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Dokumentenidentifikation DE3336281C2 20.04.1995
Titel SAW-Oberflächenwellenbauelement
Anmelder Mikoshiba, Nobuo, Sendai, Miyagi, JP;
Tsubouchi, Kazuo, Sendai, Miyagi, JP
Erfinder Mikoshiba, Nobuo, Sendai, Miyagi, JP;
Tsubouchi, Kazuo, Sendai, Miyagi, JP;
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, 81679 München
DE-Anmeldedatum 05.10.1983
DE-Aktenzeichen 3336281
Offenlegungstag 05.04.1984
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 20.04.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.04.1995
IPC-Hauptklasse H03H 3/10
IPC-Nebenklasse H03H 9/42   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein SAW-Oberflächenwellenbauelement, bei dem auf einem elastischen Siliciumeinkristall-Substrat mit einer zu einer kristallografischen Ebene des Substrats äquivalenten Oberflächen und mit einem positiven Temperaturkoeffizienten der Verzögerungszeit für akustische Oberflächenwellen eine Mehrschichtanordnung aus wenigstens zwei zusätzlichen Schichten vorgesehen ist, die zwecks Kompensation der Wirkungen des positiven Temperaturkoeffizienten der Verzögerungszeit für akustische Oberflächenwellen des Substrats eine Siliciumdioxidschicht mit negativem Temperaturkoeffizienten der Verzögerungszeit für akustische Oberflächenwellen umfaßt und die eine auf der Siliciumdioxidschicht vorgesehene piezoelektrische Schicht aufweist, welche eine in bezug auf die Oberfläche des Substrats in vorbestimmter Weise orientierte piezoelektrische Achse hat, wobei zur Anregung akustischer Oberflächenwellen und zur Rückwandlung der akustischen Oberflächenwellen in ein elektrisches Signal Elektrodeneinrichtungen vorgesehen sind, die auf der Siliciumdioxidschicht oder auf der piezoelektrischen Schicht angeordnet sind.

Aus der GB 15 36 717 ist ein SAW-Oberflächenwellenbauelement mit den vorstehend genannten Merkmalen bekannt, wobei dieses bekannte SAW-Bauelement eine Drei-Schichten-Struktur aus einem Siliciumeinkristall-Substrat, einer darauf vorgesehenen Siliciumdioxidschicht und einer auf der Siliciumdioxidschicht angeordneten piezoelektrischen Schicht aus Zinkoxid aufweist.

Zinkoxid als Material für die piezoelektrische Schicht eignet sich vergleichsweise gut zur Erzielung eines hinreichend großen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten. Es hat jedoch - wie das Siliciumeinkristall-Substrat - einen großen und positiven Temperaturkoeffizienten der Verzögerungszeit für akustische Oberflächenwellen. Die Temperatureffektkompensation beruht bei dem bekannten SAW-Bauelement im wesentlichen auf der Wirkung der Siliciumdioxid-Zwischenschicht, die einen negativen Temperaturkoeffizienten hat. Da der Temperaturkoeffizient des Gesamt-Bauelements möglichst nahezu Null sein soll, ist angesichts der vergleichsweise großen und positiven Temperaturkoeffizienten der Zinkoxidschicht und des Siliciumeinkristall- Substrats eine relativ dicke Siliciumdioxidschicht für die Kompensation erforderlich. Mit zunehmender Dicke der Siliciumdioxidschicht in einer solchen Schichten-Struktur stellen sich jedoch gravierende Nachteile hinsichtlich der akustischen Eigenschaften des SAW-Bauelements ein.

Zu diesen Nachteilen zählen die durch die üblicherweise amorphe Siliziumdioxidschicht verursachten Wellenübertragungsverluste, die mit zunehmender Dicke dieser amorphen Schicht überproportional zunehmen und insbesondere bei extrem hohen Frequenzen ein kaum noch beherrschbares Problem darstellen. Hinzukommt, daß eine Vergrößerung der Dicke der Siliciumdioxid-Zwischenschicht zu einer Verkleinerung der Schallgeschwindigkeit und zu einer unerwünschten Vergrößerung der Dispersion führt, so daß die Anwendungsmöglichkeiten eines SAW-Bauelements mit einer vergleichsweise dicken Siliciumdioxid-Zwischenschicht, insbesondere im Hochfrequenzbereich, begrenzt sind.

Hinzuweisen ist auch noch darauf, daß sich die Zinkoxid-Piezoschicht des bekannten SAW-Oberflächenwellenbauelements nur schwierig mit ausreichender Reproduzierbarkeit in bezug auf das piezoelektrische Verhalten herstellen läßt.

Gemäß der GB 1 536 717 können die Elektrodeneinrichtungen unmittelbar auf der Siliciumdioxidschicht oder auf der piezoelektrischen Schicht vorgesehen sein, wobei ferner auf der den Elektrodeneinrichtungen abgewandten Seite der piezoelektrischen Schicht ein abschirmender Metallfilm vorgesehen sein kann.

Ein weiteres temperaturkompensiertes SAW-Oberflächenwellenbauelement ist aus der US 3,965,444 bekannt. Das SAW-Bauelement nach der US 3,965,444 hat eine Zwei-Schichten-Struktur aus einem piezoelektrischen Substrat und einer darauf angeordneten Siliciumdioxidschicht, wobei zwischen den beiden Schichten die Elektrodeneinrichtungen vorgesehen sind, welche einen Eingangswandler und einen Ausgangswandler bilden. Das piezoelektrische Substrat besteht aus Lithiumtantalat oder aus Lithiumniobat, wobei der positive Temperaturkoeffizient der Verzögerungszeit des betreffenden piezoelektrischen Substrats durch den negativen Temperaturkoeffizienten der Siliciumdioxidschicht kompensiert werden soll.

In der prioritätsälteren, jedoch nachveröffentlichten DE 33 08 365 A1 ist ein SAW-Bauelement beschrieben, bei dem auf einer Fläche eines Substrats mit einem positiven Temperaturkoeffizienten der Verzögerungszeit für akustische Oberflächenwellen eine piezoelektrische Schicht aus Aluminiumnitrid angeordnet ist, wobei die piezoelektrische Achse der Aluminiumnitridschicht senkrecht oder parallel zu der Fläche des Substrats liegt und die genannte Fläche des Substrats einer kristallografischen Ebene des Substrats äquivalent ist. Das Substrat kann ein Saphirsubstrat, ein Siliciumeinkristall-Substrat oder ein Silicium-auf-Saphir-Substrat (SOS) sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein SAW-Bauelement mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend zu verbessern, daß es eine im wesentlichen temperaturunabhängige Verzögerungszeit für akustische Oberflächenwellen in Raumtemperaturumgebung aufweist und dennoch ausgezeichnete akustische Eigenschaften, insbesondere geringe Übertragungsverluste und geringe Dispersion, selbst bei hohen Frequenzen aufweist.

Das erfindungsgemäße SAW-Oberflächenwellenbauelement besteht aus einem elastischen Siliciumeinkristall-Substrat mit einer zu einer kristallografischen Ebene des Substrats äquivalenten Oberfläche und einem positiven Temperaturkoeffizienten der Verzögerungszeit für akustische Oberflächenwellen, einer auf der genannten Oberfläche des Substrats vorgesehenen Mehrschichtanordnung, die zwecks Kompensation der Wirkungen des positiven Temperaturkoeffizienten der Verzögerungszeit für akustische Oberflächenwellen des Substrats eine Siliciumdioxidschicht mit negativem Temperaturkoeffizienten der Verzögerungszeit für akustische Oberflächenwellen und eine auf der Siliziumdioxidschicht vorgesehene piezoelektrische Schicht aus Aluminiumnitrid mit einem negativen Temperaturkoeffizienten der Verzögerungszeit für akustische Oberflächenwellen aufweist, deren piezoelektrische Achse senkrecht oder parallel zur Oberfläche des Substrats orientiert ist, einer ersten Elektrodeneinrichtung zur Erzeugung akustischer Oberflächenwellen und einer zweiten Elektrodeneinrichtung zur Erfassung von akustischen Oberflächenwellen, wobei die erste Elektrodeneinrichtung und die zweite Elektrodeneinrichtung auf der Siliciumdioxidschicht oder auf der Aluminiumnitridschicht vorgesehen sind.

Bei dem erfindungsgemäßen SAW-Oberflächenwellenbauelement trägt neben der Siliciumdioxidschicht auch die Aluminiumnitridschicht zur Kompensation des positiven Temperaturkoeffizienten des Siliciumeinkristall-Substrats bei. Dieser Beitrag ist wesentlich und erlaubt es, die Dicke der Siliciumdioxidschicht so gering zu halten, daß der elektromechanische Kopplungskoeffizient infolge der Maßnahmen zur Temperatureffektkompensation nicht merklich beeinträchtigt wird, die Wellenübertragungsverluste vergleichsweise klein bleiben, die Schallgeschwindigkeit durch die Maßnahmen zur Temperatureffektkompensation nicht nennenswert vermindert wird und ferner die Dispersion gering ist.

Die Aluminiumnitridschicht kann darüber hinaus auf einfache Weise ausgezeichnet reproduzierbar hergestellt werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1-4 Schnittansichten von vier verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung,

Fig. 5(A)-5(F), 6(A) und 6(B) sowie 7(A)-7(F) Schaubilder zur Darstellung der mit den erfindungsgemäßen SAW-Oberflächenwellenbauelementen nach Fig. 1-4 erzielten Ergebnisse.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäß aufgebauten SAW-Oberflächenwellenbauelementes in einer Schnittansicht. Dabei bedeuten das Bezugszeichen 1 ein Substrat aus Siliciumeinkristall, das längs einer kristallografischen Fläche, nämlich der (111), (110) oder (100)-Ebene, geschnitten wurde; 2 eine Schicht aus Siliciumdioxid (SiO&sub2;), die auf dein Substrat 1 aus dem Siliciumeinkristall angeordnet ist, und 3 eine Schicht aus Aluminiumnitrid, die so auf der Schicht 2 aus Siliciumdioxid (SiO&sub2;) ausgebildet ist, daß ihre piezoelektrische Achse (C-Achse oder [0001]-Achse) senkrecht oder parallel zu der kristallografischen Fläche des Substrats 1 liegt. Die Bezugszeichen 4 und 5 betreffen eine Elektrode zur Erzeugung von akustischen Oberflächenwellen bzw. eine Elektrode zu deren Erfassung. Beide Elektroden sind auf der mehrschichtigen Anordnung, z. B. in kammförmiger Ausbildung, auf der Aluminiumnitridschicht 3 angeordnet. Das Bezugszeichen D bezieht sich auf die Dicke der Siliciumdioxidschicht 2 und das Bezugszeichen H auf die Dicke der Aluminiumnitridschicht 3.

Wenn bei einem derartig aufgebauten SAW-Oberflächenwellenbauelement akustische Oberflächenwellen senkrecht zur Richtung der piezoelektrischen Achse der Aluminiumnitritschicht 3 entstehen (sich ausbreiten), wird der in Fig. 5A, 5B und 5C gezeigte Verlauf der Geschwindigkeit der akustischen Oberflächenwellen erhalten. In diesen Figuren ist auf der Abszisse die normierte Dicke der Aluminiumnitridschicht 3 als 2πlH/λ aufgetragen (λ bedeutet die Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle). Auf der Ordinate ist die Phasengeschwindigkeit Vp der akustischen Oberflächenwelle aufgetragen. Bei dein Parameter handelt es sich um die normierte Dicke 2π/λ der Siliziumoxidschicht 2.

Die Fig. 5A, 5B und 5C zeigen den Verlauf bei Schallwellenausbreitung in Richtung der [112]-Achse auf einer (111)- Fläche des Siliciumeinkristallsubstrates 1, ferner in Richtung der [001]-Achse auf einer (110)-Fläche des Siliciumeinkristallsubstrates 1 und schließlich in Richtung der [110]-Achse auf einer (001)-Fläche des Substrates 1.

Aus den Fig. 5A, 5B und 5C geht hervor, daß die Streuung der Phasengeschwindigkeit Vp gering ist. Ferner können sehr hohe Werte für die Phasengeschwindigkeit Vp erhalten werden.

Fig. 6A zeigt den Verlauf des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten, wie er aus den zuvor abgehandelten Ergebnissen erhalten wird. Dabei ist auf der Abszisse der Wert 2πH/λ und auf der Ordinate der quadratische Wert für den elektromechanischen Kopplungskoeffizienten K in Prozent aufgetragen. Die Figur zeigt den Verlauf bei einer Ausbreitung der akustischen Oberflächenwelle längs der [110]-Richtung auf einer (001)-Fläche des Siliciumeinkristallsubstrates 1. Das SAW-Oberflächenwellenbauelement A in dieser Figur entspricht dem nach Fig. 1. Aus dem Verlauf der Kurven ist zu schließen, daß Werte für K² erhalten werden können, die für die Erzeugung und Erfassung von akustischen Oberflächenwellen ausreichen. Außerdem zeigt das Diagramm, daß die Bauelemente gute piezoelektrische Eigenschaften besitzen.

Fig. 7A, 7B und 7C zeigen den bei dem oben beschriebenen Bauelement erhaltenen Verlauf des Temperaturkoeffizienten der Verzögerungszeit (TCD) für akustische Oberflächenwellen. Auf der Abszisse ist der Wert 2πH/λ und auf der Ordinate das Variationsverhältnis der Verzögerungszeit (τ) in Abhängigkeit von der Temperatur (1/τ)·(dτ/dT) in ppm/°C aufgetragen.

Fig. 7A, 7B und 7C zeigen den Verlauf bei einer Ausbreitung der akustischen Oberflächenwelle in Richtung der [112]-Achse auf der (111)-Fläche des Siliciumeinkristallsubstrates 1, in Richtung der [001]-Achse auf der (110)-Fläche des Substrates 1 bzw. in Richtung der [110]-Achse auf der (001)-Fläche des Substrates 1. Da das Siliciumeinkristallsubstrat 1 für die Verzögerungszeit positive Temperaturkoeffizienten hat,während die betreffenden Temperaturkoeffizienten der Siliciumdioxidschicht 2 und der Aluminiumnitridschicht 3 negativ sind, führt dies im Ergebnis dazu, daß sich diese Koeffizienten gegeneinander aufheben. Ferner ändern sich die Temperaturkoeffizienten mit der Dicke D der Siliciumdioxidschicht 2 und der Dicke H der Aluminiumnitridschicht 3. Wenn man daher in geeigneter Weise die Werte für die Dicken D und H auswählt, läßt sich eine Annäherung des Temperaturkoeffizienten an den Wert Null erreichen.

Sofern sich die akustischen Oberflächenwellen parallel zur piezoelektrischen Achse der Aluminiumnitridschicht 3 - und damit anders als bei dem SAW-Bauelement nach Fig. 1 - ausbreiten, wird ein Verlauf der Geschwindigkeit der akustischen Oberflächenwellen gemäß Fig. 5D, 5E und 5F erhalten.

Die Fig. 5D, 5E und 5F zeigen den Verlauf bei einer Wellenausbreitung in Richtung der [112]-Achse auf der (111)-Fläche des Substrates 1, in Richtung der [001]-Achse auf der (110)-Fläche und in Richtung der [110]-Achse auf der (001)- Fläche des Substrates.

Nach Fig. 5D, 5E und 5F ist die Streuung der Phasengeschwindigkeit Vp gering. Ferner können sehr hohe Werte für die Phasengeschwindigkeit Vp erzielt werden.

Fig. 63 zeigt den Verlauf des elektromechanischen Kopplungseffizienten bei einer Ausbreitung der akustischen Oberflächenwelle in Richtung der [100]-Achse auf der (001)-Fläche des Siliciumeinkristallsubstrates 1. Das SAW-Bauelement A entspricht dem in Fig. 1 gezeigten. Die Kurven zeigen, daß man Werte für K² erhalten kann, die zur Erzeugung und Erfassung von akustischen Oberflächenwellen ausreichen, und daß die Bauelemente gute piezoelektrische Eigenschaften besitzen.

Fig. 7D, 7E und 7F zeigen den Verlauf des Temperaturkoeffizienten der Verzögerungszeit (TCD) für die mit diesen Bauelementen erhaltenen akustischen Oberflächenwellen.

Fig. 7D, 7E und 7F zeigen den Verlauf bei einer Oberflächenwellenausbreitung längs der [112]-Achse auf der (111)-Fläche des Siliciumeinkristallsubstrates 1, längs der [001]-Achse auf der (110)-Fläche bzw. längs der [110]-Achse auf der (001)-Fläche.

Aus Fig. 7A bis 7F geht hervor, daß geringe Variationsverhältnisse der Verzögerungszeit in Abhängigkeit von der Temperatur erhalten werden können, indem man den Wert für die Dicke D der Siliciumdioxidschicht 2 so wählt, daß er der Beziehung 0<2πD/λ<1,0 entspricht,und den Wert für die Dicke H der Aluminiumnitridschicht 3 so wählt, daß er der Beziehung 0,1<2π/λ<3,0 entspricht. Ferner kann durch geeignete Wahl der kristallografischen Fläche des Siliciumeinkristallsubstrates 1, der Dicke D der Siliciumdioxidschicht 2 und der Dicke H der Aluminiumnitridschicht 3 der Temperaturkoeffizient annähernd auf Null gebracht werden.

Fig. 2 bis 4 zeigen Schnittansichten von anderen Ausführungsformen der Erfindung. Fig. 2 zeigt den Aufbau eines SAW-Bauelementes, bei dem zunächst auf einem Siliciumeinkristallsubstrat 1 eine Siliciumdioxidschicht 2 ausgebildet worden ist. Darauf wurde eine Elektrode 4 zur Erzeugung der akustischen Oberflächenwellen und eine Elektrode 5 zu deren Erfassung angeordnet. Fig. 3 zeigt dagegen den Aufbau eines SAW-Bauelementes, bei dem zunächst auf ein Siliciumeinkristallsubstrat 1 eine Siliciumdioxidschicht ausgebildet worden ist, auf der ein Paar Abschirmelektroden 6 als zweite Elektroden angeordnet sind. Eine Aluminiumnitridschicht überdeckt die Siliciumdioxidschicht einschließlich der Abschirmelektroden. Schließlich befindet sich eine Elektrode 4 zur Erzeugung von akustischen Oberflächenwellen und eine Elektrode 5 zu deren Erfassung als erste Elektroden auf der Oberfläche besagter Aluminiumnitridschicht 3.

Fig. 4 zeigt den Aufbau eines weiteren SAW-Bauelementes, bei dem zunächst auf einem Siliciumeinkristallsubstrat 1 eine Siliciumdioxidschicht ausgebildet worden ist. Auf der Oberfläche dieser Siliciumdioxidschicht sind eine Elektrode 4 zur Erzeugung von akustischen Oberflächenwellen und eine Elektrode 5 zu deren Erfassung als erste Elektroden angeordnet. Eine Aluminiumnitridschicht 3 ist auf der Siliciumdioxidschicht 2 einschließlich der ersten Elektroden vorgesehen. Schließlich sind als zweite Elektroden zwei Abschirmelektroden 6 auf der Oberfläche der Aluminiumnitridschicht 3 ausgebildet.

Für die vorstehend beschriebenen SAW-Bauelemente ergeben sich bei einer Ausbreitung der akustischen Oberflächenwellen senkrecht zur piezoelektrischen Achse der Aluminiumnitridschicht 3 die in Fig. 5A, 5B und 5C gezeigten Verläufe für die Geschwindigkeit. Aus den Kurven geht hervor, daß die Streuung der Phasengeschwindigkeit Vp klein ist. Ferner können sehr große Werte für die Phasengeschwindigkeit Vp erhalten werden.

Auf der Grundlage dieser Ergebnisse wurden Werte für den Faktor K² erhalten, wie sie in Fig. 6A gezeigt sind.

In Fig. 6A entsprechen die Bauelemente B, C und D denjenigen, die in Fig. 2, 3 bzw. 4 dargestellt sind. Aus dem Kurvenverlauf geht hervor, daß die Werte für K² zur Erzeugung und Erfassung von akustischen Oberflächenwellen ausreichen, und daß die Bauelemente gute piezoelektrische Eigenschaften besitzen.

Mittels dieser Bauelemente wurden die in Fig. 7A, 7B und 7C gezeigten Verläufe für den Temperaturkoeffizienten der Verzögerungszeit TCD erhalten.

Aus diesen Kurven geht hervor, daß sich die Variationsverhältnisse der Verzögerungszeit in Abhängigkeit von der Temperatur an Null annähern lassen, wenn man in geeigneter Weise den Wert für die Dicke D der Siliciumdioxidschicht 2 und die Dicke H der Aluminiumnitridschicht 3 wählt.

Bei einer Wellenausbreitung parallel zur piezoelektrischen Achse der Aluminiumnitridschicht 3 bei den in Fig. 2 bis 4 gezeigten SAW-Bauelementen wurde eine Geschwindigkeitsstreuung erhalten, wie sie in Fig. 5D, 5E und 5F gezeigt ist. Daraus geht hervor, daß die Streuung der Phasengeschwindigkeit Vp klein ist, und daß sich sehr hohe Werte für die Phasengeschwindigkeit Vp erzielen lassen.

Auf der Grundlage dieser Ergebnisse wurde der Verlauf für K² gemäß Fig. 6B erzielt. Aus dieser Figur geht hervor, daß für K² Werte erhalten werden können, die ausreichen, um akustische Oberflächenwellen zu erzeugen und zu erfassen, und daß die Bauelemente gute piezoelektrische Eigenschaften besitzen.

Bei diesen Bauelementen wurde ein Verlauf des Temperaturkoeffizienten der Verzögerungszeit (TDC) für die akustischen Oberflächenwellen erhalten, wie er in Fig. 7D, 7E und 7F gezeigt ist. Aus diesen Figuren geht hervor, daß man kleine Variationsverhältnisse der Verzögerungszeit in Abhängigkeit von der Temperatur erzielen kann, indem man einen Wert für die Dicke D der Siliciumdioxidschicht 2 im Bereich von 0<2πD/λ<1,0 und für die Dicke H der Aluminiumnitridschicht 3 im Bereich von 0,1<2πH/λ<3,0 wählt. Ferner kann durch geeignete Wahl der kristallografischen Fläche des Siliciumeinkristallsubstrates 1, der Dicke D der Siliciumdioxidschicht 2 und der Dicke H der Aluminiumnitridschicht 3 eine Annäherung des Temperaturkoeffizienten an den Wert Null erreicht werden.

Da die bei den vorbeschriebenen Ausführungsformen verwendete Aluminiumnitridschicht 3 eine große Bandlücke hat, die etwa 6,2 eV beträgt, und da ferner leicht eine Schicht mit einem hohen spezifischen Widerstand erhalten werden kann, der größer als 10¹&sup6;Ωcm ist, handelt es sich um eine sehr gut isolierende Schicht. Diese Aluminiumnitridschicht 3 kann nach bekannten Verfahren, z. B. dem MO-CVD- Verfahren, durch Aufdampfen oder dgl. gebildet werden. Da ferner die Aluminiumnitridschicht 3 eine gute Reproduzierbarkeit und Gleichförmigkeit aufweist, können insbesondere im Hochfrequenzbereich die Wellenausbreitungsverluste klein gehalten werden.

Da die Aluminiumnitridschicht und die Siliciumdioxidschicht negative Temperaturkoeffizienten in Bezug auf die Verzögerungszeit für akustische Oberflächenwellen besitzen, heben sich die Temperaturkoeffizienten gegeneinander auf, wenn die besagten Schichten auf einem Siliciumeinkristallsubstrat mit einem positiven Temperaturkoeffizienten ausgebildet sind.

Folglich kann in Bezug auf Temperaturänderungen ein stabiles Verhalten erzielt werden. Die Stabilität des SAW-Bauelementes in Bezug auf Temperaturänderungen stellt eine der wichtigsten Eigenschaften für Bauelemente dar, die Signale mit schmaler Bandbreite verarbeiten, wie es z. B. bei Resonatoren, Oszillatoren und dergl. der Fall ist. Diese Bauelemente können daher in Bezug auf Temperaturänderungen in stabiler Weise betrieben werden, wenn man einen Aufbau gemäß der vorerwähnten Ausführungsformen vorsieht.

Ferner kann eine akustische Oberflächenwelle mit hoher Geschwindigkeit erhalten werden, wenn man den Aufbau gemäß der vorerwähnten Ausführungsformen der Erfindung wählt. Die Frequenzstreuung der akustischen Oberflächenwelle sowie das Geschwindigkeits- und Frequenzänderungsverhältnis aufgrund von Dickenschwankungen können klein gehalten werden, wobei das SAW-Bauelement gute piezoelektrische Eigenschaften aufweist.

Da das erfindungsgemäße SAW-Oberflächenwellenbauelement einen elastischen Aufbau hat, bei dem auf einem elastischen Substrat mit einem positiven Temperaturkoeffizienten in Bezug auf die Verzögerungszeit der akustischen Oberflächenwellen eine Siliciumdioxidschicht ausgebildet ist und auf dieser eine Aluminiumnitridschicht sich befindet, die beide negative Koeffizienten in Bezug auf die Verzögerungszeit besitzen, können Bauelemente mit ausgezeichneten Eigenschaften erzielt werden.

Erfindungsgemäße SAW-Oberflächenwellenbauelemente bieten folgende Vorteile:

  • 1. Da die Wellenlänge im Hochfrequenzbereich aufgrund der hohen Geschwindigkeiten der akustischen Oberflächenwellen groß ist, erweist sich die Herstellung von kammförmigen Elektroden und dg. als einfach.
  • 2. Die Herstellung von SAW-Oberflächenwellenbauelementen, die auf eine bestimmte Arbeitsfrequenz abgestimmt sind, ist vergleichsweise einfach, da Variationen der Schichtdicke nur kleine Frequenzänderungen bewirken. Die Produktionsleistung kann daher erhöht, und damit können die Produktionskosten gesenkt werden.
  • 3. Das Variationsverhältnis der Verzögerungszeit in Abhängigkeit von der Temperatur für das SAW-Oberflächenwellenbauelement kann auf Null reduziert werden.
  • 4. Es lassen sich qualitativ hochwertige Siliciumdioxidschichten und Aluminiumnitridschichten mit guten isolierenden Eigenschaften ohne weiteres nach bekannten Verfahren, z. B. dem MO-CVD-Verfahren erzielen.


Anspruch[de]
  1. 1. SAW-Oberflächenwellenbauelement, bestehend aus
    1. - einem elastischen Siliciumeinkristall-Substrat (1) mit einer zu einer kristallografischen Ebene des Substrats (1) äquivalenten Oberfläche und einem positiven Temperaturkoeffizienten der Verzögerungszeit für akustische Oberflächenwellen,
    2. - einer auf der genannten Oberfläche des Substrats (1) vorgesehenen Mehrschichtanordnung, die zwecks Kompensation der Wirkungen des positiven Temperaturkoeffizienten der Verzögerungszeit für akustische Oberflächenwellen des Substrats (1) eine Siliciumdioxidschicht (2) mit negativem Temperaturkoeffizienten der Verzögerungszeit für akustische Oberflächenwellen und eine auf der Siliciumdioxidschicht (2) vorgesehene piezoelektrische Schicht (3) aus Aluminiumnitrid mit einem negativen Temperaturkoeffizienten der Verzögerungszeit für akustische Oberflächenwellen aufweist, deren piezoelektrische Achse senkrecht oder parallel zur Oberfläche des Substrats (1) orientiert ist, und
    3. - einer ersten Elektrodeneinrichtung (4) zur Erzeugung akustischer Oberflächenwellen sowie einer zweiten Elektrodeneinrichtung (5) zur Erfassung von akustischen Oberflächenwellen, wobei die erste Elektrodeneinrichtung (4) und die zweite Elektrodeneinrichtung (5) auf der Siliciumdioxidschicht oder auf der Aluminiumnitridschicht vorgesehen sind.
  2. 2. SAW-Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, zur Anregung von akustischen Oberflächenwellen, die sich in Richtung senkrecht oder parallel zur piezoelektrischen Achse der Aluminiumnitridschicht (3) fortpflanzen, wobei die kristallografische Ebene eine (111)-Ebene ist und die Dicke H der Aluminiumnitridschicht (3) in dem durch 2πHλ<3,0 definierten Bereich liegt, worin λ die Wellenlänge der akustischen Oberflächenwellen bezeichnet.
  3. 3. SAW-Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, zur Anregung von akustischen Oberflächenwellen, die sich in Richtung senkrecht oder parallel zur piezoelektrischen Achse der Aluminiumnitridschicht fortpflanzen, wobei die kristallografische Ebene eine (110)-Ebene ist und die Dicke H der Aluminiumnitridschicht (3) in dem durch 2πH/λ<6,0 definierten Bereich liegt, worin λ die Wellenlänge der akustischen Oberflächenwellen bezeichnet.
  4. 4. SAW-Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, zur Anregung von akustischen Oberflächenwellen, die sich in Richtung senkrecht oder parallel zur piezoelektrischen Achse der Aluminiumnitridschicht (3) fortpflanzen, wobei die kristallografische Ebene eine (100)-Ebene ist und die Dicke H der Aluminiumnitridschicht (3) in dem durch 2πH/λ<6,0 definierten Bereich liegt, worin λ die Wellenlänge der akustischen Oberflächenwellen bezeichnet.
  5. 5. SAW-Oberflächenwellenbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der ersten und der zweiten Elektrodeneinrichtung (4, 5) jeweils eine Abschirmelektrode (6) an der von den Elektrodeneinrichtungen (4, 5) abgewandten Seite der Aluminiumnitridschicht (3) gegenüberliegt.






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