JP4397867B2 - 表面弾性波デバイス - Google Patents

Description

本発明は表面弾性波デバイスに関する。

従来の、基板上に形成される圧電性を有する窒化物半導体材料からなる伝搬層上に形成される表面弾性波（ＳＡＷ）デバイスについて、その一形態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７は、従来のＳＡＷ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を示す説明図（上面図及び断面図）である。図において、７−０はサファイア（０００１）基板であり、７−１は、例えばＭＯＣＶＤ法により形成され、（０００１）方向に配向する、不純物を積極的には含まない、すなわち、意図的な不純物導入が行われていない、例えば、厚さ 2 μｍの、ＧａＮからなる伝搬層である。７−２は、ＧａＮ・サファイア間の著しい格子定数及び熱膨張係数の相違のために、サファイア基板７−０との界面付近のＧａＮ伝搬層７−１中に高密度の転位が生じ、その結果として形成される有限の電気伝導度を有する領域（以下、中性領域と呼ぶ）である。中性領域７−２の厚さは、例えば、1 μｍであり、従って、中性領域７−２は、伝搬層７−１表面から深さ 1 μｍの位置に形成されている。

７−５ａと７−５ｂとの組み合わせ、及び、７−６ａと７−６ｂとの組み合わせは、所定の電極長Ｌ（例えば 2 μｍ）、電極間隔Ｓ（例えば 2 μｍ）、電極幅（例えば 400 μｍ）、対の個数Ｎ（例えば５０、図においてはＮ＝４の場合が示されている）を有し、伝搬層７−１表面上に所定の間隔（例えば 5 ｍｍ）をおいて対向する位置に形成される、厚さ 100 ｎｍのアルミニウムからなる櫛形電極である。７−７ａと７−７ｂ、及び、７−８ａと７−８ｂは、それぞれ、櫛形電極７−５ａと７−５ｂ、及び、７−６ａと７−６ｂに導通し、これら櫛形電極に信号を印加するか、あるいは、櫛形電極から信号を取り出すための、伝搬層７−１表面上に形成される引き出し電極である。

上述の構造と類似の構造（伝搬層厚、電極長、電極間隔、電極幅、対の個数が異なる構造）が下記非特許文献１において開示されている。

本デバイスは、中心周波数 f0 のトランスバーサルフィルタとして機能する。ここで f0 は、Ｌ、Ｓ、ＳＡＷの伝搬速度 v0 によって f0 ＝ v0/(2(Ｌ＋Ｓ)）により規定される。本従来例で用いられるＧａＮにおいては、v0 の値はＧａＮ層厚、Ｌ、Ｓに依存して変化するが、本従来構造においては v0 は4648 ｍ/ｓ であり、f0 ＝ 581 ＭＨｚとなる。

本デバイスの動作は以下の通りである。櫛形電極の一方（入力電極、例えば７−５ａと７−５ｂとの組み合わせ）の互いに対向する電極間に、引き出し電極７−７ａと７−７ｂとを介して交流の電気信号を入力する。電気信号の周波数が f0 の場合に、最も効率的にＳＡＷが励振される。伝搬層中に励振されるＳＡＷの成分は、その表面付近を他方の櫛形電極（出力電極、例えば７−６ａと７−６ｂとの組み合わせ）へ伝搬する。櫛形電極７−６ａと７−６ｂとの組み合わせにおいて、ＳＡＷは電気信号に変換され、引き出し電極７−８ａ、７−８ｂを介してデバイス外部へ出力される。f0 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、本デバイスにより、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、図８（ａ）に示すような周波数特性（伝搬特性の周波数依存性）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。

図８（ｂ）は、本デバイスの入力コンダクタンスの周波数特性である。周波数 f0 付近においてＳＡＷの励振・伝搬に起因する成分（放射コンダクタンス）が存在する。入力コンダクタンスは f0 付近以外の周波数において有限の値（バックグラウンド）を伴い、同バックグラウンドは f0 と異なる周波数の入力信号に対して損失として作用する。

これらに基づき、本従来構造の電気的等価回路は図９により与えられる。ここで、ＣＴは入力電極７−５ａ、７−５ｂ間の容量であり、Ｇａ及びＢａは、それぞれ、放射コンダクタンス及び放射サセプタンス（入力サセプタンスにおけるＳＡＷの励振・伝搬の寄与）である。Ｃｐは中性領域７−２と各引き出し電極・櫛形電極間に形成される寄生容量であり、Ｇｐは中性領域中の電気伝導である。入力コンダクタンスに生ずるバックグラウンドの大きさはＣｐの二乗に比例するので、寄生容量の抑制は損失が少なく優れたフィルタ特性を実現するために不可欠である。

本従来例においては、引き出し電極７−７ａ及び７−７ｂの面積は典型的には 200000 μｍ^２である。また、櫛形電極７−５ａ及び７−５ｂの面積は、ともに 40000 μｍ^２となる。従って片側の櫛形電極の面積と片側の引き出し電極の面積の和は 240000 μｍ^２となる。中性領域７−２は伝搬層７−１表面から、例えば、1 μｍなる深さの位置に形成され、かつ伝搬層７−１の比誘電率は
10.5 であるから、片側の櫛形電極及び片側の引き出し電極と中性領域７−２間の容量は例えば 22.3 ｐＦとなる。Ｃｐは本容量２個が直列接続された値であるから、本従来例においては、その値は、例えば 11.2 ｐＦとなる。

引き出し電極の面積は櫛形電極の面積と比較して著しく大きいのであるから、Ｃｐの低減のためには、引き出し電極と中性領域７−２間の容量を低減することが必要不可欠である。仮に、引き出し電極と中性領域７−２間の容量が０となった場合は、Ｃｐの値は櫛形電極７−５ａと中性領域７−２間の容量と櫛形電極７−５ｂと中性領域７−２間の容量（ともに 3.7 ｐＦ）の直列接続によって与えられ、1.9 ｐＦという著しく小さな値が実現されることになる。

学術論文：IEEE Transactions on Electron Devices vol．48 no．3 pp．524-529 (2001)"Epitaxially Grown GaN Thin-Film SAW Filter with High Velocity and Low Insertion Loss."

上記のように、従来の窒化物半導体からなる伝搬層を有するＳＡＷデバイスにおいては、伝搬層中に中性領域が存在するために、著しい寄生容量が発生し、その結果、信号の損失が生ずるという問題点があった。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、寄生容量が低減され、入力コンダクタンスにおけるバックグラウンドが著しく抑制された表面弾性波デバイスを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明においては、請求項１に記載したように、
基板上に窒化物半導体材料からなる伝搬層のメサ構造が形成され、前記メサ構造上面に櫛形電極が形成され、前記櫛形電極に導通する引き出し電極が、前記メサ構造の外部において前記基板表面に接するように形成されていることを特徴とする表面弾性波デバイスを構成する。

また、本発明は、請求項２に記載したように、
基板上に窒化物半導体材料からなる伝搬層のメサ構造が形成され、前記メサ構造上面に櫛形電極が形成され、前記櫛形電極に導通する引き出し電極が、前記メサ構造の外部において前記基板表面に接し、前記メサ構造側面に絶縁性の側壁を介して接するように形成されていることを特徴とする表面弾性波デバイスを構成する。

また、本発明は、請求項３に記載したように、
基板上に、窒化物半導体材料からなる伝搬層のメサ構造が形成され、前記メサ構造上面に櫛形電極が形成され、前記櫛形電極に導通する引き出し電極が、前記メサ構造の外部において前記基板表面に絶縁膜を介して接するように形成されていることを特徴とする表面弾性波デバイスを構成する。

また、本発明は、請求項４に記載したように、
前記基板がサファイア（０００１）基板あるいは半絶縁性ＳｉＣ（０００１）基板であり、前記伝搬層が（０００１）方向に配向する窒化物半導体材料からなることを特徴とする請求項１、２または３に記載の表面弾性波デバイスを構成する。

また、本発明は、請求項５に記載したように、
前記基板がサファイア（１ １ -２ ０）基板であり、
前記伝搬層が（１ １ -２ ０）方向に配向する窒化物半導体材料からなり、前記櫛形電極が、該櫛形電極により励振される表面弾性波が｛０００１｝方向に伝搬されるように形成されていることを特徴とする請求項１、２または３に記載の表面弾性波デバイスを構成する。

基板上に、窒化物半導体材料からなる伝搬層のメサ構造を形成し、そのメサ構造の上面に表面弾性波を励振する櫛形電極を形成し、その櫛形電極に導通する引き出し電極を、メサ構造の外部において、基板表面に接するように形成することにより、寄生容量が低減され、入力コンダクタンスにおけるバックグラウンドが著しく抑制された表面弾性波デバイスを提供することが可能となる。

本発明に係る表面弾性波デバイスにおいては、伝搬層を基板表面に至るまでエッチングすることにより伝搬層のメサ構造が形成され、該メサ構造上面に櫛形電極が形成され、該メサ構造の外部において、基板表面に直接あるいは絶縁膜を介して接するように、櫛形電極に導通する引き出し電極が形成されている。

次に、本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。

［実施の形態１］
図１は、本発明の第１の実施の形態を示す説明図（上面図及び断面図）である。図において、１−０はサファイア（０００１）基板であり、１−１は、例えばＭＯＣＶＤ法により形成される、（０００１）方向に配向する、不純物を積極的には含まない、すなわち、意図的な不純物導入が行われていない、例えば厚さ 2 μｍの、ＧａＮからなる伝搬層であり、１−２は、上記従来例の場合と同様の機構によって、伝搬層１−１の、サファイア基板１−０と接する領域に形成される有限の電気伝導性を有する中性領域である。１−３は、伝搬層１−１を基板１−０表面に達するまで、例えば塩素系ガスを用いたドライエッチング法によりエッチングすることにより形成されるメサ構造であり、１−５ａと１−５ｂとの組み合わせ、及び、１−６ａと１−６ｂとの組み合わせは、所定の電極長Ｌ（例えば 2 μｍ）、電極間隔Ｓ（例えば 2 μｍ）、電極幅（例えば 400 μｍ）、対の個数Ｎ（例えば５０、図においてはＮ＝４の場合が示されている）を有し、メサ構造１−３上面に所定の間隔（例えば 5 ｍｍ）をおいて対向する位置に形成される、厚さ 100 ｎｍのアルミニウムからなる櫛形電極である。１−７ａと１−７ｂ、及び、１−８ａと１−８ｂは、それぞれ、櫛形電極１−５ａと１−５ｂ、及び、１−６ａと１−６ｂに導通し、これら櫛形電極に信号を印加するか、あるいは、櫛形電極から信号を取り出すための引き出し電極であり、引き出し電極１−７ａ、１−７ｂ、１−８ａ、１−８ｂは、メサ構造１−３の外部において、基板１−０表面に接するように形成されている。

本実施の形態は、上記従来例と同様に、周波数 f0（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、581 ＭＨｚ）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。

本実施例においては、上記従来例とは異なり、引き出し電極１−７ａ、１−７ｂ、１−８ａ、１−８ｂは、メサ構造１−３の外部において、基板１−０表面に接するように形成されている。従って、その接触部においては、中性領域１−２は存在せず、引き出し電極１−７ａ、１−７ｂ、１−８ａ、１−８ｂと中性領域１−２との間に生ずる寄生容量は著しく小さな値を有する。従って、本実施の形態においては、寄生容量に起因する入力コンダクタンスにおけるバックグラウンドは著しく抑制され、もって優れたＳＡＷデバイス動作が実現される。

なお、本実施の形態においては、メサ構造１−３の側面が、基板１−０及び伝搬層１−１表面に対して垂直なる方向に形成されている場合について、本発明の効果を説明したが、例えば、複数回に分けて異なるレジストパターンによりドライエッチングを行うことにより、階段状の側面を有するメサ構造を形成することも可能であって、その場合も本発明の範囲に含まれる。この場合、引き出し電極の厚さは上記階段状側面の一段の高さよりも高い限りにおいて任意の値が可能となり、引き出し電極の形成が容易となる。

なお、本実施の形態における基板１−０を他の基板、例えば半絶縁性ＳｉＣ（０００１）基板、すなわち、意図的不純物導入をされていないＳｉＣ（０００１）基板、あるいは、Ｓｉ（１１１）基板上にＳｉＯ_２を形成することによりなるＳＩＭＯＸ基板とすることによっても、全く同様の効果が生ずることは明らかである。基板として半絶縁性ＳｉＣ（０００１）基板を用いる場合において、伝搬層は（０００１）方向に配向する窒化物半導体からなるものとする。

［実施の形態２］
図２は、本発明の第２の実施の形態を示す説明図（上面図及び断面図）である。図において、２−０はサファイア（０００１）基板であり、２−１は、例えばＭＯＣＶＤ法により形成される、（０００１）方向に配向する、不純物を積極的には含まない、例えば厚さ 2 μｍの、ＧａＮからなる伝搬層であり、２−２は、伝搬層２−１の、サファイア基板２−０と接する領域に形成される有限の電気伝導性を有する中性領域である。２−３は、伝搬層２−１を、基板２−０表面に達するまで、例えば塩素系ガスを用いたドライエッチング法によりエッチングすることにより形成されるメサ構造であり、２−４は、メサ構造２−３の側面に形成される、例えばＳｉＯ_２からなる、絶縁性の側壁である。

２−５ａと２−５ｂとの組み合わせ、及び、２−６ａと２−６ｂとの組み合わせは、所定の電極長Ｌ（例えば 2 μｍ）、電極間隔Ｓ（例えば 2 μｍ）、電極幅（例えば 400 μｍ）、対の個数Ｎ（例えば５０、図においてはＮ＝４の場合が示されている）を有し、メサ構造２−３上面に所定の間隔（例えば 5 ｍｍ）をおいて対向する位置に形成される、厚さ 100 ｎｍのアルミニウムからなる櫛形電極である。２−７ａと２−７ｂ、及び、２−８ａと２−８ｂは、それぞれ、櫛形電極２−５ａと２−５ｂ、及び、２−６ａと２−６ｂに導通し、これら櫛形電極に信号を印加するか、あるいは、櫛形電極から信号を取り出すための引き出し電極であり、引き出し電極２−７ａ、２−７ｂ、２−８ａ、２−８ｂは、メサ構造２−３の側面に絶縁性の側壁２−４を介して接し、メサ構造２−３の外部において、基板２−０表面に接するように形成されている。

本実施の形態は、上記従来例と同様に、周波数 f0（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 581 ＭＨｚ）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。

本実施例においては、上記第１の実施の形態と同様に、引き出し電極２−７ａ、２−７ｂ、２−８ａ、２−８ｂは、メサ構造２−３の外部において、基板２−０表面に接するように形成されている。従って、その接触部においては、中性領域２−２は存在せず、引き出し電極２−７ａ、２−７ｂ、２−８ａ、２−８ｂと中性領域２−２との間に生ずる寄生容量は著しく小さな値を有する。従って、本実施の形態においては、寄生容量に起因する入力コンダクタンスにおけるバックグラウンドは著しく抑制され、もって優れたＳＡＷデバイス動作が実現される。

更に、本実施の形態においては、絶縁性の側壁２−４が存在するのであるから、引き出し電極２−７ａ、２−７ｂ、２−８ａ、２−８ｂは、メサ構造２−３の側面から、絶縁性の側壁２−４によって、隔てられており、メサ構造２−３の側面に露出する中性領域２−２に接することはない。従って、長期にわたって中性領域を介して引き出し電極間にリークが生ずる可能性はなく、良好なＳＡＷデバイス動作が長期にわたって実現される。

更に、引き出し電極２−７ａ、２−７ｂ、２−８ａ、２−８ｂはメサ構造２−３の側面に接触しない。メサ構造形成のためのドライエッチングの結果、メサ構造側面が電気伝導性を有する可能性があることが知られているが、側壁形状を上述の通りとすることで、そのような場合であっても、メサ構造側面を介してのリークの発生は抑制される。

なお、上記第１の実施の形態と同様に、階段状の側面を有するメサ構造からなる表面弾性波デバイスも本実施の形態の範疇に含まれること、及び、本実施の形態における基板２−０を他の基板、例えば、半絶縁性ＳｉＣ（０００１）基板、あるいは、Ｓｉ（１１１）基板上にＳｉＯ_２を形成することによりなるＳＩＭＯＸ基板とすることによっても全く同様の効果が生ずることは明らかである。基板として半絶縁性ＳｉＣ（０００１）基板を用いる場合において、伝搬層は（０００１）方向に配向する窒化物半導体からなるものとする。

［実施の形態３］
図３は、本発明の第３の実施の形態を示す説明図（上面図及び断面図）である。図において、３−０はサファイア（０００１）基板であり、３−１は、例えばＭＯＣＶＤ法により形成される、（０００１）方向に配向する、不純物を積極的には含まない、例えば厚さ 2 μｍの、ＧａＮからなる伝搬層であり、３−２は、伝搬層３−１の、サファイア基板３−０と接する領域に形成される有限の電気伝導性を有する中性領域である。３−３は、伝搬層３−１を基板３−０表面に達するまで、例えば塩素系ガスを用いたドライエッチング法によりエッチングすることにより形成されるメサ構造であり、３−４は、メサ構造３−３に隣接する位置に基板３−０表面上に形成される、伝搬層３−１中の中性領域３−２の厚さ以上の厚さを有する、例えばＳｉＯ_２からなる、絶縁膜である。

絶縁膜３−４の厚さは、望ましい条件として、中性領域３−２の厚さ以上としたが、後述の理由により、可能な限り、伝搬層３−１と同一厚さであることが、より望ましい。

３−５ａと３−５ｂとの組み合わせ、及び、３−６ａと３−６ｂとの組み合わせは、所定の電極長Ｌ（例えば 2 μｍ）、電極間隔Ｓ（例えば 2 μｍ）、電極幅（例えば 400 μｍ）、対の個数Ｎ（例えば５０、図においてはＮ＝４の場合が示されている）を有し、メサ構造３−３上面に所定の間隔（例えば 5 ｍｍ）をおいて対向する位置に形成される、厚さ 100 ｎｍのアルミニウムからなる櫛形電極である。３−７ａと３−７ｂ、及び、３−８ａと３−８ｂは、それぞれ、櫛形電極３−５ａと３−５ｂ、及び、３−６ａと３−６ｂに導通し、これら櫛形電極に信号を印加するか、あるいは、櫛形電極から信号を取り出すための引き出し電極であり、引き出し電極３−７ａ、３−７ｂ、３−８ａ、３−８ｂは、メサ構造３−３の外部において、基板３−０表面に絶縁膜３−４を介して接するように形成されている。

本実施の形態は、上記従来例と同様に、周波数 f0（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 581 ＭＨｚ）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。

本実施の形態においては、引き出し電極３−７ａ、３−７ｂ、３−８ａ、３−８ｂは、メサ構造３−３の外部において、基板３−０表面に、絶縁膜３−４を介して接するように形成されている。従って、その接触部においては、中性領域３−２は存在せず、引き出し電極３−７ａ、３−７ｂ、３−８ａ、３−８ｂと中性領域３−２との間に生ずる寄生容量は著しく小さな値を有する。従って、本実施の形態においては、寄生容量に起因する入力コンダクタンスにおけるバックグラウンドは著しく抑制され、もって優れたＳＡＷデバイス動作が実現される。

更に、本実施の形態においては、絶縁膜３−４は中性領域３−２の厚さ以上の厚さを有しているのであるから、上記第２の実施の形態と同様に、引き出し電極３−７ａ、３−７ｂ、３−８ａ、３−８ｂはメサ構造３−３の側面に露出する中性領域３−２に接することはない。従って長期にわたって中性領域を介して引き出し電極間にリークが生ずる可能性はなく、良好なＳＡＷデバイス動作が長期にわたって実現される。

なお、絶縁膜３−４の厚さを伝搬層３−１の厚さと等しいかもしくはそれ以上とすることにより、上記第２の実施の形態と同様に、引き出し電極はメサ構造３−３の側面に接触しない。メサ構造形成のためのドライエッチングの結果、メサ構造側面が電気伝導性を有する可能性があることが知られているが、絶縁膜厚を上述の通りとすることで、そのような場合であっても、メサ構造側面を介してのリークの発生は抑制される。

更に、本実施の形態においては、絶縁膜３−４の厚さを伝搬層３−１の厚さと等しくすることにより、櫛形電極・引き出し電極間の高低差が生じない。従って、これら電極を同一の工程で形成することが可能となり、ＳＡＷデバイスを効率よく形成することが可能となる。

なお、本実施の形態における基板３−０を他の基板、例えば、半絶縁性ＳｉＣ（０００１）基板、あるいは、Ｓｉ（１１１）基板上にＳｉＯ_２を形成することによりなるＳＩＭＯＸ基板とすることによっても全く同様の効果が生ずることは明らかである。基板として半絶縁性ＳｉＣ（０００１）基板を用いる場合において、伝搬層は（０００１）方向に配向する窒化物半導体からなるものとする。

［実施の形態４］
図４は、本発明の第４の実施の形態を示す説明図（上面図及び断面図）である。図において、４−０はサファイア（１ １ -２ ０）基板であり、４−１は、例えばＭＯＣＶＤ法により形成される、（１ １ -２ ０）方向に配向する、不純物を積極的には含まない、例えば厚さ
2 μｍの、ＧａＮからなる伝搬層であり、４−２は、伝搬層４−１の、サファイア基板４−０と接する領域に形成される有限の電気伝導性を有する中性領域である。４−３は、伝搬層４−１を基板４−０表面に達するまで、例えば塩素系ガスを用いたドライエッチング法によりエッチングすることにより形成されるメサ構造であり、４−５ａと４−５ｂとの組み合わせ、及び、４−６ａと４−６ｂとの組み合わせは、メサ構造４−３上面に形成される、所定の電極長Ｌ（例えば 2 μｍ）、電極間隔Ｓ（例えば 2 μｍ）、電極幅（例えば 400 μｍ）、対の個数Ｎ（例えば５０、図においてはＮ＝４の場合が示されている）を有し、励振される表面弾性波が｛０００１｝方向に伝搬されるように、所定の間隔（例えば 5 ｍｍ）をおいて対向する位置に形成される、厚さ 100 ｎｍのアルミニウムからなる櫛形電極である。４−７ａと４−７ｂ、及び、４−８ａと４−８ｂは、それぞれ、櫛形電極４−５ａと４−５ｂ、及び、４−６ａと４−６ｂに導通し、これら櫛形電極に信号を印加するか、あるいは、櫛形電極から信号を取り出すための引き出し電極であり、引き出し電極４−７ａ、４−７ｂ、４−８ａ、４−８ｂは、メサ構造４−３の外部において、基板４−０表面に接するように形成されている。

本実施の形態は、上記従来例と同様に、周波数 f0 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、本実施の形態においては、上記第１、第２の実施の形態と同様に、引き出し電極４−７ａ、４−７ｂ、４−８ａ、４−８ｂは、メサ構造４−３の外部において、基板４−０表面に接するように形成されている。従って、その接触部においては、中性領域４−２は存在せず、引き出し電極４−７ａ、４−７ｂ、４−８ａ、４−８ｂと中性領域４−２との間に生ずる寄生容量は著しく小さな値を有する。従って、本実施の形態においては、寄生容量に起因する入力コンダクタンスにおけるバックグラウンドは著しく抑制され、もって優れたＳＡＷデバイス動作が実現される。

本実施の形態においては、上記第１ないし第３の実施の形態とは異なり、（１ １ -２ ０）方向に配向する窒化物半導体材料であるＧａＮからなる伝搬層４−１表面上に、励振される表面弾性波が｛０００１｝方向に伝搬するように、櫛形電極４−５ａと４−５ｂとの組み合わせ、及び、４−６ａと４−６ｂとの組み合わせが形成されている。（１ １ -２ ０）方向に配向する窒化物半導体材料における電気信号から｛０００１｝方向に伝搬する表面弾性波への変換効率は（０００１）方向に配向する窒化物半導体材料における変換効率と比較して高いのであるから、本実施の形態により、損失が小さく、かつ変換効率に優れたＳＡＷデバイス動作が実現される。

なお、上記第１、第２の実施の形態と同様に、階段状の側面を有するメサ構造からなる表面弾性波デバイスも本実施の形態の範疇に含まれることは明らかである。

［実施の形態５］
図５は、本発明の第５の実施の形態を示す説明図である。図において、５−０はサファイア（１ １ -２ ０）基板であり、５−１は、例えばＭＯＣＶＤ法により形成される、（１ １ -２ ０）方向に配向する、不純物を積極的には含まない、例えば厚さ
2 μｍの、ＧａＮからなる伝搬層であり、５−２は、伝搬層５−１の、サファイア基板５−０と接する領域に形成される、有限の電気伝導性を有する中性領域である。５−３は、５−１を基板５−０表面に達するまで、例えば塩素系ガスを用いたドライエッチング法によりエッチングすることにより形成されるメサ構造であり、５−４は、メサ構造５−３の側面に形成される、例えばＳｉＯ_２からなる、絶縁性の側壁である。５−５ａと５−５ｂとの組み合わせ、及び、５−６ａと５−６ｂとの組み合わせは、メサ構造５−３上面に形成される、所定の電極長Ｌ（例えば 2 μｍ）、電極間隔Ｓ（例えば 2 μｍ）、電極幅（例えば 400 μｍ）、対の個数Ｎ（例えば５０、図においてはＮ＝４の場合が示されている）を有し、励振される表面弾性波が｛０００１｝方向に伝搬されるように、所定の間隔（例えば 5 ｍｍ）をおいて対向する位置に形成される、厚さ 100 ｎｍのアルミニウムからなる櫛形電極である。５−７ａと５−７ｂ、及び、５−８ａと５−８ｂは、それぞれ、櫛形電極５−５ａと５−５ｂ、及び、５−６ａと５−６ｂに導通し、これら櫛形電極に信号を印加するか、あるいは、櫛形電極から信号を取り出すための引き出し電極であり、引き出し電極５−７ａ、５−７ｂ、５−８ａ、５−８ｂは、メサ構造５−３の側面に絶縁性の側壁５−４を介して接し、メサ構造５−３の外部において、基板５−０表面に接するように形成されている。

本実施の形態は、上記従来例と同様に、周波数 f0 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、本実施の形態においては、上記第１、第２、第４の実施の形態と同様に引き出し電極５−７ａ、５−７ｂ、５−８ａ、５−８ｂは、メサ構造５−３の外部において、基板５−０表面に接するように形成されている。従って、その接触部においては、中性領域５−２は存在せず、引き出し電極５−７ａ、５−７ｂ、５−８ａ、５−８ｂと中性領域５−２との間に生ずる寄生容量は著しく小さな値を有する。従って、本実施の形態においては、寄生容量に起因する入力コンダクタンスにおけるバックグラウンドは著しく抑制され、もって優れたＳＡＷデバイス動作が実現される。

本実施の形態においては、上記第４の実施の形態と同様に、（１
１ -２ ０）方向に配向する窒化物半導体材料であるＧａＮからなる伝搬層５−１表面上に、励振される表面弾性波が｛０００１｝方向に伝搬するように、櫛形電極５−５ａと５−５ｂとの組み合わせ、及び、５−６ａと５−６ｂとの組み合わせが形成されている。（１ １ -２ ０）方向に配向する窒化物半導体材料における電気信号から｛０００１｝方向に伝搬する表面弾性波への変換効率は（０００１）方向に配向する窒化物半導体材料における変換効率と比較して高いのであるから、本実施の形態により、損失が小さく、かつ変換効率に優れたＳＡＷデバイス動作が実現される。

更に、本実施の形態においては、絶縁性の側壁５−４が存在するのであるから、引き出し電極５−７ａ、５−７ｂ、５−８ａ、５−８ｂは、メサ構造５−３の側面から隔てられており、メサ構造５−３の側面に露出する中性領域５−２に接することはない。従って、長期にわたって、中性領域を介して引き出し電極間にリークが生ずる可能性はなく、良好なＳＡＷデバイス動作が長期にわたって実現される。

更に、引き出し電極５−７ａ、５−７ｂ、５−８ａ、５−８ｂは、メサ構造５−３の側面に接触しない。メサ構造形成のためのドライエッチングの結果、メサ構造側面が電気伝導性を有する可能性があることが知られているが、側壁形状を上述の通りとすることで、そのような場合であっても、メサ構造側面を介してのリークの発生は抑制される。

なお、上記第１、第２、第４の実施の形態と同様に、階段状の側面を有するメサ構造からなる表面弾性波デバイスも本実施の形態の範疇に含まれることは明らかである。

［実施の形態６］
図６は、本発明の第６の実施の形態を示す説明図である。図において、６−０はサファイア（１ １ -２ ０）基板であり、６−１は、例えばＭＯＣＶＤ法により形成される、（１ １ -２ ０）方向に配向する、不純物を積極的には含まない、例えば厚さ
2 μｍの、ＧａＮからなる伝搬層であり、６−２は、伝搬層６−１の、サファイア基板６−０と接する領域に形成される有限の電気伝導性を有する中性領域である。６−３は、伝搬層６−１を基板６−０表面に達するまで、例えば塩素系ガスを用いたドライエッチング法によりエッチングすることにより形成されるメサ構造であり、６−４は、メサ構造６−３に隣接する位置に基板６−０表面上に形成される、望ましい条件として、伝搬層６−１中の中性領域６−２の厚さ以上の厚さを有する、例えばＳｉＯ_２からなる、絶縁膜である。

絶縁膜６−４の厚さは、中性領域６−２の厚さ以上である限り、任意の値をとることが可能であるが、第３の実施の形態と同様の理由により、可能な限り伝搬層６−１と同一厚さであることが望ましい。６−５ａと６−５ｂとの組み合わせ、及び、６−６ａと６−６ｂとの組み合わせは、所定の電極長Ｌ（例えば 2 μｍ）、電極間隔Ｓ（例えば 2 μｍ）、電極幅（例えば 400 μｍ）、対の個数Ｎ（例えば５０、図においてはＮ＝４の場合が示されている）を有し、メサ構造６−３上面に所定の間隔（例えば 5 ｍｍ）をおいて対向する位置に形成される、厚さ 100 ｎｍのアルミニウムからなる櫛形電極である。６−７ａと６−７ｂ、及び、６−８ａと６−８ｂは、それぞれ、櫛形電極６−５ａと６−５ｂ、及び、６−６ａと６−６ｂに導通し、これら櫛形電極に信号を印加するか、あるいは、櫛形電極から信号を取り出すための引き出し電極であり、引き出し電極６−７ａ、６−７ｂ、６−８ａ、６−８ｂは、メサ構造６−３の外部において、基板６−０表面に絶縁膜６−４を介して接するように形成されている。

本実施の形態は、上記従来例と同様に、周波数 f0 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、本実施の形態においては、上記第３の実施の形態と同様に、引き出し電極６−７ａ、６−７ｂ、６−８ａ、６−８ｂは、メサ構造６−３の外部において、基板６−０表面に、絶縁膜６−４を介して接するように形成されている。従って、その接触部においては、中性領域６−２は存在せず、引き出し電極６−７ａ、６−７ｂ、６−８ａ、６−８ｂと中性領域６−２との間に生ずる寄生容量は著しく小さな値を有する。従って、本実施の形態においては、寄生容量に起因する入力コンダクタンスにおけるバックグラウンドは著しく抑制され、もって優れたＳＡＷデバイス動作が実現される。

更に、上記第３の実施の形態と同様に、基板６−０表面上に形成され、伝搬層６−１中の中性領域６−２以上の厚さを有する絶縁膜６−４上に引き出し電極６−７ａ、６−７ｂ、６−８ａ、６−８ｂが形成されているのであるから、引き出し電極はメサ構造６−３の側面に露出する中性領域６−２に接することはない。従って、長期にわたって中性領域を介して引き出し電極間にリークが生ずる可能性はない。

更に、絶縁膜６−４の厚さを伝搬層６−１の厚さと等しくすることにより、メサ構造側面を介しての引き出し電極間のリークの発生は抑制されるとともに、引き出し電極と櫛形電極を同一の工程で形成することが可能となり、ＳＡＷデバイスを効率よく形成することが可能となる。

また、本実施の形態においては、上記第４及び第５の実施の形態と同様に、（１ １ -２ ０）方向に配向する窒化物半導体材料であるＧａＮからなる伝搬層６−１表面上に、励振される表面弾性波が｛０００１｝方向に伝搬するように、櫛形電極６−５ａと６−５ｂとの組み合わせ、及び、６−６ａと６−６ｂとの組み合わせが形成されている。（ １ １ -２ ０）方向に配向する窒化物半導体材料における電気信号から｛０００１｝方向に伝搬する表面弾性波への変換効率は（０００１）方向に配向する窒化物半導体材料における変換効率と比較して高いのであるから、本実施の形態により、損失が小さく、かつ変換効率に優れたトランスバーサルフィルタ動作が実現される。

以上のことから、本実施の形態により、信号損失が著しく小さく、信号の変換効率に優れ、かつ信頼性に優れたＳＡＷデバイスが実現される。

以上、ＳＡＷデバイスの一種であるトランスバーサル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導通する引き出し電極の形成に関わるものである以上、他のＳＡＷデバイス、例えば共振器、さらにはコンボルバ、コリレータ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、これらのＳＡＷデバイスにおいても、基板上に、窒化物半導体材料からなる伝搬層のメサ構造を形成し、そのメサ構造の上面に表面弾性波を励振する櫛形電極を形成し、その櫛形電極に導通する引き出し電極を、メサ構造の外部において、基板表面に直接あるいは絶縁膜を介して接するように形成することにより、低損失のＳＡＷデバイスが形成可能であることは明らかである。

また、上記実施の形態においては、不純物を積極的には含まないＧａＮからなる伝搬層をエッチングすることにより形成されるメサ構造上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、基板上、不純物を積極的に含まないＧａＮからなる層に重ねてｎ型不純物を積極的に含むかあるいは含まないＡｌＧａＮ薄層を堆積することにより、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造を形成し、該ヘテロ構造の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、本変更により、ＳＡＷデバイスと電子デバイスの同一基板上への集積化が低損失を伴って実現される。

また、上記実施の形態においては、伝搬層が、不純物を積極的には含まないＧａＮからなるものであったが、一般に、伝搬層として、窒化物半導体材料からなるものを用いても、上記実施の形態と同様の構成を用いることによって、本発明の効果が得られる。

本発明の第１の実施の形態を示す説明図（上面図及び断面図）である。 本発明の第２の実施の形態を示す説明図（上面図及び断面図）である。 本発明の第３の実施の形態を示す説明図（上面図及び断面図）である。 本発明の第４の実施の形態を示す説明図（上面図及び断面図）である。 本発明の第５の実施の形態を示す説明図（上面図及び断面図）である。 本発明の第６の実施の形態を示す説明図（上面図及び断面図）である。 従来例を示す説明図（上面図及び断面図）である。 従来例の周波数特性を示す説明図である。 従来例の電気的等価回路を示す説明図である。

符号の説明

１−０：サファイア基板、１−１：ＧａＮ伝搬層、１−２：中性領域、１−３：メサ構造、１−５ａと１−５ｂとの組み合わせ、１−６ａと１−６ｂとの組み合わせ：櫛形電極、１−７ａ、１−７ｂ、１−８ａ、１−８ｂ：引き出し電極、２−０：サファイア基板、２−１：ＧａＮ伝搬層、２−２：中性領域、２−３：メサ構造、２−４：側壁、２−５ａと２−５ｂとの組み合わせ、２−６ａと２−６ｂとの組み合わせ：櫛形電極、２−７ａ、２−７ｂ、２−８ａ、２−８ｂ：引き出し電極、３−０：サファイア基板、３−１：ＧａＮ伝搬層、３−２：中性領域、３−３：メサ構造、３−４：絶縁膜、３−５ａと３−５ｂとの組み合わせ、３−６ａと３−６ｂとの組み合わせ：櫛形電極、３−７ａ、３−７ｂ、３−８ａ、３−８ｂ：引き出し電極、４−０：サファイア基板、４−１：ＧａＮ伝搬層、４−２：中性領域、４−３：メサ構造、４−５ａと４−５ｂとの組み合わせ、４−６ａと４−６ｂとの組み合わせ：櫛形電極、４−７ａ、４−７ｂ、４−８ａ、４−８ｂ：引き出し電極、５−０：サファイア基板、５−１：ＧａＮ伝搬層、５−２：中性領域、５−３：メサ構造、５−４：側壁、５−５ａと５−５ｂとの組み合わせ、５−６ａと５−６ｂとの組み合わせ：櫛形電極、５−７ａ、５−７ｂ、５−８ａ、５−８ｂ：引き出し電極、６−０：サファイア基板、６−１：ＧａＮ伝搬層、６−２：中性領域、６−３：メサ構造、６−４：絶縁膜、６−５ａと６−５ｂとの組み合わせ、６−６ａと６−６ｂとの組み合わせ：櫛形電極、６−７ａ、６−７ｂ、６−８ａ、６−８ｂ：引き出し電極、７−０：サファイア基板、７−１：ＧａＮ伝搬層、７−２：中性領域、７−５ａと７−５ｂとの組み合わせ、７−６ａと７−６ｂとの組み合わせ：櫛形電極、７−７ａ、７−７ｂ、７−８ａ、７−８ｂ：引き出し電極。

Claims (5)

1. 基板上に窒化物半導体材料からなる伝搬層のメサ構造が形成され、
   前記メサ構造上面に櫛形電極が形成され、
   前記櫛形電極に導通する引き出し電極が、前記メサ構造の外部において前記基板表面に接するように形成されていることを特徴とする表面弾性波デバイス。
2. 基板上に窒化物半導体材料からなる伝搬層のメサ構造が形成され、
   前記メサ構造上面に櫛形電極が形成され、
   前記櫛形電極に導通する引き出し電極が、前記メサ構造の外部において前記基板表面に接し、前記メサ構造側面に絶縁性の側壁を介して接するように形成されていることを特徴とする表面弾性波デバイス。
3. 基板上に、窒化物半導体材料からなる伝搬層のメサ構造が形成され、
   前記メサ構造上面に櫛形電極が形成され、
   前記櫛形電極に導通する引き出し電極が、前記メサ構造の外部において前記基板表面に絶縁膜を介して接するように形成されていることを特徴とする表面弾性波デバイス。
4. 前記基板がサファイア（０００１）基板あるいは半絶縁性ＳｉＣ（０００１）基板であり、
   前記伝搬層が（０００１）方向に配向する窒化物半導体材料からなることを特徴とする請求項１、２または３に記載の表面弾性波デバイス。
5. 前記基板がサファイア（１ １ -２ ０）基板であり、
   前記伝搬層が（１ １ -２ ０）方向に配向する窒化物半導体材料からなり、
   前記櫛形電極が、該櫛形電極により励振される表面弾性波が｛０００１｝方向に伝搬されるように形成されていることを特徴とする請求項１、２または３に記載の表面弾性波デバイス。

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