JP4381953B2

JP4381953B2 - 表面弾性波デバイス

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Publication number: JP4381953B2
Application number: JP2004306456A
Authority: JP
Inventors: 直輝重川; 一巳西村; 春喜横山; 幸司宝川
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2004-10-21
Filing date: 2004-10-21
Publication date: 2009-12-09
Anticipated expiration: 2024-10-21
Also published as: JP2006121372A

Description

本発明は、圧電性を有する半導体材料からなる伝搬層上に櫛形電極を形成することにより作製される表面弾性波（以下ＳＡＷという）デバイスに係り、特に、ＳＡＷデバイスの一種である信号処理デバイスに関するものである。

従来の圧電性を有する半導体材料からなる伝搬層上に形成されるＳＡＷ信号処理デバイスについて説明する。

図５は従来のＳＡＷ信号処理デバイスの構造を示す説明図である。図５において、５−０はサファイア（０００１）基板、５−１は例えばＭＯＣＶＤ法もしくはＭＢＥ法により形成される（０００１）方向に配向する不純物を積極的に含まない（なお、各製造過程で不可避的に侵入する極微少量の不純物の侵入は防ぎようがないので、このような微少量の不純物が含まれても素子特性に与える影響が少なければ許容されるものと思われる。）、例えば厚さ２μｍのＧａＮからなる伝搬層、５−３および５−４は所定の電極長ｌ（例えば２μｍ）、電極間隔ｓ（例えば２μｍ）、電極幅（例えば５００μｍ）、対数（例えば５０）を有し、所定の間隔（例えぱ５ｍｍ）をおいて対向する位置に配置される厚さ１００ｎｍのアルミニウムからなる櫛形電極である。５−５はＳＡＷの伝搬領域である。

上述構造と類似の構造（伝搬層厚、電極長、電極間隔、電極幅、対数が異なる構造）が〔非特許文献１参照〕において開示されている。この非特許文献１に開示されているＳＡＷ信号処理デバイスは、中心周波数ｆ_０のトランスバーサルフィルタとして機能する。ここでｆ_０は、電極長ｌ、電極間隔ｓ、ＳＡＷの伝搬速度ｖ_０によってｖ_０＝ｖ_０／〔２（ｌ＋ｓ）〕により規定される。この従来例（第１の従来例という）で用いられるＧａＮにおいては、ｖ_０の値はＧａＮ層厚、電極長ｌ、電極間隔ｓに依存して変化するが、この第１の従来例の構造においては４６８３ｍ／ｓであり、ｆ_０＝５８５.４ＭＨｚとなる。この第１の従来例の構造の信号処理デバイスとしての動作は以下の通りである。

図５に示す櫛形電極の一方（入力電極、例えば５−３）を構成する電極指間に交流の電気信号を入力する。電気信号の周波数がｆ_０の場合に最も効率的にＳＡＷが励振される。ＳＡＷは伝搬層表面付近を他方の櫛形電極（出力電極、例えば５−４）へ伝搬する。櫛形電極５−４においてＳＡＷは電気信号に変換されデバイス外部へ出力される。ｆ_０と異なる周波数の電気信号は効率的にはＳＡＷへ変換されないため、この第１の従来例のデバイスにより電気信号から特定の周波数を有する信号成分が抽出される。すなわち、上記の動作により図６に示すような周波数特性（伝搬特性のスペクトル）を有するＳＡＷデバイス（トランスバーサルフィルタ）が提供される。

なお、上記第１の従来例構造においては、特定の電極長、電極間隔、電極幅、対数を有する櫛形電極によって構成されるＳＡＷデバイスについて、その動作原理を説明しているが、櫛形電極の形状は所望の周波数特性を実現するために決定されるものであり、トランスバーサルフィルタとしての動作が特定の形状に限定されるものではない。例えば、要求されるｆ_０の値が高いほど小さいｌ、ｓの値が必要となるが、加工精度が許す限りにおいて任意の値を有する櫛形電極の形成が可能である。例えば、電子ビーム露光を用いることにより、０.１μｍの電極長・電極間隔を有する櫛形電極を精度良く形成することが可能である。
異なる周波数特性を有するトランスバーサルフィルタを組み合わせることにより、デバイス動作時にその伝搬特性を変化させることが可能である可変フィルタが実現されている。

ここで、第２の従来例構造としての可変フィルタの一構成例を図７を用いて説明する。この第２の従来例の構造として、〔非特許文献２参照〕において「バンプ型可変フィルタ」として説明されている。
図７において、７−３ａ、７−４ａは伝搬層７−１表面に形成され、相互に等しい電極長・電極間隔を有する櫛形電極からなる入力電極および出力電極であり、これらによって伝搬領域７−５ａを有するトランスバーサルフィルタ７−７ａが構成される。同様に、トランスバーサルフィルタ７−７ｂ〜７−７ｅが櫛形電極７−３ｂ〜７−３ｅおよび７−４ｂ〜７−４ｅ、伝搬領域７−５ｂ〜７−５ｅを伴って伝搬層７−１表面に形成される。各トランスバーサルフィルタは、それぞれの櫛形電極の電極長および電極間隔が相互に異なっており、したがって異なる中心周波数を有している。

さらにこの第２の従来例構造は、櫛形電極７−３ａ〜７−３ｅに対して並列に接続されている信号入力手段を有し、かつ、制御回路７−８ａ〜７−８ｅが櫛形電極７−４ａ〜７−４ｅに接続されている。トランスバーサルフィルタ７−７ａ〜７−７ｅの各々の出力信号は櫛形電極７−４ａ〜７−４ｅから出力され、制御回路７−８ａ〜７−８ｅを介した後、加算・出力される。各制御回路により重み制御を行うことにより、出力信号のスペクトル形状が変化し、もって、第２の従来例構造の可変フィルタとしての動作が実現される。

上記図５および図６を伴って説明したように、上記従来構造によるトランスバーサルフィルタにおいては、周波数特性はその構造パラメータおよび伝搬層の電気音響学的性質によって製造時に一意的に決定されており、デバイス動作中に周波数特性を変化させ、所定の周波数特性を実現することは不可能である。したがって、従来構造による可変フィルタにおいて所定の周波数特性を得るためには、図７を伴って説明したように出力側に制御回路（電気回路）を付加し、各トランスバーサルフィルタから出力される電気信号に対して重み制御を行う必要がある。
Suk-Hun Lee,Hwan-Hee Jeong,Sung-Bum Bae,Hyun-Chul Choi,Member,IEEE,andYong-Hyun Lee,Member,IEEE:「EpitaxiallyGrown GaN Thin-FilmSAW Filter with High Velocity and Low Insertion Loss」、IEEE Transaction on Elctoron Devices vol.48 no.3,pp.524-529 「弾性表面波工学」（電子情報通信学会編、柴山乾夫監修、ＩＳＢＮ４−８８５５２−０４８−７）「II.応用編第４章信号処理への応用４.３可変フィルタ」

このように、従来の信号処理を目的とするＳＡＷデバイスは、周波数特性を変化させる機能を有しないため、動作状態において特性を変化させ所定の特性を実現するためには、出力を電気信号に変換後に重み制御用の電気回路を介する必要があり、その結果デバイス構成が複雑になるという問題があった。

本発明の目的は上記従来技術における問題点を解消し、デバイスの動作中にゲート電圧を変化させるという簡易な構成で、表面弾性波の伝搬効率を任意に変調することができる機能を有するＳＡＷデバイスを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は特許請求の範囲に記載のような構成とするものである。すなわち、
請求項１に記載のように、少なくとも、基板と、圧電性を有する半導体材料からなる伝搬層と、当該伝搬層表面に局所的に形成された一組ないしそれ以上の櫛形電極と、前記伝搬層表面に局所的に形成されたゲート電極からなり、
前記ゲート電極が、櫛形電極から放射され伝搬層を伝搬する表面弾性波の伝搬領域の外部に形成され、
前記伝搬層をメサエッチングすることにより形成されたメサ構造表面に、前記櫛形電極および前記ゲート電極を形成してなる表面弾性波デバイスとするものである。

また、請求項２に記載のように、同一基板上に、前記請求項１に記載の表面弾性波デバイスを複数個形成してなり、前記表面弾性波デバイスに並列接続により信号を入出力する手段と、前記各表面弾性波デバイスのゲート電極に独立にバイアス電圧を印加する手段を有し、可変フィルタとして動作する表面弾性波デバイスとするものである。

また、請求項３に記載のように、請求項１または２に記載の表面弾性波デバイスにおいて、前記基板が（０００１）サファイア基板からなり、前記伝搬層が（０００１）方向に配向する不純物を積極的に含まない窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウム、窒化ホウ素、それらの混晶、それらを積層してなる層、のいずれかからなる表面弾性波デバイスとするものである。

また、請求項４に記載のように、請求項１または２に記載の表面弾性波デバイスにおいて、前記基板が（０００１）ＳｉＣ基板からなり、前記伝搬層が（０００１）方向に配向する不純物を積極的に含まない窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウム、窒化ホウ素、それらの混晶、それらを積層してなる層、のいずれかからなる表面弾性波デバイスとするものである。

本発明は、圧電性を有する化合物半導体（特にＧａＮなど）を用いた表面弾性波デバイスに係り、一対の櫛型電極対に対向して、別個にゲート電極を設けた点に特長があり、複雑な外部電気回路を用いなくても、デバイスの動作中にゲート電圧を変化させるという簡易な構成で、表面弾性波の伝搬効率を任意に変調することができる。

本発明によるＳＡＷデバイスは、少なくとも、基板と、圧電性を有する半導体材料からなる伝搬層と、伝搬層表面に局所的に形成される一組ないしそれ以上の櫛形電極と、伝搬層表面に局所的に形成されるゲート電極からなり、上記ゲート電極が櫛形電極から放射され伝搬層を伝搬する表面弾性波の伝搬領域の外部に形成されるという構造の表面弾性波デバイスとするものである。

また、本発明によるＳＡＷデバイスは、少なくとも、基板と、圧電性を有する半導休材料をメサエッチングすることにより形成される伝搬層と、伝搬層表面に局所的に形成される一組ないしそれ以上の櫛形電極と、伝搬層表面に局所的に形成されるゲート電極からなり、上記ゲート電極が櫛形電極から放射され伝搬層を伝搬する表面弾性波の伝搬領域の外部に形成するという構造の表面弾性波デバイスとするものである。

さらに、本発明によるＳＡＷデバイスは、前記基板が（０００１）サファイア基板、もしくは（０００１）ＳｉＣ基板からなり、前記伝搬層が（０００１）方向に配向する不純物を積極的に含まない窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウム、窒化ホウ素、それらの混晶、それらを積層してなる層、のいずれかからなる構造の表面弾性波デバイスとするものである。
以下に、参考例の説明に続き、本発明を実施するための最良の形態として、実施例１および２を挙げ、図面を用いてさらに詳細に説明する。

〈参考例〉
図１は本発明に係る参考例で例示するＳＡＷデバイスの構成を示す模式図（上面図および断面図）である。図１（ａ）は上面図を示し、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ′断面図である。
図１において、１−０はサファイア（０００１）基板、１−１は、例えばＭＯＣＶＤ法もしくはＭＢＥ法により形成される（０００１）方向に配向する不純物を積極的に含まない、例えば厚さ２μｍのＧａＮからなる伝搬層、１−３および１−４は所定の電極長ｌ（例えば２μｍ）、電極間隔ｓ（例えば２μｍ）、電極幅（例えば５００μｍ）、対数（例えば５０）を有し、所定の間隔（例えば５ｍｍ）をおいて対向する位置に配置される厚さ１００ｎｍのアルミニウムからなる櫛形電極である。図１において、１−５はＳＡＷの伝搬領域、１−６は伝搬領域の外部に櫛形電極と同時に形成される厚さ１００ｎｍアルミニウムからなるゲート電極である。

本参考例は、上記第１の従来例と同様に、中心周波数ｆ_０（上記のＧａＮ層厚、電極長、電極間隔に対しては、第１の従来例と等しく５８５.４ＭＨｚ）の電気信号を選択的に透過するトランスバーサルフィルタとして機能する。
本参考例においては、図２（ａ）のエネルギーバンド構造図に示すように、ゲート電極１−６に正のバイアス電圧を印加する場合、そのバイアス電圧は櫛形電極を構成するショットキ障壁に対して逆バイアスとして作用するので、櫛形電極直下の伝搬層における空乏層厚が大きくなり残留キャリア（電子）濃度が減少する。高いバイアス電圧ほど減少量は大きい。

残留キャリアは櫛形電極における電気信号からＳＡＷへの変換およびＳＡＷから電気信号への変換を抑制する作用を有するので、残留キャリア濃度減少により、櫛形電極における電気信号からＳＡＷへの変換効率およびＳＡＷから電気信号への変換効率が増加し、もって櫛形電極問の信号伝搬効率が増加する。一方、ゲート電極１−６に負のバイアス電圧を印加すると、櫛形電極を構成するショットキ障壁に対して順バイアスとして作用し、櫛形電極直下の残留キャリア濃度が増加する。それにより電気信号・ＳＡＷ間の変換効率が低下し、したがって櫛形電極間の信号伝搬効率が低下する。

このように本参考例においては、図２（ｂ）に示すように、ゲート電極１−６に印加するバイアス電圧を変化させることにより、トランスバーサルフィルタとしての伝搬特性の変化が実現される。
なお、本参考例においては電極長２μｍ、電極間隔２μｍの櫛形電極によって構成されるＳＡＷデバイスについての効果を説明したが、従来構造を有するトランスバーサルフィルタについて説明したことから明らかなように、この効果は櫛形電極の特定の形状に限定されるものではない。

また、本参考例においては、櫛形電極と同時に形成される櫛形電極と同一の厚さの材料からなるゲート電極についての効果を説明しているが、ゲート電極１−６はＳＡＷ伝搬領域１−５上に形成されていない。したがって、櫛形電極形成とは別工程によりゲート電極を十分厚い金属層により形成し、ゲート電極の質量によるＳＡＷの減衰を伴わずに、ゲート電極の抵抗を低減させるという変更が可能である。また本参考例においてはゲート電極をＧａＮに対してショットキ障壁を形成するアルミニウムによって形成しているが、ゲート電極の電気的性質（ショットキ電極か、あるいはオーミック電極か）の如何に関わらず、櫛形電極がショットキ障壁を有する限り同様の効果が実現されるのであるから、ゲート電極を例えばＴｉ／Ａｌの二層構造形成後、アニールすることにより形成されるオーミック電極により形成するという変更も可能である。
これらの変更により周波数特性の変化を制限する要因である寄生抵抗が減少し、周波数特性の高速変化が実現される。

〈実施例１〉
図３は本発明に係る第１の実施形態を示す説明図である。図３は本発明に係る第１の実施例として例示するＳＡＷデバイスの構成を示す模式図（上面図および断面図）である。図３（ａ）は上面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ′断面図である。
図３において、３−０はサファイア（０００１）基板、３−１は例えばＭＯＣＶＤ法もしくはＭＢＥ法により形成される（０００１）方向に配向する不純物を積極的に含まない、例えば厚さ２μｍのＧａＮからなる伝搬層、３−２は上記伝搬層を局所的にサファイア基板に達するまでメサエッチングを行うことにより形成されるメサ構造、３−３および３−４は所定の電極長（例えば２μｍ）、電極間隔（例えば２μｍ）、電極幅（例えば５００μｍ）、対数（例えば５０）を有し、所定の間隔（例えば５ｍｍ）をおいて対向する位置に配置される厚さ１００ｎｍのアルミニウムからなる櫛形電極である。３−５は、ＳＡＷの伝搬領域、３−６は伝搬領域の外部に形成される厚さ１００ｎｍアルミニウムからなるゲート電極である。

本実施例１は上記参考例と同様に、中心周波数ｆ_０（上記のＧａＮ層厚、電極長、電極間隔に対しては、第１の従来例と等しく５８５.４ＭＨｚ）の電気信号を選択的に透過するトランスバーサルフィルタとして機能する。また、ゲート電極の作用も上記参考例と同様であり、その効果が櫛形電極の形状によらないことも同様である。
本実施例１においては、不純物を積極的に含まないＧａＮからなる伝搬層を局所的にメサエッチングすることにより形成されるメサ構造表面に櫛形電極およびゲート電極が形成されている。ゲート電極にバイアス電圧を印加することにより生ずる効果は、電気伝導性を有する伝搬層を介してのみ櫛形電極に効果を及ぼすのであるから、その効果はメサエッチングにより形成されている伝搬層内部に限られる。すなわち、本実施例１においては、ＳＡＷデバイス外部にバイアス電圧印加の影響を及ぼすことなく、伝搬特性の変化が実現される。

なお、本実施例１においては、参考例と同様にゲート電極の質量によるＳＡＷの減衰を伴わずに、ゲート電極を十分厚い金属層により形成するという変更が可能である。またゲート電極をオーミック性電極により形成するという変更も可能である。
また、基板表面に達するまでメサエッチングを行う場合について発明の効果を説明しているが、メサエッチングの目的が伝搬層の電気的な絶縁性を確保することにあるので、メサエッチング後に残留するＧａＮ層が完全に空乏化する限りにおいて、エッチング後の最表面をＧａＮとするという変更も可能である。

〈実施例２〉
図４は本発明に係る第２の実施例としてＳＡＷデバイスの構成を示す説明図であり、そのデバイスの上面図を示す。図４において、４−０はサファイア（０００１）基板、４−２ａ〜４−２ｇは、例えばＭＯＣＶＤ法もしくはＭＢＥ法により形成される（０００１）方向に配向する不純物を積極的に含まない、例えば厚さ２μｍのＧａＮからなる伝搬層を、該伝搬層を局所的にサファイア基板に達するまでメサエッチングを行うことにより形成されるメサ構造、４−７ａ〜４−７ｅは、各メサ構造表面に、所定の電極長、電極間隔、電極幅、対数を有し、所定の間隔をおいて対向する位置に配置される厚さ１００ｎｍのアルミニウムからなる櫛形電極（４−３ａ〜４−３ｅおよび４−４ａ〜４−４ｅ）、およびＳＡＷの伝搬領域（４−５ａ〜４−５ｅ）の外部に厚さ１００ｎｍアルミニウムからなるゲート電極（４−６ａ〜４−６ｅ）を形成することにより実現されるトランスバーサルフィルタである。各トランスバーサルフィルタは、それぞれの櫛形電極の電極長および電極間隔が相互に異なっており、したがって、異なる中心周波数を有している。

さらに、本実施例２は、櫛形電極４−３ａ〜４−３ｅに対して並列に接続されている信号入力手段、および櫛形電極４−４ａ〜４−４ｅに対して並列に接続されている信号出力手段を有する。また、各ゲート電極に対して個別にバイアス電圧を印加する手段を有する。
本実施例２においては、各トランスバーサルフィルタはメサ構造によって分離されているのであるから、ゲート電極にバイアス電圧を印加することの効果は同ゲート電極と同一のメサ構造内に限定される。したがって、各ゲート電極に所定のバイアス電圧を印加することにより、各トランスバーサルフィルタの伝搬特性が個別に制御され、可変フィルタとしての動作が実現される。

以上、トランスバーサルフィルタおよび複数のトランスバーサルフィルタを組み合わせることにより構成される可変フィルタの範囲で本発明の効果を説明したが、本発明の根幹が櫛形電極におけるＳＡＷへの変換効率の変調にある以上、櫛形電極を伴う他のＳＡＷデバイス、例えば共振器に対して本発明を適用することが可能であること、すなわち、共振器の近接位置にゲート電極を形成し所定のバイアス電圧を印加することによりその共振特性が変調可能であることは明らかである。

また、上記実施例においては不純物を積極的に含まないＧａＮからなる伝搬層表面、もしくは同伝搬層を局所的にメサエッチングすることにより形成されるメサ構造表面上に櫛形電極を形成する場合について発明の効果を説明しているが、上記伝搬層に代わってサファイア基板上に不純物を積極的に含まないＧａＮからなる層上にｎ型不純物を積極的に含むか、あるいは含まないＡｌＧａＮ薄層を形成することにより形成されるＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造を形成し、同ヘテロ構造のＡｌＧａＮ薄層を局所的にエッチングすることにより得られるＧａＮ表面上に櫛形電極を形成するという変更も可能である。ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造から電界効果型トランジスタなどの電子デバイスが形成されるのであるから、上記変更により、ＳＡＷデバイスと電子デバイスの同一基板上への集積が実現される。

本発明に係る参考例で例示したＳＡＷデバイスの構成を示す上面図および断面図。本発明に係る参考例で例示したＳＡＷデバイスの効果を示す説明図。本発明の実施例１で例示したＳＡＷデバイスの構成を示す上面図および断面図。本発明の実施例２で例示したＳＡＷデバイスの構成を示す上面図。第１の従来例として例示したＳＡＷデバイスの構成を示す上面図および断面図。第１の従来例として例示したＳＡＷデバイスの伝搬特性をしめす説明図。第２の従来例として例示したＳＡＷデバイスの構成を示す上面図。

符号の説明

１−０、３−０、４−０、５−０…基板
１−１、３−１、４−１、５−１、７−１…伝搬層
３−２、４−２ａ〜４−２ｅ…メサ構造
１−３、１−４、３−３、３−４…櫛型電極
４−３ａ〜４−３ｅ、４−４ａ〜４−４ｅ…櫛型電極
５−３、５−４、７−３ａ〜７−３ｅ、７−４ａ〜７−４ｅ…櫛型電極
１−５、３−５、４−５ａ〜４−５ｅ…ＳＡＷ伝搬領域
５−５、７−５ａ〜７−５ｅ…ＳＡＷ伝搬領域、
１−６、３−６、４−６ａ〜４−６ｅ…ゲート電極
４−７ａ〜４−７ｅ、７−７ａ〜７−７ｅ…トランスバーサルフィルタ
７−８ａ〜７−８ｅ…制御回路

Claims

少なくとも、基板と、圧電性を有する半導体材料からなる伝搬層と、当該伝搬層表面に局所的に形成された一組ないしそれ以上の櫛形電極と、前記伝搬層表面に局所的に形成されたゲート電極からなり、
前記ゲート電極が、櫛形電極から放射され伝搬層を伝搬する表面弾性波の伝搬領域の外部に形成され、
前記伝搬層をメサエッチングすることにより形成されたメサ構造表面に、前記櫛形電極および前記ゲート電極を形成してなることを特徴とする表面弾性波デバイス。
同一基板上に、前記請求項１に記載の表面弾性波デバイスを複数個形成してなり、前記表面弾性波デバイスに並列接続により信号を入出力する手段と、前記各表面弾性波デバイスのゲート電極に独立にバイアス電圧を印加する手段を有し、可変フィルタとすることを特徴とする表面弾性波デバイス。
請求項１または２に記載の表面弾性波デバイスにおいて、前記基板が（０００１）サファイア基板からなり、前記伝搬層が（０００１）方向に配向する不純物を積極的に含まない窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウム、窒化ホウ素、それらの混晶、それらを積層してなる層、のいずれかからなることを特徴とする表面弾性波デバイス。
請求項１または２に記載の表面弾性波デバイスにおいて、前記基板が（０００１）ＳｉＣ基板からなり、前記伝搬層が（０００１）方向に配向する不純物を積極的に含まない窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウム、窒化ホウ素、それらの混晶、それらを積層してなる層、のいずれかからなることを特徴とする表面弾性波デバイス。