DE69310744T2

DE69310744T2 - Akustischen wellenanordnungen zur steuerung von hochfrequenzsignalen

Info

Publication number: DE69310744T2
Application number: DE69310744T
Authority: DE
Inventors: David Chu; William Hsu
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1992-07-31
Filing date: 1993-07-23
Publication date: 1997-10-30
Anticipated expiration: 2013-07-24
Also published as: WO1994003972A1; EP0653120A1; EP0653120B1; DE69310744D1; US5350961A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft Akustikwellen-Vorrichtungen, bei denen kristalline Materialien verwendet werden, und insbesondere die Verwendung von kristallinen Materialien mit piezoelektrischen Eigenschaften, wie KTiOPO&sub4;, in Akustikwellen- Vorrichtungen.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Akustische Oberflächenwellen (d.h. "SAWs"), auch als Rayleigh- Wellen bekannt, sind seit Mitte des neunzehnten Jahrhunderts bekannt. Das Phänomen der SAW-Ausbreitung wurde jedoch erst viel später erstmals nit Hinsicht auf seine Anwendungen für elektronische Geräte ausgenutzt. Im Fachgebiet bekannte Akustikwellen-Vorrichtungen bestehen im allgemeinen aus einen Substrat, auf den ein leitfähiges Material in einem vorbestimmten Muster abgeschieden ist. Das strukturierte, leitende Material ist als Interdigital-Wandler (d.h. ein IDT) bekannt. R. M. White et al., Appl. Phys. Let., Band 7, Nummer 12, S. 314-316 (15. Dezember 1965) beschreiben die Verwendung des IDT als effiziente Technik für die Erzeugung und den Nachweis von akustischen Oberflächenwellen auf einer piezoelektrischen Oberfläche. Ein IDT kann auf geeignete Weise an einen elektrischen Eingang angeschlossen sein, so daß der Brechungsindex in einen Kristall so geändert wird, wie es für akustooptische Anwendungen erforderlich ist. Siehe z.B. K. S. Buritskii et al., Sov. Tech Phys. Lett. 17(8), S. 563-565 (1991) und L. Kunn et al., Appl. Phys. Lett 17(6), S. 265-267 (1970). Bei anderen Anwendungen kann ein IDT an einem Ende einer Substratsoberfläche an die Quelle der Frequenzwellen (z.B. eine Fernsehantenne - Hochfrequenz) angeschlossen Sein, und ein IDT am anderen Ende der Substratoberfläche kann an eine Vorrichtung angeschlossen sein, die dazu vorgesehen ist, eine vorbestimmte Frequenz (d.h. eine Hochfrequenz für einen speziellen Fernsehkanal) zu empfangen. Die Konstruktion des IDT (d.h. das Muster des leitfähigen Materials auf der Oberfläche eines speziellen Substrattyps) bestimmt, wie die Frequenz gesteuert wird (d.h., welcher Kanal empfangen wird).
Die Arten von akustischen Wellen, die in einen gegebenen Kristall erzeugt werden können, hängen von der piezoelektrischen-elastischen-dielektrischen (d.h. PED-)Matrix des Kristalls ab, die ihrerseits von der Kristallstruktur abhängt. In anderen Worten sind nicht alle Materialien zur SAW-Erzeugung geeignet, und Materialien, die zur SAW-Erzeugung geeignet sind, sind möglicherweise nicht zur Bildung anderer Arten von akustischen Wellen geeignet. Die Eigenschaften des Substrats (d.h. die Kristallstruktur) bestimmt die Art der erzeugten akustische Welle, den Steuerungsmechanismus und wie hoch eine Frequenz gesteuert werden kann.
In Fachgebiet sind Vorrichtungen zur Hochfrequenz-Steuerung bekannt, bei denen Substrate verwendet werden, die zur Steuerung der empfangenen Hochfrequenz durch die Erzeugung von SAWs in der Lage sind. Beispielsweise offenbart R. S. Wagers et al., IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics, Band SU-31, Nr. 3, S. 168-174 (Mai 1984) SAW-Vorrichtungen auf der Grundlage von Lithiumniobat. In diesen SAW-Vorrichtungen pflanzen sich SAWs, die durch einen an eine Quelle für Hochfrequenzwellen angeschlossenen IDT erzeugt werden, durch einen y-geschnittenen Lithiumniobat-Kristall mit einer Geschwindigkeit von etwa 3500 m/s fort. Dies ermöglicht, daß diese SAW-Vorrichtungen als Hochfrequenzregler zum Beispiel im herkömmlichen Fernsehen nützlich sind.
Von SAWs verschiedene akustische Wellen können in einem Raumkristall erzeugt werden. Beispielsweise ist mathematisch postuliert und experimentell bewiesen worden, daß die Bleustein-Gulyaev-Welle (d.h. die B-G-Welle) in Kristallen mit 6mm- oder mm2-Kristallsymmetrie existiert (siehe z.B. J. L. Bleustein, Appl. Phys. Lett., Band 13, Nr. 12, S. 412-413 (15. Dezember 1968) und C.-C. Tseng, Appl. Phys. Lett., Band 16, Nr. 6, S. 253-255 (15. März 1979), und es ist gezeigt worden, daß sich entlang der Oberfläche ausbreitende Volumenwellen (d.h. SSBWS) auf der Oberfläche des Kristalls ausbreiten und allmählich teilweise in die Tiefen des Kristalls ausbreiten. Solche Wellen (sowohl SSBWS als auch B-G-Wellen) breiten sich im allgemeinen schneller als herkömmliche akustische Oberflächenwellen aus. SSBWs sind in Lithiumtantalat und Lithiumniobat mit einer Geschwindigkeit von etwa 4100 m/s bzw. etwa 5100 m/s erzeugt worden (siehe Meirion Lewis et al., 1977 Ultrasonics Symposium Proceedings IEEE Cat# 77CH1264-1SU, S. 744-752). Es ist gefunden worden, daß B-G-Wellen in Bi&sub1;&sub2;GeO&sub2;&sub9; (d.h. "BGO") bzw. Ba&sub2;NaNb&sub5;O&sub1;&sub5; (d.h. "BNN") Geschwindigkeiten von 1694 m/s bzw. 3627 m/s aufweisen (siehe C.-C. Tseng, Appl. Phys. Lett., Band 16, Nr. 6, S. 253-255 (15. März 1970)).
Da weithin bekannt ist, daß Kaliumtitanylphosphat- (d.h. "KTP"-)Kristalle hohe nichtlineare optische Koeffizienten und eine hohe Beständigkeit gegenüber einer optischen Beschädigung aufweisen, sind die SAW-Eigenschaften von KTP, in den Kalium durch Rubidium ersetzt ist, in bezug auf die Verwendung in akustooptischen Vorrichtungen untersucht worden. K. S. Buritskii et al., Electronics Letters, Band 27, Nr. 21, S. 1896-1897 (10. Oktober 1991), diskutiert die Anregung von SAWs in Rb:KTP (d.h. eines durch Rb-Ionen-Austausch an der Oberfläche eines KTP-Einkristalls gebildeten Platten-Wellenleiters). Die Geschwindigkeit der in diesem Wellenleiter erzeugten SAWs betrug etwa 3900 m/s. Buritskii et al., Sov. Tech. Phys. Lett., Band 17, Nr. 8, S. 563-565 (August 1991) diskutiert die Herstellung eines planaren, akustooptischen Modulators unter Verwendung eines Rb:KTP-Wellenleiters. Die Verwendung von schmelzkristallisiertem KTP-Substrat wird jedoch nicht vorgeschlagen.
Der Einfluß der Domänenstruktur auf die SAW-Erzeugung ist in Roshchupkin et al., Appl. Phys. Lett. 60(19), S. 2330-2331 (11. Mai 1992) untersucht und angegeben worden. Diese Veröffentlichung offenbart die Verwendung von regelmäßig domänenreversiertem Lithiumniobat, wobei die Domänen durch thermoelektrische Behandlung reversiert wurden, und berichtet, daß die SAW-Wellenlänge durch die Periode der regelmäßigen Domänenstruktur bestimmt wird. Wie verlautet, ist die regelmäßige Domänenstruktur von Lithiumniobat für die Anregung von SAWs wirksamer als der übliche IDT, da die maximale Amplitude des Hochfrequenz-Eingangssignals durch die Dicke der Probe und nicht die Periode des IDT bestimmt wird.
JP-A-1 157 582 offenbart ein LiNbO&sub3;-Sübstrat mit einem teilweise reversierten Polarisationsbereich und die Herstellung und Anwendung dieses Substrats.
JP-A-3 037 574 offenbart einen lichtspeichernden Spektrenanalysator, der einen Dünnschicht-Wellenleiter und einen SAW- Wandler umfaßt.
Die Anzahl der Vorrichtungen, für die eine Frequenzsteuerung erforderlich ist, hat in bezug auf die Anzahl und die Komplexität zugenommen, und die Forderung nach einer Steuerung von höheren Frequenzen wie denen, die für Mikrowellen-Generatoren und das hochauflösende Fernsehen erforderlich sind, hat entsprechend zugenommen.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Diese Erfindung macht Vorrichtungen zur Steuerung von Hochfrequenz-Signalen durch die Erzeugung von akustischen Wellen verfügbar, umfassend einen IDT in Kombination mit einem aus der Schmelze kristallisierten Substrat aus MTiOXO&sub4;, wobei M aus der aus K, Rb, Tl, und NH&sub4; und deren Mischungen bestehenden Gruppe ausgewählt ist und X aus der aus P und As und deren Mischungen bestehenden Gruppe ausgewählt ist, wobei das kristalline Substrat aus MTiOXO&sub4; (z.B. KTP) eine mm2-Kristallsymmetrie aufweist. Diese Erfindung macht darüber hinaus Vorrichtungen zur Steuerung von Hochfrequenz-Signalen durch die Erzeugung von akustischen Wellen verfügbar, umfassend einen IDT in Kombination mit einem an der Oberfläche modifizierten, kristallinen Substrat mit einer PED-Matrix, die zur Erzeugung von akustischen Wellen in der Lage ist, und einer Oberfläche mit einem Bereich von alternierenden Abschnitten aus kristallinem Material (z.B. alternierenden Abschnitten von KTP und KTP, bei denen mit Rubidium und Thallium, zusammen mit Barium, ausgetauscht wurde), die ausgerichtet sind und eine ferroelek-trische Domänenstruktur aufweisen, die der der benachbarten Abschnitte entgegengesetzt ist.
Insbesondere macht diese Erfindung Vorrichtungen zur Steuerung von Hochfrequenz-Signalen durch die Erzeugung von akustischen Wellen (z.B. SAWs mit einer Geschwindigkeit von etwa 4000 m/s auf unbehandeltem, z-geschnittenen, aus der Schmelze kristallisierten MTiOXO&sub4; und B-G-Wellen mit einer Geschwindigkeit von etwa 4100 m/s auf unbehandeltem, y-geschnittenem, aus der Schmelze kristallisierten MTiOXO&sub4;) verfügbar, umfassend (a) entweder das aus der Schmelze kristallisierte Substrat aus MTiOXO&sub4; oder das an der Oberfläche modifizierte, kristalline Substrat, wobei das Substrat eine Oberfläche mit einem Aufnahmebereich aufweist; und (b) einen Eingangs-Interdigitalwandler, der auf dem Signal-Aufnahmebereich der Substratoberfläche abgeschieden ist und für den Anschluß an eine Quelle elektrischer Signale und zur inversen piezoelektrischen Erzeugung von akustischen Wellen (z.B. SAWs oder B-G-Wellen) im Substrat geeignet ist. Zur Steuerung von elektrischen Hochfrequenz-Signalen weist der Substratbereich einen Sendebereich auf, und die Vorrichtung umfaßt normalerweise einen zweiten Interdigitalwandler, der auf dem Signal-Sendebereich der Substrat-Oberfläche abgeschieden ist, die für den piezoelektrischen Nachweis der akustischen Wellen und für den Anschluß an eine auf ein elektrisches Signal ansprechende Vorrichtung geeignet ist.
Wenn das aus der Schmelze kristallisierte Substrat aus MTiOXO&sub4; zur SAW-Erzeugung verwendet wird, sollte das Eingangs-IDT- Material so auf dem Signal-Aufnahmebereich abgeschieden werden, daß SAWs in x- oder y-Richtung des Substrats erzeugt werden, und wenn das aus der Schmelze kristallisierte Substrat aus MTiOXO&sub4; zur Erzeugung von B-G-Wellen verwendet wird, sollte das Eingangs-IDT so auf dem Signal-Aufnahmebereich abgeschieden werden, daß die B-G-Wellen in z-Richtung erzeugt werden. Wenn das an der Oberfläche modifizierte, kristalline Substrat zur Steuerung von elektrischen Hochfrequenz-Signalen verwendet wird, weist der Aufnahmebereich der Substratoberfläche die alternierenden Abschnitte auf, und der Eingangs-IDT ist im Kontakt damit abgeschieden, und der Sendebereich weist die alternierenden Abschnitte auf, und der zweite IDT wird im Kontakt damit abgeschieden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Figur 1 ist eine schematische Zeichnung einer frequenzsteuernden, erfindungsgemäßen Vorrichtung mit aus der Schmelze kristallisiertem MTiOXO&sub4;.
Figur 2 ist eine schematische Querschnitts-Zeichnung durch einen IDT und ein Substrat einer frequenzsteuernden Vorrichtung, bei der ein aus der Schmelze kristallisiertes Substrat verwendet wird.
Figur 3 ist eine schematische Querschnitts-Zeichnung durch einen IDT und ein Substrat einer frequenzsteuernden Vorrichtung, bei der ein Substrat mit alternierenden Domänen verwendet wird.
Figur 4 ist eine schematische Draufsicht auf eine Substratoberfläche mit Abschnitten alternierender Domänen.
Figur 5 ist eine schematische Zeichnung einer IDT-Konfiguration, die einen IDT an der Signal-Empfangsseite und einen IDT an der Signal-Sendeseite umfaßt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG

Ein kristallines Substrat von MTiOXO&sub4; (wobei M K, Rb, Tl undloder NH&sub4; ist und X P undloder As ist), das zur Verwendung in der Praxis dieser Erfindung geeignet ist, kann in der mm2- Kristallsymmetrie durch eine Vielzahl von Verfahren hergestellt werden, die im Fachgebiet wohlbekannt sind. Zwei grundlegende Verfahren werden üblicherweise verwendet; das eine ist als das Hydrothermal-Verfahren bekannt (siehe z.B. das U.S.- Patent 5 066 356), und das andere ist als das Schmelzverfahren bekannt (siehe z.B. U.S.-Patent 4 231 838). Von den vielen MTiOXO&sub4;-Analogen ist KTIOPO&sub4; bevorzugt. Das kristalline Substrat kann in Form eines Einkristalls Qder eines kristallinen Dünnfilms vorliegen, so lange die Kristallsymmetrie mm2 ist. Bei der Verwendung kann das kristalline Substrat entlang der x-, y- oder z-Achse geschnitten werden. Zur Bildung von SAW oder SSBAW funktionieren alle Drehschnitte außer x- und y- Hauptschnitten, aber entlang der x- oder y-Achse geschnittene Kristalle werden zur Erzeugung von Bleustein-Gulyaev-Wellen verwendet. Aus der Schmelze kristallisierte MTiOXO&sub4;-Substrate wie KTP können zur Erzeugung von akustischen Wellen mit einer Wellenlänge, die gleich der Periode des zur Erzeugung der akustischen Welle verwendeten IDTs ist, verwendet werden.
An der Oberfläche modifizierte, kristalline Substrate mit periodischen Domänen-Umkehrungen können zur Erzeugung von akustischen Wellen mit einer Wellenlänge, die gleich etwa einer Hälfte der Periode des zur Erzeugung der akustischen Welle verwendeten IDTs ist, verwendet werden. Wenn das an der Oberfläche modifizierte, kristalline Material verwendet wird, entspricht der domänen-reversierte Bereich dem Bereich, auf dem ein IDT abgeschieden wird; der Eingangs-IDT wird vorzugsweise auf den alternierenden Abschnitten aus kristallinem Material mit derselben ferroelektrischen Domänenstruktur abgeschieden; der zweite IDT, sofern verwendet, wird vorzugsweise so auf einem Signal-Sendebereich abgeschieden, daß er auf den alternierenden Abschnitten des kristallinen Materials mit derselben ferroelektrischen Domänenstruktur abgeschieden wird; und die Periode der alternierenden Domänen entspricht vorzugsweise der Periode des IDT (der IDTs).
Periodisch domänen-reversiertes MTiOXO&sub4; kann hergestellt werden, indem benachbarte Bereiche der Oberfläche des kristallinen MTiOXO&sub4;-Materials nach den Lehren in der Veröffentlichung der europäischen Patentanmeldung Nr. 0 454 071 A2 maskiert und Ionen ausgetauscht werden. Beispielsweise kann ein Substrat der Formel MTiOXO&sub4; periodisch ausgetauscht werden, indem wenigstens eines der Ionen Rb&spplus;, Tl&spplus; und Cs&spplus; (vorzugsweise Rb&spplus; undloder Tl&spplus;) zusammen mit wenigstens einen der Ionen Ba&spplus;&spplus;, Sr&spplus;&spplus; und Ca&spplus;&spplus; (vorzugsweise Ba&spplus;&spplus;) verwendet wird. In der Praxis dieser Erfindung kann jedes kristalline Material verwendet werden, das zur periodischen Domänenumkehrung in der Lage ist und eine PED-Matrix aufweist, die zur Erzeugung von akustischen Wellen in der Lage ist. Periodisch domänen-reversiertes MTiOXO&sub4; und Lithiumniobat sind aufgrund der Gesamteigenschaften und der Verfügbarkeit bevorzugt. Periodisch domänen-reversiertes, z-geschnittenes Lithiumniobat kann durch herkömmliche, thermoelektrische Behandlung, beschrieben von D. V. Roshchupkm et al., Appl. Phys. Lett 60(19), S. 2330-2331 (11. Mai 1992), hergestellt werden. Y-geschnittenes (oder x-geschnittenes) Lithiumniobat kann durch ein ähnliches, von G. Janzen et al., Proceedings of Integrated Photonics Research, TuD5-1, S. 164-165 (1992), beschriebenes Verfahren hergestellt werden.
Die Arten der im kristallinen Substrat erzeugten Wellen werden durch die Kristallstruktur grundlegend festgelegt. Die in den kristallinen Substraten erzeugten SAW breiten sich mit Geschwindigkeiten von etwa 3600 m/s durch das Substrat aus; SSBAW mit 6000 m/s und akustische Volumenwellen mit 7800 m/s. Eine Anwendung dieser Erfindung liegt in der Erzeugung von SAW- und B-G-Wellen in Raumkristallen, die nur in bestimmten Kristallstrukturen (z.B. mm2-Kristallsymmetrie, die z-geschnittenem MTiOXO&sub4; zu eigen ist) erzeugt werden kann. SAWs können direkt auf einem z-geschnittenen MTiOXO&sub4;-Substrat ohne ionische Dotierungssubstanz wie Rubidium erzeugt werden. B-G- Wellen können auch auf x- oder y-geschnittenem Substrat erzeugt werden, wobei die Ausbreitung entlang der z-Achse erfolgt. Bei der Verwendung von MTiOXO&sub4; zur Erzeugung von B-G- Wellen gibt es mehrere Vorteile. Erstens kann, da sie akustische Volumenwellen sind, der Volumen-Kopplungskoeffizient (wobei es sich um einem Materialindex darüber handelt, wie effizient das Material die elektrische Energie in akustische Energie umwandeln kann) von B-G-Wellen sehr hoch sein (ganz allgemein etwa 20 % oder etwa das 40fache des Oberflächen- Kopplungskoeffizienten von Quarz), siehe D. K. T. Chu, pH.D. dissertation, S. 57-64, Department of Electrical Engineering, University of Delaware (1991). Wie in dieser Dissertation ebenfalls berichtet wird, ist die Geschwindigkeit sehr hoch (wie verlautet, etwa 4100 m/s). Eine weitere Anwendung dieser Erfindung liegt in der Verwendung von Kristallen mit alternierenden Domänen, da innerhalb einer gegebenen IDT-Konstruktion die Frequenz der akustischen Hauptwelle verdoppelt wird und somit ausreichend erhöht werden kann, um die Steuerung von Mikrowellen-Frequenzen wie denen, die beim hochauflösenden Fernsehen und beim Radar verwendet werden, zu ermöglichen.
Interdigitalwandler können durch herkömmliche Lithographie- Techniken wie denen, die von H. I. Smith, Acoustic Surface Waves, Fabrication Techniques for Surface Wave Devices, S. 305-324, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York (1978), beschrieben sind, auf der Oberfläche des kristallinen Substrats abgeschieden werden. Um das erwünschte Muster auf dem MTiOXO&sub4;-Substrat zu entwickeln, können die folgenden Schritte verwendet werden: (1) Herstellen des MTiOXO&sub4;-Substrats (normalerweise für SAWs z-geschnitten und für B-G-Wellen x- oder y- geschnitten); (2) Polieren des Substrats, um eine Ebenheit zu erzeugen, die besser als die halbe Wellenlänge (normalerweise etwa 0,3 µm Variation der Ebenheit) ist; (3) Aufdampfen eines leitenden Materials, normalerweise eines Metallfilms wie Titan mit einer Dicke von etwa 1000 Å, auf das kristalline Substrat unter Verwendung eines Elektronenstrahl-Verdampfers; (4) Aufschleudern eines Positiv-Photoresists (z.B. eines Photopolymers) auf das Substrat und Vorhärten (Vortrocknen) bei einer Temperatur und für einen Zeitraum, die für den verwendeten Photoresist geeignet sind; (5) Ausrichten einer zuvor entworfenen Photomaske und deren Bestrahlung mit Licht für einen Zeitraum, der für die Entwicklung der erwünschten Auflösung ausreichend ist; (6) Nachhärten (Nachtrocknen) für einen Zeitraum und eine Temperatur, die für den geeigneten Photoresist geeignet sind; (7) Entwickeln des bestrahlten Photoresists mit einem geeigneten Entwickler; (8) Wegätzen des Titans von dem Bereich, der keine Photoresist-Abdeckung aufweist; und (9) Abstreifen des unbestrahlten Photoresists mit spezifiziertem Abstreifer (z.B. Aceton). Nach all diesen Verarbeitungsschritten kann ein kommerziell erhältlicher Netzwerk-Analysator wie der Hewlett-Packard 8753C verwendet werden, um die Qualität der Vorrichtungen zu analysieren. Das für den IDT gewählte Muster bestimmt die Steuerung der Frequenz. Die Betriebsfrequenz einer Akustikwellen-Vorrichtung wird durch die folgende Gleichung bestimmt:
f = v/λ,
wobei v die Geschwindigkeit der durch den IDT in der Vorrichtung erzeugten akustischen Welle ist und λ die Wellenlänge der durch den IDT in der Vorrichtung erzeugten akustischen Welle ist. Üblicherweise wird die Wellenlänge der akustischen Welle durch das IDT-Muster bestimmt. Je kleiner die Breite des IDT-"fingers" in Richtung der Wellenausbreitung ist, desto kleiner ist die Wellenlänge oder um so höher die Betriebsfrequenz der durch den IDT in der Vorrichtung erzeugten akustischen Welle. Eine praktische Grenze besteht jedoch dahingehend, wie weit die Breite der IDT-Finger aufgrund der Grenze der Beugungsfreiheit der Bestrahlungsquellen wie UV-Licht, Elektronenstrahlen oder Röntgenstrahlen verkleinert werden kann. Folglich liegt ein Merkmal dieser Erfindung in dem Befund, daß durch die Verwendung eines domänen-reversierten, kristallinen Materials, kombiniert mit der richtigen Auftragung von IDTs, die Frequenz der akustischen Welle für eine gegebenen "Finger-"breite des IDT effektiv verdoppelt werden kann, ohne die Periodizität des IDT um die Hälfte vermindern zu müssen, wie dies bei der herkömmlichen Technik erforderlich ist. Dies wird hier weiter unten mit Bezug auf die Zeichnungen diskutiert.
Die Vorrichtung dieser Erfindung, bei der ein hier beschriebenes Substrat in Kombination mit einem Eingangs-IDT verwendet wird, kann zur Steuerung von optischen Hochfrequenz-Wellen durch die Erzeugung von akustischen Wellen im Substrat während des optischen Gebrauchs des Substrats verwendet werden (z.B., während durch einen Laser erzeugte Wellen durch das Substrat geleitet werden, um die Wellenlänge zu konvertieren). Für eine solche Verwendung kann die Vorrichtung darüber hinaus eine Quelle für Laserwellen (z.B. einen Laser) umfassen. Alternativ kann ein zweiter IDT verwendet werden, um die in dem Substrat erzeugten akustischen Wellen mit dem Zweck der Steuerung von elektrischen Hochfrequenz-Wellen nachzuweisen. Die als der Aufnahmebereich und, falls anwendbar, der Sendebereich der Substratoberfläche verwendeten IDTs sind zum Anschluß an eine Quelle für elektrische Signale bzw. eine auf elektrische Signale reagierende Vorrichtung geeignet. Die Vorrichtungen zur Steuerung von Hochfrequenz-Signalen dieser Erfindung können gegebenenfalls Anschlüsse umfassen, durch die der Anschluß der Vorrichtung an eine Quelle für elektrische Signale und/oder eine auf elektrische Signale reagierende Vorrichtung erleichtert wird.
Die zwischen den Interdigital-Wandlern und entweder der Hochfrequenz-Signal- oder der auf elektrische Signale reagierenden Vorrichtung verwendeten Verbindungen sind normalerweise herkömmliche, leitende Materialien wie Metalleiter. Für Forschungszwecke kann ein Mikrowellen-Sondenkopf (Cascade Microtech SN17307, Cascade Microtech Inc., PO Box 1589, Beaverton, Oregon 97057-1589) anstelle von Leitern für den Empfang von elektrischen, von einem Netzanalysator erzeugten Signalen verwendet werden, und dann können die Signale in den ersten IDT eingegeben werden, um akustische Wellen anzuregen; und ein weiterer Sondenkopf kann auf der Signalseite der Substratoberfläche verwendet werden, um akustische Wellen so auszurichten, daß sie den Ausgang zum Netzanalysator erreichen, um die Übertragungseigenschaften der Vorrichtung zu analysieren.
Figur 1 ist eine schematische Veranschaulichung einer Vorrichtung (10) zur Frequenzsteuerung nach dieser Erfindung. Es ist dargestellt, daß die Vorrichtung (10) zwischen einer Quelle für ein elektrisches Signal (12) und einer auf ein elektrisches Signal reagierenden Vorrichtung (14) angeschlossen ist. Die Vorrichtung zur Steuerung der Frequenz (10) umfaßt ein kristallines MTiOXO&sub4;-Substrat (16), auf dem ein Empfangsseiten-IDT (20) und ein Senderseiten-IDT (22) abgeschieden sind. Ein die Leitungen (25) und (26) umfassender Anschluß (24) verbindet den Eingangs-IDT (20) mit der Signalquelle (12), und ein die Leitungen (29) und (30) umfassender Anschluß (28) verbindet IDT (22) mit der reagierenden Vorrichtung (14). Beim Betrieb wird ein elektrisches Signal von der Quelle (12) durch den Anschluß (24) zum IDT (20) übertragen, wo akustische Wellen (z.B. SAWs oder B-G-Wellen) erzeugt werden. Die akustischen Wellen breiten sich durch das Substrat (16) aus und werden durch IDT (22) piezoelektrisch nachgewiesen. Das bei IDT (22) erzeugte elektrische Signal wird durch Anschluß (28) zur reagierenden Vorrichtung (14) übertragen. In der Praxis sind die Signalquelle (12) und die reagierende Vorrichtung (14) normalerweise in einer einzigen Einheit (32) enthalten.
Figur 2 ist eine Querschnitts-Ansicht durch die Finger (34), (35), (36) und (37) eines Eingangs-IDTs wie IDT (20) in Figur 1 und den Teil eines aus der Schmelze kristallisierten Substrats aus MTiOXO&sub4; (39), worauf es abgeschieden ist. Die Finger (34) und (36) werden geladen, während die Finger (35) und (38) geerdet werden. Für den Zweck der vergleichenden Analyse mit Figur 3 ist der Abstand zwischen benachbarten Fingern gleich der Breite d jedes der Finger. Es ist offensichtlich, daß die Richtung des elektrischen Feldes in dem Substrat zwischen den Fingern (34) und (35) und zwischen den Fingern (36) und (37) entgegengesetzt zur Richtung des elektrischen Feldes im Substrat zwischen den Fingern (35) und (36) ist. Demgemäß ist die durch den IDT erzeugte akustische Wellenlänge der akustischen Grund-SAW- oder B-G-Welle gleich dem Vierfachen der Fingerbreite (d.h. 4d).
Figur 3 ist eine Querschnittsansicht durch die Finger (44), (45), (46) und (47) eines Eingangs-IDTs, wie IDT (20) in Figur 1, und einen Teil eines kristallinen Substrats (49), auf dem es abgeschieden ist. Die Oberfläche des kristallinen Substrats in Figur 3 umfaßt einen Bereich mit den Abschnitten (51) und (53) aus Material, dessen ferroelektrische Domäne reversiert wurde, das mit den Abschnitten (50), (52) und (54) aus Material alterniert, dessen Domäne nicht reversiert wurde. Die Finger (44) und (46) sind geladen, während die Finger (45) und (47) geerdet sind. Für den Zweck der vergleichenden Analyse mit Figur 2 ist der Abstand zwischen benachbarten Fingern und die Breite der Finger gleich d, die Breite der domänen-reversierten Abschnitte ist ebenfalls gleich d, und die Finger sind über den Grenzflächen zwischen den alternierenden Abschnitten zentriert. Es ist offensichtlich, daß, da die ferroelektrische Domäne zwischen den Fingern (44) und (45) und den Fingern (46) und (47) verglichen mit der Domäne zwischen den Fingern (45) und (46) reversiert ist, das elektrische Feld im Substrat zwischen den Fingern (45) und (46) in derselben Richtung wie das elektrische Feld im Substrat zwischen den Fingern (44) und (45) und zwischen den Fingern (46) und (47) verläuft. Folglich ist die Wellenlänge der Wellenlänge der durch den IDT erzeugten akustischen Grundwelle gleich der zweifachen Fingerbreite (d.h. 2d). Mit anderen Worten ist die Frequenz der durch den IDT in Figur 3 erzeugten akustischen Grundwelle im Vergleich zur Verwendung desselben IDT-Typs wie in Figur 2 verdoppelt.
Figur 4 veranschaulicht eine Substratoberfläche (55) mit domänen-reversierten Abschnitten (56) bei einem Aufnahmebereich (vor Abscheidung eines IDTs) und domänen-reversierte Abschnitte (57) bei einem Sendebereich (vor Abscheidung eines IDTs).
Es ist wichtig, daß die Maske für die domänen-reversierten Bereiche sorgfältig konstruiert ist. Es ist kritisch, die Maske auf eine Weise zu konstruieren, daß die Bereiche unter IDT-Fingern eine solche alternierende Domänenstruktur auf weisen, daß das elektrische Feld unter den IDT-Fingern sich wiederholt. Eine Domänen-Reversierung in dem Substratteil zwischen dem empfangsseitigen IDT und dem senderseitigen IDT der Kristalloberfläche wird vorzugsweise vermieden.
Die Praxis der Erfindung wird weiterhin durch die folgenden, nicht einschränkenden Beispiele veranschaulicht.

BEISPIELE

BEISPIEL 1

Dieses Beispiel veranschaulicht die Bildung von SAWs auf einem schmelzgezogenen, z-geschnittenen KTP-Kristall. Eine Photomaske wurde hergestellt, um einen für den Empfang eines elektrischen Signals vorgesehenen IDT nach der bei (58) in Fig. 5(a) (nicht maßstabsgerecht) dargestellten Konfiguration zu erzeugen. Der Eingangs-IDT (58) wies eine Elektrode (60) mit einem Seitenteil (62), einem oberen Teil (63) und drei für das Laden mit einem elektrischen Hochfrequenz-Signal geeigneten Fingern (64), (65) und (66) und eine Elektrode (70) mit einem Seitenteil (72), einem unteren Teil (73) und drei für das Erden geeigneten Fingern (74), (75) und (76) auf. Jeder der Finger (64), (65), (66), (74), (75) und (76) war etwa 4 µm breit (und etwa 3000 µm lang), und der Spalt zwischen benachbarten Fingern (z.B. zwischen den Fingern (64) und (74)) betrug etwa 4 um, um eine akustische Welle mit einer Wellenlänge von etwa 16 um zu erzeugen. Die Trennung zwischen der Unterkante (67) des Seitenteils (62) der Elektrode (60) und der Oberkante (77) des Seitenteils (72) der Elektrode (70) betrug etwa 100 um; die Trennung zwischen der Innenkante (68) des Seitenteils (62) und dem nächsten Finger (64) und die Trennung zwischen der Innenkante (78) des Seitenteils (72) und dem nächsten Finger (64) betrugen jeweils etwa 100 µm, und die Spalte zwischen den Fingern (64), (65) und (66) und dem unteren Teil (73) sowie die Spalte zwischen den Fingern (74), (75) und (76) und dem oberen Teil (63) betrugen jeweils etwa 10 µm.
Die Photomaske wurde auch hergestellt, um einen Signale nachweisenden IDT nach der bei (59) in Fig. 5(b) (nicht maßstabsgerecht) dargestellten Konfiguration zu erzeugen. Der nachweisende IDT (59) wies eine Elektrode (80) mit einem Seitenteil (82), einem oberen Teil (83) und drei Fingern (84), (85) und (86) und eine Elektrode (90) mit einem Seitenteil (92), einem unteren Teil (93) und drei Fingern (94), (95) und (96) auf. Jeder der Finger (84), (85), (86), (94), (95) und (96) war etwa 4 um breit, etwa 3000 µm lang, und der Spalt zwischen benachbarten Fingern (z.B. zwischen den Fingern (84) und (94)) betrug etwa 4 µm. Die Trennung zwischen der Unterkante (87) des Seitenteils (82) und der Oberkante (97) des Seitenteils (92) betrug etwa 100 um; die Trennung zwischen der Innenkante (88) des Seitenteils (82) und dem nächsten Finger (84) und die Trennung zwischen der Innenkante (98) des Seitenteils (92) und dem nächsten Finger (84) betrugen jeweils etwa 100 µm, und die Spalte zwischen den Fingern (84), (85), und (86) und dem unteren Teil (93) sowie die Spalte zwischen den Fingern (94), (95) und (96) und dem oberen Teil (83) betrugen jeweils etwa 10 µm.
Die IDTs (58) und (59) wurden unter Verwendung der Maske auf dem aus der Schmelze gezogenen, z-geschnittenen KTP-Kristall auf eine herkömmliche Weise abgeschieden. Der Abstand zwischen den beiden IDTs (58) und (59) betrug etwa 3 mm. Zur Erzeugung von akustischen Wellen wurde ein Eingangssignal von etwa 1 mV verwendet, wobei ein kommerziell erhältlicher Netzwerk-Analysator verwendet wurde. Die Übertragungsdaten für die Vorrichtung wurden unter Verwendung des Netzwerk-Analysators überwacht und zeigten bei 252 MHz ein hohes Übertragungs-Peakzentrum. Da die Wellenlänge 16 µm beträgt und die Frequenz 252 MHz beträgt, wird die Geschwindigkeit dieses Modus (akustische Wellen) zu etwa 4000 m/s berechnet (wobei die Bezie hung verwendet wird, daß die Geschwindigkeit das Produkt aus Frequenz und Wellenlänge ist). Diese experimentellen Daten (d.h. eine Geschwindigkeit von etwa 4000 m/s) stimmen mit dem theoretisch berechneten Wert überein, wobei das von Professor E. L. Adler, McGill University, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Band 37, Nr. 6, 485-490 (November 1990) entwickelte Programm verwendet wurde. Die Übertragungsdaten zeigten auch, daß andere Modi von akustischen Wellen gleichzeitig erzeugt wurden. Eine von ihnen wies eine höhere Geschwindigkeit als SAW auf, was durch ein Peakzentrum bei 360 MHz angezeigt wurde, was möglicherweise auf eine Art akustische Volumenwelle hindeutet. Dieses Beispiel demonstriert klar, daß unbehandelte Raumkristalle aus MTiOXO&sub4; zur Bildung von SAW in der Lage sind, ohne daß ionische Dotierungsmittel wie Rb erforderlich sind, und daß SAW-Wellen sogar eine höhere Geschwindigkeit aufweisen als diejenigen, die in bekannten Rb:KTP-Wellenleitern erzeugt werden.

BEISPIEL 2

Ein y-geschnittener, aus der Schmelze gezogener KTP wurde zur Erzeugung von akustischen Wellen mit einer Wellenlänge von etwa 16 µm verwendet, wobei dieselbe Photomaske wie in Beispiel 1 verwendet wurde. Die Übertragungsdaten dieser Vorrichtung zeigten ein größeres Übertragungs-Peakzentrum bei 255 MHz Die korrespondierenden akustischen Wellen wiesen eine Geschwindigkeit von etwa 4100 m/s auf, was dem vorhergesagten Wert für Bleustein-Gulyaev-Wellen nach den von D. K. T. Chu, pH.D. dissertation, S. 57-64, Department of Electrical Engineering, University of Delaware (1991), offenbarten Daten sehr nahe kommt. Dieses Beispiel beweist, daß MTiOXO&sub4;-Kristalle wie vorhergesagt die Fähigkeit zur Erzeugung der B-G-Wellen haben.

BEISPIEL 3

Dieses prophetische Beispiel veranschaulicht die Erzeugung von SAW mit der halben Wellenlänge (d.h. der doppelten Frequenz) der in Beispiel 1 erzeugten SAW durch die Verwendung eines hydrothermal gezogenen, z-geschnittenen KTF-Kristalls, dessen Domänen unter dem IDT reversiert sind. Der selektiv domänenreversierte, hydrothermal gezogene, z-geschnittene KTP-Kristall wird durch Rb-Ionenaustausch nach Beispiel 1 der Veröffentlichung der europäischen Patentanmeldung Nr. 0 454 071 A2 hergestellt. Nach dieser Lehre wird ein hydrothermal gezogener, z-geschnittener KTP-Kristall durch thermisches Verdampfen mit etwa 1000 Å Ti beschichtet. Ein Photoresist wird dann durch eine Photomaske bestrahlt, die ein Muster aufweist, dessen Periode identisch mit der des später aufzutragenden IDTs ist. Der bestrahlte Photoresist wird entfernt, und die unter dem entfernten Photoresist freigelegte Ti-Beschichtung wird unter Verwendung einer Lösung von Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA), H&sub2;O&sub2; und NH&sub4;OH chemisch geätzt, so daß das KTP-Substrat selektiv freigelegt wird. Der verbleibende Photoresist wird dann entfernt, und das mit Ti maskierte Substrat wird endpoliert und in einem Bad von geschmolzenem, aus 1 mol-% Ba(NO&sub3;)&sub2;, 95 mol-% RBNO&sub3; und 4 mol-% TlNO&sub3; bestehenden Salz bei einer Temperatur von 360 ºC für eine Austauschdauer von 1 h einem lonenaustausch unterzogen. Das KTP- Substrat mit ausgetauschten Ionen wird auf Raumtemperatur abgekühlt und die Ti-Maske entfernt.
IDT's des hier oben in Beispiel 1 beschriebenen Typs werden auf die Teile des KTP-Substrats mit ausgetauschten Ionen aufgetragen. Ubertragungsdaten der resultierenden Vorrichtung zeigen ein hohes Übertragungs-Peakzentrum bei etwa 504 MHz. Da die Wellenlänge 8 µm beträgt und die Frequenz 504 MHz beträgt, wird die Geschwindigkeit dieses Modus (akustische Wellen) zu etwa 4000 m/s berechnet (wobei die Beziehung verwendet wird, daß die Geschwindigkeit gleich dem Produkt aus Frequenz und Wellenlänge ist). Dies veranschaulicht, daß man für dieselbe IDT-Konstruktion wie diejenige, die in Beispiel 1 verwendet wurde, das Doppelte der Frequenz erhält, indem man die Domänen-Reversierung auf dem Bereich des KTP-Substrats verwendet, auf den der Eingangs-IDT aufgetragen wird.
Spezielle Ausführungsformen der Erfindung sind in den Beispielen eingeschlossen. Andere Ausführungsformen werden den Fachleuten aus einer Betrachtung der Spezifikation oder Praxis der hier offenbarten Erfindung offensichtlich.

Claims

1. Vorrichtung (10) zur Steuerung von Hochfrequenz-Signalen durch die Erzeugung von akustischen Wellen, umfassend:

(a) ein aus der Schmelze kristallisiertes Substrat (16) aus MTiOXO&sub4;, wobei M aus K, Rb, Tl, und NH&sub4; und deren Mischungen ausgewählt ist und X aus P und As und deren Mischungen ausgewählt ist, wobei das kristalline Substrat aus MTiOXO&sub4; eine mm2-Kristallsymmetrie und eine Oberfläche mit einem Aufnahmebereich aufweist;

(b) einen Eingangs-Interdigitalwandler (20), der auf dem Signal-Aufnahmebereich (18) der Substrat-Oberfläche abgeschieden ist, der für den Anschluß an eine elektrische Signalquelle (12) und für das inverse, piezoelektrische Erzeugen von akustischen Wellen im kristallinen Substrat (16) geeignet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Steuerung von optischen Hochfrequenz-Signalen, wobei die Vorrichtung weiterhin einen Laser umfaßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Steuerung von elektrischen Hochfrequenz-Signalen, wobei die Substrat-Oberfläche (18) einen Sendebereich aufweist und wobei die Vorrichtung darüber hinaus einen zweiten Interdigitalwandler (22) umfaßt, der auf dem Signal-Sendebereich der Substrat-Oberfläche (18) abgeschieden ist, die für den piezoelektrischen Nachweis der akustischen Wellen und für den Anschluß an eine auf ein elektrisches Signal ansprechende Vorrichtung (14) geeignet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Substrat aus der Schmelze kristallisiertes KTiOPO&sub4; ist.

5. Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4 zur Steuerung von Hochfrequenz-Signalen durch die Erzeugung von akustischen Oberflächenwellen, wobei das aus der Schmelze kristallisierte Substrat unbehandeltes, z-geschnittenes, aus der Schmelze kristallisiertes Substrat ist.

6. Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4 zur Steuerung von Hochfrequenz-Signalen durch die Erzeugung von Bleustein-Gulyaev-Wellen, wobei das aus der Schmelze kristallisierte Substrat ein unbehandeltes, x- geschnittenes oder y-geschnittenes, aus der Schmelze kristallisiertes Substrat ist.

7. Vorrichtung zur Steuerung von Hochfrequenz-Signalen durch die Erzeugung von akustischen Wellen, umfassend:

(a) ein kristallines Substrat mit einer piezoelektrischelastischen, dielektrischen Matrix, die zur Erzeugung von akustischen Wellen in der Lage ist und eine Oberfläche mit einem Aufnahmebereich mit alternierenden Abschnitten (51, 53) aus kristallinem Material aufweist, die ausgerichtet sind und eine ferroelektrische Domänenstruktur aufweisen, die zu der der benachbarten Abschnitte (50, 52, 54) entgegengesetzt ist, und

(b) eineneingangs-Interdigitalwandler (20), der auf dem signalaufnehmenden Bereich der Substratoberfläche mit dem Bereich der alternierenden Abschnitte aus kristallinen Material im Aufnahmebereich abgeschieden ist und für das Anschließen einer Signalquelle (12) und für das inverse piezoelektrische Erzeugen von akustischen Wellen im kristallinen Substrat geeignet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7 zur Steuerung von optischen Hochfrequenz-Signalen, wobei die Vorrichtung weiterhin einen Laser umfaßt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 zur Steuerung von elektrischen Hochfrequenz-Signalen, wobei das Substrat einen Sendebereich hat, der alternierende Abschnitte (51, 53) aus kristallinem Material aufweist, die ausgerichtet sind und eine ferroelektrische Domänenstruktur aufweisen, die zu der der benachbarten Abschnitte (50, 52, 54) entgegengesetzt ist; wobei die Vorrichtung weiterhin einen zweiten Interdigitalwandler (22) aufweist, der auf dem Signal-Sendebereich der Substrat-Oberfläche in Kontakt mit den alternierenden Abschnitten aus kristallinen Material am Sendebereich abgeschieden ist und für das piezoelektrische Nachweisen der akustischen Wellen und für das Anschließen an eine auf ein elektrisches Signal reagierende Vorrichtung geeignet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das kristalline Substrat ein Substrat aus MTiOXO&sub4; ist und die alternierenden Abschnitte periodisch domänen-reversiertes MTiOXO&sub4; sind, wobei M aus der aus K, Rb, Tl, NH&sub4; und deren Mischungen bestehenden Gruppe ausgewählt ist und X aus der aus P, As und deren Mischungen bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 7, Anspruch 8, Anspruch 9 oder Anspruch 10, wobei die alternierenden Abschnitte alternierende Abschnitte aus KTiOPO&sub4; und KTiOPO&sub4;, das unter Verwendung von Rb&spplus; und Tl&spplus; zusammen mit Ba&spplus;&spplus; periodisch ausgetauscht ist, sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 7, Anspruch 8, Anspruch 9 oder Anspruch 10, wobei das kristalline Substrat periodisch domänen-reversiertes Lithiumniobat ist