DE4400980A1

DE4400980A1 - Oberflächenwellenbauelement

Info

Publication number: DE4400980A1
Application number: DE4400980A
Authority: DE
Inventors: Michio Kadota; Naoki Mizoguchi
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1993-01-14
Filing date: 1994-01-14
Publication date: 1994-07-21
Anticipated expiration: 2014-01-15
Also published as: US5432392A; TW241397B; DE4400980C2; KR100200179B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Oberflächenwellenbauelement, das mit Love-Wel len arbeitet, insbesondere ein Oberflächenwellenbauelement mit einem Drei schicht-Aufbau, der durch einen dünnen piezoelektrischen Film aus ZnO, Ta₂O₅ oder dergleichen, Elektroden und ein piezoelektrisches einkristalli nes Substrat gebildet wird.

Geräte wie beispielsweise ein tragbares VHF- oder UHF-Radiokommunika tionsgerät sollten möglichst kleine Abmessungen, ein geringes Gewicht und einen niedrigen Leistungsverbrauch aufweisen. Insbesondere sollte ein loka ler Oszillator, der in einem solchen tragbaren Radiokommunikationsgerät zur Kanalwahl verwendet wird, eine große Bandbreite besitzen, um Vielkanal kommunikation zu ermöglichen. Somit muß ein spannungsgesteuerter Oszil lator (VCO) der ein wesentlicher Bestandteil des lokalen Oszillators ist, eben falls eine hohe Bandbreite aufweisen, und dies bei kleinen Abmessungen, ge ringem Gewicht und geringer Leistungsaufnahme.

Im allgemeinen wird hierzu ein mit Rayleigh-Wellen arbeitender Oberflä chenwellen-Resonator als eine Einrichtung eingesetzt, die akustische Ober flächenwellen verwendet. Bei einem solchen Oberflächenwellen-Resonator, der mit Rayleigh-Wellen arbeitet, ist es jedoch wegen seines kleinen elektro mechanischen Kopplungsfaktors K schwierig, eine große Bandbreite zu erzie len. Aus diesem Grund ist als Einrichtung mit einem großen elektromechani schen Kopplungsfaktor K, die eine hohe Bandbreite erreichen kann, ein Oberflächenwellen-Resonator auf Interesse gestoßen, der mit Love-Wellen ar beitet.

Ein herkömmlicher Oberflächenwellen-Resonator, der mit Love-Wellen arbei tet, weist ein Y-Schnitt X-Ausbreitungs LiNbO3-Substrat und einen Doppel kamm-Wandler oder Interdigitalwandler (im folgenden als ITD bezeichnet) auf, der aus einem dünnen Film aus Au, Ag oder Pt besteht, der auf dem Sub strat ausgebildet ist. Der ITD wird durch zwei Kammelektroden mit mehre ren ineinandergreifenden Elektrodenfingern gebildet. Bei diesem Aufbau be stehen die Elektroden, die auf dem Substrat ausgebildet sind, aus einem Me tall, das eine kleinere Schallgeschwindigkeit aufweist als das LiNbO₃ Sub strat, so daß durch einen solchen zweischichtigen Aufbau Love-Wellen ange regt werden. Die Elektroden, die eine kleinere Schallgeschwindigkeit aufwei sen müssen als das Substrat, bestehen aus einem Material wie etwa Au, Ag oder Pt, wie oben beschrieben wurde.

Wenn beispielsweise ein solcher Oberflächenwellen- Resonator durch Au- Elektroden und/oder ein Y-Schnitt X-Ausbreitungs LiNbO3-Substrat gebildet wird (die Oberflächenwellen breiten sich längs der X-Achse aus, und der Kri stall ist im wesentlichen längs der Y-Achse geschnitten), hat sein elektrome chanischer Kopplungsfaktor K einen großen Wert von etwa 58%, so daß eine hohe Bandbreite erzielt wird.

In diesem Fall ergeben sich jedoch hohe Kosten für den Oberflächenwellen- Resonator, da Metalle wie Au, Ag oder Pt sehr teuer sind.

Bei dem herkömmlichen, mit Love-Wellen arbeitenden Oberflächenwellen- Resonator, der den zweischichtigen Aufbau mit Elektroden auf einem LiNbO₃-Substrat aufweist, ist es außerdem schwierig, ein Bauelement mit ei ner niedrigen Frequenz zu schaffen, wie nachfolgend erläutert wird. Wenn beispielsweise die Metallelektroden aus Au bestehen und das Substrat durch ein Y-Schnitt X-Ausbreitungs LiNbO₃-Substrat gebildet wird, so werden kei ne Love-Wellen angeregt, sofern das Verhältnis H(Au)/λ nicht wenigstens 0,025 beträgt, wobei H(Au) die Dicke jeder Elektrode ist und λ die Wellen länge der erregten Love-Wellen ist. Aus diesem Grund muß bei kleiner Fre quenz die Dicke der Elektroden so weit erhöht werden, so gilt H/λ = 0,025. In diesem Fall ist es jedoch aufgrund von Seitenätzung und Eindringen der Ätzlösung in Zwischenräume zwischen Resist-Schichten und den Elektroden nicht möglich, die Elektrodenfinger mit den gewünschten Breiten herzustel len und ein Oberflächenwellenbauelement mit der gewünschten Charakteri stik zu erhalten.

Bei dem herkömmlichen Love-Wellenbauelement mit Au-Elektroden ist au ßerdem die Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz relativ groß so daß seine Charakteristik auch in relativ großem Ausmaß durch Temperatur änderungen beeinflußt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein mit Love-Wellen arbeitendes Oberflächen wellenbauelement zu schaffen, das mit kostengünstigem Elektrodenmaterial hergestellt und ohne Vergrößerung der Elektrodendicke bei niedriger Fre quenz eingesetzt werden kann und daß außerdem eine geringe Temperatur abhängigkeit der Resonanzfrequenz aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein mit Love-Wellen arbei tendes Oberflächenwellenbauelement, das ein piezoelektrisches Substrat, we nigstens einen auf dem piezoelektrischen Substrat ausgebildeten IDT und einen dünnen piezoelektrischen Film aufweist, der so auf dem piezoelektri schen Substrat ausgebildet ist, daß er den IDT überdeckt, und der aus einem Material besteht, für das die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Oberflächen wellen kleiner ist als für das Material des piezoelektrischen Substrats. In die sem Bauelement liegt das Verhältnis H/λ zwischen der Dicke H des piezoe lektrischen Films und der Wellenlänge λ der erregten Love-Wellen im Be reich von 0,01 bis 0,2.

Bei dem piezoelektrischen Substrat handelt es sich beispielsweise um ein LiNbO₃-Substrat, vorzugsweise ein um 0 bis 30 gedrehtes Y-Schnitt X-Aus breitungs LiNbO₃-Substrat oder ein LiTaO₃-Substrat, vorzugsweise ein um 36° gedrehtes Y-Schnitt LiTaO₃-Substrat (die Winkelangaben beziehen sich auf den Winkel zwischen der Schnittfläche und der Y-Achse).

Die Erfinder haben festgestellt, daß es möglich ist, Love-Wellen anzuregen, ohne daß strikte Begrenzungen hinsichtlich der Dicke der Elektroden und der Masse des Elektrodenmaterials eingehalten werden müssen, wenn eine Dreischichtstruktur verwendet wird, die man erhält, indem man Elektroden auf einem LiNbO₃-Substrat oder einem LiTaO₃-Substrat ausbildet und außer dem auf den Elektroden einen dünnen piezoelektrischen Film bildet, für den die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Oberflächenwellen kleiner ist als bei dem piezoelektrischen Substrat.

Erfindungsgemäß ist wenigstens ein IDT auf dem vorgenannten piezoelektri schen Substrat ausgebildet, und der erwähnte dünne Film überdeckt den IDT. Das Verhältnis H/λ liegt im Bereich von 0,01 bis 0,2, so daß es möglich ist, Love-Wellen zu erregen und einen ausreichend hohen elektromechani schen Kopplungsfaktor selbst dann zu erreichen, wenn die Dicke der Elek troden variiert (verringert) wird.

Das erwähnte Verhältnis H/λ liegt im Bereich von 0,01 bis 0,2, da keine Lo ve-Wellen angeregt werden können, wenn das Verhältnis kleiner ist als 0,01, während der elektromechanische Kopplungsfaktor so klein wird, daß sich keine hohe Bandbreite erreichen läßt, wenn das Verhältnis größer wird als 0,2.

Der dünne piezoelektrische Film besteht beispielsweise aus ZnO, CdS oder Ta₂O₅.

Wenn das piezoelektrische Substrat aus 36° gedrehtem Y-Schnitt LiTaO₃ be steht, liegt das Verhältnis H/X vorzugsweise im Bereich von 0,01 bis 0,13. Andererseits liegt dieses Verhältnis H/λ vorzugsweise im Bereich von 0,02 bis 0, 13 wenn der dünne Film aus ZnO besteht, während das Verhältnis vor zugsweise im Bereich 0,01 bis 0,10 liegt, wenn der dünne Film aus CdS be steht.

Wenn das piezoelektrische Substrat aus um 0 bis 30° gedrehtem Y-Schnitt X- Ausbreitungs LiNbO₃ besteht, liegt das Verhältnis H/λ vorzugsweise im Be reich von 0,05 bis 0,2.

Durch die Erfindung wird ein elektromechanischer Kopplungsfaktor K von wenigstens 40% erreicht, so daß es möglich ist, einen Oberflächenwellen- Resonator oder dergleichen mit großer Bandbreite zu erhalten. Außerdem ist es möglich, die Resonanzfrequenz zu variieren, indem man das Verhältnis H/λ variiert, während die Dicke der Elektroden konstant gehalten wird. So mit ist es möglich, einen Oberflächenwellen-Resonator mit einer niedrigen Resonanzfrequenz zu schaffen, was bei herkömmlichen Love-Wellen-Resona toren mit zweischichtigem Aufbau aus Au-Elektroden und Y-Schnitt X-Aus breitungs-LiNbO₃ als Substrat kaum möglich war.

Bei dem erfindungsgemäßen Oberflächenwellenbauelement ist außerdem die Temperaturabhängigkeit der Frequenzcharakteristik im Vergleich zu her kömmlichen Oberflächenwellen-Resonatoren mit Love-Wellen verringert, so daß auch ein Bauelement mit größerer Temperaturstabilität geschaffen wer den kann.

Durch die Erfindung ist es somit möglich, ein Bauelement zu schaffen, das so wohl hinsichtlich der Temperaturcharakteristik als auch hinsichtlich seiner elektrischen Eigenschaften, insbesondere der Resonanz, hervorragende Ei genschaften aufweist.

Vorzugsweise sind der IDT und der dünne Film auf einer Plus-Oberfläche ei nes einkristallinen piezoelektrischen Substrats ausgebildet, wodurch ein grö ßerer elektromechanischer Kopplungsfaktor K erreicht werden kann. Der Ausdruck "Plus-Oberfläche des Substrats" bezeichnet eine Hauptfläche des Substrats, die bei Ausübung einer mechanischen Spannung auf das Substrat eine positive elektrische Ladung erhält. Die Erfinder haben die Unterschiede in den Ausbreitungseigenschaften von Oberflächenwellen untersucht, die durch die Polarität des Substrats bei einem Dreischicht-Aufbau mit einem LiNbO₃-Substrat, einem IDT und dem erwähnten dünnen Film auf dem Sub strat verursacht wird. Dabei hat es sich als möglich erwiesen, einen größeren elektromechanischen Kopplungsfaktor K zu erreichen, indem der IDT und der dünne Film auf einer Plus-Oberfläche eines LiNbO₃-Substrats ausgebildet werden, und es hat sich außerdem herausgestellt, daß in diesem Fall die To leranz des elektromechanischen Kopplungsfaktors K bezüglich der Dicke H des dünnen Films ebenfalls größer ist. Somit sind der IDT und der dünne Film vorzugsweise auf der Plus-Oberfläche des piezoelektrischen einkristalli nen Substrats, beispielsweise eines LiNbO₃-Substrats ausgebildet.

Die Erfindung ist nicht nur auf Oberflächenwellen-Resonatoren sondern auch auf andere Arten von Oberflächenwellenbauelementen anwendbar, wie etwa Oberflächenwellen-Filter, die mit Love-Wellen arbeiten.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A eine perspektivische Ansicht eines Oberflächenwellenbauele ments gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 1B einen Schnitt längs der Linie B-B in Fig. 1A;

Fig. 2 die Abhängigkeit der Phasengeschwindigkeit von Oberflächen wellen von dem Verhältnis H/λ bei Proben von Oberflächenwel len-Resonatoren nach einem Versuchsbeispiel gemäß der Erfin dung;

Fig. 3 die Abhängigkeit des elektromechanischen Kopplungsfaktors K von dem Verhältnis H/λ bei Proben nach dem Versuchsbeispiel;

Fig. 4 ein Beispiel einer Impedanz/Frequenz-Charakteristik eines Oberflächenwellen-Resonators nach dem Versuchsbeispiel ge mäß der Erfindung;

Fig. 5 Änderungen der Resonanzfrequenz in Abhängigkeit von der Temperatur bei Proben nach dem Versuchsbeispiel;

Fig. 6 die Abhängigkeit des elektromechanischen Kopplungsfaktors K von dem Verhältnis H(ZnO)/λ für unterschiedliche Drehwinkel des Y-Schnitt X-Ausbreitungs LiNbO₃-Substrats;

Fig. 7 eine vergrößerte Teilansicht einer Elektrode zur Erläuterung des Begriffs des Metallisierungsverhältnisses;

Fig. 8 die Abhängigkeit des elektromechanischen Kopplungsfaktors K vom Metallisierungsverhältnis für Oberflächenwellen-Resonato ren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und einem Vergleichsbeispiel eines herkömmlichen Oberflächenwellen-Re sonators;

Fig. 9 die Abhängigkeit der Phasengeschwindigkeit von Oberflächen wellen vom Verhältnis H(Au)/λ für herkömmliche Love-Wellen- Resonatoren;

Fig. 10 die Abhängigkeit des elektromechanischen Kopplungsfaktors K von dem Verhältnis H(Au)/λ für herkömmliche Love-Wellen-Re sonatoren;

Fig. 11 die Abhängigkeit der Phasengeschwindigkeit von Oberflächen wellen von dem Verhältnis H/λ für Proben von Oberflächenwel len-Resonatoren gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 12 die Abhängigkeit des elektromechanischen Kopplungsfaktors K von dem Verhältnis H/λ für dieses weitere Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 13 die Beziehung zwischen der relativen Dicke H/λ des ZnO-Films auf einem 36° Y-Schnitt LiTaO₃-Substrat und der Schallge schwindigkeit der Oberflächenwellen;

Fig. 14 die Beziehung zwischen dem elektromechanischen Kopplungs faktor K und der Dicke H/λ des ZnO-Films auf dem 36° Y- Schnitt LiTaO₃-Substrat;

Fig. 15 die Beziehung zwischen der Dicke H/λ eines CdS-Films auf einem 36° Y-Schnitt LiTaO₃-Substrat und dem elektromechani schen Kopplungsfaktor K; und

Fig. 16 eine perspektivische Ansicht eines Beispiels eines Oberflächen wellenbauelements, bei dem die Erfindung eingesetzt wird.

Erstes Ausführungsbeispiel

Ein Oberflächenwellenbauelement 1 gemäß einem ersten Ausführungsbei spiel der Erfindung ist in Fig. 1A in perspektivischer Ansicht und in Fig. 1B in einem Schnitt längs der Linie B-B in Fig. 1A gezeigt.

Die Oberflächenwellenbauelement 1 ist als Oberflächenwellen-Resonator aus gebildet, der mit Love-Wellen arbeitet. Dieses Oberflächenwellenbauelement 1 umfaßt ein Y-Schnitt X-Ausbreitungs LiNbO₃-Substrat 2 und einen IDT 5, der so auf einer oberen Oberfläche des LiNbO₃-Substrats 2 angeordnet ist, daß mehrere Elektrodenfinger von Kammelektroden 3 und 4 derselben in einandergreifen. Der IDT 5, der in diesem Ausführungsbeispiel aus Al herge stellt ist, kann alternativ auch aus anderen metallischen Materialien wie etwa Cu oder Ni hergestellt sein.

Ein dünner ZnO-Film 6 ist so auf dem LiNbO₃-Substrat 2 angeordnet, daß er den IDT bedeckt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Verhältnis H/λ zwi schen der Dicke H des ZnO-Films und der Wellenlänge λ der erregten Love- Wellen in einem Bereich von 0,05 bis 0,2 gewählt, wie aus dem nachfolgend beschriebenen Versuchsbeispiel hervorgeht.

Der Grund, weshalb das Verhältnis H/λ im Bereich von 0,05 bis 0,2 gewählt werden sollte, wird nunmehr unter Bezugnahme auf das Versuchsbeispiel er läutert.

LiNbO₃-Substrate 2 von 2,0 mm Breite, 1,8 mm Länge und 0,5 mm Dicke wurden vorbereitet, und verschiedene IDTs 5 und ZnO-Filme 6 mit unter schiedlichen Elektrodenfinger-Rastern bzw. Dicken wurden darauf ausgebil det, so daß eine Vielzahl von Typen von Oberflächenwellen-Resonatoren her gestellt wurde. An den so erhaltenen Oberflächenwellen-Resonatoren wurden die Oberflächenwellen-Phasengeschwindigkeiten und die elektromechani schen Kopplungsfaktoren K gemessen. Die Resultate sind in Fig. 2 und 3 gezeigt. Bei den in Fig. 2 gezeigten Phasengeschwindigkeiten betrifft die Kurve "offen" die Werte für Zustände mit offenem Stromkreis in der Ebene des IDT, und die Kurve "kurz" betrifft Werte für kurzgeschlossene Zustände in der Ebene des IDT.

In Fig. 2 und 3 ist deutlich zu erkennen, daß Love-Wellen erregt wurden, wenn die Verhältnisse H(ZnO)/λ mehr als 0,05 betrugen. Es ist weiterhin zu erkennen, daß die elektromechanischen Kopplungsfaktoren K, die bei einem Verhältnis von 0,05 einen relativ hohen Wert von mindestens 50% hatten, mit zunehmendem Verhältnis H(ZnO)/λ abnahmen, jedoch bei einem Ver hältnis von 0,2 immer noch mehr als 40% betrugen. Somit sollte das Ver hältnis H/λ gemäß der Erfindung im Bereich von 0,05 bis 0,2 gewählt wer den.

Tabelle 1 zeigt elektromechanische Kopplungsfaktoren K und Werte der Temperaturabhängigkeit von Frequenzen (Änderungsraten in Einheiten ppm in der Form von Verhältnissen Δfr/fr pro Temperatureinheit, wobei fr Reso nanzfrequenzen angibt und Δfr die Änderungen der Resonanzfrequenzen an gibt), für Frequenzen in herkömmlichen Oberflächenwellen-Resonatoren, die mit Love-Wellen und mit Rayleigh-Wellen arbeiten, und für Proben von mit Love-Wellen arbeitenden Oberflächenwellen-Resonatoren gemäß dem Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung.

In Tabelle 1 bedeutet "LN" LiNbO₃-Substrate und "Y-X" bedeutet Y-Schnitt X- Ausbreitungs-Substrate.

Tabelle 1

Zum Vergleich zeigen Fig. 9 und 10 die Beziehungen zwischen Oberflä chenwellen-Phasengeschwindigkeiten, elektromechanischen Kopplungsfak toren und den Elektrodendicken H(Au)/λ für herkömmliche Love-Wellen- Einrichtungen, die durch Au-Elektroden auf Y-Schnitt X-Ausbreitungs- LiNbO₃-Substraten gebildet wurden. In Fig. 9 zeigt die Kurve "offen" Werte für Zustände mit offenem Stromkreis in der Ebene des IDT und die Kurve "kurz" zeigt Werte für kurzgeschlossene Zustände in der Ebene des IDT.

Aus Tabelle 1 und Fig. 9 und 10 geht deutlich hervor, daß in den her kömmlichen Oberflächenwellen-Resonatoren mit LiNbO₃-Substraten und darauf ausgebildeten Au-Elektroden keine Love-Wellen angeregt werden, wenn die Verhältnisse H(Au)/λ nicht wenigstens 0,025 betrugen. Somit war es nicht möglich, einen Oberflächenwellen-Resonator mit niedriger Frequenz zu erhalten, wenn nicht die Dicke der Elektroden vergrößert wurde (ent sprechend der Zunahme von λ).

Außerdem zeigt Tabelle 1, daß herkömmliche Oberflächenwellen-Resonato ren, die mit Rayleigh-Wellen arbeiteten, nur kleine elektromechanische Kop plungsfaktoren K von höchstens 30% aufwiesen, unabhängig von der Art des Substrats, und daß es somit nicht möglich war, eine hohe Bandbreite zu er reichen.

Bei den erfindungsgemäßen Oberflächenwellen-Resonatoren nach diesem Ausführungsbeispiel war es dagegen möglich, eine hohe Bandbreite mit ho hen elektromechanischen Kopplungsfaktoren K von wenigstens 40% bei bei den H/λ-Verhältnissen von 0,09 und 0, 16 zu erhalten.

Außerdem geht aus Fig. 3 hervor, daß eine Vorrichtung mit kleiner Fre quenz hergestellt werden kann, ohne daß die Elektrodendicke vergrößert werden muß, da der elektromechanische Kopplungsfaktor sich mit der Dicke des ZnO-Films ändert, und zwar auch dann, wenn die Dicke der Elektroden konstant gehalten wird.

Im Zusammenhang mit dem Oberflächenwellen-Resonator nach dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde eine Probe mit einem IDT aus Al mit 25 Paaren von Elektrodenfingern mit einem Rastermaß von Finger zu Finger von 4,5 µm, einer Finger-Überdeckungsbreite von 526 µm und einem Metallisierungsverhältnis von 0,51, wie unten beschrieben wird, und mit einem dünnen ZnO-Film mit einer Dicke von 2,0 µm hergestellt, und an die ser Probe wurden die Impedanz/Frequenz-Kennlinie und die Temperaturab hängigkeit Δfr/fr der Resonanzfrequenz gemessen. Die Ergebnisse sind in Fig. 4 und 5 gezeigt.

Aus Fig. 5 geht deutlich hervor, daß der Oberflächenwellen-Resonator nach diesem Ausführungsbeispiel einen Frequenz/Temperatur-Koeffizienten TCF von -66 ppm/°C aufwies, was besser ist als der TCF-Wert von -112 ppm/°C bei dem herkömmlichen Oberflächenwellen-Resonator mit Love-Wellen (siehe Tabelle 1). Somit ermöglicht die Erfindung auch eine Verringerung der Tem peraturabhängigkeit der Resonanzfrequenz.

Weiterhin wurden IDTs ähnlich dem obigen auf drei verschiedenen Arten von LiNbO₃-Substraten ausgebildet, die unterschiedliche Schnittwinkel aufwie sen, und es wurden dann die Beziehungen zwischen den elektromechani schen Kopplungsfaktoren K und den Verhältnissen H/λ untersucht. Die Er gebnisse sind Fig. 6 gezeigt. Die Kurven für R = 0°, R = 15° und R = 30° zei gen die Ergebnisse für ein Y-Schnitt X-Ausbreitungs-LiNbO₃-Substrat, ein um 5° gedrehtes Y-Schnitt X-Ausbreitungs-LiNbO₃-Substrat und ein um 30° ge drehtes Y-Schnitt X-Ausbreitungs-LiNbO₃-Substrat.

Wie aus Fig. 6 hervorgeht, wiesen die Proben mit allen drei Substraten aus reichende elektromechanische Kopplungsfaktoren K bei Verhältnissen H(ZnO)/λ im Bereich von 0,05 bis 0,25 auf, bei Drehwinkeln von bis zu 30°.

Sodann wurden Änderungen der elektromechanischen Kopplungsfaktoren in Abhängigkeit vom Metallisierungsverhältnis der IDTs experimentell über prüft. Es wurden Proben von Oberflächenwellen-Resonatoren mit ZnO-Fil men, IDTs aus Al und Y-Schnitt X-Ausbreitungs-LiNbO₃-Substraten herge stellt, die unterschiedliche Verhältnisse zwischen der Elektrodenfinger-Brei te a und dem Finger-zu-Finger-Abstand b, d. h., unterschiedliche Metallisie rungsverhältnisse a/b aufwiesen, wie vergrößert in Fig. 7 gezeigt ist. An die sen Proben wurden die elektromechanischen Kopplungsfaktoren K gemes sen. Die ZnO-Filme hatten eine Dicke von 3 µm, und die IDTs aus Al hatten eine Dicke von 0,3 µm (3000 Å).

Die Ergebnisse sind Tabelle 2 und in Fig. 8 dargestellt. Zum Vergleich zeigt Fig. 8 auch die Beziehung zwischen dem elektromechanischen Kopplungs faktor K und dem Metallisierungsverhältnis bei einem herkömmlichen Ober flächenwellen-Resonator mit einem IDT, der durch einen 1,0 µm dicken Au- Film auf einem Y-Schnitt X-Ausbreitungs-LiNbO₃-Substrat gebildet wurde (Metallisierungsverhältnis = 0,5).

Tabelle 2

Aus Tabelle 2 und Fig. 8 geht deutlich hervor, daß elektromechanische Kop plungsfaktoren K von mindestens 40% erhalten werden können, wenn das Metallisierungsverhältnis im Bereich von 0, 1 bis 0,7 liegt. Insbesondere nimmt der Kopplungsfaktor K bei den erfindungsgemäßen Proben zu, wenn das Metallisierungsverhältnis innerhalb des Bereichs von 0,2 bis 0,7 verrin gert wird.

Ein Love-Wellen-Resonator mit Au-Elektroden kann nicht angeregt werden, sofern sein Metallisierungsverhältnis nicht wenigstens 0,5 beträgt. Bei dem erfindungsgemäßen Love-Wellen-Resonator ist es dagegen möglich, den elek tromechanischen Kopplungsfaktor K selbst dann auf mindestens 40% zu stei gern, wenn das Metallisierungsverhältnis nicht mehr als 0,5 beträgt, wie oben beschrieben wurde. Somit ist es möglich, einen breitbandigen Oberflä chenwellen-Resonator zu erhalten, bei dem das Metallisierungsverhältnis auf einen Wert von höchstens 0,5 eingestellt ist. Allerdings wird die Herstellung des Resonators schwierig, wenn das Metallisierungsverhältnis weniger als 0,1 beträgt. Andererseits nimmt der elektromechanische Kopplungsfaktor K ex trem ab oder es wird leicht ein Brummen oder eine Welligkeit verursacht, wenn das Metallisierungsverhältnis 0,7 übersteigt. Aus diesem Grund wird das Metallisierungsverhältnis vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 0,7 ge wählt.

In Fig. 6 weist die Kennlinie für R = 15° in Nähe des Verhältnisses H(ZnO)/λ von 0,11 einen beträchtlichen Sprung auf, da bei diesem Verhält nis von H(ZnO)/λ eine Modenänderung vorgerufen wurde.

Zweites Ausführungsbeispiel

Die Erfinder haben erkannt, daß es möglich ist, bei dem in Fig. 1A und 1B gezeigten Love-Wellen-Resonator den elektromechanischen Kopplungsfak tor K zu erhöhen, wenn der IDT und der ZnO-Film auf einer Plus-Oberfläche eines Y-Schnitt X-Ausbreitungs-LiNbO₃-Substrats und nicht auf der Minus- Oberfläche dieses Substrats ausgebildet werden.

Nunmehr sollen anhand eines Versuchsbeispiels die Unterschiede in den Ausbreitungseigenschaften von Love-Wellen für die Fälle erläutert werden, in denen der IDT und der ZnO-Film einmal auf der Plus-Oberfläche und einmal auf der Minus-Oberfläche eines LiNbO₃-Substrats ausgebildet sind.

Es wurden mehrere Typen von Oberflächenwellen-Resonatoren vorbereitet unter Verwendung von LiNbO₃-Substraten mit einer Breite von 2,0 mm, ei ner Länge von 1,8 mm und einer Dicke von 0,5 mm, und verschiedenen IDTs mit unterschiedlichen Finger-zu-Finger-Abständen und unterschiedlichen ZnO-Filmdicken wurden auf den Plus- oder Minus-Oberflächen der Substrate ausgebildet. An den so erhaltenen Oberflächenwellen-Resonatoren wurden die Oberflächenwellen-Phasengeschwindigkeiten und die elektromechani schen Kopplungsfaktoren K gemessen. Die Ergebnisse sind in Fig. 11 und 12 gezeigt.

In diesen Figuren betreffen die durchgezogenen Linien Proben, bei denen die IDTs und die ZnO-Filme auf den Plus-Oberflächen der LiNbO₃-Substrate aus gebildet waren, und die gestrichelten Linien zeigen die Ergebnisse für Pro ben, bei denen die IDTs und die ZnO-Filme auf den Minus-Oberflächen der LiNbO₃-Substrate ausgebildet waren. In Fig. 11 zeigen die Kurven "offen" die Ergebnisse für Zustände mit offenem Stromkreis in der Ebene des IDT und die Kurven "kurz" zeigen die Ergebnisse für kurzgeschlossene Zustände in der Ebene des IDT.

Während die Werte in Fig. 2, 3, 6, 8, 9 und 10 nach der Finite-Elemente- Methode unter Berücksichtigung des Vorhandenseins des IDT berechnet wurden, wurden die Werte in Fig. 11 und 12 nach einem Verfahren be rechnet, das von J.J. Campbell et al. vorgeschlagen wurde (J.J. Campbell, W.R. Jone: " A method for estimating optimal crystal cuts and propagating direc tions for excitation of piezoelectric surface waves", IEEE trans., su- 15,4, Seite 209 (Oktober 1968)). Die letzteren Werte sind etwas kleiner als die nach der Finite-Elemente-Methode.

Aus Fig. 11 und 12 geht deutlich hervor, daß Love-Wellen sowohl bei der Plus-Oberfläche als auch bei der Minus-Oberfläche angeregt wurden, sofern das Verhältnis H/λ mindestens 0,05 betrug. Die elektromechanischen Kop plungsfaktoren K betrugen etwa 48% auf der Plus-Oberfläche und etwa 46% auf der Minus-Oberfläche, wenn das Verhältnis H/λ beispielsweise 0, 11 be trug, und nahmen mit zunehmendem Verhältnis H/λ ab. Mit anderen Worten, auf der Plus-Oberfläche des Substrats wurden höhere elektromechanische Kopplungsfaktoren K erreicht. Bei der Plus-Oberfläche wurden elektrome chanische Kopplungsfaktoren K, die den Sollwert von 40% überschritten, er reicht, wenn die Verhältnisse H/λ bis zu 0,2 betrugen.

Es ist weiterhin zu erkennen, daß die Abhängigkeit des elektromechanischen Kopplungsfaktors K von dem Verhältnis H(ZnO)/λ bei der Plus-Oberfläche kleiner ist, so daß größere elektromechanische Kopplungsfaktoren K in Be zug auf die Dicke des ZnO-Films ermöglicht werden.

Weiterhin zeigt Fig. 12, daß ein Oberflächenwellen-Resonator mit kleiner Frequenz hergestellt werden kann, ohne daß die Elektrodendicke erhöht werden muß, da der elektromechanische Kopplungsfaktor K auch bei unge änderter Elektrodendicke verändert werden kann, indem die Dicke des ZnO-Films variiert wird.

Es wurde außerdem bestätigt, daß die Temperaturabhängigkeit der Fre quenzcharakteristik bei dem erfindungsgemäßen Oberflächenwellen-Resona tor kleiner ist als bei herkömmlichen Oberflächenwellen-Resonatoren, die mit Love-Wellen arbeiten.

Drittes Ausführungsbeispiel

Gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird als piezoelek trisches Substrat ein um 36° gedrehtes Y-Schnitt-LiTaO₃-Substrat (im folgen den kurz als LiTaO₃-Substrat bezeichnet) verwendet, und ein dünner Film aus ZnO, CdS oder Ta₂O₅ wird auf dem LiTaO₃-Substrat ausgebildet.

Für das um 36° gedrehte Y-Schnitt LiTaO₃-Substrat wurde gefunden, daß es einen Schnittwinkel besitzt, bei dem bei der Berechnung von Leck-Oberflä chenwellen an der gedrehten Y-Schnittfläche keine Dämpfung auftritt, und es wurde als ein Oberflächenwellen-Substrat für SH-Wellen beschrieben ("SH- Type and Rayleigh Type Surface Acoustic Waves in LiTaO₃" von Nakamura, In mi und Shimizu, JEICE Tech. Report (Japan), US 77-42 (1077)). Es ist be kannt, daß dieses LiTaO₃-Substrat eine Temperaturcharakteristik TCF von etwa -25 bis 35 ppm/°C hat.

Proben von piezoelektrischen Substraten wurden hergestellt, indem dünne ZnO-Filme unterschiedlicher Dicke auf den oben erwähnten LiTaO₃-Substra ten mit ausgezeichneter Temperaturcharakteristik aufgebracht wurden, um die Anregung von Love-Wellen zu untersuchen. Die Anregung von Love-Wellen wurde sowohl für auf den Plus-Oberflächen als auch für auf den Minus-Ober flächen der LiTaO₃-Substrate ausgebildete ZnO-Filme untersucht.

Die folgende piezoelektrische Grundgleichung, Bewegungsgleichung und Maxwell-Gleichung gelten sowohl für LiTaO₃-Substrate als auch für die ZnO- Filme:

Piezoelektrische Grundgleichung

T₁ = C_ÿS_j - R_miE_m

Dn = R_nhS_h + ε_nmE_m

Bewegungsgleichung

Maxwell-Gleichung

Div D = 0

Um Love-Wellen anzuregen, kann für eine solche Schallgeschwindigkeit ge sorgt werden, daß diese Gleichungen jeweilige Randbedingungen an der Oberfläche des ZnO-Films und an der Grenze zwischen dem ZnO-Film und dem LiTaO₃-Substrat erfüllen. Wenn der IDT auf dem piezoelektrischen Sub strat ausgebildet wird, so ergibt sich der elektromechanische Kopplungsfak tor K im Fall eines elektrischen Kurzschlusses in der Ebene des IDT aus ei ner Oberflächenwellengeschwindigkeit V_m und im Fall eines offenen Strom kreises in der Ebene des IDT aus einer Oberflächenwellengeschwindigkeit V_f.

Fig. 13 zeigt die Ergebnisse der Messung der oben genannten Oberflächen wellengeschwindigkeiten V_f und V_m an piezoelektrischen Substraten, die er halten wurden durch Ablagerung von ZnO-Filmen unterschiedlicher Dicke auf den zuvor erwähnten LiTaO₃-Substraten. In Fig. 13 betreffen die Markie rungen o und ⚫ die Schallgeschwindigkeiten V_f von Love-Wellen an freien Grenzflächen bzw. die Schallgeschwindigkeiten V_m von Love-Wellen an me tallisierten Grenzflächen der ZnO-Filme, die auf Plus-Oberflächen des LiTaO₃-Substrats ausgebildet wurden. Die Markierungen Δ und geben dage gen die Schallgeschwindigkeiten V_f von Love-Wellen bzw. die Schallge schwindigkeiten V_m von Love-Wellen an metallisierten Grenzflächen der ZnO-Filme an, die auf Minus-Oberflächen des LiTaO₃-Substrats ausgebildet wurden.

Aus Fig. 13 geht deutlich hervor, daß die Schallgeschwindigkeiten für die beiden ZnO-Filme, die auf der Plus- und der Minus-Oberfläche ausgebildet waren, unverändert geblieben sind.

Weiterhin geben in Fig. 13 die Markierungen X und + die Schallgeschwin digkeiten von Rayleigh-Wellen auf den ZnO-Filmen an, die auf der Plus- bzw. Minus-Oberfläche des LiTaO₃-Substrats ausgebildet waren. Es ist zu erken nen, daß die Schallgeschwindigkeiten V_f und V_m auf den freien und metalli sierten Grenzflächen im wesentlichen übereinstimmten, so daß der elektro mechanische Kopplungsfaktor den Wert 0 hatte, und keine Rayleigh-Wellen angeregt wurden. Es ist ebenso zu erkennen, daß die erfindungsgemäßen piezoelektrischen Substrate kaum durch Rayleigh-Wellen-Komponenten be einflußt wurden, da zwischen den Schallgeschwindigkeiten V_f und V_m der Love-Wellen keine Rayleigh-Wellen-Komponenten existierten.

Fig. 14 zeigt elektromechanische Kopplungsfaktoren Ks von Proben, die hergestellt wurden, indem dünne ZnO-Filme unterschiedlicher Dicken auf den zuvor genannten LiTaO₃-Substraten aufgebracht wurden. In Fig. 14 be zeichnen die Markierungen o Ergebnisse von Proben, bei denen die ZnO-Fil me auf den Plus-Oberflächen der LiTaO₃-Substrate aufgebracht waren, und die Markierungen Δ bezeichnen die Ergebnisse für Proben, bei denen die ZnO-Filme auf den Minus-Oberflächen ausgebildet waren. Es geht deutlich aus Fig. 14 hervor, daß die elektromechanischen Kopplungsfaktoren Ks für die Proben mit den ZnO-Filmen auf den Plus-Oberflächen etwas größer waren als bei den Proben mit den ZnO-Filmen auf den Minus-Oberflächen.

Außerdem ist zu erkennen, daß der elektromechanische Kopplungsfaktor über 22% im Vergleich zu dem Fall ohne ZnO-Film gesteigert werden kann, indem die relative Dicke H/λ des ZnO-Films im Bereich von 0,02 bis 0,13 eingestellt wird, egal, auf welcher Oberfläche der ZnO-Film ausgebildet wird. Somit hat das erfindungsgemäße piezoelektrische Substrat eine ausgezeich nete Temperaturcharakteristik TCF von etwa -25 bis -32 ppm/°C, da sowohl der ZnO-Film als auch das LiTaO₃-Substrat verhältnismäßig gute Temperatur charakteristiken TCF (TCF = -30 ppm/°C bei dem ZnO-Film und TCF = -25 bis -32 ppm/°C bei dem LiTaO₃-Substrat) aufweisen, und der elektromecha nische Kopplungsfaktor kann relativ gesteigert werden, indem die Dicke des ZnO-Films in den zuvor genannten speziellen Bereich gewählt wird.

Fig. 15 zeigt elektromechanische Kopplungsfaktoren Ks von Love-Wellen in Proben, die hergestellt wurden, indem dünne CdS-Filme unterschiedlicher Dicke anstelle der ZnO-Filme auf den Plus-Oberflächen der zuvor erwähnten LiTaO₃-Substrate aufgebracht wurden. Wie aus Fig. 15 hervorgeht, war es möglich, die elektromechanischen Kopplungsfaktoren Ks auf wenigstens 24% im Vergleich zu Substraten ohne CdS-Filme zu steigern, wenn die Dicken (H/λ) der CdS-Filme in einem Bereich von 0,01 bis 0,10 gewählt wurden, wodurch man piezoelektrische Substrate mit hohen elektromechanischen Kopplungsfaktoren für Love-Wellen erhielt. Auch die piezoelektrischen Sub strate nach diesem Ausführungsbeispiel zeichneten sich durch ausgezeichne te Temperaturcharakteristiken TCF von etwa -25 bis -32 ppm/°C aus, da die CdS-Filme und die LiTaO₃-Substrate ausgezeichnete Temperaturcharakteri stiken (TCF = -41 ppm/°C für die CdS-Filme) aufwiesen.

Auf den zuvor erwähnten LiTaO₃-Substraten wurden dünne Filme aufge bracht, die kleinere Schallgeschwindigkeiten für Love-Wellen aufwiesen als die LiTaO₃-Substrate. Solch ein dünner Film kann anstelle von ZnO oder CdS auch aus einem Material wie etwa Ta₂O₅ hergestellt werden.

Das dritte Ausführungsbeispiel der Erfindung kann nach einem Verfahren re alisiert werden, wie es grundsätzlich für ein Oberflächenwellenbauelement bekannt ist, das das zuvor genannte piezoelektrische Substrat für einen kon kreten Aufbau des Oberflächenwellenbauelements verwendet, wie etwa die Bildung von Doppelkamm-Elektroden. Beispielsweise ist es möglich, einen Resonator mit ausgezeichneten Temperatur- und Resonanz-Charakteristiken zu schaffen, indem das piezoelektrische Substrat nach dem zuvor beschriebe nen Ausführungsbeispiel in einem Oberflächenwellen-Resonator 1 des End- Reflektionstyps verwendet wird, wie er in Fig. 16 gezeigt ist. Der Oberflä chenwellen-Resonator 1 nach Fig. 16 umfaßt ein piezoelektrisches Substrat 2, das nach der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, und zwei Kammelek troden 3a und 3b mit mehreren ineinandergreifenden Elektrodenfingern.

Es ist daran zu erinnern, daß die Werte in Fig. 11 und 12 nach dem Ver fahren von J.J. Campbell et al. berechnet wurden.

Claims

1. Oberflächenwellenbauelement, das mit Love-Wellen arbeitet mit:
einem Substrat (2) aus einem piezoelektrischen Einkristall und wenigstens einem Interdigitalwandler (5), der auf dem Substrat (2) aus gebildet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß auf dem Substrat ein dünner piezoelektrischer Film (6) aus einem Material aufgebracht ist, in dem die Ausbereitungsgeschwindigkeit der Ober flächenwellen kleiner ist als in dem piezoelektrischen Einkristall-Substrat (2), und
daß das Verhältnis H/λ der Dicke H des Films (6) zur Wellenlänge λ der erregten Love-Wellen im Bereich von 0,01 bis 0,2 liegt.

2. Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Film (6) aus einem oder mehreren der folgenden Materialien hergestellt ist: ZnO, CdS, Ta₂O₅.

3. Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß das piezoelektrische Einkristall-Substrat (2) ein um 0 bis 30 gedrehtes Y-Schnitt X-Ausbreitungs-LiNbO₃-Substrat ist und das Verhältnis H/λ im Bereich von 0,05 bis 0,2 liegt.

4. Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß der Film (6) aus ZnO besteht.

5. Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn zeichnet, daß der Interdigitalwandler (5) und der Film (6) auf einer Plus- Oberfläche des LiNbO₃-Substrats (2) ausgebildet sind.

6. Oberflächenwellenbauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Interdigitalwandler (5) zwei Kammelektro den (3,4) mit mehreren ineinandergreifenden Elektrodenfingern aufweist und daß das Verhältnis der Breite jedes Elektrodenfingers zu dem Finger-zu- Finger-Rastermaß im Bereich von 0, 1 bis 0,7 liegt.

7. Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das piezoelektrische Einkristall-Substrat (2) ein um 36° gedrehtes Y- Schnitt-LiTaO₃-Substrat ist und daß das Verhältnis H/λ im Bereich von 0,01 bis 0, 13 liegt.

8. Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, daß der Film (6) ein ZnO-Film ist und daß das Verhältnis H/λ im Bereich von 0,02 bis 0,13 liegt.

9. Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, daß der Film (6) aus CdS besteht und das Verhältnis H/λ im Bereich von 0,01 bis 0,10 liegt.

10. Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, daß der Interdigitalwandler (5) und der dünne Film (6) auf einer Plus- Oberfläche des LiTaO₃-Substrats (2) ausgebildet sind.

11. Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, daß der Film (6) aus einem oder mehreren der folgenden Materialien hergestellt ist: ZnO, CdS, Ta₂O₅.