Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Herstellung elektrostatischer Wandler gemäß dem Oberbegriff des Patent¬ anspruches 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.

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. -

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.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst und Weiterbildungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Der Erfindung liegen folgende Überlegungen zugrunde:

An einem p-n-Ubergang 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.

Es wird somit erfindungsgemäß vorgeschlagen, siehe auch die Figuren la, lb (Aufsicht und Seiten-(Querschnitts-)Ansicht) , eine große Anzahl von streifenför igen 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.

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 IC-Technologie durch eine dielektrische Schicht 8 vom Halb¬ leitersubstrat 2 getrennt sein.

Die Figuren 2a bis 2e zeigen bei Anliegen einer Gleichspannung DC zwischen den Wandlerkämmen 6 und 7 für den idealisierten Fall von abrupten p-n-Übergängen (Figur 2a) den Verlauf der Raumladungszonen (Figur 2b), die resultierenden elektrischen Felder (Figur 2c), die zugehörigen elektrostatischen Kraftfel¬ der (Figur 2d) und den Verlauf der mechanischen Spannung in der Oberflächenzone 3 (Figur 2d),- die zur Oberflächenwellen- anregung genutzt werden. In -den Figuren 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.

In allen hier diskutierten Fällen und Figuren können jeweils im Prinzip die p-Dotierung und die n-Dotierung miteinander vertauscht werden.

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.

Durch die an den Wandler 1 angelegte Gleichspannung DC kann die Dicke d der Raumladungszonen (Figur 2b) wahlweise eingestellt und damit auch die wirksame Kraft beeinflußt werden. Außerdem kann damit die Sperrschichtkapazität und somit die Wandlerimpedanz beeinflußt werden.

Mit der Wahl der Dotierungskonzentration (n, p) kann ebenfalls sowohl die Dicke der Raumladungszonen als auch die Größe der Kraft (Figur 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.

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 Figur 3a (Aufsicht) und Figur 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.

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 Figur 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 möglieb, ohne lokale die oben beschriebenen Dotierungen 4, 5 auszukommen, weil sich bei elektrischer Vorspannung die Raumladungszone 41 bildet.

Die Figur 4b zeigt die Verteilung der Raumladung , Figur 4c die x-Komponente der elektrischen Feldstärke E (x = Richtung der Welle) und Figur 4d das Kraftfeld F = f . E .

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 Lεistungsankopplung 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 Figuren 5a und 5b schematisch angedeutet. Figur 5a zeigt eine Ausführungsform mit intrinsisch leitendem Kristall 2 und Figur 5b eine solche mit intrinsisch leitenden Wannen 21 im Material des Kristalls 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 Figur 5c und 5f skizziert, da dann die Fourier-Entwicklung des/Kraftfeldes bei der der Grundwelle entsprechenden Wellenlänge (der halben Wandlerperiode) den größten Beitrag ergibt.

Zu den beiden Ausführungsvarianten der Figur 5a mit intrinsisch leitendem Kristall 2 und der Figur 5b mit

p-leitendem Kristall mit intrinsisch leitenden Wannen i (mit jeweils darin n-dotiertem Bereich) gibt Figur 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 Figur 5c zeigt. In Figur 5c ist außerdem gestrichelt die durch oben be¬ schriebene Modulation eintretende Veränderung der jeweiligen Raumladungszone angedeutet.

Figur 5d zeigt die Verteilung der elektrischen Feldstärke E = 9 . ύ ( = Raumladungsdichte). Wiederum ist gestrichelt das Ergebnis einer Modulation dargestellt. Das sich ergebende mechanische Kraftfeld F = f . E ist in Figur 5e darge- stellt, wiederum mit der gestrichelt dargestellten Auswirkung der Modulation.

Aus dem mechanischen Kraftfeld ergibt sich längs dem Wandler sich erstreckende Verteilung der mechanischen Spannung T = f F _χ . d _χ . ^' Diese Verteilung ist in Figur 5f dargestellt. Die gestrichelten Kurvenanteile geben die Auswirkung der Modulation wieder. Die Figur 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.

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.