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Die vorliegende Erfindung betrifft eine akustische
Oberflächenwellenanordnungen mit einer piezoelektrischen
Aluminiumnitrid-Dünnschicht, die auf einem
Silizium-Einkristallsubstrat hergestellt ist.
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Akustische Oberflächenwellenanordnungen haben kleine
Abmessungen und sind hinsichtlich der Temperatur und zeitlicher
Veränderungen stabil, und man kann ihnen durch Veränderung
der Konfiguration der kammartigen Elektroden eine
gewünschte Filterkennlinie verleihen, und deshalb finden sie
zum Beispiel als ZF-Filter in Fernsehempfängern, als ZF-
Filter in Satellitenrundfunk, als Oszillatoren für
Hochfrequenzkonverter in Videorekordern usw. eine breite
Anwendung. Es wird verlangt, daß akustische
Oberflächenwellenanordnungen einen möglichst großen effektiven
elektromechanischen Kopplungskoeffizienten K² besitzen, welcher ein Maß
für die Leistungsfähigkeit der Umwandlung der elektrischen
Energie in akustische Oberflächenwellenenergie ist.
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Wir haben bereits eine akustische
Oberflächenwellenanordnung angegeben, welche eine piezoelektrische
Aluminiumnitrid-Dünnschicht mit einer verhältnismäßig großen Dicke
(zum Beispiel 20um bis 30um) enthält, die auf einem
Substrat hergestellt ist, und bei der die
Orientierungsrichtung der C-Achse der piezoelektrischen Schicht gegenüber
angegebene Anordnung kann einen höheren
Kopplungskoeffizienten ereichen, als vorher möglich war.
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Im folgenden bezeichnet die C-Achse die [001]-Achse der
piezoelektrischen Schicht, entsprechend dem üblichen
Bezeichnungssystem, wie es zum Beispiel in "Grundlagen der
physikalischen Chemie", R. Brdicka, Deutscher Verlag der
Wissenschaften, Berlin 1982, auf den Seiten 302-306
beschrieben wird.
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Wenn das Substrat, auf dem die piezoelektrische Schicht
hergestellt werden soll, ein Silizium-Einkristall ist, dann
lassen sich auf demselben Substrat auch andere
Schaltungsanordnungen aufbringen, wodurch eine elektrische Schaltung
einschließlich der akustischen Oberflächenwellenanordnung
in Form eines einzigen Chips erzeugt werden kann, was
vorteilhaft ist. Wenn die erzeugte piezoelektrische
Aluminiumnitrid-Schicht dünn ist, dann wird es weiterhin möglich,
eine akustische Oberflächenwellenanordnung mit einer
verbesserten Leistungsfähigkeit gegenüber jenen herzustellen,
bei denen die piezoelektrische Schicht kompakt ist oder
eine große Stärke besitzt.
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In dem Fall, daß die akustische Oberflächenwellenanordnung
ein Silizium-Einkristallsubstrat und eine darauf erzeugte
piezoelektrische Dünnschicht mit einer Dicke von zum
Beispiel etwa 1 bis einige Mikrometer enthält, ist jedoch der
Kopplungskoeffizient nicht nur von der Kristallstruktur,
der Stärke und anderen Eigenschaften der piezoelektrischen
Dünnschicht abhängig, sondern auch von der Kristallstruktur
usw. des Substrates, so daß die vollständige Erforschung
der Zusammenhänge hinsichtlich von Verbesserungen des
Kopplungskoeffizienten noch aussteht. In den ungeprüften
japanischen Patentveröffentlichungen JP-A-58059616,
JP-A-5805617 und JP-A-5805618 waren zum Beispiel die
Untersuchungen lediglich auf die Optimierung der Dicke der
piezoelektrischen Aluminiumnitrid-Dünnschicht gerichtet, wobei
die C-Achse der Dünnschicht parallel oder senkrecht zum
Silizium-Einkristallsubstrat lag. In diesem Fall lag der
Kopplungskoeffizient K² auch unter optimalen Bedingungen
bei maximal 1,03%.
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Das GB-A-2 181 917 beschreibt eine akustische
Oberflächenwellenanordnung, die ein elastisches
Siliziumeinkristallsubstrat mit einer AlN-Schicht enthält, die so auf dem
elastischen Substrat aufgebracht ist, daß die piezoelektrische
Achse der AlN-Schicht senkrecht oder parallel zur
Hauptfläche des elastischen Substrates liegt. Auf der AlN-Schicht
sind Elektroden angebracht.
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Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin,
eine akustische Oberflächenwellenanordnung zu schaffen,
welche eine piezoelektrische Aluminiumnitrid-Dünnschicht
enthält, die auf einem Siliziumeinkristallsubstrat
hergestellt ist, und welche einen höheren Kopplungskoeffizienten
als bisher möglich besitzt.
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Dazu haben wir auf Grund einer Anregung aus den
Forschungsarbeiten, die zu der akustischen Oberflächenwellenanordnung
des US-A-4,868,44 geführt haben, weitere Forschungsarbeiten
an akustischen Oberflächenwellenanordnungen mit einem
Silizium-Einkristallsubstrat und einer darauf erzeugten
piezoelektrischen Aluminiumnitrid-Dünnschicht mit einer Dicke
von einigen Mikrometern durchgeführt und gefunden, daß der
Kopplungskoeffizient der Anordnung durch Einstellung der C-
Achse der piezoelektrischen Dünnschicht auf einen
geeigneten Neigungswinkel zur Normalen des Substrates verbessert
werden kann. Die vorliegende Erfindung basiert auf diesen
Ergebnissen.
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Die Aufgabe wird durch eine akustische
Oberflächenwellenanordnung entsprechend Anspruch 1 erfüllt. Die weiteren An-
sprüche betreffen verschiedene Ausführungsbeispiele der
vorliegenden Erfindung.
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Bisher wurde ein Neigungswinkel θ von 0 Grad oder 90 Grad
verwendet.
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Die akustische Oberflächenwellenanordnung entsprechend der
vorliegenden Erfindung weist einen Kopplungskoeffizient bis
maximal 2,22 % auf, was weit über dem herkömmlichen
Maximalwert, d.h. 1,03 % liegt. Der Kopplungskoeffizient wurde
auf Basis eines allgemein als zuverlässig geltenden Modells
einer akustischen Oberflächenwellenanordnung berechnet,
welches später beschrieben werden soll, und durch exakte
numerische Analyse des Modells auf einem Computer. Offenbar
ist deshalb der theoretische Wert des
Kopplungskoeffizienten sehr genau.
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Bei der akustischen Oberflächenwellenanordnung, die in dem
oben genannten US-A-4,868,44 beschrieben wird, wurde durch
eine piezoelektrische Aluminiumnitrid-Dünnschicht mit einer
verhältnismäßig großen Dicke (mindestens das Mehrfache der
Wellenlänge λ der akustischen Oberflächenwelle) ein höherer
Kopplungskoeffizient als im Stand der Technik für den Fall
realisiert, daß die Ausbreitungscharakteristik der
akustischen Oberflächenwelle nur durch die piezoelektrische
Schicht bestimmt wird, wohingegen bei der vorliegenden
Erfindung mit einer piezoelektrischen Schicht, welche dünn
ist (weniger als die Wellenlänge λ der akustischen
Oberflächenwelle, z.B. etwa 8 um), ein höherer
Kopplungskoeffizient als bisher möglich für den Fall realisiert wurde, daß
die Ausbreitungscharakteristik der akustischen
Oberlächenwelle nicht nur von der piezoelektrischen Schicht
beeinflußt wird, sondern auch von den elastischen und
piezoelektrischen Eigenschaften des Substrates.
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Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht des Aufbaus der
akustischen Oberflächenwellenanordnung entsprechend
der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht, die das Aussehen
des Bausteins zeigt, der die Anordnung nach Fig. 1
enthält;
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Fig. 3 bis 5 sind Diagramme der Kennlinien des
Kopplungskoeffizienten K² in Abhängigkeit vom Neigungswinkel
θ; und
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Fig. 6 und 7 sind graf ische Darstellungen, die die Bereiche
der Neigungswinkel zeigen, in denen sich hohe
Kopplungskoeffizienten ergeben.
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Fig. 1 zeigt eine akustische Oberflächenwellenanordnung,
welche ein Silizium-Einkristallsubstrat 1 und eine
piezoelektrische Dünnschicht 2 aus C-achsenorientiertem
polykristallinem Aluminiumnitrid mit einer Dicke von etwa 1 bis 3
iim enthält. Auf der Oberfläche der piezoelektrischen
Dünnschicht 2 sind einander gegenüberliegend eine
Sendeelektrode 3 und eine Empfangselektrode 4 aufgebracht, die
jeweils einem Kamm ähneln. In Richtung des Pfeiles W breitet
sich von der Sendelektrode 3 zur Empfangselektrode 4 eine
akustische Oberlächenwelle aus.
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Alternativ können die Sendeelektrode 3 und die
Empfangselektrode 4 zwischen dem Silizium-Einkristallsubstrat 1 und
der piezoelektrischen Aluminiumnitrid-Dünnschicht 2
angeordnet sein.
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Fig. 1 zeigt die X-Achse, Y-Achse und Z-Achse, welche die
Kristallachsen des Silizium-Einkristallsubstrats 1
darstellen. Die X-Achse stimmt mit der Achse 11 der
Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle überein. Die Z-
Achse fällt mit der Achse 12 der Normalen auf das Silizium-
Einkristallsubstrat 1 zusammen.
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Die C-Achse 21 der piezoelektrischen
Aluminiumnitrid-Dünnschicht 2 wird in eine Richtung gelegt, bei der der
Projektionsvektor 22 der C-Achse auf die Ebene, die zwischen der
Achse 11 der Ausbreitungsrichtung der akustischen
Oberflächenwelle und der Normalenachse 12 des Einkristallsubstrats
1 aufgespannt wird, d.h. auf die X-Z-Ebene, einen
vorgegebenen Neigungswinkel e gegenüber der Achse 11 der
Ausbreitungsrichtung bildet.
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Die piezoelektrische Aluminiumnitrid-Dünnschicht 2 kann
durch ein bekanntes Verfahren, wie z.B. eine
Zerstäubungstechnologie (Sputtern) oder eine CVD-Technologie (chemical
vapour deposition - chemische Abscheidung aus der
Dampfphase) hergestellt werden.
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Fig. 2 zeigt einen Baustein, der die Anordnung nach Fig. 1
einhüllt. Der Baustein enthält daraus hervorstehende
Eingangsanschlüsse 5, 51, die mit der Sendeelektrode 3
verbunden sind, und Ausgangsanschlüsse 6, 61, die mit der
Empfangselektrode 4 verbunden sind. Wenn den
Eingangsanschlüssen 5, 51 von einer nichtdargestellten externen Schaltung
ein elektrisches Signal zugeführt wird, wird bei Erregung
von der Sendeelektrode 3 eine dem Eingangssignal
entsprechende akustische Oberflächenwelle ausgesendet, von der
Elektrode 4 empfangen und über die Ausgangsanschlüsse 6, 61
wieder als elektrisches Signal an die externe Schaltung
geleitet.
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Im Verlauf der Entwicklung der vorliegenden Erfindung
simulierten wir die Abhängigkeit des Kopplungskoeffizienten K²
von einer Veränderung der Kristalloberfläche des in Fig. 1
gezeigten Silizium-Einkristallsubstrates 1, des Winkels 8
zwischen dem Projektionsvektor 22 der C-Achse 21 und der
Achse 11 der Ausbreitungsrichtung, der Dicke h der
piezoelektrischen Aluminiumnitrid-Dünnschicht 2, der Wellenlänge
λ der akustischen Oberflächenwelle und ähnlicher
Bedingungen.
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Der Kopplungskoeffizient wurde durch Anwendung der Theorien
und Berechnungsverfahren ermittelt, die zum Beispiel in "A
Method for Estimating Optical Crystal Cuts and Propagation
Direction for Excitation of Piezoelectric Surface Waves"
(IEEE Transaction on Sonics and Ultrasonics, Vol. SU-15,
No. 4, October 1968, Seiten 209 - 217) und in "PHYSICAL
ACOUSTICS-Principle and Methods-" (herausgegeben von WAR-
RENT P. MASON und R.N. THURSTON, Vol. IX 1972, ACADEMIC
PRESS, NEW YORK und LONDON) beschrieben werden.
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Entsprechend diesen Berechnungsverfahren wird die
piezoelektrische Grundgleichung unter Berücksichtigung der
Anisotropie und der piezoelektrischen Eigenschaften der
Ausbreitungsschicht der akustischen Oberflächenwelle, der
Newtonschen Bewegungsgleichung, der Maxwellschen
elektromagnetischen Gleichungen usw. durch numerische Analyse
gelöst, um daraus die Ausbreitungsgeschwindigkeit Vm der
Oberflächenwelle für den Fall, daß die Oberfläche der
piezoelektrischen Aluminiumnitrid-Dünnschicht elektrisch
kurzgeschlossen ist, und die Ausbreitungsgeschwindigkeit Vf auf
der freien Oberfläche zu berechnen.
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Der Kopplungskoeffizient K² errechnet sich unter Verwendung
der Ausbreitungsgeschwindigkeiten Vm und Vf mit Hilfe der
folgenden Gleichung.
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K² = 2(Vf - Vm)/Vf
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Die Fig. 3 bis 5 zeigen einige Ergebnisse der obigen
Simulation, d.h. Kennlinien der Kopplungskoeffizienten K² bei
einer Veränderung der Neigungswinkel θ von 0 Grad auf 90
Grad.
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Die Kennlinien nach Fig. 3 zeigen die Ergebnisse für den
Fall, daß die Oberfläche des Silizium-Einkristallsubstrates
1, auf der die piezoelektrische Dünnschicht hergestellt
ist, die (001)-Kristallebene darstellt, die Achse 11 der
Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwel le
gleich der [100]-Achse des Substrates 1l ist und die C-Achse
21 der piezoelektrischen Aluminiumnitrid-Dünnschicht 2 in
der X-Z-Ebene liegt, wobei die C-Achse 21 mit dem
Projektionsvektor 22 zusammenfällt. Die Dicke der piezoelektrischen
Dünnschicht 2 sei mit h und die Wellenlänge der akustischen
Oberflächenwelle mit λ bezeichnet. Die Kurve A stellt die
Kennlinie des Kopplungskoeffizienten für den Fall dar, daß
= 2,0 beträgt, die Kurve B gilt für 2πh/λ = 2,5 und
die Kurve C für 2πh/λ = 2,6.
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Die Kennlinien A, B und C lassen erkennen, daß der
Kopplungskoeffizient K² zunächst ansteigt, wenn der
Neigungswinkel θ von 0 Grad beginnend größer wird, dann einen
Scheitelwert erreicht und danach abfällt. Bei
Neigungswinkein θ bis etwa 60 Grad ist der Kopplungskoeffizient K²
größer als bei einem Neigungswinkel θ von 0 Grad, was dem
Neigungswinkel der konventionellen akustischen
Oberflächenwellenanordnung entspricht. Bei der Kurve A erreicht der
Kopplungskoeffizient K² ein Maximum von 1,05 % bei einem
Neigungswinkel θ von 35 Grad. Bei der Kurve B erreicht der
Kopplungskoeffizient K² ein Maximum von 1,18 % bei einem
Neigüngswinkel θ von 37 Grad. Bei der Kurve C erreicht der
Kopplungskoeffizient K² ein Maximum von 1,20 % bei einem
Neigungswinkel von 37 Grad und ist bei Neigungswinkeln θ
von bis etwa 53 Grad größer als bei 0 Grad.
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Weiterhin ist der Verlauf der Kennlinie um so flacher, je
geringer der Wert 27πh/λ ist. Wenn dieser Wert weniger als
etwa 1,8 ist, hat die Kurve keinen Scheitelwert (nicht
gezeigt).
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Fig. 4 zeigt die Kennlinien, die man erhält, wenn die
Oberfläche des Silizium-Einkristallsubstrates l, auf der die
piezoelektrische Dünnschicht aufgebracht ist, die (110)-
Kristallebene darstellt, die Achse 11 der
Ausbreitungsrichtung
der akustischen Oberflächenwellen gleich der [001] -
Achse des Substrates 1 ist und die C-Achse 21 der
piezoelektrischen Aluminiumnitrid-Dünnschicht 2 in der X-Z-Ebene
liegt. Die Kurve D stellt die Kennlinie des
Kopplungskoeffizienten dar, wenn 2πh/λ = 1.8 beträgt, und die Kurve E
gilt für 2πh/λ= 2,6.
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Diese Kennlinien D und E lassen ebenfalls die Tendenz
erkennen, daß der Kopplungskoeffizient K² zunächst ansteigt,
wenn der Neigungswinkel θ von 0 Grad beginnend ansteigt,
dann einen Scheitelwert erreicht und danach abfällt. Bei
Neigungswinkeln θ bis etwa 60 Grad ist der
Kopplungskoeffiw zient K² größer als bei einem Neigungswinkel θ von 0 Grad,
der für die konventionelle akustische
Oberflächenwellenanordnung gilt. Bei Kurve D erreicht der Kopplungskoeffizient
K² ein Maximum von 1,04 % bei einem Neigungswinkel von 33
Grad. Bei Kurve E erreicht der Kopplungskoeffizient K² ein
Maximum von 1,18 % bei einem Neigungswinkel von 36 Grad und
ist bei Neigungswinkeln bis etwa 55 Grad größer als bei 0
Grad.
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Weiterhin ist der Verlauf der Kennlinie um so flacher, je
geringer der Wert 2πh/λ ist. Wenn dieser Wert kleiner als
etwa 1,8 ist, hat die Kurve keinen Scheitelwert (nicht
gezeigt).
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Fig. 5 zeigt die Kennlinien für den Fall, daß die
Oberfläche des Silizium-Einkristallsubstrates 1, auf der die
piezoelektrische Dünnschicht aufgebracht ist, die (111)-
Kristallebene darstellt, die Achse 11 der
Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle gleich der [112]-
Achse des Substrates 1 ist, und die C-Achse 21 der
piezoelektrischen Aluminiumnitrid-Dünnschicht 2 in der X-Z-Ebene
liegt. Die Kurve F stellt die Kennlinie des
Kopplungskoeffizienten dar, wenn 2πh/λ = 2,5 beträgt, und die Kurve G
gilt für 2πh/λ = 2,6.
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Diese Kennlinien F und G lassen erkennen, daß der
Kopplungskoeffizient K² bei Neigungswinkeln θ im Bereich von
etwa 20 Grad bis etwa 60 Grad größer als etwa 1 % ist. Bei
der Kurve F erreicht der Kopplungskoeffizient K² ein
Maximum von 2,22 % bei einem Neigungswinkel θ von 37 Grad. Bei
der Kurve G erreicht der Kopplungskoeffizient K² ein
Maximum von 2,12 % bei einem Neigungswinkel θ von 36 Grad.
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Fig. 6 zeigt in schraffierter Form die Winkelbereiche von 0
Grad < θ ≤ 60 Grad, welche sich im Falle der Fig. 3 und 4
besonders für die Erzielung eines großen
Kopplungskoeffizienten eignen. Fig 7 zeigt in schraffierter Form die
Winkelbereiche 20 Grad < θ ≤ 60 Grad, welche sich im Falle der
Fig. 5 in gleicher Weise besonders eignen. Aus Sicht der
Kristallografie ist klar, daß die in Bezug zu den
Kristallachsen symmetrisch liegend dargestellten Winkelbereiche
eine genau identische Wirkung haben.
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Die Fig. 3 bis 5 zeigen die Ergebnisse der Simulation für
den Fall, daß das Siliziumeinkristallsubstrat 1 die oben
genannten Kristallebenen und Kristallachsen in Verbindung
mit der piezoelektrischen Aluminiumnitrid-Dünnschicht 2
aufweist, es läßt sich aber in dem Fall, daß das
Siliziumsubstrat 1 eine Ebene besitzt, die der oben genannten
Kristallebene äguivalent ist, oder daß die Kristallachse
geringfügig verschoben ist, im wesentlichen dasselbe Ergebnis
wie oben erreichen.
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Ferner zeigen die Fig. 3 bis 5 die Ergebnisse, die man in
dem Fall erhält, daß die C-Achse 21 der piezoelektrischen
Aluminiumnitrid-Dünnschicht 2 in der X-Z-Ebene liegt, es
läßt sich aber im wesentlichen dasselbe Ergebnis wie oben
erzielen, wenn der Projektionsvektor 22 in derselben
Richtung liegt, auch wenn sich die C-Achse 21 außerhalb der X-
Z-Ebene befindet. Das wird aus dem Sachverhalt deutlich,
daß die Kennlinien des C-achsenorientierten
polykristallinen Aluminiumnitrids nur durch die C-Achse festgelegt sind
und die A-Achse der B-Achse entspricht.
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Weiterhin haben wird bezüglich der Dicke h der
piezoelektrischen Aluminiumnitrid-Dünnschicht 2 festgestellt, daß im
wesentlichen dasselbe Ergebnis wie in den Fig. 3 bis 5
dargestellt erreicht werden kann, wenn der Wert von 2πh/λ bis
zu 20 beträgt.
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Wie oben beschrieben wird, kann man der akustischen
Oberflächenwellenanordnung entsprechend der vorliegenden
Erfindung in dem Fall, daß die Dicke h der piezoelektrischen
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Aluminiumnitrid-Dünnschicht 2 innerhalb des Bereiches von
20 ≥ 2πh/λ ≥ 1.8 liegt, einen höheren Kopplungskoeffizient
als bisher möglich verleihen, indem der Neigungswinkel der
C-Achse innerhalb des in Fig. 6 oder 7 gezeigten
Winkelbereiches eingestellt wird.
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Übrigens beträgt entsprechend der vorgenannten ungeprüften
japanischen Patentveröffentlichung SHO 58-59617, der
Scheitelwert der Kurve, die der Kurve A in Fig. 4 der Erfindung
entspricht und unter denselben Bedingungen gewonnen wurde,
0,98 %, der entsprechende Scheitelwert für Kurve C 1,02 %
und der entsprechende Scheitelwert für Kurve C 1,03 %.
Diese Werte sind kleiner als die vorigen Werte, die mit der
Anordnung entsprechend der vorliegenden Erfindung gewonnen
wurden.
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Weiterhin beträgt entsprechend der vorgenannten ungeprüften
japanischen Patentveröffentlichung JP-A-5859618 der
Scheitelwert der Kurve, die der Kurve D in Fig. 5 der Erfindung
entspricht und unter denselben Bedingungen gewonnen wurde,
0,58% und der entsprechende Scheitelwert für Kurve E 0,91%.
Diese Werte sind beide geringer als die vorigen Werte, die
mit der vorliegenden Anordnung gewonnen wurden.
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Die vorangegangene Beschreibung des Ausführungsbeispiels
erfolgte nur zum Zwecke der Illustration der vorliegenden
Erfindung und soll nicht als Einschränkung der
beanspruchten Erfindung oder Verringerung ihres Umfangs aufgefaßt
werden. Weiterhin ist der Aufbau der vorliegenden Anordnung
nicht auf den des Ausführungsbeispiels beschränkt, sondern
läßt sich selbstverständlich durch einen Fachmann
vielfältig modifizieren, ohne vom Umfang der Erfindung, wie er in
den anhängenden Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.
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Zum Beispiel kann das in dem obigen Ausführungsbeispiel
verwendete C-achsenorientierte polykristalline
Aluminiumnitrid durch eine piezoelektrische Dünnschicht aus
einkristallinem Aluminiumnitrid ersetzt werden. Da die A-Achse
des einkristallinen Aluminiumnitrids seiner B-Achse
gleichartig ist, lassen sich die Eigenschaften der akustischen
Oberflächenwellenanordnung in diesem Fall durch Festlegen
der Orientierung der C-Achse bestimmen. Demzufolge kann die
Anordnung, um denselben Effekt wie bereits beschrieben zu
erzeugen, denselben Aufbau besitzen, als wenn
C-achsenorientiertes polykristalines Aluminiumnitrid verwendet wird.