JP3936394B2 - 弾性表面波機能素子及びそれを用いた電子回路 - Google Patents
弾性表面波機能素子及びそれを用いた電子回路 Download PDFInfo
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Description
技術分野
本発明は、圧電体基板を伝搬する弾性表面波と半導体中のキャリアとの相互作用を行わせた弾性表面波増幅器および弾性表面波コンボルバ等の弾性表面波機能素子およびこの機能素子を用いた移動体通信機器の送受信回路等の電子回路に関するものである。
背景技術
近年、携帯電話等の移動体通信機器の小型化、低電圧化、低消費電力化に伴い、携帯機器内部に搭載される素子のモノリシック化が活発に検討されてきた。ところが、高周波部分の素子のうち、バンドパスフィルタや送受信分波器はそのサイズが大きいために他の素子とのモノリシック化の効果はほとんどない。また、パワーアンプは、モノリシック化することがきわめて難しい。それ故、送受信分波器やパワーアンプ、そしてバンドパスフィルタおよびそれより前に配置されている低雑音増幅器などはそれぞれ別々のディスクリート素子として開発され、モジュール化されてきた。これらのディスクリート素子をモジュール化する際には、複数部品を接続する配線やインピーダンスマッチングを取るための回路が形成されており、ユニットとしても非常に大きなサイズになっていた。
一方、弾性表面波を増幅させる研究はこれまでに様々な試みがなされてきた。弾性表面波を増幅するためには、圧電性のある基板表面に弾性表面波を伝搬させ、この波によって生じる電界と半導体中のキャリアを結合させればよいことが知られている。実際の弾性表面波増幅器は、弾性表面波を伝える圧電材料と半導体の組み合わせによって直接型増幅器（図３）、分離型増幅器（図４）、モノリシック型増幅器（図５）の３つに分類される。図３に示すように、第１の直接型増幅器は、ＣｄＳやＧａＡｓのような圧電性と半導体性を同時にもつ基板７の上に入出力電極４、５を設け、基板７の両側に直流電界印加用電極６を設けた構成を用いて弾性表面波を増幅させる構造の増幅器である。しかし、大きな圧電性と大きな移動度を同時にもった圧電性半導体は現在のところ見つかっていない。図４に示すように、第２の分離型増幅器は、大きな圧電性をもった圧電体基板１の上に、移動度の大きな半導体層３'が空隙８を介して配置し、該圧電体基板１の上に入出力電極４、５を設け、該半導体層３'の両側に直流電界印加用電極６を設けた構造の増幅器である。この型の増幅器は、半導体と圧電体基板の表面の平坦性と空隙の大きさが増幅度に大きく影響する。実用に耐える増幅度を得るためには、空隙をできるだけ小さくし、しかも動作領域にわたって一定に保つ必要があり、工業的な生産は極めて難しい。一方、図５に示す第３のモノリシック型増幅器は、圧電体基板１の上に半導体層３'を誘電体膜９を介して空隙を持たずに形成し、該圧電体基板１上に入出力電極４、５を設け、該半導体層３'の両側面に直流電界印加用電極６を設けた構造の増幅器である。モノリシック型増幅器は高利得が得られ、高周波化も可能であり、大量生産にも向いていると言われている。ただし、これらの弾性表面波増幅器を携帯電話などの移動体通信機器への応用を検討した例はない。
しかしながら、モノリシック型増幅器を実現するためには、圧電体基板の上に良好な電気特性を有する半導体膜を形成させ、しかも弾性表面波と半導体のキャリアとの相互作用を効率よく行わせるために、該半導体膜を薄膜化させる必要がある。１９７０年代の東北大・山之内らの研究（Yamanouchi K. et. al., Proceedings of the IEEE, 75, P726 (1975)）によれば、ＬｉＮｂＯ3基板上にＳｉＯを３０ｎｍコートし、その上にＩｎＳｂ薄膜５０ｎｍを蒸着した構造で、ＩｎＳｂの電子移動度として１６００ｃｍ2／Ｖｓが得られ、この膜を使った弾性表面波の増幅器では１１００Ｖの直流電圧を印加し、中心周波数１９５ＭＨｚで正味利得４０ｄＢの増幅度が得られた。また、彼らは理論的計算から、５０ｎｍという薄いＩｎＳｂ薄膜においては、キャリアの表面散乱により電子移動度は３０００ｃｍ2／Ｖｓが最大であると予測していた（山之内ら、信学技報、ＵＳ７８−１７、ＣＰＭ７８−２６，Ｐ１９（１９７８））。即ち、モノリシック型増幅器には、圧電体基板の上に良好な電気特性を持った薄膜の半導体層を形成することが極めて困難であるという問題点があった。また、これまでの構造では、ＬｉＮｂＯ3基板からの酸素の拡散によるＩｎＳｂの劣化およびＬｉＮｂＯ3基板表面の劣化を防ぐためにＳｉＯなどの誘電体膜が必要であった。さらに、携帯機器の高周波部の増幅器とバンドパスフィルタの機能として弾性表面波増幅器を用いる場合には、３〜６Ｖの駆動電圧で増幅効果がなければ使用できない。従来のモノリシック型増幅器では、大電圧が必要であり、低電圧駆動が可能な弾性表面波増幅器は存在していなかった。また、弾性表面波増幅器と同様に弾性表面波と電子の相互作用を利用した弾性表面波コンボルバについても利得が不十分という問題があった。
一般に弾性表面波増幅器の増幅度Ｇは次式で与えられる。
ここで、Ａ：定数、ｋ2：圧電体基板の電気機械結合定数、εp：圧電体基板の等価誘電率、σ：導電率、ｈ：活性層の膜厚、μ：電子移動度、Ｅ：印加電界、ｖ：表面波の速度、である。実用レベルの低電圧で大きな増幅度を得るためには、１）できるだけ薄い膜厚で高い電子移動度の半導体層を形成する、２）ｋ2のできるだけ大きな圧電体基板を用いる、ことである。
そこで、本発明者らが鋭意検討を行った結果、圧電体基板としで３層以上の多層圧電体薄膜基板を用いることにより、バルクよりはるかに大きなｋ 2 が実現できることを見出した。また、圧電体基板と活性層の間に緩衝層をはさむことにより、薄膜でしかも電気特性の良好な活性層が得られることを見出した。さらに、該半導体層や該圧電体薄膜基板を用いて弾性表面波増幅器を作製し、実用的な低電圧で良好な増幅度が得られることを確認し、本発明を完成した。しかも、本発明の圧電体基板と活性層の間に緩衝層をはさんだ半導体層により、活性層の電子移動度として５０００ｃｍ2／Ｖｓ以上を実現した。即ち、本発明は、圧電体基板と、該圧電体基板上に入力電極と出力電極があり、上記圧電体基板が少なくとも２種類以上の異なった電気機械結合定数を有する３層以上の多層圧電体より成り、上記多層圧電体の多層の中心部の圧電体膜が最も大きい電気機械結合定数を有していることを特徴とする弾性表面波機能素子である。これにより、効率的に表面に弾性表面波のエネルギーが集中しやすくなり、それぞれの層を構成する圧電体単独の電気機械結合定数よりはるかに大きな電気機械結合定数を実現できる。
このような弾性表面波機能素子においては、特に、上記入出力電極の間に半導体層があることが望ましく、上記半導体層が、活性層と該活性層に格子整合する緩衝層より成ることがさらに望ましい。ここで、活性層というのは、伝播してきた弾性表面波を半導体中のキャリアのエネルギーによって励起させる層をいう。
本発明において、活性層のきわめて良好な電気特性を薄膜において実現できたのは、圧電体基板と活性層の間に緩衝層を挿入することにより、活性層の結晶性を向上させることができたことによる。さらに、活性層を構成している結晶の格子定数を一致、もしくは近い値とすることにより、活性層の結晶性をさらに向上させることができ、薄膜でも該活性層の電気特性が飛躍的に向上することを見出した。さらに、本発明の緩衝層として、Ｓｂを含有する化合物半導体を用いることにより、さらに良好な電気特性が得られることを見いだした。また、本発明の緩衝層は、高抵抗でかつ該緩衝層の中での弾性表面波の減衰が小さいという特徴がある。そして、本発明の緩衝層は、圧電体基板上にＳｉＯなどの誘電体膜がなくても、圧電体基板からの酸素による活性層の劣化を防止でき、また、低温で成長できるため、圧電体基板も劣化させないという優れた特徴を有している。
本発明の多層圧電体層を用いた弾性表面波増幅器において、大きな増幅効果を得ることができた。また、本発明の半導体層を用いた弾性表面波増幅器において、携帯電話などに使用できる実用的な低電圧ではじめて増幅効果を得ることができた。
さらに、本発明の弾性表面波コンボルバについても、半導体層の高電子移動度化により、電子とコンボリューションされた表面波の相互作用が強くなり、従来構造より大きな利得が得られた。
さらに本発明の実用的な低電圧で大きな増幅度を有する弾性表面波機能素子を移動体通信機器等のバンドパスフィルタおよび低雑音増幅器、あるいはバンドパスフィルタおよびパワーアンプ、あるいはバンドパスフィルタおよび増幅器および送受信分波器のデバイスとして用いれば、移動体通信機器の小型化、薄型化、軽量化に絶大な効果を発揮できる。故に、このような携帯電話、およびコードレス電話等の移動体通信機器の送受信回路において、増幅器およびバンドパスフィルタ、または増幅器およびバンドパスフィルタおよび送受信分波器として、高増幅度の弾性表面波機能素子が構成されていることを特徴とする移動体通信機器送信または受信回路も本発明の範囲内である。
以下に本発明をさらに詳細に説明する。図１が本発明の基本となる弾性表面波機能素子である。図１Ａが弾性表面波機能素子の断面図であり、図１Ｂが弾性表面波機能素子の斜視図である。１が圧電体基板、２が緩衝層、３が活性層、４が入力用電極、５が出力用電極である。
本発明によれば、圧電体基板１上に間隔をあけて入力電極４と出力電極５が配置され、これら入出力電極４、５の間に緩衝層２を介して活性層３が設けられている。
本発明における圧電体基板１は、圧電体単結晶でも圧電体薄膜基板でもよい。圧電体単結晶基板は酸化物系圧電体基板が好ましく、例えば、ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3やＬｉ2Ｂ4Ｏ7等が好ましく用いられる。また、６４°Ｙカット、４１°Ｙカット、１２８°Ｙカット、ＹカットのＬｉＮｂＯ3や３６°ＹカットのＬｉＴａＯ3などの基板カット面を用いることも好ましい。圧電体薄膜基板は、サファイアやＳｉ等の単結晶基板の上に圧電体薄膜が形成されたものであり、圧電体薄膜として例えば、ＺｎＯ、ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＰＺＴ、ＰｂＴｉＯ3、ＢａＴｉＯ3やＬｉ2Ｂ4Ｏ7などは好ましく用いられる薄膜材料である。また、Ｓｉ基板と上記圧電体薄膜との間にＳｉＯやＳｉＯ2などの誘電体膜が挿入されていてもよい。さらに圧電体薄膜基板として、サファイアやＳｉ等の単結晶基板の上に、上記圧電体薄膜の異なる種類の薄膜が交互に積み重ねられたような多層積層膜を形成していてもよい。
本発明の圧電体基板１として、少なくとも２種以上の異なった電気機械結合定数を有する３層以上の多層圧電体より成り、該多層圧電体の多層の中心部の圧電体膜が最も大きな電気機械結合定数の圧電体膜であることを特徴とする圧電体基板を用いれば、その材料組成によらず、きわめて大きな電気機械結合定数を実現できる。その理由は次の通りであると考えられる。すなわち、弾性表面波（以下、ＳＡＷ）のエネルギーは、通常ＳＡＷの１波長以内の深さに集中する。本願発明の圧電体薄膜基板においては、ｋ2の大きな材料がｋ2の小さな材料で挟まれ、かつｋ2の大きな材料層が、ＳＡＷ１波長以内に含まれるような膜厚に調整されている。そうすることによって、ＳＡＷのエネルギーはｋ2の大きな材料層全体に広がり、あたかもバルク波のように振る舞う（バルク波のｋ2は表面波のｋ2より１０倍以上大きい）。しかも、ｋ2の小さな材料層がＳＡＷエネルギーを外部に拡散するのを防ぐ役割をするため、よりいっそうエネルギーはｋ2の大きな材料層に集中すると考えられる。よって、本願発明の圧電体薄膜基板においては、圧電体単独のｋ2よりはるかに大きなｋ2が実現できた。
前記多層圧電体基板について、図２を参照して、３層構造の例を以下に詳細に説明する。本発明の多層圧電体基板２０は、圧電体基板２１の上に第１圧電体膜２２があり、さらにその上に第２圧電体膜２３がある構造である。圧電体基板２１は上述の圧電体基板１と同じものを用いることができる。ただし、次の条件を満たす必要がある。それぞれ圧電体基板２１、第１圧電体膜２２および第２圧電体膜２３の電気機械結合定数を順に、ｋ、ｋ1およびｋ2とし、さらに圧電体基板２１、第１圧電体膜２２および第２圧電体膜２３のレーリー波の速度を順にＶ，Ｖ1およびＶ2とする。さらに該第１圧電体膜２２の膜厚をｈ1、該第２圧電体膜２３の膜厚をｈ2とする。ここで、ｋ1はｋおよびｋ2より大きいことが必要であり、好ましくは１.２倍以上であり、より好ましくは２倍以上である。さらに、ｋ1がｋおよびｋ2より大きく、かつ、Ｖ1がＶおよびＶ2より大きいとき、より大きな電気機械結合定数が得られる。Ｖ1がＶおよびＶ2より、１００ｍ／ｓ以上大きいことが好ましく、２５０ｍ／ｓ以上大きいとさらに好ましい。また、ｈ1は通常、３０ｎｍ以上２０μｍ以下の範囲であり、より好ましくは、８０ｎｍ以上５μｍ以下であり、さらに好ましくは、１００ｎｍ以上２μｍ以下である。通常、ｈ1／ｈ2は０.１以上５００以下であり、好ましくは０.１５以上５０以下であり、さらに好ましくは０.５以上２１以下である。また、弾性表面波の波長をλとしたとき、通常は、ｈ1／λが１以下かつｈ2／λが１以下であり、好ましくは、ｈ1／λが０.５以下かつｈ2／λが０.４以下、より好ましくは、ｈ1／λが０.２５以下かつｈ2／λが０.２５以下である。
本発明の電気機械結合定数の大きな多層圧電体基板２０は、弾性表面波増幅器や弾性表面波コンボルバだけではなく、弾性表面波フィルタや弾性表面波共振器などの弾性表面波素子の特性向上にも極めて好ましく用いられる。
本発明の半導体層を構成している活性層は、電子移動度が大きいものが好ましく用いられる。活性層として、例えば、ＧａＡｓ、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＰｂＴｅなどが好ましい例である。また２元系だけでなく、これら２元系を組み合わせた３元混晶や４元混晶も好ましく用いられる。例えば、ＩｎxＧａ1-xＡｓ、ＩｎＡｓyＳｂ1-y、ＩｎzＧａ1-zＳｂなどが３元混晶、ＩｎxＧａ1-xＡｓyＳｂ1-yなどが４元混晶の例である。これらの活性層の中でも、Ｉｎを含んだＩｎＡｓやＩｎＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＧａＳｂ、ＩｎＧａＡｓＳｂなどが非常に高い電子移動度を有しているため、より好ましく用いられる。また、活性層は、異なる組成の半導体膜が積層された多層積層膜が形成されていてもよい。活性層の電子移動度は弾性表面波増幅器の増幅度を大きくするために５０００ｃｍ2／Ｖｓ以上が好ましく、極めて良好な増幅度を得るためには１００００ｃｍ2／Ｖｓ以上の電子移動度を有していることがより好ましい。この高電子移動度を得るために、活性層の組成として、ＩｎxＧａ1-xＡｓのｘは、０≦ｘ≦１.０が可能だが、０.５≦ｘ≦１.０が好ましく、０.８≦ｘ≦１.０がより好ましい範囲である。ＩｎＡｓyＳｂ1-yのｙは、０≦ｙ≦１.０の範囲で高電子移動度が可能であり、０.５≦ｙ≦１.０がより好ましい。ＩｎｚＧａ1-zＳｂのｚは、０.５≦ｚ≦１.０が好ましく、０.８≦ｚ≦１.０がより好ましい範囲である。
また、活性層の膜厚ｈについては、ｈが５ｎｍ以下になると活性層の結晶性が悪くなり、高い電子移動度が得られない。また、逆にｈが５００ｎｍ以上になると活性層が低抵抗化すると同時に、弾性表面波とキャリアの相互作用効率が低下してしまう。即ち、高電子移動度を実現し、弾性表面波とキャリアとの相互作用を効率よく行うために、活性層の膜厚ｈは、５ｎｍ≦ｈ≦５００ｎｍである必要があり、好ましくは、１０ｎｍ≦ｈ≦３５０ｎｍであり、より好ましくは１２ｎｍ≦ｈ≦２００ｎｍの範囲である。さらに、活性層の面抵抗値は、１０Ω以上が好ましく、より好ましくは５０Ω以上であり、さらに好ましくは１００Ω以上である。
本発明における圧電体基板の上に形成される緩衝層は絶縁性もしくは半絶縁性であるのが好ましいが、これらに準じた高い抵抗値を有するものであればよい。例えば、緩衝層の抵抗値が活性層の少なくとも５〜１０倍以上高く、好ましくは１００倍以上、より好ましくは１０００倍以上高いものであればよい。
高抵抗な緩衝層として、例えば、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＺｎＴｅやＣｄＴｅなどの２元系、ＡｌＧａＳｂ、ＡｌＡｓＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＡｌＩｎＳｂなどの３元系、ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＡｌＩｎＧａＳｂ、ＡｌＩｎＡｓＳｂ、ＡｌＩｎＰＳｂやＡｌＧａＰＳｂなどの４元系が好ましい例である。また、これらの緩衝層の組成を決める際に、活性層を構成している結晶の格子定数と同じか、もしくは近い値を有する組成に調整することで、活性層のより大きな電子移動度を実現できる。ここで格子定数が近いというのは、活性層を構成する結晶の格子定数と緩衝層を構成する結晶の格子定数との違いが±７％以下、より好ましくは±５％以下、さらに好ましくは±２％以下をいう。
また、実際に圧電体基板１の上に、緩衝層２を形成する工程において、特にＳｂ含有の緩衝層２は格子緩和がきわめて速く、圧電体基板１との格子不整が大きくても緩衝層２の超薄膜を成長するだけで格子乱れは緩和し、緩衝層２を構成している結晶独自の格子定数で成長をはじめる。そして活性層３を成長する直前には、緩衝層２の表面状態はきわめて良好となり、その上に形成される活性層３の結晶性を大きく向上させることができる。故にＳｂを含んだ化合物半導体は、緩衝層２として特に好ましく用いられる。
緩衝層２の膜厚は、結晶性の面から見れば厚いほど良いが、弾性表面波とキャリアの相互作用のしやすさの面から見ると薄いほど好ましい。即ち、緩衝層２の膜厚ｈ3は、１０ｎｍ≦ｈ3≦１０００ｎｍが好ましく、２０ｎｍ≦ｈ3≦５００ｎｍがより好ましい範囲である。
さらに、本発明の緩衝層２は、低温で成長できるため、圧電体基板１が酸素抜けなどによって劣化することもなく、また、緩衝層２の上に形成される活性層３に対しても圧電体基板１からの酸素抜けなどによる劣化を防止でき、圧電体基板１および活性層３の保護層として機能させることも大きな特徴である。よって従来から用いられてきたＳｉＯやＳｉＯ2などの誘電体膜による保護層が不要になる。
しかし、圧電体基板１と緩衝層２との間に誘電体膜が挿入されていても問題はない。誘電体膜としては、例えば、ＳｉＯ、ＳｉＯ2、窒化シリコン、ＣｅＯ2、ＣａＦ2、ＢａＦ2、ＳｒＦ2、ＴｉＯ2、Ｙ2Ｏ3、ＺｒＯ2、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3などが用いられる。誘電体膜の膜厚は薄いほうがよいが、１００ｎｍ以下が好ましく、５０ｎｍ以下がより好ましい。
また、本発明の緩衝層２は、図５に示すような従来のモノリシック型増幅器の圧電体基板１と活性層３'の中間に挿入されているＳｉＯなどの誘電体膜９と比べて、活性層に格子整合していると同時に半導体でありながら、大きな誘電率を示し、かつ高い抵抗値を有している。よって、本発明の緩衝層２中での弾性表面波の電界の減衰は小さく、弾性表面波の電界と活性層３中のキャリアとの相互作用が、より効率的に生じ易く、また従来の誘電体膜９より厚くすることも可能である。
さらに活性層３の保護の目的で活性層の上に保護膜として誘電体膜や半導体膜が積層されていてもよい。誘電体膜としては前記の組成のものを用いることができる。半導体膜としては、前記緩衝層と同じ組成のものが使用できる。
緩衝層２や活性層３などの成膜は、一般に薄膜が成長できる方法であれば何でもよいが、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法や、有機金属分子線エピタキシー（ＭＯＭＢＥ）法、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法や原子層エピタキシー（ＡＬＥ）法は特に好ましい方法である。
また、本発明の圧電体基板１上の入出力電極４、５はすだれ状構造であり、通常の弾性表面波フィルタに使用される、アポダイズ電極、間引き電極、一方向性電極、正規型電極等が好ましく用いられる。中でも一方向性電極は、弾性表面波の双方向性による損失分を軽減できるため、特に好ましく用いられる。入出力電極４、５の材質には特に制限はないが、例えば、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｌ−Ｔｉ合金、Ａｌ−Ｃｕ合金、ＡｌとＴｉの多層電極等が好ましく用いられる。
本発明の入出力電極４、５を覆う形で緩衝層２が形成される場合には、まず始めに入出力電極４、５を形成するので、半導体薄膜の凹凸を考慮する必要もなく、コンタクト露光でサブミクロン以下の電極微細加工が可能になる。
ただし、入出力電極４、５は緩衝層２に埋め込まれるため、該緩衝層２を形成中に、変形、溶融、拡散などのできるだけ小さな電極材料を選ぶ必要がある。例えば、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗなどが好ましい。また、Ｔｉ−Ｐｔ、Ｔｉ−Ａｌ、Ｔｉ−Ａｕ、Ｃｒ−Ａｕ、Ｃｒ−Ｐｔなどの多層電極も好ましく用いられる。
本発明の弾性表面波増幅器において、前記半導体層に直流電界を印加するための電極６に使用される材料については、特に制限はないが、例えば、Ａｌ、Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｕ、Ｃｕ／Ｎｉ／Ａｕ、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕなどが好ましく用いられる。
本発明の弾性表面波機能素子をパワーアンプなどの高耐電力性が要求される部分に用いる場合には、入力用電極４および出力用電極５は大電力、例えば数Ｗ程度の電力に耐える電極材料を用いる必要がある。例えば、エピタキシャルＡｌ膜、Ａｌ−Ｃｕ膜、Ａｌ−Ｃｕ／Ｃｕ／Ａｌ−Ｃｕ積層膜、Ｔｉ添加Ａｌ膜、Ｃｕ添加Ａｌ膜、Ｐｄ添加Ａｌ膜などの高耐電力電極材料が好ましく用いられる。
本発明の弾性表面波増幅器において、前記入出力電極４、５の間の半導体層が、２つ以上連なっており、しかも弾性表面波の伝搬方向とは逆方向に移動するキャリアを取り除くような構造、あるいは半導体層間の活性層３を取り除くような構造を形成することにより、低電圧で高増幅度が実現できる。例えば、図６に示すように、半導体層をメサエッチングにより分離したり、またメサエッチングした後に半導体層間に誘電体（図示しない）を埋め込むことによって逆電界によって逆方向に移動するキャリアを取り除くことができる。
本発明の弾性表面波コンボルバにおいては、前記圧電体基板上に形成された電極は２つの入力電極として使用され、さらにコンボリューションされた表面波は、半導体層の上部および圧電体基板の下部に形成された取り出し電極から取り出される。取り出し電極の電極材料は、特に制限はない。例えば、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｃｕなどが好ましく用いられる。
図７に模式図を示す従来の携帯電話のＲＦ部では、アンテナ１０に送受分波器１１が接続され、この送受分波器１１に受信用アンプ１２、送信用アンプ１３が接続され、これら送受信アンプ１２、１３にはそれぞれバンドパスフィルタ１４が接続されている。これに対して、本発明の高増幅度の弾性表面波機能素子を用いれば、図８に示すように、アンテナ１０に受信用弾性表面波増幅器１５と送信用弾性表面波増幅器１６とが接続されるだけである。従って、本発明では、ＲＦ部の部品点数が減少でき、しかも各部品の小型化、軽量化、薄型化が達成できる。即ち本発明によって、携帯機器端末の小型化、軽量化、そして低価格化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
図１Ａは、本発明の一実施例に従う弾性表面波機能素子の断面図である。
図１Ｂは、本発明の一実施例に従う弾性表面波機能素子の斜視図である。
図２は、本発明の多層圧電体基板の断面図である。
図３は、従来の直接型増幅器の断面図である。
図４は、従来の分離型増幅器の断面図である。
図５は、従来のモノリシック型増幅器の断面図である。
図６は、本発明の一実施例に従う半導体層分離型弾性表面波増幅器の断面図である。
図７は、携帯電話のＲＦ部の模式図である。
図８は、本発明による送受信分波器や送受信アンプを用いずに形成された送信および受信回路の模式図である。
図９は、入出力電極が緩衝層に埋め込まれた形の弾性表面波増幅器の断面図である。
図１０は、多層圧電体基板を用いた弾性表面波増幅器の断面図である。
図１１は、本発明の一実施例に従う弾性表面波コンボルバの断面図である。
発明を実施するための最良の形態
以下に本発明を具体的な実施例により述べる。
【実施例１】
直径３インチの６４度ＹカットＬｉＮｂＯ3単結晶基板の上にＳｉＯ2 １０ｎｍを蒸着したのち、ＭＢＥ法により、緩衝層として、Ａｌ0.38Ｉｎ0.62Ｓｂを１５０ｎｍ成長させ、次に活性層としてＩｎＳｂを５０ｎｍ成長させたのち、保護層としてＧａＳｂを２ｎｍ成長させ半導体層を得た。この半導体層の電子移動度は、３２０００ｃｍ2／Ｖｓであった。なお、半導体層の電子移動度は、Ｖａｎ ｄｅｒ Ｐａｕｗ法により測定した。
次に所定の位置の半導体層をエッチングにより除き、圧電体基板を露出させた。その圧電体基板表面に入出力電極としてすだれ状のＡｌ電極をリソグラフィプロセスによって形成した。電極はピッチが０.７５μｍの正規型電極とし、伝搬長は３００μｍとした。引き続き活性層に直流電界印加用の電極を形成した。弾性表面波の伝搬長は、弾性表面波の波長の整数倍に形成することが好ましい。
次に、弾性表面波増幅器の特性を測定した。増幅度の評価は、ネットワークアナライザー（Yokokawa Hewlett Packard, 8510B）で、電界印加後の利得（または挿入損失）と電界印加前の挿入損失の差から求めた。本実施例１の弾性表面波増幅器を評価した結果、その増幅度は、直流印加電圧３Ｖ、中心周波数１５２０ＭＨｚで２２ｄＢであった。この値は、携帯機器の高周波部の低雑音増幅器とバンドパスフィルタの部分に用いる場合に良好な増幅度であり、しかもモノリシック化された単一素子で形成されているため、携帯機器の小型化や配線によるリターンロスの低減化が実現できる。以上の結果から、緩衝層は、１５０ｎｍの膜厚で活性層と圧電体基板の間に存在するが、弾性表面波の電界強度の緩衝層中での減衰は、実用レベルで問題のない程度であることが確認できた。
【実施例２】
実施例１のサンプルを用いて、所定の位置の半導体層をエッチングにより除き、圧電体基板を露出させた。その圧電体基板表面に入出力電極としてすだれ状のＡｌ電極をリソグラフィプロセスによって形成した。電極はピッチが１.４μｍの正規型電極とし、伝搬長は、２８０μｍとした。引き続き活性層に直流電界印加用の電極を形成した。
次に、弾性表面波増幅器の特性を測定した。増幅度の評価は、実施例１と同様の方法で行った。実施例２の弾性表面波増幅器を評価した結果、その増幅度は、直流印加電圧３Ｖ、中心周波数８００ＭＨｚで１２ｄＢであった。この値は、携帯機器の高周波部の低雑音増幅器とバンドパスフィルタの部分に用いる場合に良好な増幅度である。
【比較例１】
実施例２の比較として、比較例１を示す。直径３インチの６４度ＹカットＬｉＮｂＯ3単結晶基板の上にＳｉＯ2１０ｎｍを蒸着した。さらにＭＢＥ法により、活性層としてＩｎＳｂを５０ｎｍ成長させたのち、保護層としてＧａＳｂを２ｎｍ成長させた。そしてこの積層膜の電気特性を測定したが、本比較例では活性層であるＩｎＳｂを直接、圧電体基板の上に形成したために、活性層の結晶性が悪く、電子移動度は１７００ｃｍ2／Ｖｓにすぎなかった。
次に所定の位置の半導体層をエッチングにより除き、圧電体基板を露出させた。その圧電体基板表面に入出力電極としてすだれ状のＡｌ電極をリソグラフィプロセスによって形成した。電極はピッチが１.４μｍの正規型電極とし、伝搬長は、２８０μｍとした。引き続き活性層に直流電界印加用の電極を形成した後、弾性表面波増幅特性を実施例２と同様に測定したが、増幅はみられなかった。
【実施例３】
直径３インチの６４度ＹカットＬｉＮｂＯ3単結晶基板の上にＳｉＯ2１０ｎｍを蒸着したのち、ＭＢＥ法により、緩衝層としてＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｓｂを２００ｎｍ成長させ、次に活性層としてＩｎＡｓ0.5Ｓｂ0.5を６０ｎｍ成長させたのち、保護層としてＧａＳｂを２ｎｍ成長させ半導体層を得た。この半導体層の電子移動度は、３００００ｃｍ2／Ｖｓであった。
次に所定の位置の半導体層をエッチングにより除き、圧電体基板を露出させた。その圧電体基板表面に入出力電極としてすだれ状のＡｌ電極をリソグラフィプロセスによって形成した。電極はピッチが０.６μｍの正規型電極とし、伝搬長は、２４０μｍとした。引き続き活性層に直流電界印加用の電極を形成した。
次に弾性表面波増幅器の特性を測定した。増幅度の評価は、実施例１と同様の方法で行った。実施例３の弾性表面波増幅器を評価した結果、その増幅度は直流印加電圧３Ｖ、中心周波数１９００ＭＨｚで２６ｄＢであった。この値は、携帯機器の高周波部の低雑音増幅器とバンドパスフィルタの部分に用いる場合に極めて良好な増幅度である。
【実施例４】
直径３インチの６４度ＹカットＬｉＮｂＯ3単結晶基板の上にＳｉＯ2１０ｎｍを蒸着したのち、ＭＢＥ法により、緩衝層としてＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｓｂを１５０ｎｍ成長させ、次に活性層としてＩｎＡｓ0.5Ｓｂ0.5を５０ｎｍ成長させたのち、保護層としてＧａＳｂを２ｎｍ成長させ半導体層を得た。この半導体層の電子移動度は、２０９００ｃｍ2／Ｖｓであった。
次に所定の位置の半導体層をエッチングにより除き、圧電体基板を露出させた。その圧電体基板表面に入出力電極としてすだれ状のＡｌ電極をリソグラフィプロセスによって形成した。電極はピッチが０.７５μｍの正規型電極とし、伝搬長は、３００μｍとした。引き続き活性層に直流電界印加用の電極を形成した。
次に、弾性表面波増幅器の特性を測定した。増幅度の評価は、実施例１と同様の方法で行った。実施例４の弾性表面波増幅器を評価した結果、その増幅度は、直流印加電圧３Ｖ、中心周波数１５３０ＭＨｚで１３ｄＢであった。この値は、携帯機器の高周波部の低雑音増幅器とバンドパスフィルタの部分に用いる場合に良好な増幅度である。
【実施例５】
直径３インチの６４度ＹカットＬｉＮｂＯ3単結晶基板の上にＳｉＯ2１０ｎｍを蒸着したのち、ＭＢＥ法により、緩衝層としてＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｓｂを１００ｎｍ成長させ、次に活性層としてＩｎＡｓ0.5Ｓｂ0.5を２００ｎｍ成長させたのち、保護層としてＧａＳｂを２ｎｍ成長させ半導体層を得た。この半導体層の電子移動度は、３２０００ｃｍ2／Ｖｓであった。
次に所定の位置の半導体層をエッチングにより除き、圧電体基板を露出させた。その圧電体基板表面に入出力電極としてすだれ状のＡｌ電極をリソグラフィプロセスによって形成した。電極はピッチが０.７５μｍの正規型電極とし、伝搬長は、３００μｍとした。引き続き活性層に直流電界印加用の電極を形成した。
次に、弾性表面波増幅器の特性を測定した。増幅度の評価は、実施例１と同様の方法で行った。実施例５の弾性表面波増幅器を評価した結果、その増幅度は、直流印加電圧６Ｖ、中心周波数１５０５ＭＨｚで６ｄＢであった。６Ｖという低電圧で増幅効果が得られた。
【比較例２】
実施例４の比較として、比較例２を示す。直径３インチの６４度ＹカットＬｉＮｂＯ3単結晶基板の上にＳｉＯ2１０ｎｍを蒸着したのち、ＭＢＥ法により、活性層としてＩｎＡｓ0.5Ｓｂ0.5を５０ｎｍ成長させたのち、保護層としてＧａＳｂを２ｎｍ成長させた。この積層膜の電気特性を測定したが、本比較例では活性層であるＩｎＡｓ0.5Ｓｂ0.5を直接、圧電体基板の上に形成したために、活性層の結晶性が悪く、電子移動度は、１２００ｃｍ2／Ｖｓにすぎなかった。
次に所定の位置の半導体層をエッチングにより除き、圧電体基板を露出させた。その圧電体基板表面に入出力電極としてすだれ状のＡｌ電極をリソグラフィプロセスによって形成した。電極はピッチが０.７５μｍの正規型電極とし、伝搬長は、３００μｍとした。引き続き活性層に直流電界印加用の電極を形成した後、弾性表面波増幅特性を測定したが、増幅はみられなかった。
【実施例６】
直径３インチの６４度ＹカットＬｉＮｂＯ3単結晶基板の上にＳｉＯ2１０ｎｍを蒸着したのち、ＭＢＥ法により、緩衝層としてＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｓｂを１５０ｎｍ成長させ、次に活性層としてＩｎＡｓを３５０ｎｍ成長させたのち、保護層としてＧａＳｂを２ｎｍ成長させ半導体層を得た。この半導体層の電子移動度は、２２０００ｃｍ2／Ｖｓであった。
次に所定の位置の半導体層をエッチングにより除き、圧電体基板を露出させた。その圧電体基板表面に入出力電極としてすだれ状のＡｌ電極をリソグラフィプロセスによって形成した。電極はピッチが０.６μｍの正規型電極とし、伝搬長は、２４０μｍとした。引き続き活性層に直流電界印加用の電極を形成した。
次に、弾性表面波増幅器の特性を測定した。増幅度の評価は、実施例１と同様の方法で行った。実施例６の弾性表面波増幅器を評価した結果、その増幅度は、直流印加電圧６Ｖ、中心周波数１５００ＭＨｚで２ｄＢであった。６Ｖという低電圧で増幅効果が得られた。
【実施例７】
直径３インチの６４度ＹカットＬｉＮｂＯ3単結晶基板の上にＳｉＯ2１０ｎｍを蒸着したのち、ＭＢＥ法により、緩衝層としてＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ0.12Ｓｂ0.88を１５０ｎｍ成長させ、次に活性層としてＩｎＡｓを５０ｎｍ成長させたのち、保護層としてＧａＳｂを２ｎｍ成長させ半導体層を得た。この半導体層の電子移動度は、１３０００ｃｍ2／Ｖｓであった。
次に所定の位置の半導体層をエッチングにより除き、圧電体基板を露出させた。その圧電体基板表面に入出力電極としてすだれ状のＡｌ電極をリソグラフィプロセスによって形成した。電極はピッチが１.４μｍの正規型電極とし、伝搬長は、５６０μｍとした。引き続き活性層に直流電界印加用の電極を形成した。
次に、弾性表面波増幅器の特性を測定した。増幅度の評価は、実施例１と同様の方法で行った。実施例７の弾性表面波増幅器を評価した結果、その増幅度は、直流印加電圧５Ｖ、中心周波数８１０ＭＨｚで６ｄＢであった。５Ｖという低電圧で増幅効果が得られた。
【実施例８】
直径３インチの６４度ＹカットＬｉＮｂＯ3単結晶基板の上にＳｉＯ2１０ｎｍを蒸着したのち、ＭＢＥ法により、緩衝層としてＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ0.12Ｓｂ0.88を１５０ｎｍ成長させ、次に活性層としてＩｎＡｓを２０ｎｍ成長させたのち、保護層としてＧａＳｂを２ｎｍ成長させ半導体層を得た。この半導体層の電子移動度は、８０００ｃｍ2／Ｖｓであった。
次に所定の位置の半導体層をエッチングにより除き、圧電体基板を露出させた。その圧電体基板表面に入出力電極としてすだれ状のＡｌ電極をリソグラフィプロセスによって形成した。電極はピッチが１.４μｍの正規型電極とし、伝搬長は、５６０μｍとした。引き続き活性層に直流電界印加用の電極を形成した。
次に、弾性表面波増幅器の特性を測定した。増幅度の評価は、実施例１と同様の方法で行った。実施例８の弾性表面波増幅器を評価した結果、その増幅度は、直流印加電圧６Ｖ、中心周波数８３５ＭＨｚで３ｄＢであった。６Ｖという低電圧で増幅効果が得られた。
【実施例９】
直径３インチの６４度ＹカットＬｉＮｂＯ3単結晶基板の上にＳｉＯ2１０ｎｍを蒸着したのち、ＭＢＥ法により、緩衝層としてＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ0.12Ｓｂ0.88を１５０ｎｍ成長させ、次に活性層としてＩｎＡｓを１０ｎｍ成長させたのち、保護層としてＧａＳｂを２ｎｍ成長させ半導体層を得た。この半導体層の電子移動度は、５０００ｃｍ2／Ｖｓであった。
次に所定の位置の半導体層をエッチングにより除き、圧電体基板を露出させた。その圧電体基板表面に入出力電極としてすだれ状のＡｌ電極をリソグラフィプロセスによって形成した。電極はピッチが０.７５μｍの正規型電極とし、伝搬長は、３００μｍとした。引き続き活性層に直流電界印加用の電極を形成した。
次に、弾性表面波増幅器の特性を測定した。増幅度の評価は、実施例１と同様の方法で行った。実施例９の弾性表面波増幅器を評価した結果、その増幅度は、直流印加電圧６Ｖ、中心周波数１５６０ＭＨｚで４ｄＢであった。６Ｖという低電圧で増幅効果が得られた。
【比較例３】
実施例７の比較として、比較例３を示す。直径３インチの６４度ＹカットＬｉＮｂＯ3単結晶基板の上にＳｉＯ2１０ｎｍを蒸着したのち、ＭＢＥ法により、活性層としてＩｎＡｓを５０ｎｍ成長させたのち、保護層としてＧａＳｂを２ｎｍ成長させ半導体層を得た。そしてこの半導体層の電気特性を測定したが、本比較例では活性層であるＩｎＡｓを直接、圧電体基板の上に形成したために、活性層の結晶性が悪く、電子移動度は、９００ｃｍ2／Ｖｓにすぎなかった。
次に所定の位置の半導体層をエッチングにより除き、圧電体基板を露出させた。その圧電体基板表面に入出力電極としてすだれ状のＡｌ電極をリソグラフィプロセスによって形成した。電極はピッチが１.４μｍの正規型電極とし、伝搬長は、５６０μｍとした。引き続き活性層に直流電界印加用の電極を形成した後、弾性表面波増幅特性を測定したが、増幅はみられなかった。
【実施例１０】
直径３インチの１２８度ＹカットＬｉＮｂＯ3単結晶基板の上に、ＭＢＥ法により、緩衝層としてＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ0.1Ｓｂ0.9を５０ｎｍ成長させ、次に活性層としてＩｎＳｂを４００ｎｍ成長させ半導体層を得た。この半導体層の電子移動度は、７０００ｃｍ2／Ｖｓ、キャリア濃度が１×１０16ｃｍ-3であった。
次に、実施例１と同様の方法で弾性表面波増幅器を作製した。電極はピッチが０.７５μｍの正規型電極とし、伝搬長は３００μとした。
そして、弾性表面波増幅器の特性を測定した結果、増幅度は、直流印加電圧５Ｖ、中心周波数１５００ＭＨｚで３ｄＢであった。５Ｖという低電圧で増幅効果が得られた。しかもＳｉＯなどの誘電体膜がなくても、ＬｉＮｂＯ3基板の劣化やＬｉＮｂＯ3基板からの酸素拡散によるＩｎＳｂ活性層の劣化は見られなかった。以上の結果から、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ0.1Ｓｂ0.9緩衝層が圧電体基板および半導体活性層の保護膜として機能していることが確認できた。
【比較例４】
直径３インチの６４度ＹカットＬｉＮｂＯ3単結晶基板の上に、ＭＢＥ法により、直接、活性層のＩｎＳｂを５０ｎｍ成長させ半導体層を得た。そしてこの半導体層の電気特性を測定したが、本比較例ではＬｉＮｂＯ3基板上に誘電体膜などの保護層を形成せずに、直接ＩｎＳｂを成長したため、ＬｉＮｂＯ3からの酸素抜けにより、活性層のＩｎＳｂの膜質が劣化し、電子移動度は測定できなかった。
【実施例１１】
図９に断面構造を示す弾性表面波増幅器を作製した。
まず、直径３インチの１２８度ＹカットＬｉＮｂＯ3単結晶基板１の上の所定の位置に入出力用電極４、５としてすだれ状のＴｉ−Ｐｔ電極を通常のコンタクト露光によるリソグラフィプロセスで形成した。電極４、５はピッチが１.４μｍの正規型電極とし、伝搬長は、３６４μｍとした。次に、ＭＢＥ法により、該基板上に入出力用すだれ状電極を埋め込む形で緩衝層２としてＡｌ0.38Ｉｎ0.62Ｓｂを１５０ｎｍ成長させ、さらに活性層３としてＩｎＳｂを５０ｎｍ成長させ半導体層を得た。この半導体層の電子移動度は、３４０００ｃｍ2／Ｖｓであった。
次に所定の位置の活性層をイオンミリング法により除いた後、活性層３に直流電界印加用の電極６を形成した（図９に断面構造を示す）。その後、パッシベーション用窒化シリコン膜を蒸着し、窓開けを行い、弾性表面波増幅器の特性を測定した。その結果、直流印加電圧６Ｖ、中心周波数８０９ＭＨｚで１７ｄＢという大きな増幅度が得られた。
【実施例１２】
図１０に断面構造を示す弾性表面波増幅器を作製した。
レーザアブレーション法により、ＹカットＬｉＴａＯ3単結晶基板１上に、膜厚２.０μｍのＬｉＮｂＯ3層１７を成長し、さらにその上に０.１μｍのＬｉＴａＯ3層１８を成長し、３層構造の多層圧電体基板を形成した。成長した薄膜をオージェ電子分光法により解析した結果、ストイキオメトリーに狂いのないＬｉＮｂＯ3層１７、ＬｉＴａＯ3層１８が得られていることが確認できた。また、Ｘ線回析により、（１１０）ＬｉＮｂＯ3層１７、および（１１０）ＬｉＴａＯ3層１８がツイン、ドメインフリーでヘテロエピタキシャル成長していることが確認できた。
この多層圧電体基板の電気機械結合定数を測定するため、通常のリソグラフィプロセスによって、弾性表面波の波長が８μｍになるようにＡｌ櫛形電極を２カ所近接して形成した。そして、一方の弾性表面波の伝搬路を電気的に短絡し、もう一方を自由表面として両者の弾性表面波の伝搬速度をネットワークアナライザー（Ｙｏｋｏｇａｗａ Ｈｅｗｌｅｔｔ Ｐａｃｋａｒｄ， ８５１０Ｂ）で測定し、測定値から電気機械結合定数ｋ2を
ｋ2＝２×（Ｖｆ−Ｖｍ）／Ｖｆ
（式中、Ｖｍは電気的に短絡したときの速度、Ｖｆは自由表面の速度である）に従って計算したところ、２０.０％というきわめて大きな値を示した。
さらに、該多層圧電体基板を用いて、図１０に示すような弾性表面波増幅器を実施例１０と同様の方法で作製した。そして、その弾性表面波増幅器の特性を測定したところ、直流印加電圧５Ｖ、中心周波数１５００ＭＨｚで１２ｄＢの増幅が確認できた。本実施例のきわめて大きな電気機械結合定数を有する多層圧電体基板は、実施例１０と比較すると、弾性表面波増器において約４倍の増幅度向上の効果があることが確認できた。
【比較例５】
実施例１２の多層圧電体基板の電気機械結合定数と、各層を構成する材料単体、および２層圧電体基板の電気機械結合定数とを比較した。実施例１２と同様の方法で各層を構成する材料単体の電気機械結合定数を測定したところ、単結晶（１１０）ＬｉＮｂＯ3は４.７％、単結晶（１１０）ＬｉＴａＯ3は０.６８％であった。
また、各構成材料を２層構造にした場合の電気機械結合定数も測定した。即ち、ＹカットＬｉＴａＯ3基板上に実施例１２と同様にレーザアブレーション法でＬｉＮｂＯ3膜を成長し、その電気機械結合定数を測定した。その結果、ＬｉＮｂＯ3／ＬｉＴａＯ3の２層構造では、３.０％となり、単結晶（１１０）ＬｉＮｂＯ3より低くなった。
よって、本発明の多層圧電体基板は３層構造とすることによってはじめて電気機械結合定数が大きく向上することがわかる。実施例１２では約４倍に向上しており、これが弾性表面波増幅器の増幅度向上につながっている。
【実施例１３】
実施例１０と同様の方法１２８度ＹカットＬｉＮｂＯ3基板上に半導体層を成長した。次に、所定の位置の半導体層をエッチングにより除き、圧電体基板を露出させた。その圧電体基板表面に、入出力用高耐電力性電極として、すだれ状のＡｌ−Ｃｕ／Ｃｕ／Ａｌ−Ｃｕ積層膜電極をリソグラフィプロセスによって形成した。電極はピッチが０.７５μｍの正規型電極とし、伝搬長は、３００μｍとした。引き続き活性層に直流電界印加用の電極を形成した。
弾性表面波増幅器の特性評価はＲＦ信号を信号発生器（Anritsu MG3670A）から与え、増幅度と送信電力をパワーメーターおよびパワーセンサ（Yokokawa Hewlett Packard, 437B, 8481H）を用いて測定した。増幅度は直流印加電圧３Ｖ、中心周波数１５２０ＭＨｚにおいて２２ｄＢで、送信電力は２.２Ｗであり、本実施例の弾性表面波増幅器は、移動体通信機器等の高周波部に良好なパワーアンプとして使用でき、しかも機器の小型化に大きく寄与できる。
【実施例１４】
実施例１０と同様に１２８度ＹカットＬｉＮｂＯ3基板上に半導体層を成長した。次に、半導体層を、後から形成する入出力用電極の間にくるように加工するが、同時に図６に示したように該半導体層を３つに分離するようにエッチングを行った。そして、露出された圧電体基板表面に入出力電極としてすだれ状のＡｌ電極を形成した。電極ピッチと伝搬長は実施例１０と同様である。引き続き分離された活性層のそれぞれに直流電界印加用の電極を形成した。
本実施例の弾性表面波増幅器では、直流電界を各活性層に並列に印加するようにして特性評価を行った。その結果、増幅度は、直流印加電圧５Ｖ、中心周波数１５００ＭＨｚで８ｄＢであった。実施例１０と比較して約３倍近い増幅度の向上が確認できた。
【実施例１５】
図１１に断面構造を示す弾性表面波コンボルバを作製した。
実施例１０と同様に１２８度ＹカットＬｉＮｂＯ3基板１上に緩衝層２となる半導体層を成長した。次に所定の位置の半導体層をエッチングによって取り除き、圧電体基板を露出させた。その圧電体基板１の表面に、２つの入力用電極４、４をリソグラフィプロセスによって形成した。引き続き、図１１に示すように半導体層の上面と圧電体基板の下面にそれぞれ取り出し電極１９を形成し、弾性表面波コンボルバを作製した。
次に、本実施例の弾性表面波コンボルバを用いて、周波数１０００ＭＨｚの増幅特性を周波数アナライザーにより測定したところ、取り出し電極１９から非線形信号であるコンボリューション出力が得られた。
【実施例１６】
実施例１で作製した弾性表面波増幅器とミクサおよび直交復調器を用いて携帯電話のＲＦ部の受信回路を作製した。弾性表面波増幅器とミクサの間にはインピーダンス整合を取るための特別の回路は設けていない。また、通常、低雑音増幅器と高周波バンドパスフィルタによって構成される部分には、弾性表面波増幅器のみを用いた。以上のようにして作製した携帯電話のＲＦ部の受信回路に、π／４ＱＰＳＫ変調のかかったＲＦ信号を信号発生器から与え、受信後のＩＱ出力信号をベクトルシグナルアナライザ（Yokokawa Hewlett Parckard 89441A）を用いて復調誤差を測定した。その結果、入力信号の強度が−１０〜−１０２ｄＢｍのとき最大のエラーベクトルの大きさは１６％ｒｍｓであった。また、入力データと復調後のデータを比較した結果、復調されたデータに誤りはなかった。また、弾性表面波増幅器の雑音指数および増幅度を雑音指数計（Yokokawa Hewlett Packard 8970B）および雑音源（Yokokawa Hewlett Packard 346B）を用いて測定した。その結果、８１０ＭＨｚでは雑音指数２.５ｄＢ、増幅度１４ｄＢであり、８２６ＭＨｚでは雑音指数３ｄＢ、増幅度１２ｄＢ、８１５ＭＨｚでは雑音指数１.８ｄＢ、増幅度１６ｄＢであった。また。通過帯域外の減衰特性をネットワークアナライザを用いて測定した。９４０ＭＨｚでは挿入損失３５ｄＢ、９５６ＭＨｚでは挿入損失４０ｄＢであった。以上より、低雑音増幅器とバンドパスフィルタの代わりに弾性表面波増幅器を用いた受信回路が可能であることが確認できた。さらに本実施例の弾性表面波増幅器を用いれば、高周波低雑音増幅部をモノリシック化することができ、受信回路の部品点数の削減が可能となる。
【実施例１７】
直交変調器、ミクサ、バンドパスフィルタおよび弾性表面波増幅器を用いて携帯電話のＲＦ部の送信回路を作製した。通常、パワーアンプによって構成される部品に本発明の弾性表面波増幅器を用いている。これにπ／４ＱＰＳＫ変調のかかったＲＦ信号を信号発生器から与え、出力信号をベクトルシグナルアナライザを用いて復調誤差を測定した。その結果、中心周波数９４８ＭＨｚにおけるエラーベクトルの大きさは５.５％ｒｍｓであった。また、このときの送信電力は２.２Ｗであった。出力信号のスペクトルをスペクトラムアナライザで測定したところ、日本デジタル方式自動車電話システム標準規格（ＲＣＲ ＳＴＤ−２７）を満足していることを確認した。以上の結果から、従来のパワーアンプの代わりに弾性表面波増幅器を用いて送信回路を作製でき、パワーアンプ部の小型化が可能であることが確認できた。
【実施例１８】
実施例１７と同様な携帯電話のＲＦ部の送信回路をバンドパスフィルタを用いないで作製した。その結果、中心周波数９４８ＭＨｚにおけるエラーベクトルの大きさは、４.０％ｒｍｓであった。また、このときの送信電力は３.２Ｗであり、送信スペクトルはＲＣＲ ＳＴＤ−２７を満足していることを確認した。以上の結果から、従来のパワーアンプモジュールとバンドパスフィルタの代わりに、弾性表面波増幅器を用いて送信回路を作製することができ、パワーアンプおよびバンドパスフィルタのモノリシック化が可能であることが確認できた。
【実施例１９】
通過帯域が８１０〜８２６ＭＨｚの弾性表面波増幅器を受信回路の低雑音増幅器およびバンドパスフィルタの代わりに用い、通過帯域が９４０〜９５６ＭＨＺの弾性表面波増幅器を送信回路のパワーアンプおよびバンドパスフィルタの代わりに用いて送受信回路を作製した。受信部の弾性表面波増幅器は実施例１６と同じものを、送信部の弾性表面波増幅器には、実施例１７と同じものを用いた。アンテナ端子と送信回路および受信回路の間は、送受信分波器を用いないで、特性インピーダンスが５０オームになるように調整したマイクロストリップラインで接続した。この様にして作製した送受信回路の受信特性および送信特性を実施例１６および１７と同様に測定した。受信特性を測定した結果、入力信号の強度が、−１０〜−１０２ｄＢｍのとき最大のエラーベクトルの大きさは１８％ｒｍｓであった。また、この時の復調されたデータに誤りはなかった。また、送信特性を測定した結果、中心周波数９４８ＭＨｚにおけるエラーベクトルの大きさは５.４％ｒｍｓであった。また、このときの送信電力は３.０Ｗであり、送信スペクトルは、ＲＣＲ ＳＴＤ−２７を満足していることが確認できた。以上の結果から、携帯電話のＲＦ部の送受信回路において、低雑音増幅器とバンドパスフィルタの代わり、およびパワーアンプモジュールとバンドパスフィルタの代わりに、および送受信分波器の代わりとして、弾性表面波増幅器を用いた回路が使用可能であることが確認できた。故に、本実施例の送受信回路を用いれば、従来の移動体通信機器のＲＦ部の部品点数を大幅に減少可能となり、携帯機器端末の劇的な小型化、軽量化、および低価格化が実現できる。
【比較例６】
従来のＧａＡｓＦＥＴやコンデンサーなどから形成されているパワーアンプモジュールの典型的な大きさは、２５ｍｍ×１２ｍｍ×３.７ｍｍである。それに対して実施例１７の弾性表面波増幅器は、５ｍｍ×５ｍｍ×２ｍｍであり、本発明により、従来のパワーアンプの大きさを著しく小型化できる。
本発明の弾性表面波機能素子を用いることにより、弾性表面波増幅器の大幅な利得の改善、あるいは弾性表面波コンボルバの効率改善が実現できる。また、本発明の弾性表面波増幅器は、実用的な低電圧で大きな増幅度が得られるため、移動体通信機器などの高周波部に応用が可能となる。しかも、これまでディスクリート素子として使用され、そのサイズも大きかった増幅器やバンドパスフィルタ、あるいは送受信分波器を単一部品で置き換えることも可能になるので、移動体通信機器の小型化、軽量化、薄型化、そして低価格化に大きく貢献できる。
本発明は、圧電体基板を伝搬する弾性表面波と半導体中のキャリアとの相互作用を行わせた弾性表面波増幅器および弾性表面波コンボルバ等の弾性表面波機能素子およびこの機能素子を用いた移動体通信機器の送受信回路等の電子回路に関するものである。
背景技術
近年、携帯電話等の移動体通信機器の小型化、低電圧化、低消費電力化に伴い、携帯機器内部に搭載される素子のモノリシック化が活発に検討されてきた。ところが、高周波部分の素子のうち、バンドパスフィルタや送受信分波器はそのサイズが大きいために他の素子とのモノリシック化の効果はほとんどない。また、パワーアンプは、モノリシック化することがきわめて難しい。それ故、送受信分波器やパワーアンプ、そしてバンドパスフィルタおよびそれより前に配置されている低雑音増幅器などはそれぞれ別々のディスクリート素子として開発され、モジュール化されてきた。これらのディスクリート素子をモジュール化する際には、複数部品を接続する配線やインピーダンスマッチングを取るための回路が形成されており、ユニットとしても非常に大きなサイズになっていた。
一方、弾性表面波を増幅させる研究はこれまでに様々な試みがなされてきた。弾性表面波を増幅するためには、圧電性のある基板表面に弾性表面波を伝搬させ、この波によって生じる電界と半導体中のキャリアを結合させればよいことが知られている。実際の弾性表面波増幅器は、弾性表面波を伝える圧電材料と半導体の組み合わせによって直接型増幅器（図３）、分離型増幅器（図４）、モノリシック型増幅器（図５）の３つに分類される。図３に示すように、第１の直接型増幅器は、ＣｄＳやＧａＡｓのような圧電性と半導体性を同時にもつ基板７の上に入出力電極４、５を設け、基板７の両側に直流電界印加用電極６を設けた構成を用いて弾性表面波を増幅させる構造の増幅器である。しかし、大きな圧電性と大きな移動度を同時にもった圧電性半導体は現在のところ見つかっていない。図４に示すように、第２の分離型増幅器は、大きな圧電性をもった圧電体基板１の上に、移動度の大きな半導体層３'が空隙８を介して配置し、該圧電体基板１の上に入出力電極４、５を設け、該半導体層３'の両側に直流電界印加用電極６を設けた構造の増幅器である。この型の増幅器は、半導体と圧電体基板の表面の平坦性と空隙の大きさが増幅度に大きく影響する。実用に耐える増幅度を得るためには、空隙をできるだけ小さくし、しかも動作領域にわたって一定に保つ必要があり、工業的な生産は極めて難しい。一方、図５に示す第３のモノリシック型増幅器は、圧電体基板１の上に半導体層３'を誘電体膜９を介して空隙を持たずに形成し、該圧電体基板１上に入出力電極４、５を設け、該半導体層３'の両側面に直流電界印加用電極６を設けた構造の増幅器である。モノリシック型増幅器は高利得が得られ、高周波化も可能であり、大量生産にも向いていると言われている。ただし、これらの弾性表面波増幅器を携帯電話などの移動体通信機器への応用を検討した例はない。
しかしながら、モノリシック型増幅器を実現するためには、圧電体基板の上に良好な電気特性を有する半導体膜を形成させ、しかも弾性表面波と半導体のキャリアとの相互作用を効率よく行わせるために、該半導体膜を薄膜化させる必要がある。１９７０年代の東北大・山之内らの研究（Yamanouchi K. et. al., Proceedings of the IEEE, 75, P726 (1975)）によれば、ＬｉＮｂＯ3基板上にＳｉＯを３０ｎｍコートし、その上にＩｎＳｂ薄膜５０ｎｍを蒸着した構造で、ＩｎＳｂの電子移動度として１６００ｃｍ2／Ｖｓが得られ、この膜を使った弾性表面波の増幅器では１１００Ｖの直流電圧を印加し、中心周波数１９５ＭＨｚで正味利得４０ｄＢの増幅度が得られた。また、彼らは理論的計算から、５０ｎｍという薄いＩｎＳｂ薄膜においては、キャリアの表面散乱により電子移動度は３０００ｃｍ2／Ｖｓが最大であると予測していた（山之内ら、信学技報、ＵＳ７８−１７、ＣＰＭ７８−２６，Ｐ１９（１９７８））。即ち、モノリシック型増幅器には、圧電体基板の上に良好な電気特性を持った薄膜の半導体層を形成することが極めて困難であるという問題点があった。また、これまでの構造では、ＬｉＮｂＯ3基板からの酸素の拡散によるＩｎＳｂの劣化およびＬｉＮｂＯ3基板表面の劣化を防ぐためにＳｉＯなどの誘電体膜が必要であった。さらに、携帯機器の高周波部の増幅器とバンドパスフィルタの機能として弾性表面波増幅器を用いる場合には、３〜６Ｖの駆動電圧で増幅効果がなければ使用できない。従来のモノリシック型増幅器では、大電圧が必要であり、低電圧駆動が可能な弾性表面波増幅器は存在していなかった。また、弾性表面波増幅器と同様に弾性表面波と電子の相互作用を利用した弾性表面波コンボルバについても利得が不十分という問題があった。
一般に弾性表面波増幅器の増幅度Ｇは次式で与えられる。
そこで、本発明者らが鋭意検討を行った結果、圧電体基板としで３層以上の多層圧電体薄膜基板を用いることにより、バルクよりはるかに大きなｋ 2 が実現できることを見出した。また、圧電体基板と活性層の間に緩衝層をはさむことにより、薄膜でしかも電気特性の良好な活性層が得られることを見出した。さらに、該半導体層や該圧電体薄膜基板を用いて弾性表面波増幅器を作製し、実用的な低電圧で良好な増幅度が得られることを確認し、本発明を完成した。しかも、本発明の圧電体基板と活性層の間に緩衝層をはさんだ半導体層により、活性層の電子移動度として５０００ｃｍ2／Ｖｓ以上を実現した。即ち、本発明は、圧電体基板と、該圧電体基板上に入力電極と出力電極があり、上記圧電体基板が少なくとも２種類以上の異なった電気機械結合定数を有する３層以上の多層圧電体より成り、上記多層圧電体の多層の中心部の圧電体膜が最も大きい電気機械結合定数を有していることを特徴とする弾性表面波機能素子である。これにより、効率的に表面に弾性表面波のエネルギーが集中しやすくなり、それぞれの層を構成する圧電体単独の電気機械結合定数よりはるかに大きな電気機械結合定数を実現できる。
このような弾性表面波機能素子においては、特に、上記入出力電極の間に半導体層があることが望ましく、上記半導体層が、活性層と該活性層に格子整合する緩衝層より成ることがさらに望ましい。ここで、活性層というのは、伝播してきた弾性表面波を半導体中のキャリアのエネルギーによって励起させる層をいう。
本発明において、活性層のきわめて良好な電気特性を薄膜において実現できたのは、圧電体基板と活性層の間に緩衝層を挿入することにより、活性層の結晶性を向上させることができたことによる。さらに、活性層を構成している結晶の格子定数を一致、もしくは近い値とすることにより、活性層の結晶性をさらに向上させることができ、薄膜でも該活性層の電気特性が飛躍的に向上することを見出した。さらに、本発明の緩衝層として、Ｓｂを含有する化合物半導体を用いることにより、さらに良好な電気特性が得られることを見いだした。また、本発明の緩衝層は、高抵抗でかつ該緩衝層の中での弾性表面波の減衰が小さいという特徴がある。そして、本発明の緩衝層は、圧電体基板上にＳｉＯなどの誘電体膜がなくても、圧電体基板からの酸素による活性層の劣化を防止でき、また、低温で成長できるため、圧電体基板も劣化させないという優れた特徴を有している。
本発明の多層圧電体層を用いた弾性表面波増幅器において、大きな増幅効果を得ることができた。また、本発明の半導体層を用いた弾性表面波増幅器において、携帯電話などに使用できる実用的な低電圧ではじめて増幅効果を得ることができた。
さらに、本発明の弾性表面波コンボルバについても、半導体層の高電子移動度化により、電子とコンボリューションされた表面波の相互作用が強くなり、従来構造より大きな利得が得られた。
さらに本発明の実用的な低電圧で大きな増幅度を有する弾性表面波機能素子を移動体通信機器等のバンドパスフィルタおよび低雑音増幅器、あるいはバンドパスフィルタおよびパワーアンプ、あるいはバンドパスフィルタおよび増幅器および送受信分波器のデバイスとして用いれば、移動体通信機器の小型化、薄型化、軽量化に絶大な効果を発揮できる。故に、このような携帯電話、およびコードレス電話等の移動体通信機器の送受信回路において、増幅器およびバンドパスフィルタ、または増幅器およびバンドパスフィルタおよび送受信分波器として、高増幅度の弾性表面波機能素子が構成されていることを特徴とする移動体通信機器送信または受信回路も本発明の範囲内である。
以下に本発明をさらに詳細に説明する。図１が本発明の基本となる弾性表面波機能素子である。図１Ａが弾性表面波機能素子の断面図であり、図１Ｂが弾性表面波機能素子の斜視図である。１が圧電体基板、２が緩衝層、３が活性層、４が入力用電極、５が出力用電極である。
本発明によれば、圧電体基板１上に間隔をあけて入力電極４と出力電極５が配置され、これら入出力電極４、５の間に緩衝層２を介して活性層３が設けられている。
本発明における圧電体基板１は、圧電体単結晶でも圧電体薄膜基板でもよい。圧電体単結晶基板は酸化物系圧電体基板が好ましく、例えば、ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3やＬｉ2Ｂ4Ｏ7等が好ましく用いられる。また、６４°Ｙカット、４１°Ｙカット、１２８°Ｙカット、ＹカットのＬｉＮｂＯ3や３６°ＹカットのＬｉＴａＯ3などの基板カット面を用いることも好ましい。圧電体薄膜基板は、サファイアやＳｉ等の単結晶基板の上に圧電体薄膜が形成されたものであり、圧電体薄膜として例えば、ＺｎＯ、ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＰＺＴ、ＰｂＴｉＯ3、ＢａＴｉＯ3やＬｉ2Ｂ4Ｏ7などは好ましく用いられる薄膜材料である。また、Ｓｉ基板と上記圧電体薄膜との間にＳｉＯやＳｉＯ2などの誘電体膜が挿入されていてもよい。さらに圧電体薄膜基板として、サファイアやＳｉ等の単結晶基板の上に、上記圧電体薄膜の異なる種類の薄膜が交互に積み重ねられたような多層積層膜を形成していてもよい。
本発明の圧電体基板１として、少なくとも２種以上の異なった電気機械結合定数を有する３層以上の多層圧電体より成り、該多層圧電体の多層の中心部の圧電体膜が最も大きな電気機械結合定数の圧電体膜であることを特徴とする圧電体基板を用いれば、その材料組成によらず、きわめて大きな電気機械結合定数を実現できる。その理由は次の通りであると考えられる。すなわち、弾性表面波（以下、ＳＡＷ）のエネルギーは、通常ＳＡＷの１波長以内の深さに集中する。本願発明の圧電体薄膜基板においては、ｋ2の大きな材料がｋ2の小さな材料で挟まれ、かつｋ2の大きな材料層が、ＳＡＷ１波長以内に含まれるような膜厚に調整されている。そうすることによって、ＳＡＷのエネルギーはｋ2の大きな材料層全体に広がり、あたかもバルク波のように振る舞う（バルク波のｋ2は表面波のｋ2より１０倍以上大きい）。しかも、ｋ2の小さな材料層がＳＡＷエネルギーを外部に拡散するのを防ぐ役割をするため、よりいっそうエネルギーはｋ2の大きな材料層に集中すると考えられる。よって、本願発明の圧電体薄膜基板においては、圧電体単独のｋ2よりはるかに大きなｋ2が実現できた。
前記多層圧電体基板について、図２を参照して、３層構造の例を以下に詳細に説明する。本発明の多層圧電体基板２０は、圧電体基板２１の上に第１圧電体膜２２があり、さらにその上に第２圧電体膜２３がある構造である。圧電体基板２１は上述の圧電体基板１と同じものを用いることができる。ただし、次の条件を満たす必要がある。それぞれ圧電体基板２１、第１圧電体膜２２および第２圧電体膜２３の電気機械結合定数を順に、ｋ、ｋ1およびｋ2とし、さらに圧電体基板２１、第１圧電体膜２２および第２圧電体膜２３のレーリー波の速度を順にＶ，Ｖ1およびＶ2とする。さらに該第１圧電体膜２２の膜厚をｈ1、該第２圧電体膜２３の膜厚をｈ2とする。ここで、ｋ1はｋおよびｋ2より大きいことが必要であり、好ましくは１.２倍以上であり、より好ましくは２倍以上である。さらに、ｋ1がｋおよびｋ2より大きく、かつ、Ｖ1がＶおよびＶ2より大きいとき、より大きな電気機械結合定数が得られる。Ｖ1がＶおよびＶ2より、１００ｍ／ｓ以上大きいことが好ましく、２５０ｍ／ｓ以上大きいとさらに好ましい。また、ｈ1は通常、３０ｎｍ以上２０μｍ以下の範囲であり、より好ましくは、８０ｎｍ以上５μｍ以下であり、さらに好ましくは、１００ｎｍ以上２μｍ以下である。通常、ｈ1／ｈ2は０.１以上５００以下であり、好ましくは０.１５以上５０以下であり、さらに好ましくは０.５以上２１以下である。また、弾性表面波の波長をλとしたとき、通常は、ｈ1／λが１以下かつｈ2／λが１以下であり、好ましくは、ｈ1／λが０.５以下かつｈ2／λが０.４以下、より好ましくは、ｈ1／λが０.２５以下かつｈ2／λが０.２５以下である。
本発明の電気機械結合定数の大きな多層圧電体基板２０は、弾性表面波増幅器や弾性表面波コンボルバだけではなく、弾性表面波フィルタや弾性表面波共振器などの弾性表面波素子の特性向上にも極めて好ましく用いられる。
本発明の半導体層を構成している活性層は、電子移動度が大きいものが好ましく用いられる。活性層として、例えば、ＧａＡｓ、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＰｂＴｅなどが好ましい例である。また２元系だけでなく、これら２元系を組み合わせた３元混晶や４元混晶も好ましく用いられる。例えば、ＩｎxＧａ1-xＡｓ、ＩｎＡｓyＳｂ1-y、ＩｎzＧａ1-zＳｂなどが３元混晶、ＩｎxＧａ1-xＡｓyＳｂ1-yなどが４元混晶の例である。これらの活性層の中でも、Ｉｎを含んだＩｎＡｓやＩｎＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＧａＳｂ、ＩｎＧａＡｓＳｂなどが非常に高い電子移動度を有しているため、より好ましく用いられる。また、活性層は、異なる組成の半導体膜が積層された多層積層膜が形成されていてもよい。活性層の電子移動度は弾性表面波増幅器の増幅度を大きくするために５０００ｃｍ2／Ｖｓ以上が好ましく、極めて良好な増幅度を得るためには１００００ｃｍ2／Ｖｓ以上の電子移動度を有していることがより好ましい。この高電子移動度を得るために、活性層の組成として、ＩｎxＧａ1-xＡｓのｘは、０≦ｘ≦１.０が可能だが、０.５≦ｘ≦１.０が好ましく、０.８≦ｘ≦１.０がより好ましい範囲である。ＩｎＡｓyＳｂ1-yのｙは、０≦ｙ≦１.０の範囲で高電子移動度が可能であり、０.５≦ｙ≦１.０がより好ましい。ＩｎｚＧａ1-zＳｂのｚは、０.５≦ｚ≦１.０が好ましく、０.８≦ｚ≦１.０がより好ましい範囲である。
また、活性層の膜厚ｈについては、ｈが５ｎｍ以下になると活性層の結晶性が悪くなり、高い電子移動度が得られない。また、逆にｈが５００ｎｍ以上になると活性層が低抵抗化すると同時に、弾性表面波とキャリアの相互作用効率が低下してしまう。即ち、高電子移動度を実現し、弾性表面波とキャリアとの相互作用を効率よく行うために、活性層の膜厚ｈは、５ｎｍ≦ｈ≦５００ｎｍである必要があり、好ましくは、１０ｎｍ≦ｈ≦３５０ｎｍであり、より好ましくは１２ｎｍ≦ｈ≦２００ｎｍの範囲である。さらに、活性層の面抵抗値は、１０Ω以上が好ましく、より好ましくは５０Ω以上であり、さらに好ましくは１００Ω以上である。
本発明における圧電体基板の上に形成される緩衝層は絶縁性もしくは半絶縁性であるのが好ましいが、これらに準じた高い抵抗値を有するものであればよい。例えば、緩衝層の抵抗値が活性層の少なくとも５〜１０倍以上高く、好ましくは１００倍以上、より好ましくは１０００倍以上高いものであればよい。
高抵抗な緩衝層として、例えば、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＺｎＴｅやＣｄＴｅなどの２元系、ＡｌＧａＳｂ、ＡｌＡｓＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＡｌＩｎＳｂなどの３元系、ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＡｌＩｎＧａＳｂ、ＡｌＩｎＡｓＳｂ、ＡｌＩｎＰＳｂやＡｌＧａＰＳｂなどの４元系が好ましい例である。また、これらの緩衝層の組成を決める際に、活性層を構成している結晶の格子定数と同じか、もしくは近い値を有する組成に調整することで、活性層のより大きな電子移動度を実現できる。ここで格子定数が近いというのは、活性層を構成する結晶の格子定数と緩衝層を構成する結晶の格子定数との違いが±７％以下、より好ましくは±５％以下、さらに好ましくは±２％以下をいう。
また、実際に圧電体基板１の上に、緩衝層２を形成する工程において、特にＳｂ含有の緩衝層２は格子緩和がきわめて速く、圧電体基板１との格子不整が大きくても緩衝層２の超薄膜を成長するだけで格子乱れは緩和し、緩衝層２を構成している結晶独自の格子定数で成長をはじめる。そして活性層３を成長する直前には、緩衝層２の表面状態はきわめて良好となり、その上に形成される活性層３の結晶性を大きく向上させることができる。故にＳｂを含んだ化合物半導体は、緩衝層２として特に好ましく用いられる。
緩衝層２の膜厚は、結晶性の面から見れば厚いほど良いが、弾性表面波とキャリアの相互作用のしやすさの面から見ると薄いほど好ましい。即ち、緩衝層２の膜厚ｈ3は、１０ｎｍ≦ｈ3≦１０００ｎｍが好ましく、２０ｎｍ≦ｈ3≦５００ｎｍがより好ましい範囲である。
さらに、本発明の緩衝層２は、低温で成長できるため、圧電体基板１が酸素抜けなどによって劣化することもなく、また、緩衝層２の上に形成される活性層３に対しても圧電体基板１からの酸素抜けなどによる劣化を防止でき、圧電体基板１および活性層３の保護層として機能させることも大きな特徴である。よって従来から用いられてきたＳｉＯやＳｉＯ2などの誘電体膜による保護層が不要になる。
しかし、圧電体基板１と緩衝層２との間に誘電体膜が挿入されていても問題はない。誘電体膜としては、例えば、ＳｉＯ、ＳｉＯ2、窒化シリコン、ＣｅＯ2、ＣａＦ2、ＢａＦ2、ＳｒＦ2、ＴｉＯ2、Ｙ2Ｏ3、ＺｒＯ2、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3などが用いられる。誘電体膜の膜厚は薄いほうがよいが、１００ｎｍ以下が好ましく、５０ｎｍ以下がより好ましい。
また、本発明の緩衝層２は、図５に示すような従来のモノリシック型増幅器の圧電体基板１と活性層３'の中間に挿入されているＳｉＯなどの誘電体膜９と比べて、活性層に格子整合していると同時に半導体でありながら、大きな誘電率を示し、かつ高い抵抗値を有している。よって、本発明の緩衝層２中での弾性表面波の電界の減衰は小さく、弾性表面波の電界と活性層３中のキャリアとの相互作用が、より効率的に生じ易く、また従来の誘電体膜９より厚くすることも可能である。
さらに活性層３の保護の目的で活性層の上に保護膜として誘電体膜や半導体膜が積層されていてもよい。誘電体膜としては前記の組成のものを用いることができる。半導体膜としては、前記緩衝層と同じ組成のものが使用できる。
緩衝層２や活性層３などの成膜は、一般に薄膜が成長できる方法であれば何でもよいが、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法や、有機金属分子線エピタキシー（ＭＯＭＢＥ）法、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法や原子層エピタキシー（ＡＬＥ）法は特に好ましい方法である。
また、本発明の圧電体基板１上の入出力電極４、５はすだれ状構造であり、通常の弾性表面波フィルタに使用される、アポダイズ電極、間引き電極、一方向性電極、正規型電極等が好ましく用いられる。中でも一方向性電極は、弾性表面波の双方向性による損失分を軽減できるため、特に好ましく用いられる。入出力電極４、５の材質には特に制限はないが、例えば、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｌ−Ｔｉ合金、Ａｌ−Ｃｕ合金、ＡｌとＴｉの多層電極等が好ましく用いられる。
本発明の入出力電極４、５を覆う形で緩衝層２が形成される場合には、まず始めに入出力電極４、５を形成するので、半導体薄膜の凹凸を考慮する必要もなく、コンタクト露光でサブミクロン以下の電極微細加工が可能になる。
ただし、入出力電極４、５は緩衝層２に埋め込まれるため、該緩衝層２を形成中に、変形、溶融、拡散などのできるだけ小さな電極材料を選ぶ必要がある。例えば、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗなどが好ましい。また、Ｔｉ−Ｐｔ、Ｔｉ−Ａｌ、Ｔｉ−Ａｕ、Ｃｒ−Ａｕ、Ｃｒ−Ｐｔなどの多層電極も好ましく用いられる。
本発明の弾性表面波増幅器において、前記半導体層に直流電界を印加するための電極６に使用される材料については、特に制限はないが、例えば、Ａｌ、Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｕ、Ｃｕ／Ｎｉ／Ａｕ、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕなどが好ましく用いられる。
本発明の弾性表面波機能素子をパワーアンプなどの高耐電力性が要求される部分に用いる場合には、入力用電極４および出力用電極５は大電力、例えば数Ｗ程度の電力に耐える電極材料を用いる必要がある。例えば、エピタキシャルＡｌ膜、Ａｌ−Ｃｕ膜、Ａｌ−Ｃｕ／Ｃｕ／Ａｌ−Ｃｕ積層膜、Ｔｉ添加Ａｌ膜、Ｃｕ添加Ａｌ膜、Ｐｄ添加Ａｌ膜などの高耐電力電極材料が好ましく用いられる。
本発明の弾性表面波増幅器において、前記入出力電極４、５の間の半導体層が、２つ以上連なっており、しかも弾性表面波の伝搬方向とは逆方向に移動するキャリアを取り除くような構造、あるいは半導体層間の活性層３を取り除くような構造を形成することにより、低電圧で高増幅度が実現できる。例えば、図６に示すように、半導体層をメサエッチングにより分離したり、またメサエッチングした後に半導体層間に誘電体（図示しない）を埋め込むことによって逆電界によって逆方向に移動するキャリアを取り除くことができる。
本発明の弾性表面波コンボルバにおいては、前記圧電体基板上に形成された電極は２つの入力電極として使用され、さらにコンボリューションされた表面波は、半導体層の上部および圧電体基板の下部に形成された取り出し電極から取り出される。取り出し電極の電極材料は、特に制限はない。例えば、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｃｕなどが好ましく用いられる。
図７に模式図を示す従来の携帯電話のＲＦ部では、アンテナ１０に送受分波器１１が接続され、この送受分波器１１に受信用アンプ１２、送信用アンプ１３が接続され、これら送受信アンプ１２、１３にはそれぞれバンドパスフィルタ１４が接続されている。これに対して、本発明の高増幅度の弾性表面波機能素子を用いれば、図８に示すように、アンテナ１０に受信用弾性表面波増幅器１５と送信用弾性表面波増幅器１６とが接続されるだけである。従って、本発明では、ＲＦ部の部品点数が減少でき、しかも各部品の小型化、軽量化、薄型化が達成できる。即ち本発明によって、携帯機器端末の小型化、軽量化、そして低価格化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
図１Ａは、本発明の一実施例に従う弾性表面波機能素子の断面図である。
図１Ｂは、本発明の一実施例に従う弾性表面波機能素子の斜視図である。
図２は、本発明の多層圧電体基板の断面図である。
図３は、従来の直接型増幅器の断面図である。
図４は、従来の分離型増幅器の断面図である。
図５は、従来のモノリシック型増幅器の断面図である。
図６は、本発明の一実施例に従う半導体層分離型弾性表面波増幅器の断面図である。
図７は、携帯電話のＲＦ部の模式図である。
図８は、本発明による送受信分波器や送受信アンプを用いずに形成された送信および受信回路の模式図である。
図９は、入出力電極が緩衝層に埋め込まれた形の弾性表面波増幅器の断面図である。
図１０は、多層圧電体基板を用いた弾性表面波増幅器の断面図である。
図１１は、本発明の一実施例に従う弾性表面波コンボルバの断面図である。
発明を実施するための最良の形態
以下に本発明を具体的な実施例により述べる。
【実施例１】
直径３インチの６４度ＹカットＬｉＮｂＯ3単結晶基板の上にＳｉＯ2 １０ｎｍを蒸着したのち、ＭＢＥ法により、緩衝層として、Ａｌ0.38Ｉｎ0.62Ｓｂを１５０ｎｍ成長させ、次に活性層としてＩｎＳｂを５０ｎｍ成長させたのち、保護層としてＧａＳｂを２ｎｍ成長させ半導体層を得た。この半導体層の電子移動度は、３２０００ｃｍ2／Ｖｓであった。なお、半導体層の電子移動度は、Ｖａｎ ｄｅｒ Ｐａｕｗ法により測定した。
次に所定の位置の半導体層をエッチングにより除き、圧電体基板を露出させた。その圧電体基板表面に入出力電極としてすだれ状のＡｌ電極をリソグラフィプロセスによって形成した。電極はピッチが０.７５μｍの正規型電極とし、伝搬長は３００μｍとした。引き続き活性層に直流電界印加用の電極を形成した。弾性表面波の伝搬長は、弾性表面波の波長の整数倍に形成することが好ましい。
次に、弾性表面波増幅器の特性を測定した。増幅度の評価は、ネットワークアナライザー（Yokokawa Hewlett Packard, 8510B）で、電界印加後の利得（または挿入損失）と電界印加前の挿入損失の差から求めた。本実施例１の弾性表面波増幅器を評価した結果、その増幅度は、直流印加電圧３Ｖ、中心周波数１５２０ＭＨｚで２２ｄＢであった。この値は、携帯機器の高周波部の低雑音増幅器とバンドパスフィルタの部分に用いる場合に良好な増幅度であり、しかもモノリシック化された単一素子で形成されているため、携帯機器の小型化や配線によるリターンロスの低減化が実現できる。以上の結果から、緩衝層は、１５０ｎｍの膜厚で活性層と圧電体基板の間に存在するが、弾性表面波の電界強度の緩衝層中での減衰は、実用レベルで問題のない程度であることが確認できた。
【実施例２】
実施例１のサンプルを用いて、所定の位置の半導体層をエッチングにより除き、圧電体基板を露出させた。その圧電体基板表面に入出力電極としてすだれ状のＡｌ電極をリソグラフィプロセスによって形成した。電極はピッチが１.４μｍの正規型電極とし、伝搬長は、２８０μｍとした。引き続き活性層に直流電界印加用の電極を形成した。
次に、弾性表面波増幅器の特性を測定した。増幅度の評価は、実施例１と同様の方法で行った。実施例２の弾性表面波増幅器を評価した結果、その増幅度は、直流印加電圧３Ｖ、中心周波数８００ＭＨｚで１２ｄＢであった。この値は、携帯機器の高周波部の低雑音増幅器とバンドパスフィルタの部分に用いる場合に良好な増幅度である。
【比較例１】
実施例２の比較として、比較例１を示す。直径３インチの６４度ＹカットＬｉＮｂＯ3単結晶基板の上にＳｉＯ2１０ｎｍを蒸着した。さらにＭＢＥ法により、活性層としてＩｎＳｂを５０ｎｍ成長させたのち、保護層としてＧａＳｂを２ｎｍ成長させた。そしてこの積層膜の電気特性を測定したが、本比較例では活性層であるＩｎＳｂを直接、圧電体基板の上に形成したために、活性層の結晶性が悪く、電子移動度は１７００ｃｍ2／Ｖｓにすぎなかった。
次に所定の位置の半導体層をエッチングにより除き、圧電体基板を露出させた。その圧電体基板表面に入出力電極としてすだれ状のＡｌ電極をリソグラフィプロセスによって形成した。電極はピッチが１.４μｍの正規型電極とし、伝搬長は、２８０μｍとした。引き続き活性層に直流電界印加用の電極を形成した後、弾性表面波増幅特性を実施例２と同様に測定したが、増幅はみられなかった。
【実施例３】
直径３インチの６４度ＹカットＬｉＮｂＯ3単結晶基板の上にＳｉＯ2１０ｎｍを蒸着したのち、ＭＢＥ法により、緩衝層としてＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｓｂを２００ｎｍ成長させ、次に活性層としてＩｎＡｓ0.5Ｓｂ0.5を６０ｎｍ成長させたのち、保護層としてＧａＳｂを２ｎｍ成長させ半導体層を得た。この半導体層の電子移動度は、３００００ｃｍ2／Ｖｓであった。
次に所定の位置の半導体層をエッチングにより除き、圧電体基板を露出させた。その圧電体基板表面に入出力電極としてすだれ状のＡｌ電極をリソグラフィプロセスによって形成した。電極はピッチが０.６μｍの正規型電極とし、伝搬長は、２４０μｍとした。引き続き活性層に直流電界印加用の電極を形成した。
次に弾性表面波増幅器の特性を測定した。増幅度の評価は、実施例１と同様の方法で行った。実施例３の弾性表面波増幅器を評価した結果、その増幅度は直流印加電圧３Ｖ、中心周波数１９００ＭＨｚで２６ｄＢであった。この値は、携帯機器の高周波部の低雑音増幅器とバンドパスフィルタの部分に用いる場合に極めて良好な増幅度である。
【実施例４】
直径３インチの６４度ＹカットＬｉＮｂＯ3単結晶基板の上にＳｉＯ2１０ｎｍを蒸着したのち、ＭＢＥ法により、緩衝層としてＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｓｂを１５０ｎｍ成長させ、次に活性層としてＩｎＡｓ0.5Ｓｂ0.5を５０ｎｍ成長させたのち、保護層としてＧａＳｂを２ｎｍ成長させ半導体層を得た。この半導体層の電子移動度は、２０９００ｃｍ2／Ｖｓであった。
次に所定の位置の半導体層をエッチングにより除き、圧電体基板を露出させた。その圧電体基板表面に入出力電極としてすだれ状のＡｌ電極をリソグラフィプロセスによって形成した。電極はピッチが０.７５μｍの正規型電極とし、伝搬長は、３００μｍとした。引き続き活性層に直流電界印加用の電極を形成した。
次に、弾性表面波増幅器の特性を測定した。増幅度の評価は、実施例１と同様の方法で行った。実施例４の弾性表面波増幅器を評価した結果、その増幅度は、直流印加電圧３Ｖ、中心周波数１５３０ＭＨｚで１３ｄＢであった。この値は、携帯機器の高周波部の低雑音増幅器とバンドパスフィルタの部分に用いる場合に良好な増幅度である。
【実施例５】
直径３インチの６４度ＹカットＬｉＮｂＯ3単結晶基板の上にＳｉＯ2１０ｎｍを蒸着したのち、ＭＢＥ法により、緩衝層としてＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｓｂを１００ｎｍ成長させ、次に活性層としてＩｎＡｓ0.5Ｓｂ0.5を２００ｎｍ成長させたのち、保護層としてＧａＳｂを２ｎｍ成長させ半導体層を得た。この半導体層の電子移動度は、３２０００ｃｍ2／Ｖｓであった。
次に所定の位置の半導体層をエッチングにより除き、圧電体基板を露出させた。その圧電体基板表面に入出力電極としてすだれ状のＡｌ電極をリソグラフィプロセスによって形成した。電極はピッチが０.７５μｍの正規型電極とし、伝搬長は、３００μｍとした。引き続き活性層に直流電界印加用の電極を形成した。
次に、弾性表面波増幅器の特性を測定した。増幅度の評価は、実施例１と同様の方法で行った。実施例５の弾性表面波増幅器を評価した結果、その増幅度は、直流印加電圧６Ｖ、中心周波数１５０５ＭＨｚで６ｄＢであった。６Ｖという低電圧で増幅効果が得られた。
【比較例２】
実施例４の比較として、比較例２を示す。直径３インチの６４度ＹカットＬｉＮｂＯ3単結晶基板の上にＳｉＯ2１０ｎｍを蒸着したのち、ＭＢＥ法により、活性層としてＩｎＡｓ0.5Ｓｂ0.5を５０ｎｍ成長させたのち、保護層としてＧａＳｂを２ｎｍ成長させた。この積層膜の電気特性を測定したが、本比較例では活性層であるＩｎＡｓ0.5Ｓｂ0.5を直接、圧電体基板の上に形成したために、活性層の結晶性が悪く、電子移動度は、１２００ｃｍ2／Ｖｓにすぎなかった。
次に所定の位置の半導体層をエッチングにより除き、圧電体基板を露出させた。その圧電体基板表面に入出力電極としてすだれ状のＡｌ電極をリソグラフィプロセスによって形成した。電極はピッチが０.７５μｍの正規型電極とし、伝搬長は、３００μｍとした。引き続き活性層に直流電界印加用の電極を形成した後、弾性表面波増幅特性を測定したが、増幅はみられなかった。
【実施例６】
直径３インチの６４度ＹカットＬｉＮｂＯ3単結晶基板の上にＳｉＯ2１０ｎｍを蒸着したのち、ＭＢＥ法により、緩衝層としてＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｓｂを１５０ｎｍ成長させ、次に活性層としてＩｎＡｓを３５０ｎｍ成長させたのち、保護層としてＧａＳｂを２ｎｍ成長させ半導体層を得た。この半導体層の電子移動度は、２２０００ｃｍ2／Ｖｓであった。
次に所定の位置の半導体層をエッチングにより除き、圧電体基板を露出させた。その圧電体基板表面に入出力電極としてすだれ状のＡｌ電極をリソグラフィプロセスによって形成した。電極はピッチが０.６μｍの正規型電極とし、伝搬長は、２４０μｍとした。引き続き活性層に直流電界印加用の電極を形成した。
次に、弾性表面波増幅器の特性を測定した。増幅度の評価は、実施例１と同様の方法で行った。実施例６の弾性表面波増幅器を評価した結果、その増幅度は、直流印加電圧６Ｖ、中心周波数１５００ＭＨｚで２ｄＢであった。６Ｖという低電圧で増幅効果が得られた。
【実施例７】
直径３インチの６４度ＹカットＬｉＮｂＯ3単結晶基板の上にＳｉＯ2１０ｎｍを蒸着したのち、ＭＢＥ法により、緩衝層としてＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ0.12Ｓｂ0.88を１５０ｎｍ成長させ、次に活性層としてＩｎＡｓを５０ｎｍ成長させたのち、保護層としてＧａＳｂを２ｎｍ成長させ半導体層を得た。この半導体層の電子移動度は、１３０００ｃｍ2／Ｖｓであった。
次に所定の位置の半導体層をエッチングにより除き、圧電体基板を露出させた。その圧電体基板表面に入出力電極としてすだれ状のＡｌ電極をリソグラフィプロセスによって形成した。電極はピッチが１.４μｍの正規型電極とし、伝搬長は、５６０μｍとした。引き続き活性層に直流電界印加用の電極を形成した。
次に、弾性表面波増幅器の特性を測定した。増幅度の評価は、実施例１と同様の方法で行った。実施例７の弾性表面波増幅器を評価した結果、その増幅度は、直流印加電圧５Ｖ、中心周波数８１０ＭＨｚで６ｄＢであった。５Ｖという低電圧で増幅効果が得られた。
【実施例８】
直径３インチの６４度ＹカットＬｉＮｂＯ3単結晶基板の上にＳｉＯ2１０ｎｍを蒸着したのち、ＭＢＥ法により、緩衝層としてＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ0.12Ｓｂ0.88を１５０ｎｍ成長させ、次に活性層としてＩｎＡｓを２０ｎｍ成長させたのち、保護層としてＧａＳｂを２ｎｍ成長させ半導体層を得た。この半導体層の電子移動度は、８０００ｃｍ2／Ｖｓであった。
次に所定の位置の半導体層をエッチングにより除き、圧電体基板を露出させた。その圧電体基板表面に入出力電極としてすだれ状のＡｌ電極をリソグラフィプロセスによって形成した。電極はピッチが１.４μｍの正規型電極とし、伝搬長は、５６０μｍとした。引き続き活性層に直流電界印加用の電極を形成した。
次に、弾性表面波増幅器の特性を測定した。増幅度の評価は、実施例１と同様の方法で行った。実施例８の弾性表面波増幅器を評価した結果、その増幅度は、直流印加電圧６Ｖ、中心周波数８３５ＭＨｚで３ｄＢであった。６Ｖという低電圧で増幅効果が得られた。
【実施例９】
直径３インチの６４度ＹカットＬｉＮｂＯ3単結晶基板の上にＳｉＯ2１０ｎｍを蒸着したのち、ＭＢＥ法により、緩衝層としてＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ0.12Ｓｂ0.88を１５０ｎｍ成長させ、次に活性層としてＩｎＡｓを１０ｎｍ成長させたのち、保護層としてＧａＳｂを２ｎｍ成長させ半導体層を得た。この半導体層の電子移動度は、５０００ｃｍ2／Ｖｓであった。
次に所定の位置の半導体層をエッチングにより除き、圧電体基板を露出させた。その圧電体基板表面に入出力電極としてすだれ状のＡｌ電極をリソグラフィプロセスによって形成した。電極はピッチが０.７５μｍの正規型電極とし、伝搬長は、３００μｍとした。引き続き活性層に直流電界印加用の電極を形成した。
次に、弾性表面波増幅器の特性を測定した。増幅度の評価は、実施例１と同様の方法で行った。実施例９の弾性表面波増幅器を評価した結果、その増幅度は、直流印加電圧６Ｖ、中心周波数１５６０ＭＨｚで４ｄＢであった。６Ｖという低電圧で増幅効果が得られた。
【比較例３】
実施例７の比較として、比較例３を示す。直径３インチの６４度ＹカットＬｉＮｂＯ3単結晶基板の上にＳｉＯ2１０ｎｍを蒸着したのち、ＭＢＥ法により、活性層としてＩｎＡｓを５０ｎｍ成長させたのち、保護層としてＧａＳｂを２ｎｍ成長させ半導体層を得た。そしてこの半導体層の電気特性を測定したが、本比較例では活性層であるＩｎＡｓを直接、圧電体基板の上に形成したために、活性層の結晶性が悪く、電子移動度は、９００ｃｍ2／Ｖｓにすぎなかった。
次に所定の位置の半導体層をエッチングにより除き、圧電体基板を露出させた。その圧電体基板表面に入出力電極としてすだれ状のＡｌ電極をリソグラフィプロセスによって形成した。電極はピッチが１.４μｍの正規型電極とし、伝搬長は、５６０μｍとした。引き続き活性層に直流電界印加用の電極を形成した後、弾性表面波増幅特性を測定したが、増幅はみられなかった。
【実施例１０】
直径３インチの１２８度ＹカットＬｉＮｂＯ3単結晶基板の上に、ＭＢＥ法により、緩衝層としてＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ0.1Ｓｂ0.9を５０ｎｍ成長させ、次に活性層としてＩｎＳｂを４００ｎｍ成長させ半導体層を得た。この半導体層の電子移動度は、７０００ｃｍ2／Ｖｓ、キャリア濃度が１×１０16ｃｍ-3であった。
次に、実施例１と同様の方法で弾性表面波増幅器を作製した。電極はピッチが０.７５μｍの正規型電極とし、伝搬長は３００μとした。
そして、弾性表面波増幅器の特性を測定した結果、増幅度は、直流印加電圧５Ｖ、中心周波数１５００ＭＨｚで３ｄＢであった。５Ｖという低電圧で増幅効果が得られた。しかもＳｉＯなどの誘電体膜がなくても、ＬｉＮｂＯ3基板の劣化やＬｉＮｂＯ3基板からの酸素拡散によるＩｎＳｂ活性層の劣化は見られなかった。以上の結果から、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ0.1Ｓｂ0.9緩衝層が圧電体基板および半導体活性層の保護膜として機能していることが確認できた。
【比較例４】
直径３インチの６４度ＹカットＬｉＮｂＯ3単結晶基板の上に、ＭＢＥ法により、直接、活性層のＩｎＳｂを５０ｎｍ成長させ半導体層を得た。そしてこの半導体層の電気特性を測定したが、本比較例ではＬｉＮｂＯ3基板上に誘電体膜などの保護層を形成せずに、直接ＩｎＳｂを成長したため、ＬｉＮｂＯ3からの酸素抜けにより、活性層のＩｎＳｂの膜質が劣化し、電子移動度は測定できなかった。
【実施例１１】
図９に断面構造を示す弾性表面波増幅器を作製した。
まず、直径３インチの１２８度ＹカットＬｉＮｂＯ3単結晶基板１の上の所定の位置に入出力用電極４、５としてすだれ状のＴｉ−Ｐｔ電極を通常のコンタクト露光によるリソグラフィプロセスで形成した。電極４、５はピッチが１.４μｍの正規型電極とし、伝搬長は、３６４μｍとした。次に、ＭＢＥ法により、該基板上に入出力用すだれ状電極を埋め込む形で緩衝層２としてＡｌ0.38Ｉｎ0.62Ｓｂを１５０ｎｍ成長させ、さらに活性層３としてＩｎＳｂを５０ｎｍ成長させ半導体層を得た。この半導体層の電子移動度は、３４０００ｃｍ2／Ｖｓであった。
次に所定の位置の活性層をイオンミリング法により除いた後、活性層３に直流電界印加用の電極６を形成した（図９に断面構造を示す）。その後、パッシベーション用窒化シリコン膜を蒸着し、窓開けを行い、弾性表面波増幅器の特性を測定した。その結果、直流印加電圧６Ｖ、中心周波数８０９ＭＨｚで１７ｄＢという大きな増幅度が得られた。
【実施例１２】
図１０に断面構造を示す弾性表面波増幅器を作製した。
レーザアブレーション法により、ＹカットＬｉＴａＯ3単結晶基板１上に、膜厚２.０μｍのＬｉＮｂＯ3層１７を成長し、さらにその上に０.１μｍのＬｉＴａＯ3層１８を成長し、３層構造の多層圧電体基板を形成した。成長した薄膜をオージェ電子分光法により解析した結果、ストイキオメトリーに狂いのないＬｉＮｂＯ3層１７、ＬｉＴａＯ3層１８が得られていることが確認できた。また、Ｘ線回析により、（１１０）ＬｉＮｂＯ3層１７、および（１１０）ＬｉＴａＯ3層１８がツイン、ドメインフリーでヘテロエピタキシャル成長していることが確認できた。
この多層圧電体基板の電気機械結合定数を測定するため、通常のリソグラフィプロセスによって、弾性表面波の波長が８μｍになるようにＡｌ櫛形電極を２カ所近接して形成した。そして、一方の弾性表面波の伝搬路を電気的に短絡し、もう一方を自由表面として両者の弾性表面波の伝搬速度をネットワークアナライザー（Ｙｏｋｏｇａｗａ Ｈｅｗｌｅｔｔ Ｐａｃｋａｒｄ， ８５１０Ｂ）で測定し、測定値から電気機械結合定数ｋ2を
ｋ2＝２×（Ｖｆ−Ｖｍ）／Ｖｆ
（式中、Ｖｍは電気的に短絡したときの速度、Ｖｆは自由表面の速度である）に従って計算したところ、２０.０％というきわめて大きな値を示した。
さらに、該多層圧電体基板を用いて、図１０に示すような弾性表面波増幅器を実施例１０と同様の方法で作製した。そして、その弾性表面波増幅器の特性を測定したところ、直流印加電圧５Ｖ、中心周波数１５００ＭＨｚで１２ｄＢの増幅が確認できた。本実施例のきわめて大きな電気機械結合定数を有する多層圧電体基板は、実施例１０と比較すると、弾性表面波増器において約４倍の増幅度向上の効果があることが確認できた。
【比較例５】
実施例１２の多層圧電体基板の電気機械結合定数と、各層を構成する材料単体、および２層圧電体基板の電気機械結合定数とを比較した。実施例１２と同様の方法で各層を構成する材料単体の電気機械結合定数を測定したところ、単結晶（１１０）ＬｉＮｂＯ3は４.７％、単結晶（１１０）ＬｉＴａＯ3は０.６８％であった。
また、各構成材料を２層構造にした場合の電気機械結合定数も測定した。即ち、ＹカットＬｉＴａＯ3基板上に実施例１２と同様にレーザアブレーション法でＬｉＮｂＯ3膜を成長し、その電気機械結合定数を測定した。その結果、ＬｉＮｂＯ3／ＬｉＴａＯ3の２層構造では、３.０％となり、単結晶（１１０）ＬｉＮｂＯ3より低くなった。
よって、本発明の多層圧電体基板は３層構造とすることによってはじめて電気機械結合定数が大きく向上することがわかる。実施例１２では約４倍に向上しており、これが弾性表面波増幅器の増幅度向上につながっている。
【実施例１３】
実施例１０と同様の方法１２８度ＹカットＬｉＮｂＯ3基板上に半導体層を成長した。次に、所定の位置の半導体層をエッチングにより除き、圧電体基板を露出させた。その圧電体基板表面に、入出力用高耐電力性電極として、すだれ状のＡｌ−Ｃｕ／Ｃｕ／Ａｌ−Ｃｕ積層膜電極をリソグラフィプロセスによって形成した。電極はピッチが０.７５μｍの正規型電極とし、伝搬長は、３００μｍとした。引き続き活性層に直流電界印加用の電極を形成した。
弾性表面波増幅器の特性評価はＲＦ信号を信号発生器（Anritsu MG3670A）から与え、増幅度と送信電力をパワーメーターおよびパワーセンサ（Yokokawa Hewlett Packard, 437B, 8481H）を用いて測定した。増幅度は直流印加電圧３Ｖ、中心周波数１５２０ＭＨｚにおいて２２ｄＢで、送信電力は２.２Ｗであり、本実施例の弾性表面波増幅器は、移動体通信機器等の高周波部に良好なパワーアンプとして使用でき、しかも機器の小型化に大きく寄与できる。
【実施例１４】
実施例１０と同様に１２８度ＹカットＬｉＮｂＯ3基板上に半導体層を成長した。次に、半導体層を、後から形成する入出力用電極の間にくるように加工するが、同時に図６に示したように該半導体層を３つに分離するようにエッチングを行った。そして、露出された圧電体基板表面に入出力電極としてすだれ状のＡｌ電極を形成した。電極ピッチと伝搬長は実施例１０と同様である。引き続き分離された活性層のそれぞれに直流電界印加用の電極を形成した。
本実施例の弾性表面波増幅器では、直流電界を各活性層に並列に印加するようにして特性評価を行った。その結果、増幅度は、直流印加電圧５Ｖ、中心周波数１５００ＭＨｚで８ｄＢであった。実施例１０と比較して約３倍近い増幅度の向上が確認できた。
【実施例１５】
図１１に断面構造を示す弾性表面波コンボルバを作製した。
実施例１０と同様に１２８度ＹカットＬｉＮｂＯ3基板１上に緩衝層２となる半導体層を成長した。次に所定の位置の半導体層をエッチングによって取り除き、圧電体基板を露出させた。その圧電体基板１の表面に、２つの入力用電極４、４をリソグラフィプロセスによって形成した。引き続き、図１１に示すように半導体層の上面と圧電体基板の下面にそれぞれ取り出し電極１９を形成し、弾性表面波コンボルバを作製した。
次に、本実施例の弾性表面波コンボルバを用いて、周波数１０００ＭＨｚの増幅特性を周波数アナライザーにより測定したところ、取り出し電極１９から非線形信号であるコンボリューション出力が得られた。
【実施例１６】
実施例１で作製した弾性表面波増幅器とミクサおよび直交復調器を用いて携帯電話のＲＦ部の受信回路を作製した。弾性表面波増幅器とミクサの間にはインピーダンス整合を取るための特別の回路は設けていない。また、通常、低雑音増幅器と高周波バンドパスフィルタによって構成される部分には、弾性表面波増幅器のみを用いた。以上のようにして作製した携帯電話のＲＦ部の受信回路に、π／４ＱＰＳＫ変調のかかったＲＦ信号を信号発生器から与え、受信後のＩＱ出力信号をベクトルシグナルアナライザ（Yokokawa Hewlett Parckard 89441A）を用いて復調誤差を測定した。その結果、入力信号の強度が−１０〜−１０２ｄＢｍのとき最大のエラーベクトルの大きさは１６％ｒｍｓであった。また、入力データと復調後のデータを比較した結果、復調されたデータに誤りはなかった。また、弾性表面波増幅器の雑音指数および増幅度を雑音指数計（Yokokawa Hewlett Packard 8970B）および雑音源（Yokokawa Hewlett Packard 346B）を用いて測定した。その結果、８１０ＭＨｚでは雑音指数２.５ｄＢ、増幅度１４ｄＢであり、８２６ＭＨｚでは雑音指数３ｄＢ、増幅度１２ｄＢ、８１５ＭＨｚでは雑音指数１.８ｄＢ、増幅度１６ｄＢであった。また。通過帯域外の減衰特性をネットワークアナライザを用いて測定した。９４０ＭＨｚでは挿入損失３５ｄＢ、９５６ＭＨｚでは挿入損失４０ｄＢであった。以上より、低雑音増幅器とバンドパスフィルタの代わりに弾性表面波増幅器を用いた受信回路が可能であることが確認できた。さらに本実施例の弾性表面波増幅器を用いれば、高周波低雑音増幅部をモノリシック化することができ、受信回路の部品点数の削減が可能となる。
【実施例１７】
直交変調器、ミクサ、バンドパスフィルタおよび弾性表面波増幅器を用いて携帯電話のＲＦ部の送信回路を作製した。通常、パワーアンプによって構成される部品に本発明の弾性表面波増幅器を用いている。これにπ／４ＱＰＳＫ変調のかかったＲＦ信号を信号発生器から与え、出力信号をベクトルシグナルアナライザを用いて復調誤差を測定した。その結果、中心周波数９４８ＭＨｚにおけるエラーベクトルの大きさは５.５％ｒｍｓであった。また、このときの送信電力は２.２Ｗであった。出力信号のスペクトルをスペクトラムアナライザで測定したところ、日本デジタル方式自動車電話システム標準規格（ＲＣＲ ＳＴＤ−２７）を満足していることを確認した。以上の結果から、従来のパワーアンプの代わりに弾性表面波増幅器を用いて送信回路を作製でき、パワーアンプ部の小型化が可能であることが確認できた。
【実施例１８】
実施例１７と同様な携帯電話のＲＦ部の送信回路をバンドパスフィルタを用いないで作製した。その結果、中心周波数９４８ＭＨｚにおけるエラーベクトルの大きさは、４.０％ｒｍｓであった。また、このときの送信電力は３.２Ｗであり、送信スペクトルはＲＣＲ ＳＴＤ−２７を満足していることを確認した。以上の結果から、従来のパワーアンプモジュールとバンドパスフィルタの代わりに、弾性表面波増幅器を用いて送信回路を作製することができ、パワーアンプおよびバンドパスフィルタのモノリシック化が可能であることが確認できた。
【実施例１９】
通過帯域が８１０〜８２６ＭＨｚの弾性表面波増幅器を受信回路の低雑音増幅器およびバンドパスフィルタの代わりに用い、通過帯域が９４０〜９５６ＭＨＺの弾性表面波増幅器を送信回路のパワーアンプおよびバンドパスフィルタの代わりに用いて送受信回路を作製した。受信部の弾性表面波増幅器は実施例１６と同じものを、送信部の弾性表面波増幅器には、実施例１７と同じものを用いた。アンテナ端子と送信回路および受信回路の間は、送受信分波器を用いないで、特性インピーダンスが５０オームになるように調整したマイクロストリップラインで接続した。この様にして作製した送受信回路の受信特性および送信特性を実施例１６および１７と同様に測定した。受信特性を測定した結果、入力信号の強度が、−１０〜−１０２ｄＢｍのとき最大のエラーベクトルの大きさは１８％ｒｍｓであった。また、この時の復調されたデータに誤りはなかった。また、送信特性を測定した結果、中心周波数９４８ＭＨｚにおけるエラーベクトルの大きさは５.４％ｒｍｓであった。また、このときの送信電力は３.０Ｗであり、送信スペクトルは、ＲＣＲ ＳＴＤ−２７を満足していることが確認できた。以上の結果から、携帯電話のＲＦ部の送受信回路において、低雑音増幅器とバンドパスフィルタの代わり、およびパワーアンプモジュールとバンドパスフィルタの代わりに、および送受信分波器の代わりとして、弾性表面波増幅器を用いた回路が使用可能であることが確認できた。故に、本実施例の送受信回路を用いれば、従来の移動体通信機器のＲＦ部の部品点数を大幅に減少可能となり、携帯機器端末の劇的な小型化、軽量化、および低価格化が実現できる。
【比較例６】
従来のＧａＡｓＦＥＴやコンデンサーなどから形成されているパワーアンプモジュールの典型的な大きさは、２５ｍｍ×１２ｍｍ×３.７ｍｍである。それに対して実施例１７の弾性表面波増幅器は、５ｍｍ×５ｍｍ×２ｍｍであり、本発明により、従来のパワーアンプの大きさを著しく小型化できる。
本発明の弾性表面波機能素子を用いることにより、弾性表面波増幅器の大幅な利得の改善、あるいは弾性表面波コンボルバの効率改善が実現できる。また、本発明の弾性表面波増幅器は、実用的な低電圧で大きな増幅度が得られるため、移動体通信機器などの高周波部に応用が可能となる。しかも、これまでディスクリート素子として使用され、そのサイズも大きかった増幅器やバンドパスフィルタ、あるいは送受信分波器を単一部品で置き換えることも可能になるので、移動体通信機器の小型化、軽量化、薄型化、そして低価格化に大きく貢献できる。
Claims (17)
- 圧電体基板と、該圧電体基板上に入力電極と出力電極があり、前記圧電体基板が少なくとも２種類以上の異なった電気機械結合定数を有する３層以上の多層圧電体より成り、前記多層圧電体の多層の中心部の圧電体膜が最も大きい電気機械結合定数を有していることを特徴とする弾性表面波機能素子。
- 前記多層圧電体が３層より成り、前記中心部の圧電体膜がＬｉＮｂＯ3膜で、他の圧電体がＬｉＴａＯ3であることを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波機能素子。
- 入出力変換として、一方向性変換器を用いることを特徴とする請求項１または２に記載の弾性表面波機能素子。
- 前記入出力電極の間に半導体層があることを特徴とする請求項１または２に記載の弾性表面波機能素子。
- 前記半導体層が、活性層と該活性層に格子整合する緩衝層より成ることを特徴とする請求項４に記載の弾性表面波機能素子。
- 入出力変換として、一方向性変換器を用いることを特徴とする請求項４または５に記載の弾性表面波機能素子。
- 請求項４〜６のいずれかに記載の弾性表面波機能素子において、前記半導体層に直流電界を印加する電極を有していることを特徴とする弾性表面波増幅器。
- 前記入出力電極の間で、前記半導体層が２つ以上連なっており、しかも逆方向に移動するキャリアを取り除いた構造、あるいは半導体層間に活性層の無い構造を有していることを特徴とする請求項７に記載の弾性表面波増幅器。
- 前記入出力電極が埋め込まれた形で緩衝層が形成され、該緩衝層の上に活性層が形成されていることを特徴とする請求項７に記載の弾性表面波増幅器。
- 前記入出力電極が高耐電力構造であることを特徴とする請求項７に記載の弾性表面波増幅器。
- 請求項４〜６のいずれかに記載の弾性表面波機能素子において、前記圧電体基板上に形成された２つの電極をともに入力電極とし、前記半導体層の上部および前記圧電体基板の下部に一様な取り出し電極を有することを特徴とする弾性表面コンボルバ。
- 送信回路において、請求項７〜１０のいずれかに記載の弾性表面波増幅器を含むことを特徴とする送信回路。
- 受信回路において、請求項７〜１０のいずれかに記載の弾性表面波増幅器を含むことを特徴とする受信回路。
- 送受信回路において、請求項７〜１０のいずれかに記載の弾性表面波増幅器を含むことを特徴とする送受信回路。
- 前記送信回路が移動体通信機器の送信回路であることを特徴とする請求項１２に記載の送信回路。
- 前記受信回路が移動体通信機器の受信回路であることを特徴とする請求項１３に記載の受信回路。
- 前記送受信回路が移動体通信機器の送受信回路であることを特徴とする請求項１４に記載の送受信回路。
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1996
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