JP2007104237A - 弾性表面波デバイスおよび集積回路 - Google Patents

Abstract

【課題】
著しく高いバイアス電圧を印加することなく、弾性表面波の強度を高速で変調しうる弾性表面波デバイスを提供することにある。
【解決手段】
サファイア基板１１と、ＧａＮからなる伝搬層１２と、ＧａＮと比較して広いバンドギャッブを持つＡｌＧａＮからなるバリア層１３と、バリア層１３の表面に形成された一組の電極である第一の櫛形電極１６および、第二の櫛形電極１７と、を備えるトランスバーサルフィルタ１０において、第一の櫛形電極１６および、第二の櫛形電極１７を、ショットキ電極１６ａ、１７ａと、オーミック電極１６ｂ、１７ｂとから構成し、オーミック電極１６ｂ、１７ｂを伝搬層１２とバリア層１３との接合面付近に存在する二次元電子ガス１５と導通する構造とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電性を有する窒化物半導体材料からなる伝搬層上に櫛形電極を形成した弾性表面波デバイス（ＳＡＷデバイス）および、弾性表面波デバイスを有する集積回路に関する。

従来の弾性表面波デバイスについて、その一種であるトランスバーサルフィルタを例として説明する。図６は、従来のトランスバーサルフィルタ５０の構造図で、図６（ａ）はトランスバーサルフィルタ５０の平面図、図６（ｂ）はトランスバーサルフィルタ５０を矢視ＤＤから見た断面図である。

図６に示すように、トランスバーサルフィルタ５０は、サファイア基板５１上に、ＧａＮからなる伝搬層５２が形成されている。更に、伝搬層５２上に、ＧａＮと比較して広いバンドギャップを持つＡｌＧａＮからなるバリア層５３が形成されている。伝搬層５２とバリア層５３は、積層構造５４を形成している。

そして、バリア層５３の表面上に、第一の櫛形電極５６および、第二の櫛形電極５７が形成されている。第一の櫛形電極５６は、所定の電極長、配列間隔、電極指の線幅、配列数を有し、ＮｉＡｕからなるショットキ電極５６ａ、５６ｂから構成されている。同様に、第二の櫛形電極５７も、所定の電極長、配列間隔、電極指の線幅、配列数を有し、ＮｉＡｕからなるショットキ電極５７ａ、５７ｂから構成されている。

トランスバーサルフィルタ５０の第一の櫛形電極５６および、第二の櫛形電極５７は、（１−１００）方向に所定の間隔をおいて対向する位置に配置されている。これより、第一の櫛形電極５６に高周波（ＲＦ）信号を印加することで、弾性表面波を励振させている。弾性表面波は、伝搬層５２を伝搬し、第二の櫛形電極５７で高周波信号に変換される。その後、上記の高周波信号はトランスバーサルフィルタ５０外に出力される。また、図６に示すように、ショットキ電極５６ａ、５７ａには、負のバイアス電圧が印加され、一方、ショットキ電極５６ｂ、５７ｂは接地されている。

図７は、図６に示すトランスバーサルフィルタ５０のバンドダイアグラムである。図７では、バイアス電圧を印加していない状態と、バイアス電圧を印加した状態のショットキ電極５６ａ-５６ｂ間のバンドダイアグラムを示している。負のバイアス電圧が印加されていない場合、伝搬層５２とバリア層５３のヘテロ界面付近、すなわち、接合面付近に二次元電子ガス５５（図６および、図７のＰ部参照）が形成される。二次元電子ガス５５により、高周波信号による電界が遮蔽され、弾性表面波を励振させることができなかった。そこで、バイアス電圧を印加することで、二次元電子ガス５５をショットキ電極５６ａ直下の領域からショットキ電極５６ｂ直下の領域（図７のＲ部参照）に移動させ、ショットキ電極５６ａ直下の領域を空乏化させている（図７のＱ部参照）。ショットキ電極５６ａ直下の領域を空乏化させることで、高周波信号により発生する電界を伝搬層５２内に浸透させて、弾性表面波を励振・伝搬させている。また、バイアス電圧を調整することで、二次元電子ガス５５の移動を制御し、伝搬層５２に浸透する電界の強度を変更し、弾性表面波の強度を変調している。
Voltage Controlled SAW filters on 2DEG AlGaN/GaN heterostructures(2004 IEEE MTT-S Digest PP.387-390).

しかし、従来のトランスバーサルフィルタ５０では、図７に示したように、バイアス電圧の印加により、伝搬層５２とバリア層５３のヘテロ界面付近に存在するショットキ電極５６ａ直下の二次元電子ガス５５は、ショットキ電極５６ｂ直下の領域へ移動したため、ショットキ電極５６ｂ直下の領域に二次元電子ガス５５が集中するといった問題があった。広いバンドギャップを有するＡｌＧａＮからなるバリア層５３とショットキ電極５６ｂとの接合面に、高いエネルギー障壁（図７のＲ部付近参照）があるため、ショットキ電極５６ｂ直下の二次元電子ガス５５は、接地されたショットキ電極５６ｂに移動できない。そのため、ショットキ電極５６ｂ直下の二次元電子ガス５５の濃度が増大した。

ショットキ電極５６ｂ直下においては高濃度の二次元電子ガス５５が存在するために空間電荷効果が一層顕著となる。その結果、第一の櫛形電極５６に印加されるバイアス電圧によって伝搬層５２中に発生する電界の強度は、空間電荷効果が起こらない場合の電界強度と比較して小さく、伝搬層５２のショットキ電極５６ａ直下の領域を短時間で空乏化させることが困難であった。すなわち、弾性表面波強度を高速で変調できなかった。また、逆に、所望の電界強度を実現し、二次元電子ガス５５を短時間のうちに移動させて空乏化させるためには、著しく高いバイアス電圧を印加する必要があった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、著しく高いバイアス電圧を印加することなく、弾性表面波の強度を高速で変調しうる弾性表面波デバイスを提供することを目的とする。

上記目的達成のため、本発明に係る弾性表面波デバイスでは、請求項１に記載のように、基板と、第一の窒化物半導体材料からなる伝搬層と、前記第一の窒化物半導体材料と比較して広いバンドギャッブを持つ第二の窒化物半導体材料からなるバリア層と、前記バリア層の表面に形成された一組ないし数組の櫛形電極と、を備える弾性表面波デバイスにおいて、前記櫛形電極は、ショットキ特性を有する電極と、オーミック特性を有する電極とから構成され、前記オーミック特性を有する電極は、前記伝搬層と前記バリア層との接合面に存在する二次元電子ガスと導通していることを特徴としている。

また、請求項２に記載のように、請求項１に記載の弾性表面波デバイスにおいて、前記バリア層は、前記第二の窒化物半導体材料にｎ型不純物を積極的に添加されて形成されたことを特徴としている。

また、請求項３に記載のように、請求項１または２に記載の弾性表面波デバイスにおいて、前記基板は、（０００１）方向に配向するサファイア基板であり、 前記伝搬層は、（０００１）方向に配向する前記第一の窒化物半導体材料から形成され、前記バリア層は、（０００１）方向に配向する前記第二の窒化物半導体材料から形成され、前記バリア層の前記表面は、III族元素面であることを特徴としている。

また、請求項４に記載のように、請求項１に記載の弾性表面波デバイスにおいて、前記基板は、（１１−２０）方向に配向するサファイア基板であり、前記伝搬層は、（１１−２０）方向に配向する前記第一の窒化物半導体材料から形成され、前記バリア層は、（１１−２０）方向に配向する前記第二の窒化物半導体材料にｎ型不純物を積極的に添加させて形成され、前記櫛形電極は、該櫛形電極の電極指の配列方向を（０００１）方向と整合させて形成されることを特徴としている。

また、請求項５に記載の集積回路は、請求項１〜４のいずれかに記載の弾性表面波デバイスと、それらと同一積層構造にオーミック特性を有するソース電極、ドレイン電極および、ショットキ特性を有するゲート電極を形成することにより構成される電界効果型トランジスタを備えることを特徴としている。

本発明により、櫛形電極をショットキ特性を有する電極とオーミック特性を有する電極とから構成し、オーミック特性を有するゲート電極と二次元電子ガスを導通させたときは、著しく高いバイアス電圧を印加することなく、弾性表面波の強度を高速で変調しうる弾性表面波デバイスを提供することができる。

また、ｎ型不純物を積極的に含む第二の窒化物半導体材料からなるバリア層を形成したときは、二次元電子ガスの濃度が高くなるので、より低いバイアス電圧で、弾性表面波の強度を高速で変調することができる。

また、（１１−２０）方向に配向するサファイア基板上に、（１１−２０）方向に配向する第一の窒化物半導体材料からなる伝搬層を形成し、（１１−２０）方向に配向する第二の窒化物半導体材料にｎ型不純物を積極的に添加させてバリア層を形成し、櫛形電極の電極指の配列方向を（０００１）方向と整合させて櫛形電極を形成したときは、高周波信号と弾性表面波との間の変換効率（電気機械結合常数）をより高くすることができる。

本発明の第１の実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る弾性表面波デバイスの一種であるトランスバーサルフィルタ１０の構造図で、図１（ａ）はトランスバーサルフィルタ１０の平面図、図１（ｂ）はトランスバーサルフィルタ１０を矢視ＡＡから見た断面図である。

図１に示すように、トランスバーサルフィルタ１０は、（０００１）方向に配向するサファイア基板１１上に、同じく（０００１）方向に配向する不純物を積極的には含まない第一の窒化物半導体材料であるＧａＮからなる伝搬層１２が形成されている。更に、（０００１）方向に配向する不純物を積極的には含まない第二の窒化物半導体材料であるＡｌＧａＮからなるバリア層１３が伝搬層１２上に形成されている。ＡｌＧａＮは、ＧａＮと比較して広いバンドギャップを有する窒化物半導体材料である。伝搬層１２とバリア層１３は積層構造１４を形成している。トランスバーサルフィルタ１０の伝搬層１２の厚さは２μｍ、バリア層１３の厚さは２０ｎｍである。

積層構造１４の表面、すなわち、バリア層１３の表面は、III族元素面からなり、従来のトランスバーサルフィルタ５０と同様に、伝搬層１２を形成するＧａＮの圧電性および、ＧａＮ−ＡｌＧａＮ間の格子定数の相違により伝搬層１２とバリア層１３のヘテロ界面付近、すなわち、接合面付近に二次元電子ガス１５が形成されている。また、バリア層１３の表面上には、第一の櫛形電極１６および、第二の櫛形電極１７が、（１−１００）方向に所定の間隔をおいて対向する位置に配置されている。第一の櫛形電極１６に高周波信号を印加することで、弾性表面波を励振させている。弾性表面波は、伝搬層１２を伝搬し、第二の櫛形電極１７で高周波信号に変換される。その後、上記の高周波信号はトランスバーサルフィルタ１０外に出力される。また、従来のトランスバーサルフィルタ５０と同様に、第一の櫛形電極１６および、第二の櫛形電極１７には、負のバイアス電圧が印加されている。

図２は、図１に示すトランスバーサルフィルタ１０の第一の櫛形電極１６の拡大図である。第一の櫛形電極１６は、ショットキ電極１６ａとオーミック電極１６ｂから構成されている。ショットキ電極１６ａおよび、オーミック電極１６ｂは、所定の電極長、線幅ｈを有する平行電極指１８が電極指ピッチＴを隔てて、複数配列されて形成されている。また、ショットキ電極１６ａおよび、オーミック電極１６ｂは、配列間隔ｓを隔てて配置されている。よって、電極指ピッチＴは２（線幅ｈ＋配列間隔ｓ）に等しくなる。ここで、第一の櫛形電極１６に入力される高周波信号の波長が、電極指ピッチＴに等しいとき、弾性表面波が最も効率良く励振される。そこで、励振される弾性表面波の速度ｖ０とすると、弾性表面波の中心周波数ｆ０は、第一の櫛形電極１６の電極指ピッチＴ、平行電極指１８の線幅ｈ、配列間隔ｓから、ｆ０＝ｖ０／Ｔ＝ｖ０／｛２（ｈ＋ｓ）｝と表すことができる。すなわち、高周波信号を第一の櫛形電極１６に入力することで、電界が発生し、伝搬層１２に浸透するので、中心周波数ｆ０の弾性表面波を最も効率良く励振させることができ、第二の櫛形電極１７へ伝搬させることができる。一方、中心周波数ｆ０以外の周波数の弾性表面波は励振され難く、フィルタとしての機能を備えている。なお、第二の櫛形電極１７も、所定の電極長、線幅ｈを有する平行電極指１８が電極指ピッチＴを隔てて、複数配列されたショットキ電極１７aおよびオーミック電極１７ｂが配列間隔ｓを隔てて、配置されている。

しかし、伝搬層１２とバリア層１３のヘテロ界面付近に二次元電子ガス１５が形成されると、第一の櫛形電極１６に入力された高周波信号によって形成された電界は、すべて遮蔽される。すなわち、伝搬層１２に上記の電界が浸透しないので、伝搬層１２で弾性表面波が励振されない。また、弾性表面波が励振し、第二の櫛形電極１７に伝搬したとしても、弾性表面波による電界が二次元電子ガス１５によって遮蔽されるので、弾性表面波が変換されない。

そこで、図１に示したように、トランスバーサルフィルタ１０では、第一の櫛形電極１６および、第二の櫛形電極１７のショットキ電極１６ａ、１７ａに負のバイアス電圧を印加し、オーミック電極１６ｂ、１７ｂを接地している。ショットキ電極１６ａ、１７ａに印加された負のバイアス電圧は、ショットキ電極１６ａ、１７ａに対して逆バイアスとして作用し、伝搬層１２のショットキ電極１６ａ−オーミック電極１６ｂ間および、ショットキ電極１７ａ−オーミック電極１７ｂ間には、負のバイアス電圧に比例した電界が発生する。上記電界は、ショットキ電極１６ａ、１７ａ直下の二次元電子ガス１５をオーミック電極１６ｂ、１７ｂ側に移動させる。これにより、ショットキ電極１６ａ、１７ａ直下の領域が空乏化する。よって、ショットキ電極１６ａ、１７ａに負のバイアス電圧を印加することで、ショットキ電極１６ａ、１７ａ直下の領域を空乏化することができ、第一の櫛形電極１６に入力された高周波信号によって形成される電界が伝搬層１２に浸透し、弾性表面波が励振され、第二の櫛形電極１７に伝搬され、トランスバーサルフィルタ１０外に出力されうる。また、伝搬層１２に浸透される電界の強度は、ショットキ電極１６ａ、１７ａ直下の二次元電子ガス１５の濃度によって決定される。これは、伝搬層１２に励振される弾性表面波の強度が、上記の二次元電子ガス１５の濃度によることを意味する。そして、上記の二次元電子ガス１５の濃度は、ショットキ電極１６ａ、１７ａに印加される負のバイアス電圧値によって決定される。以上より、ショットキ電極１６ａ、１７ａに印加される負のバイアス電圧値を変調することで、二次元電子ガス１５の濃度を変調でき、伝搬層１２を伝搬する弾性表面波の強度も変調できる。

また、トランスバーサルフィルタ１０では、オーミック電極１６ｂ、１７ｂは、伝搬層１２とバリア層１３のヘテロ界面付近に存在する二次元電子ガス１５と導通するオーミック領域１６ｃ、１７ｃを備えている。ここで、トランスバーサルフィルタ１０のショットキ電極１６ａ、１７ａは、厚さ１００ｎｍのアルミニウムからなるショットキ特性を有する電極である。一方、オーミック電極１６ｂ、１７ｂは、チタンおよび、アルミニウムからなるオーミック特性を有する電極である。オーミック電極１６ｂ、１７ｂは、バリア層１３の表面上に、チタンおよび、アルミニウムを順次積層し熱処理を行うことにより形成される。これにより、オーミック電極１６ｂ、１７ｂは、伝搬層１２とバリア層１３のヘテロ界面付近に存在する二次元電子ガス１５と導通するオーミック領域１６ｃ、１７ｃを備えて形成されている。

図３は、図１に示すトランスバーサルフィルタ１０のバンドダイアグラムである。図３では、バイアス電圧を印加していない状態と、バイアス電圧を印加した状態のショットキ電極１６ａ−オーミック電極１６ｂ間のバンドダイアグラムを示している。負のバイアス電圧が印加されていない場合、伝搬層１２とバリア層１３のヘテロ界面付近、すなわち、接合面付近に二次元電子ガス１５（図３のＫ部参照）が形成される。二次元電子ガス１５により、高周波信号による電界が遮蔽される。そこで、バイアス電圧を印加することで、ショットキ電極１６ａ−オーミック電極１６ｂ間に電界を発生させ、二次元電子ガス１５をショットキ電極１６ａ直下の領域からショットキ電極１６ｂ直下の領域に移動させている。伝搬層１２を形成するＧａＮに比べて、バリア層１３を形成するＡｌＧａＮは広いバンドギャップを有しているので、ショットキ電極１６ａとバリア層１３との接合面のエネルギー障壁が高くなり、ショットキ電極１６ａから伝搬層１２へ電子の注入が生じることはない（図３のＪ部参照）。よって、伝搬層１２のショットキ電極１６ａ直下の領域は空乏化する（図３のＬ部参照）。オーミック電極１６ｂはオーミック領域１６ｃを介して、二次元電子ガス１５と導通していることから（図３のＭ部参照）、バイアス電圧による電界によって、ショットキ電極１６ａ直下から移動してきた電子は、オーミック領域１６ｃを通過して、オーミック電極１６ｂに到達する。そして、オーミック電極１６ｂは接地されているので、これら移動してきた電子は、トランスバーサルフィルタ１０外に放出される。

また、同様に第二の櫛形電極１７においても、オーミック電極１７ｂが接地され、ショットキ電極１７ａに負のバイアス電圧が印加された状態では、ショットキ電極１７ａとバリア層１３との接合面のエネルギー障壁が高いことから、電子の注入は生じず、伝搬層１２のショットキ電極１７ａ直下の領域は空乏化する。更に、オーミック電極１７ｂはショットキ領域１７ｃを介して、二次元電子ガス１５と導通していることから、バイアス電圧による電界によって、ショットキ電極１７ａ直下から移動してきた電子は、オーミック領域１７ｃおよび、オーミック電極１７ｂを通過して、トランスバーサルフィルタ１０外に放出される。以上より、従来のトランスバーサルフィルタ５０のように、ショットキ電極１６ａ、１７ａ直下から移動した電子が伝搬層１２とバリア層１３のヘテロ界面付近に集中しない構造となっている。

よって、上記のバイアス電圧をショットキ電極１６ａに印加した状態では、ショットキ電極１６ａ直下の領域が空乏化することから、第一の櫛形電極１６に印加される高周波信号によって形成される電界は、伝搬層１２へ浸透する。従って、上述したように、第一の櫛形電極１６に入力される高周波信号の波長が、電極指ピッチＴ（図２参照）に等しいとき、中心周波数ｆ０の弾性表面波を最も効率良く励振させることができ、第二の櫛形電極１７へ伝搬させることができる。一方、中心周波数ｆ０以外の周波数の弾性表面波は励振され難く、フィルタとしての機能を備えている。そして、バイアス電圧をショットキ電極１７ａに印加した状態では、ショットキ電極１７ａ直下の領域が空乏化することから、第二の櫛形電極１７に伝搬してきた弾性表面波を効率良く高周波信号に変換でき、トランスバーサルフィルタ１０外に出力できる。

また、ショットキ電極１６ａ、１７ａ直下から移動した電子が、オーミック領域１６ｃ、１７ｃおよび、オーミック電極１６ｂ、１７ｂを通過して、トランスバーサルフィルタ１０外に放出されることから、ショットキ電極１６ａ、１７ａ直下から移動した電子が、伝搬層１２とバリア層１３のヘテロ界面付近に集中しない。そのため、伝搬層１２内の電界強度の低下を防止することができる。すなわち、著しく高いバイアス電圧を印加することなく、ショットキ電極１６ａ直下の領域を短時間で空乏化することができるので、弾性表面波の強度を高速で変調することができる。

次に、本発明の第２の実施形態について、第１の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０と異なる点を中心に図４を参照して説明する。また、第２に実施形態に係るトランスバーサルフィルタ２０について、第１の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０と同様の構造には同じ番号を付し、説明を省略する。図４は、本発明の第２の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ２０の構造図で、図４（ａ）はトランスバーサルフィルタ２０の平面図、図４（ｂ）はトランスバーサルフィルタ１０を矢視ＢＢから見た断面図である。

図４に示すように、トランスバーサルフィルタ２０は、第１の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０と同様に、（０００１）方向に配向するサファイア基板１１上に、（０００１）方向に配向する不純物を積極的には含まない第一の窒化物半導体材料であるＧａＮからなる伝搬層１２が形成されている。更に、（０００１）方向に配向するｎ型不純物を積極的に含む第二の窒化物半導体材料であるＡｌＧａＮからなるバリア層２３が伝搬層１２上に形成されている。伝搬層１２とバリア層２３は積層構造２４を形成している。トランスバーサルフィルタ２０の伝搬層１２の厚さは２μｍ、バリア層２３の厚さは２０ｎｍである。

積層構造２４の表面、すなわち、バリア層２３の表面は、III族元素面からなり、第１の実施形態と同様に、伝搬層１２とバリア層２３のヘテロ界面付近、すなわち、接合面付近に二次元電子ガス２５が形成される。伝搬層１２を形成するＧａＮの圧電性および、バリア層２３中のｎ型不純物がともに二次元電子ガス２５の形成に寄与するので、第１の実施形態と比べて、二次元電子ガス２５の濃度が高くなる。また、バリア層２３の表面上には、第１の実施形態と同様に、第一の櫛形電極２６および、第二の櫛形電極２７が（１−１００）方向に所定の間隔をおいて対向する位置に配置されている。第一の櫛形電極２６および、第二の櫛形電極２７の構造、動作は、第１の実施形態の第一の櫛形電極１６および、第二の櫛形電極１７と同じであるので、詳細な説明を省略する。

第一の櫛形電極２６および、第二の櫛形電極２７が、第１の実施形態と異なっている点は、後述するオーミック電極２６ｂ、２７ｂのオーミック領域２６ｃ、２７ｃが、より低いオーミック抵抗値を備える点だけである。なお、第一の櫛形電極２６および、第二の櫛形電極２７を形成するショットキ電極２６ａ、２７ａは、第１の実施形態と全く同じである。また、第１の実施形態と同様の理由で、ショットキ電極２６ａ、２７ａに負のバイアス電圧が印加されている。

一方、オーミック電極２６ｂ、２７ｂは、第１の実施形態と同様に、二次元電子ガス２５に導通するオーミック領域２６ｃ、２７ｃを備えている。トランスバーサルフィルタ２０では、第１の実施形態と比較して、高濃度の二次元電子ガス２５が伝搬層１２とバリア層２３のヘテロ界面付近に存在することから、オーミック電極２６ｂ、２７ｂと二次元電子ガス２５を導通するオーミック領域２６ｃ、２７ｃは、第１の実施形態のオーミック領域１６ｃ、１７ｃと比較して低いコンタクト抵抗値を有している。従って、第１実施形態と比較して、より低いバイアス電圧を印加することで、ショットキ電極２６ａ、２７ａ直下の二次元電子ガス２５をオーミック領域２６ｃ、２７ｃを介して、オーミック電極２６ｂ、２７ｂに移動させることができ、そして、これら移動してきた電子をトランスバーサルフィルタ２０外に放出することができる。すなわち、ショットキ電極２６ａ、２７ａ直下から移動した電子が伝搬層１２とバリア層２３のヘテロ界面付近に集中しない構造となっている。これより、第１の実施形態と比較して、低いバイアス電圧で、ショットキ電極２６ａ、２７ａ直下の領域を短時間で空乏化することができる。また、ショットキ電極２６ａ、２７ａ直下から移動した電子が伝搬層１２とバリア層２３のヘテロ界面付近に集中しない構造となっていることから、伝搬層１２内の電界強度の低下を防止することができる。よって、第１の実施形態と比較して、より低いバイアス電圧で、弾性表面波の強度を高速で変調することができる。

次に、本発明の第３の実施形態について、第１の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０と異なる点を中心に図５を参照して説明する。また、第３の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ３０について、第１の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０および、第２の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ２０と同様の構造には同じ番号を付し、説明を省略する。

図５は、本発明の第３の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ３０の構造図で、図５（ａ）はトランスバーサルフィルタ３０の平面図、図５（ｂ）はトランスバーサルフィルタ３０を矢視ＣＣから見た断面図である。

図５に示すように、トランスバーサルフィルタ３０は、第１および、第２の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０、２０と異なり、（１１−２０）方向に配向するサファイア基板３１上に、（１１−２０）方向に配向する不純物を積極的には含まない第一の窒化物半導体材料であるＧａＮからなる伝搬層３２が形成されている。更に、（１１−２０）方向に配向するｎ型不純物を積極的に含む第二の窒化物半導体材料であるＡｌＧａＮからなるバリア層３３が伝搬層３２上に形成されている。ＡｌＧａＮは、ＧａＮと比較して広いバンドギャップを有する窒化物半導体材料である。伝搬層３２とバリア層３３は積層構造３４を形成している。トランスバーサルフィルタ３０の伝搬層３２の厚さは２μｍ、バリア層３３の厚さは２０ｎｍである。

バリア層３３中に含まれたｎ型不純物の作用によって、第２の実施形態と同様に、伝搬層３２とバリア層３３のヘテロ界面付近、すなわち、接合面付近に二次元電子ガス３５が形成される。二次元電子ガス３５は、第１の実施形態と比べて高濃度となる。また、第１および、第２の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０、２０と異なり、バリア層３３の表面上には、第一の櫛形電極３６および、第二の櫛形電極３７が（０００１）方向に所定の間隔をおいて対向する位置に配置されている。第一の櫛形電極３６および、第二の櫛形電極３７の構造、動作は、第１の実施形態の第一の櫛形電極１６および、第二の櫛形電極１７または、第２実施形態の第一の櫛形電極２６および、第二の櫛形電極２７と同じであるので、詳細な説明を省略する。

また、第一の櫛形電極３６および、第二の櫛形電極３７を形成するショットキ電極３６ａ、３７ａは、第１および、第２の実施形態と全く同じである。また、第１および、第２の実施形態と同様の理由で、ショットキ電極３６ａ、３７ａに負のバイアス電圧が印加されている。一方、オーミック電極３６ｂ、３７ｂは、第１および、第２の実施形態と同様に、二次元電子ガス３５に導通するオーミック領域３６ｃ、３７ｃを備えている。オーミック電極３６ｂ、３７ｂおよび、オーミック領域３６ｃ、３７ｃは、第２の実施形態と全く同じである。

第３の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ３０の特徴的部分は、（１１−２０）方向に配向するサファイア基板３１上に、（１１−２０）方向に配向するＧａＮからなる伝搬層３２が形成され、更に、（１１−２０）方向に配向するＡｌＧａＮからなるバリア層３３が形成されていることである。更に、バリア層３３の表面上に、第一の櫛形電極３６および、第二の櫛形電極３７が（０００１）方向に所定の間隔をおいて対向する位置に配置されていることである。これにより、第一の櫛形電極３６に印加された高周波信号による電界が伝搬層３２に浸透し、弾性表面波が励振され、（０００１）方向に伝搬される。伝搬方向を（０００１）方向とすることで、（０００１）面内方向に伝搬する場合と比較して、高周波信号と弾性表面波との間の変換効率（電気機械結合常数）をより高くすることができる。よって、より高い変換効率で弾性表面波を励振させることができ、また、より高い変換効率で弾性表面波を高周波信号に変換することができ、トランスバーサルフィルタ３０の効率を改善することができる。

なお、以上に述べた実施形態は、本発明の実施の一例であり、本発明の範囲はこれらに限定されるものでなく、特許請求の範囲に記載した範囲内で、他の様々な実施形態に適用可能である。例えば、第１、第２および、第３の実施形態では、トランスバーサルフィルタ１０、２０、３０について、本発明に係る構造を適用したが、特にこれに限定されるものでなく、他の弾性表面波デバイス、例えば共振器にも適用可能である。また、本発明の第１、第２および、第３の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０、２０、３０中のいずれか一つと、当該トランスバーサルフィルタと同一の積層構造の表面にオーミック特性を有するソース電極、ドレイン電極および、ショットキ特性を有するゲート電極が形成されて構成された電界効果型トランジスタと、を備えた集積回路を形成することも可能である。

また、第１、第２および、第３の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０、２０、３０では、第一の窒化物半導体材料としてＧａＮを使用して、伝搬層１２、３２を形成しているが、特にこれに限定されるものでなく、窒化物半導体材料であれば、他の材料で伝搬層を形成することもできる。

また、第１の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０では、第二の窒化物半導体材料としてＡｌＧａＮを使用して、ＡｌＧａＮに積極的に不純物を添加しないでバリア層１３を形成しているが、特にこれに限定されるものでなく、窒化物半導体材料であれば、他の材料でバリア層１３を形成することもできる。

また、第２および、第３の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ２０、３０では、第二の窒化物半導体材料としてＡｌＧａＮを使用して、ＡｌＧａＮにｎ型不純物を積極的に添加してバリア層２３、３３を形成しているが、特にこれに限定されるものでなく、窒化物半導体材料であれば、他の材料でバリア層２３、３３を形成することもできる。

また、第１および、第２の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０、２０では、（０００１）方向に配向するサファイア基板１１上に積層構造１４、２４を形成しているが、特にこれに限定されるものでなく、（０００１）の面方位を有する他の基板、例えば、半絶縁性ＳｉＣ基板上に積層構造１４、２４を形成しても良い。

また、第１および、第２の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０、２０では、第一の櫛形電極１６、２６および、第二の櫛形電極１７、２７を（１−１００）方向に所定の間隔をおいて対向する位置に配置されているが、特にこれに限定されるものでなく、他の方向、例えば、（１１−２０）方向に対向する位置に配置することもできる。

また、第１、第２および、第３の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０、２０、３０では、一組の櫛形電極をバリア層１３、２３、３３の表面上に形成しているが、特にこれに限定されるものでなく、数組の櫛形電極をバリア層の表面上に形成しても良い。

本発明は、基板上に櫛形電極を備える弾性表面波デバイスであれば、例えば、フィルタ、発信器、共振子および遅延線等にも適用可能である。

本発明の第１の実施形態に係る弾性表面波デバイスの一種であるトランスバーサルフィルタの構造図である。 図１に示すトランスバーサルフィルタの第一の櫛形電極の拡大図である。 図１に示すトランスバーサルフィルタのバンドダイアグラムである。 本発明の第２の実施形態に係るトランスバーサルフィルタの構造図である。 本発明の第３の実施形態に係るトランスバーサルフィルタの構造図である。 従来のトランスバーサルフィルタの構造図である。 図６に示すトランスバーサルフィルタのバンドダイアグラムである。

符号の説明

１０、２０、３０ トランスバーサルフィルタ、１１ サファイア基板、
１２ 伝搬層、１３ バリア層、１４ 積層構造、１５ 二次元電子ガス、
１６ 第一の櫛形電極、１６ａ ショットキ電極、１６ｂ オーミック電極、
１６ｃ オーミック領域、１７ 第二の櫛形電極、１７ａ ショットキ電極、
１７ｂ オーミック電極、１７ｃ オーミック領域、１８ 平行電極指、
２３ バリア層、２４ 積層構造、２５ 二次元電子ガス、
２６ 第一の櫛形電極、２６ａ ショットキ電極、２６ｂ オーミック電極、
２６ｃ オーミック領域、２７ 第二の櫛形電極、２７ａ ショットキ電極、
２７ｂ オーミック電極、２７ｃ オーミック領域、３１ サファイア基板、３２ 伝搬層、３３ バリア層、３４ 積層構造、３５ 二次元電子ガス、３６ 第一の櫛形電極、３６ａ ショットキ電極、３６ｂ オーミック電極、３６ｃ オーミック領域、３７ 第二の櫛形電極、３７ａ ショットキ電極、３７ｂ オーミック電極、３７ｃ オーミック領域、
５０ 従来のトランスバーサルフィルタ、５１ サファイア基板、
５２ 伝搬層、５３ バリア層、５４ 積層構造、５５ 二次元電子ガス、
５６ 第一の櫛形電極、５６ａ、５６ｂ ショットキ電極、
５７ 第二の櫛形電極、５７ａ、５７ｂ ショットキ電極

Claims (5)

1. 基板と、第一の窒化物半導体材料からなる伝搬層と、前記第一の窒化物半導体材料と比較して広いバンドギャッブを持つ第二の窒化物半導体材料からなるバリア層と、前記バリア層の表面に形成された一組ないし数組の櫛形電極と、を備える弾性表面波デバイスにおいて、
   前記櫛形電極は、ショットキ特性を有する電極と、オーミック特性を有する電極とから構成され、
   前記オーミック特性を有する電極は、前記伝搬層と前記バリア層との接合面に存在する二次元電子ガスと導通していることを特徴とする弾性表面波デバイス。
2. 請求項１に記載の弾性表面波デバイスにおいて、
   前記バリア層は、前記第二の窒化物半導体材料にｎ型不純物を積極的に添加されて形成されたことを特徴とする弾性表面波デバイス。
3. 請求項１または２に記載の弾性表面波デバイスにおいて、
   前記基板は、（０００１）方向に配向するサファイア基板であり、
   前記伝搬層は、（０００１）方向に配向する前記第一の窒化物半導体材料から形成され、
   前記バリア層は、（０００１）方向に配向する前記第二の窒化物半導体材料から形成され、
   前記バリア層の前記表面は、III族元素面であることを特徴とする弾性表面波デバイス。
4. 請求項１に記載の弾性表面波デバイスにおいて、
   前記基板は、（１１−２０）方向に配向するサファイア基板であり、
   前記伝搬層は、（１１−２０）方向に配向する前記第一の窒化物半導体材料から形成され、
   前記バリア層は、（１１−２０）方向に配向する前記第二の窒化物半導体材料にｎ型不純物を積極的に添加させて形成され、
   前記櫛形電極は、該櫛形電極の電極指の配列方向を（０００１）方向と整合させて形成されることを特徴とする弾性表面波デバイス。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の弾性表面波デバイスと、それらと同一積層構造にオーミック特性を有するソース電極、ドレイン電極および、ショットキ特性を有するゲート電極を形成することにより構成される電界効果型トランジスタを備えることを特徴とする集積回路。
   
   

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