DE10116935A1

DE10116935A1 - Acoustic surface wave component

Info

Publication number: DE10116935A1
Application number: DE2001116935
Authority: DE
Inventors: Manfred Weihnacht; Andreas Schoenecker
Original assignee: Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV
Priority date: 2001-03-30
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2002-10-02
Also published as: WO2002080359A3; WO2002080359A2

Abstract

The aim of the invention is to configure surface acoustic wave components comprising a ferroelectric layer on a substrate and interdigital transducers above and/or below the layer in such a way that said components have an increased coupling factor in the ferroelectric layer in relation to prior art. To achieve this, the ferroelectric layer has a thickness of between 0.25 and 0.35 times the wavelength of the acoustic wave transported in the component, a remanent polarisation situated on the layer plane and a preferential orientation that is perpendicular to the wave propagation. The ferroelectric layer can consist of lead zirconate titanate, barium titanate, lead titanate, lead-zinc niobate, potassium niobate, lithium niobate or lithium tantalate, or of mixtures of these materials. The invention can be advantageously used for SAW components and enables excellent component characteristics to be obtained and components of this type to be integrated into silicon.

Description

Die Erfindung betrifft ein akustisches Oberflächenwellenbauelement, enthaltend eine ferroelektrische Schicht auf einem Träger (Substrat) und Interdigitalwandler oberhalb und/oder unterhalb der Schicht.The invention relates to an acoustic Surface wave device containing a ferroelectric Layer on a support (substrate) and interdigital transducer above and / or below the layer.

Ferroelektrische Perowskitschichten wie zum Beispiel PZT- Schichten stellen für unterschiedliche mikroelektronische Anwendungen eine Schlüsselsubstanz dar, sowohl für pyroelektrische Arrays und für mikroelektromechanische Elemente (MEMS) als auch für ferroelektrische Speicherschichten.Ferroelectric perovskite layers such as PZT Layers represent different microelectronic Applications is a key substance, both for pyroelectric arrays and for microelectromechanical Elements (MEMS) as well as for ferroelectric Storage layers.

Die Nutzung der Piezoelektrizität ferroelektrischer Schichten für Bauelemente der Akustoelektronik (SAW-Bauelemente) ist aus mehreren Gründen von Interesse, zum Beispiel zur Erzielung herausragender Bauelementeeigenschaften oder zur Integration auf Silizium.The use of piezoelectricity in ferroelectric layers for components of acoustic electronics (SAW components) of interest for several reasons, for example Achievement of outstanding component properties or for Integration on silicon.

Nichtpiezoelektrische Substrate wie Saphir oder Diamant eröffnen aufgrund ihrer hohen Schallgeschwindigkeiten Anwendungsbereiche für SAW-Bauelemente bei hohen Frequenzen. Obwohl erste SAW-Anordnungen mit PZT-Schichten bereits Mitte der 80er Jahre untersucht wurden (H. Adachi, T. Mitsuyu, K. Wasa, "SAW properties of PLZT epitaxial thin films", Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 24 (1985) suppl. 24-1, pp. 121-123), gibt es bis heute noch keine praktische Anwendung in kommerziell verfügbaren Bauelementen. Nach wie vor wird jedoch PZT- Schichten aufgrund des generell hohen elektromechanischen Koppelfaktors für zukünftige Telekommunikationssyteme mit Breitbandverhalten und hoher Temperaturstabilität eine aussichtsreiche Perspektive gegeben (T. Omori, K. Hashimoto, M. Yamaguchi, "PZT thin films for SAW and BAW devices", Int. Symp. on Acoustic Wave Devices for Future Mobile Communication Systems, 5-7 March, 2001, Chiba University, Japan). PZT-Schichten, die mit Sputter- oder Sol-Gel- Verfahren hergestellt wurden, wird eine Anwendbarkeit sogar im SHF-Gebiet bescheinigt, so dass ihr Einsatz im UHF/SHF- Gebiet attraktiv erscheint.Non-piezoelectric substrates such as sapphire or diamond open up due to their high sound speeds Areas of application for SAW components at high frequencies. Although the first SAW arrangements with PZT layers are already in the middle of the 1980s (H. Adachi, T. Mitsuyu, K. Wasa, "SAW properties of PLZT epitaxial thin films", Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 24 (1985) suppl. 24-1, pp. 121-123), there is to date no practical application in commercial available components. However, PZT- Layers due to the generally high electromechanical Coupling factor for future telecommunications systems with Broadband behavior and high temperature stability promising perspective (T. Omori, K. Hashimoto, M. Yamaguchi, "PZT thin films for SAW and BAW devices", Int. Symp. On Acoustic Wave Devices for Future Mobile Communication Systems, March 5-7, 2001, Chiba University, Japan). PZT layers coated with sputter or sol gel Processes have been made even one applicability in the SHF area, so that their use in the UHF / SHF Area appears attractive.

Es wurden auch schon Anordnungen und Experimente an PZT- Schichten mit Polarisierung in der Schichtebene beschrieben. Dabei wird die Schicht parallel zur SAW-Ausbreitungsrichtung polarisiert, wobei zum Einstellen der Polarisierung die interdigitalen Wandler benutzt werden (T. Omori, K. Hashimoto, M. Yamaguchi, "PZT thin films for SAW and BAW devices", Int. Symp. on Acoustic Wave Devices for Future Mobile Communication Systems, 5-7 March, 2001, Chiba University, Japan).Arrangements and experiments on PZT Layers with polarization described in the layer plane. The layer becomes parallel to the direction of SAW propagation polarized, the to adjust the polarization interdigital converter can be used (T. Omori, K. Hashimoto, M. Yamaguchi, "PZT thin films for SAW and BAW devices ", Int. Symp. on Acoustic Wave Devices for Future Mobile Communication Systems, March 5-7, 2001, Chiba University, Japan).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, akustische Oberflächenwellenbauelemente, enthaltend eine ferroelektrische Schicht auf einem Träger (Substrat) und Interdigitalwandler oberhalb und/oder unterhalb der Schicht, so auszubilden, dass diese in der ferroelektrischen Schicht einen gegenüber dem Stand der Technik wesentlich erhöhten Koppelfaktor aufweisen.The invention has for its object acoustic Surface acoustic wave devices containing one ferroelectric layer on a carrier (substrate) and Interdigital transducers above and / or below the layer, so that they form in the ferroelectric layer a significantly increased compared to the prior art Have coupling factor.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung bei Oberflächenwellenbauelementen dadurch gelöst, dass die ferroelektrische Schicht eine Dicke im Bereich von 0,25 bis 0,35 der Wellenlänge der im Bauelement transportierten akustischen Welle besitzt und eine remanente Polarisation aufweist, die in der Schichtebene liegt und eine Vorzugsorientierung senkrecht zur Wellenausbreitung hat.This object is achieved according to the invention Surface wave components solved in that the ferroelectric layer has a thickness in the range of 0.25 to 0.35 of the wavelength of the transported in the component acoustic wave and retentive polarization has, which lies in the layer plane and a Preferred orientation perpendicular to the wave propagation.

Die ferroelektrische Schicht kann dabei vorzugsweise aus Bleizirkonattitanat, Bariumtitanat, Bleititanat, Bleizinkniobat, Kaliumniobat, Lithiumniobat oder Lithiumtantalat oder aus Mischungen dieser Materialien bestehen.The ferroelectric layer can preferably be made of Lead zirconate titanate, barium titanate, lead titanate, Lead zinc niobate, potassium niobate, lithium niobate or Lithium tantalate or mixtures of these materials consist.

Das erfindungsgemäße Oberflächenwellenbauelement zeichnet sich gegenüber dem Stand der Technik durch einen außergewöhnlich großen Koppelfaktor der ferroelektrischen Schicht aus. So erhält man zum Beispiel mit PZT-Schichten auf unterschiedlichen Substraten (Si, SiO₂, Diamant, Saphir) Koppelfaktoren von nahe 40% bei Schichtdicken von der Größenordnung 0,25 bis 0,35 der akustischen Wellenlänge. Dagegen erreichen beispielsweise Rayleighwellen in YZ/LiNbO₃ nur 4,4% und STX/Quarz nur 0,14%. Der höchster Koppelfaktor von kommerziell verfügbaren Wafern beträgt für eine Pseudooberflächenwelle in 41°YX Lithiumniobat höchstens 17.2%. Vorteilhaft ist außerdem, dass die erfindungsgemäß erreichten ausgezeichneten Werte unabhängig vom verwendeten Träger sind.The surface wave component according to the invention is distinguished from the prior art by an extraordinarily large coupling factor of the ferroelectric layer. For example, with PZT layers on different substrates (Si, SiO ₂ , diamond, sapphire) coupling factors of close to 40% are obtained with layer thicknesses of the order of 0.25 to 0.35 of the acoustic wavelength. In contrast, Rayleigh waves in YZ / LiNbO ₃ , for example, only reach 4.4% and STX / quartz only 0.14%. The highest coupling factor of commercially available wafers for a pseudo surface wave in 41 ° YX lithium niobate is at most 17.2%. It is also advantageous that the excellent values achieved according to the invention are independent of the carrier used.

Nachstehend ist die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die zugehörige Zeichnung zeigt einen Teil eines Oberflächenwellenbauelements in perspektivischer Darstellungsweise.The invention is based on an exemplary embodiment explained in more detail. The accompanying drawing shows a part of a surface acoustic wave device in perspective Presentation.

Gemäß der Zeichnung ist auf einem Träger 1 eine ferroelektrische Schicht 2 und auf dieser ein Interdigitalwandler 3 angeordnet. Der Träger 1 besteht aus SiO₂. Die ferroelektrische Schicht hat eine Dicke von 0,25 der Wellenlänge der im Bauelement transportierten akustischen Welle und besteht aus PbZr_0,53T1_0,47O₃. Der Pfeil 4 gibt die Richtung der elektrischen Polarisation in der ferroelektrischen Schicht 2 und der Pfeil 5 die Ausbreitungsrichtung der Welle an. Der Doppelpfeil 6 verdeutlicht die Schwingungsrichtung der Welle.According to the drawing, a ferroelectric layer 2 and an interdigital transducer 3 are arranged on a carrier 1 . The carrier 1 consists of SiO ₂ . The ferroelectric layer has a thickness of 0.25 the wavelength of the acoustic wave transported in the component and consists of PbZr _0.53 T1 _0.47 O ₃ . The arrow 4 indicates the direction of the electrical polarization in the ferroelectric layer 2 and the arrow 5 the direction of propagation of the wave. The double arrow 6 illustrates the direction of vibration of the shaft.

Claims

1. Acoustic surface wave component containing a ferroelectric layer on a carrier (substrate) and interdigital transducers above and / or below the layer, characterized in that the ferroelectric layer has a thickness in the range from 0.25 to 0.35 of the wavelength transported in the component has acoustic wave and has a remanent polarization, which lies in the layer plane and has a preferred orientation perpendicular to the wave propagation.

2. Surface wave component according to claim 1, characterized characterized in that the ferroelectric layer Lead zirconate titanate, barium titanate, lead titanate, Lead zinc niobate, potassium niobate, lithium niobate or Lithium tantalate or mixtures of these materials consists.