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Dokumentenidentifikation DE3308365C2 15.10.1992
Titel Oberflächenwellenvorrichtung
Anmelder Mikoshiba, Nobuo;
Tsubouchi, Kazuo, Sendai, Miyagi, JP
Erfinder Mikoshiba, Nobuo;
Tsubouchi, Kazuo;
Sugai, Kazuyoshi, Sendai, Miyagi, JP
Vertreter Weickmann, H., Dipl.-Ing.; Fincke, K., Dipl.-Phys. Dr.; Weickmann, F., Dipl.-Ing.; Huber, B., Dipl.-Chem.; Liska, H., Dipl.-Ing. Dr.-Ing.; Prechtel, J., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., Pat.-Anwälte, 8000 München
DE-Anmeldedatum 09.03.1983
DE-Aktenzeichen 3308365
Offenlegungstag 15.09.1983
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 15.10.1992
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.10.1992
Free division/divided out on the grounds of lack of unity 3348366333483;
698
IPC-Hauptklasse H03H 3/08

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Oberflächenwellenvorrichtung nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 bis 3.

Es ist beispielsweise der folgende Aufbau von akustischen Oberflächenwellenvorrichtungen bekannt, die elektrische Signale unter Ausnutzung einer akustischen Oberflächenwelle verarbeiten:

  • 1. Ein einteiliger Aufbau nur aus einem piezoelektrischen Substrat (piezoelektrisches Einkristallsubstrat, piezoelektrisches Keramiksubstrat, usw.);
  • 2. Ein Schichtaufbau mit einem piezoelektrischen Film, der auf einem nicht piezoelektrischen Substrat niedergeschlagen ist;
  • 3. ein Schichtaufbau mit einem piezoelektrischen Film, der auf einem Halbleitersubstrat niedergeschlagen ist.


Ein bekanntes Ausführungsbeispiel des unter 2. angegebenen Schichtaufbaus umfaßt ein Saphirsubstrat oder ein Glassubstrat mit einem Zinkoxidfilm (ZnO), der durch Aufdampfen darauf niedergeschlagen ist. Ein Zinkoxidfilm hat jedoch die folgenden Nachteile:

  • 1. Da es schwierig ist, eine gute Qualität des Filmes zu erzielen, entstehen Vorrichtungen mit insbesondere minderwertigen piezoelektrischen Eigenschaften.
  • 2. Die Fortpflanzungsverluste der akustischen Oberflächenwelle sind im Hochfrequenzbereich groß.
  • 3. Die Streuung der Fortpflanzungscharakteristik der akustischen Oberflächenwelle ist groß.
  • 4. Es ist schwierig, das Änderungsverhältnis (1/τ) · (∂τ/∂T) der Verzögerungszeit τ der akustischen Oberflächenwelle in Abhängigkeit von einer Änderung der Temperatur (T ist die Umgebungstemperatur) zu steuern.


Aus der US 39 65 444 ist ein Oberflächenwellenbauelement mit einem Schichtaufbau aus einem piezoelektrischen Substrat, einer Siliziumdioxidschicht auf dem Substrat sowie einem Eingangs- und einem Ausgangswandler zwischen dem Substrat und der Siliziumdioxidschicht bekannt. Dabei besitzt das piezoelektrische Substrat einen positiven Verzögerungszeit-Temperaturkoeffizienten, zu dessen Ausgleich die Siliziumdioxidschicht einen negativen Verzögerungszeit-Temperaturkoeffizienten aufweist. Für eine Temperaturkompensation mittels einer Siliziumdioxidschicht ist es jedoch erforderlich, daß diese Schicht dick ist. Eine dicke Schicht beeinträchtigt jedoch den Kopplungskoeffizienten und erhöht die Ausbreitungsverluste. Daher können auch die Wandler wegen der Dicke der kompensierenden Siliziumdioxidschicht nicht auf der Oberfläche angeordnet werden, woraus die Beeinträchtigung des Kopplungskoeffizienten resultiert. Bei Anordnung der Wandler zwischen Substrat und Siliziumdioxidschicht wird die Qualität der oberen Schicht beeinflußt, wodurch die Ausbreitungsverluste stark zunehmen.

Aus der GB-Patentanmeldung 20 01 106 ist ein Material für Oberflächenwellenbauelemente bekannt geworden, bei welchem auf einem beispielsweise aus Saphir bestehenden Substrat ein epitaktischer Aluminiumnitrid-Film aufgebracht ist. Die Oberfläche des Substrats besitzt dabei eine kristallographische (1100)-Orientierung. Eine solche Orientierung ist insbesondere bei hohen Frequenzen sowohl hinsichtlich des Kopplungskoeffizienten als auch der Ausbreitungsverluste ungünstig.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach herstellbare Vorrichtung mit gutem Kopplungskoeffizienten und geringen Ausbreitungsverlusten bis hin zu hohen Frequenzen anzugeben.

Diese Aufgabewird bei einer Oberflächenwellenvorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß in Varianten durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils der Patentansprüche 1 bis 3 gelöst.

Eine Weiterbildung der Erfindung ist Gegenstand eines Unteranspruchs.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in einer Schnittansicht ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 2 bis 10 zeigen die Kennlinien, die bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung erhalten werden.

Fig. 11 bis 14 zeigen in Schnittansichten weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Fig. 15A, 15B, 16A bis 16D und 17A bis 17F zeigen die Kennlinien, die bei den in den Fig. 11 bis 14 dargestellten Ausführungsbeispielen erhalten werden.

Fig. 18 bis 21 zeigen in Schnittansichten noch weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Fig. 22A, 22B, 23A, 23B, 24A und 24B zeigen die Kennlinien, die bei den in den Fig. 18 bis 21 dargestellten Ausführungsbeispielen erhalten werden.

Fig. 25 zeigt das Blockschaltbild einer MO-CVD- Anlage (metallorganischchemisches Aufdampfen) für die epitaxiale Verfahrenstechnik.

Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen akustische Oberflächenwellen bildenden Vorrichtung. Ein Saphirsubstrat 1 ist längs einer zur (0001)- Kristallfläche äquivalenten Fläche (C-Fläche) geschnitten. Ein AlN-Film 2 ist auf dem Saphirsubstrat 1 so niedergeschlagen, daß die piezoelektrische Achse (C-Achse oder [0001]-Achse) des Filmes senkrecht oder parallel zur Oberfläche des Saphirsubstates 1 verläuft. Es sind weiterhin kammförmige Elektroden 3 und 4 vorgesehen, die jeweils eine akustische Oberflächenwelle erzeugen und eine akustische Oberflächenwelle aufnehmen, wobei mit H die Stärke des AlN-Filmes 2 bezeichnet ist.

Im folgenden wird ein erstes Beispiel beschrieben, bei dem das Saphiersubstrat 1 längs einer zur (0001)-Kristallfläche äquivalenten Fläche (C-Fläche) geschnitten ist und der AlN-Film 2 so aufgebracht ist, daß seine C-Achse senkrecht zur Oberfläche des Saphirsubstrates 1 liegt. Eine akustische Oberflächenwelle wird dazu gebracht, sich in zur piezoelektrischen Achse (C-Achse) des AlN-Filmes 2 senkrechter Richtung und in der Richtung, die zur [1 ≙00]-Achse (Y-Achse) auf der (0001)-Fläche des Saphirsubstrates 1 äquivalent ist, fortzupflanzen.

Fig. 2 zeigt die Geschwindigkeitsverteilungskennlinie für die elastische Oberflächenwelle, die bei dem ersten Beispiel erhalten wird. In dieser Figur ist auf der Abszisse die normierte Stärke 2 π H/λ (λ ist die Wellenlänge der elastischen Oberflächenwelle) aufgetragen, wenn die Stärke des AlN-Filmes 2 gleich H ist, während auf der Ordinate die Phasengeschwindigkeit Vp der elastischen Oberflächenwelle aufgetragen ist. Die Phasengeschwindigkeit streut nicht sehr stark, ist jedoch sehr groß.

Fig. 3 zeigt die Kennlinie des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten, die bei dem ersten Beispiel erhalten wird. Auf der Abszisse ist die normierte Stärke 2 π H/λ aufgetragen, während auf der Ordinate der elektromechanische Kopplungskoeffizient K² aufgetragen ist. Wenn die normierte Stärke 2 π H/λ gleich 2,0 bis 6,0 ist, ist K² gleich 0,22% bis 0,27%. Dieser Wert ist im allgemeinen für die Erzeugung und die Aufnahme einer elastischen Oberflächenwelle geeignet und führt zu einer ausgezeichneten Piezoelektrizität.

Fig. 4 zeigt die Kennlinie des Verzögerungszeittemperaturkoeffizienten TCD für eine elastische Oberflächenwelle, die beim ersten Beispiel erhalten wird. Auf der Abszisse ist die normierte Stärke 2 π H/λ aufgetragen, während die Ordinate das Temperaturänderungsverhältnis (1/τ) · (∂τ/∂T) der Verzögerungszeit τ in ppm/°C zeigt. Da der Verzögerungszeittemperaturkoeffizient des Saphirsubstrates 1 positiv ist, während der des AlN-Filmes 2 negativ ist, kompensieren beide Temperaturkoeffizienten einander und ändert sich die resultierende Kennlinie nach Maßgabe der Stärke H des AlN-Filmes 2. Wenn die Stärke H in dem Bereich liegt, der der Beziehung 3,0<2 π H/λ<5,0 genügt, wird das Verzögerungszeittemperaturänderungsverhältnis nahezu gleich Null.

Das erste Ausführungsbeispiel stellt daher eine akustische Oberflächenwellen bildende Vorrichtung dar, die in ihrer Verzögerungszeittemperaturänderungskennlinie sowie in der Geschwindigkeitsverteilungskennlinie und der K² Kennlinie ausgezeichnet ist.

Im folgenden wird ein zweites Beispiel beschrieben. Das zweite Beispiel unterscheidet sich vom ersten Beispiel lediglich darin, daß die elastische Oberflächenwelle dazu gebracht wird, sich in eine der [11 ≙0]-Achse (X-Achse) auf der (0001)-Fläche des Saphirsubstrates äquivalenten Richtung statt in der der [1 ≙00]-Achse (Y-Achse) äquivalenten Richtung fortzupflanzen.

Fig. 5 zeigt die Geschwindigkeitsverteilungskennlinie der akustischen Oberflächenwelle, die bei dem zweiten Beispiel erhalten wird. Die Phasengeschwindigkeit Vp streut nicht sehr, ist jedoch sehr groß.

Fig. 6 zeigt die Kennlinie des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten (K² Kennlinie), die beim zweiten Beispiel erhalten wird. Wenn die normierte Stärke 2,0 bis 8,0 beträgt, ist K² gleich 0,2% bis 0,28%. Dieser Wert ist im allgemeinen für die Erzeugung und Aufnahme einer elastischen Oberflächenwelle geeignet und führt zu einer ausgezeichneten Piezoelektrizität.

Fig. 7 zeigt die Kennlinie des Verzögerungszeittemperaturkoeffizienten TCD der akustischen Oberflächenwelle, die beim zweiten Beispiel erhalten wird. Wenn die Stärke H des AlN-Filmes 2 in einem Bereich liegt, der der Beziehung 3,02<2 π H/λ<6,0 genügt, ist das Verzögerungszeittemperaturänderungsverhältnis nahezu gleich Null.

Das zweite Beispiel stellt daher gleichfalls eine akustische Oberflächenwellen bildende Vorrichtung dar, die in ihrer Verzögerungszeittemperaturänderungskennlinie sowie der Geschwindigkeitsverteilungskennlinie und der K² Kennlinie ausgezeichnet ist.

Im folgenden wird ein drittes Beispiel beschrieben, bei dem das Saphirsubstrat 1 längs der R-Fläche geschnitten ist, die äquivalent zur (01 ≙2)-Kristallfläche ist, und bei dem der AlN-Film 2 so aufgebracht ist, daß seine C-Achse parallel zur [0 ≙11]-Achse des Saphirsubstrates 1 verläuft. Die elastische Oberflächenwelle wird dazu gebracht, sich in einer zur piezoelektrischen Achse (C-Achse) des AlN- Filmes 2 parallelen Richtung und in der Richtung fortzupflanzen, die zur [0 ≙11]-Achse auf der (01 ≙2)-Fläche (R-Fläche) des Saphirsubstrates 1 äquivalent ist.

Fig. 8 zeigt die Geschwindigkeitsverteilungskennlinie einer akustischen Oberflächenwelle, die beim dritten Beispiel erhalten wird. Die Phasengeschwindigkeit Vp streut nicht sehr, ist jedoch sehr groß.

Fig. 9 zeigt dieKennlinie des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten, die bei dem dritten Beispiel erhalten wird. Wenn die normierte Stärke 2 π H/λ gleich 1,0 bis 8,0 ist, beträgt K³ 0,75% bis 0,8%. Dieser Wert ist im allgemeinen für die Erzeugung und Aufnahme einer elastischen Oberflächenwelle geeignet und führt zu einer ausgezeichneten Piezoelektrizität.

Fig. 10 zeigt die Kennlinie des Verzögerungszeittemperaturkoeffizienten TCD der akustischen Oberflächenwelle, die beim dritten Beispiel erhalten wird. Wenn die Stärke H des AlN-Filmes 2 in einem Bereich liegt, der der Beziehung 2,0<2 π H/λ<5,0 genügt, ist das Verzögerungszeittemperaturänderungsverhältnis nahezu gleich Null.

Das dritte Beispiel stellt daher eine akustische Oberflächenwellen bildende Vorrichtung dar, die in ihrer Verzögerungszeittemperaturänderungskennlinie sowie der Geschwindigkeitsverteilungskennlinie und der K² Kennlinie ausgezeichnet ist.

Fig. 11 bis 14 zeigen weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung, bei denen ein Siliciumeinkristallsubstrat mit positivem Verzögerungszeittemperaturkoeffizienten für eine akustische Oberflächenwelle als elastisches Substrat verwandt wird.

Bei dem in Fig. 11 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Siliciumeinkristallsubstrat 11 vorgesehen, das längs einer zur (111)-Kristallfläche, zur (110)-Kristallfläche oder zur (001)-Kristallfläche äquivalenten Fläche geschnitten ist. Ein AlN-Film 12 ist auf dem Siliciumeinkristallsubstrat 11 so niedergeschlagen, daß die piezoelektrische Achse (C-Achse oder [0001]-Achse) des Filmes senkrecht oder parallel zum Siliciumeinkristallsubstrat 11 verläuft. Es sind kammförmige Elektroden 13 und 14 jeweils zum Erzeugen einer akustischen Oberflächenwelle und zum Aufnehmen einer akustischen Oberflächenwelle vorgesehen. Die Stärke des AlN-Filmes 12 ist mit H bezeichnet.

Fig. 15A zeigt die Geschwindigkeitsverteilungscharakteristik, die dann erhalten wird, wenn die in Fig. 11 bis 14 dargestellten Ausführungsbeispiele verwandt werden und sich die elastische Oberflächenwelle in einer zur piezoelektrischen Achse (C-Achse oder [0001]-Achse) des AlN-Filmes 12 fortpflanzt. In Fig. 15A ist auf der Abszisse die normierte Stärke 2 π H/λ aufgetragen, während auf der Ordinate die Phasengeschwindigkeit Vp der elastischen Oberflächenwelle aufgetragen ist. Die Kurve a wird dann erhalten, wenn sich die elastische Oberflächenwelle in eine Richtung fortpflanzt, die zur [11 ≙]-Achse auf der (111)-Fläche des Siliciumeinkristallsubstrates 11 äquivalent ist, die Kurve b wird dann erhalten, wenn sich die elastische Oberflächenwelle in eine Richtung fortpflanzt, die zur [001]-Achse auf der (110)-Fläche des Siliciumeinkristallsubstrates 11 äquivalent ist, und die Kurve c wird dann erhalten, wenn sich die akustische Oberflächenwelle in eine Richtung fortpflanzt, die zur [011]-Achse auf der (100)- Fläche des Siliciumeinkristallsubstrates 11 äquivalent ist. Aus Fig. 15A ist ersichtlich, daß die Phasengeschwindigkeit Vp nicht sehr streut, jedoch sehr hoch ist.

Fig. 16A zeigt die Kennlinien des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten, die bei denselben Ausführungsbeispielen erhalten werden. Auf der Abszisse ist die normierte Dicke 2 π H/λ aufgetragen, während auf der Ordinate der elektromechanische Kopplungskoeffizient K² aufgetragen ist. In Fig. 16A hat die Vorrichtung A den in Fig. 11 dargestellten Aufbau. Diese Kurven zeigen, daß elektromechanische Kopplungskoeffizienten K² erhalten werden können, die für die Erzeugung und Aufnahme einer akustischen Oberflächenwelle und für eine ausgezeichnete Piezoelektrizität geeignet sind.

Die Fig. 17A bis 17D zeigen die Kennlinien des Verzögerungszeittemperaturkoeffizienten TCD, die bei denselben Ausführungsbeispielen erhalten werden. Auf der Abszisse ist die normierte Stärke 2 π H/λ aufgetragen, während die Ordinate das Temperaturänderungsverhältnis (1/τ) · (∂τ/∂T) der Verzögerungszeit τ der akustischen Oberflächenwelle in ppm/°C zeigt. Die in Fig. 17A dargestellte Kurve wird dann erhalten, wenn sich die akustische Oberflächenwelle in die Richtung fortpflanzt, die zur [11 ≙]-Achse auf der (111)-Fläche des Siliciumeinkristallsubstrates 11 äquivalent ist, die Kurve in Fig. 17B wird dann erhalten, wenn sich die akustische Oberflächenwelle in die Richtung fortpflanzt, die zur [001]-Achse der (110)-Fläche äquivalent ist, die Kurve von Fig. 17C wird dann erhalten, wenn sich die akustische Oberflächenwelle in die Richtung fortpflanzt, die der [100]-Achse auf den (001)-Flächen äquivalent ist und die Kurve von Fig. 17D wird dann erhalten, wenn sich die akustische Oberflächenwelle in die Richtung fortpflanzt, die der [110]-Achse auf der (001)-Fläche äquivalent ist. Da der Verzögerungszeittemperaturkoeffizient des Siliciumeinkristallsubstrates 11 positiv ist, während der des AlN-Filmes 12 negativ ist, kompensieren beide Temperaturkoeffizienten einander und ändert sich die resultierende Kennlinie nach Maßgabe der Stärke H des AlN-Filmes 12. Die Stärke H kann so bestimmt werden, daß das Verzögerungszeittemperaturänderungsverhältnis nahezu gleich Null ist.

Fig. 15B zeigt die Geschwindigkeitsverteilungskennlinien der akustischen Oberflächenwelle, die dann erhalten werden, wenn sich die akustische Oberflächenwelle in eine Richtung parallel zur piezoelektrischen Achse (C-Achse oder [0001]- Achse) fortpflanzt. Die Kurve d wird dann erhalten, wenn sich die akustische Oberflächenwelle in die Richtung fortpflanzt, die der [001]-Achse auf der (001)-Fläche des Siliciumeinkristallsubstrates 11 äquivalent ist, während die Kurve e dann erhalten wird, wenn sich die akustische Oberflächenwelle in die Richtung fortpflanzt, die der [001]-Achse auf der (110)-Fläche des Siliciumeinkristallsubstrates 11 äquivalent ist. Die Phasengeschwindigkeit Vp streut nicht sehr und ist sehr hoch.

Die Fig. 16C und 16D zeigen die Kennlinien des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten, die durch dieselbe Vorrichtung und bei denselben Fortpflanzungsrichtungen erhalten werden. Die Vorrichtung A in denselben Figuren hat den in Fig. 11 dargestellten Aufbau. Die Kurve von Fig. 16C wird dann erhalten, wenn sich die akustische Oberflächenwelle in die Richtung fortpflanzt, die der [001]- Achse auf der (110)-Fläche des Siliciumeinkristallsubstrates 11 äquivalent ist, während die Kurve von Fig. 16D dann erhalten wird, wenn sich die akustische Oberflächenwelle in die Richtung fortpflanzt, die zur [100]-Achse auf der (001)-Fläche des Substrates 11 äquivalent ist. Diese Figuren zeigen, daß ein elektromechanischer Kopplungskoeffizient K² erhalten werden kann, der für die Erzeugung und Aufnahme einer akustischen Oberflächenwelle und für eine ausgezeichnete Piezoelektrizität geeignet ist.

Die Fig. 17E und 17F zeigen den Verzögerungszeittemperaturkoeffizienten TDC der akustischen Oberflächenwelle unter denselben Bedingungen. Die Kurve von Fig. 17E wird dann erhalten, wenn sich die akustische Oberflächenwelle in die Richtung fortpflanzt, die zur [100]-Achse auf der (001)- Fläche des Siliciumeinkristallsubstrates 11 äquivalent ist, während die Kurve von Fig. 17F dann erhalten wird, wenn sich die akustische Oberflächenwelle in die Richtung fortpflanzt, die zur [001]-Achse auf der (110)-Fläche des Substrates 11 äquivalent ist. Aus den Fig. 17A bis 17F ist ersichtlich, daß dann, wenn die Stärke H des AlN- Filmes 12 in einem Bereich liegt, der der Beziehung 0,2<2 π H/λ<3,0 genügt, das Verzögerungszeittemperaturänderungsverhältnis nahezu gleich Null ist.

Das in Fig. 12 dargestellte Ausführungsbeispiel hat einen Aufbau, der ein Siliciumeinkristallsubstrat 11, akustische Oberflächenwellen erzeugende Elektroden 13 sowie akustische Oberflächenwellen aufnehmende Elektroden 14, die alle auf der Oberfläche des Substrates 11 vorgesehen sind, und einen AlN-Film 12 umfaßt, der auf dem Substrat 11 so niedergeschlagen ist, daß er die Elektroden 13 und 14 überdeckt.

Das in Fig. 13 dargestellte Ausführungsbeispiel hat einen Aufbau, der ein Siliciumeinkristallsubstrat 11, zwei Schirmelektroden 17, die auf Teilen des Substrates 11 vorgesehen sind, um als zweite Elektroden zu dienen, einen AlN-Film 12, der so auf dem Substrat 11 vorgesehen ist, daß er die Schirmelektroden 17 überdeckt, und akustische Oberflächenwellen erzeugende Elektroden 13 sowie akustische Oberflächenwellen aufnehmende Elektroden 14, die alle auf dem AlN-Film 12 vorgesehen sind.

Das in Fig. 14 dargestellte Ausführungsbeispiel hat einen Aufbau, der ein Siliciumeinkristallsubstrat 11, die akustische Oberflächenwellen erzeugenden Elektroden 13 sowie die akustische Oberflächenwellen aufnehmende Elektroden 14 umfaßt, die auf der Oberfläche des Substrates 11 so vorgesehen sind, daß sie als erste Elektroden dienen, wobei der AlN-Film 12 auf dem Substrat 11 so vorgesehen ist, daß er die Elektroden 13 und 14 überdeckt und zwei Schirmelektroden 17 auf Teilen des AlN-Filmes 12 vorgesehen sind.

Die Fig. 16A und 16B zeigen die K² Kennlinien, die dann erhalten werden, wenn sich die akustische Oberflächenwelle in eine Richtung senkrecht zu piezoelektrischen Achse des AlN-Filmes 12 bei Verwendung von akustische Oberflächenwellen bildenden Vorrichtungen mit dem in Fig. 12 bis 14 dargestellten Aufbau fortpflanzt. In diesen Figuren entspricht die Vorrichtung B Fig. 12, die Vorrichtung C Fig. 13 und die Vorrichtung D Fig. 14 jeweils. Diese Figuren zeigen, daß ein elektromechanischer Kopplungskoeffizient K² erhalten werden kann, der für die Erzeugung und Aufnahme einer akustischen Oberflächenwelle und für eine ausgezeichnete Piezoelektrizität geeignet ist.

Fig. 16C und 16D zeigen die K² Kennlinien, die dann erhalten werden, wenn sich die akustische Oberflächenwelle in die Richtung parallel zur piezoelektrischen Achse des AlN-Filmes 12 bei Verwendung der in den Fig. 12 bis 14 dargestellten Vorrichtungen fortpflanzt. Die Kurve von Fig. 16C wird dann erhalten, wenn sich die akustische Oberflächenwelle in die Richtung fortpflanzt, die der [001]-Achse auf der (110)-Fläche des Substrates 11 äquivalent ist, während die Kurve von Fig. 16D dann erhalten wird, wenn sich die akustische Oberflächenwelle in die Richtung fortpflanzt, die der [100]-Achse auf der (001)-Fläche des Substrates äquivalent ist. Diese Figuren zeigen, daß ein elektromechanischer Kopplungskoeffizient K² erhalten werden kann, der für die Erzeugung und die Aufnahme von akustischen Oberflächenwellen und für eine ausgezeichnete Piezoelektrizität geeignet ist.

Aus den Fig. 16A bis 16D ist ersichtlich, daß dann, wenn die normierte Stärke 2 π H/λ in einem Bereich von 0,2 bis 6,0 liegt, K² Werte erhalten werden können, die sich für die Anwendung in der Praxis und für eine ausgezeichnete Piezoelektrizität eignen.

Der AlN-Film kann ein AlN-Einkristallepitaxialfilm sein. In diesem Fall kann die akustische Oberflächenwellen bildende Vorrichtung durch die in Fig. 25 dargestellte Anordnung hergestellt werden.

Fig. 25 zeigt das Blockschaltbild einer MO-CVD-Anlage (metallorganischchemisches Aufdampfen) für die Epitaxialverfahrenstechnik. Eine Standardreaktionsröhre 31, in der ein Siliciumeinkristallsubstrat 32 zu bearbeiten ist, wird auf einer drehbaren Halteplatte 33 angeordnet. Wie es in Fig. 25 dargestellt ist, sind weiterhin eine Wasserstoffgasquelle (H&sub2;) 34, eine Ammoniakgasquelle (NH&sub3;) 35, eine Aluminiumlegierungsquelle 36, die Trimethylaluminium (TMA, Al(CH&sub3;)&sub3;: flüssig bei normaler Temperatur) beispielsweise sein kann, Rohre 37A und 37B, ein Ventil 38, ein Strömungsmesser 39, ein Reiniger 40, eine Hochfrequenzspule 41, ein Unterdrucksaugrohr 42 und ein Auslaßrohr 43 vorgesehen.

Während das Siliciumeinkristallsubstrat 32 in der Standardreaktionsröhre 31 durch die drehbare Halteplatte 33 gedreht wird, und das Substrat 32 durch die Hochfrequenzspule 41 Wärme ausgesetzt wird, wird Trimethylaluminium, das durch das Wasserstoffgas in Blasen aufsteigt, der Reaktionsröhre 31 über die Leitung 37A zugeführt und wird Ammoniakgas der Reaktionsröhre 31 über die Leitung 37B zugeführt. Das Trimethylaluminium und das Ammoniak reagieren miteinander in der Reaktionsröhre 31, was zur Ausbildung und zum epitaxialen Wachstum eines AlN-Filmes auf dem Siliciumeinkristallsubstrat 32 führt.

Eine Filmwachstumsgeschwindigkeit von 3 lm/h des AlN-Filmes wurde unter den folgenden Epitaxialarbeitsverhältnissen erhalten. Erwärmung des Siliciumeinkristallsubstrates 32: 1260°C, Wasserstoffgasstrom: 5 l/min, Ammoniakstrom: 3 l/min, Trimethylaluminiumstrom: 13,6×10-6 mol/min. Es wurden weiterhin Siliciumeinkristallsubstrate mit (111)-Kristallfläche, (110)-Kristallfläche und (100)-Kristallfläche jeweils verwandt und in derselben Weise bearbeitet. Das hat zur Folge, daß in jedem Fall der AlN-Film in die (0001)- Kristallfläche wuchs.

Es kann ein Substrat aus einem anderen Material als Siliciumeinkristall benutzt werden, um darauf den AlN-Film vorzusehen, wobei der gelieferte Verzögerungszeittemperaturkoeffizient negativ ist. Beispielsweise kann das Substrat eine Siliciumeinkristallplatte und einen Siliciumoberflächenschutzfilm aus Siliciumdioxid umfassen, der auf der Siliciumeinkristallplatte niedergeschlagen ist.

Die Fig. 18 bis 21 zeigen noch weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung, bei denen ein SOS, d. h. Silicium-auf-Saphir- Substrat als elastisches Substrat mit einem positiven Verzögerungszeittemperaturkoeffizienten für die akustische Oberflächenwelle verwandt wird.

Das in Fig. 18 dargestellte SOS oder Silicium-auf-Saphir- Substrat umfaßt ein Saphirsubstrat 25 und einen Siliciumfilm 26, der auf dem Saphirsubstrat 25 niedergeschlagen ist. Ein AlN-Film 22 ist auf dem SOS-Substrat 21 so niedergeschlagen, daß die piezoelektrische Achse (C-Achse oder [0001]-Achse) des Filmes senkrecht oder parallel zur Oberfläche des SOS-Substrates 21 verläuft. Kammförmige Elektroden 23 und 24 dienen zur Erzeugung einer akustischen Oberflächenwelle und zur Aufnahme der akustischen Oberflächenwelle, und sind alle auf der Oberfläche des AlN-Filmes 22 vorgesehen. Die Stärke des AlN-Filmes 22 ist mit H bezeichnet, während die Stärke des Siliciumfilmes 26 mit T bezeichnet ist.

Fig. 22A zeigt die Geschwindigkeitsverteilungskennlinie für die akustische Oberflächenwelle, die dann erhalten wird, wenn die in Fig. 18 dargestellte Vorrichtung verwandt wird und sich die akustische Oberflächenwelle in die Richtung senkrecht zur piezoelektrischen Achse (C-Achse oder [0001]-Achse) des AlN-Filmes 22 fortpflanzt. Auf der Abszisse ist die nomierte Stärke 2 π H/λ aufgetragen, während auf der Ordinate die Phasengeschwindigkeit Vp der akustischen Oberflächenwelle aufgetragen ist. Aus Fig. 22A ist ersichtlich, daß die Phasengeschwindigkeit Vp nicht stark streut und sehr groß ist.

Fig. 23A zeigt die Kennlinie des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten, die unter denselben Bedingungen erhalten wird. Auf der Abszisse ist die normierte Stärke 2 π H/λ aufgetragen, während auf der Ordinate der elektromechanische Kopplungskoeffizient K² aufgetragen ist. Die Vorrichtung A entspricht dem in Fig. 18 dargestellten Aufbau. Wenn die normierte Stärke 2 π H/λ nahe bei 3,0 liegt, ist der Wert von K² annähernd 0,39%. Dieser Wert ist für die Erzeugung und Aufnahme einer akustischen Oberflächenwelle geeignet.

Fig. 24A zeigt die Kennlinie des Verzögerungszeittemperaturkoeffizienten TCD für die akustische Oberflächenwelle, die unter denselben Bedingungen erhalten wird. Auf der Abszisse ist die normierte Stärke 2 π H/λ aufgetragen, während die Ordinate das Temperaturänderungsverhältnis (1/τ) · (∂τ/∂T) der Verzögerungszeit τ der akustischen Oberflächenwelle in ppm/°C zeigt. Da der Verzögerungszeittemperaturkoeffizient des SOS-Substrates 21 positiv ist, während der des AlN- Filmes 22 negativ ist, kompensieren sich beide Temperaturkoeffizienten und ändert sich die sich ergebende Kennlinie nach Maßgabe der Stärke H des AlN-Filmes 22. Wenn die Stärke H so bestimmt ist, daß sie der Beziehung 1,0<2 π H/λ<4,0 genügt, ist das Verzögerungszeittemperaturänderungsverhältnis nahezu gleich Null.

Fig. 22B zeigt die Geschwindigkeitsverteilungskennlinie der akustischen Oberflächenwelle, die dann erhalten wird, wenn die in Fig. 18 dargestellte Vorrichtung verwandt wird und sich die akustische Oberflächenwelle in die Richtung parallel zur piezoelektrischen Achse (C- Achse oder [0001]-Achse) des AlN-Filmes 22 fortpflanzt. Aus Fig. 22B ist ersichtlich, daß die Phasengeschwindigkeit Vp nicht sehr streut und sehr groß ist.

Fig. 23B zeigt die Kennlinie des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten, die unter denselben Bedingungen erhalten wird. Die Kurve A ist die Kennlinie, die dem in Fig. 18 dargestellten Aufbau entspricht. Wenn die normierte Stärke 2 π H/λ nahe bei 2,9 liegt, ist K² annähernd gleich 0,88%. Dieser Wert ist für die Erzeugung und Aufnahme einer akustischen Oberflächenwelle geeignet.

Fig. 24B zeigt die Kennlinie des Verzögerungszeittemperaturkoeffizienten TCD für die akustische Oberflächenwelle, die unter denselben Bedingungen erhalten wird. Wenn die Stärke H des AlN-Filmes 22 so bestimmt ist, daß sie der Beziehung 1,0<2 π H/λ<4,0 genügt, ist das Temperaturänderungsverhältnis der Verzögerungszeit nahezu gleich Null.

Das in Fig. 19 dargestellte Ausführungsbeispiel hat einen Aufbau, bei dem die akustische Oberflächenwellen erzeugenden Elektroden 23 und die akustische Oberflächenwellen aufnehmenden Elektroden 24 auf der Oberfläche des SOS- oder Silicium-auf-Saphir-Substrates 21 vorgesehen sind und bei dem anschließend der AlN-Film 22 auf dem SOS-Substrat 21 so niedergeschlagen ist, daß er die Elektroden 23 und 24 überdeckt.

Bei dem in Fig. 20 dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Schirmelektroden 27, die als zweite Elektroden dienen, auf Teilen der Oberfläche des SOS-Substrates 21 vorgesehen und ist der AlN-Film 22 danach auf dem Substrat 21 so vorgesehen, daß er die Schirmelektroden überdeckt. Akustische Oberflächenwellen erzeugende Elektroden 23 sowie akustische Oberflächenwellen aufnehmende Elektroden 24, die alle als ersteElektroden dienen, sind auf dem AlN-Film 22 vorgesehen.

Bei dem in Fig. 21 dargestellten Beispiel sind akustische Oberflächenwellen erzeugende Elektroden 23 und akustische Oberflächenwellen aufnehmende Elektroden 24, die als erste Elektroden dienen, auf der Oberfläche des SOS-Substrates 1 vorgesehen. Der AlN-Film 22 ist danach auf dem Substrat 21 so niedergeschlagen, daß er die Elektroden 23 und 24 überdeckt. Zwei Schirmelektroden 27, die als zweite Elektroden dienen, sind auf der Oberfläche des AlN-Filmes 22 vorgesehen.

Wenn die in den Fig. 19 bis 21 dargestellten Vorrichtungen verwandt werden und sich die akustische Oberflächenwelle in die Richtung senkrecht zur piezoelektrischen Achse des AlN-Filmes 22 fortpflanzt, ergeben sich Geschwindigkeitsverteilungskennlinien der akustischen Oberflächenwelle, die im wesentlichen gleich den Kennlinien in Fig. 22A sind und sind die Verzögerungszeittemperaturkoeffizienten TCD der akustischen Oberfächenwelle im wesentlichen gleich denen, die in Fig. 24A dargestellt sind. Die K² Kennlinien sind weiterhin in Fig. 23A dargestellt, in der die Vorrichtung B dem in Fig. 19 dargestellten Aufbau entspricht, in der die Vorrichtung C Fig. 20 entspricht und in der die Vorrichtung D Fig. 21 entspricht. Im Falle der Vorrichtung B hat dann, wenn die normierte Stärke 2 π H/λ nahe bei 3,1 liegt, der Kopplungskoeffizient K² einen Doppelspitzenkennwert von 0,35%. Im Falle der Vorrichtung D erreicht der Kopplungskoeffizient K² zwei Spitzenwerte 0,27% und 0,45% jeweils, wenn die normierte Stärke 2 π H/λ 0,27 und 3,6 beträgt. Diese Werte sind für die Erzeugung und Aufnahme einer akustischen Oberflächenwelle geeignet.

Wenn die in den Fig. 19 bis 21 dargestellten Vorrichtungen verwandt werden und sich die akustische Oberflächenwelle in die Richtung parallel zur piezoelektrischen Achse des AlN-Filmes 22 fortpflanzt, sind die Geschwindigkeitsverteilungskennlinien im wesentlichen die gleichen wie sie in Fig. 22B dargestellt sind und sind die Verzögerungszeittemperaturkoeffizienten TCD für die akustische Oberflächenwelle im wesentlichen gleich denen von Fig. 24B. Die K² Kennlinien, die unter denselben Bedingungen erhalten werden, sind in Fig. 23B dargestellt, in der die Vorrichtung B dem in Fig. 19 dargestellten Aufbau entspricht, in der die Vorrichtung C Fig. 20 entspricht und in der die Vorrichtung D Fig. 21 jeweils entspricht. Im Fall der Vorrichtung B erreicht der Kopplungskoeffizient K² Spitzenwerte von 0,15% und 0,62% jeweils, wenn die normierte Stärke 2 π H/λ gleich 0,4 und 2,9 ist. Im Fall der Vorrichtung C ist K² gleich 0,97%, wenn die normierte Stärke 2 π H/λ nahe bei 1,9 liegt und im Falle der Vorrichtung D ist K² gleich 0,7%, wenn die normierte Stärke 2 π H/λ nahe bei 2,8 liegt. Diese Werte sind für die Erzeugung und die Aufnahme von akustischen Oberflächenwellen geeignet.

Wie es in den Fig. 23A und 23B dargestellt ist, ist es durch eine Wahl der normierten Stärke 2 π H/λ zwischen 0,1 bis 6,0 möglich, K² Werte zu erhalten, die für die Anwendung in der Praxis und für eine ausgezeichnete Piezoelektrizität geeignet sind.

Das SOS- oder Silicium-auf-Saphir-Substrat, auf dem der AlN-Film niedergeschlagen wird, kann durch ein anderes gewünschtes Material mit negativem Verzögerungszeittemperaturkoeffizienten ersetzt werden.

Da der AlN-Film einen großen Bandabstand von 6,2 eV hat und leicht so ausgebildet werden kann, daß sein spezifischer Widerstand größer als 10¹&sup6; Ωcm ist, stellt er eine ausgezeichnete Isolierung dar.

Weiterhin ist der AlN-Film dem Zinkoxidfilm überlegen, der durch Aufdampfen ausgebildet wird, da ein Film mit gleichmäßiger und konstanter Qualität erhalten werden kann. Das macht es möglich, selbst im Hochfrequenzband die Fortpflanzungsverluste klein zu halten.

Da insbesondere der Verzögerungszeittemperaturkoeffizient für die akustische Oberflächenwelle des AlN-Filmes negativ ist, wenn er auf einem Stubstrat, wie beispielsweise einem Saphirsubstrat niedergeschlagen wird, dessen Verzögerungszeitkoeffizient wiederum positiv ist, kompensieren beide Temperaturkoeffizienten einander, so daß die sich ergebende Kennlinie gegenüber einer Temperaturänderung stabil ist. Die Stabilität der akustische Oberflächenwellen erzeugenden Vorrichtung gegenüber einer Temperaturänderung ist der wichtigste Faktor bei einer Schmalbandsignalverarbeitungsvorrichtung, wie beispielsweise einem Resonator, einem Oszillator usw. Von diesem Standpunkt aus stellt jede der oben beschriebenen Vorrichtungen eine stabile Funktion gegenüber einer Temperaturänderung sicher. Durch dieselben Vorrichtungen ist auch die Eignung für das Hochfrequenzband bei niedrigen Fortpflanzungsverlusten sichergestellt.

Wie es oben beschrieben wurde, ergibt sich gemäß der Erfindung durch die Verwendung eines elastischen Aufbaues mit einem auf einem elastischen Substrat, dessen Verzögerungszeittemperaturkoeffizient für die akustische Oberflächenwelle positiv ist, niedergeschlagenen AlN-Film eine elastische Oberflächenwellen bildende Vorrichtung, die in ihren verschiedenen Kennwerten ausgezeichnet ist.

Durch die Erfindung wird hauptsächlich folgendes bewirkt:

  • 1. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit der akustischen Oberflächenwelle ist die Wellenlänge im Hochfrequenzband groß, was die Herstellung der kammförmigen Elektroden erleichtert.
  • 2. Aufgrund des kleinen Frequenzänderungsverhältnisses in Abhängigkeit von der Änderung der Filmstärke ist es leicht, Vorrichtungen herzustellen, die sich für das gewünschte Frequenzband eignen, was zu einer guten Produktivität und zur Verminderung der Kosten führt.
  • 3. Es istmöglich, die Verzögerungszeit der akustische Oberflächenwellen bildenden Vorrichtung nahezu gleich Null zu halten.
  • 4. Der AlN-Film mit guter Isolierung kann leicht ausgebildet werden. Weiterhin läßt sich ein einkristalliner epitaxialer AlN-Film leicht nach dem MO-CVD-Verfahren ausbilden.


Die Kristallorientierungen des Substrates und des AlN- Filmes und gleichfalls die Fortpflanzungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle sind nicht auf diejenigen der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Andere Orientierungen und Richtungen können ähnliche Wirkungen zeigen.


Anspruch[de]
  1. 1. Oberflächenwellenvorrichtung mit einem Substrat (1) aus Saphir mit positivem Verzögerungszeit-Temperaturkoeffizienten für eine akustische Oberflächenwelle, einem auf dem Substrat (1) vorgesehenen Aluminiumnitrid-Film (2) mit negativem Verzögerungszeit-Temperaturkoeffizienten für eine akustische Oberflächenwelle sowie mit einer Generatorelektrode (3) für eine akustische Oberflächenwelle und einer Detektorelektrode (4) für eine akustische Oberflächenwelle auf dem Alunminiumnitrid-Film (2), dadurch gekennzeichnet, daß der Aluminiumnitrid-Film (2) eine Dicke (H) im Bereich von 2<2 π H/λ<6 mit λ gleich der Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle besitzt, daß das Substrat (1) eine einer (0001)-Kristallfläche äquivalente Oberflächenorientierung besitzt, daß die piezoelektrische Polarisierungsrichtung des Aluminiumnitrid-Films (2) senkrecht oder parallel zum Substrat (1) ist und daß sich die akustische Oberflächenwelle auf dem Substrat (1) in einer zu einer [1 ≙00]- Achse äquivalenten Richtung ausbreitet.
  2. 2. Oberflächenwellenvorrichtung mit einem Substrat (1) aus Saphir mit positivem Verzögerungszeit-Temperaturkoeffizienten für eine akustische Oberflächenwelle, einem auf dem Substrat (1) vorgesehenen Aluminiumnitrid-Film (2) mit negativem Verzögerungszeit-Temperaturkoeffizienten für eine akustische Oberflächenwelle sowie mit einer Generatorelektrode (3) für eine akustische Oberflächenwelle und einer Detektorelektrode (4) für eine akustische Oberflächenwelle auf dem Aluminiumnitrid-Film (2), dadurch gekennzeichnet, daß der Aluminiumnitrid-Film (2) eine Dicke (H) im Bereich von 2<2 π H/λ<8 mit λ gleich der Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle besitzt, daß das Substrat (1) eine einer (0001)-Kristallfläche äquivalente Oberflächenorientierung besitzt, daß die piezoelektrische Polarisierungsrichtung des Aluminiumnitrid- Films (2) senkrecht oder parallel zum Substrat (1) und daß sich die akustische Oberflächenwelle auf dem Substrat (1) in einer zu einer [11 ≙0]-Achse äquivalenten Richtung ausbreitet.
  3. 3. Oberflächenwellenvorrichtung mit einem Substrat (1) aus Saphir mit positivem Verzögerungszeit-Temperaturkoeffizienten für eine akustische Oberflächenwelle, einem auf dem Substrat (1) vorgesehenen Aluminiumnitrid-Film (2) mit negativem Verzögerungszeit-Temperaturkoeffizienten für eine akustische Oberflächenwelle sowie mit einer Generatorelektrode (3) für eine akustische Oberflächenwelle und einer Detektorelektrode (4) für eine akustische Oberflächenwelle auf dem Aluminiumnitrid-Film (2), dadurch gekennzeichnet, daß der Aluminiumnitrid-Film (2) eine Dicke (H) im Bereich von 1<2 π H/λ<8 mit λ gleich der Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle besitzt, daß das Substrat (1) eine einer (01 ≙2)-Kristallfläche äquivalente Oberflächenorientierung besitzt, daß die piezoelektrische Polarisierungsrichtung des Aluminiumnitrid- Films (2) senkrecht oder parallel zum Substrat (1) ist und daß sich die akustische Oberflächenwelle auf dem Substrat (1) in einer zu einer [0 ≙11]- Achse äquivalenten Richtung ausbreitet.
  4. 4. Oberflächenwellenvorrichtung nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Aluminiumnitrid- Film (2) ein einkristalliner epitaktischer Aluminumnitrid- Film ist.






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