DE2839177C2

DE2839177C2 - Surface wave generator

Info

Publication number: DE2839177C2
Application number: DE2839177A
Authority: DE
Inventors: Nobuo Mikoshiba; Shoichi Minagawa
Original assignee: Clarion Co Ltd
Current assignee: Faurecia Clarion Electronics Co Ltd
Priority date: 1977-09-08
Filing date: 1978-09-08
Publication date: 1994-06-01
Anticipated expiration: 1998-09-09
Also published as: FR2402945B1; JPS5441089A; FR2402945A1; NL190213C; GB2004157B; JPS5742233B2; GB2004157A; NL7809154A; DE2839177A1; JPS5448492A; JPS6320044B2; NL190213B

Description

Die Erfindung betrifft einen Oberflächenwellengenerator mit einem mono lithischen Schichtaufbau aus einem Halbleitersubstrat, einer den Ausbreitungsweg elastischer Oberflächenwellen bildenden Schicht aus piezoelektrischem Material und gegebenenfalls einem zwischen dem Halbleitersubstrat und der piezoelektrischen Schicht angeordnetem Oberflächen schutzfilm. Eine erste Elektrode ist auf der Außen fläche der piezoelektrischen Schicht angeordnet, eine in Ohm′schem Kontakt mit dem Halbleitersubstrat stehende, der ersten Elektrode gegenüberliegende zweite Elektrode auf der Außenfläche des Halbleitersubstrats.The invention relates to a surface wave generator with a mono lithic layer structure from a semiconductor substrate, one of the propagation path of elastic surface waves forming layer of piezoelectric material and optionally one between the semiconductor substrate and arranged on the piezoelectric layer protective film. A first electrode is on the outside arranged surface of the piezoelectric layer, one in Ohmic contact with the semiconductor substrate second electrode opposite the first electrode on the outer surface of the semiconductor substrate.

Gordon S. Kino offenbart in "Acousto-Electric Interactions in Acoustic-Surface-Wave Devices", Proceedings of the IEEE, May 1976 auf Seite 744 in Fig. 29 einen dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zugrunde liegenden ZnO/SiO₂/Si- Konvolver. Durch Interdigitalwandler erregte elastische Oberflächenwellen laufen aufeinander zu und treten in nichtlineare Wechselwirkung miteinander, wobei an einer auf dem ZnO-Film vorgesehenen Elektrode ein Faltungssi gnal abgegriffen werden kann. Die nichtlineare Wechsel wirkung beruht dabei im wesentlichen auf einer nichtline aren Spannungsabhängigkeit von Aufladungen des Halblei termaterials.Gordon S. Kino in "Acousto-Electric Interactions in Acoustic-Surface-Wave Devices", Proceedings of the IEEE, May 1976 on page 744 in FIG. 29 discloses a ZnO / SiO ₂ / Si convolver on which the preamble of claim 1 is based . Elastic surface waves excited by interdigital transducers converge and interact non-linearly with one another, and a folding signal can be tapped at an electrode provided on the ZnO film. The non-linear interaction is based essentially on a non-linear voltage dependence of charges on the semiconductor material.

Aus der GB 13 24 069 ist ein parametrischer Verstärker bekannt, mit einem Laminat aus einer dünnen halbleitenden Schicht und einem piezoelektrischen Substrat. Bei diesem Verstärker wird der Feldeffekt verwendet, um die Leitfä higkeit einer Inversionsschicht des Siliciums spannungsab hängig zu variieren, d. h. es wird die Nichtlinearität von Widerstandskomponenten der dünnen halbleitenden Schicht ausgenützt. Der in diesem Dokument beschriebene Verstär ker ist hinsichtlich seiner Verstärkung vergleichsweise leistungsarm.GB 13 24 069 is a parametric amplifier known with a laminate of a thin semiconducting Layer and a piezoelectric substrate. With this The field effect is used to amplify the guide voltage of an inversion layer of silicon vary widely, d. H. it becomes the nonlinearity of Resistance components of the thin semiconducting layer exploited. The amplifier described in this document ker is comparative in terms of its reinforcement low performance.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen einfach herstellbaren Oberflächenwellengenerator der eingangs bezeichneten Art zu schaffen, der mit einem hohen Wirkungsgrad auch im UHF-Band arbeitet.The object of the invention is to produce an easily Surface wave generator of the type described in the introduction to create that with a high degree of efficiency even in UHF band works.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorge schlagen, daß mit der ersten und der zweiten Elektrode eine Gleichspannungsquelle verbunden ist, die im Oberflä chenbereich des Halbleitersubstrats eine nichtlinear von der Gleichspannung abhängige Raumladungskapazität er zeugt, und daß mit der ersten und der zweiten Elektrode ferner eine Wechselspannungsquelle in einem Parallelzweig zur Gleichspannungsquelle verbunden ist, die die Oberflä chenwelle durch parametrische Wechselwirkung zwischen ihrem die Leistung zuführenden Wechselspannungssignal und der nichtlinearen Raumladungskapazität erzeugt.To solve this problem, the invention provides suggest that with the first and second electrodes a DC voltage source is connected, which is in the surface area of the semiconductor substrate is nonlinear the space charge capacity dependent on the DC voltage testifies, and that with the first and the second electrode also an AC voltage source in a parallel branch is connected to the DC voltage source, which the surface Chenwelle by parametric interaction between its AC power supply signal and of the nonlinear space charge capacity.

Bei dem erfindungsgemäßen Oberflächenwellengenerator wird bereits für die Erzeugung der Oberflächenwelle auf die parametrische Wechselwirkung zwischen dem die Leistung zuführenden Wechselspannungssignal und der Nichtlineari tät der im Oberflächenbereich des Halbleitersubstrats durch die Gleichspannung erzeugten Nichtlinearität der Raumladungskapazität zurückgegriffen. Hierfür wird ein und dieselbe Elektrodenanordnung ausgenützt, an die die Wechselspannungsquelle und die Gleichspannungsquelle gemeinsam in Parallelzweigen angekoppelt ist.In the surface wave generator according to the invention already for the generation of the surface wave on the parametric interaction between which the performance supplying AC signal and the non-linear act in the surface area of the semiconductor substrate generated by the DC voltage non-linearity Space charge capacity used. For this, a and uses the same electrode arrangement to which the AC voltage source and the DC voltage source is coupled together in parallel branches.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht nun darin, daß dann, wenn eine Raumladungsschicht mit einer nichtlinear von der Gleichspannung abhängigen Raumladungskapazität in einem Oberflächenbereich des Halbleiters auf dessen der piezoelektrischen Schicht zugewandten Seite erzeugt wird und gleichzeitig ein Wechselspannungssignal mit einer Frequenz f an der ersten Elektrode anliegt, aufgrund der parametrischen Wechselwirkung eine elastische Oberflä chenwelle mit einer Frequenz f/2 erzeugt wird. Diese Oberflächenwelle breitet sich ausgehend von der ersten Elektrode in entgegengesetzte Fortpflanzungsrichtungen aus.The basic idea of the invention is that then when a space charge layer with a nonlinear space charge capacity dependent on the DC voltage in a surface area of the semiconductor on which the piezoelectric layer facing side is generated and at the same time an AC signal with a Frequency f is applied to the first electrode, due to the parametric interaction an elastic surface Chenwelle with a frequency f / 2 is generated. This Surface wave propagates from the first Electrode in opposite directions of propagation out.

Im folgenden wird anhand einer Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.The following is a drawing Embodiment of the invention explained in more detail.

Bei dem in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind ein Halbleitersubstrat S, beispielsweise aus Silicium Si usw., eine dünne piezoelektrische Schicht I aus Zinkoxid ZnO usw. und eine dünne Schutz- bzw. Isolierschicht I′, beispielsweise aus Siliciumoxid SiO, vorgesehen. Die Schutzschicht I′, wirkt als Stabilisierungsschicht für die Oberfläche des Halbleiter substrates S. In the preferred embodiment shown in the drawing the invention are a semiconductor substrate S, for example made of silicon Si etc., a thin piezoelectric layer I made of zinc oxide ZnO etc. and a thin protective or insulating layer I ', for example made of silicon oxide SiO. The protective layer I 'acts as a stabilizing layer for the surface of the semiconductor substrates S.

Das Halbleitersubstrat S, die Schutzschicht I′, und die piezo elektrische Schicht I bilden einen Schichtaufbau.The semiconductor substrate S, the protective layer I ', and the piezo electrical layer I form a layer structure.

Der Schichtaufbau kann auch so ausgebildet sein, daß ein piezoelektrisches Material als Substrat verwandt wird und eine dünne Halbleiterschicht in geeigneter Weise auf dem piezoelektrischen Substrat ausgebildet ist.The layer structure can also be designed so that a piezoelectric material is used as a substrate and a thin semiconductor layer in a suitable manner on the piezoelectric substrate is formed.

Das Halbleitersubstrat S kann vom p-leitenden oder vom n-leiten den Typ sein. Je nach dem verwandten Leitungstyp kann die Polarität der Gleichvorspannung in der später dargestellten Weise so festgelegt sein, daß sich eine Raumladungsschicht am Oberflächenteil des Halbleitersubstrats S ergibt.The semiconductor substrate S can be of p-type or n-type be the guy. Depending on the type of cable used, the Polarity of the DC bias in the later presented Be determined so that there is a space charge layer on the surface part of the semiconductor substrate S.

Auf der piezoelektrischen Schicht I befindet sich eine Metall ektrode M₁ zum Anlegen der Gleichvorspannung und eines elektrischen Wechselspannungssignals. Die Metallelektrode M₁ ist in Form eines dünnen Filmes, beispielsweise durch Auf dampfen, ausgebildet.On the piezoelectric layer I is a metal electrode M ₁ for applying the DC bias and an electrical AC signal. The metal electrode M ₁ is in the form of a thin film, for example by vaporization.

Eine Elektrode M₂ steht in Ohm′schem Kontakt mit dem Halbleiter substrat S.An electrode M ₂ is in ohmic contact with the semiconductor substrate S.

Die Elektrode M₁ ist über eine Drosselspule CH zum Drosseln eines Wechselstromes mit einer Gleichspannungs quelle E mit veränderlicher Spannung zum Anlegen der Gleich vorspannung verbunden.The electrode M ₁ is connected via a choke coil CH for throttling an alternating current to a direct voltage source E with a variable voltage for applying the direct voltage.

Diese Elektrode M₁ ist weiterhin in einem Pararallzweig zur Gleichspannungsquelle E zum Unterdrücken eines Gleichstromes mit einer elektrischen Wechselspannungssignalquelle F verbunden.This electrode M ₁ is also connected in a parallel branch to the DC voltage source E to suppress a DC current with an electrical AC voltage signal source F.

Ein Schallwellen- oder Oberflächenwellenabsorber A besteht beispielsweise aus Silikonfett. Dieser Schallwellenabsorber A absorbiert eine der Oberflächenwellen B, B′, die sich in ent gegengesetzte Richtungen fortpflanzen, d. h. bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel die Oberflächenwelle B′, so daß die Vorrichtung als ein Einrichtungswandler für elastische Oberflächenwellen arbeitet.A sound wave or surface wave absorber A consists, for example, of silicone grease. This sound wave absorber A absorbs one of the surface waves B, B 'which propagate in opposite directions, ie in the embodiment shown in Fig. 1, the surface wave B', so that the device works as a device converter for elastic surface waves.

Das in der oben beschriebene Weise aufgebaute Ausführungsbei spiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung arbeitet in der folgenden Weise:The embodiment constructed in the manner described above game of the device according to the invention works in the following way:

Im folgenden wird der Fall beschrieben, in dem ein elektrisches Wechselspannungssignal in eine Oberflächensignalwelle umgewandelt wird.The following describes the case where an electrical AC signal converted into a surface signal wave becomes.

Zuerst wird eine Gleichvorspannung geeigneter Höhe von der Gleichspannungsversorgungsquelle E mit veränderlicher Spannung an die die Elektrode M₁ gelegt, um im Halbleitersubstrat S in dessen Oberflächenbereich eine nichtlinear von der Gleichspannung abhängige Raumladungskapazität zu erzeugen.First, a DC bias voltage of a suitable level is applied from the DC voltage supply source E with a variable voltage to the electrode M ₁ in order to generate a non-linearly dependent space charge capacitance in the surface area of the semiconductor substrate S in its surface area.

Wenn anschließend ein elektrisches Wechselspannungssignal mit einer Frequenz f von der elektrischen Wechselspannungssignal quelle F an die Elektrode M₁ gelegt wird, werden Oberflächen signalwellen B, B′ mit einer Frequenz f/2 durch die parametrische Wechselwirkung zwischen der Leistung des reinen elektrischen Wechselspannungssignals und der Raumladungsschicht mit nichtlinearem Kapazitätsverlauf erzeugt. Diese Oberflächen signalwellen B′ B′ schreiten in der Zeichnung von der Elektrode M₁ nach rechts und nach links fort.If an electrical AC signal with a frequency f of the electrical AC signal source F is subsequently applied to the electrode M ₁ , surface signal waves B, B 'with a frequency f / 2 are caused by the parametric interaction between the power of the pure electrical AC signal and the space charge layer generated with a non-linear capacity curve. These surface signal waves B 'B' progress in the drawing from the electrode M ₁ to the right and to the left.

Wenn die Frequenz des elektrischen Wechselspannungssignals an der Elektrode M₁ so gewählt ist, daß sie 2f beträgt, so haben die Oberflächensignalwellen B, B′, in die das Signal umgewandelt wird, eine Frequenz f. Wenn daher die Frequenz des elektrischen Wechselspannungssignals über einen breiten Bereich verändert wird, werden Oberflächensignalwellen B, B′ mit einer entsprechen den Frequenz erzeugt. When the frequency of the AC electrical signal on the electrode M₁ is chosen so that it is 2f, so have the surface signal waves B, B 'into which the signal is converted becomes a frequency f. Therefore, if the frequency of the electrical AC signal changed over a wide range will, surface signal waves B, B 'correspond with one the frequency generated.

Die Amplitude der Oberflächensignalwellen B, B′, in die das elektrische Signal umgewandelt wird, ändert sich in Abhängig keit von der Länge der Elektrode M₁ in Fortpflanzungsrichtung der Oberflächensignalwellen und vom Grad der Nichtlinearität im Oberflächenbereich des Substrates.The amplitude of the surface signal waves B, B 'into which the electrical signal is converted changes depending on the length of the electrode M ₁ in the direction of propagation of the surface signal waves and the degree of non-linearity in the surface region of the substrate.

Der Grad der Nichtlinearität ist durch die Nichtlinearität der Kapazität der Raumladungsschicht, die ihrerseits durch den Wert der Gleichvorspannung bestimmt ist, und die Größe der Leistung des anliegenden elektrischen Wechsel spannungssignals bestimmt.The degree of non-linearity is due to the non-linearity the capacity of the space charge layer, which in turn is determined by the value of the DC bias, and the Size of the power of the applied electrical change voltage signal determined.

Bei der praktischen Ausführung des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung können daher die Frequenz und die Leistung des elektrischen Wechselspannungssignals und der Grad der Nichtlinearität in geeigneter Weise so gewählt werden, daß eine Oberflächensignalwelle mit entsprechender Frequenz und Amplitude erzeugt wird.In the practical implementation of the embodiment of the The inventive device can therefore the frequency and the power of the AC electrical signal and the degree of non-linearity is appropriately chosen so be that a surface signal wave with corresponding Frequency and amplitude is generated.

Wenn ein Schallwellenabsorber A an einem Ende des piezoelektri schen Materials vorgesehen ist, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, wird die Oberflächensignalwelle B′, die in Dichtung auf den Absorber zu fortschreitet, absorbiert und nicht reflektiert, so daß sich ein Einrichtungswandler für elastische Ober flächenwellen ergibt.If a sound wave absorber A is provided at one end of the piezoelectric material, as shown in Fig. 1, the surface signal wave B ', which progresses in seal towards the absorber, is absorbed and not reflected, so that there is a device converter for elastic Surface waves results.

Im Obigen wurde nur auf die Umwandlung eines elektrischen Wechselspannungssignals in eine Oberflächensignalwelle Bezug genommen, die Umwandlung in die entgegengesetzte Richtung, d. h. die Umwandlung einer Oberflächensignalwelle in ein elektrisches Wechselspannungssignal, erfolgt jedoch im wesentlichen in der gleichen Weise.In the above, only the conversion of an electrical AC signal in a surface signal wave reference taken, the conversion in the opposite direction, d. H. the conversion of a surface signal wave into one electrical AC voltage signal, however, takes place essentially in the same way.

Obwohl bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel das piezo elektrische Material I Zinkoxid ist, können auch andere piezo elektrische Materialien, beispielsweise Lithiumniobat LiNbO₃, Aluminiumnitrat AlN, Cadmiumsulfid CdS, Zinksulfid ZnS usw. gewählt werden. Although the piezoelectric material I is zinc oxide in the exemplary embodiment shown, other piezoelectric materials, for example lithium niobate LiNbO ₃ , aluminum nitrate AlN, cadmium sulfide CdS, zinc sulfide ZnS etc. can also be selected.

Auf dem Obigen ist ersichtlich, daß erfindungsgemäß ein Halb leiter und ein piezoelektrisches Material in Form eines Schicht aufbaues ausgebildet sind und als Substrat dienen, auf dem eine dünne Schicht vorgesehen ist, so daß sich ein monolithischer Aufbau ergibt, der besser reproduzierbar ist und in integrierter Form ausbildbar ist.On the above it can be seen that according to the invention a half conductor and a piezoelectric material in the form of a layer are constructed and serve as a substrate on which a thin layer is provided so that there is a monolithic Construction results, which is more reproducible and integrated Form can be trained.

Die erfindungsgemäße Ausbildung hat weiterhin den Vorteil, daß aufgrund der Tatsache, daß die Form der auf der Oberfläche des piezoelektrischen Materials vorgesehenen Elektrode frei gewählt werden kann und diese Elektrode eine flache Platte sein kann, keine Notwendigkeit besteht, das Material einer umfangreichen Bearbeitung zu unterziehen, solange es die notwendige Raumladungsschicht erzeugen kann.The training according to the invention also has the advantage that due to the fact that the shape of the surface of the piezoelectric material provided electrode freely can be selected and this electrode is a flat plate can be, there is no need the material one undergo extensive editing as long as it is can generate the necessary space charge layer.

Da erfindungsgemäß die Umwandlung zwischen einem elektrischen Wechselspannungssignal und einer Oberflächensignalwelle unter Verwendung eines parametrischen Effektes erfolgt, kann der Frequenzbereich erweitert werden, so daß eine Umwandlung selbst in einem Ultrahochfrequenzband mit hohem Wirkungsgrad erzielt werden kann, in dem die bekannten Vorrichtungen eine derartige Umwandlung nicht erzielen können.Since according to the invention the conversion between an electrical AC signal and a surface signal wave using a parametric effect, can the frequency range will be expanded so that a conversion even in an ultra high frequency band with high efficiency can be achieved in the known devices cannot achieve such a conversion.

Claims

1. Surface wave generator, with a monolithic layer structure made of a semiconductor substrate (S), a layer (I) forming the propagation path of elastic surface waves made of piezoelectric material and possibly a surface protection film (I ') arranged between the semiconductor substrate (S) and the piezoelectric layer (I) ), with a first electrode (M1) on the outer surface of the piezoelectric layer (I) and an ohmic contact with the semiconductor substrate, the first electrode opposite second electrode (M2) on the outer surface of the semiconductor substrate (S), characterized in that a direct voltage source (E) is connected to the first (M1) and the second (M2) electrode, which generates a non-linearly dependent space charge capacitance in the surface region of the semiconductor substrate (S), and in that the first (M1) and the second (M2) electrode further one. AC voltage source (F) is connected in a parallel branch to the DC voltage source (E), which generates the surface wave by parametric interaction between its AC power signal supplying the power and the non-linear space charge capacity.

2. Surface wave generator according to claim 1, characterized characterized in that the piezoelectric layer (I) on one side of the first electrode (M1) with a Surface wave absorber (A) is provided.

3. Surface wave generator according to claim 1 or 2, characterized in that the frequency of the change voltage signal is twice the frequency the surface wave to be generated.