DE69634949T2 - Vorrichtung für elastische oberflächenwellen und elektronische schaltung mit einer solchen vorrichtung - Google Patents

Vorrichtung für elastische oberflächenwellen und elektronische schaltung mit einer solchen vorrichtung Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Funktionselemente für akustische Oberflächenwellen, wie z.B. einen Verstärker für akustische Oberflächenwellen und einen Convolver für akustische Oberflächenwellen, bei denen akustische Oberflächenwellen, die sich in einem piezoelektrischen Substrat ausbreiten, mit Ladungsträgern in einem Halbleiter eine Wechselwirkung eingehen, und eine elektronische Schaltung, die ein solches Funktionselement für akustische Oberflächenwellen umfasst.
  • In letzter Zeit wurden mobile Kommunikationsvorrichtungen, wie z.B. ein tragbares Telefon, verkleinert und bei niedrigeren Spannungen mit vermindertem Energieverbrauch betrieben. Einhergehend mit diesem Fortschritt wurden intensive Untersuchungen zur Entwicklung monolithischer Elemente durchgeführt, die in einer tragbaren Vorrichtung montiert werden können. Da jedoch ein Bandfilter und ein Duplexer größer sind als andere Elemente für Hochfrequenzkomponenten, bringt es nur wenige Vorteile, diese Elemente zusammen mit anderen Elementen monolithisch herzustellen. Darüber hinaus ist es sehr schwierig, einen Leistungsverstärker als monolithisches Element herzustellen. Aus diesem Grund wurden ein Duplexer, ein Leistungsverstärker, ein Bandfilter und ein rauscharmer Verstärker, der stromaufwärts von dem Bandfilter, usw., angeordnet ist, jeweils als diskrete Elemente entwickelt und als jeweilige Module hergestellt. Wenn diese diskreten Elemente als Module hergestellt werden, wird eine Verdrahtung zum Verbinden einer Mehrzahl von Bauteilen und Schaltkreisen zur Angleichung der Impedanz ausgebildet und daher sind die diskreten Elemente als Einheiten sehr groß.
  • Andererseits wurden verschiedene Studien bezüglich der Verstärkung akustischer Oberflächenwellen durchgeführt. Zur Verstärkung einer akustischen Oberflächenwelle ist es bekannt, die akustische Oberflächenwelle sich in einer Oberfläche eines piezoelektrischen Substrats ausbreiten zu lassen und das durch die Welle erzeugte elektrische Feld mit Ladungsträgern in einem Halbleiter zu koppeln. In der Praxis eingesetzte Verstärker für akustische Oberflächenwellen werden gemäß der Arten der Kombination des piezoelektrischen Materials zum Ausbreitenlassen der akustischen Oberflächenwelle und des Halbleiters in drei Typen eingeteilt. Einen Verstärker des direkten Typs (3), einen Verstärker des Trennungstyps (4) und einen Verstärker des monolithischen Typs (5). Gemäß der 3 ist der Verstärker des direkten Typs ein Verstärker mit einer Struktur, die ein Substrat 7 aufweist, das aus einem Material wie z.B. CdS oder GaAs zusammengesetzt ist, das gleichzeitig piezoelektrische Eigenschaften und Halbleitereigenschaften aufweist, und auf dem Eingangs- und Ausgangselektroden 4 und 5 bereitgestellt sind, wobei das Substrat 7 sandwichartig von den Elektroden 6 zum Anlegen eines elektrischen Gleichstromfelds an das Substrat 7 umgeben ist. Ein piezoelektrischer Halbleiter, der sehr gute piezoelektrische Eigenschaften und eine hohe Mobilität aufweist, wurde bisher jedoch noch nicht gefunden. Gemäß der 4 ist der Verstärker des Trennungstyps ein Verstärker mit einer Struktur, bei der ein Halbleiter 3'' mit einer hohen Mobilität auf einem piezoelektrischen Substrat 1 mit sehr guten piezoelektrischen Eigenschaften mit einem Spalt 8 angeordnet ist, wobei Eingangs- und Ausgangselektroden 4 und 5 auf dem Substrat 1 bereitgestellt sind und Elektroden 6 zum Anlegen eines elektrischen Gleichstromfelds an den Halbleiter 3'' auf beiden Seiten des Halbleiters 3'' bereitgestellt sind. In dem Verstärker dieses Typs haben die Oberflächenflachheit der Halbleiter und des piezoelektrischen Substrats und die Größe des Spalts 8 einen großen Einfluss auf die Verstärkung. Um eine in der Praxis akzeptable Verstärkung zu erreichen, muss der Spalt 8 so klein wie möglich gemacht und über einen Betriebsbereich konstant gehalten werden, so dass die industrielle Herstellung des Verstärkers mit einem solchen Spalt sehr schwierig ist. Gemäß der 5 ist der Verstärker des monolithischen Typs ein Verstärker mit einer Struktur, bei der ein Halbleiter 3'' mittels eines dielektrischen Films 9 ohne Spalt auf einem piezoelektrischen Substrat 1 ausgebildet ist, wobei Eingangs- und Ausgangselektroden 4 und 5 auf dem piezoelektrischen Substrat 1 bereitgestellt sind und Elektroden 6 zum Anlegen eines elektrischen Gleichstromfelds an die Halbleiterschicht 3'' auf beiden Seiten der Halbleiterschicht 3'' bereitgestellt sind. Der Verstärker des monolithischen Typs kann eine hohe Verstärkung erreichen und in einem Hochfrequenzbereich eingesetzt werden. Darüber hinaus wird davon ausgegangen, dass der Verstärker des monolithischen Typs für eine Massenproduktion geeignet ist. Die Anwendung dieser Verstärker für akustische Oberflächenwellen auf eine mobile Kommunikationsvorrichtung, wie z.B. ein tragbares Telefon, wurde jedoch bisher noch nicht untersucht.
  • Um einen Verstärker des monolithischen Typs zu realisieren, muss ein Halbleiterfilm mit guten elektrischen Eigenschaften auf einem piezoelektrischen Substrat ausgebildet werden und der Halbleiterfilm muss ausreichend dünn sein, so dass eine effiziente Wechselwirkung zwischen der akustischen Oberflächenwelle und den Ladungsträgern in dem Halbleiter stattfinden kann. Gemäß der Studie von Yamanouchi et al. von der Tohoku University in den 1970ern (K. Yamanouchi et al., Proceedings of the IEEE, 75, Seite 726 (1975)) wurde eine Elektronenmobilität von InSb von 1600 cm2/V·s unter Verwendung einer Struktur erreicht, bei der SiO in einer Dicke von 30 nm auf ein LiNbO3-Substrat aufgebracht worden ist und dann ein InSb-Dünnfilm in einer Dicke von 50 nm auf das Substrat aufgedampft wurde. Wenn eine Gleichspannung von 1100 V an einen Verstärker für akustische Oberflächenwellen, der die Halbleiterfilme aufwies, angelegt wurde, wurde bei einer Mittenfrequenz von 195 MHz eine Netto-Verstärkung von 40 dB erhalten. Ferner haben Yamanouchi et al. auf der Basis ihrer theoretischen Berechnung vorhergesagt, dass die maximale Elektronenbeweglichkeit in einem InSb-Dünnfilm mit einer Dicke von 50 nm aufgrund einer Oberflächenstreuung von Ladungsträgern 3000 cm2/V·s beträgt (Yamanouchi et al., Shingaku Gihou, US78-17. CPM78-26, Seite 19 (1978)). D.h., der Verstärker des monolithischen Typs weist das Problem auf, dass eine Dünnfilmhalbleiterschicht mit guten elektrischen Eigenschaften auf einem piezoelektrischen Substrat nur schwer gebildet werden kann. Darüber hinaus erfordert eine herkömmliche Struktur einen dielektrischen Film wie z.B. SiO, um eine Zerstörung von InSb und eines LiNbO3-Substrats aufgrund der Diffusion von Sauerstoff von dem LiNbO3-Substrat zu verhindern. Wenn darüber hinaus ein Verstärker für akustische Oberflächenwellen als Verstärker eines Hochfrequenzabschnitts einer tragbaren Vorrichtung und eines Bandfilters verwendet wird, ist der Verstärker für akustische Oberflächenwellen nutzlos, wenn er bei einer Ansteuerspannung von 3 bis 6 V keinen Verstärkungseffekt liefert. Ein herkömmlicher monolithischer Verstärker erfordert eine hohe Spannung und es gab keinen Verstärker für akustische Oberflächenwellen, der bei niedrigen Spannungen betrieben werden konnte. Ferner besteht ein Problem darin, dass ein Convolver für akustische Oberflächenwellen, der wie der Verstärker für akustische Oberflächenwellen eine Wechselwirkung zwischen einer akustischen Oberflächenwelle und Elektronen nutzt, eine unzureichende Verstärkung ergibt.
  • Im Allgemeinen ist die Verstärkung G eines Verstärkers für akustische Oberflächenwellen durch die folgende Gleichung definiert:
    Figure 00030001
    wobei A eine Konstante, k2 der elektromechanische Kopplungskoeffizient, εp eine äquivalente Dielektrizitätskonstante eines piezoelektrischen Substrats, σ die Leitfähigkeit, h die Filmdicke einer aktiven Schicht, μ die Elektronenbeweglichkeit, E das angelegte elektrische Feld und v die Geschwindigkeit einer akustischen Oberflächenwelle ist. Um eine größere Verstärkung bei einer niedrigen Spannung auf einem praktischen Niveau zu erreichen, ist es erforderlich, dass (1) ein Halbleiterdünnfilm gebildet wird, der eine hohe Elektronenmobilität aufweist und dessen Filmdicke so gering wie möglich ist, und dass (2) ein piezoelektrisches Substrat verwendet wird, dessen k2 so groß wie möglich ist.
  • Das japanische offengelegte Patent mit der Veröffentlichungsnummer 2-13008 beschreibt einen Verstärker für akustische Oberflächenwellen mit einer Eingangselektrode und einer Ausgangselektrode, die auf einem piezoelektrischen Substrat angeordnet sind. In einer Aus führungsform ist eine Siliziumdioxidschicht auf dem piezoelektrischen Substrat zwischen der Eingangselektrode und der Ausgangselektrode angeordnet und eine InSb-Schicht ist auf der Siliziumdioxidschicht angeordnet.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorstehend genannten Probleme zu lösen.
  • Diese Aufgabe wird durch das Funktionselement für akustische Oberflächenwellen gemäß Anspruch 1 gelöst.
  • Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 6 angegeben.
  • Diese Aufgabe wird auch durch den Verstärker für akustische Oberflächenwellen nach Anspruch 7 gelöst, und Weiterentwicklungen davon sind in den abhängigen Ansprüchen 8 bis 10 angegeben.
  • Darüber hinaus wird diese Aufgabe durch die Sende/Empfangsschaltung gemäß Anspruch 11, die mobile Kommunikationsvorrichtung gemäß Anspruch 12 und den Convolver für akustische Oberflächenwellen gemäß Anspruch 13 gelöst.
  • Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben intensive Untersuchungen bezüglich der vorstehend genannten Probleme durchgeführt und als Ergebnis gefunden, dass eine aktive Schicht, bei der es sich um einen Dünnfilm handelt, mit guten elektrischen Eigenschaften durch Einbringen einer Pufferschicht zwischen dem piezoelektrischen Substrat und der aktiven Schicht erhalten werden kann. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben ebenfalls gefunden, dass ein elektromechanischer Kopplungskoeffizient k2 des piezoelektrischen Substrats, der viel größer ist als derjenige der Materialmasse, durch die Verwendung eines mehrschichtigen piezoelektrischen Dünnfilmsubstrats aus mindestens drei Schichten erreicht werden kann. Ferner haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung bestätigt, dass ein Verstärker für akustische Oberflächenwellen unter Verwendung der Halbleiterschicht oder des piezoelektrischen Dünnfilmsubstrats hergestellt werden kann und dass durch diesen Verstärker eine gute Verstärkung bei in der Praxis niedrigen Spannungen erhalten werden kann, wodurch die vorliegende Erfindung gemacht wurde. Darüber hinaus wurde mit der Halbleiterfilmstruktur der vorliegenden Erfindung eine Elektronenbeweglichkeit von 5000 cm2/V·s oder mehr erreicht.
  • Der Ausdruck „aktive Schicht" steht hier für eine Schicht, die eine akustische Oberflächenwelle oszilliert, welche sich mit der Energie von Ladungsträgern in dem Halbleiter ausbreitet.
  • In der vorliegenden Erfindung kann die aktive Dünnfilmschicht sehr gute elektrische Eigenschaften einer aktiven Schicht aufweisen, da die Kristallinität der aktiven Schicht durch Einbringen einer Pufferschicht zwischen das piezoelektrische Substrat und die aktive Schicht verbessert werden kann. Darüber hinaus haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung gefunden, dass die Gitterkonstante des Kristalls, der die aktive Schicht bildet, mit derjenigen des Kristalls, der die Pufferschicht bildet, identisch ist oder dieser ähnlich ist, wodurch die Kristallinität der aktiven Schicht weiter verbessert werden kann, und dass die elektrischen Eigenschaften der aktiven Schicht selbst dann beträchtlich verbessert werden können, wenn die aktive Schicht in Form eines Dünnfilms vorliegt. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben auch gefunden, dass noch bessere elektrische Eigenschaften unter Verwendung eines Mischhalbleiters erhalten werden können, der Sb als Pufferschicht der vorliegenden Erfindung enthält. Die Pufferschicht der vorliegenden Erfindung ist durch einen hohen Widerstand und eine kleine Dämpfung einer darin vorliegenden akustischen Oberflächenwelle gekennzeichnet. Die Pufferschicht der vorliegenden Erfindung weist überlegene Eigenschaften dahingehend auf, dass sie eine Zerstörung der aktiven Schicht durch Sauerstoff von dem piezoelektrischen Substrat selbst dann verhindert, wenn kein dielektrischer Film wie z.B. SiO auf dem piezoelektrischen Substrat bereitgestellt ist, und dass sie bei niedrigen Temperaturen wächst, so dass sie das piezoelektrische Substrat nicht zerstört.
  • Das piezoelektrische Substrat der vorliegenden Erfindung umfasst vorzugsweise einen mehrschichtigen piezoelektrischen Körper mit mindestens drei Dünnfilmschichten, wobei die Schichten mindestens zwei verschiedene elektromechanische Kopplungskoeffizienten aufweisen. Von den Schichten des mehrschichtigen piezoelektrischen Körpers weist eine mittlere Schicht davon den größten elektromechanischen Kopplungskoeffizienten auf. Dies erleichtert eine effiziente Konzentration der Energie der akustischen Oberflächenwelle auf einer Oberfläche, so dass der elektromechanische Kopplungskoeffizient sehr viel größer gemacht wird als derjenige jedes piezoelektrischen Körpers, der jede Schicht bildet.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verstärker für akustische Oberflächenwellen, bei dem die Halbleiterschicht verwendet wird, kann der Verstärkungseffekt bei in der Praxis niedrigen Spannungen, bei denen ein tragbares Gerät eingesetzt wird, erreicht werden. Darüber hinaus kann unter Verwendung des mehrschichtigen piezoelektrischen Körpers der vorliegenden Erfindung eine sehr viel größere Verstärkung erreicht werden.
  • Ferner wird bezüglich des Convolvers für akustische Oberflächenwellen die Wechselwirkung zwischen der konvolutierten akustischen Oberflächenwelle und Elektronen aufgrund einer hohen Elektronenbeweglichkeit der Halbleiterschichten verstärkt, was dazu führt, dass eine Verstärkung erhalten werden kann, die größer ist als diejenige einer herkömmlichen Struktur.
  • Wenn ferner das erfindungsgemäße Funktionselement für akustische Oberflächenwellen, das eine große Verstärkung bei in der Praxis niedrigen Spannungen aufweist, als Vorrichtung für (i) ein Bandfilter und einen rauscharmen Verstärker, (ii) ein Bandfilter und einen Leistungsverstärker oder (iii) ein Bandfilter, Verstärker und einen Duplexer in einer mobilen Kommunikationsvorrichtung verwendet wird, kann die mobile Kommunikationsvorrichtung beträchtlich kleiner und dünner gemacht werden und deren Gewicht kann reduziert werden. Daher fällt die Sende/Empfangsschaltung einer mobilen Kommunikationsvorrichtung, wie z.B. eines tragbaren Telefons oder eines schnurlosen Telefons, bei der das Funktionselement für akustische Oberflächenwellen mit der hohen Verstärkung als ein Verstärker und ein Bandfilter oder als ein Verstärker, ein Bandfilter und ein Duplexer wirkt, in den Bereich der vorliegenden Erfindung.
  • Die vorliegende Erfindung wird nachstehend detailliert beschrieben. Die 1 zeigt eine Basisversion des erfindungsgemäßen Funktionselements für akustische Oberflächenwellen. Die 1A ist eine Querschnittsansicht, die ein erfindungsgemäßes Funktionselement für akustische Oberflächenwellen zeigt, und die 1B ist eine perspektivische Ansicht, die das erfindungsgemäße Funktionselement für akustische Oberflächenwellen zeigt. Die Bezugszeichen 1, 2, 3, 4 und 5 bezeichnen ein piezoelektrisches Substrat, eine Pufferschicht, eine aktive Schicht, eine Eingangselektrode bzw. eine Ausgangselektrode.
  • Erfindungsgemäß sind auf dem piezoelektrischen Substrat 1 die Eingangs- und Ausgangselektroden 4 und 5 in einem Abstand voneinander angeordnet, zwischen dem die aktive Schicht 3 mittels der Pufferschicht 2 auf dem piezoelektrischen Substrat 1 ausgebildet ist.
  • In der vorliegenden Erfindung kann das piezoelektrische Substrat 1 ein piezoelektrisches Einkristallsubstrat oder ein piezoelektrisches Dünnfilmsubstrat sein. Als piezoelektrisches Einkristallsubstrat ist ein piezoelektrisches Substrat auf Oxidbasis bevorzugt. Beispielsweise wird LiNbO3, LiTaO3 oder Li2B4O7 bevorzugt verwendet. Darüber hinaus kann eine Substratschnittfläche von LiNbO3 mit einem 64°-Y-Schnitt, einem 41°-Y-Schnitt oder einem 128°-Y-Schnitt oder einem Y-Schnitt, oder von LiTaO3 mit einem 36°-Y-Schnitt bevorzugt verwendet werden. Das piezoelektrische Dünnfilmsubstrat weist eine Struktur auf, bei der ein piezoelektrischer Dünnfilm auf einem Einkristallsubstrat aus Saphir oder Si, usw., ausgebildet ist.
  • Bevorzugte Dünnfilmmaterialien für den piezoelektrischen Dünnfilm umfassen z.B. ZnO, LiNbO3, LiTaO3, PZT, PbTiO3, BaTiO3 oder Li2B4O7. Ferner kann ein dielektrischer Film wie z.B. SiO, SiO2, usw., zwischen einem Si-Substrat und dem vorstehend genannten piezoelektrischen Dünnfilm eingebracht sein. Als piezoelektrisches Dünnfilmsubstrat kann ein Mehrschichtfilm ausgebildet werden, der durch übereinander Wachsenlassen der vorstehend genannten verschiedenen Typen von piezoelektrischen Dünnfilmen auf dem Einkristallsubstrat aus Saphir, Si, usw., hergestellt wird.
  • Wenn das piezoelektrische Substrat 1 der vorliegenden Erfindung ein mehrschichtiges piezoelektrisches Element mit mindestens drei Schichten umfasst, die mindestens zwei verschiedene elektromechanische Kopplungskoeffizienten aufweisen, und ein piezoelektrischer Film, der sich in einem mittleren Abschnitt des mehrschichtigen piezoelektrischen Körpers befindet, den höchsten elektromechanischen Kopplungskoeffizienten aufweist, können hohe elektromechanische Kopplungskoeffizienten erhalten werden.
  • Bezüglich des mehrschichtigen piezoelektrischen Substrats wird ein Beispiel der dreischichtigen Struktur nachstehend detailliert unter Bezugnahme auf die 2 beschrieben. Das mehrschichtige piezoelektrische Substrat 20 der vorliegenden Erfindung weist eine Struktur auf, bei der auf einem piezoelektrischen Substrat 21 ein erster piezoelektrischer Film 22 und ein zweiter piezoelektrischer Film 23 bereitgestellt sind. Dabei wird angenommen, dass die elektromechanischen Kopplungskoeffizienten des piezoelektrischen Substrats 21, des ersten piezoelektrischen Films 22 und des zweiten piezoelektrischen Films 23 k, k1 bzw. k2 sind und die Geschwindigkeiten der Rayleigh-Wellen des piezoelektrischen Substrats 21, des ersten piezoelektrischen Films 22 und des zweiten piezoelektrischen Films 23 V, V1 bzw. V2 sind. Es wird angenommen, dass die Filmdicken des ersten piezoelektrischen Films 22 und des zweiten piezoelektrischen Films 23 h1 bzw. h2 sind. Ferner ist es erforderlich, dass k1 größer als k und k2 ist, und vorzugsweise ist k1 um einen Faktor von 1,2 oder mehr, mehr bevorzugt um einen Faktor von 2 oder mehr größer als k und k2. Darüber hinaus kann dann, wenn k1 größer als k und k2 ist und V1 größer als V und V2 ist, ein sehr viel größerer elektromechanischer Kopplungskoeffizient erhalten werden. V1 ist vorzugsweise um 100 m/s und mehr bevorzugt um 250 m/s größer als V und V2. Darüber hinaus beträgt h1 normalerweise 30 nm oder mehr und 20 μm oder weniger und mehr bevorzugt 80 nm oder mehr und 5 μm oder weniger und noch mehr bevorzugt 100 nm oder mehr und 2 μm oder weniger. Im Allgemeinen ist h1/h2 0,1 oder mehr und 500 oder weniger, vorzugsweise 0,15 oder mehr und 50 oder weniger und mehr bevorzugt 0,5 oder mehr und 21 oder weniger. Wenn die Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle λ ist, dann beträgt h1/λ 1 oder weniger und h2/λ 1 oder weni ger, vorzugsweise beträgt h1/λ 0,5 oder weniger und h2/λ 0,4 oder weniger und mehr bevorzugt beträgt h1/λ 0,25 oder weniger und h2/λ 0,25 oder weniger.
  • Das mehrschichtige piezoelektrische Substrat 20 mit einem hohen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise verwendet, um die Eigenschaften eines Elements für akustische Oberflächenwellen nicht nur eines Verstärkers für akustische Oberflächenwellen und eines Convolvers für akustische Oberflächenwellen zu verbessern, sondern auch die Eigenschaften eines Filters für akustische Oberflächenwellen, eines Resonators für akustische Oberflächenwellen, usw.
  • Als aktive Schicht, welche die Halbleiterschicht der vorliegenden Erfindung bildet, wird vorzugsweise eine aktive Schicht mit einer hohen Elektronenbeweglichkeit verwendet. Bevorzugte Beispiele des Halbleiterfilms, der die aktive Schicht bildet, umfassen GaAs, InSb, InAs und PbTe. Nicht nur binäre Mischhalbleiter, sondern auch ternäre und quaternäre Mischkristalle, die aus einer Kombination dieser binären Halbleiter abgeleitet sind, werden bevorzugt verwendet. Beispielsweise sind ternäre Mischkristalle InxGa1–xAs, InAsySb1–y, InzGa1–zSb und quaternäre Mischkristalle InxGa1–xAsySb1–y, usw. In-enthaltende Halbleiterdünnfilme wie z.B. diejenigen, die aus InAs, InSb, InAsSb, InGaSb, InGaAsSb, usw., hergestellt sind, werden bevorzugt verwendet, da sie sehr hohe Elektronenbeweglichkeiten aufweisen. Darüber hinaus kann die aktive Schicht ein Mehrschichtfilm sein, der durch Stapeln von Halbleiterfilmen mit verschiedenen Zusammensetzungen gebildet wird. Die Elektronenbeweglichkeit der aktiven Schicht beträgt vorzugsweise 5000 cm2/V·s oder mehr, so dass eine große Verstärkung des Verstärkers für akustische Oberflächenwellen erhalten wird, und mehr bevorzugt 10000 cm2/V·s oder mehr, so dass eine sehr gute Verstärkung erhalten wird. Um diese hohe Elektronenbeweglichkeit zu erhalten, weist die aktive Schicht eine Zusammensetzung InxGa1–xAs auf, wobei „x" im Bereich von 0 ≤ x ≤ 1,0, vorzugsweise von 0,5 ≤ x ≤ 1,0 und mehr bevorzugt von 0,8 ≤ x ≤ 1,0 liegt. Die hohe Elektronenbeweglichkeit kann erhalten werden, wenn „y" von InAsySb1–y im Bereich von 0 ≤ y ≤ 1,0 und mehr bevorzugt von 0,5 ≤ y ≤ 1,0 liegt. „z" von InzGa1–zSb liegt vorzugsweise im Bereich von 0,5 ≤ z ≤ 1,0 und mehr bevorzugt von 0,8 ≤ z ≤ 1,0.
  • Wenn darüber hinaus die Filmdicke h der aktiven Schicht 5 nm oder weniger beträgt, werden deren Kristalleigenschaften verschlechtert und eine hohe Elektronenbeweglichkeit kann nicht erhalten werden. Wenn andererseits h 500 nm oder mehr beträgt, wird der Widerstand der aktiven Schicht vermindert und gleichzeitig wird die Wechselwirkungseffizienz einer akustischen Oberflächenwelle mit Ladungsträgern vermindert. D.h., um eine hohe Elektronenbeweglichkeit zu erreichen und die Wechselwirkung einer akustischen Oberflächenwelle mit Ladungsträgern effizient zu bewirken, ist es erforderlich, dass die Filmdicke h der aktiven Schicht im Bereich von 5 nm ≤ h ≤ 500 nm, vorzugsweise von 10 nm ≤ h ≤ 350 nm und mehr bevorzugt von 12 nm ≤ h ≤ 200 nm liegt. Darüber hinaus beträgt der Schichtwiderstandswert der aktiven Schicht vorzugsweise 10 Ω oder mehr, mehr bevorzugt 50 Ω oder mehr und insbesondere 100 Ω oder mehr.
  • Es ist bevorzugt, dass die Pufferschicht, die auf dem piezoelektrischen Substrat der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, isoliert oder halbisoliert ist. Der hohe Widerstandswert ist jedoch erhältlich. Beispielsweise ist der Widerstandswert der Pufferschicht mindestens 5- bis 10-fach oder mehr höher als der Widerstandswert der aktiven Schicht, und vorzugsweise 100-fach oder mehr und mehr bevorzugt 1000-fach höher oder mehr sind bevorzugte Beispiele.
  • Als Pufferschicht mit hohem Widerstand wird bevorzugt beispielsweise ein binärer Kristall wie z.B. GaSb oder AlSb verwendet. Ternäre Kristalle wie z.B. AlGaSb, AlAsSb, GaAsSb und AlInSb werden bevorzugt verwendet. Quaternäre Kristalle wie z.B. AlGaAsSb, AlInGaSb, AlInAsSb, AlInPSb und AlGaPSb werden bevorzugt verwendet. Wenn die Zusammensetzung der Pufferschicht festgelegt wird, wird die Gitterkonstante der Pufferschicht darüber hinaus so eingestellt, dass sie den gleichen Wert oder einen ähnlichen Wert wie die Gitterkonstante des Kristalls aufweist, der die aktive Schicht bildet. Folglich kann eine hohe Elektronenmobilität der aktiven Schicht erreicht werden. Dabei sind dann, wenn die Differenz der Gitterkonstante der Kristalle der aktiven Schicht und der Gitterkonstante der Pufferschicht ± 7 % oder weniger, vorzugsweise ± 5 % oder weniger und mehr bevorzugt ± 2 % oder weniger beträgt, beide Gitterkonstanten einander ähnlich.
  • Ferner findet bei der Durchführung des Schritts zur Bildung der Pufferschicht 2 auf dem piezoelektrischen Substrat 1 die Gitterrelaxation in einer Sb-enthaltenden Pufferschicht extrem schnell statt. Selbst wenn deren Gitterfehlanpassung mit dem piezoelektrischen Substrat 1 groß ist, wird die Gitterstörung lediglich durch Wachsenlassen eines ultradünnen Films der Pufferschicht relaxiert und die Pufferschicht 2 beginnt mit einer einzigen Gitterkonstante zu wachsen, die für den Kristall spezifisch ist, der die Pufferschicht 2 bildet. Unmittelbar vor dem Wachstum der aktiven Schicht liegt die Oberfläche der Pufferschicht unter extrem zufrieden stellenden Bedingungen vor, wodurch die Kristallinität der aktiven Schicht 3, die auf der Pufferschicht 2 ausgebildet ist, sehr stark verbessert wird. Aus diesem Grund ist zur Verwendung als Pufferschicht 2 ein Sb-enthaltender Mischhalbleiter besonders gut geeignet.
  • Je dicker die Pufferschicht 2 ist, desto besser ist die Kristallinität. Im Hinblick auf eine Erleichterung der Wechselwirkung zwischen der akustischen Oberflächenwelle und den Ladungsträgern ist es jedoch bevorzugt, dass die Pufferschicht 2 so dünn wie möglich ist. Eine bevorzugte Filmdicke h3 der Pufferschicht ist 10 nm ≤ h3 ≤ 1000 nm und vorzugsweise 20 nm ≤ h3 ≤ 500 nm.
  • Da ferner die Pufferschicht 2 bei niedrigen Temperaturen wachsen kann, ist es möglich, nicht nur eine Zerstörung des piezoelektrischen Substrats 1 aufgrund eines Austretens von Sauerstoff zu verhindern, sondern auch zu verhindern, dass die aktive Schicht 3, die auf der Pufferschicht 2 ausgebildet ist, aufgrund einer Wanderung von Sauerstoff von dem piezoelektrischen Substrat 1 zerstört wird. Ferner weist die Pufferschicht 2 der vorliegenden Erfindung das bemerkenswerte Merkmal auf, dass sie als Schutzschicht zum Schützen des piezoelektrischen Substrats 1 und der aktiven Schicht 3 dient, wodurch der Bedarf für eine Bereitstellung einer Schutzschicht in Form eines dielektrischen Films, der aus SiO oder SiO2 zusammengesetzt ist, beseitigt wird.
  • Stattdessen entsteht selbst dann kein Problem, wenn zwischen dem piezoelektrischen Substrat 1 und der Pufferschicht 2 ein dielektrischer Film vorliegt. Beispiele für Materialien, die für den dielektrischen Film verwendet werden, sind SiO, SiO2, Siliziumnitrid, CeO2, CaF2, BaF2, SrF2, TiO2, Y2O3, ZrO2, MgO und Al2O3. Der dielektrische Film ist so dünn wie möglich. Vorzugsweise beträgt die Dicke des dielektrischen Films 100 nm oder weniger, und mehr bevorzugt 50 nm oder weniger.
  • Die Pufferschicht 2 der vorliegenden Erfindung ist verglichen mit einem dielektrischen Film 9 wie z.B. SiO, der zwischen dem piezoelektrischen Substrat 1 und der aktiven Schicht 3'' eines herkömmlichen Verstärkers des monolithischen Typs eingebracht ist, bezüglich des Gitters an die aktive Schicht angepasst und weist eine für Halbleiter unerwartet hohe Dielektrizitätskonstante und einen hohen spezifischen Widerstand auf. Demgemäß wird das elektrische Feld der akustischen Oberflächenwelle in der Pufferschicht 2 der vorliegenden Erfindung viel weniger gedämpft. Daher findet die Wechselwirkung zwischen dem elektrischen Feld der akustischen Oberflächenwelle und den Trägern in der aktiven Schicht 3 effizienter als herkömmlich statt, so dass die Pufferschicht 2 der vorliegenden Erfindung dicker gemacht werden kann als bei dem herkömmlichen dielektrischen Film 9.
  • Ferner kann ein dielektrischer Film oder ein Halbleiterfilm auf der aktiven Schicht 3 als Schutzschicht wachsen gelassen werden, um die aktive Schicht 3 zu schützen. Als dielektrischer Film können die vorstehend angegebenen Zusammensetzungen verwendet werden.
  • Als Halbleiterfilm kann die gleiche Zusammensetzung wie diejenige der Pufferschicht verwendet werden.
  • Im Allgemeinen kann zur Bildung von Filmen wie z.B. der Pufferschicht 2 und der aktiven Schicht 3 jedwedes Verfahren eingesetzt werden, sofern es das Wachstum eines Dünnfilms erlaubt. Es ist besonders bevorzugt, ein Molekularstrahlepitaxieverfahren (MBE-Verfahren), ein metallorganisches Molekularstrahlepitaxieverfahren (MOMBE-Verfahren), ein metallor ganisches chemisches Dampfabscheidungsverfahren (MOCVD-Verfahren) und ein Atomschichtepitaxieverfahren (ALE-Verfahren) einzusetzen.
  • Ferner sind in der vorliegenden Erfindung die Eingangs- und Ausgangselektroden 4 und 5 auf dem piezoelektrischen Substrat 1 Elektroden mit einer doppelkammförmig ineinandergreifenden Struktur (interdigitalen Struktur). Ein apodisierter Wandler, ein Zieh-gewichteter Wandler, ein unidirektionaler Wandler, ein normaler Wandler und dergleichen, die in gewöhnlichen Filtern für akustische Oberflächenwellen eingesetzt werden, können als Eingangs- und Ausgangselektroden 4 und 5 verwendet werden. Insbesondere kann der unidirektionale Wandler die Verluste aufgrund der bidirektionalen Eigenschaft der akustischen Oberflächenwelle vermindern. Folglich wird der unidirektionale Wandler am meisten bevorzugt verwendet. Obwohl Materialien für die Eingangselektrode 4 und die Ausgangselektrode 5 nicht speziell beschränkt sind, ist es bevorzugt, beispielsweise Al, Au, Pt, Cu, eine Al-Ti-Legierung, eine Al-Cu-Legierung und eine Al- und Ti-Mehrschichtelektrode zu verwenden.
  • In dem Fall, bei dem die Pufferschicht 2 derart ausgebildet wird, dass die Eingangs- und die Ausgangselektrode 4 und 5 eingebettet sind, werden die Eingangs- und die Ausgangselektrode 4 und 5 im ersten Schritt gebildet. Folglich erlaubt die Beseitigung des Bedarfs zur Berücksichtigung einer Vertiefung und einer Vorwölbung des Halbleiterdünnfilms die ultrafeine Verarbeitung der Elektroden im Submikrometerbereich oder weniger durch eine Kontaktbelichtung.
  • Da jedoch die Eingangs- und die Ausgangselektrode 4 und 5 in der Pufferschicht 2 eingebettet sind, ist es erforderlich, Elektrodenmaterialien auszuwählen, die (sich) während des Verfahrens der Bildung der Pufferschicht am wenigsten verformen, schmelzen oder verteilen. Bevorzugte Beispiele für die Elektrodenmaterialien umfassen Pt, Au, Cu, Al, Cr, Mo, Ni, Ta, Ti, W und dergleichen. Ferner ist es auch bevorzugt, eine mehrschichtige Elektrode aus Ti-Pt, Ti-Al, Ti-Au, Cr-Au, Cr-Pt, usw., zu verwenden.
  • Es gibt keine spezifische Beschränkung bezüglich Materialien, die als Elektroden 6 zum Anlegen des elektrischen Gleichstromfelds an die Halbleiterschicht in dem erfindungsgemäßen Verstärker für akustische Oberflächenwellen verwendet werden. Bevorzugte Beispiele für die Elektrodenmaterialien umfassen Al, Au, Ni/Au, Ti/Au, Cu/Ni/Au, AuGe/Ni/Au und dergleichen.
  • Wenn das Funktionselement für akustische Oberflächenwellen für einen Teil eines Leistungsverstärkers verwendet wird, der hochleistungsfest sein muss, müssen für die Eingangs und die Ausgangselektrode 4 und 5 Elektrodenmaterialien verwendet werden, die hochleistungsfest sind, d.h. einer Leistung in der Größenordnung von mehreren Watt widerstehen können. Beispiele für bevorzugte hochleistungsfeste Materialien für solche Elektroden, die hochleistungsfest sind, umfassen einen epitaxialen Al-Film, einen Al-Cu-Film und einen mehrschichtigen Al-Cu/Cu/Al-Cu-Film, einen Film aus Al, dem Ti zugesetzt worden ist, einen Film aus Al, dem Cu zugesetzt worden ist, und einen Film aus Al, dem Pd zugesetzt worden ist.
  • Der erfindungsgemäße Verstärker für akustische Oberflächenwellen kann eine Struktur aufweisen, bei der mindestens zwei getrennte Halbleiterschichten nacheinander auf dem Substrat nebeneinander zwischen der Eingangs- und der Ausgangselektrode 4 und 5 ausgebildet sind, und bei der darüber hinaus eine Anordnung bereitgestellt ist, die Ladungsträger entfernt, die sich in der Richtung entgegengesetzt zur Ausbreitungsrichtung einer akustischen Oberflächenwelle bewegen. Mit einer solchen Struktur kann die vorliegende Erfindung eine hohe Verstärkung bei niedrigen Spannungen erreichen. Beispielsweise werden, wie es in der 6 gezeigt ist, Halbleiterschichten durch eine Mesa-Ätztechnik getrennt oder nach dem Mesa-Ätzverfahren wird eine dielektrische Substanz (nicht gezeigt) zwischen die Halbleiterschichten gefüllt, so dass die Ladungsträger, die sich aufgrund eines umgekehrten elektrischen Felds in die entgegengesetzte Richtung bewegen, entfernt werden können.
  • In dem erfindungsgemäßen Convolver für akustische Oberflächenwellen werden die Elektroden, die auf dem piezoelektrischen Substrat ausgebildet sind, als zwei Eingangselektroden verwendet. Ferner wird das Signal nach der Konvolution der akustischen Oberflächenwelle von Abnahmeelektroden entnommen, die auf einem oberen Abschnitt der Halbleiterschicht bzw. auf einem unteren Abschnitt des piezoelektrischen Substrats ausgebildet sind. Materialien für die Abnahmeelektroden sind nicht speziell beschränkt. Vorzugsweise werden Al, Au, Pt, Cu und dergleichen als Materialien für die Abnahmeelektrode verwendet.
  • In einem herkömmlichen tragbaren Telefon, das schematisch in der 7 gezeigt ist, ist mit einer Antenne 10 ein Duplexer 11 verbunden, der mit einem Empfangsverstärker 12 und ei nem Sendeverstärker 13 verbunden ist, wobei der Empfangsverstärker 12 und der Sendeverstärker 13 jeweils mit einem Bandfilter 14 verbunden sind. Im Gegensatz dazu sind dann, wie es in der 8 gezeigt ist, wenn das erfindungsgemäße Funktionselement für akustische Oberflächenwellen, das mit einer hohen Verstärkung verstärken kann, auf einen Hochfrequenzabschnitt angewandt wird, nur ein Verstärker für akustische Oberflächenwellen 15 zum Empfangen und ein Verstärker für akustische Oberflächenwellen 16 zum Senden mit der Antenne 10 verbunden. Daher kann erfindungsgemäß die Anzahl der Komponententeile des Hochfrequenzabschnitts vermindert werden, wie es in der 8 gezeigt ist, und jedes der Komponententeile kann kompakt, mit einem geringen Gewicht und dünn ausgebildet werden. Insbesondere kann die vorliegende Erfindung kompakte und leichte Endgeräte tragbarer Geräte bei niedrigen Kosten bereitstellen.
  • 1A ist eine Querschnittsansicht, die ein Funktionselement für akustische Oberflächenwellen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 1B ist eine perspektivische Ansicht, die ein Funktionselement für akustische Oberflächenwellen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 2 ist eine Querschnittsansicht, die ein mehrschichtiges piezoelektrisches Substrat der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 3 ist eine Querschnittsansicht, die einen herkömmlichen Verstärker des direkten Typs zeigt;
  • 4 ist eine Querschnittsansicht, die einen herkömmlichen Verstärker des getrennten Typs zeigt;
  • 5 ist eine Querschnittsansicht, die einen herkömmlichen monolithischen Verstärker zeigt;
  • 6 ist eine Querschnittsansicht, die einen Verstärker für akustische Oberflächenwellen mit getrennten Halbleiterschichten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 7 ist ein schematisches Diagramm, das einen Hochfrequenzabschnitt eines tragbaren Telefons zeigt;
  • 8 ist ein schematisches Diagramm, das eine erfindungsgemäße Sende/Empfangsschaltung zeigt, die ohne Verwendung eines Duplexers und von Verstärkern ausgebildet ist.
  • 9 ist eine Querschnittsansicht, die einen Verstärker für akustische Oberflächenwellen zeigt, in den Eingangs- und Ausgangselektroden in einer Pufferschicht eingebettet sind;
  • 10 ist eine Querschnittsansicht, die einen erfindungsgemäßen Verstärker für akustische Oberflächenwellen unter Verwendung eines mehrschichtigen piezoelektrischen Körpers zeigt; und
  • 11 ist eine Querschnittsansicht, die einen Convolver für akustische Oberflächenwellen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Nachstehend wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen beschrieben.
  • Ausführungsform 1
  • Nachdem SiO2 in einer Dicke von 10 nm durch Verdampfen auf einem LiNbO3-Einkristallsubstrat mit einem 64°-Y-Schnitt und einem Durchmesser von 7,6 cm (3 Zoll) abgeschieden worden ist, wurde Al0,38In0,62Sb mit dem MBE-Verfahren bis 150 nm als Pufferschicht wachsen gelassen. Danach wurde InSb bis 50 nm als aktive Schicht wachsen gelassen. Anschließend wurde GaSb bis 2 nm als Schutzschicht wachsen gelassen, wodurch eine Halbleiterschicht gebildet wurde. Diese Halbleiterschicht wies eine Elektronenbeweglichkeit von 32000 cm2/V·s auf. Dabei wurde die Elektronenbeweglichkeit der Halbleiterschicht mit dem Van der Pauw-Verfahren gemessen.
  • Als nächstes wurde die Halbleiterschicht mit einem Ätzverfahren an einer vorgegebenen Position entfernt, um einen Abschnitt des piezoelektrischen Substrats freizulegen. Doppelkammförmig ineinandergreifende Al-Elektroden wurden auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats mit einem lithographischen Verfahren als Eingangs/Ausgangselektroden ausgebildet. Die Elektroden waren von einem normalen Typ mit einem Abstand von 0,75 μm und einer Ausbreitungslänge von 300 μm. Anschließend wurden Elektroden zum Anlegen eines elektrischen Gleichstromfelds auf der aktiven Schicht ausgebildet. Es ist bevorzugt, dass die Ausbreitungslänge einer akustischen Oberflächenwelle bis zu einem Wert einge stellt wird, der durch Multiplizieren der Länge der akustischen Oberflächenwelle mit einer positiven ganzen Zahl erhalten wird.
  • Als nächstes wurden die Eigenschaften des Verstärkers für akustische Oberflächenwellen gemessen. Dessen Verstärkung wurde durch Ermitteln einer Differenz zwischen einer Verstärkung (oder einem Einfügungsverlust) nach dem Anlegen des elektrischen Felds und eines Einfügungsverlusts vor dem Anlegen des elektrischen Felds unter Verwendung eines Netzwerkanalysegeräts (Yokokawa Hewlett Packard, 8510B) bewertet. Als Ergebnis der Bewertung des Verstärkers für akustische Oberflächenwellen gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung betrug die Verstärkung 22 dB, wenn die angelegte Gleichspannung 3 V und die Mittenfrequenz 1520 MHz betrug. Dieser Wert der Verstärkung ist zur Verwendung in einem rauscharmen Verstärker und einem Bandfilter in einem Hochfrequenzabschnitt tragbarer Geräte geeignet.
  • Ausführungsform 2
  • Die gleiche Probe wie die der Ausführungsform 1 wurde geätzt, um einen vorgegebenen Abschnitt des Halbleiters zu entfernen und einen Abschnitt des piezoelektrischen Substrats freizulegen. Doppelkammförmig ineinandergreifende Al-Elektroden wurden mit einem lithographischen Verfahren als Eingangs/Ausgangselektroden ausgebildet. Die Elektroden waren von einem normalen Typ mit einem Abstand von 1,4 μm und einer Ausbreitungslänge von 280 μm. Anschließend wurden Elektroden zum Anlegen eines elektrischen Gleichstromfelds auf der aktiven Schicht gebildet.
  • Als nächstes wurden die Eigenschaften des Verstärkers für akustische Oberflächenwellen gemessen. Die Verstärkung wurde in der gleichen Weise wie in der Ausführungsform 1 bewertet. Als Ergebnis der Bewertung des Verstärkers für akustische Oberflächenwellen gemäß der Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung betrug die Verstärkung 12 dB, wenn die angelegte Gleichspannung 3 V und die Mittenfrequenz 800 MHz betrug. Dieser Wert der Verstärkung ist zur Verwendung in einem rauscharmen Verstärker und einem Bandfilter in einem Hochfrequenzabschnitt tragbarer Geräte geeignet.
  • Vergleichsausführungsform 1
  • Als Vergleich mit der Ausführungsform 2 wurde die Vergleichsausführungsform 1 durchgeführt. Nachdem 10 nm SiO2 durch Verdampfen auf einem LiNbO3-Einkristallsubstrat mit einem 64°-Y-Schnitt und einem Durchmesser von 7,6 cm (3 Zoll) abgeschieden worden sind, wurde InSb mit dem MBE-Verfahren bis 50 nm als aktive Schicht wachsen gelassen. Danach wurde GaSb bis 2 nm als Schutzschicht wachsen gelassen, wodurch eine Halbleiterschicht gebildet wurde. Die elektrischen Eigenschaften der Halbleiterschicht wurden gemessen. In dieser Vergleichsausführungsform war jedoch InSb als aktive Schicht mittels des SiO2-Films direkt auf dem piezoelektrischen Substrat ausgebildet. Folglich waren die Kristalleigenschaften der aktiven Schicht unzureichend und deren Elektronenbeweglichkeit betrug lediglich 1700 cm2/V·s.
  • Danach wurde die Halbleiterschicht an einer vorgegebenen Position geätzt, um das piezoelektrische Substrat freizulegen. Doppelkammförmig ineinandergreifende Al-Elektroden wurden mit einem lithographischen Verfahren auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats als Eingangs- bzw. Ausgangselektroden ausgebildet. Die Elektroden waren von einem normalen Typ mit einem Abstand von 1,4 μm und einer Ausbreitungslänge von 280 μm. Anschließend wurden Elektroden zum Anlegen eines elektrischen Gleichstromfelds auf der aktiven Schicht gebildet. Danach wurden die akustische Oberflächenwellen-Verstärkungseigenschaften wie in der Ausführungsform 2 gemessen, jedoch wurde kein Verstärkungseffekt festgestellt.
  • Ausführungsform 3
  • Nachdem SiO2 in einer Dicke von 10 nm durch Verdampfen auf einem LiNbO3-Einkristallsubstrat mit einem 64°-Y-Schnitt und einem Durchmesser von 7,6 cm (3 Zoll) abgeschieden worden ist, wurde Al0,5Ga0,5Sb mit dem MBE-Verfahren bis 200 nm als Pufferschicht wachsen gelassen. Danach wurde InAs0,5Sb0,5 bis 60 nm als aktive Schicht wachsen gelassen. Anschließend wurde GaSb bis 2 nm als Schutzschicht wachsen gelassen, wodurch eine Halbleiterschicht gebildet wurde. Diese Halbleiterschicht wies eine Elektronenbeweglichkeit von 30000 cm2/V·s auf.
  • Als nächstes wurde die Halbleiterschicht an einer vorgegebenen Position geätzt, um das piezoelektrische Substrat freizulegen. Doppelkammförmig ineinandergreifende Al-Elektroden wurden auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats mit einem lithographischen Verfahren als Eingangs- bzw. Ausgangselektroden ausgebildet. Die Elektroden waren von einem normalen Typ mit einem Abstand von 0,6 μm und einer Ausbreitungslänge von 240 μm. Anschließend wurden Elektroden zum Anlegen eines elektrischen Gleichstromfelds auf der aktiven Schicht ausgebildet.
  • Als nächstes wurden die Eigenschaften des Verstärkers für akustische Oberflächenwellen gemessen. Dessen Verstärkung wurde mit dem gleichen Verfahren wie in der Ausführungsform 1 bewertet. Als Ergebnis der Bewertung des Verstärkers für akustische Oberflächenwellen von Ausführungsform 3 betrug die Verstärkung 26 dB, wenn die angelegte Gleichspannung 3 V und die Mittenfrequenz 1900 MHz betrug. Dieser Wert der Verstärkung ist zur Verwendung in einem rauscharmen Verstärker und einem Bandfilter in einem Hochfrequenzabschnitt tragbarer Geräte geeignet.
  • Ausführungsform 4
  • Nachdem SiO2 in einer Dicke von 10 nm durch Verdampfen auf einem LiNbO3-Einkristallsubstrat mit einem 64°-Y-Schnitt und einem Durchmesser von 7,6 cm (3 Zoll) abgeschieden worden ist, wurde Al0,5Ga0,5Sb mit dem MBE-Verfahren bis 150 nm als Pufferschicht wachsen gelassen. Danach wurde InAs0,5Sb0,5 bis 50 nm als aktive Schicht wachsen gelassen. Anschließend wurde GaSb bis 2 nm als Schutzschicht wachsen gelassen, wodurch eine Halbleiterschicht gebildet wurde. Diese Halbleiterschicht wies eine Elektronenbeweglichkeit von 20900 cm2/V·s auf.
  • Als nächstes wurde die Halbleiterschicht an einer vorgegebenen Position geätzt, um das piezoelektrische Substrat freizulegen. Doppelkammförmig ineinandergreifende Al-Elektroden wurden auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats mit einem lithographischen Verfahren als Eingangs- bzw. Ausgangselektroden ausgebildet. Die Elektroden waren von einem normalen Typ mit einem Abstand von 0,75 μm und einer Ausbreitungslänge von 300 μm. Anschließend wurden Elektroden zum Anlegen eines elektrischen Gleichstromfelds auf der aktiven Schicht ausgebildet.
  • Als nächstes wurden die Eigenschaften des Verstärkers für akustische Oberflächenwellen gemessen. Dessen Verstärkung wurde mit dem gleichen Verfahren wie in der Ausführungsform 1 bewertet. Als Ergebnis der Bewertung des Verstärkers für akustische Oberflächenwellen von Ausführungsform 4 betrug die Verstärkung 13 dB, wenn die angelegte Gleichspannung 3 V und die Mittenfrequenz 1530 MHz betrug. Dieser Wert der Verstärkung ist zur Verwendung in einem rauscharmen Verstärker und einem Bandfilter in einem Hochfrequenzabschnitt tragbarer Geräte geeignet.
  • Ausführungsform 5
  • Nachdem SiO2 in einer Dicke von 10 nm durch Verdampfen auf einem LiNbO3-Einkristallsubstrat mit einem 64°-Y-Schnitt und einem Durchmesser von 7,6 cm (3 Zoll) abgeschieden worden ist, wurde Al0,5Ga0,5Sb mit dem MBE-Verfahren bis 100 nm als Pufferschicht wachsen gelassen. Danach wurde InAs0,5Sb0,5 bis 200 nm als aktive Schicht wachsen gelassen. Anschließend wurde GaSb bis 2 nm als Schutzschicht wachsen gelassen, wodurch eine Halbleiterschicht gebildet wurde. Diese Halbleiterschicht wies eine Elektronenbeweglichkeit von 32000 cm2/V·s auf.
  • Als nächstes wurde die Halbleiterschicht an einer vorgegebenen Position geätzt, um das piezoelektrische Substrat freizulegen. Doppelkammförmig ineinandergreifende Al-Elektroden wurden auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats mit einem lithographischen Verfahren als Eingangs- bzw. Ausgangselektroden ausgebildet. Die Elektroden waren von einem normalen Typ mit einem Abstand von 0,75 μm und einer Ausbreitungslänge von 300 μm. Anschließend wurden Elektroden zum Anlegen eines elektrischen Gleichstromfelds auf der aktiven Schicht ausgebildet.
  • Als nächstes wurden die Eigenschaften des Verstärkers für akustische Oberflächenwellen gemessen. Dessen Verstärkung wurde mit dem gleichen Verfahren wie in der Ausführungsform 1 bewertet. Als Ergebnis der Bewertung des Verstärkers für akustische Oberflächenwellen von Ausführungsform 5 betrug die Verstärkung 6 dB, wenn die angelegte Gleichspannung 6 V und die Mittenfrequenz 1505 MHz betrug. Folglich wurde der Verstärkungseffekt bei einer niedrigen Spannung von 6 V erhalten.
  • Vergleichsausführungsform 2
  • Zum Vergleich mit der Ausführungsform 4 wurde die Vergleichsausführungsform 2 durchgeführt. Nachdem SiO2 in einer Dicke von 10 nm durch Verdampfen auf einem LiNbO3-Einkristallsubstrat mit einem 64°-Y-Schnitt und einem Durchmesser von 7,6 cm (3 Zoll) abgeschieden worden ist, wurde InAs0,5Sb0,5 mit dem MBE-Verfahren bis 50 nm als aktive Schicht wachsen gelassen. Anschließend wurde GaSb bis 2 nm als Schutzschicht wachsen gelassen, wodurch eine Halbleiterschicht gebildet wurde. Die elektrischen Eigenschaften dieser Halbleiterschicht wurden gemessen. Bei dieser Vergleichsausführungsform wurde jedoch InAs0,5Sb0,5 mittels des SiO2-Films als aktive Schicht direkt auf dem piezoelektrischen Substrat ausgebildet. Folglich war die Kristallinität der aktiven Schicht unzureichend und deren Elektronenbeweglichkeit betrug lediglich 1200 cm2/V·s.
  • Als nächstes wurde die Halbleiterschicht an einer vorgegebenen Position geätzt, um das piezoelektrische Substrat freizulegen. Doppelkammförmig ineinandergreifende Al-Elektroden wurden auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats mit einem lithographischen Verfahren als Eingangs- bzw. Ausgangselektroden ausgebildet. Die Elektroden waren von einem normalen Typ mit einem Abstand von 0,75 μm und einer Ausbreitungslänge von 300 μm. Anschließend wurden Elektroden zum Anlegen eines elektrischen Gleichstromfelds auf der aktiven Schicht ausgebildet. Danach wurden die akustische Oberflächenwellen-Verstärkungseigenschaften gemessen, jedoch wurde kein Verstärkungseffekt festgestellt.
  • Ausführungsform 6
  • Nachdem SiO2 in einer Dicke von 10 nm durch Verdampfen auf einem LiNbO3-Einkristallsubstrat mit einem 64°-Y-Schnitt und einem Durchmesser von 7,6 cm (3 Zoll) abgeschieden worden ist, wurde Al0,5Ga0,5Sb mit dem MBE-Verfahren bis 150 nm als Pufferschicht wachsen gelassen. Dann wurde InAs bis 350 nm als aktive Schicht wachsen gelassen. Anschließend wurde GaSb bis 2 nm als Schutzschicht wachsen gelassen, wodurch eine Halbleiterschicht gebildet wurde. Diese Halbleiterschicht wies eine Elektronenbeweglichkeit von 22000 cm2/V·s auf.
  • Als nächstes wurde die Halbleiterschicht an einer vorgegebenen Position geätzt, um das piezoelektrische Substrat freizulegen. Doppelkammförmig ineinandergreifende Al-Elektroden wurden auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats mit einem lithographischen Verfahren als Eingangs- bzw. Ausgangselektroden ausgebildet. Die Elektroden waren von einem normalen Typ mit einem Abstand von 0,6 μm und einer Ausbreitungslänge von 240 μm. Anschließend wurden Elektroden zum Anlegen eines elektrischen Gleichstromfelds auf der aktiven Schicht ausgebildet.
  • Als nächstes wurden die Eigenschaften des Verstärkers für akustische Oberflächenwellen gemessen. Dessen Verstärkung wurde mit dem gleichen Verfahren wie in der Ausführungsform 1 bewertet. Als Ergebnis der Bewertung des Verstärkers für akustische Oberflächenwellen von Ausführungsform 6 betrug die Verstärkung 2 dB, wenn die angelegte Gleichspannung 6 V und die Mittenfrequenz 1500 MHz betrug. Folglich wurde der Verstärkungseffekt bei einer niedrigen Spannung von 6 V erhalten.
  • Ausführungsform 7
  • Nachdem SiO2 in einer Dicke von 10 nm durch Verdampfen auf einem LiNbO3-Einkristallsubstrat mit einem 64°-Y-Schnitt und einem Durchmesser von 7,6 cm (3 Zoll) abgeschieden worden ist, wurde Al0,5Ga0,5As0,12Sb0,88 mit dem MBE-Verfahren bis 150 nm als Pufferschicht wachsen gelassen. Danach wurde InAs bis 50 nm als aktive Schicht wachsen gelassen. Anschließend wurde GaSb bis 2 nm als Schutzschicht wachsen gelassen, wodurch eine Halbleiterschicht gebildet wurde. Diese Halbleiterschicht wies eine Elektronenbeweglichkeit von 13000 cm2/V·s auf.
  • Als nächstes wurde die Halbleiterschicht an einer vorgegebenen Position geätzt, um das piezoelektrische Substrat freizulegen. Doppelkammförmig ineinandergreifende Al-Elektroden wurden auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats mit einem lithographischen Verfahren als Eingangs- bzw. Ausgangselektroden ausgebildet. Die Elektroden waren von einem normalen Typ mit einem Abstand von 1,4 μm und einer Ausbreitungslänge von 560 μm. Anschließend wurden Elektroden zum Anlegen eines elektrischen Gleichstromfelds auf der aktiven Schicht ausgebildet.
  • Als nächstes wurden die Eigenschaften des Verstärkers für akustische Oberflächenwellen gemessen. Dessen Verstärkung wurde mit dem gleichen Verfahren wie in der Ausführungsform 1 bewertet. Als Ergebnis der Bewertung des Verstärkers für akustische Oberflächenwellen von Ausführungsform 7 betrug die Verstärkung 6 dB, wenn die angelegte Gleichspannung 5 V und die Mittenfrequenz 810 MHz betrug. Folglich wurde der Verstärkungseffekt bei einer niedrigen Spannung von 5 V erhalten.
  • Ausführungsform 8
  • Nachdem SiO2 in einer Dicke von 10 nm durch Verdampfen auf einem LiNbO3-Einkristallsubstrat mit einem 64°-Y-Schnitt und einem Durchmesser von 7,6 cm (3 Zoll) abgeschieden worden ist, wurde Al0,5Ga0,5As0,12Sb0,88 mit dem MBE-Verfahren bis 150 nm als Pufferschicht wachsen gelassen. Danach wurde InAs bis 20 nm als aktive Schicht wachsen gelassen. Anschließend wurde GaSb bis 2 nm als Schutzschicht wachsen gelassen, wodurch eine Halbleiterschicht gebildet wurde. Diese Halbleiterschicht wies eine Elektronenbeweglichkeit von 8000 cm2/V·s auf.
  • Als nächstes wurde die Halbleiterschicht an einer vorgegebenen Position geätzt, um das piezoelektrische Substrat freizulegen. Doppelkammförmig ineinandergreifende Al-Elektroden wurden auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats mit einem lithographischen Verfahren als Eingangs- bzw. Ausgangselektroden ausgebildet. Die Elektroden waren von ei nem normalen Typ mit einem Abstand von 1,4 μm und einer Ausbreitungslänge von 560 μm. Anschließend wurden Elektroden zum Anlegen eines elektrischen Gleichstromfelds auf der aktiven Schicht ausgebildet.
  • Als nächstes wurden die Eigenschaften des Verstärkers für akustische Oberflächenwellen gemessen. Dessen Verstärkung wurde mit dem gleichen Verfahren wie in der Ausführungsform 1 bewertet. Als Ergebnis der Bewertung des Verstärkers für akustische Oberflächenwellen von Ausführungsform 8 betrug die Verstärkung 3 dB, wenn die angelegte Gleichspannung 6 V und die Mittenfrequenz 835 MHz betrug. Folglich wurde der Verstärkungseffekt bei einer niedrigen Spannung von 6 V erhalten.
  • Ausführungsform 9
  • Nachdem SiO2 in einer Dicke von 10 nm durch Verdampfen auf einem LiNbO3-Einkristallsubstrat mit einem 64°-Y-Schnitt und einem Durchmesser von 7,6 cm (3 Zoll) abgeschieden worden ist, wurde Al0,5Ga0,5As0,12Sb0,88 mit dem MBE-Verfahren bis 150 nm als Pufferschicht wachsen gelassen. Danach wurde InAs bis 10 nm als aktive Schicht wachsen gelassen. Anschließend wurde GaSb bis 2 nm als Schutzschicht wachsen gelassen, wodurch eine Halbleiterschicht gebildet wurde. Diese Halbleiterschicht wies eine Elektronenbeweglichkeit von 5000 cm2/V·s auf.
  • Als nächstes wurde die Halbleiterschicht an einer vorgegebenen Position geätzt, um das piezoelektrische Substrat freizulegen. Doppelkammförmig ineinandergreifende Al-Elektroden wurden auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats mit einem lithographischen Verfahren als Eingangs- bzw. Ausgangselektroden ausgebildet. Die Elektroden waren von einem normalen Typ mit einem Abstand von 0,75 μm und einer Ausbreitungslänge von 300 μm. Anschließend wurden Elektroden zum Anlegen eines elektrischen Gleichstromfelds auf der aktiven Schicht ausgebildet.
  • Als nächstes wurden die Eigenschaften des Verstärkers für akustische Oberflächenwellen gemessen. Dessen Verstärkung wurde mit dem gleichen Verfahren wie in der Ausführungsform 1 bewertet. Als Ergebnis der Bewertung des Verstärkers für akustische Oberflächenwellen von Ausführungsform 9 betrug die Verstärkung 4 dB, wenn die angelegte Gleichspannung 6 V und die Mittenfrequenz 1560 MHz betrug. Folglich wurde der Verstärkungseffekt bei einer niedrigen Spannung von 6 V erhalten.
  • Vergleichsausführungsform 3
  • Zum Vergleich mit der Ausführungsform 7 wurde die Vergleichsausführungsform 3 durchgeführt. Nachdem SiO2 in einer Dicke von 10 nm durch Verdampfen auf einem LiNbO3-Einkristallsubstrat mit einem 64°-Y-Schnitt und einem Durchmesser von 7,6 cm (3 Zoll) abgeschieden worden war, wurde InAs mit dem MBE-Verfahren bis 50 nm als aktive Schicht wachsen gelassen. Anschließend wurde GaSb bis 2 nm als Schutzschicht wachsen gelassen, wodurch eine Halbleiterschicht gebildet wurde. Die elektrischen Eigenschaften dieser Halbleiterschicht wurden gemessen. Bei dieser Vergleichsausführungsform wurde jedoch InAs mittels des SiO2-Films direkt auf dem piezoelektrischen Substrat ausgebildet. Folglich war die Kristallinität der aktiven Schicht unzureichend und deren Elektronenbeweglichkeit betrug lediglich 900 cm2/V·s. Als nächstes wurde die Halbleiterschicht an einer vorgegebenen Position geätzt, um das piezoelektrische Substrat freizulegen. Doppelkammförmig ineinandergreifende Al-Elektroden wurden auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats mit einem lithographischen Verfahren als Eingangs- bzw. Ausgangselektroden ausgebildet. Die Elektroden waren von einem normalen Typ mit einem Abstand von 1,4 μm und einer Ausbreitungslänge von 560 μm. Anschließend wurden Elektroden zum Anlegen eines elektrischen Gleichstromfelds auf der aktiven Schicht ausgebildet. Danach wurden die Eigenschaften des Verstärkers für akustische Oberflächenwellen gemessen, jedoch wurde kein Verstärkungseffekt festgestellt.
  • Ausführungsform 10
  • Nachdem Al0,5Ga0,5As0,1Sb0,9 bis 50 nm als Pufferschicht mit einem MBE-Verfahren auf einem LiNbO3-Einkristallsubstrat mit einem 128°-Y-Schnitt und einem Durchmesser von 7,6 cm (3 Zoll) wachsen gelassen worden ist, wurde InSb bis 400 nm als aktive Schicht wachsen gelassen, wodurch eine Halbleiterschicht gebildet wurde. Diese Halbleiterschicht wies eine Elektronenbeweglichkeit von 7000 cm2/V·s und eine Ladungsträgerkonzentration von 1 × 1016 cm–3 auf.
  • Als nächstes wurde der Verstärker für akustische Oberflächenwellen mit dem gleichen Verfahren wie in der Ausführungsform 1 hergestellt. Die Elektroden waren von einem normalen Typ mit einem Abstand von 0,75 μm und einer Ausbreitungslänge von 300 μm.
  • Als Ergebnis der Messung der Eigenschaften des Verstärkers für akustische Oberflächenwellen betrug die Verstärkung 3 dB, wenn die angelegte Gleichspannung 5 V und die Mittenfrequenz 1500 MHz betrug. Folglich wurde der Verstärkungseffekt bei einer niedrigen Spannung von 5 V erhalten. Ferner wurde die Zerstörung des LiNbO3-Substrats oder eine Zerstö rung der aktiven InSb-Schicht aufgrund einer Sauerstoffdiffusion von dem LiNbO3-Substrat selbst ohne jedweden dielektrischen Film aus SiO nicht festgestellt. Als Ergebnis wurde bestätigt, dass die Al0,5Ga0,5As0,1Sb0,9-Pufferschicht als Schutzfilm für die aktive Halbleiterschicht und das piezoelektrische Substrat wirkte.
  • Vergleichsausführungsform 4
  • Zum Vergleich mit der Ausführungsform 10 wurde die Vergleichsausführungsfomt 4 durchgeführt. InSb als aktive Schicht wurde bis 50 nm mit einem MBE-Verfahren direkt auf einem LiNbO3-Einkristallsubstrat mit einem 64°-Y-Schnitt und einem Durchmesser von 7,6 cm (3 Zoll) wachsen gelassen, wodurch eine Halbleiterschicht gebildet wurde. Die elektrischen Eigenschaften dieser Halbleiterschicht wurden gemessen. In dieser Vergleichsausführungsform wurde die Qualität des InSb-Films als aktive Schicht aufgrund eines Austretens von Sauerstoff von LiNbO3 verschlechtert, da InSb direkt auf dem LiNbO3-Substrat ohne Bildung einer Schutzschicht wie z.B. eines dielektrischen Films wachsen gelassen wurde. Folglich konnte eine Elektronenbeweglichkeit nicht gemessen werden.
  • Ausführungsform 11
  • Ein Verstärker für akustische Oberflächenwellen mit einer in der 9 gezeigten Querschnittsstruktur wurde hergestellt.
  • Doppelkammförmig ineinandergreifende Ti-Pt-Elektroden als Eingangs- und Ausgangselektroden 4 und 5 wurden an einer vorgegebenen Position auf einem LiNbO3-Einkristallsubstrat 1 mit einem 128°-Y-Schnitt und einem Durchmesser von 7,6 cm (3 Zoll) mit einem lithographischen Verfahren einer normalen Kontaktbelichtung wachsen gelassen. Die Elektroden 4 und 5 waren von einem normalen Typ mit einem Abstand von 1,4 μm und einer Ausbreitungslänge von 364 μm. Anschließend wurde Al0,38In0,62Sb mit einem MBE-Verfahren bis 150 nm als Pufferschicht 2 derart wachsen gelassen, dass die doppelkammförmig ineinandergreifenden Eingangs- und Ausgangselektroden 4 und 5 damit auf dem Substrat 1 eingebettet wurden. Danach wurde InSb bis 50 nm als aktive Schicht 3 wachsen gelassen, wodurch eine Halbleiterschicht gebildet wurde. Diese Halbleiterschicht wies eine Elektronenbeweglichkeit von 34000 cm2/V·s auf.
  • Nachdem die aktive Schicht 3 an einer vorgegebenen Position durch ein Ionenstrahlätzverfahren entfernt worden ist, wurden Elektroden 6 zum Anlegen eines elektrischen Gleichstromfelds auf der aktiven Schicht 3 gebildet (die 9 zeigt eine Querschnittsansicht von deren Struktur). Danach wurde ein Siliziumnitridfilm zur Passivierung durch Verdampfen abgeschieden und dann wurden Fenster gebildet. Die Eigenschaften des Verstärkers für akustische Oberflächenwellen wurden gemessen. Als Ergebnis wies die Verstärkung einen hohen Wert von 17 dB auf, wenn die angelegte Gleichspannung 6 V und die Mittenfrequenz 809 MHz betrug.
  • Ausführungsform 12
  • Ein Verstärker für akustische Oberflächenwellen mit einer in der 10 gezeigten Querschnittsstruktur wurde hergestellt.
  • Eine LiNbO3-Schicht 17 mit einer Dicke von 2,0 μm wurde auf einem LiTaO3-Einkristallsubstrat 1 mit einem Y-Schnitt mit einem Laserablationsverfahren wachsen gelassen und ferner wurde eine LiTaO3-Schicht 18 mit einer Dicke von 0,1 μm auf der LiNbO3-Schicht 17 wachsen gelassen, wodurch ein mehrschichtiges piezoelektrisches Substrat mit einer Dreischichtstruktur gebildet wurde. Als Ergebnis der Analyse des gewachsenen Dünnfilms mittels Augerelektronenspektroskopie wurde bestätigt, dass ein LiNbO3-Film 17 und ein LiTaO3-Film 18 ohne jegliche Störung der Stöchiometrie gebildet worden sind. Darüber hinaus wurde durch Röntgenbeugung gefunden, dass eine (110)-LiNbO3-Schicht 17 und eine (110)-LiTaO3-Schicht 18 heteroepitaxial in einem Doppelzustand oder domänenfreien Zustand wachsen gelassen worden sind.
  • Zur Messung des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten des mehrschichtigen piezoelektrischen Substrats wurde eine kammartige Al-Elektrode mit einem üblichen lithographischen Verfahren derart ausgebildet, dass die Wellenlänge einer akustischen Oberflächenwelle 8 μm betrug. Der mit einem Netzwerkanalysegerät gemessene elektromechanische Kopplungskoeffizient wies einen hohen Wert von 20,0 % auf.
  • Darüber hinaus wurde der Verstärker für akustische Oberflächenwellen, der in der 10 gezeigt ist, durch die Verwendung des mehrschichtigen piezoelektrischen Substrats in dem gleichen Verfahren wie in der Ausführungsform 10 hergestellt. Als Ergebnis der Messung der Eigenschaften des Verstärkers für akustische Oberflächenwellen wurde erhalten, dass die Verstärkung 12 dB betrug, wenn die angelegte Gleichspannung 5 V und die Mittenfrequenz 1500 MHz betrug. Es wurde bestätigt, dass das mehrschichtige piezoelektrische Substrat mit einem beträchtlich großen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten in dieser Ausführungsform einen hervorragenden Verstärkungseffekt in dem Verstärker für akustische Ober flächenwellen aufwies, der etwa viermal größer war als derjenige, der in der Ausführungsform 10 erhalten worden ist.
  • Vergleichsausführungsform 5
  • Zum Vergleich mit der Ausführungsform 12 wurde die Vergleichsausführungsform 5 durchgeführt. Der elektromechanische Kopplungskoeffizient des mehrschichtigen piezoelektrischen Substrats in der Ausführungsform 12 wurde mit den elektromechanischen Kopplungskoeffizienten von Materialien verglichen, die jede Schicht und ein zweischichtiges piezoelektrisches Substrat bilden. Die erhaltenen Ergebnisse bezüglich der elektromechanischen Kopplungskoeffizienten von Materialien, die jede Schicht in dem gleichen Verfahren wie in der Ausführungsform 12 bilden, betrugen 4,7 % in dem Einkristall (110)-LiNbO3 und 0,68 % in dem Einkristall (110)-LiTaO3.
  • Der elektromechanische Kopplungskoeffizient wurde auch in dem Fall von aufbauenden Materialien gemessen, die in einer Zweischichtstruktur ausgebildet sind. Insbesondere wurde ein LiNbO3-Film auf einem Y-Schnitt-LiTaO3-Substrat mit dem gleichen Laserablationsverfahren wie in der Ausführungsform 12 wachsen gelassen. Das Ergebnis der Messung des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten in der Zweischichtstruktur aus LiNbO3/LiTaO3 betrug 3,0 %, was niedriger war als bei dem Einkristall (110)-LiNbO3.
  • Folglich wurde gefunden, dass der elektromechanische Kopplungskoeffizient des mehrschichtigen piezoelektrischen Substrats der vorliegenden Erfindung im Fall der dreischichtigen Struktur stark erhöht werden kann. Der elektromechanische Kopplungskoeffizient wurde im Vergleich zu dem der Ausführungsform 12 etwa um das Vierfache erhöht, wodurch die Verstärkung des Verstärkers für akustische Oberflächenwellen erhöht wurde.
  • Ausführungsform 13
  • Mit dem gleichen Verfahren wie in der Ausführungsform 10 wurde eine Halbleiterschicht auf einem LiNbO3-Substrat mit einem 128°-Y-Schnitt wachsen gelassen. Anschließend wurde die Halbleiterschicht an einer vorgegebenen Position geätzt, um ein piezoelektrisches Substrat freizulegen. Doppelkammförmig ineinandergreifende Al-Cu/CulAl-Cu-Mehrschichtelektroden als Eingangs- und Ausgangselektroden, die hochleistungsfest sind, wurden auf dem piezoelektrischen Substrat mit einem lithographischen Verfahren ausgebildet. Die Elektroden waren von einem normalen Typ mit einem Abstand von 0,75 μm und einer Ausbreitungslän ge von 300 μm. Anschließend wurden auf der aktiven Schicht Elektroden zum Anlegen eines elektrischen Gleichstromfelds gebildet.
  • Die Eigenschaften des Verstärkers für akustische Oberflächenwellen wurden durch Senden eines Hochfrequenzsignals von einem Signalgenerator (Anritsu MG3670A) derart bewertet, dass die Verstärkung und die Sendeleistung mittels eines Leistungsmessgeräts und eines Leistungssensors gemessen wurden (Yokokawa Hewlett Packard, 437B und 8481H). Die Verstärkung betrug 22 dB und die Sendeleistung betrug 2,2 W, wenn die angelegte Gleichspannung 3 V und die Mittenfrequenz 1520 MHz betrug. Folglich kann der Verstärker für akustische Oberflächenwellen in dieser Ausführungsform als hervorragender Leistungsverstärker in einem Hochfrequenzabschnitt mobiler Kommunikationsgeräte oder dergleichen verwendet werden und ferner kann er beträchtlich zu einer Verkleinerung solcher Geräte beitragen.
  • Ausführungsform 14
  • Wie in der Ausführungsform 10 wurde eine Halbleiterschicht auf einem LiNbO3-Substrat mit einem 128°-Y-Schnitt wachsen gelassen. Als nächstes wurde die Halbleiterschicht so verarbeitet, dass sie zwischen später gebildeten Eingangs- und Ausgangselektroden angeordnet war, und sie wurde so geätzt, dass die Halbleiterschicht in drei Abschnitte geteilt wurde, wie es in der 6 gezeigt ist. Doppelkammförmig ineinandergreifende Al-Elektroden wurden auf der freiliegenden Oberfläche des piezoelektrischen Substrats als Eingangs- und Ausgangselektroden gebildet. Die Elektrodenabstände und die Ausbreitungswellenlängen sind mit den Werten der Ausführungsform 10 identisch. Ferner wurden Elektroden zum Anlegen eines elektrischen Gleichstromfelds auf jeder der getrennten aktiven Schichten gebildet.
  • Die Eigenschaften des erfindungsgemäßen Verstärkers für akustische Oberflächenwellen wurden durch Anlegen eines elektrischen Gleichstromfelds parallel zu jeder der aktiven Schichten bewertet. Als Ergebnis betrug die Verstärkung 8 dB, wobei die angelegte Gleichspannung 5 V und die Mittenfrequenz 1500 MHz betrug. Es wurde bestätigt, dass die Verbesserung der Verstärkung im Wesentlichen dreimal so groß war wie bei der Ausführungsform 10.
  • Ausführungsform 15
  • Ein Convolver für akustische Oberflächenwellen mit einer in der 11 gezeigten Querschnittsstruktur wurde hergestellt.
  • Eine Halbleiterschicht wurde auf einem LiNbO3-Substrat 1 mit einem 128°-Y-Schnitt wie in der Ausführungsform 10 wachsen gelassen. Als nächstes wurde eine Halbleiterschicht, die als Pufferschicht 2 dient, an einer vorgegebenen Position geätzt, um das piezoelektrische Substrat 1 freizulegen. Eingangselektroden 4 wurden auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats 1 mit einem lithographischen Verfahren gebildet. Ferner wurden Abnahmeelektroden auf der Oberseite des Halbleiters und an der Unterseite des piezoelektrischen Substrats gebildet, wie es in der 11 gezeigt ist, und ein Convolver für akustische Oberflächenwellen wurde hergestellt.
  • Darüber hinaus konnte unter Verwendung des erfindungsgemäßen Convolvers für akustische Oberflächenwellen bei der Messung der Verstärkungseigenschaften einer Frequenz von 1000 MHz mit einem Frequenzanalysegerät ein Konvolutionsausgangssignal als nichtlineares Signal von der Abnahmeelektrode 19 erhalten werden.
  • Ausführungsform 16
  • Unter Verwendung des in der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung hergestellten Verstärkers für akustische Oberflächenwellen, eines Mischers und eines Quadraturmodulators wurde die Empfangsschaltung des Hochfrequenzabschnitts eines tragbaren Telefons erzeugt. Zwischen dem Verstärker für akustische Oberflächenwellen und dem Mischer wurde keine spezifische Schaltung zur Anpassung der Impedanzen bereitgestellt. Gewöhnlich wurde für den Abschnitt, der mit einem rauscharmen Verstärker und einem Hochfrequenzbandfilter aufgebaut ist, nur der Verstärker für akustische Oberflächenwellen verwendet. Das Hochfrequenzsignal, das π/4QPSK-moduliert war, wurde von einem Signalgenerator der Empfangsschaltung des Hochfrequenzabschnitts des in der vorstehend beschriebenen Weise hergestellten tragbaren Telefons zugeführt, so dass die Demodulierungsfehler von I- und Q-Ausgangssignalen nach dem Empfang des Hochfrequenzsignals unter Verwendung eines Vektor-Signalanalysegeräts (Yokokawa Hewlett Packard 89441A) gemessen wurden. Wenn die Intensität des Eingangssignals zwischen –10 und –102 dBm lag, betrug die Größe des maximalen Fehlervektors 16 % (quadratischer Mittelwert). Darüber hinaus lag als Ergebnis eines Vergleichs der Eingangsdaten mit den demodulierten Daten kein Fehler bei den demodulierten Daten vor. Ferner wurden die Rauschzahl und die Verstärkung des Verstärkers für akustische Oberflächenwellen unter Verwendung eines Rauschzahlmessgeräts (Yokokawa Hewlett Packard 8970B) und einer Rauschquelle (Yokokawa Hewlett Packard 346B) gemessen. Als Ergebnis wurde erhalten, dass bei 810 MHz die Rauschzahl 2,5 dB und die Verstärkung 14 dB, bei 826 MHz die Rauschzahl 3 dB und die Verstärkung 12 dB und bei 815 MHz die Rauschzahl 1,8 dB und die Verstärkung 16 dB betrugen. Darüber hinaus wurden die Dämpfungseigenschaften außerhalb des Durchlassbands unter Verwendung eines Netzwerkanalysegeräts gemessen. Bei 940 MHz wurde ein Einfügungsverlust von 35 dB gemessen und bei 956 MHz wurde ein Einfügungsverlust von 40 dB gemessen. Als Ergebnis wurde bestätigt, dass eine Empfangsschaltung, bei der anstelle des rauscharmen Verstärkers und des Bandfilters der Verstärker für akustische Oberflächenwellen eingesetzt wurde, erhalten werden konnte. Ferner konnte dann, wenn der Verstärker für akustische Oberflächenwellen dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform verwendet wurde, ein rauscharmer Hochfrequenzverstärker monolithisch gemacht werden, was zu einer Verminderung der Anzahl der Bauteile der Empfangsschaltung führt.
  • Ausführungsform 17
  • Die Empfangsschaltung des Hochfrequenzabschnitts eines tragbaren Telefons wurde unter Verwendung eines orthogonalen Modulators, eines Mischers, eines Bandfilters und eines Verstärkers für akustische Oberflächenwellen hergestellt. Normalerweise wird der erfindungsgemäße Verstärker für akustische Oberflächenwellen als Bauteil verwendet, das mit einem Leistungsverstärker konstruiert wird. Das Hochfrequenzsignal, das π/4QPSK-moduliert war, wurde von einem Signalgenerator dem Verstärker für akustische Oberflächenwellen zugeführt, so dass die Demodulierungsfehler der I- und Q-Ausgangssignale unter Verwendugn eines Vektorsignalanalysegeräts gemessen wurden. Als Ergebnis wurde erhalten, dass die Größe des Fehlervektors bei einer Mittenfrequenz von 948 MHz 5,5 % (quadratischer Mittelwert) betrug. In diesem Fall betrug die elektrische Sendeleistung 2,2 W. Es wurde be-stätigt, dass das Spektrum des Ausgangssignals dann, wenn es mit einem Spektrumanalysegerät gemessen wurde, der Nippon Digital System-Automobiltelefonsystem-Standardnor-malisierung (RCR STD-27) genügte. Als Ergebnis wurde bestätigt, dass die Sendeschaltung unter Verwendung des Verstärkers für akustische Oberflächenwellen anstelle eines herkömmlichen Leistungsverstärkers erzeugt werden konnte, so dass eine Verkleinerung des Leistungsverstärkerabschnitts ermöglicht wurde.
  • Ausführungsform 18
  • Die Sendeschaltung des Hochfrequenzabschnitts eines tragbaren Telefons, das dem von der Ausführungsform 17 ähnlich war, wurde unter Verwendung eines Bandfilters erhalten. Als Ergebnis wurde erhalten, dass die Größe des Fehlervektors bei einer Mittenfrequenz von 948 MHz 4,0 % (quadratischer Mittelwert) betrug. Ferner wurde bestätigt, dass die elektrische Sendeleistung 3,2 W betrug und das Sendespektrum RCR STD-27 genügte. Als Ergebnis wurde erhalten, dass die Sendeschaltung unter Verwendung des Verstärkers für akustische Oberflächenwellen anstelle eines herkömmlichen Leistungsverstärkungsmoduls und eines Bandfilters erzeugt werden konnte, so dass die Leistungsverstärkung und der Bandfilter monolithisch gemacht werden können.
  • Ausführungsform 19
  • Eine Sende/Empfangsschaltung wurde unter Verwendung eines Verstärkers für akustische Oberflächenwellen mit einem Durchlassband von 810 bis 826 MHz anstelle des rauscharmen Verstärkers einer Empfangsschaltung und des Bandfilters, und auch unter Verwendung eines Verstärkers für akustische Oberflächenwellen mit einem Durchlassband von 940 bis 956 MHz anstelle des Leistungsverstärkers einer Sendeschaltung und des Bandfilters hergestellt. Es wurde der gleiche Verstärker für akustische Oberflächenwellen eines Empfangsabschnitts wie in der Ausführungsform 16 verwendet und es wurde der gleiche Verstärker für akustische Oberflächenwellen eines Sendeabschnitts wie in der Ausführungsform 17 verwendet. Ein Antennenanschluss wurde mit einer Mikrostreifenleitung, bei der die charakteristische Impedanz auf 50 Ω eingestellt worden ist, ohne die Verwendung eines Duplexers mit einer Sendeschaltung und einer Empfangsschaltung verbunden. Die Empfangseigenschaften und die Sendeeigenschaften der in der vorstehend beschriebenen Weise hergestellten Sende/Empfangsschaltung wurden entsprechend der Ausführungsform 16 und der Ausführungsform 17 gemessen. Als Ergebnis der Messung der Empfangseigenschaften wurde erhalten, dass die Größe des maximalen Fehlervektors 18 % (quadratischer Mittelwert) betrug, wenn die Intensität des Eingangssignals zwischen –10 und –102 dBm lag. Darüber hinaus lag bei den demodulierten Daten kein Fehler vor. Als Ergebnis der Messung der Sendeeigenschaften wurde erhalten, dass die Größe des Fehlervektors bei einer Mittenfrequenz von 948 MHz 5,4 % (quadratischer Mittelwert) betrug. Darüber hinaus wurde bestätigt, dass die elektrische Sendeleistung 3,0 W betrug und das Sendespektrum RCR STD-27 genügte. Als Ergebnis wurde bestätigt, dass in der Sende-Empfangsschaltung des Hochfrequenzabschnitts des tragbaren Telefons anstelle des rauscharmen Verstärkers und des Bandfilters, anstelle des Leistungsverstärkungsmoduls und des Bandfilters und anstelle des Duplexers Schaltungen unter Verwendung des Verstärkers für akustische Oberflächenwellen verwendet werden können. Wenn daher die Sende/Empfangsschaltung dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform verwendet wurde, konnte die Anzahl der Bauteile des Hochfrequenzabschnitts einer herkömmlichen tragbaren Kommunikationsvorrichtung ausreichend vermindert werden, so dass dies zu einer drastischen Verkleinerung und Gewichtsverminderung sowie zu einer Preissenkung tragbarer Endgeräte beitragen kann.
  • Vergleichsausführungsform 6
  • Die typische Größe eines Leistungsverstärkungsmoduls, das mit einem herkömmlichen GaAs-FET, einem Kondensator, usw., konstruiert ist, beträgt etwa 25 mm × 12 mm × 3,7 mm. Im Gegensatz dazu weist der Verstärker für akustische Oberflächenwellen der Ausführungsform 17 Abmessungen von 5 mm × 5 mm × 2 mm auf, so dass die vorliegende Erfindung eine drastische Verkleinerung des herkömmlichen Leistungsverstärkers erreichen kann.
  • Die Verwendung des erfindungsgemäßen Funktionselements für akustische Oberflächenwellen ermöglicht eine starke Verbesserung der Verstärkung eines Verstärkers für akustische Oberflächenwellen oder der Effizienz eines Convolvers für akustische Oberflächenwellen. Der erfindungsgemäße Verstärker für akustische Oberflächenwellen kann eine große Verstärkung bei niedrigen Spannungen erreichen, was in der Praxis vorteilhaft ist, so dass er auf Hochfrequenzabschnitte mobiler Kommunikationsgeräte anwendbar ist. Ferner ermöglicht die vorliegende Erfindung die Verwendung einer einzelnen Komponente anstelle eines Verstärkers, eines Bandfilters oder eines Duplexers, die als diskrete Elemente verwendet worden sind und größer sind. Folglich kann die vorliegende Erfindung zur Herstellung von kompakten, leichten und dünneren mobilen Kommunikationsgeräten bei niedrigen Herstellungskosten beitragen.

Claims (13)

  1. Ein Funktionselement für akustische Oberflächenwellen, das ein piezoelektrisches Substrat (1; 20; 1, 17, 18), eine Eingangselektrode (4) und eine Ausgangselektrode (5), die auf dem piezoelektrischen Substrat gebildet sind, und Halbleiterschichten (2, 3) umfasst, die zwischen der Eingangselektrode und der Ausgangselektrode bereitgestellt sind, wobei die Halbleiterschichten eine aktive Schicht (3) und eine Pufferschicht (2) umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Pufferschicht (2) eine Gitterkonstante aufweist, die an die Gitterkonstante der aktiven Schicht (3) angepasst ist, und die Pufferschicht eine Verbindung umfasst, die mindestens Antimon enthält.
  2. Funktionselement für akustische Oberflächenwellen nach Anspruch 1, bei dem die aktive Schicht (3) eine Verbindung umfasst, die mindestens Indium enthält.
  3. Funktionselement für akustische Oberflächenwellen nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die aktive Schicht (3) eine Filmdicke von 5 nm bis einschließlich 500 nm aufweist.
  4. Funktionselement für akustische Oberflächenwellen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das piezoelektrische Substrat einen mehrschichtigen piezoelektrischen Körper (20; 1, 17, 18) umfasst, der mindestens drei Schichten (21, 22, 23; 1, 17, 18) mit mindestens zwei unterschiedlichen elektromechanischen Kopplungskonstanten umfasst, und bei dem eine mittlere Schicht (22, 17) der mindestens drei Schichten des mehrschichtigen piezoelektrischen Körpers den größten elektromechanischen Kopplungskoeffizienten aufweist.
  5. Funktionselement für akustische Oberflächenwellen nach Anspruch 4, bei dem der mehrschichtige piezoelektrische Körper (20; 1, 17, 18) aus drei Schichten besteht, wobei die mittlere Schicht (17) des piezoelektrischen Körpers aus LiNbO3 besteht und die anderen Schichten des piezoelektrischen Körpers aus LiTaO3 bestehen.
  6. Funktionselement für akustische Oberflächenwellen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Eingangselektrode (4) und die Ausgangselektrode (5) unidirektionale Wandler sind.
  7. Ein Verstärker für akustische Oberflächenwellen, der das Funktionselement für akustische Oberflächenwellen nach einem der vorhergehenden Ansprüche und Elektroden (6) zum Anlegen eines elektrischen Gleichstromfelds an die Halbleiterschicht (2, 3) umfasst.
  8. Verstärker für akustische Oberflächenwellen nach Anspruch 7, bei dem der Verstärker zur Entfernung von Ladungsträgern, die sich in einer entgegen gesetzten Richtung zwischen der Eingangselektrode (4) und der Ausgangselektrode (5) bewegen, angepasst ist.
  9. Verstärker für akustische Oberflächenwellen nach Anspruch 7, bei dem die Eingangs- und die Ausgangselektrode (4, 5) in der Pufferschicht (2) eingebettet sind.
  10. Verstärker für akustische Oberflächenwellen nach Anspruch 7, bei dem die Eingangsund die Ausgangselektrode (4, 5) angepasst sind, einer Leistung von mehreren Watt zu widerstehen.
  11. Eine Sende/Empfangsschaltung (15, 16), die das Funktionselement für akustische Oberflächenwellen nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umfasst, das angepasst ist, als (i) ein Verstärker und ein Bandfilter oder als (ii) ein Verstärker, ein Bandfilter und ein Duplexer zu wirken.
  12. Eine mobile Kommunikationsvorrichtung, welche die Sende/Empfangsschaltung (15, 16) nach Anspruch 11 umfasst.
  13. Ein Convolver für akustische Oberflächenwellen, der zwei Elektroden (4), die auf einem piezoelektrischen Substrat (1) gebildet sind, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Elektroden (4) als Eingangselektroden ausgebildet sind, Halbleiterschichten (2, 3) zwischen den beiden Elektroden bereitgestellt sind, wobei die Halbleiterschichten eine aktive Schicht (3) und eine Pufferschicht (2) umfassen, wobei die Pufferschicht Antimon umfasst und eine Gitterkonstante aufweist, die an die Gitterkonstante der aktiven Schicht angepasst ist, und Abnahmeelektroden (19) sowohl auf einem oberen Abschnitt der Halbleiterschichten (2, 3) als auch auf einem unteren Abschnitt des piezoelektrischen Substrats (1) gebildet sind.
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