Hochfrequenz-Oberflächenwellen-(SAW-)Bauelemente
werden in weitem Maße
in Funk-Produkten verwendet, insbesondere Hochfrequenz-(HF-)Filtern
für Sende-
und Empfangsoperationen. Solche Filter weisen oft resonante SAW-Bauelemente
auf, die auf piezoelektrischen einkristallinen Substraten als Bauteile
ausgebildet sind, mit denen die gewünschte Filterfunktion generiert
werden soll. Ein piezoelektrisches Einkristall-Substrat, das allgemein
für HF-Filter
verwendet wird und das einige wünschenswerte
Eigenschaften für
solche Filter hat, ist Lithiumtantalat (LiTaO3).
Die Performance-Eigenschaften von Kristallsubstraten variieren mit
der gewählten
Wellen-Ausbreitungsrichtung, die in Euler-Winkeln definiert werden
kann. Ein besonders wünschenswerter
Schnitt für
gewisse Anwendungen ist von Ueda et al. im US-Patent 6 037 847 und
im US-Patent 5 874 869 beschrieben. Aus dem US-Patent 6 037 847
ist die Verwendung von LiTaO3 mit Euler-Winkeln
(λ, μ, θ) bekannt,
derart, dass λ und θ fest (auf
Null) und μ mit
der Metallisierungsart und der angewendeten Dicke variabel ist.
Für ein
Elektrodenmuster mit Al als Primärkomponente,
das einen Resonator mit einer Dicke im Bereich des 0,03–0,15-fachen
einer Wellenlänge Λ (d.h. 3% Λ bis 15% Λ) bildet,
ist der bevorzugte Rotationswinkel μ größer als –51°, was einem um 39° gedrehten
YX-Schnitt entspricht, und kleiner als –44°, was einem um 46° gedrehten
YX-Schnitt entspricht (der Rotationswinkel eines Y-Schnitts ist
bestimmt als μ' = μ + 90°). Zusätzliche
Beschränkungen
sind dargestellt unter der Vorgabe, dass der Euler-Winkelbereich
mit einem bei –48° (um 42° gedrehter
YX-Schnitt) zentrierten Rotationswinkel μ bevorzugt wird. Für Elektrodenmuster mit
Cu als Primärkomponente
wird bei einer Elektrodendicke von 0,9% Λ bis 4,5% Λ ein Rotationswinkel μ größer als –51°, aber kleiner
als –44° gewählt. Für Elektrodenmuster
mit Au als Primärkomponente
und einer Dicke im Bereich von 0,4% Λ bis 2,1% Λ wird ein Rotationswinkel größer als –51°, aber kleiner
als –44° gewählt. Als
Ergebnis wird bei Ueda '847
ein Rotationswinkel μ in
Bereichen größer als –51° und kleiner
als –44° verwendet.
Aus der US- PS 5
874 869 ist die Verwendung von LiTaO3 mit
festen Euler-Winkeln λ und θ (nominell
gleich Null) und μ in
einem Bereich zwischen –50° und –48° für Mehrfachmodus-SAW-Bauelemente mit einem
Bereich spezifischer Elemente-Eigenschaften bekannt.
In
den Ueda-Patenten '847
und '869 werden zwar
keine spezifischen Statuswerte für
die Euler-Winkel λ und θ genannt.
Die Beschreibung des piezoelektrischen Substrats mit einer um die
X-Achse aus der Y-Achse zur Z-Achse mit einem Rotationswinkel in
einem angegebenen Bereich gedrehten Orientierung und einer in X-Richtung
eingestellten Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle würde zu der
Annahme führen,
dass der erste Euler-Winkel λ und
der dritte Euler-Winkel θ gleich
Null sind.
Bei
nach den vorstehend erwähnten
Orientierungen von LiTaO3 aufgebauten SAW-Bauelementen werden
Leck-Oberflächenwellen
(LSAW) verwendet. Eine Leckwelle hat verglichen mit SAW eine größere Ausbreitungsgeschwindigkeit,
was bei Hochfrequenz-SAW-Bauelementen
vorteilhaft ist. Wegen der Strahlung von großen akustischen Wellen in die
Kristallmasse breitet sich eine Leckwelle längs der Kristalloberfläche mit
einer Dämpfung
aus, die ungleich Null ist. Unter bestimmten Bedingungen geht diese Dämpfung jedoch
gegen Null. Eine Klasse von Leckwellen mit vernachlässigbarer
Dämpfung
sind quasi-große
Wellen. Bei einer freien Kristallfläche kann die mechanische Grenzbedingung
für eine
große Welle,
die sich längs
der Grenzebene ausbreitet und in dieser Ebene polarisiert ist, erfüllt werden,
die somit als horizontal polarisierte Welle bezeichnet wird. In
einem beliebigen Kristall bilden Orientierungen, bei denen eine
der Hauptwellen die mechanischen Grenzbedingungen erfüllt, Linien
im kristallographischen Raum, die durch die drei Euler-Winkel definiert sind.
Für LiTaO3 wurden diese Orientierungen in einer Veröffentlichung
von N. F. Naumenko, Sov.Phys.-Crystallography 37, S. 220–223, 1992
diskutiert. Insbesondere wurde festgestellt, dass eine dieser Orientierungen
als um 36° gedrehter YX-Schnitt
mit Euler-Winkeln (0°, –54°, 0°) bekannt ist.
Dies ist eine symmetrische Orientierung, die durch eine Ausbreitungsrichtung
charakterisiert ist, die parallel zur X-Achse und normal zur Grenzfläche verläuft, die
in der Ebene der Reflexionssymmetrie YZ von LiTaO3 liegt.
Die schnelle Scher-Hauptwelle, die sich längs der X-Achse ausbreitet
und in der Ebene des um 36° gedrehten
YX-Schnittes polarisiert ist, ist piezoelektrisch stark gekoppelt
mit der elektrischen Feldkomponente längs der X-Achse, und zwar wegen
der Nähe
des entsprechenden effektiven piezoelektrischen Moduls an seinem
absoluten Maximum für
LiTaO3. Hinsichtlich der vielversprechenden Eigenschaften
des um 36° gedrehten
YX-Schnitts für die
Anwendung in SAW-Bauelementen sei hingewiesen auf K. Nakamura et
al., Proc. 1977 IEEE Ultrasonics Symposium, S. 819–822.
Die
elektrischen Grenzbedingungen ändern die
Natur der Hauptwelle und machen sie zur Quasi-Hauptwelle mit einer
Ausbreitungsgeschwindigkeit, die etwas geringer ist als die der
Hauptwelle. Der Effekt der Massenladung und elektrischen Grenzbedingungen
in einem Elektrodenmuster, das auf der Oberfläche eines um 36° gedrehten
YX-Schnitts liegt, resultiert in einer steigenden Dämpfung oder
im steigenden Ausbreitungsverlust. Wie jedoch im US-Patent 6 037 847
(Ueda et al.) beschrieben ist, verschwindet eine Orientierung mit
einem Ausbreitungsverlust nahe Null nicht, sondern bewegt sich kontinuierlich
von einem 36°YX- zu einem 42°YX-Schnitt,
während
die Dicke der Al-Elektrode von Null auf 0,08 Λ ansteigt. Ähnlich wurden Orientierungen
mit einer LSAW-Dämpfung
von Null für
Elektrodenmuster, die Cu oder Au als Hauptkomponente enthalten,
als Funktionen der Metalldicke festgestellt. Nach der ausführlichen
Beschreibung des Verfahrens, das zur Beurteilung des Ausbreitungsverlustes infolge
der Streuung von LSAW in langsame Scher-Hauptwellen verwendet wird,
(siehe K. Hashimoto et al., Proc. 1997 IEEE Ultrasonics Symposium,
S. 245–254),
wurde ein Ausbreitungsverlust an der unteren Kante eines Sperrbereichs
der Braggschen Reflexion, was der Resonanzfrequenz eines LSAW-Resonators
entspricht, als Kriterium für
die Optimierung des Schnittwinkels gewählt. Der Ausbreitungsverlust
ist jedoch eine Funktion der Frequenz. Es ist daher wünschenswert,
seinen Mittelwert in einer Bandbreite zu minimieren. Nach der vorliegenden
Erfindung wird der Ausbreitungsverlust gleichzeitig bei der Resonanzfrequenz
(fr) und bei der Antiresonanzfrequenz (fa) minimiert.
Zur
Erläuterung
der Auswirkung des Ausbreitungsverlustes auf die Performance eines
Filters wird nun auf 1 Bezug
genommen. 1 zeigt ein
Beispiel eines Leiter- oder Abzweigfilters mit drei Shunt (R4, R5,
R6)- und drei Reihen (R1, R2, R3)-resonanten SAW-Strukturen unter Verwendung eines um
42° gedrehten
YX-Schnitt-LiTaO3-Substrats. Für die betrachteten
Bauelemente werden resonante SAW-Strukturen sowohl als Reihen- als
auch als Parallel-(Shunt)-Komponenten mit einer Verbundstruktur
verwendet, die gitterartige Bereiche enthalten kann. Bei Abzweigfiltern
ist es üblich,
die Antiresonanzfrequenz der Shunt-Elemente etwa gleich der Resonanzfrequenz
der Serienelemente zu wählen. Die
untere Passbandkante eines Filters wird dann durch den Ausbreitungsverlust
bei der Resonanzfrequenz der Shunt-Elemente und die obere Passbandkante
durch den Ausbreitungsverlust bei der Antiresonanz der Serienelemente
bestimmt. Somit ist der Ausbreitungsverlust bei beiden Frequenzen,
der resonanten und der antiresonanten Frequenz, signifikant und
es ist wünschenswert,
ihn bei beiden Frequenzen zu minimieren.
2 zeigt den Ausbreitungsverlust
bei Resonanz- und Antiresonanzfrequenz, berechnet für einen
um 42° gedrehten
YX-Schnitt von LiTaO3 mit Al als Elektrodenmaterial
in Abhängigkeit
der Elektrodendicke, normalisiert auf die LSAW-Wellenlänge, h/Λ. Diese und
andere Berechnungen wurden mit Materialkonstanten von LiTaO3 angestellt, wie sie von Taziev (R. M: Taziev
et al., Proc. 1994 IEEE Ultrasonics Symposium, S. 415–419) berichtet wurden,
obwohl festgestellt wurde, dass sich die Ergebnisse nicht signifikant ändern, wenn
eine andere Gruppe von Materialkonstanten verwendet wird, beispielsweise
die von Kovacs (G. Kovacs et al., Proc. 1990 IEEE Ultrasonics Symposium,
S. 435–438)
berichteten.
Eine
Elektrode habe zum Beispiel eine Dicke von 10% Λ. Bei bekannten HF-Filtern,
insbesondere für
Anwendungen im GHz-Bereich, ist eine solche Elektrodendicke wegen
der hohen Arbeitsfrequenzen und damit kurzen Wellenlängen eher
herkömmlich. Bei
Resonanzfrequenz ist der Ausbreitungsverlust mit etwa 0,003 dB/Λ ziemlich
gering, bei Antiresonanz beträgt
er aber etwa 0,03 dB/Λ,
d.h. er ist um das Zehnfache höher.
Im Ergebnis dürfte
der Frequenzgang eines Filters nicht symmetrisch sein, mit einem
größeren Güteabfall
der hochfrequenten Passbandkante und erhöhtem Formfaktor. 3 zeigt den Effekt des Ausbreitungsverlusts
bei Resonanz und Antiresonanz oder Parallelresonanz auf die SAW-Filter-Performance: Wird
der Ausbreitungsverlust bei mittlerer Frequenz fo = (fr + fa)/2
minimiert, so können
eine niedrigere Einfügungsdämpfung und
ein besserer Formfaktor erzielt werden als in Fällen, in denen der Ausbreitungsverlust
bei Resonanz- oder Antiresonanzfrequenz minimiert wird. Ein günstigerer Formfaktor
ist wegen der größeren Bandbreite
und den steileren Kanten des Durchlassbereichs oder Passbandes zu
erwarten.
In
Anbetracht der vorstehenden Erläuterungen
ist ein Ziel der Erfindung, eine verbesserte Performance zu erzielen,
und insbesondere bei SAW-Filtern mit Resonatorelementen die Einfügungsdämpfung zu
vermindern und den Formfaktor zu verbessern, und zwar unter Verwendung
ausgewählter
Orientierungen von LiTaO3 bei gleichzeitig
optimiertem Ausbreitungsverlust bei Resonanz- und Antriresonanzfrequenz,
wobei die Elektrodendicke in einem weiten Bereich zwischen 1% Λ und 15% Λ variiert.
Insbesondere
besteht ein starker Bedarf, Substratschnitte mit ziemlich geringem
Ausbreitungsverlust (wünschenswerterweise
weniger als 0,1 dB/Λ)
im Dickenintervall von 8% Λ bis
15% Λ für ein Elektrodenmuster
mit Al als Primärkomponente
bereitzustellen. Nach 13 der
US-PS 6 037 847 kann, wenn die Elektrodendicke 8% Λ übersteigt,
keine LiTaO3-Orientierung im Intervall von 36°YX bis 46°YX zu einem
so niedrigen Ausbreitungsverlust führen wie bei einem 42°-YX-Schnitt
bei einer Aluminiumdicke von 7,5% Λ. Beispielsweise wurde festgestellt,
dass bei 10% Al-Dicke ein minimaler Ausbreitungsverlust von etwa
0,01 dB/Λ erzielt
wird. Ferner besteht ein Bedarf an Substratschnitten mit optimiertem
Ausbreitungsverlust bei Verwendung von Au als Primärkomponente
des Elektrodenmaterials bei einer Elektrodendicke im Bereich von
1,5% Λ bis
2,5% Λ und
bei Cu als Primärkomponente
des Elektrodenmaterials, wenn die Elektrodendicke im Bereich von 3% Λ bis 6% Λ liegt.
Eine
Vielzahl spezifizierter Werte elektrischer Parameter in HF-Filtern
für unterschiedliche Anwendungszwecke
erfordert piezoelektrische Substrate mit unterschiedlichen Werten
der LSAW-Kenngrößen, insbesondere
unterschiedliche elektromechanische Koppelkoeffizienten. Das Erfordernis
eines niedrigen Einfügungsverlustes
und hoher Betriebsfrequenzen beschränkt die Substratschnitte, die üblicherweise
in HF-Filtern verwendet werden, auf μ'-gedrehte YX-Schnitte von LiNbO3 und μ'-gedrehte YX-Schnitte
von LiTaO3 mit einem entsprechend der erforderlichen
Dicke der Elektroden gewählten
Rotations- oder Drehwinkel μ'. Andererseits kann
wegen der nicht symmetrischen Orientierungen von LiTaO3,
definiert durch die Euler-Winkel (λ, μ, θ) (mit λ und θ ungleich null) eine Vielzahl
von Substratschnitten mit verhältnismäßig niedrigem
Ausbreitungsverlust bereitgestellt werden. Beispielsweise wurde
für um
36° bis
zu 42° gedrehte
Y-Schnitte von LiTaO3 gezeigt (US-PS 6 037
847), dass schwach gedämpfte
Streuwellen von Quasi-Massennatur sich kontinuierlich im kristallographischen
Raum mit steigender Elektrodendicke bewegen und nicht verschwinden.
Die
vorliegende Erfindung zeigt, dass ein solches Verhalten auch typisch
ist für
nicht symmetrische Orientierungen, bei denen die schnelle, die Oberfläche streifende
Massenwelle (SSBW) die mechanische Grenzbedingung an einer freien
Fläche
erfüllt. Überdies
bilden nicht symmetrische Orientierungen mit optimiertem Ausbreitungsverlust
eine kontinuierliche Linie im kristallographischen Raum, und diese
Linie kreuzt einen Symmetriepunkt (0, μ, 0). Daher kann durch Anordnen
dieser Linie eine Einstellung der Ausbreitungsrichtung mit gelegentlicher
Abweichung einer Kristallschnittebene von einer symmetrischen Orientierung
erzielt werden, um einen niedrigen Ausbreitungsverlust zu erhalten.
Vor
diesem Hintergrund ist es daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein piezoelektrisches Substrat mit optimaler Orientierung für die Anwendung
in hochfrequenten (HF) SAW-Bauelementen anzugeben, das die bekannten
Nachteile bekannter Substratorientierungen vermeidet.
Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein resonatorartige
Elemente enthaltendes SAW-Bauelement mit verbesserter Performance unter
Verwendung von Orientierungen von LiTaO3 bei gleichzeitig
optimiertem Ausbreitungsverlust bei Resonanz- und Antiresonanzfrequenz
bei in einem weiten Bereich von 1% Λ bis 15% Λ, mit Λ gleich akustische Wellenlänge, zu
schaffen.
Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vielzahl
elektrischer Parameter in SAW-Bauelemeten für HF-Anwendungen unter Verwendung
nicht-symmetrischer Orientierungen, die durch die Euler-Winkel (λ, μ, θ) (mit λ und θ ungleich Null)
vorzusehen, mit einem Ausbreitungsverlust von weniger als 0,01 dB/Λ und einem
elektromechanischen Kopplungsfaktor größer als 0,07, wobei die Elektrodendicke
des Musters größer als
1% Λ und kleiner
als 15% Λ sein
soll.
Die
Aufgaben werden durch die Oberflächenwellen-Bauelemente
der Ansprüche
1 und 3, sowie das Oberflächenleckwellen-Substrat
nach Anspruch 8 gelöst.
Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist es, die
Ausbreitungsrichtung mit gelegentlicher Abweichung einer Kristallschnittebene
von einer gewünschten
symmetrischen Orientierung (0, μ,
0) zu erzielen, um einen niedrigen Ausbreitungsverlust zu erhalten.
Dies wird erreicht durch Auffinden einer Beziehung zwischen den
Euler-Winkeln λ und θ, die Orientierungen
(λ, μ, θ) mit optimiertem
Ausbreitungsverlust beschreibt, wobei der Winkel λ zwischen –4° und 4° variabel
und der Winkel μ fest
ist.
Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist es, ein
SAW-Bauelement anzugeben
mit einem piezoelektrischen Substrat eines LiTaO3-Einkristalls
mit einem auf einer Oberfläche des
piezoelektrischen Substrats angeordneten Elektrodenmuster, das einen
Resonator darstellt, wobei die Dicke des Elektrodenmusters im Bereich
von 1% bis 15% Λ liegen
soll, mit Al als Primärkomponente des
Elektrodenmaterials, und wobei das piezoelektrische Substrat eine
durch die Euler-Winkel (λ, μ, θ) definierte
Orientierung haben soll, mit dem Winkle λ im Bereich von –4° bis +4°, dem Winkel μ im Bereich von –52° bis –36° und dem
Winkel θ im
Bereich von (–1,365·λ – 4)° bis (–1,365·λ + 4)°, wobei entweder der
Winkel λ oder
der Winkel θ ungleich
Null sein soll.
Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist es, ein
SAW-Bauelement anzugeben
mit einem piezoelektrischen Substrat eines LiTaO3-Einkristalls
mit einem auf einer Oberfläche des
piezoelektrischen Substrats angeordneten Elektrodenmuster, das einen
Resonator darstellt, wobei die Dicke des Elektrodenmusters im Bereich
von 1% bis 2,5% Λ liegen
soll, mit Au als Primärkomponente des
Elektrodenmaterials, und wobei das piezoelektrische Substrat eine
durch die Euler-Winkel (λ, μ, θ) definierte
Orientierung haben soll, mit dem Winkel λ im Bereich von –4° bis +4°, dem Winkel μ im Bereich von –52° bis –36° und dem
Winkel θ im
Bereich von (–1,365·λ – 4)° bis (–1,365·λ + 4)°, wobei entweder der
Winkel λ oder
der Winkel θ ungleich
Null sein soll.
Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist es, ein
SAW-Bauelement anzugeben
mit einem piezoelektrischen Substrat eines LiTaO3-Einkristalls
mit einem auf einer Oberfläche des
piezoelektrischen Substrats angeordneten Elektrodenmuster, das einen
Resonator darstellt, wobei die Dicke des Elektrodenmusters im Bereich
von 1% bis 6% Λ liegen
soll, mit Cu als Primärkomponente des
Elektrodenmaterials, und wobei das piezoelektrische Substrat eine
durch die Euler-Winkel (λ, μ, θ) definierte
Orientierung haben soll, mit dem Winkel λ im Bereich von –4° bis +4°, dem Winkel μ im Bereich von –52° bis –36° und dem
Winkel θ im
Bereich von (–1,365·λ – 4)° bis (–1,365·λ + 4)°, wobei entweder der
Winkel λ oder
der Winkel θ ungleich
Null sein soll.
Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist es, ein
SAW-Bauelement anzugeben
mit einem piezoelektrischen Substrat eines LiTaO3-Einkristalls
mit einem auf einer Oberfläche des
piezoelektrischen Substrats angeordneten Elektrodenmuster, das einen
Resonator darstellt, wobei die Dicke des Elektrodenmusters im Bereich
von 5% bis 15% Λ liegen
soll, mit Al als Primärkomponente des
Elektrodenmaterials, und wobei das piezoelektrische Substrat eine
durch die Euler-Winkel (0, μ,
0) definierte Orientierung haben soll, mit dem Winkel μ im Bereich
von –44° bis –36°.
Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist es, ein
SAW-Bauelement anzugeben
mit einem piezoelektrischen Substrat eines LiTaO3-Einkristalls
mit einem auf einer Oberfläche des
piezoelektrischen Substrats angeordneten Elektrodenmuster, das einen
Resonator darstellt, wobei die Dicke des Elektrodenmusters im Bereich
von 1,5% bis 2,5% Λ liegen
soll, mit Au als Primärkomponente
des Elektrodenmaterials, und wobei das piezoelektrische Substrat
eine durch die Euler-Winkel (0, μ,
0) definierte Orientierung haben soll, mit dem Winkel μ im Bereich
von –44° bis –36°.
Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist es, ein
SAW-Bauelement anzugeben
mit einem piezoelektrischen Substrat eines LiTaO3-Einkristalls
mit einem auf einer Oberfläche des
piezoelektrischen Substrats angeordneten Elektrodenmuster, das einen
Resonator darstellt, wobei die Dicke des Elektrodenmusters im Bereich
von 3% bis 6% Λ liegen
soll, mit Cu als Primärkomponente des
Elektrodenmaterials, und wobei das piezoelektrische Substrat eine
durch die Euler-Winkel (0, μ,
0) definierte Orientierung haben soll, mit dem Winkel μ im Bereich
von –44° bis –36°.
1 zeigt
eine schematische Darstellung eines Leiter- oder Abzweigfilters
als Beispiel eines Filters, bei dem die Ausbreitungsverluste sowohl
bei Resonanz- als auch bei Antiresonanzfrequenz minimiert werden
müssen,
2 zeigt
im Diagramm die Ausbreitungsverluste bei Resonanz- und Antiresonanzfrequenz für LSAW auf
einem um 42° gedrehten
YX-Schnitt von LiTaO3 als Funktion der Al-Elektrodendicke,
normalisiert auf die Wellenlänge,
3 zeigt
im Diagramm die Auswirkung eines erhöhten Ausbreitungsverlustes
bei Resonanz- oder Antiresonanzfrequenz auf die Performance eines
SAW-Abzweigfilters,
4 zeigt
schematisch die Orientierung einer Kristallebene und die Ausbreitungsrichtung
in dieser Ebene unter Verwendung der Euler-Winkel mit Bezug auf
die ursprünglichen
Kristallachsen X, Y, Z,
5 zeigt
ein Kontur- oder Profildiagramm des Ausbreitungsverlusts bei Resonanzfrequenz
als Funktion des Schnittwinkels μ' und einer normalisierten
Elektrodendicke für
ein Muster mit Al-Elektroden auf einem μ'-gedrehten YX-Schnitt von LiTaO3,
6 zeigt
ein Kontur- oder Profildiagramm des Ausbreitungsverlusts bei Antiresonanzfrequenz als
Funktion des Schnittwinkels μ' und einer normalisierten
Elektrodendicke für
ein Muster mit Al-Elektroden auf einem μ'-gedrehten YX-Schnitt von LiTaO3,
7 zeigt
ein Kontur- oder Profildiagramm des mittleren Ausbreitungsverlusts
als Funktion des Schnittwinkels μ' und einer normalisierten
Elektrodendicke für
ein Muster mit Al-Elektroden auf einem μ'-gedrehten YX-Schnitt von LiTaO3,
8 zeigt
im Diagramm den Ausbreitungsverlust bei Resonanz- und Antiresonanzfrequenz
für 36°YX-, 42°YX- und 48°YX-Schnitte
von LiTaO3 mit Al-Elektroden als Funktion
der normalisierten Elektrodendicke, wobei der mittlere Ausbreitungsverlust minimiert
ist bei h/Λ ≈ 0,05 für den 42°-YX-Schnitt und
bei h/Λ ≈ 0,1 für den 48°-YX-Schnitt,
9 zeigt
im Diagramm den elektromechanischen Koppelkoeffizienten für den 36°-YX-, den 42°-YX und den
48°-YX-Schnitt
von LiTaO3 mit Mustern aus Al-Elektroden
in Abhängigkeit
von der normalisierten Elektrodendicke,
10 zeigt
im Diagramm die Beziehung zwischen der optimalen normalisierten
Elektrodendicke und dem Schnittwinkel μ' für
um μ' gedrehte YX-Schnitte
von LiTaO3 mit Al, Cu und Au als Primärkomponenten
des Elektrodenmaterials,
11 zeigt
im Diagramm die mittleren Ausbreitungsverluste entsprechend der
optimierten Dicke gegen die in 10 gezeigten
Drehwinkel-Abhängigkeiten
für um μ' gedrehte YX-Schnitte
von LiTaO3 mit Al, Cu und Au als Primärkomponenten
des Elektrodenmaterials,
12 zeigt
im Diagramm den mittleren Ausbreitungsverlust entsprechend der optimierten Dicke
in Abhängigkeit
von den Drehwinkel-Abhängigkeiten
der 10 für
um μ' gedrehte YX-Schnitte
von LiTaO3 mit Al, Cu bzw. Au als Primärkomponente
des Elektrodenmaterials,
13 zeigt
im Diagramm den SAW-Filter-Frequenzgang von drei Filtern, die gemäß 1 auf
Substraten von 36°-YX-,
42°-YX-
und 48°-YX-Schnitten
von LiTaO3 aufgebaut sind,
14 zeigt
einen vergrößerten Teil
des Diagramms der 13 mit dem Filter-Durchlassbereich,
15 zeigt
ein Kontur- oder Profildiagramm des Ausbreitungsverlusts bei Resonanzfrequenz
in Abhängigkeit
von den Winkeln λ und θ für ein Muster
aus Al-Elektroden mit einer Dicke von 10% Λ auf LiTaO3-Substraten
definiert durch die Euler-Winkel (λ, –42°, θ), mit einer Linie optimaler nicht-symmetrischer
Orientierungen θ = –1,365λ,
16 zeigt
ein Kontur- oder Profildiagramm des Ausbreitungsverlusts bei Antiresonanzfrequenz
in Abhängigkeit
von den Winkeln λ und θ für ein Muster
aus Al-Elektroden mit einer Dicke von 10% Λ auf LiTaO3-Substraten
definiert durch die Euler-Winkel (λ, –42°, θ), mit einer Linie optimaler nicht-symmetrischer
Orientierungen θ = –1,365λ,
17 zeigt
ein Kontur- oder Profildiagramm des elektromechanischem Koppelkoeffizienten
in Abhängigkeit
von Winkeln λ und θ für ein Muster
aus Al-Elektroden mit einer Dicke von 10% Λ auf LiTaO3-Substraten
definiert durch die Euler-Winkel (λ, –42°, θ), mit einer Linie optimaler
nicht-symmetrischer Orientierungen θ = –1,365λ,
18 zeigt
das Profildiagramm des Kraftflusswinkels in Abhängigkeit von den Winkeln λ und θ für ein Muster
von Al-Elektroden mit einer Dicke von 10% Λ auf durch die Euler-Winkel
(λ, –42°, θ) definierten
LiTaO3-Substraten,
19 zeigt
im Diagramm die Euler-Winkel λ, μ, θ mit der
Darstellung einer resultierenden Ebene von Euler-Winkeln zur Erzielung
einer gewünschten Oberfläche zum
Optimieren der Performance eines SAW-Bauelements,
20 zeigt
im Diagramm die mittleren Ausbreitungsverluste in durch die Euler-Winkel (λ, –42°, –1,365·λ) definierten
Orientierungen für
drei Muster mit Al-Elektroden mit einer Dicke von 10% Λ, mit Cu-Elektroden
mit einer Dicke von 4% Λ und
mit Au-Elektroden mit einer Dicke von 1,8% Λ,
21 zeigt
im Diagramm elektromechanische Kopplungskoeffizienten in durch die
Euler-Winkel (λ, –42°, –1,365·λ) definierten
Orientierungen für drei
Muster mit Al- Elektroden
mit einer Dicke von 10% Λ,
mit Cu-Elektroden mit einer Dicke 4% Λ und mit Au-Elektroden mit einer Dicke von 1,8% Λ,
22 zeigt
im Diagramm Kraftflusswinkel von LSAW in durch die Euler-Winkel
(λ, –42°, –1,365·λ) definierten
Orientierungen für
drei Muster mit Al-Elektroden mit einer Dicke von 10% Λ, mit Cu-Elektroden
mit einer Dicke von 4% Λ und
mit Au-Elektroden mit einer Dicke von 1,8% Λ.
Vor
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung sei zunächst
eine Orientierungsprozedur beschrieben, um einen Substratschnitt
und die Ausbreitungsrichtung der LSAW innerhalb dieses Schnittes
anhand der spezifizierten Euler-Winkel
(λ, μ, θ) zu definieren. Hierzu
wird auf 4 Bezug genommen. Ausgehend von
den Anfangskoordinatenachsen X, Y, Z längs der Kristallachsen eines
LiTaO3-Substrats 10 wird nach der
Eulerschen Winkelkonvention zunächst
durch Drehung von der positiven X-Achse zur positiven Y-Achse um
den Winkel λ eine
Hilfsachse X' (positive Richtung)
gewonnen. Die äußere Normale
Z' zum Substratschnitt 12 wird
dann gefunden durch Drehung um die Hilfsachse X' von der positiven Z-Achse um den Winkel μ im Gegenuhrzeigersinn,
gesehen von der positiven X'-Achse.
Schließlich
wird die Richtung der Oberflächen-Wellenausbreitung
X'' ermittelt durch
Drehung aus der positiven X'-Achse
um die Z-Achse um den Winkel θ im
Gegenuhrzeigersinn, gesehen von der positiven Z'-Achse.
Wie
bekannt, können
die hier beschriebenen Euler-Winkel abwechselnd positive und negative Werte
haben. Dementsprechend können
die um Winkel λ, μ oder θ beschriebenen
Drehungen auch mit abwechselnd positiven oder negativen Vorzeichen versehen
werden, um Drehungen in der Gegenrichtung anzuzeigen, um zum bevorzugten
Oberflächenschnitt
zu kommen und einen gewünschten
Ausbreitungsverlust, wie hier beschrieben, zu erreichen.
Die
Performance eines SAW-Filters mit einem piezoelektrischen Substrat
mit Elektrodenmustern, die zur Erzeugung und Erfassung von Oberflächenwellen
verwendet werden oder Resonatoren bilden, wird durch den Ausbreitungsverlust
im Substrat beeinträchtigt.
Zwar tragen verschiedene Mechanismen zum Ausbreitungsverlust bei.
Im Folgenden wird auf Ausbreitungsverluste in Folge der Natur der
Leckwellen Bezug genommen, d.h. durch Strahlung von Massenwellen
in die Masse eines Substrats. Für
einen bestimmten Substratschnitt und eine bestimmte Ausbreitungsrichtung
hängt dieser
Ausbreitungsverlust von den Einzelheiten der Filterstruktur ab,
z.B. dem Metallisierungsverhältnis
und der auf die Wellenlänge
h/Λ normalisierten
Elektrodendicke. Es wurden Untersuchungen durchgeführt in der
Annahme, dass die Elektrodenmuster Al, Cu oder Au als Primärkomponente
enthalten, mit einem Metallisierungsverhältnis a/p = 0,5 und einem weiten
Bereich normalisierter Elektrodendicken von 1% Λ bis 15% Λ. Wie oben erläutert, wurde
die gleichzeitige Minimierung des Ausbreitungsverlusts bei Resonanz-
und Antiresonanzfrequenz als Kriterium für die Optimierung benutzt.
Mit
dem ersten und dritten Euler-Winkel gleich Null wurde der Ausbreitungsverlust
berechnet in Abhängigkeit
von der Elektrodendicke und des Drehwinkels μ' für μ'-gedrehte YX-Schnitte
von LiTaO3 [Euler-Winkel (0°, μ' + 90°, 0°)] mit Al
als Primärkomponente
des Elektrodenmaterials. 5 und 6 zeigen
als Profildiagramme den jeweiligen Ausbreitungsverlust bei Resonanzfrequenz
fr und bei Antiresonanzfrequenz fa. In jedem Diagramm ist eine (gestrichelt
dargestellte) Minimalverlustlinie erkennbar, die in Abhängigkeit
von der normalisierten Dicke h/Λ den
Schnittwinkel μ' anzeigt, bei dem
der Verlust minimal ist. In den 5 und 6 liegen
die gestrichelten Linien zwar nahe beieinander, zeigen aber durchaus
unterschiedliche Werte. 7 zeigt den mittleren Ausbreitungsverlust,
geschätzt
etwa als (fr + fa)/2. Die (gestrichelte) Linie des Minimalverlusts bestimmt
die optimale Elektrodendicke in Abhängigkeit vom Schnittwinkel
für SAW-Bauelemente
mit Elementen des Resonanztyps mit Al als Elektrodenmaterial.
Eine
aus 7 für
eine Elektrodendicke von 10% Λ bestimmte
optimale Orientierung von LiTaO3 ist ein
um 48° gedrehter
YX-Schnitt [Euler-Winkel (0°, –42°, 0°)], während ein
um 42° gedrehter-Schnitt
[Euler-Winkel (0°, –48°, 0°)] optimal
ist für
eine Al-Elektroden-Dicke
von 5% Λ. 8 zeigt
die Ausbreitungsverluste bei Resonanz- und Antiresonanzfrequenz
in drei LiTaO3 Orientierungen, nämlich 36°-YX-, 42°-YX- und
48°-YX-Schnitten
in Abhängigkeit
von der Elektrodendicke. Jeder Ausbreitungsverlust in Abhängigkeit
von der normalisierten Dicke hat ein Minimum mit einem Verlustwert
von annähernd Null.
Für den
42°-YX-Schnitt
liegt das Minimum des Ausbreitungsverlusts bei Resonanzfrequenz
bei etwa 7% Λ und
bei Antiresonanzfrequenz bei etwa 4% Λ. Der mittlere Ausbreitungsverlust
ist demgemäß bei etwa
5% Λ minimal.
Für den
48°-YX-Schnitt liegen
die Minima des Ausbreitungsverlusts bei Resonanz- und Antiresonanzfrequenz
bei 12% Λ bzw. 8% Λ; der mittlere
Ausbreitungsverlust ist minimal bei 10% Λ.
9 zeigt
die simulierten elektromechanischen Koppelkoeffizienten k2 für
den 36°-YX-, 42°-YX- und
48°-YX-Schnitt
in Abhängigkeit
von der Elektrodendicke. Alle Verläufe haben ein Maximum bei etwa
10% Λ. Steigt μ' von 36° auf 48°, so wird
die piezoelektrische Kopplung allgemein verringert. Wird aber die
Elektrodendicke gegenüber
dem Schnittwinkel μ' optimiert, um einen
minimalen mittleren Ausbreitungsverlust zu erreichen, dann tritt
die maximale piezoelektrische Kopplung, k2 =
0,082, bei μ' = 48° und h/Λ = 10% auf
(10 bis 12). 10 zeigt das
optimale Verhältnis
zwischen der Elektrodendicke und dem Schnittwinkel für SAW-Bauelemente
mit Al, Cu oder Au als Primärkomponente
des Elektrodenmaterials. 11 und 12 zeigen
den elektromechnanischen Kopplungskoeffizienten bzw. den Ausbreitungsverlust
Lr = La in Abhängigkeit
vom Schnittwinkel mit gemäß 10 optimierter
Dicke. Bei Al als Elektrodenmaterial ergibt sich die maximale Kopplung
k2 = 0,083 bei μ' ≈ 46,5° und einer
Dicke von etwa 9% Λ;
der Ausbreitungsverlust beträgt 0,0025
dB/Λ. Bei
Au als Elektrodenmaterial ergibt sich die maximale Kopplung k2 = 0,086 bei μ' ≈ 47° mit optimierter
Dicke von etwa 1,6% Λ,
und für
Cu als Elektrodenmaterial tritt die maximale Kopplung k2 = 0,086
auf bei μ' ≈ 47° bei optimierter Dicke von etwa 3,6% Λ.
Nach 10 bis 12 ist
bei einem Gitter mit einer Elektrodendicke von 8% Λ bis 13% Λ, wenn der
erste und dritte Euler-Winkel (λ und θ) auf (nominell)
Null festgelegt sind, der optimale Drehwinkel μ' größer als
46° und
kleiner als 54°.
Für den
selben Fall mit Au als Primärkomponente
des Elektrodenmaterials ist der optimale Drehwinkel μ' größer als
46° und kleiner
als 54°,
wenn sich die Elektrodendicke innerhalb des Bereichs von 1,5% Λ und 2,5% Λ ändert; bei Cu
als Primärkomponente
des Elektrodenmaterials ist der optimale Drehwinkel μ' größer als
46° und
kleiner als 54°,
wenn sich die Elektrodendicke innerhalb des Bereichs von 3% Λ bis 6% Λ ändert. Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung hat den Wert von μ' nominell gleich
48° oder
Euler-Winkeln (0°, –42°, 0°).
13 zeigt
einen Vergleich des simulierten Frequenzganges von drei Abzweigfiltern
mit dem Aufbau der 1, die auf einer Oberfläche von 36°-YX-, 42°-YX- oder
48°-YX-Schnitten von LiTaO3 liegen; 14 zeigt
eine vergrößerte Darstellung
der Bandbreite. Dabei haben die Elektrodenmuster mit einer Dicke
von 10% Λ Al
als Primärkomponente.
Der 48°-YX-Schnitt liefert
einen niedrigeren Einfügungsverlust
und einen besseren Formfaktor, verglichen mit dem 36°-YX- und
dem 42°-YX-Schnitt,
infolge eines optimierten mittleren Ausbreitungsverlusts in einem
Durchlassbereich.
Wie
oben erläutert,
führt eine
Abweichung der Kristallorientierung vom symmetrischen Schnitt (0°, μ, 0°) nicht notwendigerweise
zu einer merklichen Erhöhung
des Ausbreitungsverlusts, vorausgesetzt, dass die Abweichung der
Substratebene durch eine richtige Drehung der Ausbreitungsrichtung
innerhalb dieser Ebene folgt. Daher resultierte eine allgemeinere
Untersuchung auch hinsichtlich nicht-symmetrischer Schnitte in der
Feststellung eines breiteren Bereichs von Orientierungen mit wünschenswerten
Ausbreitungswerten und einem Kraftflusswinkel ungleich Null, jedoch
verhältnismäßig klein
und somit bei der Auslegung des Bauelements beherrschbar. Bei festem
Euler-Winkel μ innerhalb des
Bereichs von –52° bis –36° erstreckte
sich die Untersuchung über
einen Bereich der Winkel λ und θ von –5° bis 5°. Für jeden
analysierten Winkel μ wurde die
Elektrodendicke entsprechend der in 10 gezeigten
Beziehung auf den Optimalwert gesetzt.
Als
Beispiel werden im Folgenden Orientierungen mit Euler-Winkeln (λ, –42°, θ), (μ' = 48°) diskutiert.
Al dient als Elektrodenmaterial, bei optimierter Elektrodendicke
von 10% Λ.
Profildiagramme des Ausbreitungsverlusts bei Resonanz- und bei Anti-Resonanzfrequenz,
des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten und des Kraftflusswinkels (15, 16, 17 bzw. 18)
zeigen die LSAW-Kennwerte in Abhängigkeit
von den Winkeln λ und θ. Die (gestrichelten)
Linien des minimalen Ausbreitungsverlusts in den 15 und 16 stimmen fast überein und
können
durch die Beziehung λ und θ = –1,365·λ beschrieben
werden. Bei jeder durch diese Beziehung beschriebenen Orientierung
mit λ größer als –4° und kleiner
als +4° übersteigen
die Ausbreitungsverluste bei Resonanz- und bei Anti-Resonanzfrequenz
nicht 0,003 dB/Λ und
k2 ist größer als 8%. Diese Werte liegen
nahe an denen einer symmetrischen Orientierung (0°, –42°, 0°), d.h. beim 48°-YX-Schnitt.
Der Absolutwert des Kraftflusswinkels steigt mit steigendem λ, übersteigt
jedoch nicht 5°,
wenn –4° < λ < 4°.
Im
Gegensatz zum Stand der Technik zeigt die hier anhand von Beispielen
beschriebene Erfindung akzeptable Werte der Euler-Winkel λ, μ, θ, die in
eine Ebene 14, wie beispielsweise in 19 gezeigt,
fallen und nicht eine Gruppe von Euler-Winkeln, die auf eine Linie 16 beschränkt werden
müssen,
wie in den Ueda-Patenten '847
und '869 beschrieben.
Eine
weitere Analyse zeigt, dass die Beziehung θ = –1,365·λ angemessen nicht-symmetrische Linien θ (λ) für jedes
feste μ im
Intervall von –52° bis –36° beschreibt,
wenn die Elektrodendicke für
jedes μ optimal
eingestellt wird (10), so dass sich ein minimaler
mittlerer Ausbreitungsverlust ergibt. Die gleiche Beziehung kann
auf nicht-symmetrische Linien optimaler Orientierungen (λ, μ, θ) angewendet werden,
bei festem μ im
Intervall von –52° bis –36°, wenn Au
oder Cu eine Primärkomponente
des Elektrodenmaterials ist. Dies ist durch die 20, 21 und 22 illustriert,
die den mittleren Ausbreitungsverlust, den elektromechanischen Kopplungskoeffizienten
und den Kraftflusswinkel in Abhängigkeit
vom Winkel λ zeigen
für LiTaO3-Orientierungen (λ, –42°, –1,365·λ) mit Mustern von Al-Elektroden
mit einer Dicke von 10% Λ,
Cu-Elektroden mit einer Dicke von 4% Λ bzw. Au-Elektroden mit einer
Dicke von 1,8% Λ. In
allen drei Fällen ändern sich
die LSAW-Kennwerte mit λ sehr
langsam, so dass der mittlere Ausbreitungsverlust 0,004 dB/Λ nicht überschreitet,
k2 größer ist
als 8%, wenn –4° < λ < 4°, und der
Absolutwert des Kraftflusswinkels kleiner ist als 5°.
Für den Fall,
dass der erste und der dritte Euler-Winkel ungleich Null sind, wird
der erste Euler-Winkel λ auf
ungleich Null und kleiner als 4° absolut
eingestellt. Der Nominalwert für λ ist λ = +2°. Der zweite
Euler-Winkel μ kann
innerhalb eines ziemlich weiten Bereichs so gewählt werden, dass μ größer als –52° und kleiner
als –36° ist. Eine
bevorzugte Ausführungsform
dieser zweiten Erfindung begrenzt den zweiten Euler-Winkel so, dass μ größer ist
als –44° und kleiner
als –36°. Der dritte
Euler-Winkel θ hat
zum ersten Euler-Winkel
eine feste Beziehung, nämlich θ = –1,365·λ. Der Nominalwert
für θ ist somit bei
der bevorzugten Ausführungsform θ = –2,73°.