DE19803791B4

DE19803791B4 - Akustisches Oberflächenwellenbauelement

Info

Publication number: DE19803791B4
Application number: DE19803791A
Authority: DE
Inventors: Michio Kadota
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1997-02-07
Filing date: 1998-01-30
Publication date: 2004-12-30
Anticipated expiration: 2018-01-31
Also published as: US6710509B1; DE19803791A1; JPH10224172A; JP3196678B2

Abstract

Akustisches Oberflächenwellenbauelement mit
– einem Quarzsubstrat,
– einer auf dem Quarzsubstrat angeordneten piezoelektrischen Dünnschicht mit einem positiven Temperaturkoeffizienten der Verzögerung und mit
– einer Interdigitalelektrode, die so angeordnet ist, daß sie mit der piezoelektrischen Dünnschicht in Kontakt steht,
wobei das Quarzsubstrat einen Winkel ϕ bei dem Eulerschen Winkel (0, ϕ, θ) aufweist, der so gewählt ist, daß das Quarzsubstrat bei einer vorbestimmten Ausbreitungsrichtung Θ einen negativen Temperaturkoeffizienten der Verzögerung aufweist und die piezoelektrische Dünnschicht eine Stärke H aufweist, die so gewählt ist, daß ein Grundtyp eine Leckwelle als akustische Oberflächenwelle auf dem Quarzsubstrat angeregt wird und das akustische Oberflächenwellenbauelement unter Verwendung des Grundtyps der Leckwelle als akustische Oberflächenwelle arbeitet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein akustisches Oberflächenwellenbauelement mit einem Quarzsubstrat und insbesondere ein akustisches Oberflächenwellenbauelement, das auf die Erzeugung eines Grundtyps einer verlustbehafteten akustischen Oberflächenwelle Leckwelle ausgelegt ist.
Ein akustisches Oberflächenwellenbauelement (surface acoustic wave = SAW; im folgenden werden akustische Oberflächenwellen kurz als "SAW" bezeichnet) wird beispielsweise weit verbreitet als Bandfilter bei Mobilkommunikationsgeräten verwendet. Im allgemeinen weist ein akustisches Oberflächenwellenbauelement ein piezoelektrisches Substrat und mindestens einen Interdigitalwandler (interdigital transducer, im folgenden kurz "IDT") auf, der mindestens ein Paar kammförmiger Elektroden umfaßt, die auf dem piezoelektrischen Substrat angeordnet sind. Das Substratmaterial des akustischen Oberflächenwellenbauelements kann ein piezoelektrischer Einkristall, beispielsweise LiNbO₃, LiTaO₃ oder Quarz, sowie piezoelektrische Keramik, beispielsweise PZT-piezoelektrische Keramik, sein.
Zur Verwirklichung breiter Bandeigenschaften in dem akustischen Oberflächenwellenbauelement muß ein piezoelektrisches Material einen großen elektromechanischen Kopplungsfaktor besitzen. Bei manchen spezifischen Anwendungen muß das piezoelektrische Material weiterhin einen guten Temperaturkennwert aufwei sen, d.h. die Frequenzverschiebung seiner Filtereigenschaften, die durch eine Temperaturänderung verursacht wird, muß gering sein.
Quarz ist unter den eingangs erwähnten piezoelektrischen Materialien als Substratmaterial mit einem kleinen Temperaturkoeffizient der Verzögerung (temperature coefficient of delay, im folgenden auch kurz "TCD") bekannt. Daher sind verschiedene Arten von akustischen Oberflächenwellenbauelementen, die jeweils ein Quarzsubstrat verwenden, vorgeschlagen worden.
Wenn jedoch Rayleigh-Wellen auf einem Quarzsubstrat angeregt werden, tritt das Problem auf, daß der elektromechanische Kopplungsfaktor unerwünschterweise klein ist. Der elektromechanische Kopplungsfaktor ks beträgt beispielsweise höchstens 3,7%, wenn ein Quarzsubstrat mit einer ausgezeichneten TCD verwendet wird.
Weiterhin tritt das Problem auf, daß die auf dem Quarzsubstrat angeregten Raleigh-Wellen eine derart geringe SAW-Geschwindigkeit besitzen, daß das das Quarzsubstrat umfassende akustische Oberflächenwellenbauelement nicht für ein Hochfrequenzbauelement verwendet werden kann. Es ist zwar bekannt, daß eine verlustbehaftete akustische Oberflächenwelle mit einer verhältnismäßig hohen Schallgeschwindigkeit auf einem Quarzsubstrat angeregt werden könnte, doch ist der Betrag des Ausklingens der verlustbehafteten akustischen Oberflächenwelle aufgrund der Ausbreitung derart groß, daß die Verwendung der verlustbehafteten akustischen Oberflächenwelle als schwierig betrachtet wird.
Akustische Oberflächenwellen unterliegen beispielsweise in Quarzschichten aufgrund von sich parallel von der Oberfläche ausbreitenden Scherwellen einem Energieverlust. Diese Erscheinung wir als "verlustbehaftete akustische Oberflächenwelle" bezeichnet, die in der Literatur auch als Leckwelle oder als "leaky surface acoustic wave" bekannt ist.
Aus den vorstehend genannten Gründen ist es sehr schwierig, ein akustisches Oberflächenwellenbauelement zu verwirklichen, das bei hohen Frequenzen arbei ten und einen hohen elektromechanischen Kopplungsfaktor und eine geringe TCD aufweisen kann.

In der offengelegten japanischen Patentveröffentlichung Nr. 61-222312 wird beispielsweise ein akustisches Oberflächenwellenbauelement offenbart, bei dem eine piezoelektrische Dünnschicht auf einem Quarzsubstrat und eine IDT-Elektrode auf der piezoelektrischen Dünnschicht angeordnet werden. Diese japanische Patentveröffentlichung offenbart, daß eine akustische Oberflächenwelle mit einer etwa 1,7 Mal höheren Schallgeschwindigkeit als eine normale Rayleigh-Welle durch Verwendung eines ST-geschnittenen Quarzsubstrats und derartiges Ausbilden einer Elektrode, daß die Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle senkrecht zur x-Ausbreitungsrichtung erfolgt, erzielt werden kann. Die akustische Oberflächenwelle, die nach diesem Stand der Technik als möglich angesehen wird, ist jedoch eigentlich eine Kombination einer Oberflächenshim-Volumenwelle (surface shimming bulk waqve, im folgenden auch "SSBW") und einer Oberflächenquerwelle (suface transverse wave, im folgenden auch "STW"), die sich in bezug auf die Frequenz ähneln. Daher ist ihre Verwendung bei einem akustischen Oberflächenwellenresonator oder ähnlichem schwierig.

DE 44 00 980 A1 beschreibt die Verwendung von Love-Wellen für ein Oberflächenwellenbauelement und Strukturen zur Ausbildung von Love-Wellen unter Verwendung eines Lithiumniobatsubstrates. Unter Verwendung einer Siliziumdioxidschicht auf einem Lithiumniobatsubstrat werden Rayleigh-Wellen erzeugt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein akustisches Oberflächenwellenbauelement zu schaffen, das eine geringe TCD und einen großen elektromechanischen Kopplungsfaktor aufweist und zum Einsatz bei hohen Frequenzen geeignet ist.

Diese Aufgabe wird mit einem Oberflächenwellenbauelement mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Unteransprüche sind auf vorteilhafte Ausgestaltungen gerichtet.

Die Erfindung überwindet die eingangs erwähnten Probleme, die bei herkömmlichen Einrichtungen auftreten.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfaßt ein akustisches Oberflächenbauelement ein Quarzsubstrat, eine auf dem Quarzsubstrat angeordnete piezoelektrische Dünnschicht und eine in Kontakt mit der piezoelektrischen Dünnschicht stehende Interdigitalelektrode. Das Quarzsubstrat weist einen Winkel ϕ bei dem Eulerschen Winkel (0, ϕ, θ) auf, der so gewählt ist, daß das Quarzsubstrat bei einer vorbestimmten Ausbreitungsrichtung Θ einen negativen Temperaturkoeffizienten der Verzögerung aufweist. Die piezoelektrische Dünnschicht besitzt einen positiven Temperaturkoeffizienten der Verzögerung und eine Stärke H, die so gewählt ist, daß ein Grundtyp einer verlustbehafteten akustischen Oberflächenwelle auf dem Quarzsubstrat angeregt wird, und das akustische Oberflächenwellenbauelement arbeitet unter Verwendung des Grundtyps der verlustbehafteten akustischen Oberflächenwelle.

Eine durch Dividieren der Stärke H der piezoelektrischen Dünnschicht durch eine Wellenlänge λ der anzuregenden verlustbehafteten akustischen Oberflächenwelle erhaltene normierte Schichtstärke H/λ liegt bevorzugt in dem Bereich von etwa 0,01 bis etwa 0,15.

Der Winkel ϕ liegt bevorzugt in dem Bereich von etwa 119° bis etwa 167° und bevorzugter in dem Bereich von 119° bis 138°.

Die Ausbreitungsrichtung Θ liegt bevorzugt in dem Bereich von etwa 85° bis etwa 95°.

Die piezoelektrische Dünnschicht wird bevorzugt aus einem Material hergestellt, das aus der Gruppe bestehend aus ZnO, AlN, Ta₂O₅ oder CdS gewählt wird.

Die Interdigitalelektrode kann zwischen der piezoelektrischen Dünnschicht und dem Quarzsubstrat angeordnet werden. Weiterhin kann das akustische Oberflächenbauelement eine auf der piezoelektrischen Dünnschicht angeordnete Erdungselektrode umfassen.

Bei dem akustischen Oberflächenwellenbauelement nach den bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen weist ein Quarzsubstrat einen so gewählten Winkel auf, daß ein Temperaturkoeffizient einer Verzögerung (TCD) bei der vorbestimmten Ausbreitungsrichtung einen negativen Wert annimmt, während eine piezoelektrische Dünnschicht einen positiven Temperaturkoeffizienten der Verzögerung aufweist. Auf dem Quarzsubstrat ist auch eine piezoelektrische Dünnschicht mit einem positiven Temperaturkoeffizienten der Verzögerung vorgesehen. Deshalb wird durch die Kombination der einzigartigen Merkmale des Quarzsubstrats und der piezoelektrischen Dünnschicht, einschließlich des jeweiligen negativen Temperaturkoeffizienten der Verzögerung und des jeweiligen positiven Temperaturkoeffizienten der Verzögerung, ein verringerter TCD-Wert definiert, wodurch ein zusammengesetztes Substrat mit einer sehr geringen TCD gebildet wird.

Darüberhinaus ist die Stärke der piezoelektrischen Dünnschicht so ausgelegt, daß ein Grundtyp einer verlustbehafteten akustischen Oberflächenwelle erzeugt wird. Daher ist es möglich, ein akustisches Oberflächenwellenbauelement zur Hand zu geben, das bei dem Grundtyp einer verlustbehafteten akustischen Oberflächenwelle arbeitet und eine sehr geringe TCD aufweist.

Weiterhin ist es bei Festsetzen einer normierten Schichtstärke der piezoelektrischen Dünnschicht innerhalb des oben festgelegten bevorzugten Bereichs möglich, ein akustisches Oberflächenbauelement zu bilden, das nicht nur eine sehr geringe TCD, sondern auch einen hohen elektromechanischen Kopplungsfaktor aufweist.

Da der Eulersche Winkel des Quarzsubstrats auf etwa (0, 119° bis 167°, 85° bis 95°) festgesetzt ist, ist es weiterhin möglich, ein akustisches Oberflächenwellenbauelement zuverlässig zur Hand zu geben, das beim Grundtyp einer verlustbehafteten akustischen Oberflächenwelle arbeitet und einen sehr niedrigen Temperaturkoeffizienten und einen sehr hohen elektromechanischen Kopplungsfaktor aufweist.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert.

1A ist eine Draufsicht auf ein akustisches Oberflächenwellenbauelement nach einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführung.

1B ist eine Querschnittsansicht eines Hauptteils des in 1A gezeigten akustischen Ober Flächenwellenbauelements.

2A ist eine Draufsicht auf ein akustisches Oberflächenwellenbauelement nach einer weiteren bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführung.

2B ist eine Querschnittsansicht eines Hauptteils eines in 2A gezeigten akustischen Oberflächenwellenbauelements.

3A ist eine Draufsicht auf ein akustisches Oberflächenwellenbauelement nach einer noch weiteren bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführung.

3B ist eine Querschnittsansicht eines Hauptteils eines in 3A gezeigten akustischen Ober Flächenwellenbauelements.

4 ist eine Kurve, die das Verhältnis zwischen einer normierten Schichtstärke H/λ einer ZnO-Dünnschicht und der Schallgeschwindigkeit in dem akustischen Ober Flächenwellenbauelement, in dem die ZnO-Dünnschicht auf einem Quarzsubstrat mit einem Eulerschen Winkel (0, 132°75', 90°) gebildet wird, zeigt.

5 ist eine Kurve, die das Verhältnis zwischen der TCD und dem Winkel ϕ des Quarzsubstrats bei dem Eulerschen Winkel (0, ϕ, 90°) zeigt.

6 zeigt das Verhältnis zwischen der TCD des akustischen Oberflächenwellenbauelements mit einem Quarzsubstrat bei dem Eulerschen Winkel (0, 132°45', 90°) und verschiedenen normierten Stärken der auf dem Quarzsubstrat ausgebildeten ZnO-Dünnschicht.

7 ist eine Kurve, die das Verhältnis zwischen dem elektromechanischen Kopplungsfaktor und der normierten Schichtstärke der ZnO-Dünnschicht in dem in 1A und 1B gezeigten akustischen Oberflächenwellenbauelement zeigt.

8 ist eine Kurve, die das Verhältnis zwischen dem elektromechanischen Kopplungsfaktor und der normierten Schichtstärke der ZnO-Dünnschicht in dem in 2A und 2B gezeigten akustischen Oberflächenwellenbauelement zeigt.

9 zeigt das Verhältnis zwischen der TCD in dem in 1A und 1B gezeigten akustischen Oberflächenwellenbauelement und dem Winkel ϕ bei dem Eulerschen Winkel (0, ϕ, 90°) und verschiedenen normierten Schichtstärken H/λ.

10 ist eine Kurve, die das Verhältnis zwischen dem elektromechanischen Kopplungsfaktor des in 1A und 1B gezeigten akustischen Oberflächenwellenbauelements und dem Winkel ϕ bei dem Eulerschen Winkel (0, ϕ, 90°) und verschiedenen normierten Schichtstärken H/λ zeigt.

Die bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beruhen auf der Entdeckung des Erfinders, daß ein neues akustischen Oberflächenwellenbauelement unter Verwendung eines Grundtyps einer verlustbehafteten akustischen Oberflächenwelle und mit ausgezeichneten Eigenschaften konstruiert werden kann, wenn die mit dem Abklingen der verlustbehafteten akustischen Oberflächenwelle während der Ausbreitung verbundenen Probleme überwunden werden. In Folge intensiver Untersuchungen hat der Erfinder entdeckt, daß das Abklingen der verlustbehafteten akustischen Oberflächenwelle während der Ausbreitung durch Anordnen der piezoelektrischen Dünnschicht auf dem Quarzsubstrat unterdrückt werden kann und daß die TCD des Quarzsubstrats mit der piezoelektrischen Dünnschicht sehr niedrig bzw. im wesentlichen bei Null gehalten werden kann, indem ein Quarzsubstrat mit einer negativen TCD und eine piezoelektrische Dünnschicht mit einer positiven TCD verwendet werden.
Nachfolgend werden die bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungen ausführlich unter Bezug auf die Zeichnungen erläutert.
1A und 1B zeigen ein akustisches Oberflächenwellenbauelement 4 nach einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführung. Das akustische Oberflächenwellenbauelement 4 ist ein Transversalfilter und beinhaltet ein Quarzsubstrat 1, eine darauf angeordnete piezoelektrische Dünnschicht 3 und Interdigitalwandler 2. Die Interdigitalwandler (IDT) 2 sind vorzugsweise zwischen der piezoelektrischen Dünnschicht 3 und dem Quarzsubstrat 1 so angeordnet, daß die Interdigitalwandler 2 in Kontakt mit der piezoelektrischen Schicht 3 stehen. Jeder der Interdigitalwandler 2 beinhaltet einen Satz kammförmiger Elektroden, die fingerartig miteinander greifen.
Die Interdigitalwandler 2 können auf der piezoelektrischen Dünnschicht 3 vorgesehen werden. Wie in 2A und 2B dargestellt ist, wird insbesondere in einem akustischen Oberflächenwellenbauelement 5 die piezoelektrische Schicht 3 auf dem Quarzsubstrat 1 vorgesehen, und die Interdigitalwandler 2 können auf einer Oberfläche der piezoelektrischen Dünnschicht 3 angeordnet werden.
Ein akustisches Oberflächenwellenbauelement 4 nach einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführung kann weiterhin eine Erdungselektrode umfassen. Wie in 3A und 3B gezeigt ist, umfaßt ein akustisches Oberflächenwellenbauelement 7 das Quarzsubstrat 1, die piezoelektrische Dünnschicht 3, die Interdigitalwandler 2 und eine Erdungselektrode 6. Die Erdungselektrode 6 ist vorzugsweise so auf der piezoelektrischen Dünnschicht 3 vorgesehen, daß sie die zwischen dem Quarzsubstrat 1 und der piezoelektrischen Dünnschicht 3 vorgesehenen Interdigitalwandler 2 bedeckt.
Die in dem akustischen Oberflächenwellenbauelement nach diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendete piezoelektrischen Dünnschicht ist bevorzugt aus ZnO, AlN, Ta₂O₅ oder CdS hergestellt. Nach der Entdeckung des Erfinders ist eine ZnO-Dünnschicht bevorzugter.
In den akustischen Oberflächenwellenbauelementen 4, 5 und 7 weist das Quarzsubstrat vorzugsweise einen so gewählten Winkel ϕ bei dem Eulerschen Winkel (0, ϕ, θ) auf, daß ein negativer Temperaturkoeffizient der Verzögerung (TCD) bei einer vorbestimmten Ausbreitungsrichtung, in der sich die akustischen Oberflächenwellen ausbreiten, verliehen wird. Die piezoelektrische Dünnschicht 3 weist eine Stärke auf, die die Anregung eines Grundtyps einer verlustbehafteten akustischen Oberflächenwelle auf dem Quarzsubstrat 1 erlaubt. Weiterhin weist die piezoelektrische Dünnschicht 3 eine positive TCD auf.
In dem akustischen Oberflächenwellenbauelement dieses bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung ist der Grundtyp einer verlustbehafteten akustischen Oberflächenwelle eine Scherhorizontal(SH)-Oberflächenwelle, die eine Verdrängung aufweist, die im wesentlichen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Oberflächenwelle erfolgt, und die eine Hauptkomponente aufweist, die im wesentlichen parallel zur Oberfläche des Substrats ist. Bei der Verwendung der verlustbehafteten akustischen SH-Oberflächenwelle wird bevorzugt, daß die Ausbreitungsrichtung Θ, in der sich die verlustbehaftete akustische SH-Oberflächenwelle ausbreitet, innerhalb des Bereichs von etwa 85° bis etwa 95° liegt. Dies bedeutet, daß das Quarzsubstrat 1 vorzugsweise einen Eulerschen Winkel (0, ϕ, 85° – 95°) aufweist.
4 ist eine Kurve, die das Verhältnis zwischen der Schallgeschwindigkeit einer akustischen Oberflächenwelle und einer normierten Schichtstärke H/λ einer ZnO-Dünnschicht in einem akustischen Oberflächenwellenbauelement zeigt, bei dem ein IDT auf einem Quarzsubstrat mit einem Eulerschen Winkel (0, 132°45', 89°) angeordnet wird und die ZnO-Dünnschicht darauf weiterhin in verschiedenen Stärken angeordnet wird. Die normierte Schichtstärke H/λ wird als Wert definiert, der durch Dividieren der Stärke H(μm) der piezoelektrischen Dünnschicht durch die Wellenlänge λ(μm) der anzuregenden akustischen Oberflächenwelle erhalten wird. In 4 stellt die Linie A einen Grundtyp einer verlustbehafteten akustischen Oberflächenwelle dar und die Linie B stellt eine Rayleigh-Welle dar.
Wie aus 4 hervorgeht werden sowohl ein Grundtyp einer verlustbehafteten akustischen Oberflächenwelle als auch eine Rayleigh-Welle in dem akustischen Oberflächenwellenbauelement angeregt, und der Grundtyp einer verlustbehafteten akustischen Welle mit einer größeren SAW-Geschwindigkeit als die der Rayleigh-Welle kann durch Festsetzen der normierten Schichtstärke H/λ der ZnO-Dünnschicht auf die erforderlichen Werten angeregt werden.
Daher offenbart 4, daß die Verwendung des oben erwähnten Quarzsubstrats die Anregung des Grundtyps der verlustbehafteten akustischen Oberflächenwelle mit einer höheren SAW-Geschwindigkeit als die der Rayleigh-Welle ermöglicht.
Es ist bestätigt worden, daß der Grundtyp einer verlustbehafteten akustischen Oberflächenwelle sowohl in der ZnO-Dünnschicht als auch in dem Quarzsubstrat angeregt wird, während die Hauptkomponente des Grundtyps der verlustbehafteten akustischen Oberflächenwelle in der ZnO-Dünnschicht vorliegt. Somit fungieren die ZnO-Dünnschicht und das Quarzsubstrat als ein zusammengesetztes Substrat.
Wenngleich dies in 4 nicht insbesondere gezeigt wird, können eine Sezawa-Welle, die ein höherer Typ der Rayleigh-Welle ist, und ein Typ höherer Ordnung der verlustbehafteten akustischen Oberflächenwelle ebenfalls zusätzlich zu den akustischen Oberflächenwellen durch Festsetzen der relativen Stärke H/λ der ZnO-Dünnschicht auf die erforderlichen Werte angeregt werden.
5 ist eine Kurve, die das Verhältnis zwischen der TCD und dem Winkel ϕ des Quarzsubstrats bei dem Eulerschen Winkel (0, ϕ, 90°) zeigt. 5 zeigt, daß die TCD durch Ändern des Winkels ϕ variiert wird und daß die TCD einen negativen Wert besitzt, wenn der Winkel ϕ innerhalb des Bereichs von etwa 123° bis etwa 177° liegt.
6 zeigt das Verhältnis zwischen der TCD des oben erwähnten akustischen Oberflächenwellenbauelements mit einem Quarzsubstrat bei dem Eulerschen Winkel (0, 132°45', 90°) und auf dem Quarzsubstrat angeordneten verschiedenen normierten Stärken der ZnO-Dünnschicht. In 6 stellt die Linie C einen Grundtyp einer verlustbehafteten akustischen Oberflächenwelle dar, die Linie D stellt eine Rayleigh-Welle und die Linie E einen Typ höherer Ordnung der verlustbehafteten akustischen Oberflächenwelle dar.
6 offenbart, daß die TCD durch Festlegen der normierten Schichtstärke H/λ der ZnO-Dünnschicht auf etwa 0,05 Null gebracht werden kann, wenn der Grundtyp der verlustbehafteten akustischen Oberflächenwelle verwendet wird.
Dies bedeutet, daß, wenngleich die TCD des Quarzsubstrats bei dem Eulerschen Winkel (0, 132°45', 90°) negativ ist, ein Grundtyp einer verlustbehafteten akustischen Oberflächenwelle mit einer höheren Schallgeschwindigkeit als bei einer Rayleigh-Welle durch Überlagern einer ZnO-Dünnschicht mit einer positiven TCD angeregt werden kann und die TCD auf etwa Null gebracht werden kann.
7 ist eine Kurve, die das Verhältnis zwischen dem elektromechanischen Kopplungsfaktor und der normierten Schichtstärke der ZnO-Dünnschicht in dem in 1A und 1B gezeigten akustischen Oberflächenwellenbauelement zeigt. In 7 stellt die Linie F einen Grundtyp einer verlustbehafteten akustischen Oberflächenwelle dar und die Linie G stellt einen Typ höherer Ordnung der verlustbehafteten akustischen Oberflächenwelle dar. Wie aus 7 ersichtlich ist, liegt der elektromechanische Kopplungsfaktor in dem akustischen Oberflächenwellenbauelement 4 bei mehr als etwa 0,03, wenn die normierte Schichtstärke H/λ der ZnO-Dünnschicht innerhalb des Bereichs von etwa 0,01 bis etwa 0,15 liegt. Es ist daher möglich, durch Festlegen der normierten Schichtstärke H/λ in dem gewünschten Bereich einen hinreichend großen elektromechanischen Kopplungsfaktor zu erhalten. Wenn die normierte Schichtstärke H/λ der ZnO-Dünnschicht auf den Wert innerhalb des Bereichs von etwa 0,03 bis etwa 0,08 gesetzt wird, wird darüberhinaus der elektromechanische Kopplungsfaktor größer als etwa 0,04. Dieser Wert kann nicht durch ein ein herkömmliches Quarzsubstrat und eine Rayleigh-Welle einsetzendes akustisches Oberflächenwellenbauelement erzielt werden.
Wenn ein Quarzsubstrat mit so gewähltem Winkel ϕ und so gewählter Ausbreitungsrichtung Θ, daß eine negative TCD gegeben ist, als ein Quarzsubstrat verwendet wird, eine piezoelektrische Dünnschicht, die sich auf dem Quarzsubstrat befindet, so ausgewählt wird, daß sie einen positiven Temperaturkoeffizienten der Verzögerung besitzt, und die Stärke H/λ der piezoelektrischen Dünnschicht innerhalb des Bereichs von etwa 0,01 bis etwa 0,15 liegt, ist es daher möglich, ein akustisches Oberflächenwellenbauelement zu erhalten, das einen hohen elektromechanischen Kopplungsfaktor und eine sehr niedrige TCD aufweist.
8 ist eine Kurve, die das Verhältnis zwischen dem elektromechanischen Kopplungsfaktor und der normierten Schichtstärke der ZnO-Dünnschicht in dem in 2A und 2B gezeigten akustischen Oberflächenwellenbauelement 5 zeigt. In 8 stellt die Linie H einen Grundtyp eines verlustbehafteten akustischen Oberflächenwellentyps dar, die Linie I stellt eine Rayleigh-Welle und die Linie J stellt einen höheren Typ der verlustbehafteten akustischen Oberflächenwelle dar. Die in 6 gezeigten Eigenschaften ergeben sich auch aus der Verwendung des Quarzsubstrats mit dem oben erwähnten Eulerschen Winkel.
8 offenbart, daß der elektromechanische Kopplungsfaktor des Grundtyps der verlustbehafteten akustischen Oberflächenwelle auch durch Festlegen der normierten Schichtstärke H/λ der ZnO-Dünnschicht innerhalb des Bereichs von etwa 0,01 bis etwa 0,15 in dem in 2A und 2B gezeigten akustischen Oberflächenwellenbauelement 5 hoch gehalten werden kann.
9 zeigt das Verhältnis zwischen der TCD in dem in 1A und 1B gezeigten akustischen Oberflächenwellenbauelement und dem Winkel ϕ bei dem Eulerschen Winkel (0, ϕ, 90°) und verschiedenen normierten Schichtstärken H/λ. In 9 stellen die Linien K, L und M Fälle dar, bei denen H/λ jeweils auf etwa 0,032, etwa 0,044 und etwa 0,009 gesetzt wurde.
9 offenbart, daß selbst bei Ausbildung einer der obigen ZnO-Dünnschichten, die die oben genannten drei Stärken aufweisen, die TCD des akustischen Oberflächenwellenbauelements innerhalb des Bereichs von 0 ± 20ppm/°C liegt, indem der Winkel ϕ innerhalb des Bereichs von etwa 119° bis etwa 138° und des Bereichs von etwa 162° bis etwa 178° gesetzt wird und die normierte Schichtstärke H/λ der ZnO-Dünnschicht auf den zuvor erwähnten Wert gesetzt wird.
Aus den oben erwähnten Gründen wird die Verwendung des Quarzsubstrats mit einem Eulerschen Winkel (0, 119° – 138°, 85° – 95°) und (0, 162° – 178°, 85° – 95°) bevorzugt, um ein akustisches Oberflächenelement mit einer ausgezeichneten TCD zu erhalten.
Wenngleich 9 die Ergebnisse des in 1A und 1B gezeigten akustischen Oberflächenwellenbauelements zeigt, ist bestätigt worden, daß die TCD bei den in 2A, 2B, 3A und 3B gezeigten akustischen Oberflächenwellenbauelementen 5 und 7 ausgezeichnet ist, wenn der Eulersche Winkel auf den oben erwähnten Wert gesetzt wird.
10 ist eine Kurve, die das Verhältnis zwischen dem elektromechanischen Kopplungsfaktor k des in 1A und 1B gezeigten akustischen Oberflächenwellenbauelements und dem Winkel ϕ bei dem Eulerschen Winkel (0, ϕ, 90°) und verschiedenen normierten Schichtstärken H/λ zeigt.
In 10 stellen die Linien N, O und P die Fälle dar, bei denen die Werte von H/λ jeweils auf etwa 0,032, etwa 0,044 und etwa 0,009 gesetzt sind.
Wie in 10 dargestellt ist, wird bevorzugt, daß vom Standpunkt der Verbesserung des elektromechanischen Kopplungsfaktors k aus ein Winkel ϕ so ausgewählt wird, daß er einen Wert innerhalb des Bereichs von etwa 119° bis etwa 167° besitzt. Nach weiterer Forschung wurde bestätigt, daß ein großer elektromechanischer Kopplungsfaktor dadurch erzielt werden kann, daß der Winkel ϕ bei den in 2A, 2B, 3A und 3B gezeigten akustischen Oberflächenwellenbauelementen 5 und 7 innerhalb des oben festgelegten Bereichs gesetzt wird. Es wurde dadurch bestätigt, daß der Winkel ϕ vorzugsweise innerhalb des Bereichs von etwa 119° bis etwa 167° liegt, damit der große elektromechanische Kopplungsfaktor erzielt wird.
In Anbetracht der vorstehenden Ergebnisse ist es bevorzugter, daß das akustische Oberflächenwellenbauelement nach den bevorzugten Ausführungsbeispielen ein Quarzsubstrat mit Eulerschem Winkel (0, 119° – 138°, 85° – 95°) und eine normierte Stärke H/λ der piezoelektrischen Dünnschicht innerhalb des Bereichs von etwa 0,01 bis etwa 0,15 aufweist.
Wenngleich das akustische Oberflächenwellenbauelement nach den bevorzugten Ausführungen der vorliegenden Erfindung als Transversalfilter erklärt wird, kann das erfindungsgemäße akustische Oberflächenwellenbauelement ein Resonator oder ein Resonatorfilter sein. Weiterhin kann der Resonator entweder ein Resonator mit Gittereflektoren oder ein Kanten-Reflexionsresonator sein.

Claims

Akustisches Oberflächenwellenbauelement mit – einem Quarzsubstrat, – einer auf dem Quarzsubstrat angeordneten piezoelektrischen Dünnschicht mit einem positiven Temperaturkoeffizienten der Verzögerung und mit – einer Interdigitalelektrode, die so angeordnet ist, daß sie mit der piezoelektrischen Dünnschicht in Kontakt steht, wobei das Quarzsubstrat einen Winkel ϕ bei dem Eulerschen Winkel (0, ϕ, θ) aufweist, der so gewählt ist, daß das Quarzsubstrat bei einer vorbestimmten Ausbreitungsrichtung Θ einen negativen Temperaturkoeffizienten der Verzögerung aufweist und die piezoelektrische Dünnschicht eine Stärke H aufweist, die so gewählt ist, daß ein Grundtyp eine Leckwelle als akustische Oberflächenwelle auf dem Quarzsubstrat angeregt wird und das akustische Oberflächenwellenbauelement unter Verwendung des Grundtyps der Leckwelle als akustische Oberflächenwelle arbeitet.
Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine durch Dividieren der Stärke H der piezoelektrischen Dünnschicht durch eine Wellenlänge λ der anzuregenden Leckwelle als akustischer Oberflächenwelle erhaltene normierte Schichtstärke H/λ innerhalb eines Bereichs von etwa 0,01 bis etwa 0,15 liegt.
Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel ϕ in einem Bereich von etwa 119° bis etwa 167° liegt.
Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel ϕ in einem Bereich von etwa 119° bis etwa 138° liegt.
Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbreitungsrichtung Θ in einem Bereich von etwa 85° bis etwa 95° liegt.
Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Dünnschicht aus einem Material hergestellt wird, das aus der Gruppe bestehend aus ZnO, AlN, Ta₂O₅ oder CdS gewählt wird.
Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Dünnschicht aus ZnO hergestellt wird.
Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Interdigitalelektrode zwischen der piezoelektrischen Dünnschicht und dem Quarzsubstrat angeordnet wird.
Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 8, welches weiterhin eine auf der piezoelektrischen Dünnschicht angeordnete Erdungselektrode umfaßt.