Brevet FR2493070A1 — publié le 19820430

La présente invention concerne des résonateurs réflecteurs d'ondes acoustiques superficielles électri- quement accordables et elle concerne plus particulière- nient le réglage de la fréquence d'un résonateur d'ondes acoustiques superficielles en faisant varier la concen- tration des porteurs de charge dans des substrats pié- zoélectriques et semi-conducteurs faisant partie de réseaux d'éléments réflecteurs de résonateurs. Les dispositifs à ondes acoustiques superfi- cielles sont utilisés comme éléments principaux de réglage de fréquence dans des circuits d'oscillateurs à des fins diverses. Dans certains cas, le but envi- sagé est simplement de fournir un petit dispositif adéquat et pouvant être réglé de telle sorte que ses 1S paramètres restent essentiellement constants dans une tolérance désirée afin d'assurer le réglage de la fré- quence d'un oscillateur à un degré de précision désiré. Dans d'autres cas, les paramètres du dispositif à ondes acoustiques superficielles peuvent être modifiés par une contrainte ou un autre phénomène, par exemple, en ré- ponse à une force, à une pression, à une température et à des facteurs analogues, fournissant ainsi un trans- ducteur de phénomènes qui est compatible avec un cir- cuit numérique ou un circuit apparenté réagissant à la fréquence. Dans certains cas, il est souhaitable d'as- surer l'accord de tension du résonateur à ondes acous- tiques superficielles pour procéder à un changement de mode, pour assurer une stabilité thermique ou à des fins d'équilibrage. Un résonateur réflecteur d'ondes acoustiques superficielles et dont la tension est ac- cordable, est décrit par Cross, P.S. et al. dans "Electronically Variable Surface-Acoustic-Wave Velocity and Tunable SAW Resonators", "Applied Physics Letters", volume 28, n0 1, janvier 1976, pages 1-3. Le dispositif décrit dans cette publication comporte plusieurs élé- ments réflecteurs disposés en groupes de part et d'au- tre d'une ligne de retard accordable à ondes acousti- ques superficielles comportant des transducteurs électro- acoustiques d'entrée et de sortie couvrant une zone d'interaction englobant un transducteur d'accord. Le substrat de ce dispositif est constitué de niobate de lithium ayant une constante de couplage électromécani- que relativement élevée avec une gamme d'accord maximum théorique de 4,5%. Toutefois, la gamme d'accord pou- vant être envisagée est limitée par le rapport entre la longueur du transducteur d'accord dans le sens de pro- pagation des ondes et la longueur effective de propaga- tion à l'intérieur des éléments des groupes de réflec- teurs. Dès lors, les gammes d'accord pouvant être envisagées sont de l'ordre de 1,4%. Le problème que pose un résonateur d'ondes acoustiques superficielles constitué de niobate de lithium et dont la tension est accordable, réside dans le fait qu'il est impossible d'intégrer un résonateur de ce type dans un circuit d'oscillateur en formant une structure monolithique, étant donné que le niobate de lithium ne possède pas des propriétés semi-conduc- trices. L'élaboration de dispositifs accordables en tension et pouvant être mis en oeuvre sur des substrats semi-conducteurs est décrite dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 11.612 déposée par la Demanderesse le 12 février 1979 et ayant pour titre "CARRIER CONCENTRATION CONTROLLED SURFACE ACOUSTIC WAVE VARIABLE DELAY DEVICES". Dans cette demande de brevet qui est mentionnée ici à titre de référence, une ligne à retard accordable en tension comprend un contact redresseur segmenté monté sur une ligne de retard d'ondes acoustiques superficielles que l'on peut disposer sur un substrat d'une matière semi-con- ductrice et piézoélectrique ou sur une matière semi- conductrice non piézoélectrique sur laquelle est dé- posée une couche superficielle piézoélectrique. L'ap- plication d'une tension à l'électrode segmentée en vue d'enrichir la concentration des porteurs de charge dans une matière nettement semiconductrice ou en vue d'appauvrir la concentration des porteurs de charge dans une matière semi-conductrice et semi-isolante a pour effet de modifier la vitesse acoustique et, partant, la fréquence du dispositif. Comme décrit dans la demande de brevet précitée, un dispositif de ce type peut être utilisé comme élément d'accord disposé entre les ré- flecteurs d'un résonateur du type décrit dans la réfé- rence précitée de Cross et al. Toutefois, en raison de la constante de couplage électromécanique nettement inférieure d'une matière piézoélectrique semi-conductri- ce ou d'une mince couche piézoélectrique, la gamme d'accord de ces dispositifs peut être limitée à une fraction de pour-cent. De même, compte tenu de la limitation supplémentaire soulignée dans la référence précitée de Cross et al et selon laquelle la gamme d'accord générale est limitée par la fraction de la longueur de la cavité qu'occupe l'élément d'accord, un résonateur d'ondes acoustiques superficielles dans lequel on utilise le système d'accord de tension décrit dans la demande de brevet précitée, peut être davantage limité par cette longueur fractionnaire de la cavité, ce qui risque d'être inadéquat dans de nom- breuses applications. De plus, plus l'écartement entre les transducteurs dientrée et de sortie est important, plus les modes pouvant être supportés dans le résona- teur accordable sont nombreux. En conséquence, afin de réduire le nombre de modes pouvant être supportés, l'étendue physique de l'élément d'accord entre les transducteurs d'entrée et de sortie doit être aussi réduite que possible. L'invention a pour objet de fournir un résona- teur d'ondes acoustiques superficielles réglé par la concentration des porteurs de charge, ce résonateur comportant une gamme d'accord améliorée, tandis qu'il peut être intégré à des circuits à semi-conducteurs. Suivant la présente invention, -un résonateur réflecteur d'ondes acoustiques superficielles réglé électriquement comprend un substrat piézoélectrique et semi-conducteur comportant deux jeux de contacts redresseurs segmentés disposés sur les côtés opposés d'une zone de transducteurs, chaque contact segmenté faisant office de groupe réflecteur, tandis qu'une tension variable est appliquée à chaque contact segmen- té afin de régler la concentration des porteurs de charge dans le substrat, réglant ainsi la vitesse de l'onde acoustique superficielle en dessous des éléments réflecteurs et, partant, la fréquence de résonance du résonateur. De plus, suivant la présente invention, la zone de transducteurs peut comporter deux transduc- teurs couplés acoustiquement l'un à l'autre pour être utilisés comme élément d'accord en série auquel la fré- quence de l'affaiblissement minimum d'insertion est le phénomène d'accord; de même, cette zone peut comporter un seul transducteur couplé directement aux éléments d'un oscillateur (comme c'est le cas dans les configura- tions traditionnelles de Pierce, Colpitts ou Clapp) de telle sorte que l'oscillation soit à une fréquence de phase de réaction correcte assurée par ltunique trans- ducteur monté entre les éléments réflecteurs du résona- teur. L'invention peut être mise en oeuvre sous dif- férentes formes comme décrit dans la demande de brevet précitée et elle est aisément appliquée en utilisant des techniques connues de traitement à microcircuits, ainsi qu'on le comprendra à la lecture de la descrip- tion ci-après. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée ci-après de certaines de ses formes de réalisation données à titre d'exemple en se référant aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est un schéma simplifié d'un réso- nateur accordable connu selon la technique antérieure; la figure 2 est un schéma simplifié d'un réso- nateur accordable suivant la présente invention compor- tant des éléments d'entrée et de sortie couplés acousti- quement;. la figure 3 est un schéma simplifié d'un réso- nateur accordable suivant l'invention, mais ne compor- tant qu'un seul transducteur; la figure 4 est une vue partielle en plan d'éléments réflecteurs accordables suivant la présente invention; et la figure 5 est une élévation latérale par- tielle élaguée de la partie illustrée en figure 4. En se référant à présent à la figure 1, un résonateur accordable du type général décrit par Cross et al et modifié pour adopter un système de réglage par la concentration des porteurs de charge comme dé- crit dans la demande de brevet précitée, comprend un substrat 40 sur lequel deux groupes d'éléments réflec- teurs 6, 7 sont disposés sur les côtés opposés d'une zone d'interaction comprenant des transducteurs inter- digitaux d'entrée et de sortie 44, 42, ainsi qu'un con- tact redresseur segmenté 35, les doigts de ce contact étant éventuellement inclinés légèrement afin de ré- duire les réflexions. Une tension d'accord est appli- quée par une source de tension d'accord variable 37 et une prise de terre ohmique adjacente 55. Le trans- ducteur d'entrée 44 est raccordé à la sortie d'un ani- plificateur 62, tandis que le transducteur de sortie 42 est raccordé à l'entrée de cet amplificateur 62. En conséquence, l'amplificateur 62 comporte, entre les transducteurs 44, 42, un circuit de réaction acoustique résonnant, ce circuit renfermant la zone d'accord entre ces transducteurs dans la partie du substrat o se trouve le contact segmenté 35. Comme décrit dans la demande de brevet précitée, une variation de tension en dessous du contact 35 a pour effet de faire varier la concentration des porteurs de charge dans la zone comprise entre les transducteurs 44, 42, réglant ainsi la vitesse acoustique d'une manière différente de celle décrite par Cross et ai, quoique cependant dans le même but. Le substrat semi-conducteur piézoélectrique 40 peut être constitué d'une matière qui est à la fois semi-conductrice et piézoélectrique, par exemple, l'arséniure de gallium, ou il peut être constitué d'une pellicule piézoélectrique non semiconductrice (telle que l'oxyde de zinc), cette pellicule étant déposée sur un substrat semi-conducteur (par exemple, le sili- cium). Suivant le substrat, la tension d'accord varia- ble de la source 37 peut être choisie de façon à régler l'appauvrissement ou l'enrichissement de la concentration des porteurs de charge dans la matière semi-conductrice du substrat 40 afin d'en régler sélectivement les pro- priétés serni-conductrices/semi-isolantes, réglant ainsi la vitesse de l'onde acoustique et, partant, la fré- quence de l'oscillateur formé par l'amplificateur 62 avec son circuit de réaction électroacoustique. La sortie peut être obtenue aux bornes 76 de façon connue. Les éléments réflecteurs 6, 7 peuvent être constitués d'aluminium déposé, chaque élément ayant une longueur (dans le sens de la propagation) d'un quart d'ondeetchaque élément étant espacé du suivant d'une distance d'un quart d'onde. Etant donné que la profon- deur d'appauvrissement en cause est de l'ordre d'une longueur d'onde, les doigts du contact segmenté 35 peuvent être séparés d'une distance de l'ordre d'envi- ron une longueur d'onde afin d'assurer la continuité d'enrichissement ou d'appauvrissement dans les zones successives associées à chaque segment, mais ils peu- vent être séparés d'une distance différente d'un nom- bre impair de longueurs d'onde afin d'éviter la forma- tion de courts-circuits apparents qui pourraient avoir tendance à réduire la différence entre le potentiel d'un substrat non conducteur et le potentiel d'un substrat conducteur. Bien qu'elle soit représentée directement sur le substrat 40, la source de tension d'accord 37 peut être plus communément formée séparé- ment; d'autre part, l'invention selon laquelle on utilise un substrat semi-conducteur,est aisément adap- tée à une intégration monolithique dans un amplifica- teur 62, directement sur le substrat 40, comme repré- senté en figure 1 et également comme décrit dans la demande dé brevet précitée de la Demanderesse. Ainsi qu'on l'a décrit brièvement ci-dessus, le problème que pose la configuration illustrée en figure 1, réside dans le fait que l'on doit prévoir une zone d'accord d'une importante longueur en dessous du contact 35 et dans le sens de propagation des ondes acoustiques de façon à disposer ainsi d'une large pos- sibilité d'accord. De plus, cette remarque est parti- culièrement vraie lorsque le substrat semi-conducteur piézoélectrique particulier 40 a une constante de cou- plage électromécanique relativement faible comme c'est le cas, par exemple, pour l'arséniure de gallium. De ce fait, les transducteurs 42, 44 doivent être séparés d'une distance leur permettant de supporter un grand nombre de modes. Ces modes peuvent comporter spécifi- quement des lobes secondaires parasites ou d'autres modes à cavités étroitement espacées. En se référant à présent à la figure 2, sur un substrat semi-conducteur piézoélectrique qui peut avoir l'une ou l'autre des formes décrites dans la demande de brevet précitée de la Demanderesse, sont formés plusieurs éléments réflecteurs 10, Il compor- tant des jonctions de redressement telles que des cou- ches d'arrêt de Schottky formées en déposant de l'alu- minium sur le substrat 9. A chacun des groupes d'élé- ments réflecteurs 10, 11, est associée une prise de terre ohmique 12, 13 pour permettre l'application d'une tension (à partir d'une source de tension d'ac- cord variable 15) entre les éléments réflecteurs 10, 11 et les prises de terre 12, 13, réglant ainsi la concen- tration en porteurs de charge dans une zone semi-con- ductrice ou semi-isolante du substrat 9. Des trans- ducteurs interdigitaux d'entrée et de sortie 16 et 17 respectivement établissent un circuit de réaction cou- plé acoustiquement avec un amplificateur 18, formant ainsi un oscillateur dont la sortie peut être obtenue aux bornes 19. Les transducteurs peuvent être réalisés de diverses manières comme décrit dans la demande de brevet précitée de la Demanderesse. Suivant l'inven- tion, les segments 10, Il ne sont pas inclinés, mais ils sont plutôt parfaitement perpendiculaires au sens de propagation des ondes, formant ainsi des groupes réflecteurs de part et d'autre de la zone renfermant les transducteurs d'entrée et de sortie 16, 17. La conception des éléments réflecteurs 10, 11, ainsi que des transducteurs 16, 17 peut être conforme aux ensei- gnements bien connus dans la technique pour les résona- teurs réflecteurs d'ondes acoustiques superficielles. La différence suivant l'invention réside dans le fait que l'accord est réalisé en réglant la vitesse de pro- pagation à travers toute la zone acoustique des groupes réflecteurs 10, 11 par la concentration des porteurs de charge comme décrit dans la demande de brevet pré- citée de la Demanderesse. De la sorte, les transduc- teurs 16, 17 peuvent être situés immédiatement l'un à côté de l'autre, éventuellement à une distance aussi réduite qu'un quart d'onde. Suivant l'invention, les dimensions et l'écartement des éléments réflecteurs dans chacun des groupes 10, 11 sont choisis en confor- mité avec le substrat pour le type de fréquence désiré, contrairement à l'électrode segmentée 35 décrite dans la demande de brevet précitée o l'électrode segmentée est conçue pour produire un court-circuit superficiel minimum, tout en assurant en même temps un réglage suffisant de la concentration en porteurs de charge. De même, les groupes de réflecteurs 10, il peuvent être immédiatement adjacents aux transducteurs 16, 17 con- formément à des critères de conception bien connus de telle sorte qu'une importante partie de la longueur de la cavité formée par les résonateurs puisse être accor- dée par le réglage de la concentration en porteurs de charge. On obtient ainsi un accord maximum quoique l'on utilise le substrat piézoélectrique semi-conduc- teur préféré qui permet la fabrication de circuits intégrés et qui offre une gamme d'accord inhérente inférieure à celle d'autres matières telles que le niobate de lithium. En figure 2, la fréquence de l'oscillateur formé par l'amplificateur 18 et les transducteurs 16, 17 est réglée par une onde acoustique ayant une vitesse correspondante à laquelle il se produit un affaiblisse- ment d'insertion minimum dans le couplage acoustique entre les transducteurs 16, 17 faisant partie du cir- cuit de réaction de l'oscillateur. La forme de réalisa- tion de la figure 3 est identique à celle de la figure 2, avec cette exception que l'on utilise un seul trans- ducteur interdigital électroacoustique 20 uour coupler le résonateur à un circuit d'oscillateur 21, le résonateur étant raccordé entre l'un ou l'autre des éléments du dispositif actif de l'oscillateur 21 (par exemple, les circuits base/collecteur, collecteur/émetteur et émet- teur/base d'un transistor bipolaire) de façon à former, de façon bien connue dans la technique, un oscillateur du type de Colpitts, Pierce ou Clapp. Dans ce cas, une onde acoustique est lancée dans le résonateur à la fré- quence d'oscillation de l'oscillateur 21 qui se stabi- lise rapidement à une fréquence ayant une phase correcte suivant le montage et l'accord du résonateur. Dans les formes de réalisation illustrées dans les figures 2 et 3, il est à noter que les éléments réflecteurs sont raccordés ensemble afin de pouvoir y appliquer la tension d'accord. On a trouvé qu'en pro- cédant de la sorte, on n'influençait pas sensiblement les caractéristiques de fonctionnement d'un résonateur conçu et monté correctement,tandis qu'il n'en résulte qu'une réduction mineure du facteur de qualité de réso- nance (Q). De même, il importe peu que les prises de terre ohmiques 12, 13 soient situées sur le même côté des groupes réflecteurs 10, Il que la connexion des éléments réflecteurs de chaque groupe (comme c'est le cas en figure 2) ou que les prises de terre ohmiques 12, 13 soient prévues sur les côtés non raccordés des éléments réflecteurs (comme c'est le cas en figure 3). D'autre part, les prises de terre ohmiques 12, 13 peu- vent être prévues sur la face inférieure du substrat si ce dernier est entièrement semi-conducteur. Par exem- ple, si l'on utilise un substrat conducteur de type n-plus au GaAs avec une couche épitaxiale de type n, la prise de terre ohmique peut être prévue, de préfé- rence, sur la face inférieure de la matière de type n-plus. Dans différentes formes de réalisation, on peut installer ces prises de terre à d'autres endroits et selon d'autres méthodes. On se référera brièvement à la figure 4 qui illustre les détails d'une partie du groupe de réflec- teurs 11, ainsi que de la prise de terre 13. De même, la figure 5 illustre une mise en oeuvre spécifique analogue à celle décrite à propos de la figure 6 de la demande de brevet précitée, pour le cas d'un substrat épitaxial de type n à l'arséniure de gallium dans lequel la tension d'accord appliquée aux éléments du groupe de réflecteurs 11 provoque l'appauvrissement des porteurs de charge (comme indiqué en pointillés) suivant l'amplitude de cette tension. La présente invention permet d'accorder la tension d'un résonateur réfléchissant les ondes acous- tiques superficielles et formé sur un substrat semi- conducteur, si bien que l'invention est compatible avec la formation de circuits intégrés directement sur le même substrat. L'invention peut être mise en oeuvre dans les différentes formes de réalisation décrites dans la demande de brevet précitée de la Demanderesse dans la mesure o il s'agit de la formation des élé- S ments réflecteurs et des types de substrats, ainsi qu'en ce qui concerne les modes d'appauvrissement et d'enrichissement qui y sont décrits. Toutefois, dans tous les cas de la présente invention, les contacts de redressement sont lbrmés, de préférence, en déposant de l'aluminium ou un autre métal approprié dans les groupes de réflecteurs 10, Il comme décrit ci-dessus. Bien que l'invention ait été illustrée et décrite par certaines formes de réalisation données à titre d'exemple, l'homme de métier comprendra que l'on peut y apporter les modifications, omissions et addi- tions ci-dessus, ainsi que différentes autrestant dans la forme que dans les détails sans pour autant se départir de l'esprit et du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Résonateur réflecteur variable d'ondes acoustiques superficielles réglé par la concentration des porteurs de charge, ce résonateur comprenant: un substrat piézoélectrique et semi-conducteur; deux groupes d'éléments réflecteurs-disposés sur les côtés opposés d'une zone de transducteurs sur une surface de ce substrat; et un transducteur électroacoustique disposé sur cette surface du substrat entre ces groupes de réflec- teurs, caractérisé en ce que: les éléments réflecteurs de chacun des groupes précités sont raccordés ensemble et forment un contact redresseur segmenté avec ce substrat; une connexion ohmique étant formée avec ce substrat près de chacun des éléments réflecteurs de chacun des groupes précités; et un élément étant prévu pour imprimer une ten- sion variable entre ces groupes de réflecteurs et ces contacts ohmiques afin de modifier la concentration des porteurs de charge en dessous et entre les élé- ments réflecteurs de telle sorte que les variations de cette tension aient pour effet de modifier le poten- tiel et la vitesse de l'onde acoustique superficielle à la surface de ce substrat, réglant ainsi la fréquence de résonance de ce résonateur. 2. Résonateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le transducteur électroacousti- que est raccordé entre une paire d'éléments d'un oscil- lateur afin d'en assurer l'accord de réglage en phase. 3. Résonateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un deuxième transduc- teur électroacoustique disposé dans cette zone à trans- ducteurs entre le transducteur mentionné en premier lieu et un des groupes de réflecteurs, ces transducteurs étant respectivement raccordés à l'entrée et à la sortie d'un amplificateur afin de former un circuit d'oscilla- teur.