JP2012204870A - 音響半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】実施形態によれば、素子部と、第1端子と、を備えた音響半導体装置が提供される。前記素子部は、半導体結晶を含み音響定在波が励起可能な音響共振部を含む。前記第1端子は、前記素子部と電気的に接続される。前記第1端子を介して、前記音響定在波と同期する電気的信号を前記音響共振部から出力する、及び、前記音響定在波と同期する電気的信号を前記音響共振部に入力する、の少なくもいずれかを実施可能である。
【選択図】図1
Description
大きなインダクタンスをもつ新規なインダクタ素子が求められている。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図1(a)及び図1(b)は、第1の実施形態に係る音響半導体装置の構成を例示する模式図である。
図1(a)は模式的平面図である。図1(b)は、図1(a)のA1−A2線断面に相当する模式的断面図である。
図1(a)及び図1(b)に表したように、本実施形態に係る音響半導体装置111は、素子部150と、第1端子160と、を備える。
図2は、実験に用いた半導体装置の構成を示す模式図である。
図2は、本実験に用いた素子201のレイアウトパターンを示している。
図3は、実験に用いた半導体装置の構成を示す等価回路図である。
図2及び図3に表したように、本実験に用いた素子201は、二重ウェル構造202の内部に設けられたゲート203、ドレイン204及びソース205を有する。この構造は、例えば、NMOSトランジスタの構造に類似している。p形ウェルから取り出したGSG端子206(Gnd端子206a、Gnd端子206c及びPウェル端子206b)を、高周波信号を同軸ケーブルと同軸プローブとを用いて測定するためのプローブ端子とした。また、ゲート203、ドレイン204及びソース205に対しては、直流バイアス電圧を印加できる端子(ゲート端子203e、ドレイン端子204e及びソース端子205e))をそれぞれ配置した。この素子201は、CMOSプロセスにより作製された。
同図の横軸は周波数fである。左側の縦軸は、得られたインピーダンス(Z=R+jX)の実数部Rであり、右側の縦軸は、虚数部Xである。
図4に表したように、上記の素子201において、ゲート203及びドレイン204に電圧を印加していない状態で、共振現象が観測されることが分かった。すなわち、実数部Rにおいて、周波数f=100MHz〜200MHz付近に共振ピークが観測された。
同図は、図4に示した測定結果に基づいて、実数部Rと虚数部との関係を表した図である。横軸は、実数部Rであり、縦軸は虚数部(jX)である。
図5から分かるように、インピーダンスの特性が円を描いている。このことは、素子201が共振特性を有することを示している。さらに、特定の周波数範囲において、虚数成分(虚数部X)が正である。このことから、この特性がインダクタンス成分に対応することがわかった。
図7(a)は、インピーダンス特性(Z=R+jXの特性)を表ししている。図7(b)は、アドミッタンス特性(Y=G+jBの特性)を表している。これらの図は、上記の等価回路中の要素の特性値を、実験値の共振特性と合うように、合わせこみを実施した結果を例示している。これらの図において、実線は測定値であり、破線は、上記の等価回路を用いたシミュレーション値である。
実施形態に係る音響半導体装置においては、半導体結晶中に音響波が伝播する領域が設けられ、さらにその音響波の伝播に沿って同じ方向に電荷が移動するための構成が設けられている。
これにより、実施形態においては、大きなインダクタンスが得られる。
ここで、ankは、体積変形ポテンシャルに関する比例定数である。
このように、半導体結晶中に音響的な定在波が励起されていると仮定すれば、インピーダンスが共振特性を示す理由を説明することができる。
図9は、電荷の疎密と結晶変形の関係のモデルを示す模式図である。
図9の右図は、電子密度が疎の領域の状態を例示し、図9の左図は、電子密度が密な領域の状態を例示している。例えば、n形半導体において、全ての不純物原子から電子が励起され、しかも、何らかの理由により空間的に電子密度の疎密が生じた状態を想定する。
図10は、上記の実験に用いられた素子201の構成にも対応する。
図10に表したように、上記の実験で共振現象が観測された素子201では、二重ウェル構造を有する。素子領域においてPウェル層11eが設けられ、Pウェル層11eの下方にディープNウェル層11cが配置されている。さらに、ゲート電極16の下部においては、両側をソース領域とドレイン領域に挟まれた、細長いPウェル領域11fが形成されている。
図11(a)は、Pウェル層11eからみたインピーダンスのCR等価回路モデルを示している。図11(b)は、簡略化した等価回路を示す。
この遮断周波数fCRは、音響共振により生じていると考えている直列共振周波数(約80MHz)及び並列共振周波数(約120MHz)とほぼ同程度か、やや小さい。
図12は、実験に用いた半導体装置の構成を示す模式的平面図である。
図12に表したように、素子201の素子領域のサイズ(W×LSDG)は、40μm×199μmである。なお、図10は、図12のA1−A2線断面図に相当する。
同図は、Pウェル端子からみたアドミッタンスを極座標で表示している。この図で、実線は実測値を示し、破線は、合わせ込みのための等価回路によるシミュレーション値を示す。このアドミッタンス円において、図中の上半分は容量性のアドミッタンスに対応し、下半分は誘導性のアドミッタンスに対応する。
この値は、圧電材料として広く使用されているPZT系セラミックスに匹敵するほど大きな値である。
第6式において、Wを2倍するのは、一周期に相当する時間において、音の波は、素子のサイズ(距離)を往復するからである。このように、この実験においては、音速VLは約6.53×105(cm/s)であった。
表1においては、伝搬方向PDのそれぞれに対するモード(MODE)において、音速を表す式と、その値と、が示されている。
表2に、上記の2つの素子の特性をまとめて示す。
表2に示すように、素子領域のサイズが異なる上記の2つの素子201及び素子201aにおいて、音速VLがほぼ一致する。すなわち、素子サイズの幅Wと直列共振周波数fsrとは、反比例の関係にあり、その比例係数が音速VLに相当する。
図14は、アドミッタンスYの実数部G=Re(Y)を表し、図15は、アドミッタンスYの虚数部B=im(Y)を表す。これらの図の横軸は、周波数fである。
これらの図においては、Pウェル端子へ印加するバイアス電圧Vbiasを0ボルト(V)〜−0.8Vの範囲で変化させたときの実数部G及び虚数部Bの実測値が示されている。
同図は、音速VLとバイアス電圧Vbiasとの関係に関する実測値を示している。さらに、同図には、Si[100]方向に伝播する縦波の音速の値(8.43×105m/s)と、横波の音速の値(5.84×105m/s)と、が破線で示されている。
同図は、200MHz以下の周波数領域について、共振特性を等価回路で合わせ込んだときの、等価回路のパラメータ値(キャパシタC0、C1、Ctotal、及び、インダクタL1)を示す。横軸は周波数fである。
図18(a)及び図18(b)は、第2の実施形態の音響半導体装置の構成を例示する模式図である。
図18(a)は平面図である。図18(b)は、図18(a)のA1−A2線断面図である。
複数のソース・ドレイン領域15のそれぞれに電圧を印加するソース端子18及びドレイン端子17が設けられている。ソース端子18とドレイン端子17とは、交互に配置される。
そして、出力端子19から、発振する基板電流を信号として出力する。
これらの図は、実施形態に係る音響半導体装置112における異なるタイミングの状態を、モデル的に例示している。これらの図は、音響半導体装置112の断面図と、音響的な定在波と、を例示している。
同図は、音響半導体装置112のインピーダンス測定の結果の一例を示している。すなわち、同図は、ネットワークアナライザを用い、音響半導体装置112のドレイン端子17側から見たときのインピーダンス(Z22)の周波数依存性の測定結果を示している。横軸は周波数fを示す。左側の縦軸は、インピーダンスの実数部Re(Z22)を示し、右側の縦軸は、インピーダンスの位相Phase(Z22)を示す。同図において、丸印及び四角印は実測値を示す。破線は、これらの実測値を繋いだものである。また、図21には、等価回路を使ったシミュレーション値が実線で示されている。
同図は、音響半導体装置に関する上記の3種類の共振特性の測定結果を示している。横軸は波数Nw(整数)であり、縦軸は、観測された発振ピークの周波数fpである。すなわち、この図は、観測された発振ピークの周波数fpに対して、適当な波数Nw(整数)を割り当ててプロットしたものである。
すなわち、同図は、音響定在波の励起の条件の例をモデル的に示している。
半導体基板中を伝播する音速VLの値は、材料に特有な物性値である。既に表1に示したように、例えば、シリコン半導体単結晶基板中を(100)方向に伝播する縦波の場合には、VL=8.43×105cm/sである。
ここで、第9式において、発振の次数をNとし、N次の発振周波数をfNとした。
すなわち、同図は、音響半導体装置112における直流印加電圧と、自発的に発生する音響定在波のモードと、の関係の例を示している。同図の横軸は、ドレイン電圧Vdsであり、縦軸はゲート電圧Vgsである。
そして、ゲート電圧Vgsが十分に高い線形領域RON−Lにおいては、チャネル全域がオン状態となり、ドレイン電流が流れるが、チャネルを流れる電子に高い電界が加わらないためインパクトイオン化が生じず、音響的定在波は励起されない。
この第2端子に入力される信号は、例えば、直流バイアス電圧である。
図25に表したように、音響半導体装置112aは、既に説明した音響半導体装置112に加え、増幅器25(増幅回路部)を、さらに備える。増幅器25は、出力端子19に接続される。
図26(a)及び図26(b)は、第3の実施形態に係る音響半導体装置の構成を例示する模式図である。
図26(a)は、平面図である。図26(b)は、図26(a)のB1−B2線断面図である。
図26(a)及び図26(b)に表したように、本実施形態に係る音響半導体装置113においては、ゲート間電極26がさらに設けられている。ゲート間電極26は、複数のゲート電極16どうしの間に設けられる。すなわち、ゲート間電極26は、チャネル領域の上において、複数のゲート電極16どうしの間に設けられる。ゲート間電極26は、ゲート電極16の延在軸に沿って延在する。ゲート間電極26は、例えば、ダミーゲート電極である。これ以外の構成は、音響半導体装置112と同様である。第2の実施形態と重複する内容については、記載を省略する。
図27(a)及び図27(b)は、第4の実施形態に係る音響半導体装置の構成を例示する模式図である。
図27(a)は、平面図である。図27(b)は、図27(a)のC1−C2線断面図である。
図27(a)及び図27(b)に表したように、本実施形態に係る音響半導体装置114においては、ゲート電極16どうしの間に設けられるゲート間電極26の数が、一定ではなく、変化している。さらに、素子領域12の形状が、音響半導体装置113の場合とは異なる。これ以外は、音響半導体装置113と同じである。第3の実施形態と重複する内容については、記載を省略する。
図28は、第5の実施形態に係る音響半導体装置の構成を例示する模式図である。
図28に表したように、本実施形態に係る音響半導体装置115は、電界効果トランジスタ100に加え、温度補償回路84をさらに備える。温度補償回路84には、例えば、オープンループ型温度補償回路が用いられる。温度補償回路84は、環境温度に応じた電気信号を第2端子160に出力する。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
Claims (10)
- 半導体結晶を含み音響定在波が励起可能な音響共振部を含む素子部と、
前記素子部と電気的に接続された第1端子と、
を備え、
前記第1端子を介して、前記音響定在波と同期する電気的信号を前記音響共振部から出力する、及び、前記音響定在波と同期する電気的信号を前記音響共振部に入力する、の少なくもいずれかを実施可能なことを特徴とする音響半導体装置。 - 前記音響共振部は、第1不純物拡散部と、第2不純物拡散部と、前記第1不純物拡散部と前記第2不純物拡散部との間に設けられた中間部と、を有する半導体結晶を含む半導体結晶共振層を含み、
前記素子部は、前記中間部の上に設けられた電極を含み、
前記第1端子は、前記第1不純物拡散部、前記第2不純物拡散部、前記中間部及び前記電極の少なくともいずれかに電気的に接続されていることを特徴とする請求項1記載の音響半導体装置。 - 基体と、
前記基体の上に設けられた素子分離部と、
をさらに備え、
前記半導体結晶共振部は、前記基体の上に設けられ、前記半導体結晶共振層の側面は、前記素子分離部に接し、
前記素子分離部の音響インピーダンスは、前記半導体結晶共振層の音響インピーダンスとは異なることを特徴とする請求項2記載の音響半導体装置。 - 前記素子分離部は、絶縁層及び空洞層の少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項3記載の音響半導体装置。
- 前記第1不純物拡散部、前記第2不純物拡散部、前記中間部及び前記電極のいずれかと電気的に接続された第2端子をさらに備え、
前記第2端子に入力される信号に応じて、前記音響共振部中を伝播する電子及びホールの少なくともいずれかの伝導キャリアの密度及びドリフト速度の少なくともいずれかが変化し、前記音響共振部中を伝播する音響波の速度が変化することを特徴とする請求項2〜4のいずれか1つに記載の音響半導体装置。 - 第2端子をさらに備え、
前記第2端子は、
前記半導体結晶共振層の側面に設けられた絶縁層を介して前記半導体結晶共振層前記と電気的に接続される、または、
前記半導体結晶共振層の側面に設けられ、前記半導体結晶共振層の導電形とは異なる導電形を有する半導体結晶を含む層に電気的に接続され、
前記第2端子に入力される信号に応じて、前記音響共振部中を伝播する電子及びホールの少なくともいずれかの伝導キャリアの密度及びドリフト速度の少なくともいずれかが変化し、前記音響共振部中を伝播する音響波の速度が変化することを特徴とする請求項2〜5のいずれか1つに記載の音響半導体装置。 - 前記第2端子に入力される信号は、直流バイアス電圧であることを特徴とする請求項5または6に記載の音響半導体装置。
- 環境温度に応じた電気信号を前記第2端子に出力する温度補償回路をさらに備えたことを特徴とする請求項5〜6のいずれか1つに記載の音響半導体装置。
- 前記基体の上に設けられ、前記第1端子と接続された増幅回路部をさらに備え、
前記第1端子を介して、前記音響定在波と同期する電気的信号が前記音響共振部から出力され、
前記増幅回路部は、前記第1端子から出力される前記電気的信号を増幅することを特徴とする請求項3〜8のいずれか1つに記載の音響半導体装置。 - 前記電極は複数設けられ、
前記複数の電極の延在方向は互いに平行であることを特徴とする請求項2〜9のいずれか1つに記載の音響半導体装置。
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