DE3533611A1

DE3533611A1 - Akustische oberflaechenwellenvorrichtung

Info

Publication number: DE3533611A1
Application number: DE19853533611
Authority: DE
Inventors: Shoichi Tokio/Tokyo Minagawa; Teruo Niitsuma; Takeshi Okamato
Original assignee: Clarion Co Ltd
Current assignee: Faurecia Clarion Electronics Co Ltd
Priority date: 1984-09-21
Filing date: 1985-09-20
Publication date: 1986-04-03
Also published as: GB8822450D0; SE8504350L; FR2570902A1; SE462132B; GB8523150D0; GB2166616B; GB2208769B; US4745378A; SE8504350D0; GB2166616A; GB2208769A; FR2570902B1

Description

Akustische Oberflächenwellenvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine monolithische akustische Oberflächenwellenvorrichtung, bestehend aus einem Halbleitersubstrat und einer darauf angeordneten piezoelektrischen Folie. Sie betrifft insbesondere einen akustischen Oberflächenwellenkonvolver oder -korrelator, der auf einer derartigen Anordnung basiert.

Akustische Oberflächenwellenkonvolver oder -korrelatoren sind als miniaturisierte Vorrichtungen bekannt, die zur Signalverarbeitung eine akustische Oberflächenwelle verwenden. Sie werden im allgemeinen in monolithische und nicht monolithische Typen unterteilt. Monolithische Anordnungen sind hinsichtlich der Fertigung und des Wirkungsgrades vorteilhafter. Eine monolithische akustische Oberflächenwellenvorrichtung umfaßt ein Halbleitersubstrat und eine piezoelektrische Folie, wobei die Signalverarbeitung durch eine nicht lineare Interaktion zwischen einer akustischen Oberflächenwelle und einem Raumladungsbereich längs einer Oberfläche des Halbleiters bewirkt wird. Eine Anordnung, die auf diesem Prinzip basiert, wurde schon vorgeschlagen und ist in Fig. 9 und 10 gezeigt. Eine nähere Beschreibung dieser Figuren wird nachfolgend gegeben. Bei dieser bekannten Anordnung findet eine nicht lineare Interaktion kurz unterhalb einer Gateelektrode statt und wird ein Ausgangssignal von einer Stelle zwischen der Gateelektrode und einer Bodenelektrode abgegriffen. Die Stärke der Interaktion hängt vom Kapazitäts-Spannung (C-V)Verhalten an der Interaktionszone längs der Oberfläche des Halbleitersubstrates ab und erfährt erhebliche Änderung mit der an der Gateelektrode und der mit der Masse verbundenen Bodenelektrode anliegenden Vorspannung. Bislang war es daher ganz allgemein üblich, an die gesamte Interaktionszone eine einzelne Vorspannung

- τ - S

gleichmäßig anzulegen, um das gesamte Ausgangssignal der Gateelektrode zu maximieren.

Da das C-V-Verhalten der Interaktionszone nicht gleichförmig ist, sondern sich von Ort zu Ort ändert, kann eine gleichmäßige Vorspannung nicht gleichbedeutend mit einer optimalen Spannung für gewisse Stellen mit unterschiedlichem C-V-Verhalten bedeuten und daher keine optimale Funktion der Vorrichtung bewirken. Dies bedeutet insbesondere ein ernstes Problem bei Vorrichtungen mit einer langen Interaktionszone zur Erzielung eines verbesserten Signalverarbeitsvermögens.

Aufgabe der Erfindung ist demgegenüber die Schaffung einer monolithischen akustischen Oberflächenwellenvorrichtung, bei der an einzelne Stellen mit unterschiedlichem C-V-Verhalten der Interaktionszone unterschiedliche eindeutige und optimale Gleichvorspannungen angelegt werden können, um den gesamten Wirkungsgrad der Vorrichtung zu optimieren.

Die erfindungsgemäße akustische Oberflächenwellenvorrichtung zeichnet sich aus durch

ein Halbleitersubstrat,

eine auf einer Oberfläche des Substrates vorgesehene piezoelektrische Folie,

zwei beidseitig der piezoelektrischen Folie vorgesehene Signaleingangswandler zur Einführung eines Signales von der Folie,

eine Vielzahl von Gate-Ausgangselektroden, die an der piezoelektrischen Folie zwischen den Eingangswandlern angeordnet sind,

eine Einrichtung zum Anlegen eindeutiger Vorspannungen an die betreffenden Gate-Ausgangselektroden, und

eine Einrichtung zum Abnehmen der Ausgangssignale von den betreffenden Gate-Ausgangselektroden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung und bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäß aufgebaute akustische Oberflächenwellenvorrichtung zusammen mit einigen zugehörigen Schaltungselementen,

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 eine geschnittene Ansicht der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung,

Fig. 5 eine Draufsicht auf eine vierte Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 6 eine fragmentarische Draufsicht auf eine modifizierte Ausbildung der Widerstandsschicht der Ausführung nach Fig. 5,

Fig. 7 eine fragmentarische Draufsicht auf eine vierte Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 8 eine geschnittene Ansicht der in Fig. 7 gezeigten Vorrichtung,

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Fig. 9 eine geschnittene Ansicht einer bekannten akustischen Oberflächenwellenvorrichtung, und

Fig. 10 eine Draufsicht auf die Vorrichtung nach Fig. 9 sowie einige zugehörige Schaltungselemente.

Wie in Fig. 9 und 10 dargestellt, umfaßt die bekannte Vorrichtung eine Isolierfolie 3, die auf einer Oberfläche eines Halbleitersubstrates 1 angeordnet ist, und eine piezoelektrische Folie 2, die auf der Isolierfolie 3 vorgesehen ist. Auf der piezoelektrischen Folie 2 und nahe deren beiden Enden sind Eingangswandler 4a-4b zur Einführung eines Signales von der piezoelektrischen Folie sowie eine Gateelektrode 5 vorgesehen, die ein verarbeitetes Signal ausgibt. Fig. 9 zeigt ferner eine Bodenelektrode 6, die längs der anderen Oberfläche des Halbleitersubstrates 1 vorgesehen ist. Fig. 10 zeigt ferner eine veränderbare Gleichvorspannungsquelle 7, einen Gleichstromsperrkondensator, Anpassungsschaltungen 9a-9b-9c, Signalquellen lOa-lOb und einen internen Belastungswiderstand, an dem ein Ausgangssignal abgenommen wird.

Die Erfindung wird nachfolgend beschrieben.

Fig. 1 ist eine Draufsicht auf eine akustische Oberflächenwellenvorrichtung nach der Erfindung. Gleiche Elemente oder Teile, wie bei der bekannten Vorrichtung nach Fig. 10, tragen die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 10, Die Gateelektrode 5, die GleichvorSpannungsquelle 7 und der Gleichstromsperrkondensator 8 der bekannten Vorrichtung (Fig. 10) sind in gleiche Segmente oder Linien 5'-5', T-T bzw. 8' — 8.* aufgeteilt oder verzweigt. Diese Gateelektroden 5'-5' sind in einer Richtung aufgereiht, die die Eingangswandler 4a und 4b nahe den beiden Enden der Vorrichtung miteinander verbindet. Jede Gateelektrode 5' ist an eine

/C-

Gleichvorspannungsquelle 7' angeschlossen, die unabhängig gesteuert oder eingestellt werden kann, um der Gateelektrode 5' die optimale für die C-V-Charakteristik der Lage der Interaktionszone direkt unter der zugehörigen Gateelektrode 5' am besten geeignete Vorspannung zu liefern. Einzelne Stellen unter den betreffenden Gateelektroden 5'—5' verarbeiten ein Signal und erzeugen ihre eigenen Ergebnisse, die über die Kondensatoren 8¹ abgeführt und zu einem Ausgangssignal zusammengesetzt werden.

Die monolithische Oberfläche nach der Erfindung basiert auf einer mehrlagigen Anordnung mit dem Halbleitersubstrat 1 und der piezoelektrischen Folie 3. Für ein verbessertes Betriebs- und Temperaturverhalten oder zum leichteren Einbau in eine integrierte Schaltung bestehen bevorzugte Anordnungen aus gewissen Kombinationen von Aluminiumoxid Al„O_.
(Saphir-Einkristall), Silicium-Einkristall Si, Siliciumdioxid (SiO₂) sowie einer piezoelektrischen Folie aus Zinkoxid ZnO oder Aluminiumnitrid AlN₇ d.h. ZnO/SiO₂/Si, ZnO/SiO₂/Si/ Al₂O₃, A1N/Si oder AlN/Si/Nl₂O₃.

Fig. 2 ist eine Draufsicht auf eine akustische Oberflächenwellenvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, bei der die Anpassungsschaltung 9c und der externe Belastungswiderstand 11 der Ausführungsform nach Fig. 1 in gewisse Segmente oder Linien 9'-9¹C und 11'-11' entsprechend den einzelnen Gateelektroden 5'-5', Gleichspannungsquellen 7'-7" und Gleichstromsperrkondensatoren 8 ' -8 ' aufgeteilt oder verzweigt sind. Das Ergebnis einer Signalverarbeitung durch eine einer Gateelektrode 5' entsprechenden Gruppe kann daher als ein Ausgangssignal unabhängig und separat von den Ergebnissen der anderen Gruppe abgenommen oder erfaßt werden.

Fig. 3 ist eine Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform

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der Erfindung und Fig. 4 eine geschnittene Ansicht der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung. In beiden Figuren sind gleiche Teile oder Elemente wie bei der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Die dritte Ausführungsform verwendet eine spezielle Art Gleichstromsperrkondensatoren. Insbesondere ist eine dielektrische Folie 12 bestimmter Dicke an den Gateelektroden 5' -5' vorgesehen und eine Vielzahl von Signalabnahmeelektroden 13'-13' an der dielektrischen Folie 12 an gegenüberliegenden Stellen in Bezug auf die Gateelektroden 5^f-5' angeordnet. Die Gateelektrode 5¹ und die Signalabnahmeelektrode 13' sind isoliert, um den Fluß des Gleichstromes zu sperren und daher einen Sperrkondensator zu bilden.

Das Anlegen unterschiedlicher Vorspannungen an den Stellen der Interaktionszone unter den Gateelektroden 5'-5', die getrennte Signalverarbeitung an den betreffenden Stellen und die Abnahme eines resultierenden Ausgangssignales erfolgen bei der dritten Ausführungsform in im wesentlichen der gleiche Weise wie bei der ersten Ausführungsform.

Fig. 5 ist eine Draufsicht auf eine vierte Ausführungsform der Erfindung, bei der gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 9 und 10 gleiche Elemente oder Teile betreffen. Auf der gleichen Ebene wie die Gateelektroden 5'-5' sind ein Konstantspannungsanschluß 14 und ein Masseanschluß 15 vorgesehen, die durch eine Widerstandsschicht 16 mit einem geeigneten Schichtwiderstandswert miteinander verbunden sind. Die Widerstandsschicht 16 ist vorzugsweise eine durch Vakuumaufdampfen gebildete Schicht aus Nichrom oder Cermet (Cr-SiO) oder durch Sprühbeschichten gebildete Schicht aus Tantal-

2N) oder dgl., d.h. es handelt sich um Schichten, die ohne weiteres hergestellt werden können und die einen geeigneten Schichtwiderstandswert besitzen. Längs der

/IO

Widerstandsschicht 16 sind in geeigneten Abständen voneinander Abgreifelemente 17 zur Abnahme der Vorspannung vorgesehen. Die Vorspannung an jeder Gateelektrode 5' wird in geeigneter Weise ausgewählt, indem man die Gateelektrode 5¹ mit einem der Abnahmeelemente 17 verbindet, welches an der Elektrode eine gewünschte Spannung anlegt, wenn eine konstante Spannung an den Anschluß 12 angelegt worden ist. Die Vorspannung kann ferner dadurch eingestellt werden, daß man die Widerstandsschicht 16 mittels eines Lasers oder Elektrodenstrahles trimmt. Jede Gateelektrode 5¹ erhält somit eine Vorspannung, die für das C-V-Verhalten der Stelle in der unmittelbar darunterliegenden Interaktionszone besonders bevorzugt wird. Jedes Ergebnis jeder Signalverarbeitung an jeder Stelle wird über den zugehörigen Gleichstromsperrkondensator 8¹ ausgegeben.

Fig. 6 zeigt eine Widerstandsschicht 18 aus Antimon, Wismuth, Tantal oder einer anderen Metallfolie, welche die Widerstandsschicht 16 nach Fig. 2 ersetzt.

Fig. 7 ist eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform, welche eine Widerstandsschicht verwendet, die im Halbleitersubstrat 1 ausgebildet ist. Fig. 8 ist eine geschnittene Ansicht längs der Linie IV-IV in Fig. 7. Vor dem Vorsehen der Isolierfolie 3 auf dem Halbleitersubstrat 1 werden in einen durch die gestrichelte Linie in Fig. 7 umrissenen Bereich des Substrates 1 Verunreinigungen bis zu einer bestimmten Konzentration eingegeben, so daß ein Bereich 19 mit hoher Verunreinigungskonzentration gebildet wird, der als Widerstandsschicht dient. Nach dem Vorsehen der Isolierfolie 3 auf dem Substrat 1 und dem Bereich 19 wird die Isolierfolie 3 gezielt durch Ätzen unter Bildung von Fenstern entfernt, die ausgewählte Bereiche der Zone 19 mit hoher Konzentration an Verunreinigungen freilegen. Die Elektroden werden in den Fenster vorgesehen. Eine der

Endelektroden dient als Konstantspannungsanschluß 14, während die andere Endelektrode als Masseanschluß 15 fungiert. Die anderen Elektroden zwischen den beiden Anschlußelektroden 14 und 15 dienen als Abnahmeelemente 17 für die Vorspannung.

Da der monolithische akustische Oberflächenwellen-Konvolver oder Korrelator nach der Erfindung unterteilte Gate-Ausgangselektroden verwendet, kann die Vorspannung an den Gateelektroden Stelle für Stelle eingestellt werden, so daß jeder Gateelektrode 5¹ ein eindeutiger bestimmter Vorspannungswert zugeordnet wird, der für das C-V-Verhalten der Interatkionszone unmittelbar unter der Gateelektrode 5' besonders vorteilhaft ist. Daher wird der Wirkungsgrad der gesamten Vorrichtung wesentlich verbessert.

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Claims

Patentanwälte DiPL.-lNG^Hi^Eiii-KKAN^j-EiiPL.-PHYS. Dr. K. Fincke DlPL.-I*iG:-R'Ä.^EICkMÄHN,_l3lPL.-CHEM. B. HUBER Dr.-Ing. H. Liska, Dipl.-Phys. Dr. J. Prechtel 8000 MÜNCHEN 86 20. S6Pi1985 POSTFACH 860 820 MÖHLSTRASSE 22 TELEFON (0 89) 98 03 52 TELEX 5 22 621 TELEGRAMM PATENTWEICKMANN MÜNCHEN Sdt./ht. Clarion Co.,Ltd. 35-2, Hakusan 5-chome Bunkyo-ku, Tokyo /Japan Akustische Oberflächenwellenvorrichtung PATENTANSPRÜCHE

1. Akustische Oberflächenwellenvorrichtung, gekennzeichnet durch

ein Halbleitersubstrat (1),

eine an einer Oberfläche des Substrates vorgesehene piezoelektrische Folie (2),

zwei an den Enden der piezoelektrischen Folie angeordnete Signaleingangswandler zur Einführung eines Signales von der Folie,

eine Vielzahl von Gate-Ausgangselektroden (5), die an der piezoelektrischen Folie und zwischen den Eingangswandlern (4) vorgesehen sind,

eine Einrichtung (7) zum Anlegen einer eindeutigen Vorspannung an die betreffenden Gate-Ausgangselektroden und

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalabnahmeeinrichtung eine an den Gate-Ausgangselektroden (5) vorgesehene dielektrische Folie (12) und Signalabnahmeelektroden (13) umfaßt, die an der dielektrischen Folie an Stellen gegenüber den Gate-Elektroden angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Anlegen einer Vorspannung eine Vielzahl von veränderbaren Vorspannungssquellen (7) umfaßt, von denen je eine mit einer Gate-Ausgangselektrode (5) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum. Anlegen einer Vorspannung eine Vorspannungsquelle und eine an einer bestimmten Stelle der piezoelektrischen Folie (2) vorgesehene Widerstandsschicht (16) umfaßt, welche Vorspannungsquelle mit der Widerstandsschicht verbunden ist, wobei die Widerstandsschicht an einer Vielzahl von Stellen mit den betreffenden Gate-Ausgangselektroden (5) verbunden ist, um an die Elektroden eindeutige Vorspannungen anzulegen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Anlegen einer Vorspannung eine Vorspannungsquelle und eine in das Halbleitersubstrat (1) eingebettete Widerstandsschicht (16) umfaßt, wobei die Vorspannungsquelle mit der Widerstandsschicht verbunden ist, welche an einer Vielzahl von Stellen mit den betreffenden Gate-Ausgangselektroden (5) in Verbindung steht, um an die Elektroden eindeutige Vorspannungen anzulegen.