DE3320567C2 - SAW-Bauelement - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein SAW-Bauelement, wel­ ches akustische Oberflächenwellen ausbildet.

Ein hauptsächlich aus einem aus einkristallinem piezo­ elektrischen Material gebildeten piezoelektrischen Sub­ strat, einem piezoelektrischen Keramikmaterial oder einer Kombination aus einer nichtpiezoelektrischen Platte und einem darauf aufgebrachten piezoelektrischen Film beste­ hendes SAW-Bauelement ist dazu eingerichtet, ein elektri­ sches Signal mittels eines auf dem piezoelektrischen Sub­ strat vorgesehenen Wandlers in eine akustische Oberflä­ chenwelle umzuwandeln und diese entlang der Oberfläche des Substrats laufen zu lassen. Derartige Bauelemente werden gegenwärtig als Filter oder andere verschiedene elektronische Bauteile verwendet.

Anhand der Fig. 1 bis 4 werden nachstehend zunächst konventionelle SAW-Bauteile diskutiert, um das der vor­ liegenden Erfindung zugrundeliegende Problem deutlicher zu machen.

Das in Fig. 1 gezeigte SAW-Bauelement ist ein Filter und umfaßt ein piezoelektrisches Substrat 1, auf dem ein Ein­ gangswandler 2 aus zwei ineinandergreifenden, kammförmi­ gen Elektroden 2A und 2B sowie ein Ausgangswandler 3 aus zwei ineinandergreifenden, kammförmigen Elektroden 3A und 3B vorgesehen sind. Ein dem Eingangswandler 2 zugeführtes elektrisches Signal wird mittels des Eingangswandlers 2 in eine akustische Oberflächenwelle umgewandelt, die sich entlang der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats 1 ausbreitet, wie es in Fig. 1 durch einen Pfeil darge­ stellt ist. Wenn die akustische Oberflächenwelle den Aus­ gangswandler 3 erreicht, wird sie durch den Wandler 3 in ein elektrisches Signal zurückgewandelt, das am Ausgang des Wandlers 3 abgreifbar ist. Die Wandler 2 und 3 sind sogenannte normierte Elektrodentypen, bei denen jede Elektrodenfingerbreite W und jeder seitliche Abstand L zwischen benachbarten Elektrodenfingern der Elektroden 2A, 2B, 3A und 3B gleich λ/4 ist, wobei λ die mit der Mittenfrequenz f₀ der akustischen Oberflächenwelle korre­ spondierende Wellenlänge ist.

Eine Elektrodenstruktur, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, ist beispielsweise in der Publikation "MATTHEWS Herbert, Surface Wave Filters, John Wiley & Sons, 1977, Seiten 276 bis 278, Seite 353" angegeben.

Ein Filter, dessen Wandler die in Fig. 1 gezeigten Elek­ troden mit den obengenannten Abmessungen aufweist, ist nicht frei von Mehrfachreflexionen, d. h., vom sogenann­ ten Dreifachdurchgangsecho (Triple Transit Echo) TTE der akustischen Oberflächenwelle zwischen dem Eingangswandler und dem Ausgangswandler, wobei die Welle nach dem Durch­ gang durch das Filter in seiner Phase gestört ist, was sich in Form einer signalverzerrenden Welligkeit äußert. Ein derartiger Effekt ist beispielsweise beim Empfang von FM-Signalen unerwünscht.

Es gibt zwei Faktoren, die die TTE-Störung hervorrufen. Einer der Faktoren ist die mechanische Reflexion der akustischen Oberflächenwelle aufgrund des Unterschiedes zwischen der akustischen Impedanz in dem Bereich, in dem die kammförmigen Elektroden angeordnet sind, und der aku­ stischen Impedanz in dem elektrodenfreien Bereich. Der andere Faktor ist die elektrische Reflexion aufgrund der Bidirektionaleigenschaft der Wandler, d. h. aufgrund der Eigenschaft, daß die Wandler akustische Oberflächenwellen symmetrisch rechts und links übertragen oder empfangen können. Was die elektrische Reflexion anbetrifft, so kann ihr Einfluß dadurch reduziert werden, daß bewußt eine Fehlanpassung am Eingang und am Ausgang der Wandler vor­ genommen wird oder daß die Wandler durch ein Mehrphasen- Energieversorgungsverfahren dazu veranlaßt werden, unidi­ rektional zu wirken. Was jedoch die mechanischen Refle­ xionen anbetrifft, konnten ungeachtet der verschiedenen, nachstehend genannten Versuche keine zufriedenstellenden Ergebnisse erzielt werden.

Ein Versuch bestand darin, die kammförmigen Elektroden 2A, 2B, 3A und 3B des Eingangswandlers 2 und des Aus­ gangswandlers 3 durch Unterteilung jedes Elektrodenfin­ gers in zwei Teile so auszulegen, daß die Breite W jedes aus der Teilung resultierenden Elektrodenfingers und der seitliche Abstand L zwischen den Elektrodenfingern je­ weils gleich λ/8 ist, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Eine derartige Elektrodenkonfiguration ist ebenfalls in der bereits genannten Publikation "MATTHEWS Herbert, Sur­ face Wave Filters, John Wiley & Sons, 1977, Seiten 276 bis 278, Seite 353" beschrieben.

Da sich bei einer derartigen Elektrodenkonfiguration die Phasen der reflektierten Wellen an den jeweiligen Elek­ trodenenden um 180° voneinander unterscheiden, d. h., daß die reflektierten Wellen entgegengesetzte Phasen haben, heben sich die reflektierten Wellen bei der gezeigten Konstruktion gegenseitig auf, wodurch gewisse uner­ wünschte Einflüsse der mechanischen Reflexion vermindert werden.

Die Elektrodenfingerbreite W und der Abstand L zwischen den Elektrodenfingern muß jedoch gleich λ/8 sein, wobei λ bei hohen Frequenzen entsprechend klein ist. Es ist daher eine extrem hohe Präzision bei der photolitographischen Präparation der Elektroden erforderlich, was zu einer vergleichsweise niedrigen Produktivitätsrate bei der Her­ stellung der Bauelemente führt.

Da ferner der Abstand zwischen den Elektrodenfingern extrem klein ist, treten leicht Kurzschlüsse zwischen den Elektroden aufgrund von Staub oder anderen Teilchen auf, mit der Folge, daß das Bauelement nicht in der gewünsch­ ten Weise funktioniert.

Ein anderer Versuch bestand darin, einen Aufbau des pie­ zoelektrischen Substrats gemäß Fig. 3A und Fig. 3B zu realisieren, bei dem eine Platte 4 aus einem elastischen Material mit einem piezoelektrischen Film 5 überzogen ist. Auf der Platte 4 ist eine ebenfalls von dem piezo­ elektrischen Film 5 überzogene Flächenelektrode 6 vorge­ sehen, die die Funktion einer der genannten kammförmigen Elektroden hat. Über der Flächenelektrode 6 sind auf dem piezoelektrischen Film 5 Elektroden 7A und 7B vorgesehen, die die Funktion der betreffenden anderen Elektroden ha­ ben. Die Breite W der Elektrodenfinger der Elektroden 7A und 7B sowie der Abstand L zwischen den jeweiligen Elek­ trodenfingern ist jeweils gleich λ/2. Eine derartige An­ ordnung entspricht einem Einphasenwandler.

Der gezeigte Aufbau der betreffenden Wandler unterschei­ det sich von einem normierten Elektrodentyp und er ent­ hält nur eine kammförmige Elektrode 7A bzw. 7B, wobei eine Signalquelle 8 zwischen der auf dem piezoelektri­ schen Film 5 angeordneten oberen Elektrode 7A und der unter dem piezoelektrischen Film 5 liegenden Flächenelek­ trode 6 angeschlossen ist, um ein elektrisches Signal bereitzustellen, das schließlich an einer Last 9 abge­ griffen werden kann, die zwischen der oberen Elektrode 7B und der Flächenelektrode 6 geschaltet ist. Eine derartige Elektrodenkonfiguration ist bezüglich des Auftretens von Kurzschlüssen durch Staub und dergleichen weniger anfäl­ lig und die Anforderungen bezüglich der Herstellungsge­ nauigkeit der Elektroden können geringer sein als in dem vorher besprochenen Fall, so daß eine entsprechend höhere Produktionsausbeute bei der Fertigung der Bauelemente erzielbar ist.

Da es der in den Fig. 3A und 3B gezeigte Aufbau jedoch unmöglich macht, das betreffende Bauelement mit einer sog. symmetrischen Energieversorgung zu betreiben, d. h., die obere Elektrode 7A mit Signalen zu versorgen, die elektrische Potentiale mit entgegengesetzten Polaritäten (positiv und negativ), bezogen auf das Potential (Masse­ potential) der Flächenelektrode 6, haben, wird die elek­ tromagnetische Kopplung (Durchführung), bei der das elek­ trische Signal nicht in eine akustische Oberflächenwelle umgewandelt wird und als Direktwelle vom Eingang zum Aus­ gang wandert, sehr groß. Das hat zur Folge, daß die di­ rekte Welle und die erforderliche akustische Oberflächen­ welle gleichzeitig vorhanden sind, was die Filterwirkung verschlechtert.

Eine weitere Verbesserung erhält man mit einem sog. Ein­ phasenwandler vom Ausgleichstyp oder symmetrischen Typ, wie er bei dem SAW-Bauelement in Fig. 4 dargestellt ist, wobei weitere Elektroden 8A und 8B als obere Elektroden über der Flächenelektrode 6 auf dem piezoelektrischen Film angeordnet sind, die den oberen Elektroden 7A und 7B mit einem Abstand a quer zur Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwellen gegenüberliegend angeordnet und mit einem "Phasenunterschied" von λ/2 in Richtung der akustischen Oberflächenwellen gegeneinander versetzt sind, um eine symmetrische Energieversorgung bei dem ge­ mäß Fig. 4 modifizierten Aufbau des in Fig. 3 gezeigten Bauelementes zu ermöglichen.

Ein solcher Aufbau erlaubt eine Verminderung der Durch­ führung, indem Signale mit einem Phasenunterschied von 180° an den oberen Elektroden 7A und 8A angelegt werden.

Da dieser Aufbau jedoch den Abstand a zwischen den je­ weils gegenüberliegenden oberen Elektroden erfordert, um Kurzschlüsse zu verhindern, kommt es aufgrund des Abstan­ des a, in dessen Bereich keine akustische Oberflächen­ welle erzeugt wird, zu Störungen der Wellenformen der akustischen Oberflächenwellen S₁ und S₂, die infolge der Anregung durch die Elektroden dieselbe Phase haben müs­ sen.

Aus der US 39 38 062 ist ein SAW-Bauelement bekannt, des­ sen Wandler aus zwei auf einem piezoelektrischen Substrat vorgesehenen, kammförmigen Elektroden bestehen. Die kamm­ förmigen Elektroden sind derart auf dem piezoelektrischen Substrat angeordnet, daß jedem Elektrodenfinger der einen Elektrode ein Elektrodenfinger der anderen Elektrode exakt in einer Flucht ausgerichtet gegenüberliegt, wobei zwischen den einander zugewandten Enden der Elektroden­ finger ein Abstand reserviert ist, wie er etwa auch in dem bereits besprochenen Beispiel nach Fig. 4 vorhanden ist. Die in der US 39 38 062 beschriebene Elektrodenkon­ figuration dient dazu, eine "Punktquelle" für akustische Oberflächenwellen zu realisieren, wenn die piezoelek­ trische Substanz aus einem Material gebildet ist, dessen piezoelektrische Matrix (d_ÿ) in dem Matrixteil, in dem die Matrixelemente Proportionalitätskonstanten zwischen den von den elektrischen Feldkomponenten erzeugten Scher­ spannungen und den elektrischen Feldkomponenten repräsen­ tieren, von Null verschiedene Diagonalelemente aufweist, wobei die Wandler bei dem SAW-Bauelement nach der US 39 38 062 längs einer kristallographischen Hauptachse ausgerichtet sind. Unter diesen Bedingungen können in dem Bereich des Abstands zwischen den einander gegenüberlie­ genden Enden der Elektrodenfinger starke Scherspannungen in dem piezoelektrischen Material erzeugt werden, um aku­ stische Oberflächenwellen anzuregen. Wie erwähnt, wirkt die Grundkonfiguration eines derartigen Wandlers als Punktquelle. Zur Erzeugung ebener akustischer Oberflä­ chenwellen ist jedoch eine Vielzahl entsprechender Elek­ trodenanordnungen erforderlich, die so angeordnet sind, daß die angeregten Oberflächenwellen eine gemeinsame Wel­ lenfront ausbilden.

Aus der US 4 124 828 ist ein als Korrelator ausgebildetes SAW-Bauelement bekannt, das ein Halbleitersubstrat, einen darauf vorgesehenen piezoelektrischen Film, eine auf der dem piezoelektrischen Film abgewandten Seite des Halblei­ tersubstrats angeordnete Masseelektrode, ein in dem pie­ zoelektrischen Film oberhalb der Masseelektrode eingebet­ tetes Netzwerk aus Schottkydioden und eine Auskopplungs­ elektrode aufweist, die auf dem piezoelektrischen Film über dem Netzwerk aus Schottkidioden vorgesehen ist. Der bekannte Korrelator weist ferner beiderseits der Auskopp­ lungselektrode je einen Eingangswandler zur Einspeisung der zu korrelierenden Signale auf. Jeder Eingangswandler umfaßt eine auf dem Halbleitersubstrat angeordnete und in dem piezoelektrischen Film eingebettete Flächenelektrode sowie zwei kammförmige Elektroden, die oberhalb der Flä­ chenelektrode auf dem piezoelektrischen Film angeordnet sind und deren Elektrodenfinger etwa in der in Fig. 1 zur vorliegenden Beschreibung gezeigten Weise interdigital ineinander eingreifen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein SAW-Bauele­ ment mit guten elektromechanischen Eigenschaften und ver­ gleichsweise geringer Störanfälligkeit anzugeben, welches mit einer vergleichsweisen hohen Produktionsausbeute her­ stellbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Kombination der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Das Halbleitersubstrat eignet sich dazu, durch entspre­ chende Dotierung auf einfache und kostensparende Weise die Flächenelektrode zu integrieren. Durch die Verwendung der Flächenelektrode in Kombination mit den Wandlerelek­ troden kann das erfindungsgemäße SAW-Bauteil mit einer sog. symmetrischen Energieversorgung betrieben werden, wobei die erste und die zweite Doppelelektrode eines Wandlers Signale mit einer Phasendifferenz von 180° er­ halten. Dies hat den Vorteil, daß die zugeführte elek­ trische Energie mit hohem Wirkungsgrad elektromechanisch in mechanische Energie der akustischen Oberflächenwellen konventiert wird und somit entsprechend gute Filtereigen­ schaften erzielbar sind.

Durch die Verwendung von kammförmigen Doppelelektroden als Wandlerelektroden wird eine Unterdrückung von uner­ wünschten mechanischen Reflexionseffekten erzielt.

Die Elektrodenanordnung ist vergleichsweise einfach her­ stellbar, wobei die Genauigkeitsanforderungen im Ver­ gleich zu bekannten Interdigitalwandlern mit Doppelelek­ troden herabgesetzt werden können. Dies hat eine Erhöhung der Produktionsausbeute zur Folge. Die Doppelelektroden­ anordnung nach der Erfindung bringt ferner den Vorteil mit sich, daß das SAW-Bauteil nach der Erfindung eine geringe Störanfälligkeit hat, da die Gefahr von Kurz­ schlüssen, etwa aufgrund von Staubpartikeln, äußerst ge­ ring ist.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungs­ beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläu­ tert.

Fig. 1, 2, 3A und 4 zeigen Draufsichten auf herkömmliche, akustische Oberflächenwellen ausbildende SAW-Bauelemente.

Fig. 3B zeigt eine Schnittansicht des herkömmlichen, in Fig. 3A dargestellten akustische Ober­ flächenwellen ausbildenden SAW-Bauelementes.

Fig. 5A zeigt eine Draufsicht auf ein Ausführungs­ beispiel des erfindungsgemäßen, akustische Oberflächenwellen ausbildenden SAW-Bauelementes.

Fig. 5B und 5C zeigen Schnittansichten längs der Linie A-A′ und B-B′ in Fig. 5A jeweils.

Fig. 6 zeigt eine vergrößerte Teilansicht der Elektrodenstreifen von Fig. 5A.

Fig. 7 zeigt eine Teilansicht einer Abwandlungsform der oberen Elektrode.

Die Fig. 5A, 5B und 5C zeigen eine Draufsicht und Schnittan­ sichten eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen, akustische Oberflächenwellen ausbildenden SAW-Bauelementes. Ein Eingangswandler 2 und ein Ausgangswandler 3 umfassen jeweils eine erste Doppelelektrode 10A oder 10B und eine zweite Doppelelektrode 11A oder 11B, die beide in derselben Ebene und einander gegenüberliegend, jedoch nicht ineinandergreifend, angeordnet sind. Die ersten Doppelelektroden 10A und 10B und die zweiten Doppelelektroden 11A und 11B liegen einer plattenförmigen unteren Flächenelektrode 6 auf einem dazwischen vorgesehenen piezoelektri­ schen Film 5 gegenüber. Alle gegenüberliegenden Enden der Elektrodenstreifen (Elektrodenfinger) der Doppelelektroden 10A, 10B, 11A und 11B sind in einer Linie zueinander ausgerichtet und jede Elektrodenstreifenbreite W und jeder Abstand zwischen den Elektrodenstreifen ist gleich λ/8 gewählt. Es ist weiter­ hin ein Lastwiderstand 9 vorgesehen. Ein symmetrischer Energieversorgungstransformator T ist für eine symmetrische Versorgung der Doppelelektroden 10A und 11A des Eingangswandlers 2 mit Signalspannungen von einer Energiequelle 8 vorgesehen.

Wenn bei einer derartigen Anordnung eine Signalspannung zwischen den oberen Elektroden (erste Doppelelektrode 10A und zweite Doppelelektrode 11A) und der unteren Elektrode 6 liegt, wie es in Fig. 5A dargestellt ist, um ein elektrisches Feld zwischen den oberen Elektroden 10A, 11A und der unteren Elektrode 6 zu bilden, werden akustische Oberflächen­ wellen S₁ und S₂, die in Längsrichtung des Wandlers parallel zueinander sind, durch die Elektroden 10A und 11A erzeugt. Da die kammförmigen Elektroden, die die Wandler bilden, Doppelelektroden sind, die mit 10A, 10B, 11A und 11B bezeichnet sind, werden unerwünschte Einflüsse der mechanischen Reflexion vermieden.

Bei dieser Anordnung werden die Vorteile des oben beschrie­ benen Einphasenwandlers, d. h. die Vermeidung eines Kurz­ schlusses und die Verbesserung der Produktivität der Her­ stellung des Bauelementes beibehalten. Da diese Anordnung das Anlegen von Signalspannungen über eine symmetrische Energieversorgung erlaubt, ist es möglich, die Durchführung zu vermindern und die Wellenformen der akutischen Ober­ flächenwellen ungestört zu halten.

Wenn die Elektrodenstreifenbreite W gleich λ/8 ist, wie es in Fig. 6 dargestellt ist, beträgt der Abstand zwischen den Mittellinien benachbarter Elektrodenstreifen E der Doppelelektroden 10 und 11 λ/4. Das gibt den Vorteil, daß Einflüsse durch eine mechanische Reflexion selbst dann vermieden werden können, wenn jede Elektrodenstreifen­ breite und jeder Abstand zwischen benachbarten Elektroden­ streifen außerhalb der Proportion 1 : 1 liegen. Ein ge­ wisses Maß an Ungenauigkeit der Fotoherstellung der Doppelelektroden ist daher zulässig. Diesen Vorteil kann ein herkömmlicher Einphasenwandler nicht bieten.

Wenn die Durchführung kein großes Problem darstellt, muß die obere Elektrode nicht vom symmetrischen Typ sein, und kann in der in Fig. 7 dargestellten Weise nur die erste Doppelelektrode oder die zweite Elektrode verwandt werden. Diese Anordnung vermeidet gleichfalls wirksam Ein­ flüsse durch die mechanische Reflexion.

Das Substrat 4 besteht aus einem halbleitenden Material, wie Silicium, Galliumarsenid (GaAs), Silicium-auf-Saphir(SOS) usw. In diesem Fall kann ein Bereich mit niedrigem Widerstand längs der innen liegenden Fläche des Substrates durch Dotieren von Verunreinigungen gebildet werden, um ihn als untere Flächenelektrode zu verwenden. Die erfindungsgemäße Ausbildung ist insbe­ sondere dann effektiv, wenn das akustische Oberflächen­ wellen ausbildende Bauelement zur Verarbeitung von hoch­ frequenten Wellen verwandt wird. Grundsätzlich eignet sich auch Saphir oder Quarz zur Bildung des elastischen Substrats.

Es ist bevorzugt, daß der piezoelektrische Film einen großen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten, eine hohe dielektrische Durchbruchsspannung und eine hohe Pro­ duktivität hat. In diesem Zusammenhang ist ZnO (Zinkoxid) oder AlN (Aluminiumnitrid) empfehlenswert.

Da gemäß der Erfindung obere Elektroden verwandt werden, die der unteren Elektrode über den piezoelektrischen Film gegenüberliegen und erste und/oder zweite Doppel­ elektroden umfassen, ist es in der aus der obigen Be­ schreibung ersichtlichen Weise möglich, die Reflexion der akustischen Oberflächenwellen aufgrund der mechanischen Reflexion zu vermindern, wodurch alle Nachteile der bekannten entsprechenden Bauelemente beseitigt sind.

Claims (5)

1. SAW-Bauelement, umfassend

• - ein Halbleitersubstrat (4),
• - eine Flächenelektrode (6) auf dem Halbleitersub­ strat (4),
• - einen die Flächenelektrode (6) überdeckenden pie­ zoelektrischen Film (5),
• - und zwei Wandler (2, 3), von denen jeder eine erste und eine zweite kammförmige Doppelelektrode (10A, 11A bzw. 10B, 11B) aufweist,
• - wobei die Doppelelektroden (10A, 11A bzw. 10B, 11B) auf dem piezoelektrischen Film (5) über der Flächenelektrode (6) in einer Ebene angeordnet sind, derart,
• - daß senkrecht zur Ausbreitungsrichtung einer aku­ stischen Oberflächenwelle (S₁ bzw. S₂) des SAW-Bau­ elementes jeder ersten Doppelelektrode (10A, 10B) eine zweite Doppelelektrode (11A, 11B) gegenüberliegt, deren Elektrodenfinger jedoch gegenüber denen der ersten Doppelelektrode (10A, 10B) in Ausbreitungs­ richtung der akustischen Oberflächenwelle versetzt sind,
• - und daß die ersten und zweiten Doppelelektroden (10A, 10B bzw. 11A, 11B) mit ihren Elektrodenfingern einander zugewandt sind und diese auf einer geraden gemeinsamen Linie liegende Enden aufweisen.

2. SAW-Bauelement nach Anspruch 1, wobei die Breite (W) jedes Elektrodenfingers der Doppelelektroden (10A, 11A, 10B, 11B) und das Maß der jeweiligen seitlichen Abstände (L) zwischen den Elektrodenfingern in Ausbreitungsrichtung der aku­ stischen Oberflächenwellen 1/8 der Wellenlänge der mittels der Doppelelektroden (10A, 11A, 10B, 11B) erzeugten akustischen Oberflächenwellen betragen.

3. SAW-Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei einer (2) der Wandler (2, 3) mit einer Si­ gnalspannungsquelle (8) über einem symmetrischen Energieversorgungstransformator verbunden ist.

4. SAW-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, wobei das Halbleitersubstrat (4) aus Silizium, Gal­ liumarsenid (GaAs) oder Silizium-auf-Saphir (SOS) gebildet ist.

5. SAW-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, wobei der piezoelektrische Film (5) aus Zink­ oxid oder Aluminiumnitrid besteht.