von Oberflächenschall­ wellen in einer Vielzahl von Ausbreitungspfaden ausgebildet sind;
Ausgangsumformer (6), die auf dem piezo­ elektrischen Film (4) zur Erlangung von Ausgangssignalen von Oberflächenschallwellen, die sich in den Ausbreitungspfaden ausbreiten, ausgebildet sind;
eine Gruppe von Gateelektroden (7), die auf dem piezo-elektrischen Film (4) ausgebildet ist, entsprechend den verschiedenen Ausbreitungspfaden, die zwischen den Ausgangs- (6) und den genannten Eingangsumformern (5) angebracht sind; und
eine Gruppe von PN-Diodenanordnungen (9), die an der vorderen Oberfläche der Silizium-Epitaxialschicht (2) des ersten Leitfähigkeitstyps in einem Bereich zwischen den Eingangsumformern (5) und den Ausgangsumformern (6) angeordnet ist;
dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin umfaßt:
eine Gruppe von Metallstreifenanordnungen (16), (17), die auf der den Ausgangsumformern (6) in Bezug auf die Eingangsumformer (5) gegenüberliegenden Seite auf der Oberfläche des piezo-elektrischen Films (4) angeordnet ist; und
eine zweite Gruppe von Diodenanordnungen (10), die jeweils auf der Oberfläche der Silizium-Epitaxialschicht (2) angeordnet und mit der Gruppe der Metallstreifenanordnungen (16), (17) verbunden sind.

2. Oberflächenschallwelleneinrichtung gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß im Oberflächenbereich der Silizium- Epitaxialschicht (2) des ersten Leitfähigkeitstyps unter der Gruppe der Metallstreifenanordnungen (16), (17) Störstellen mit einer hohen Konzentration diffundiert sind.

3. Oberflächenschallwelleneinrichtung gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Gruppe der Diodenanordnungen (18) aus Schottky Dioden besteht.

4. Oberflächenschallwelleneinrichtung gemäß Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß jede der Schottky Dioden aufweist:
einen Senkebereich (19) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der auf der Oberfläche der Silizium-Epitaxialschicht (2) des ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet ist;
einen Bereich (20) vom zweiten Leitfähigkeitstyp, der mit hoher Störstellenkonzentration an der Oberfläche des Senkebereichs (19) des zweiten Leitfähigkeitstyps diffundiert ist;
eine Schottky Elektrode (21), die auf dem Senkebereich des zweiten Leitfähigkeitstyps ausgebildet ist; und
eine Ohmschen Elektrode (22), die auf dem mit hoher Störstellenkonzentration diffundierten Bereich (20) des zweiten Leitfähigkeitstyps ausgebildet ist;
wobei die Schottky Elektrode (21) mit jedem Streifen der Gruppe der Metallstreifenanordnungen (16), (17) verbunden ist.