DE3910164A1

DE3910164A1 - ELECTROSTATIC CONVERTER FOR GENERATING ACOUSTIC SURFACE WAVES ON A NON-PIEZOELECTRIC SEMICONDUCTOR SUBSTRATE

Info

Publication number: DE3910164A1
Application number: DE3910164A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Dr Grassl
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1989-03-29
Filing date: 1989-03-29
Publication date: 1990-10-04
Also published as: WO1990011620A1

Abstract

In an interdigital converter (1) on a semiconductor substrate crystal (2) with converter chambers (6, 7), the mean distance between the fingers is half that in a comparable interdigital converter on a purely piezoelectric substrate. The mechanical tension is produced by space charge-limited current regions which occur at p-n transitions or Schottky contacts.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Herstellung elektrostatischer Wandler gemäß dem Oberbegriff des Patent anspruches 1.The present invention relates to manufacture electrostatic converter according to the preamble of the patent claim 1.

Von Prof. Dransfeld, Universität Konstanz, stammt der Vor schlag, in sogenannten "nipi"-Strukturen akustische Wellen durch elektrische Wechselfelder anzuregen. Dabei soll eine periodische Vielschichtstruktur aus durch Epitaxie erzeugten abwechselnd p- und n-dotierten Halbleiterschichten verwendet werden. Bei gleicher Anzahl von Donatoren und Akzeptoren je Schichtperiode und geringer Schichtdicke würden sich die freien Elektronen und Löcher der beiden verschieden dotierten Schichttypen gegenseitig kompensieren, so daß nur die ionisierten festen Ionenrümpfe der Dotierungsatome übrig blieben. Unter der Wirkung eines elektrischen Wechselfeldes mit einer Frequenz, die gleich der Frequenz einer akustischen Welle ist, deren Wellenlänge mit der Schichtperiode überein stimmt, ist die Anregung solcher Wellen zu erwarten, sofern die Schichtstruktur ausreichende Perfektion in Schichtperiodi zität und Dotierung aufweist.The pre is from Prof. Dransfeld, University of Konstanz beat, acoustic waves in so-called "nipi" structures stimulated by alternating electrical fields. One should periodic multilayer structure made of epitaxy alternately p- and n-doped semiconductor layers are used will. With the same number of donors and acceptors each Layer period and thin layer thickness would free electrons and holes of the two differently doped Compensate for each other, so that only the ionized solid ion cores of the doping atoms left remained. Under the action of an alternating electrical field with a frequency equal to the frequency of an acoustic Is wave whose wavelength coincides with the stratification period true, the excitation of such waves can be expected, if the layer structure sufficient perfection in shift periods quality and doping.

Für einen Wandler gemäß dem obigen Vorschlag ist es erforder lich, genügend perfekte Vielschichtstrukturen, und zwar perfekt sowohl in bezug auf die Konstanz der Schichtdicken als auch in bezug auf die Dotierung, herzustellen. Untersuchte Schichten liegen bei Dicken, die akustischen Wellen im Bereich einiger GHz entsprechen, wo die akustische Dämpfung bereits recht groß ist.It is required for a converter according to the above proposal enough perfect multi-layer structures perfect both in terms of the constancy of the layer thicknesses also with regard to doping. Examined Layers are thick, the acoustic waves in the range correspond to some GHz where the acoustic attenuation already is quite large.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine dem oben beschriebenen Prinzip entsprechende Anordnung zur Erzeugung von akustischen Oberflächenwellen anzugeben, die mit geringerem technologischen Aufwand in einfacherer Weise und präziser herzustellen ist. Insbesondere soll diese Anordnung für monolithische, integrierte, akustoelektronische Bau elemente der Siliziumtechnik geeignet sein.The object of the present invention is one of the above principle described corresponding arrangement for generation of surface acoustic waves that specify less technological effort in a simpler manner and is more precise to manufacture. In particular, this arrangement is intended for monolithic, integrated, acoustoelectronic construction elements of silicon technology.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst und Weiterbildungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.This object is achieved with the features of claim 1 and further training emerge from the subclaims.

Der Erfindung liegen folgende Überlegungen zugrunde: An einem p-n-Übergang existiert bekanntlich eine Raumladungs zone, die durch die ionisierten Akzeptoren und Donatoren ge bildet wird. Die positiven und die negativen Ionen üben eine elektrostatische Kraft aufeinander aus. Durch Anlegen einer positiven oder einer negativen Spannung kann die Dicke der Raumladungszone verändert werden. Damit wird eine Veränderung der Gesamtkraft zwischen positiver und negativer Raumladung bewirkt. Somit kann durch eine Wechselspannung eine Anregung von akustischen Wellen erfolgen. Ebenso wird durch eine dynamische Verzerrung des Kristalls im Bereich der Raum ladungsschicht ein elektrisches Wechselfeld induziert, das zur Detektion der Welle herangezogen werden kann. Dieser Effekt ist bei Vorliegen nur eines einzigen p-n-Überganges für eine praktische Anwendung für viele Fälle zu schwach.The invention is based on the following considerations: As is well known, a space charge exists at a p-n junction zone defined by the ionized acceptors and donors is forming. The positive and negative ions practice one electrostatic force on each other. By creating one positive or negative voltage can be the thickness of the Space charge zone can be changed. It is a change the total force between positive and negative space charge causes. Thus, an excitation can be generated by an alternating voltage of acoustic waves. Likewise, through a dynamic distortion of the crystal in the area of space charge layer induces an alternating electric field, which leads to Detection of the wave can be used. This effect is only one p-n transition for one practical application too weak for many cases.

Es wird somit erfindungsgemäß vorgeschlagen, siehe auch die Fig. 1a, 1b (Aufsicht und Seiten-(Querschnitts-)Ansicht), eine große Anzahl von streifenförmigen dotierten Bereichen in der Oberflächenzone 3 eines polierten Kristalls 2 aus Halbleitermaterial vorzusehen, so daß abwechselnd p- (4) und n- (5) dotierte Bereiche mit Übergängen dazwischen an der Oberfläche liegen. Mit Hilfe einer interdigitalen Metalli sierungsstruktur bestehend aus den zwei Kammstrukturen 6 und 7, ist es dann möglich, bei einer Frequenz, bei der die Wellenlänge einer ausgewählten Oberflächenwelle mit der Periode der Raumladungszonen zusammenpaßt, Oberflächenwellen kohärent anzuregen. Die Effizienz eines solchen Wandlers nimmt bei seiner Mittenfrequenz und solange die Impedanz des Wandlers noch nicht an die Impedanz der Signalquelle angepaßt ist, mit dem Quadrat der Fingerzahl zu.It is thus proposed according to the invention, see also FIGS. 1a, 1b (top view and side (cross-sectional) view), to provide a large number of strip-shaped doped regions in the surface zone 3 of a polished crystal 2 made of semiconductor material, so that p- ( 4 ) and n- ( 5 ) doped regions with transitions in between are on the surface. With the help of an interdigital metallization structure consisting of the two comb structures 6 and 7 , it is then possible to coherently excite surface waves at a frequency at which the wavelength of a selected surface wave matches the period of the space charge zones. The efficiency of such a converter increases at its center frequency and as long as the impedance of the converter is not yet matched to the impedance of the signal source, with the square of the number of fingers.

Es ist für einen solchen Wandler eine interdigitale Wandler- Elektrodenstruktur 6 bis 7, ebenso wie sie als Interdigital wandler auf piezoelektrischen Kristallen verwendet werden, vorzusehen. Dabei muß sich einer der Wandlerkämme 6 mit seinen Fingern auf dotierten Bereichen 4 des einen Leitungstyps be finden und der andere Wandlerkamm 7 befindet sich auf entgegen gesetzt dotierten Bereichen 5. Es ist zweckmäßig, daß zwischen den Metallelektroden der Wandlerkämme 6, 7 und der Halbleiter oberfläche 3 im Bereich der Finger 61, 71 bzw. deren Finger überlappungen miteinander jeweils ein ohmscher Kontakt be steht. Die metallischen Sammelschienen (busbars) 161, 171 sind als Zuleitungs-Leiterbahnen mit den Fingern 61 bzw. 71 ver bunden. Über diese werden die Signale dem Wandler zugeführt. Diese Sammelschienen 161, 171 können gemäß der verwendeten lC-Technologie durch eine dielektrische Schicht 8 vom Halb leitersubstrat 2 getrennt sein.For such a transducer, an interdigital transducer electrode structure 6 to 7 , as is used as an interdigital transducer on piezoelectric crystals, is to be provided. One of the transducer combs 6 must be found on doped regions 4 of one conduction type with its fingers and the other transducer comb 7 is located on regions 5 doped in opposite directions. It is expedient that between the metal electrodes of the transducer combs 6 , 7 and the semiconductor surface 3 in the area of the fingers 61 , 71 or their finger overlaps with each other there is an ohmic contact be. The metallic busbars (busbars) 161, 171 are connected as supply conductor tracks with the fingers 61 and 71, respectively. The signals are fed to the converter via these. These busbars 161 , 171 can be separated from the semiconductor substrate 2 by a dielectric layer 8 in accordance with the IC technology used.

Die Fig. 2a bis 2e zeigen bei Anliegen einer Gleichspannung DC zwischen den Wandlerkämmen 6 und 7 für den idealisierten Fall von abrupten p-n-Übergängen (Fig. 2a) den Verlauf der Raumladungszonen (Fig. 2b), die resultierenden elektrischen Felder (Fig. 2c), die zugehörigen elektrostatischen Kraftfel der (Fig. 2d) und den Verlauf der mechanischen Spannung in der Oberflächenzone 3 (Fig. 2d), die zur Oberflächenwellen anregung genutzt werden. In den Fig. 2b bis 2e sind gestrichelt auch die jeweiligen Änderungen angegeben, die, durch eine HF-Modulation erzeugt, sich dem (mit ausgezogenen Linien angegebenem) statischen Anteil überlagern. FIGS. 2a to 2e show a direct voltage DC between the transducer ridges 6 and 7 for the idealized case of abrupt pn junctions (Fig. 2a), the profile of the space charge zones (Fig. 2b), the resulting electric fields (Fig at concern. 2c ), the associated electrostatic force field of ( Fig. 2d) and the course of the mechanical stress in the surface zone 3 ( Fig. 2d), which are used for surface wave excitation. In FIGS. 2b to 2e, the respective changes are also shown in dashed lines which, generated by an HF modulation, overlap the static component (indicated by solid lines).

In allen hier diskutierten Fällen und Figuren können jeweils im Prinzip die p-Dotierung und die n-Dotierung miteinander vertauscht werden.In all cases and figures discussed here, each can in principle the p-doping and the n-doping with each other be exchanged.

Eine entlang einer Metallisierungsstruktur mit den Wandlerkämmen 6, 7 laufende akustische Welle erzeugt durch dabei auftretende mechanische Verzerrungen in der Ober flächenzone 3 des Kristalls zwischen den Fingern 61, 71 der Wandlerkämme 6,7 ein elektrisches Signal so daß die Metalli sierungsstruktur auch als Empfangswandler wirken kann. Es ist zu vermerken, daß die Periode der Anregungsquellen nur dem Zweifachen der Fingerbreite W entspricht und nicht mindestens dem Vierfachen, wie beim herkömmlichen Interdigitalwandler auf piezoelektrischen Substraten. Damit läßt sich bei gleicher Fingerbreite W eine zweifach höhere Frequenz erreichen.A running along a metallization structure with the transducer combs 6 , 7 acoustic wave generated by mechanical distortions occurring in the upper surface zone 3 of the crystal between the fingers 61 , 71 of the transducer combs 6.7 an electrical signal so that the metallization structure can also act as a receiving transducer . It should be noted that the period of the excitation sources only corresponds to twice the finger width W and not at least four times as in the conventional interdigital transducer on piezoelectric substrates. This means that a frequency twice as high can be achieved with the same finger width W.

Durch die an den Wandler 1 angelegte Gleichspannung DC kann die Dicke d der Raumladungszonen (Fig. 2b) wahlweise eingestellt und damit auch die wirksame Kraft beeinflußt werden. Außerdem kann damit die Sperrschichtkapazität und somit die Wandlerimpedanz beeinflußt werden.By means of the DC voltage DC applied to the converter 1 , the thickness d of the space charge zones ( FIG. 2b) can optionally be set and thus the effective force can also be influenced. In addition, the junction capacitance and thus the converter impedance can be influenced.

Mit der Wahl der Dotierungskonzentration (n, p) kann ebenfalls sowohl die Dicke der Raumladungszonen als auch die Größe der Kraft (Fig. 4d) eingestellt werden. Damit kann die Kraftver teilung an die Periode der akustischen Welle angepaßt werden bzw. auch die gezielte Anregung von akustischen Oberwellen (bezüglich der Fingerperiode) bewirkt werden.With the choice of the doping concentration (n, p) both the thickness of the space charge zones and the magnitude of the force ( FIG. 4d) can also be set. This allows the force distribution to be adjusted to the period of the acoustic wave or the targeted excitation of acoustic harmonics (with regard to the finger period).

Durch die Wahl eines Dotierungsprofils, das z.B. mittels Ionenimplantation herzustellen ist, kann darüber hinaus das Verhältnis der wirksamen Anregung im Bereich der Unterseite der Dotierungswanne der Dotierungsbereiche 4, 5 zu der An regung im Bereich der Kanten in der Nähe der Kristallober fläche optimiert werden. Eine weitere Ausgestaltung der Er findung ist die, daß man sowohl p- als auch n-dotierte Be reiche 4, 5 gemäß Fig. 3a (Aufsicht) und Fig. 3b (Seiten- Querschnitts-Ansicht) derart gezielt dotiert, so daß der Übergang zwischen den verschiedenen oberflächennahen dotierten Bereichen 4, 5 unabhängig vom Übergang zwischen den dotierten Bereichen und dem Kristall gestaltet werden kann.By choosing a doping profile that can be produced, for example, by means of ion implantation, the ratio of the effective excitation in the area of the underside of the doping trough of the doping areas 4 , 5 to the excitation in the area of the edges near the crystal surface can also be optimized. A further embodiment of the invention is that both p- and n-doped regions 4 , 5 according to FIG. 3a (top view) and FIG. 3b (side cross-sectional view) are specifically doped so that the transition between the different near-surface doped regions 4 , 5 can be designed independently of the transition between the doped regions and the crystal.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, an stelle der Raumladungszone eines p-n-Überganges 4-5 die eines jeweiligen Schottky-Kontaktes zu nutzen. Gemäß Fig. 4a bilden dann die Finger 61 des einen Wandlerkammes 6 Schottky- Kontakte und die Finger 71 des anderen Wandlerkammes 7 ohmsche Kontakte mit dem Halbleitermaterial des Kristalls 2. Damit ist es prinzipiell möglich, ohne lokale die oben beschriebenen Dotierungen 4, 5 auszukommen, weil sich bei elektrischer Vorspannung die Raumladungszone 41 bildet.Another embodiment of the invention is to use that of a respective Schottky contact instead of the space charge zone of a pn junction 4-5 . According to Fig. 4a, the fingers then form 61 of a transducer comb 6 Schottky contacts and the finger 71 of the other transducer comb 7, ohmic contacts with the semiconductor material of the crystal 2. In principle, this makes it possible to do without the doping 4 , 5 described above, because the space charge zone 41 is formed when the voltage is electrically biased.

Die Fig. 4b zeigt die Verteilung der Raumladung , Fig. 4c die x-Komponente der elektrischen Feldstärke E _x (x=Richtung der Welle) und Fig. 4d das Kraftfeld F=ρ×E _x. FIG. 4b shows the distribution of the space charge, FIG. 4c the x component of the electric field strength E _x (x = direction of the shaft) and FIG. 4d the force field F = ρ × E _x .

Eine einerseits für die Erzeugung einer großen Raumladungs dichte wünschenswerte hohe Dotierung führt andererseits leider zu einer geringeren Dicke der Raumladungszone. Diese kann er heblich kleiner sein als die Wellenlänge der anzuregenden Oberflächenwelle, was die Leistungsankopplung verschlechtert. Die Kopplung kann aber dadurch verbessert werden, daß zwischen p- und n-dotierten Gebieten je eine intrinsische oder nur sehr schwach dotierte Zone i eingefügt wird. Dies ist in den Fig. 5a und 5b schematisch angedeutet. Fig. 5a zeigt eine Ausführungsform mit intrinsisch leitendem Kristall 2 und Fig. 5b eine solche mit intrinsisch leitenden Wannen 21 im Material des Kristalls 2.A high doping, which is desirable on the one hand for the generation of a large space charge density, unfortunately leads on the other hand to a smaller thickness of the space charge zone. This can be considerably smaller than the wavelength of the surface wave to be excited, which worsens the power coupling. However, the coupling can be improved by inserting an intrinsic or only very weakly doped zone i between p- and n-doped regions. This is indicated schematically in FIGS. 5a and 5b. FIG. 5a shows an embodiment with intrinsically conductive crystal 2 and FIG. 5b one with intrinsically conductive troughs 21 in the material of the crystal 2 .

Dadurch erhält man eine Folge von pin-Übergängen, wo sich über die jeweils i-Zone hinweg ein elektrisches Feld erstreckt. Optimale Ankopplung der durch eine HF-Spannung, angelegt zwischen den Wandlerkämmen 6, 7 am Wandler erzeugten Modula tion der mechanischen Spannung an eine Oberflächenwelle tritt dann ein, wenn die positiven und die negativen Raumladungs zonen etwa im Abstand einer halben Wellenlänge voneinander angeordnet sind, wie in Fig. 5c und 5f skizziert, da dann die Fourier-Entwicklung des Kraftfeldes bei der der Grundwelle entsprechenden Wellenlänge (der halben Wandlerperiode) den größten Beitrag ergibt.This results in a sequence of pin transitions where an electric field extends across the i-zone. Optimal coupling of the modulation of the mechanical tension generated by an RF voltage applied between the transducer combs 6 , 7 on the transducer to a surface wave occurs when the positive and the negative space charge zones are arranged approximately at a distance of half a wavelength from one another, such as sketched in Fig. 5c and 5f, because then the Fourier development of the force field at the wavelength corresponding to the fundamental wave (half the transducer period) makes the greatest contribution.

Zu den beiden Ausführungsvarianten der Fig. 5a mit intrinsisch leitendem Kristall 2 und der Fig. 5b mit p-leitendem Kristall mit intrinsisch leitenden Wannen i (mit jeweils darin n-dotiertem Bereich) gibt Fig. 5c die Raum ladungsverteilung an. Im Bereich der Übergänge vom n-dotierten Bereich in die intrinsisch-i-leitende Wanne treten Raum ladungszonen des einen Ladungsträgervorzeichens auf. Ent sprechend gilt für die Übergänge i-p wie die Fig. 5c zeigt. In Fig. 5c ist außerdem gestrichelt die durch oben be schriebene Modulation eintretende Veränderung der jeweiligen Raumladungszone angedeutet.For both embodiments of FIGS. 5a with intrinsically conductive crystal 2 and the Fig. 5b of p-type crystal having intrinsic type wells i (each is n-doped portion) is Fig. 5c, the space charge distribution at. In the area of the transitions from the n-doped area into the intrinsically i-conducting well, space charge zones of the one charge carrier sign appear. Accordingly applies to the transitions ip as shown in Fig. 5c. In Fig. 5c is also indicated by dashed lines occurring through the modulation be described change in the respective space charge zone.

Fig. 5d zeigt die Verteilung der elektrischen Feldstärke E _x=ρ×d _x (ρ=Raumladungsdichte). Wiederum ist gestrichelt das Ergebnis einer Modulation dargestellt. Das sich ergebende mechanische Kraftfeld F _x=ρ×E _x ist in Fig. 5e darge stellt, wiederum mit der gestrichelt dargestellten Auswirkung der Modulation. Fig. 5d shows the distribution of electric field strength E _x = ρ × d _x (ρ = space charge density). The result of a modulation is again shown in dashed lines. The resulting mechanical force field F _x = ρ × E _x is shown in Fig. 5e Darge, again with the dashed effect of the modulation.

Aus dem mechanischen Kraftfeld ergibt sich längs dem Wandler sich erstreckende Verteilung der mechanischen Spannung T=∫ F _x×d _x. Diese Verteilung ist in Fig. 5f dargestellt. Die gestrichelten Kurvenanteile geben die Auswirkung der Modulation wieder. Die Fig. 5g zeigt die mechanische Grundwelle, d.h. sie gibt die mit dem Wandler mit den Wandlerkämmen 6 und 7 in der Oberflächenzone 3 des Kristalls 2 erzeugte akustische Welle wieder.The distribution of the mechanical stress T = ∫ F _x × d _x extends along the transducer from the mechanical force field. This distribution is shown in Fig. 5f. The dashed curve components reflect the effect of the modulation. FIG. 5g shows the basic mechanical wave, ie they are the acoustic wave 2 generated by the transducer with the transducer ridges 6 and 7 in the surface zone 3 of the crystal again.

Durch auf der Oberfläche aufgebrachte Streifen aus Metall oder anderen Materialien oder durch weitere periodisch angeordnete Raumladungszonen können wie in herkömmlichen OFW-Resonatoren Reflexionsgitter erzeugt werden, so daß damit Schaltungen mit monolithisch integrierten OFW-Resonatoren zu realisieren sind. Dabei genügt es, ausschließlich solche Technologieschritte zu verwenden, die auch zur Erzeugung von integrierten Schalt kreisen angewendet werden. Somit ist die Voraussetzung dafür gegeben, mit einer hochentwickelten Standardtechnologie (z.B. CMOS) integrierte OFW-Oszillatoren, Taktrückgewinnungssysteme und dgl. zu realisieren.By strips of metal or other materials or by other periodically arranged Space charge zones can be used as in conventional SAW resonators Reflection grating are generated, so that circuits with monolithically integrated SAW resonators can be realized. It is sufficient to only take such technology steps use that also for generating integrated circuit circles can be applied. This is the prerequisite for this with a highly developed standard technology (e.g. CMOS) integrated SAW oscillators, clock recovery systems and the like.

Claims

1. interdigital converter ( 1 ),
with a substrate crystal ( 2 ) made of semiconductor material,
with a metallization structure resting on a surface of the crystal ( 2 ) in the form of two interlocking combs ( 6 , 7 ) with a respective number of fingers ( 61 , 71 ),
with connections for supplying a direct voltage (DC) and a high-frequency voltage (HF) to the transducer combs ( 6 , 7 ), the sequence of the fingers ( 61 , 71 ) determining a direction ( x ) of the wave propagation associated with the transducer ( 1 ) and
wherein the semiconductor material of the crystal ( 2 ) has a periodic succession of n- and p-type regions ( 4 , 5 ; 41 , 5 ) at least in the surface zone ( 3 ) and the periodicity of these n- and p-type regions matches the periodicity of the fingers ( 61 , 71 ) of the transducer combs ( 6 , 7 ) and
the frequency of the high-frequency voltage (HF) and the period length (center distances of the fingers 61, 71 ) being matched to one another in accordance with the transit time of an acoustic wave in the surface zone ( 3 ) of the crystal ( 2 ).

2. Interdigital transducer according to claim 1, characterized in that the crystal ( 2 ) is essentially semiconductor material of one conductivity type (n or p), in which at least in the region of the surface zone ( 3 ) opposite (p or n) doped regions ( 4 ) available.

3. Interdigital transducer according to claim 1, characterized in that in the crystal ( 2 ) in the surface zone ( 3 ) the successive n-type regions ( 4 ) and the p-type regions ( 5 ) by intrinsically conductive regions ( 21 ) from each other are separated.

4. Interdigital transducer according to claim 1, characterized in that in the crystal ( 2 ) in the surface zone ( 3 ) before existing, successive n-type regions ( 4 ) and p-type regions ( 5 ) at least adjoin one another.

5. Interdigital transducer according to claim 1, characterized in that the crystal ( 2 ) consists of semiconductor material of one line type (s) and with operational concern of the direct voltage (DC) between the fingers ( 61, ) of a transducer comb ( 6 ) due to the applied DC voltage and the Schottky effect, areas ( 41 ) form in the surface zone ( 3 ) below the fingers ( 61 ) of this transducer comb ( 6 ), in which the opposite conduction type (p) prevails due to space charge formation.