CN1178612A - 弹性表面波功能元件及使用它的电子电路 - Google Patents

Abstract

一种弹性表面波功能元件,它包括一个具有大的机电耦合系数的压电衬底或多层压电衬底(1)、制作在衬底上的电子迁移率高的且包括一个有源层(3)和一个与有源层晶格匹配的缓冲层(2)的半导体层、以及制作在半导体层两侧上的一个输入电极(4)和一个输出电极(5)。此元件在低电压下有大的放大增益。也可得到使用该弹性表面波功能元件的移动通信设备的高频单元的发射接收电路。

Description

弹性表面波功能元件及使用它的电子电路

本发明涉及到诸如弹性表面波放大器和弹性表面波卷积器(convolver)之类的弹性表面波功能元件，其中沿压电衬底传播的弹性表面波与半导体中的载流子相互作用，并涉及到使用这类功能元件的移动通信设备的发射接收电路等电子电路。

新近，诸如为手提电话之类的移动通信设备的尺寸已被减小并被设计成工作于较低的电压以降低功耗。随着这一进展，已进行广泛的研究来开发能够安装在手提设备中的单片元件。但由于带通滤波器和双工器(duplexer)的尺寸比其它高频元件的尺寸大，故与其它元件一起单片制造这些元件没有什么优点。而且，要将功率放大器制作成单片元件也实在很困难。为此，双工器、功率放大器、带通滤波器、安排在带通滤波器上游的低噪声放大器等已被发展成各个分立元件并制作成个别的组件。当这些分立元件被制作成组件时，形成了用来连接多个部分和电路以匹配阻抗的布线，因而作为一个单元，分立元件的尺寸是很大的。

另一方面，对弹性表面波的放大作用已进行了很多研究。为了放大弹性表面波，已知的方法是沿压电衬底的表面传播弹性表面波并使此波产生的电场与半导体中的载流子发生耦合。实际的弹性表面波放大器根据用来传播弹性表面波的压电材料与半导体的组合类型被分为三类：直接型放大器(图3)；分离型放大器(图4)；以及单片型放大器(图5)。首先，如图3所示，直接型放大器的结构带有一个由诸如CdS或GaAs之类材料组成的既有压电特性又有半导体特性的衬底7，其上制作有输入和输出电极4和5，衬底7被夹在用来将直流电场加于衬底7的电极6之间。但迄今仍未找到具有大的压电特性和大的迁移率的压电半导体。其次，如图4所示，分离型放大器的结构中，一个迁移率大的半导体3’排列在压电特性大的压电衬底1上，之间有一间隙8，输入和输出电极4和5制作在衬底1上，而用来将直流电场加于半导体3’的电极6被制作在半导体3’的二侧。在这类放大器中，半导体与压电衬底的平坦度以及间隙8的大小，对放大增益有很大的影响。为了获得实际上可接受的放大增益，间隙8必须做成尽可能小并在工作范围内保持恒定，致使具有这种间隙的放大器的工业制造非常困难。第三，如图5所示，单片型放大器的结构中，半导体3’通过介电膜9制作在压电衬底1上，中间没有间隙，输入和输出电极4和5制作在压电衬底1上，而用来将直流电场加于半导体层3’的电极6制作在半导体层3’的二侧。单片型放大器能达到高的增益并可被用于高频区。而且，单片型放大器被说成适于大批量生产。但至今仍未研究过这些弹性表面波放大器在诸如手提电话之类的移动通信设备中的应用。

为了实现单片型放大器，必须在压电衬底上制作电学特性良好的半导体膜，且半导体膜必须足够薄，以便在弹性表面波与半导体中的载流子之间能发生有效的相互作用。根据Tohoku大学Yamanouchi等人在1970年代的研究(Yamanouchi K.等人，Proceedings of the IEEE， 75，P726(1975))，采用将厚度为30nm的SiO涂覆在LiNbO₃衬底上，然后在衬底上真空淀积50nm厚的InSb薄膜这样一种结构，InSb的电子迁移率达到了1,600cm²/Vsec。当1,100V直流电压加于带有此半导体膜的弹性表面波放大器时，在195MHz的中心频率处获得了净增益为40dB的放大增益。而且，根据其理论计算，Yamanouchi等人预期，由于载流子的表面散射，在50nm厚的InSb薄膜中，最大的电子迁移率为3,000cm²/Vsee(Yamanouchi等人，Shingaku Gihou，US78-17.CPM78-26，p19(1978))。亦即，单片型放大器面临着难以在压电衬底上制作具有良好电学特性的薄膜半导体的麻烦。而且，常规结构要求一个SiO之类的介电膜以防止InSb和LiNbO₃衬底由于氧从LiNbO₃衬底扩散而引起的变坏。而且，当弹性表面波放大器被用作手提设备高频部分的放大器和带通滤波器时，若在3-6V的驱动电压下没有放大作用，则这种弹性表面波放大器是毫无用处的。常规单片放大器需要高的电压，且没有能在低电压下被驱动的弹性表面波放大器。而且，存在利用弹性表面波与电子之间相互作用的类似弹性表面波放大器的弹性表面波卷积器的增益不够高的问题。

通常，弹性表面波放大器的放大增益G由下式给出： $G={\mathrm{Ak}}^2\frac{{\mathrm{\ϵ}}_p}{\mathrm{\σh}}(\mathrm{\μE}-v)$ 其中A为一常数，k²为机电耦合系数，ε_p为压电衬底的等效介电常数，σ为电导率，h为有源层的膜厚度，μ为电子迁移率，E为外加电场，v为弹性表面波的速度。为了在低的可行电平电压下获得大的放大增益，必须：(1)制作一个电子迁移率高且膜厚尽可能小的半导体薄膜，(2)采用k²尽可能大的压电衬底。

本发明人对上述问题进行了广泛的研究，且发现借助于在压电衬底与有源层之间插入一个缓冲层，可获得具有良好电学特性的薄膜有源层。本发明人还发现，采用至少有三层的多层压电薄膜结构，可获得远大于体结构的压电衬底机电耦合系数k²。而且，本发明人证实，采用半导体层或压电薄膜衬底制造了弹性表面波放大器，且用这种放大器在可行的低电压下可获得良好的放大增益，这样就实现了本发明。此外，用本发明的半导体膜结构，已获得了5,000cm²/Vsec或更大的有源层电子迁移率。亦即，本发明提供了一种弹性表面波功能元件，它包含一个压电衬底、制作在压电衬底上的输入和输出电极、提供在输入和输出电极之间的半导体层，此半导体层包括一个有源层及一个与有源层晶格匹配的缓冲层。此处，术语“有源层”意指使正在传播着的弹性表面波与半导体中载流子的能量发生振荡的层。

在本发明中，由于借助于在压电衬底和有源层之间插入一个缓冲层可改善有源区的结晶性，故薄膜有源层可具有有源层的非常良好的电学特性。而且，本发明人发现，形成有源层的晶体的晶格常数与形成缓冲层的晶体的晶格常数被做成相等或相近，从而可进一步改善有源层的结晶性，且即使当有源层为薄膜形式的情况下，也可大大地改善有源层的电学特性。本发明人还发现，借助于采用含Sb的化合物半导体作为本发明的缓冲层，可获得更加好的电学特性。本发明的缓冲层的特征是高的电阻和其中弹性表面波的小的衰减。本发明的缓冲层具有即使在压电衬底上不提供SiO之类的介电膜的情况下也可防止有源层由于来自压电衬底的氧而变坏以及在低温下生长致使不损害压电衬底的优越性质。

本发明的压电衬底包含一个至少带有三个薄膜层的多层压电体，此层至少有二个不同的机电耦合系数。在多层压电体的各层中，其中央层具有最大的机电耦合系数。这方便了弹性表面波能量在表面上的集中，以致机电耦合系数被做成远大于组成各层的各压电体的机电耦合系数。

用使用本发明的半导体层的弹性表面波放大器可在手提电器所用的可行的低电压下获得放大效果。而且，采用本发明的多层压电体可获得远为更高的放大增益。

而且，对于弹性表面波卷积器，由于半导体层的电子迁移率高，故被回转的弹性表面波与电子之间的相互作用被加强了，致使可获得比常规结构更高的增益。

而且，当在可行的低电压下具有大的放大增益的本发明的弹性表面波功能元件被用作移动通信设备中的(i)带通滤波器和低噪声放大器，(ii)带通滤波器和功率放大器，或(iii)带通滤波器、放大器和双工器时，可使移动通信设备的尺寸大大减小，变薄且重量减轻。因此，诸如手提电话或无绳电话之类的移动通信设备的发送/接收电路属于本发明范围之列，其中具有高放大增益的弹性表面波功能元件被制作成放大器和带通滤波器，或放大器、带通滤波器和双工器。

下面将详细描述本发明。图1示出了本发明的一个基本的弹性表面波功能元件。图1A剖面图示出了本发明的弹性表面波功能元件，而图1B透视图示出了本发明的弹性表面波功能元件。参考号1、2、3、4和5分别表示压电衬底、缓冲层、有源层、输入电极和输出电极。

根据本发明，输入和输出电极4和5彼此以一定距离安排在压电衬底1上，在压电衬底1上电极之间通过缓冲层2制作了有源层3。

在本发明中，压电衬底1可以是一个压电单晶衬底或一个压电薄膜衬底。对于压电单晶衬底，氧化物基的压电衬底较好。例如，最好采用LiNbO₃、LiTaO₃或Li₂B₄O₇。而且，LiNbO₃的衬底切割表面最好是64°Y切割、41°Y切割或128°Y切割或Y切割，而LiTaO₃最好是36°Y切割。压电薄膜衬底具有这样的结构，其中压电薄膜被制作在蓝宝石或硅等的单晶衬底上。压电薄膜的最佳薄膜材料包括例如ZnO、LiNbO₃、LiTaO₃、PZT、PbTiO₃、BaTiO₃或Li₂B₄O₇。而且，诸如SiO、SiO₂之类的介电膜可插入在硅衬底和上述压电薄膜之间。借助于在蓝宝石、硅之类的单晶衬底上逐层地生长上述不同类型的压电薄膜，可制作一个多层膜作为压电薄膜衬底。

当本发明的压电衬底1包含一个至少由三个至少具有二个不同的机电耦合系数的层组成的多层压电元件，且其中位于多层压电体中央部位的压电膜具有最大的机电耦合系数时，可获得大的机电耦合系数。

关于多层压电衬底，下面将参照图2详细描述三层结构的一个例子。本发明的多层压电衬底20的结构中，在压电衬底21上提供了一个第一压电膜22和一个第二压电膜23。此处，压电衬底21、第一压电膜22和第二压电膜23的机电耦合系数分别设为k、k₁和k₂，且压电衬底21、第一压电膜22和第二压电膜23的表面波速度分别设为V、V₁和V₂。第一和第二压电膜22和23的薄膜厚度分别设为h₁和h₂。则必须使k₁大于k和k₂，且k₁最好为k和k₂的1.2倍或更大，为2倍或更大则更好。而且，当k₁大于k和k₂且V₁大于V和V₂时，可获得远为更大的机电耦合系数。V₁最好比V和V₂大100m/s，大250m/s则更好。而且，h₁通常大于等于30nm且小于等于20μm，大于等于80nm且小于等于5μm更好，而大于等于100nm且小于等于2μm则更好得多。通常。h₁/h₂大于等于0.1且小于等于500，最好是大于等于0.15且小于等于50，而大于等于0.5且小于等于21则更好。当弹性表面波的波长为λ时，h₁/λ为1或更小，且h₂/λ为1或更小，h₁/λ最好是0.5或更小且h₂/λ最好是0.4或更小，h₁/λ为0.25或更小且h₂/λ为0.25或更小则更好。

为了改善不仅弹性表面波放大器和弹性表面波卷积器而且弹性表面波滤波器、弹性表面波谐振器等的弹性表面波元件的特性，最好采用本发明的耦合系数大的多层压电衬底20。

最好采用具有大的电子迁移率的构成本发明的半导体层的有源层。构成有源层的半导体膜的最佳例子包括GaAs、InSb、InAs和PbTe。最好使用不仅二元化合物半导体而且由这些二元半导体的组合衍生的三元和四元混晶。例如，三元混晶In_xGa_1-xAs、InAs_ySb_1-y、In_zGa_1-zSb以及四元混晶In_xGa_1-xAs_ySb_1-y等。最好使用诸如由InAs、InSb、InAsSb、InGaSb、InGaAsSb等组成的那些含In的半导体薄膜，因为它们具有非常大的电子迁移率。而且，有源层可以是借助于堆叠不同组分的半导体膜而形成的多层膜。有源层的电子迁移率最好是5,000cm²/Vsec或更高，以便获得大的弹性表面波放大器的放大增益，而为了获得非常好的放大增益，10,000cm²/Vsec更好。为了获得这一大的电子迁移率，有源层组分In_xGa_1-xAs中的x的范围可为0≤x≤1.0，最好是0.5≤x≤1.0，0.8≤x≤1.0则更好。当InAs_ySb_1-y的y范围为0≤y≤1.0(0.5≤y≤1.0则更好)时，可获得大的电子迁移率。In_zGa_1-zSb中z的范围最好是0.5≤z≤1.0，而0.8≤z≤1.0则更好。

而且，当有源层的膜厚h为5nm或更小时，其晶体特性变坏且无法获得高的电子迁移率。另一方面，当h为500nm或更大时，有源层的电阻被降低且弹性表面波与载流子的相互作用效率被同时降低。亦即，为了获得高的电子迁移率并有效地实现弹性表面波与载流子的相互作用，有源层膜厚h的范围必须是5nm≤h≤500nm，最好是10nm≤h≤350nm，且12nm≤h≤200nm更好。而且，有源层的薄层电阻值最好是10Ω或更高，50Ω或更高更好，且100Ω或更高最好。

制作在本发明的压电衬底上的缓冲层最好是绝缘的或半绝缘的。但大的电阻值也是合用的。例如，缓冲层的电阻值至少为有源层的5-10倍或更大，最好是100倍或更大，而1000倍或更大更好。

最好使用例如GaSb、AlSb、ZnTe或CdTe之类的二元晶体作为高阻缓冲层。最好使用AlGaSb、AlAsSb、GaAsSb和AlInSb之类的三元晶体。最好使用AlGaAsSb、AlInGaSb、AlInAsSb、AlInPSb和AlGaPSb之类的四元晶体。而且，当缓冲层的组分被确定时，缓冲层的晶格常数被调整成与组成有源层的晶体的晶格常数相同或相近。这样就可获得有源层的高电子迁移率。此处，当有源层与缓冲层的晶格常数之差为±7％或更小，最好是±5％或更小且更好是±2％或更小时，二者的晶格常数彼此相近。

而且，在压电衬底1上制作缓冲层2的实际步骤中，晶格弛豫极为迅速地发生，特别是在含Sb的缓冲层中。即使其与压电衬底1的晶格失配很大，只要生长一个极薄的缓冲层膜，且缓冲层以特定于组成缓冲层2的晶体的晶格常数开始生长，晶格无序完全被弛豫。在刚要生长有源层之前，缓冲层表面处于极为满意的条件，从而大大改善了制作在缓冲层2上的有源层3的结晶性。因此，含Sb的化合物半导体特别适合于用作缓冲层2。

缓冲层2越厚，其结晶性就越好。但从方便弹性表面波与载流子相互作用的观点出发，缓冲层2最好尽可能薄。更具体地说，缓冲层的最佳膜厚h₃为10nm≤h₃≤1,000nm，而最好是20nm≤h₃≤500nm。

而且，由于缓冲层2可在低温下生长，故有可能不仅防止压电衬底1由于氧的泄漏而变坏，而且还可防止制作在缓冲层2上的有源层3由于氧从压电衬底1的迁移而变坏。而且，本发明的缓冲层2的明显特征是它起保护层的作用，用来保护压电衬底1和有源层3，这样就无需提供SiO或SiO₂组成的介电膜形式的保护层。

介电膜即使在压电衬底1和缓冲层2之间也不出现问题。用作介电膜的材料的例子是SiO、SiO₂、氮化硅、CeO₂、CaF₂、BaF₂、SrF₂、TiO₂、Y₂O₃、ZrO₂、MgO和Al₂O₃。介电膜尽可能薄。介电膜的厚度最好是100nm或更小，而50nm或更小则更好。

比之诸如插入在常规单片型放大器的压电衬底1与有源层3’之间的SiO之类的介电膜9，本发明的缓冲层2对有源层是晶格匹配的，且具有对半导体来说出人意外的大的介电常数和高电阻率。因此，弹性表面波的电场在本发明的缓冲层2中衰减小得多。因此，弹性表面波电场与有源层3中载流子之间的相互作用比常规情况下更为有效，致使本发明的缓冲层2可以做成比常规介电膜9更厚。

而且，在有源层3上可生长一个介电膜或半导体膜作为保护层以便保护有源层3。上面指出的各种组分可用作介电膜。与缓冲层相同的组分可用作半导体膜。

通常，任何一种方法，只要可生长薄膜，都可用来制作诸如缓冲层2和有源层3之类的膜。特别受偏爱的是使用分子束外延(MBE)方法、金属有机分子束外延(MOMBE)方法、金属有机化学汽相淀积(MOCVD)方法以及原子层外延(ALE)方法。

而且，在本发明中，压电衬底1上的输入和输出电极4和5是具有叉指结构的电极。对于这类电极，切趾换能器、提取权重换能器、单向换能器、正常型换能器之类，特别是单向换能器可降低由弹性表面波的双向性质所造成的损耗。因此，最好使用单向换能器。虽然对输入电极4和输出电极5的材料没有特别的限制，但最好使用例如Al、Au、Pt、Cu、Al-Ti合金、Al-Cu合金、Al和Ti多层电极。

在缓冲层2被制作成使输入和输出电极4和5被嵌埋的情况下，输入和输出电极4和5在第一步骤中制作。这就无需考虑半导体薄膜的凹凸，使得可以用接触曝光来进行亚微米量级的电极超微细加工。

但由于输入和输出电极4和5被嵌埋在缓冲层2之中，故必须选择在缓冲层制作工序中形变、熔化或扩散最小的电极材料。电极材料的最佳例子包括Pt、Au、Cu、Al、Cr、Mo、Ni、Ta、Ti、W之类。而且，采用Ti-Pt、Ti-Al、Ti-Au、Cr-Au、Cr-Pt等组成的多层电极也是较好的。

对用作向本发明的弹性表面波放大器中的半导体层施加直流电场的电极6的材料没有特别的限制。此电极材料的最佳例子包括Al、Au、Ni/Au、Ti/Au、Cu/Ni/Au、AuGe/Ni/Au之类。

当弹性表面波功能元件被用作要求具有高功率承受特性的功率放大器的一部分时，输入和输出电极4和5必须采用能承受大功率即约为数瓦功率的电极材料。这种能承受大功率的电极的抗高功率最佳材料的例子包括外延Al膜、Al-Cu膜以及Al-Cu/Cu/Al-Cu多层膜、掺Ti的Al膜、掺Cu的Al膜、掺Pd的Al膜。

本发明的弹性表面波放大器的结构中可至少有二个分隔的半导体层被相继地一个挨一个地制作在输入和输出电极4和5之间，此外提供有消除沿相反于弹性表面波传播方向的方向载流子运动的安排或消除半导体层之间的有源层3的安排。用这种结构，本发明可在低电压下获得高的放大增益。例如，如图6所示，用台面腐蚀技术将半导体层分隔，或在台面腐蚀工序之后，在半导体层之间充以介电物质(未示出)，致使可清除反向电场造成的沿相反方向的载流子运动。

在本发明的弹性表面波卷积器中，制作在压电衬底上的电极被用作二个输入电极。而且，回转之后的弹性表面波信号被从分别制作在半导体层上部和压电衬底下部的取出电极取出。对取出电极的材料没有限制。具体地说，最好用Al、Au、Pt、Cu之类作为取出电极的材料。

在图7所示的常规手提电话机中，连接于天线10的是一个连接于接收放大器12的双工器11和一个发射放大器13，接收和发射放大器12和13中的每一个连接于带通滤波器14。相反，如图8所示，当根据本发明能够以高的放大增益进行放大的弹性表面波功能元件被用于RF部分时，只有一个用来接收的弹性表面波放大器15和一个用来发射的弹性表面波放大器16被连接于天线10。因此，根据本发明，如图8所示，RF部分的元件数目可减少，且各个元件可做得紧凑、重量轻且薄。亦即，本发明能以低成本提供紧凑的重量轻的手提电器终端。

图1A剖面图示出了根据本发明的一个实施例的弹性表面波功能元件；

图1B透视图示出了根据本发明一个实施例的弹性表面波功能元件；

图2剖面图示出了本发明的多层压电衬底；

图3剖面图示出了一个常规直接型放大器；

图4剖面图示出了一个常规分隔型放大器；

图5剖面图示出了一个常规单片放大器；

图6剖面图示出了根据本发明一个实施例的一个半导体层分隔型弹性表面波放大器；

图7示意图示出了手提电话的RF部分；

图8示意图示出了不用双工器和根据本发明的放大器而制作的一个发射/接收电路；

图9剖面图示出了一个弹性表面波放大器，其中的输入和输出电极嵌埋在缓冲层中；

图10剖面图示出了一个采用根据本发明的多层压电体的表面声学波放大器；以及

图11剖面图示出一个根据本发明一个实施例的弹性表面波卷积器。

下面参照具体实施例来描述本发明。实施例1

在64°Y切割的3英寸直径的LiNbO₃单晶衬底上蒸发淀积10nm厚的SiO₂之后，用MBE方法生长150nm的Al_0.38In_0.62Sb作为缓冲层。之后，生长50nm的InSb作为有源层。然后，生长2nm的GaSb作为保护层，这样就制作了一个半导体层。此半导体层的电子迁移率为32,000cm²/Vs。此处，半导体电子迁移率是用范德堡方法测得的。

然后，用腐蚀工艺清除预定位置处的半导体层以暴露一部分压电衬底。用光刻工艺在压电衬底表面上制作叉指式Al电极作为输入/输出电极。此电极为正常型式，间距为0.75μm，传播长度为300μm。随后，在有源层上制作用来施加直流电场的电极。弹性表面波的传播长度最好设定为弹性表面波长度与正整数的乘积。

然后测定弹性表面波放大器的特性。用网络分析器(Yokokawa HP，8510B)借助于找到施加电场后的增益(或插入损耗)与施加电场之前的插入损耗之间的差值，而对其放大增益进行评估。作为根据本发明实施例1的弹性表面波放大器的评估结果，放大增益为22dB，其中直流外加电压为3V，而中心频率为1,520MHz。此放大增益值适用于手提电器高频部分的低噪声放大器和带通滤波器。实施例2

与实施例1相同的样品被腐蚀清除半导体的预定部位以暴露一部分压电衬底。用光刻法制作叉指式Al电极作为输入和输出电极。此电极是正常型的，间距为1.4μm，传播长度为280μm。随后，在有源层上制作用来施加直流电场的电极。

然后测量弹性表面波放大器的特性。其放大增益用与实施例1相同的方法进行评估。作为本发明实施例2的弹性表面波放大器的评估结果，放大增益为12dB，其中直流外加电压为3V，而中心频率为800MHz。这一放大增益值适用于手提电器高频部分的低噪声放大器和带通滤波器。对比实施例1

作为与实施例2的一个比较，进行了对比实施例1。在64°Y切割的直径为3英寸的LiNbO₃单晶衬底上，用蒸发方法淀积10nm的SiO₂之后，用MBE方法生长50nm的InSb作为有源层。之后，生长2nm的GaSb作为保护层，这样就制作了半导体层。测量了半导体层的电学特性。但在此对比实施例中，作为有源层的InSb是通过SiO₂膜直接制作在压电衬底上的。因此，有源层的晶体性质是不充分的，且其电子迁移率只有1,700cm²/Vs。

之后，预定位置处的半导体层被腐蚀以暴露压电衬底。用光刻工艺在压电衬底的表面上制作叉指式Al电极分别作为输入和输出电极。此电极是正常型的，间距为1.4μm，传播长度为280μm。随后，在有源层上制作用来施加直流电场的电极。之后，与实施例2相似地测量弹性表面波放大特性，但未观察到放大效应。实施例3

在64°Y切割的直径为3英寸的LiNbO₃单晶衬底上用蒸发方法淀积10nm的SiO₂之后，用MBE方法生长200nm的Al_0.5Ga_0.5Sb作为缓冲层。之后，生长60nm的InAs_0.5Sb_0.5作为有源层。随后，生长2nm的GaSb作为保护层，这样就制作了半导体层。此半导体层的电子迁移率为30,000cm²/Vs。

然后，腐蚀预定部位处的半导体层以暴露压电衬底。用光刻工艺在压电衬底表面上制作叉指式Al电极分别作为输入和输出电极。此电极是正常型的，间距为0.6μm，传播长度为240μm。随后，在有源层上制作用来施加直流电场的电极。

然后测量弹性表面波放大器的特性。用与实施例1相同的方法来评估其放大增益。作为本发明实施例3的弹性表面波放大器的评估结果，放大增益为26dB，其中的直流外加电压为3V，而中心频率为1,900MHz。这一放大增益值适用于手提电器高频部分的低噪声放大器和带通滤波器。实施例4

在64°Y切割的直径为3英寸的LiNbO₃单晶衬底上用蒸发方法淀积10nm的SiO₂之后，用MBE方法生长150nm的Al_0.5Ga_0.5Sb作为缓冲层。之后，生长50nm的InAs_0.5Sb_0.5作为有源层。随后，生长2nm的GaSb作为保护层，这样就制作了半导体层。此半导体层的电子迁移率为20,900cm²/Vs。

然后腐蚀预定位置处的半导体层以暴露压电衬底。用光刻工艺在压电衬底表面上制作叉指式Al电极分别作为输入和输出电极。此电极是正常型的，间距为0.75μm，传播长度为300μm。随后，在有源层上制作用来施加直流电场的电极。

然后，测量弹性表面波放大器的特性。其放大增益用与实施例1相同的方法进行评估。作为本发明实施例4的弹性表面波放大器的评估结果，放大增益为13dB，其中的直流外加电压为3V，而中心频率为1,530MHz。这一放大增益值适用于手提电器高频部分的低噪声放大器和带通滤波器。实施例5

在64°Y切割的直径为3英寸的LiNbO₃上用蒸发方法淀积10nm的SiO₂之后，用MBE方法生长100nm的Al_0.5Ga_0.5Sb作为缓冲层。之后，生长200nm的InAs_0.5Sb_0.5作为有源层。随后，生长2nm的GaSb作为保护层，这样就制作了半导体层。此半导体层的电子迁移率为32,000cm²/Vs。

然后腐蚀预定位置处的半导体层以暴露压电衬底。用光刻工艺在压电衬底表面上制作叉指式Al电极分别作为输入和输出电极。此电极是正常型的，间距为0.75μm，传播长度为300μm。随后，在有源层上制作用来施加直流电场的电极。

然后测量弹性表面波放大器的特性。其放大增益用与实施例1相同的方法进行评估。作为本发明实施例5的弹性表面波的评估结果，放大增益为6dB，其中的直流外加电压为6V，而中心频率为1,505MHz。因此，在低达6V的电压下获得放大效应。对比实施例2

作为与实施例4的一个比较，进行了对比实施例2。在64°Y切割的直径为3英寸的LiNbO₃单晶衬底上用蒸发方法淀积10nm的SiO₂之后，用MBE方法生长50nm的InAs_0.5Sb_0.5作为有源层。之后，生长2nm的GaSb作为保护层，这样就制作了半导体层。测量了此半导体层的电学特性。但在此对比实施例中，有源层InAs_0.5Sb_0.5是通过SiO₂膜直接制作在压电衬底上的。因此，有源层的结晶性是不够好的，其电子迁移率仅为1,200cm²/Vs。

之后腐蚀预定位置处的半导体层以暴露压电衬底。用光刻工艺在压电衬底表面上制作叉指式Al电极分别作为输入和输出电极。此电极是正常型的，间距为0.75μm，传播长度为300μm。随后，在有源层上制作用来施加直流电场的电极。之后测量弹性表面波放大特性，但未观察到放大效应。实施例6

在64°Y切割的直径为3英寸的LiNbO₃单晶衬底上用蒸发方法淀积10nm的SiO₂之后，用MBE方法生长150nm的Al_0.5Ga_0.5Sb作为缓冲层。之后，生长350nm的InAs作为有源层。随后，生长2nm的GaSb作为保护层，这样就制作了半导体层。此半导体层的电子迁移率为22,000cm²/Vs。

然后腐蚀预定位置处的半导体层以暴露压电衬底。用光刻工艺在压电衬底表面上制作叉指式Al电极分别作为输入和输出电极。此电极是正常型的，间距为0.6μm，传播长度为240μm。随后，在有源层上制作用来施加直流电场的电极。

然后测量弹性表面波放大器的特性。其放大增益用与实施例1相同的方法进行评估。作为实施例6的弹性表面波放大器的评估结果，放大增益为2dB，其中的直流外加电压为6V，而中心频率为1500MHz。因此，在低达6V的电压下获得了放大效应。实施例7

在64°Y切割的直径为3英寸的LiNbO₃单晶衬底上用蒸发方法淀积10nm的SiO₂之后，用MBE方法生长150nm的Al_0.5Ga_0.5As_0.12Sb_0.88作为缓冲层。之后，生长50nm的InAs作为有源层。随后，生长2nm的GaSb作为保护层，这样就制作了半导体层。此半导体层的电子迁移率为13,000cm²/Vs。

然后腐蚀预定位置处的半导体层以暴露压电衬底。用光刻工艺在压电衬底表面上制作叉指式Al电极分别作为输入和输出电极。此电极是正常型的，间距为1.4μm，传播长度为560μm。随后，在有源层上制作用来施加直流电场的电极。

然后测量弹性表面波放大器的特性。其放大增益用与实施例1相同的方法进行评估。作为实施例7的弹性表面波放大器的评估结果，放大增益为6dB，其中的直流外加电压为5V，而中心频率为810MHz。因此，在低达5V的电压下获得了放大效应。实施例8

在64°Y切割的直径为3英寸的LiNbO₃单晶衬底上用蒸发方法淀积10nm的SiO₂之后，用MBE方法生长150nm的Al_0.5Ga_0.5As_0.12Sb_0.88作为缓冲层。之后，生长20nm的InAs作为有源层。随后，生长2nm的GaSb作为保护层，这样就制作了半导体层。此半导体层的电子迁移率为8000cm²/Vs。

然后腐蚀预定位置处的半导体层以暴露压电衬底。用光刻工艺在压电衬底表面上制作叉指式Al电极分别作为输入和输出电极。此电极是正常型的，间距为1.4μm，传播长度为560μm。随后，在有源层上制作用来施加直流电场的电极。

然后测量弹性表面波放大器的特性。其放大增益用与实施例1相同的方法进行评估。作为实施例8的弹性表面波放大器的评估结果，放大增益为3dB，其中的直流外加电压为6V，而中心频率为835MHz。因此，在低达6V的电压下获得了放大效应。实施例9

在64°Y切割的直径为3英寸的LiNbO₃单晶衬底上用蒸发方法淀积10nm的SiO₂之后，用MBE方法生长150nm的Al_0.5Ga_0.5As_0.12Sb_0.88作为缓冲层。之后，生长10nm的InAs作为有源层。随后，生长2nm的GaSb作为保护层，这样就制作了半导体层。此半导体层的电子迁移率为5,000cm²/Vs。

然后腐蚀预定位置处的半导体层以暴露压电衬底。用光刻工艺在压电衬底表面上制作叉指式Al电极分别作为输入和输出电极。此电极是正常型的，间距为0.75μm，传播长度为300μm。随后，在有源层上制作用来施加直流电场的电极。然后测量弹性表面波放大器的特性。放大增益用与实施例1相同的方法进行评估。作为实施例9的弹性表面波放大器的评估结果，放大增益为4dB，其中的直流外加电压为6V，而中心频率为1,560MHz。因此，在低达6V的电压下获得了放大效应。对比实施例3

作为与实施例7的一个比较，进行了对比实施例3。在64°Y切割的直径为3英寸的LiNbO₃单晶衬底上用蒸发方法淀积10nm的SiO₂之后，用MBE方法生长50nm的InAs作为有源层。之后，生长2nm的GaSb作为保护层，这样就制作了半导体层。测量了此半导体层的电学特性。但在此对比实施例中，有源层InAs是通过SiO₂膜直接制作在压电衬底上的。因此，有源层的结晶性不够好，其电子迁移率仅为900cm²/Vs。之后，腐蚀预定位置处的半导体层以暴露压电衬底。用光刻工艺在压电衬底表面上制作叉指式Al电极分别作为输入和输出电极。此电极是正常型的，间距为1.4μm，传播长度为560μm。随后，在有源层上制作用来施加直流电场的电极。然后测量弹性表面波放大特性，但未观察到放大效应。实施例10

在128°Y切割的直径为3英寸的LiNbO₃单晶衬底上用MBE方法生长50nm的Al_0.5Ga_0.5As_0.1Sb_0.9作为缓冲层之后，生长400nm的InSb作为有源层，这样就制作了半导体层。此半导体层的电子迁移率为7,000cm²/Vs，且其载流子浓度为1×10¹⁶cm^-3。

然后用与实施例1相同的方法制造弹性表面波放大器。电极是正常型的，间距为0.75μm，传播长度为300μm。

作为弹性表面波放大器特性测量的结果，放大增益为3dB，其中的直流外加电压为5V，而中心频率为1,500MHz。因此，在低达5V的电压下获得了放大效应。而且，即使不用任何SiO介电膜，也未观察到氧从LiNbO₃衬底扩散所造成的LiNbO₃衬底变坏或InSb有源层变坏。结果证实Al_0.5Ga_0.5As_0.1Sb_0.9缓冲层起到了半导体有源层和压电衬底保护膜的作用。对比实施例4

作为与实施例10的一个比较，进行了对比实施例4、用MBE方法直接在64°Y切割的直径为3英寸的LiNbO₃单晶衬底上用MBE法生长50nm的InSb作为有源层，这样就制作了半导体层。测量了此半导体层的电学特性。在此对比实施例中，由于InSb是直接生长在LiNbO₃衬底上而没有制作介电膜之类的保护层，故有源层InSb膜的质量由于氧从LiNbO₃漏出而变坏。因此测不到电子迁移率。实施例11

制造了带有图9所示剖面结构的弹性表面波放大器。

用正常接触曝光的光刻工艺，在128°Y切割的直径为3英寸的LiNbO₃单晶衬底1上制作了叉指式Ti-Pt电极作为输入和输出电极4和5。电极4和5是正常型的，间距为1.4μm，传播长度为364μm。随后，用MBE方法生长150nm的Al_0.38In_0.62Sb作为缓冲层2，其生长方式使输入和输出叉指电极4和5被嵌埋在衬底1上。之后，生长50nm的InSb作为有源层3，这样就制作了半导体层。此半导体层的迁移率为34，000cm²/Vs。

然后，在用离子铣方法清除掉预定位置处的有源层3之后，在有源层3上制作用来施加直流电场的电极6(图9示出了其结构的剖面图)。之后，用蒸发方法淀积一个钝化用的氮化硅膜，然后制作窗口。测量了弹性表面波放大器的特性。结果，放大增益高达17dB，其中的直流外加电压为6V，而中心频率为809MHz。实施例12

制造了具有图10所示剖面结构的弹性表面波放大器。

用激光烧蚀方法在Y切割的LiTaO₃单晶衬底1上生长了厚度为2.0μm的LiNbO₃层17，并在LiNbO₃层17上生长一个厚度为0.1μm的LiTaO₃层18，这样就制作了一个三层结构的多层压电衬底。作为用俄歇电子能谱对生长的薄膜进行分析的结果，证实LiNbO₃膜17和LiTaO₃膜18中未形成任何化学比无序。而且由X衍射发现，(110)LiNbO₃层17和(110)LiTaO₃层18以无孪晶且无畴的状态被异质外延生长。

为了测量多层压电衬底的机电耦合系数，用普通光刻工艺制作了一个Al的梳状电极，使表面波的波长变成8μm。用网络分析器测得的机电耦合系数高达20.0％。

此外，利用多层压电衬底以与实施例10相同的方法制作了图10所示的弹性表面波放大器。作为弹性表面波放大器特性测量的结果，放大增益为12dB，其中的直流外加电压为5V，而中心频率为1,500MHz。证实具有明显地大的机电耦合系数的多层压电衬底在本实施例中表现出极佳的弹性表面波放大器的放大效应，大约比实施例10所得到的高四倍。对比实施例5

作为与实施例12的一个比较，进行了对比实施例5。对实施例12中的多层压电衬底的机电耦合系数与组成各层的材料的以及一个二层压电衬底的机电耦合系数进行了比较。用与实施例12相同的方法得到的组成各层的材料的机电耦合系数的结果是在单晶(110)LiNbO₃中为4.7％，而在单晶(110)LiTaO₃中为0.68％。

在形成于二层结构中的组成材料的情况下，也测量了机电耦合系数。亦即，用与实施例12相同的激光烧蚀方法，在Y切割的LiTaO₃衬底上生长一个LiNbO₃膜，机电耦合系数的测量结果是，在LiNbO₃/LiTaO₃二层结构中为3.0％，这比单晶(110)LiNbO₃的低。

因此，已发现在三层结构中，根据本发明的多层压电衬底的机电耦合系数可大大地提高。在实施例12中得到的机电耦合系数大约被增加四倍，从而提高了弹性表面波放大器的放大增益。实施例13

用与实施例10相同的方法，在128°Y切割的LiNbO₃衬底上生长一个半导体层。随后，腐蚀预定位置处的半导体层以暴露压电衬底。用光刻工艺在压电衬底上制作叉指式Al-Cu/Cu/Al-Cu多层电极作为可承受大功率的输入和输出电极。此电极是正常型的，间距为0.75μm，传播长度为300μm。随后，在有源层上制作用来施加直流电场的电极。

借助于从信号发生器(Anritsu MG3670A)送出一个RF信号以使用功率计和功率传感器(Yokokawa HP，437B和8481H)测量放大增益和发射功率，从而评估弹性表面波放大器的特性。放大增益为22dB，发射功率为2.2W，其中的直流外加电压为3V，而中心频率为1,520MHz。因此，此实施例中的弹性表面波放大器可用作移动通信设备之类的高频部分中的极好的功率放大器，而且对降低这类电器的尺寸有显著的贡献。实施例14

同实施例10一样，在128°Y切割的LiNbO₃衬底上生长了半导体层。然后，此半导体层被加工成排列在稍后要制作的输入和输出电极之间，并被腐蚀以便将半导体层分隔成图6所示的三个部分。在压电衬底的暴露表面上制作叉指Al电极作为输入和输出电极。电极间距和传播波长与实施例10中的相同。而且，在各个分隔的有源区上制作用来施加直流电场的电极。

借助于平行于各有源层而施加直流电场来评估本发明的弹性表面波放大器的特性。结果，放大增益为8dB，其中的直流外加电压为5V，而中心频率为1,500MHz。证实已获得大致3倍于实施例10的放大增益提高。实施例15

制作了具有图11所示剖面结构的弹性表面波卷积器。

同实施例10那样，在128°Y切割的LiNbO₃衬底1上生长了一个半导体层。然后，在预定位置处腐蚀作为缓冲层2的半导体层以暴露压电衬底1。用光刻工艺在压电衬底1的表面上制作输入电极4。而且，如图11所示，在半导体顶部及压电衬底底部制作取出电极19，这样就制得了弹性表面波卷积器。

此外，采用本发明的弹性表面波卷积器，当用频率分析器测量1,000MHz频率的放大特性时，从取出电极19可能获得非线性信号形式的回转输出。实施例16

采用本发明实施例1中制作的弹性表面波放大器、混频器和直角相位调制器，制造了手提电话RF部分的接收电路。在弹性表面波放大器与混频器之间未提供用来匹配阻抗的特别电路。通常，对于由低噪声放大器和高频带通滤波器构成的部分，只采用弹性表面波放大器。被π/4QPSK调制的RF信号从信号发生器被馈至如上制造的手提电话RF部分的接收电路，以便用向量信号分析器(Yokokawa HP 89441A)测量接收RF信号后的I和Q输出信号的解调误差。因此，当输入信号的强度为-10～-102dBm时，最大误差向量的大小是16％rms。而且，作为输入数据与解调数据比较的结果，在被解调的数据中没有误差。而且，用噪声指数计(Y0kokawa HP 8970B)和噪声源(Ykokawa HP346B)测量了弹性表面波放大器的噪声指数和放大增益。结果，在810MHz下，噪声指数为2.5dB，而放大增益为14dB；在826MHz下，噪声指数为3dB，而放大增益为12dB；在815MHz下，噪声指数为1.8dB，而放大增益为16dB。此外，用网络分析器测量了通带以外的衰减特性。测得940MHz下的插入损耗为35dB，而在956MHz下的插入损耗为40dB。总之，已证实用弹性表面波放大器取代低噪声放大器和带通滤波器可以得到接收电路。而且，若采用本发明这一实施例的弹性表面波放大器，则可单片制成高频低噪声放大器，从而导致接收电路部件数量的减少。实施例17

用直角相位调制器、混频器、带通滤波器及弹性表面波放大器制作了手提电话RF部分的接收电路。通常，本发明的弹性表面波放大器被用作待要构成功率放大器的部件。被π/4QPSK调制过的RF信号从信号发生器被馈至弹性表面波放大器，以使用向量信号分析器测量I和Q输出信号的解调误差。结果，在948MHz的中心频率下，误差向量的大小是5.5％rms。此时，发射电功率是2.2W。已证实当用频谱分析器测量输出信号的频谱时，它符合日本数字系统汽车电话系统标准规范(RCRSTD-27)。总之，已证实用弹性表面波放大器取代常规的功率放大器可提供发射电路以降低功率放大器部分的尺寸。实施例18

不用带通滤波器而制作了相似于实施例17的手提电话RF部分的发射电路。结果，在948MHz的中心频率下，误差向量的大小为4％rms。然后证实此时的发射电功率为3.2W，且发射频谱符合RCR STD-27。总之，采用弹性表面波放大器取代常规的功率放大组件和带通滤波器，可制造发射电路，以致功率放大和带通滤波器能够单片地制作。实施例19

用通带为810-826MHz的弹性表面波放大器取代接收电路的低噪声放大器和带通滤波器，并用通带为940-956MHz的弹性表面波放大器取代发射电路的功率放大器和带通滤波器，制作了发射/接收电路。采用了与实施例16相同的接收部分弹性表面波放大器，并采用了与实施例17相同的发射部分弹性表面波放大器。天线端被连接于发射电路和接收电路，其中的微带线特征阻抗被调为50Ω，而不用双工器。与实施例16和实施例17相似地测量了如上所述地制作的发射/接收电路的接收特性和发射特性。作为接收特性的测量结果，当输入信号的强度为-10～-102dBm时，最大误差向量的大小是18％rms。而且，此时在数据解调中不存在误差。作为发射特性的测量结果，在948MHz的中心频率下，误差向量的大小是5.4％rms。而且，已证实此时的发射电功率为3.0W，且发射频谱符合RCR STD-27。总之，已证实，在手提电话RF部分的发射-接收电路中，采用弹性表面波放大器的电路可被用来取代低噪声放大器和带通滤波器，取代功率放大组件和带通滤波器，以及取代双工器。因此，当采用本发明这一实施例的发射/接收电路时，可以大大地减少常规手提通信设备RF部分的零件数目，以致能为极大地降低手提设备终端的尺寸、重量和价格作出贡献。对比实施例6

用常规的GaAs FET、电容器等构成的功率放大组件的典型尺寸是25mm×12mm×3.7mm。相反，实施例17的弹性表面波放大器为5mm×5mm×2mm，以致本发明可使常规功率放大器的尺寸极大地减小。

采用本发明的弹性表面波功能元件，可大大地改善弹性表面波放大器的增益或弹性表面波卷积器的效率。本发明的弹性表面波放大器可在低电压下获得高的放大增益，这实际上是很有利的，使它可应用于移动通信电器的高频部分。而且，本发明允许采用一个单一元件来取代已被用作分立元件且尺寸很大的放大器、带通滤波器或双工器。于是本发明就可对低成本地生产紧凑的重量轻的厚度减小了的移动通信电器作出贡献。

Claims (17)

1.一种弹性表面波功能元件，它包含：

一个压电衬底；

一个制作在上述压电衬底上的输入电极和输出电极；以及

制作在上述输入电极和上述输出电极之间的半导体层，

其中上述半导体层包括一个有源层和一个缓冲层，上述缓冲层的晶格常数与上述有源层的匹配。

2.权利要求1所述的弹性表面波功能元件，其中所述的缓冲层包含至少含有锑的化合物。

3.权利要求1或2所述的弹性表面波功能元件，其中所述的有源层包含至少含有铟的化合物。

4.权利要求1-3中任何一个所述的弹性表面波功能元件，其中所述的有源层的膜厚为5nm-500nm。

5.一种弹性表面波功能元件，它包含：

一个压电衬底；以及

制作在上述压电衬底上的输入和输出电极，

其中所述的压电衬底包含一个含有至少三个带有至少二个不同的机电耦合系数的层组成的多层压电体，且其中上述多层压电体的上述至少三个层的中间层具有最大的机电耦合系数。

6.权利要求5所述的弹性表面波功能元件，其中所述的多层压电体由三个层组成，上述压电体的上述中间层由LiNbO₃组成，而上述压电体的其余各层由LiTaO₃组成。

7.权利利要求5或6所述的弹性表面波功能元件，其中一个单向换能器被用作输入-输出换能器。

8.权利要求5或6所述的弹性表面波功能元件，其中半导体层存在于上述输入电极和上述输出电极之间。

9.权利要求8所述的弹性表面波功能元件，其中所述的半导体层由一个有源层和一个缓冲层组成，上述缓冲层的晶格常数与上述有源层的匹配。

10.权利要求1-4、8和9中任何一个所述的弹性表面波功能元件，还包含一个用于输入-输出功率转换的单向换能器。

11.权利要求1-4、8-10中任何一个所述的弹性表面波放大器，还包含用来向上述半导体层施加直流电场的电极。

12.权利要求11所述的弹性表面波放大器，其中二个或更多个半导体层存在于上述输入和输出电极之间，且其中所述的放大器有一个消除载流子沿反方向在上述输入电极和上述输出电极之间运动的构造，或一个在上述半导体层之间不存在有源层的构造。

13.权利要求11所述的弹性表面波放大器，其中制作了一个嵌埋有上述输入和输出电极的缓冲层，并在上述缓冲层上制作了一个有源层。

14.权利要求11所述的弹性表面波放大器，其中所述的输入和输出电极具有承受大功率的结构。

15.一种弹性表面波卷积器，它包含权利要求1-4和8-10所述的上述压电衬底上的二个电极作为输入电极以及在上述半导体层上部和上述压电结构下部一致形成的取出电极。

16.一种发射/接收电路，它包含一个作为放大器和带通滤波器的或作为放大器、带通滤波器和双工器的权利要求11-15中任何一个所述的弹性表面波功能元件。

17.权利要求16所述的发射/接收电路，其中所述的发射/接收电路是一种用来将信号发射到移动通信设备或从移动通信设备接收信号的电路。

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