Brevet FR2473811A1 — publié le 19810717

La présente invention se rapporte à un dispositif à onde acoustique de surface fonctionnant comme un amplificateur à onde acoustique de surface. Comme cela est révélé dans le brevet US nO 4 233 530, la demanderesse de la présente invention a développé un dispositif à onde acoustique de surface tel que celui représenté sur la figure 1, opérant avec une onde continue et ayant un rapport signal/bruit souhaité. Sur la figure 1, le repère 1 désigne un substrat semi- conducteur, et une pellicule isolante 2 et une couche piézo-électrique 3 sont respectivement feuilletées sur le substrat semi-conducteur 1. Une électrode carrée de pompage 4 à laquelle sont appliquées une tension continue de polarisation et une tension de pompage et des transducteurs d'entrée et de sortie 5 et 6 sont agencés sur la couche piézo-électrique 3. Le repère 7 désigne une source de courant continu pour appliquer une tension continue de polarisation, le repère 8 désigne une bobine d'inductance pour le blocage du courant alternatif, le repère 9 désigne une source de courant à haute fréquence pour appliquer une ternion de pompage, le repère 10 désigne un condensateur pour le blocage du courant continu, le repère 11 désigne un circuit d'appariement, lesrepères12 et 13 sont des organes absorbant l'onde acoustique de surface pour empêcher sa réflexion non souhaitée aux extrémités du dispositif. La tension continue de polarisation est appliquée par la source 7 à l'électrode de pompage 4 afin de créer une capacité appropriée de couche diélectrique en une partie de surface du substrat semi-conducteur 1 sous l'électrode de pompage 2. Par ailleurs, la tension de pompage à une fréquence 2fo, double d'une fréquence centrale fo d'une bande de fréquences souhaitée, est appliquée par la source à haute fréquence 9 à l'électrode de pompage 4, ainsi la capacité de couche diélectrique est forcée à osciller et est modulée à la fréquence 2fo. Quand un signal électrique est appliqué au transducteur d'entrée sur bande large 5, le signal électrique d'entrée est converti en un signal d'onde acoustique de surface qui se propage à la surface de la couche piézo-électrique 3 vers la droite et vers la gauche en regardant la figure 1. Pendant qu'une composante du signal d'onde acoustique de surface reçu 15 se propageant vers la droite, à une fréquence de l'ordre de fo, passe par une région de fonctionnement sous l'électrode de pompage 4, son potentiel piézo-électrique est soumis à une interaction paramétrique avec la tension de pompage du fait-de l'effet de linéarité de la capacité de couche diélectrique à la surface du substrat semi-conducteur 1, ainsi la composante est amplifiée. Ce signal amplifié d'onde acoustique de surface 16 est converti et émis sous forme d'un signal électrique par le transducteur de sortie 6. En même temps, un signal d'onde acoustique de surface 17, à une fréquence fi (fi = 2fo - fs, fs = fréquence du signal reçu) correspondant à l'amplitude du signal d'entrée 15, est également produit par l'électrode de pompage 4 et se propage vers la gauche en regardant la figure 1. Ce signal 17 peut également être émis sous forme d'un signal de sortie. Dans le dispositif à onde acoustique de surface ayant l'électrode de pompage carrée 4 ci-dessus décrite, le circuit électriquement équivalent a la condition en dessous de l'électrode de pompage 4 est tel qu'illustré sur la figure 2. Sur la figure 2, C1 est la capacité de la couche piézoélectrique 3, C2 est la capacité de la couche isolante 2 et C est la capacité de la couche dié- lectrique de la surface du substrat semi-conducteur 1. Les relations entre les capacités ci-dessus et l'interaction paramétrique seront maintenant décrites. L'efficacité de l'interaction paramétrique est améliorée tandis que la capacité C2 de la pellicule isolante 2 aug- mente et quand la capacité de la couche diélectrique C- est sensiblement. égale à la capacité C1 de la couche piézo-électrique 3. La valeur de la capacité C1 de la couche piézo-électrique D par unité de surface est inverse- ment proportionnelle à l'épaisseur d de la couche piézo- électrique 3, et cette épaisseur d de la couche 3 est avantageusement déterminée en connexion avec la longueur d'onde de l'onde acoustique de surface. La valeur de la capacité de couche diélectrique C) par unité de surface est déterminée par la résistivité d'une partie de surface du substrat semi-conducteur 1. En usage pratique, la valeur de la résistivité est restreinte. Comme on l'a décrit ci-dessus, la capacité C1 de la couche piézoélectrique et la capacité C7 de la couche diélectrique sont déterminées par différents facteurs, respectivement. Cela rend difficile l'obtention d'une efficacité maximum de l'interaction paramétrique à une fréquence souhaitée. De ce point de vue, on attend une autre amélioration du dispositif traditionnel à onde acoustique de surface, bien qu'il présente les excellents effets ci-dessus décrits. La présente invention a par conséquent pour objet un dispositif à onde acoustique de surface permettant de résoudre le problème technique mis en cause dans le dispositif traditionnel ci-dessus décrit. Selon la présente invention, on prévoit un dispositif à onde acoustique de surface qui comprend: un feuilletage formé d'une couche piézo- électrique et d'une couche de semi-conducteur; un certain nombre de bandes en métal disposées sur un trajet de propagation de l'onde acoustique de surface dans le feuilletage une électrode de pompage disposée sur la couche piézo- électrique et sur le trajet de propagation de l'onde acoustique de surface; et un moyen pour appliquer une tension de pompage à l'électrode de pompage; chacune des bandes en métal ayant une partie qui s'étend jusqu'à la couche de semi-conducteur dans une régionImrs du trajet de propagation de l'onde acoustique de surface. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaUtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple - illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention et dans lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective d'un dispositif traditionnel à onde acoustique de surface , - la figure 2 est un schéma d'explication du circuit électriquement équivalent à la condition régnant en dessous d'une électrode de pompage selon l'art antérieur - la figure 3 est une vue en perspective d'un dispositif à onde acoustique de surface selon la présente invention - la figure 4 est une vue en coupe fragmentaire du dispositif illustré sur la figure 3, faite suivant une ligne IV-IV; - la figure 5 est une vue en coupe fragmentaire semblable du dispositif illustré sur la figure 3, faite suivant la ligne V-V; - la figure 6 est une vue en coupe du dispositif illustré sur la figure 3, faite suivant la ligne VI-VI - la figure 7 est une vue d'explication montrant les capacités en diverses parties du dispositif illustré sur la figure 6; - la figure 8 est un schéma montrant un circuit électri- que équivalent vu d'une électrode de pompage du dispositif illustré sur la figure 7; et - les figures 9 à 12 illustrent divers exemples de o.^0 parties en extension de la bande en métal la figure 9 est une vue en coupe transversale montrant un exemple o une bande en métal est en contact de Schottky avec un semi-conducteur; la figure 10 est une vue en coupe transversale montrant un exemple o une bande en métal est mise en rapport avec un semi-conducteur par une jonction p-n; la figure 11 est une vue -en perspective montrant un exemple o une tension continue de polarisation est appli- quée séparément à des bandes en métal; et la figure 12 est une vue en coupe transversale du dispositif illustré sur la figure 11. En se référant maintenant aux dessins, et plus particu- lièrement aux figures 3 à 8, on peut y voir un mode de réalisation préféré de la présente invention. Sur la figure 3, le repère 1 désigne un substrat semi- conducteur fait, par exemple, en silicium (Si). Une pellicule isolante 22 et une couche piézo-électrique 23 sont disposées sur le substrat semiconducteur 1 dans l'ordre, pour former un feuilletage. La pellicule isolante 22 est utilisée pour la passiva- tion de surface du substrat semi-conducteur 1 et peut, par exemple, ttre formée en bioxyde de silicium (SiO2). Cette pellicule isolante 22 a une partie plus mince que les parties restantes comme on le décrira ci-après. La couche piézo-électrique 23 est formée en un matériau piézo-électrique tel que de l'oxyde de zinc (ZnO), du nitrure d'aluminium (AlN), et autres. Un transducteur d'entrée 5 et un transducteur de sortie 6 sont disposés sur le feuilletage en des positions proches de ses extrémités opposées, respectivement. Ces transducteurs 5 et 6 sont adaptés pour avoir une caracté- ristique de bande suffisament large. Un trajet de propagation d'une onde acoustique de surface est formé entre le transducteur d'entrée 5 et le transducteur de sortie 6, et une électrode de pompage 4 est disposée sur le trajet de propagation sur la couche piézo-électrique 23. Cette électrode 4 est formée, par exemple, d'une seule plaque formant électrode carrée. Un certain nombre de bandes en métal S sont disposées sur le trajet de propagation en dessous de l'électrode 4. On décrira ci-après le mode d'agencement des bandes en métal S. Le repère 7 désigne une source de courant continu pour appliquer une tension continue de polarisation, le repère 8 désigne une bobine d'inductance de blocage de courant 24738 I 1 alternatif, le repère 9 désigne une source de courant à haute fréquence pour appliquer une tension de pompage, le repère 10 désigne un condensateur de blocage du courant continu et le repère 11 désigne un circuit d'appariement. Les repères 12 et 15 désignent des organes absorbant l'onde acoustique de surface pour empêcher sa réflexion non souhaitée aux extrémités du feuilletage. Les modes d'agencement des bandes en métal seront maintenant décrits en détail en se référant aux figures 4 à 8. Comme on peut le voir sur la figure 6, les bandes en métal S sont disposées entre la couche piézo-électrique 23 et la couche isolante 22. Chaque bande en métal S est de forme rectangulaire et est agencée parallèlement 1, aux autres le long du trajet de propagation de l'onde acoustique de surface. Plus particulièrement, les bandes rectangulair s en métal 1 sont agencées de façon que leurs cttéslongsrespectifssoiat dispos6sdans la direction perpen- diculaire à la direction de propagation de l'onde acoustique de surface. Chaque bande en métal S a la même largeur Il et est agencée à des intervalles réguliers 12* La largeur Il et l'intervalle 12 sont choisis de façon à être plus petits qu'une longeur d'onde 0 de l'onde acoustique de surface du signal. Avec ce choix, les influences sur l'onde acoustique de surface, comme une réflexion mécanique et autres,autrement provoquéespar des bandes en métal S disposées dans le trajet de propagation de l'onde acous- tique de surface, peuvent être réduites à une valeur négligeable, et cela permet d'empêcher une détérioration du signal se propageant. Chaque bande en métal S ainsi agencée a une partie s'étendant dans une région E (figure 6) hors du trajet de propagation et une épaisseur dE de la couche isolante 22 dans la région E est rendue plus faible que l'épaisseur dF de cette même couche en une région F dans le trajet de propagation de l'onde acoustique. 247381! La longueur linéaire de chaque bande en métal S dans la région E est supposée être 13. Si la largeur de l'électrode de pompage 4 dans la directio,-erpendiculaire à la direc- tion de propagation de l'onde acoustique de surface est supposée ttre 14, cette largeur 14 correspond sensiblement à une largeur de propagation (largeur de faisceau) de l'onde acoustique de surface. En comparant les capacités C4 et C2 par aire de surface de la couche isolante 22 à la région E et à la région F respectivement, on peut trouver la relation de C4 > C2. La capacité C4 est déterminée sensiblement par l'épaisseur dE de la couche isolante à la région E et la longueur 13 de la bande en métal S. La différence entre C4 et C2 est choisie de façon que l'impédance de la capacité C4 puisse ttre suffisamment plus faible que celle de la capacité C2 à la fréquence de la tension de pompage. Avec ce choix, la plus grande partie du courant à la tension de pompage appliqué aux bandes en métal S s'écoule vers la masse à travers la région E. Cela est illustré sur la figure 8 sous forme d'un circuit électri- que équivalent vu de l'électrode de pompage 4. Sur la figure 8, C5 est une capacité de couche diélectrique de la surface de semi-conducteur à la région E. La valeur de la capacité C5 est déterminée sensiblement par la résistivité de surface du substrat semi-conducteur 1 E la longueur 1- de la bande en métal S. Comme on l'a décrit ci-dessus, la plus grande partie du courant à la tension de pompage traverse la région E du substrat semi-conducteur I dans le sens C1__^Cl __" C5. Par conséquent, une non linéarité de capacité de couche diélectrique provoquée à la région E de la surface du semi-conducteur est un facteur principal d'une interaction paramétrique. On notera que la capacité C1 de la couche piEzo-électri- que 23 dans le sens ci-dessus peut être modific-ar l'épaisseur de la couche piézo-électrique 23 et largeur 1 de l'électrode de pompage 4, tandis que la capacité C5 de la surface du semi-conducteur varie selon la longueur 1-. de la bande en métal S. Ainsi, les capacités C et CD sont réglables selon des facteurs différents, ind6pendamment, et leurs valeurs peuvent être établies pour être analogues Un mode de réalisation du dispositif à onde acoustique de surface selon l'invention est construit comme décrit ci-dessus et fonctionne comme on le décrira ci-après. Une tension continue de polarisation d'une valeur appropriée est appliquée à l'électrode de pompage 4 par la source de courant continu 7 pour créer une capacité de couche diélectrique appropriée sur la région E et la région F. Une tension de pompage à une fréquence 2fo, double de celle d'une fréquence centrale fo de la bande de fréquence souhaitée, est également appliquée à l'élec- trode de pompage 4 par la source à haute fréquence 9. Comme, dans la couche isolante 22, l'impédance est-établie pour être plus faible à la région E, le courant à la tension de pompage s'écoule dans le sens de ''électrode de pompage 4 -- couche piézo-électrique 23 - bandes en métal S - capacité C4 à la région E de la couche isolante 22 --y substrat semi-conducteur 1. La capacité de couche diélectrique sur la surface du semi-conducteur est excitée- et modulée à la fréquence 2fo de la tension de pompage.. Par ailleurs, un signal électrique d'entrée appliqué au transducteur d'entrée sur bande large 5 est converti en onde acoustique de surface et se propage vers la droite et vers la gauche en regardant la figure 3 à travers la couche piézo-électrique 23 à partir du trans- ducteur d'entrée 5, Pendant qu'une composante d'un signal d'entrée d'onde acoustique de surface SAT1 se propageant vers la droite, à une fréquence de l'ordre de fo, se propage à travers les bandes en métal S, le potentiel piézo-électrique est introduit vers la surface du semi- conducteur dans la région E et est soumis à l'interaction paramétrique avec la tension de pompage par l'effet de non linéarité de capacité de couche diélectrique à la surface du substrat semi-conducteur. Par suite, la composante est amplifiée pour produire une onde acoustique de surface de sortie parl'électrode de pompage 4, vers la droite et vers la gauche en regardant la figure 3. Selon la présente invention, dans l'interaction paramé- trique, la capacité C4 de la couche isolante 22 dans la région E peut être accrue et les valeurs de la capacité C de la couche piézo-électrique 23 et de la capacité de couche diélectrique C5 peuvent être établies comme étant sensiblement égales. Par conséquent, l'efficacité de l'interaction paramétrique peut être accrue au maximum. L'onde acoustique de surface de sortie SAW 2 se déplaçant dans la même direction que l'onde acoustique de surface d'entrée SA-W1 est convertie en un signal électrique par le transducteur de sortie C, et est émise vers l'extérieur. L'onde acoustique de surface de sortie SAW - se déplaçant dans la direction opposée à celle de l'onde acoustique de surface d'entrée SAW,1 est dérivée vers l'extérieur sous forme d'un signal électrique en utilisant le transducteur d'entrée 5 ou un autre moyen approprié, par exemple un moyen de sortie ayant un coupleur à plusieurs bandes comme cela est révélé dans la demande de brevet au Japon no 54-64923 (1979). D'autres modes de réalisation seront maintenant décrits en se référant aux figures 9 à 12. Sur la figure 9, la non linéarité de capacité de couche diélectrique est créée à la partie de surface du substrat semi- conducteur 1 dans la région E o chaque bande S a une extension et cette non linéarité de capacité de couche diélectrique est utilisée comme facteur principal de l'interaction paramé- trique. Dans ce cas, la couche isolante à la région E est retirée jusqu'à ce que son épaisseur devienne nulle, ainsi chaque bande en métal S est en contact de Schottky 24 avec la surface du substrat semi-conducteur 1. Selon cet exemple, l'impédance entre la bande en métal S 2-473811 - et le substrat semi-conducteur 1 à la région E peut de plus être réduite en comparaison avec le mode de réalisa- tion qui précède (figure 6 et autres), et par conséquent, l'efficacité de l'interaction paramétrique peut encore être améliorée. De plus, comme il n'est pas nécessaire de prévoir la couche isolante à la région E et qu'il suffit de prévoir un contact de Schottky entre la bande en métal S. et le semi-conducteur, la Fabrication de tout le dispositif est simplifié De même, dans un exemple représenté sur la figure 10, la non linéarité de capacité de couche diélectrique est provoquée sur le substrat semiconducteur 1 à la région E, et cette non linéarité est utilisée comme facteur principal de l'interaction paramétrique. Dans ce cas, cependant, une jonctionp-n25 est formée sur la surface du semi-conducteur dans la région E en une partie correspondant à chaque bande en métal S. Chaque bande S à la région E fait face au substrat semi-conducteur 1 à travers la jonction p-n. Dans cet exemple, comme l'épaisseur de la couche isolante à la région E est nulle et que l'impédance entre la bande en métal S et le substrat semi-conducteur 1 est réduite, l'efficacité de l'interaction paramétrique peut être beaucoup amélior6ecomme dans l'exemple de la figure 9. Les figures Il et 12 illustrent une modification du mode d'application de tension pour créer la non linéarité de capacité de couche diélectrique. Dans cet exemple, l'électrode de pompage 4 ne reçoit qu'une tension de pompage et les bandes en métal S -reçoivent séparément une tension continue de-polarisation. Afin d'appliquer une tension continue de polarisation à une bande en métal respective S, une seule source 7 de courant continu est utilisée et les bandes S sont reliées par une résistance commune en couche mince 26 formée, par exemple, par évaporation. La source 7 est reliée à la résistance 26. Les bandes en métal S sont reliées en commun par la résistance parce qu'il est souhaitable que les bandes S soient isolées les unes des autres par rapport à un signal à haute fréquence. Alternativement, les bandes S peuvent t-re reliées en commun par une bobine d'inductance. Comme un courant continu ne s'écoule pas à la tension de polarisation en courant continu appliquéeaux bandes respectives en métal S, il n'y a pas de problème d'applica- tion de la tension continue de polarisation par connexion des bandes en métal à travers l'élément à forte résistance comme on l'a décrit ci-dessus. Comme on l'aura compris à la lecture de la description qui précède, selon la présente invention, un certain nombre de bandes en métal sont disposées sur le trajet de propagation de l'onde acoustique de surface et ont des extensions respectives qui s'étendent dans une région hors de ce trajet de propagation et on utilise la non linéarité de capacité de couche diélectrique créée sur la surface du semi-conducteur à cette région, comme facteur principal de l'interaction paramétrique. Par con- séquent, la valeur de la capacité de couche diélectrique dans la région d'interaction paramétrique peut être modifiée en ajustant la longueur de la partie étendue de la bande en métal,et la relation entre la valeur de capacité de la couche piézo-électrique dans le trajet de propagation de l'onde acoustique de surface et la valeur de capacité ce la capacité de couche diélectrique ci-dessus peut être établie afin de rendre maximale l'efficacité de l'interac- tion paramétrique. Quand la couche isolante pour la passivation de surface du substrat semiconducteur est interposée entre la couche piézo-électrique et celui-ci, l'efficacité de l'interaction paramétrique n'est pas abaissée par l'aug- mentation de l'épaisseur de la couche isolante en une partie du trajet de propagation de l'onde acoustique de surface. Par conséquent, en augmentant l'épaisseur de la couche isolante en cette partie, on peut effcacement faire converger l'onde acoustique de surface, afin d'empêcher ainsi sa diffusion pendant sa propagation et de diminuer une perte doe à la diffusion. Bien entendu l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits etreprésentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles- ci sont exécutées suivant son espritet mises en oeuvre dans le cadre de la protection comme revendiquée. 247381? R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Dispositif à onde acoustique de surface, caractérisé ei ce qu'il comprend un feuilletage formé d'une couche piézo-électrique (23) et d'une couche de semi-conducteur (1); un certain nombre de bandes en métal (S) disposées sur un trajet de propagation de l'onde acoustique de surface dans ledit feuilletage; une électrode de pompage (4) disposée sur ladite couche piézo-électrique et sur ledit trajet de propagation de ladite onde acoustique de surface; et un moyen (9) pour appliquer une tension depompage à ladite électrode de pompage; chacune desdites bandes en métal ayant une partie s'étendant jusqu'à ladite couche de semi-conducteur dans une région hors dudit trajet de propagation de ladite onde acoustique de surface. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque bande en métal précitée est de forme rectangulaire et agencée de façon que ses côtés longs puissent être disposés dans une direction perpendiculaire à la direction de propagation de l'onde acoustique de surface précitée. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend de plus une couche isolante (22) interposée entre la couche piézo- électrique précitée et la couche de semi-conducteur précitée, les bandes en métal précitées étant prévues entre ladite couche isolante et ladite couche piézo- électrique. - 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche isolante précitée est plus faible à la région d'extension des bandes en métal précitées que sur le trajet de propagation de l'onde acoustique de surface précitée. 24738 11 5. Dispositi solon la revendication 1, caractérisé en ce que les parties étendues des bandes respectives en métal précit6essnt en contactde Schottky avec la couche de semi-conducteur précitée. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend de plus des jonctions p-n (25) prévues sur la couche de semi-conducteur précitée en des parties correspondant aux parties étendues des bandes en métal précitées, respectivement, lesdites parties étendue+étant combinées à la couche de semi-conducteur précitée. travers les jonctions p-n respectives. 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend de plus un moyen (7) pour appliquer une tension continue de polarisation à l'électrode de pompage précitée. 8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend de plus un moyen pour appliquer une tension continue de polarisation à la bande en métal précitée. 9. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la capacité de la couche piézo-électrique précitée et la capacité de la couche de semi-conducteur précitée sont sensiblement égales l'une à l'autre. 10. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend de plus un transducteur d'entrée (5) et un transducteur de sortie (6) prévus sur le feuille- tage précité sur des côtés opposés de!'électrode de pompage précitée. 11. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend de plus une résistance en couche mince (26) pour relier en commun les bandes en métal précitées et un moyen pour appliquer une tension continue à ladite résistance.