JP2007104238A

JP2007104238A - 弾性表面波デバイス

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Publication number: JP2007104238A
Application number: JP2005290762A
Authority: JP
Inventors: Naoteru Shigekawa; 直輝重川; Kazumi Nishimura; 一巳西村; Haruki Yokoyama; 春喜横山; Koji Takaragawa; 幸司宝川
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2005-10-04
Filing date: 2005-10-04
Publication date: 2007-04-19

Abstract

【課題】
優れた伝搬特性と周波数特性の広帯域化を両立させ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、サファイア基板１１上にＧａＮ薄膜で形成された伝搬層１２と、伝搬層１２の表面上に形成された入力側櫛型電極１３、出力側櫛型電極１４を有す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において、入力側櫛型電極１３、出力側櫛型電極１４により励振される弾性表面波が伝搬層１２面内で最も遅い速度で伝搬する方向である｛１１−２０｝方向と、入力側櫛型電極１３、出力側櫛型電極１４の電極指の配列方向を整合させ、かつ電極指の線幅および配列間隔を配列方向と直交する方向に変化させて、入力側櫛型電極１３、出力側櫛型電極１４を形成する。
【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型電極を形成した弾性表面波デバイス（ＳＡＷデバイス）に関する。

従来、窒化物半導体材料からなる伝搬層に櫛型電極を形成した弾性表面波デバイスを利用した装置として、トランスバーサルフィルタがある。図５は従来のトランスバーサルフィルタ２０の構造図、図５（ａ）はトランスバーサルフィルタ２０の平面図、図５（ｂ）はトランスバーサルフィルタ２０を矢視ＢＢから見た断面図である。

図５に示すように、（０００１）方向に配向するサファイア基板２１上に、（０００１）方向に配向するＧａＮからなる伝搬層２２が形成されている。伝搬層２２の表面上に、入力側櫛型電極２３および、出力側櫛型電極２４が形成されている。入力側櫛型電極２３に交流電圧を印加することで、弾性表面波を励振させ、出力側櫛型電極２４に伝搬させている。なお、サファイア基板２１の｛１−１００｝方向に弾性表面波が伝搬するように、入力側櫛型電極２３は形成されている。そして、トランスバーサルフィルタ２０は、図６に示すよう周波数特性（伝搬特性の周波数依存性）を有している。

図６は、図５に示すトランスバーサルフィルタ２０における弾性表面波の周波数特性を表す図である。図より、中心周波数ｆ０は５８５．４ＭＨｚ、周波数特性の広がりΔｆは５．３ＭＨｚである。ここで、周波数特性の広がりΔｆは、最大振幅から３ｄｂ低下したときの帯域幅を示す値である。そして、中心周波数ｆ０から離れる程、伝搬効率が低下している。この特性により、所定の周波数以外の周波数を著しく減衰させるフィルタとして機能している。
Suk-Hun Lee, Hwan-Hee Jeong, Sung-Bum Bae,Hyun-Chul Choi, Jung-Hee Lee, and Yong-Hyun Lee, "EpitaxiallyGrown GaN Thin-Film SAW Filter with High Velocity and Low Insertion Loss" IEEETRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES VOL.48, No.3, pp.524-529,(2001).

しかし、上述した従来のトランスバーサルフィルタ２０では、周波数特性の広がりΔｆが５．３ＭＨｚしかなく、周波数特性の広がりΔｆが狭いといった問題があった。更に、励振される弾性表面波の強度を増加させる場合、入力側櫛型電極２３、出力側櫛型電極２４の対数Ｎを増加させている。しかし、対数Ｎを増加させると、周波数特性の広がりΔｆが減少する。すなわち、従来のトランスバーサルフィルタ２０の構造では、優れた伝搬特性と、周波数特性の広がりΔｆを広げる広帯域化とは、相反する関係上、両立が困難であるといった問題があった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、優れた伝搬特性と周波数特性の広帯域化を両立させ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、前記基板上に窒化物半導体材料で形成された伝搬層と、前記伝搬層の表面上に形成された櫛型電極とを有する弾性表面波デバイスにおいて、前記櫛型電極により励振される弾性表面波が前記伝搬層面内で最も遅い速度で伝搬する方向と、前記櫛型電極の電極指の配列方向を整合させ、かつ前記電極指の線幅および配列間隔を前記配列方向と直交する方向に変化させて、前記櫛型電極を形成す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）方向に配向する窒化物半導体材料から形成され、前記配列方向は、前記サファイア基板の｛１１−２０｝方向あるいはそれと等価である方向であることを特徴としている。

本発明により、優れた伝搬特性と周波数特性の広帯域化を両立させうる弾性表面波デバイスを提供することができる。

本発明の実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。なお、以下に説明する実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本発明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、図１（ａ）は、トランスバーサルフィルタ１０の平面図、図５（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。また、図２は、図１に示すトランスバーサルフィルタ１０の入力側櫛型電極１３の拡大図である。

本実施形態のトランスバーサルフィルタ１０は、（０００１）に配向するサファイア基板１１と、不純物を積極的には含まない窒化物半導体材料からなる伝搬層１２と、伝搬層１２の表面上に形成された入力側櫛型電極１３および、出力側櫛型電極１４から構成されている。伝搬層１２は、（０００１）方向に配向するＧａＮ薄膜をＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させて形成されている。本実施形態の伝搬層１２の厚さは２μｍである。

また、入力側櫛型電極１３および、出力側櫛型電極１４は、アルミニウム膜を形成し、その後、エッチングにより所定の形状に形成されている。入力側櫛型電極１３および、出力側櫛型電極１４の厚さは１００ｎｍである。そして、入力側櫛型電極１３および、出力側櫛型電極１４が、所定の間隔をおいて対向する位置に配置されている。入力側櫛型電極１３に交流電圧を印加することで、入力側櫛型電極１３から弾性表面波を励振させている。上記の弾性表面波は、伝搬層１２を伝搬して出力側櫛型電極１４に到達し、出力側櫛型電極１４において、電気信号に変換されて、デバイス外部に出力されている。

ここで、伝搬層１２は、弾性表面波の伝搬速度ｖ０について方向依存性を有している。弾性表面波を伝搬層１２のどの方位に伝搬させるかによって、伝搬特性が変化する。本実施形態では、弾性表面波が伝搬層１２面内で最も遅い速度で伝搬する方向に、弾性表面波が伝搬するように、入力側櫛型電極１３および、出力側櫛型電極１４を配置している。すなわち、伝搬層１２面内で最も遅い速度で伝
搬する方向は、サファイア基板１１の｛１１−２０｝方向（以下、ｘ方向とする。）に等しいので、図１に示したように、ｘ方向に弾性表面波を伝搬させるため、入力側櫛型電極１３、出力側櫛型電極１４をｘ方向に対向させて配置している。なお、従来のトランスバーサルフィルタ２０で励振させた弾性表面波は、サファイア基板１１の｛１−１００｝方向（以下、ｙ方向とする。）に伝搬させていたが、ｙ方向は、伝搬層２２面内で最も早い速度で伝搬する方向である。本発明は、弾性表面波の伝搬方向を、伝搬層１２面内で最も遅い速度で伝搬する方向であるサファイア基板１１の｛１１−２０｝方向としたことに特徴がある。

また、図２に示すように、電極長Ｌの入力側櫛型電極１３および、出力側櫛型電極１４は、所定の線幅ｈ（後述するｈ１、ｈ２を含む概念）を有する複数の電極指１５が、所定の配列間隔ｓ（後述するｓ１、ｓ２を含む概念）を隔てて形成されている。本実施形態では、電極指１５の線幅ｈおよび、配列間隔ｓを、電極指１５の配列方向、すなわち、弾性表面波の伝搬方向であるｘ方向では一定であるが、電極指１５の配列方向と直交する方向であるｙ方向に沿って変化する構造としている。上記の構造を有する入力側櫛型電極１３および、出力側櫛型電極１４は、平行電極指からなる多数の櫛型電極が電気的に並列に接続した電極として、取り扱うことができる。

ここで、平行電極指は、図５に示した従来のトランスバーサルフィルタ２０に配置された入力側櫛型電極２３のように、各平行電極指のピッチ（線幅ｈ＋配列間隔ｓ）が等しく、弾性表面波の伝搬方向と直交する方向に平行に配列された電極指である。平行電極指からなる入力側櫛型電極２３で構成されるトランスバーサルフィルタ２０の中心周波数ｆ０は、弾性表面波の伝搬速度ｖ０、平行電極指の線幅ｈおよび、配列間隔ｓから、ｆ０＝ｖ０／｛２（ｈ＋ｓ）｝により決定される。なお、入力側櫛型電極２３に入力した交流電圧の周波数が中心周波数ｆ０の場合に、最も効率的に弾性表面波が励振される。また、中心周波数ｆ０と異なる周波数は、効率的に弾性表面波に変換されないので、所定の周波数以外の周波数を著しく減衰させるフィルタとして機能している。

そこで、入力側櫛型電極１３および、出力側櫛型電極１４のｙ方向の一端における線幅をｈ１、配列間隔をｓ１とすると、電極指１５のピッチ（線幅ｈ１＋配列間隔ｓ１）は最も短くなり、その場所での中心周波数ｆ０１は、ｆ０１＝ｖ０１／｛２（ｈ１＋ｓ１）｝となる。また、他端における線幅をｈ２、配列間隔をｓ２とすると、電極指１５のピッチ（線幅ｈ２＋配列間隔ｓ２）は最も長くなり、その場所での中心周波数ｆ０２は、ｆ０２＝ｖ０２／｛２（ｈ２＋ｓ２）｝となる。なお、本実施形態における入力側櫛型電極１３および、出力側櫛型電極１４において、所定の間隔は５ｍｍ、線幅ｈ１は１．８μｍ、配列間隔ｓ１は１．８μｍ、線幅ｈ２は２μｍ、配列間隔ｓ２は２μｍ、電極長Ｌは４００μｍ、電極指１５の対数は５０本である。よって、線幅ｈ１、配列間隔ｓ１の位置を基準（ｙ＝０μｍ）とすると、他端である線幅ｈ２、配列間隔ｓ２の位置は、ｙ＝４００μｍと表せる。また、間隔の変化率ｔは、ｔ＝｛（２−１．８）／２｝×１００＝１０％である。

図３は、図１に示すトランスバーサルフィルタ１０の弾性表面波の伝搬速度ｖ０と波長λ０の関係を示す図である。波長λ０は、電極指１５の線幅ｈ、配列間隔ｓから、λ０＝２（ｈ＋ｓ）で与えられる。図３に示すように、弾性表面波の伝搬速度ｖ０は、波長λ０に依存して変化している。入力側櫛型電極１３の基準位置ｙ＝０μｍにおける弾性表面波の波長λ０１は、λ０１＝７．２μｍと算出される。また、他端ｙ＝４００μｍにおける弾性表面波の波長λ０２は、λ０２＝８μｍと算出される。図より、λ０１＝７．２μｍにおける弾性表面波の伝搬速度ｖ０１は４５９８ｍ／ｓであり、λ０２＝８μｍにおける伝搬速度ｖ０２は４６６３ｍ／ｓである。これから、中心周波数ｆ０１、ｆ０２を求めると、ｆ０１＝４５９８／７．２＝６３９ＭＨｚ、ｆ０２＝４６６３／８＝５８３ＭＨｚとなる。従って、本実施形態の入力側櫛型電極１３および、出力側櫛型電極１４は、各中心周波数の弾性表面波を励振する平行電極指からなる多数の櫛型電極が電気的に並列に接続した電極として、周波数５８３ＭＨｚ〜６３９ＭＨｚの弾性表面波を励振することができる。また、周波数５８３ＭＨｚ〜６３９ＭＨｚ以外の周波数を減衰させることができる。よって、上記の構造を有する入力側櫛型電極１３、出力側櫛型電極１４により、電極指１５の最大ピッチ（線幅ｈ２＋配列間隔ｓ２）から決定される最低周波数ｆ０２から、最小ピッチ（線幅ｈ１＋配列間隔ｓ１）が決定する最高周波数ｆ０１までを通過帯域とするバンドパスフィルタが実現できる。

しかし、入力側櫛型電極１３はｙ方向に沿って、電極指１５の線幅ｈ、配列間隔ｓを変化しているので、上記周波数範囲中の特定の周波数の交流電圧に対して、入力側櫛型電極１３の限られた領域でのみ弾性表面波が励振される。このため、回折効果が顕著となり、弾性表面波は有限の広がりを伴って伝搬し得る。その結果、対向する出力側櫛型電極１４に到達する弾性表面波のエネルギーが低下し、伝搬特性の低下が生ずる可能性がある。周波数特性の広帯域化を実現するために、変化率ｔを増加させると回折効果はより著しくなる。

そこで、本実施形態では、上述したように、弾性表面波が伝搬層１２面内で最も遅い速度で伝搬する方向に、弾性表面波が伝搬するように、入力側櫛型電極１３および、出力側櫛型電極１４を配置している。伝搬層１２面内で最も遅い速度で伝搬する方向は、図１に示したｘ方向である。

図４は、図１に示すトランスバーサルフィルタ１０の弾性表面波の伝搬速度ｖ０の方向依存性を示す図である。本実施形態のトランスバーサルフィルタ１０の伝搬層１２の厚さが２μｍ、波長λ０＝８μｍの弾性表面波が伝搬する場合の伝搬速度ｖ０の方向依存性を示している。図４より、弾性表面波がｘ方向（面内方位０度に相当）に伝搬する場合、弾性表面波の伝搬速度ｖ０は最小となる。一方、弾性表面波がｙ方向（面内方位３０度に相当）に伝搬する場合、伝搬速度ｖ０は最大となる。従って、弾性表面波がｘ方向以外に伝搬するためには、より高い伝搬速度ｖ０を伴うことが必要となることから、弾性表面波のｘ方向以外への伝搬は著しく抑制される。また、回折効果の影響を著しく低減することができ、電極指１５の対数Ｎを増加させることなく、優れた伝搬特性を実現できる。よって、本実施形態により、回折効果の影響を著しく低減できることから、優れた伝搬特性を有し、また、周波数特性の広帯域化が可能な弾性表面波デバイスを提供することができる。

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、本実施形態では、トランスバーサルフィルタ１０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にも適用可能である。

また、本実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０では、弾性表面波が、
サファイア基板１１の｛１１−２０｝方向に伝搬するように、入力側櫛型電極１３、出力側櫛型電極１４を配置しているが、特にこれに限定されるものでなく、弾性表面波が伝搬層１２面内で最も遅い速度で伝搬する方向であれば、サファイア基板１１の他の方向に合わせて、入力側櫛型電極１３、出力側櫛型電極１４を配置しても良い。

また、本実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０では、サファイア基板１１にＧａＮ薄膜を形成しているが、特にこれに限定されるものでなく、不純物を積極的には含まない窒化物半導体材料であれば、他の材料の薄膜でも良い。すなわち、サファイア基板１１に不純物を積極的に含まないＧａＮ薄膜および、不純物を積極的に含まないかもしくはｎ型不純物を積極的に含むＡ１ＧａＮ薄膜を形成することもできる。この場合、ＧａＮ薄膜および、Ａ１ＧａＮ薄膜において、表面のＡ１ＧａＮ薄膜をドライエッチング等の手法によって除去した後に露出されるＧａＮ薄膜の表面に上記実施形態と同様の方位・形状を伴う櫛型電極を形成する。

また、本実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０では、入力側櫛型電極１３、出力側櫛型電極１４をアルミニウムで形成しているが、特にこれに限定されるものでなく、他の材料で形成しても良い。

本発明は、サファイア基板上に櫛型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入力側櫛型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弾性表面波の伝搬速度と波長の関係を示す図である。図１に示すトランスバーサルフィルタの弾性表面波の伝搬速度の方向依存性を示す図である。従来のトランスバーサルフィルタの構造図である。図５に示すトランスバーサルフィルタにおける弾性表面波の周波数特性を表す図である。

符号の説明

１０本発明に係る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入力側櫛型電極、１４出力側櫛型電極、
１５電極指、
２０従来のトランスバーサルフィルタ、
２１サファイア基板、２２伝搬層、
２３入力側櫛型電極、２４出力側櫛型電極

Claims

基板と、前記基板上に窒化物半導体材料で形成された伝搬層と、前記伝搬層の表面上に形成された櫛型電極とを有する弾性表面波デバイスにおいて、
前記櫛型電極により励振される弾性表面波が前記伝搬層面内で最も遅い速度で伝搬する方向と、前記櫛型電極の電極指の配列方向を整合させ、かつ前記電極指の線幅および配列間隔を前記配列方向と直交する方向に変化させて、前記櫛型電極を形成することを特徴とする弾性表面波デバイス。
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、（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）方向に配向する窒化物半導体材料から形成され、
前記配列方向は、前記サファイア基板の｛１１−２０｝方向あるいはそれと等価である方向であることを特徴とする弾性表面波デバイス。