JP6482192B2 - 半導体ｍｅｍｓ共振器 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ＭＥＭＳ共振器に関するものである。特に、静電駆動型半導体ＭＥＭＳ共振器に関するものである。

半導体を微小機械要素として利用するマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）デバイスは、多くの応用分野を指向して開発が進んでいる。通信機器に搭載される回路素子、例えば、ＭＥＭＳ共振器をフィルタや発振器へ応用すると、通信機器の高機能化、小型化、低消費電力化に寄与できることが指摘されている。この応用例では、梁、リング、円板などの構造体に、外部から供給された電気信号で機械的な振動（固有周波数で共振させることが多い）を誘起し、この振動を電気信号に変換している。電気信号を機械振動に変換する例として静電気力の利用がある。静電駆動型と称されるＭＥＭＳ共振器では、互いに対向する２つの電極の間に電圧を印加し、発生する静電気力を原動力としている。

静電駆動型の半導体ＭＥＭＳ共振器の電気機械変換効率を増大させると、少ない電力で大きな振動振幅が得られ、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）が大きい回路素子を実現できる。電気機械変換効率は、（１）対向面積に比例し、（２）ギャップの２乗に逆比例することが知られている。ＭＥＭＳデバイスの作成法であるバルクマイクロマシニングは、ＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）と称される「Ｓｉ（デバイス層）−ＳｉＯ₂（埋込酸化膜（ＢＯＸ））−Ｓｉ（基板層）」構造のウェーハを使用し、Ｓｉ（デバイス層）に加工を施している。デバイス層の厚さが大きいほど対向面積を大きくできるが、狭く深い溝を形成することが困難なため狭ギャップ化には限界があるとされてきた。

狭いギャップの形成には、（１）加工の微細化、（２）広いギャップを形成しておき、デバイス動作時に電極の一方を移動させることによって狭ギャップとする、（３）犠牲層エッチングを利用したサーフェスマイクロマシニング、（４）電極間に薄い絶縁層を残したソリッドギャップ、などの手法を利用することが知られている。（１）ではイオンミリング装置などを使用してサブミクロンのギャップを掘りこんでいる。（２）は発明者等により提案された手法であり容易に狭ギャップを実現できるが、電極を直線的に移動させる（ギクシャクしながらの移動を避ける）ための構造と制御が必要である。（３）は狭ギャップが容易に形成できる技術であるが、薄膜の電極を形成する際の残留応力の制御が必須である。（４）は近年注目を集めている技術であり容易に狭いギャップを作製できる。サーフェスマイクロマシニングでの研究が主体であり、厚さが薄い（１ミクロン程度であることが多い）電極構成に適用されている。このため、狭ギャップによる電気機械変換効率の増大は、電極の対向面積が小さいことで相殺される可能性がある。さらに、ソリッドギャップ領域を構造体の材料（一般にはシリコン単結晶）と異なる絶縁層（例えば、酸化シリコン）で構成するので、この領域で振動が吸収される結果、高Ｑ値を得ることが困難とされている。一般的に述べるならば、Ｑ値が大きいと電気機械変換効率も大きいと考えられるが、両者間の定量的な相関は厳密なものではない。電気機械変換効率は出力信号の増大に、Ｑ値は電子回路素子としての位相雑音の低減に寄与することが知られており、これらの値を共に大きくすることが実用上重要である。

特許文献１と非特許文献１にはショットキ障壁ダイオードを用いたアクチュエータが開示されている。図１６は非特許文献１の図２に掲載されているカンチレバーの構造図である。図において、ＳＯＩ構造のデバイス層（上部の「Ｓｉ」）の表面には「１」乃至「３」で表記された金属薄膜が配置され、この金属と前記「Ｓｉ」の間にショットキ障壁ダイオードが形成されている。当該金属薄膜は右側に伸びたカンチレバーの上面まで伸びており、カンチレバー全面にわたってショットキ障壁ダイオードが形成されている。このダイオードに逆バイアス電圧を印加すると、金属薄膜・「Ｓｉ」の界面に応力が誘起され、ポアソン比に依存するＺ方向のカンチレバー変位が発生するとされている。当該逆バイアスに交流信号を重畳すると、カンチレバーを特定の周波数で共振させることができることも示されている。

しかしながら、特許文献１と非特許文献１とで開示された技術は単にカンチレバーを上下方向に振動させることが示されているだけである。かかる構造を具体的な回路素子へ応用する時の構成、駆動、信号処理などについては記載されていない。また、金属−シリコン界面の大きな歪によって共振器のＱ値が低くなるという問題がある。以上のように、引用した上記文献では「特定の周波数で共振が起こる事象」を紹介しているに過ぎず、実デバイスを作製するための設計情報などが開示されていない。

非特許文献２には、Ｐ型シリコンとＮ型シリコンの空乏層を利用した共振器が開示されている。図１７（ａ）は非特許文献２の図１であり、試作したデバイスの写真である。図１７（ｂ）は同文献の図５（ｄ）であり、デバイスの断面構造を示している。図１７では両側から支持された板状の共振構造体の左半分が「励起接合」、右半分が「検出接合」である。同図に示されているように、ここでは同種材料であるシリコン内部の空乏層を利用してアクチュエータ（励起）とセンサ（検出）を作製している。このために大きなＱ値が得られるとされている。しかし、共振器の振動は「厚み縦振動モード（図１７（ｂ）の紙面上の上下方向に振動）」であり、この振動を効率的に実現するためにはＰ型シリコン層とＮ型シリコン層の厚さをほぼ等しくすることが要求される。この結果、それぞれの厚さが異なるに従って電気機械変換効率が大きく減少するという問題がある。さらに、共振器の共振振動数はシリコン構造体の厚さによって決まる。このため、構造上、達成できる共振周波数の範囲が制限されるという重大な問題があった。また、異なる共振振動数をもつ共振器を一つのチップの内に集積化することが困難であるという問題もあった。

米国特許出願公開ＵＳ２００９／０１９４８３０Ａ１号公報

Ｊ．Ｈ．Ｒａｎｓｌｅｙ他、「Ａ Ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ Ｌａｙｅｒ Ａｃｔｕａｔｏｒ」、Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ ＆ Ｅｕｒｏｓｅｎｓｏｒｓ ’０７、１３９３ページ（第１３９４頁、図２） Ｅ． Ｈｗａｎｇ他、「Ｔｒａｎｓｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｉｇｈ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ Ｕｓｉｎｇ Ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ Ｆｏｒｃｅｓ ｉｎ ｐ−ｎ Ｄｉｏｄｅｓ」、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ、Ｖｏｌ．５８， Ｎｏ．８ （２０１１年）２７７０ページ（第２７７１頁、図１）

通信機器では幅広いニーズに応えるため、フィルタや発振器といった回路素子への要求は高い。半導体技術を利用したＭＥＭＳ共振器はこれらの要求に応えるデバイスとして期待されている。静電駆動型の半導体ＭＥＭＳ共振器は、圧電材料などの材料を使用することなく、高度に発展した半導体技術のみで実現できる利点がある。中でも、静電駆動型の共振器は周辺回路との集積化も容易であるため期待が大きい。静電駆動型では狭ギャップの構成がキーである。特許文献１、非特許文献１，２では狭ギャップを形成することなく、空乏層で等価的にギャップを実現することが開示されている。しかしながら、動作原理上、共振周波数がデバイスの厚さで支配されるので、実現できる共振周波数の範囲には制限があった。また、異なる共振周波数を持つ複数のＭＥＭＳ共振器を同一チップ上に同一プロセスで作製することも限界があった。さらに、ＰＮ層の厚さを等しく設定することを必要とした。このため、空乏層を利用したＭＥＭＳ共振器の利用技術を明らかにし、これらの制限や限界を打破する技術の開発が要求されている。

以上より、実用的な静電駆動型の半導体ＭＥＭＳ共振器を実現するためには、（１）要求される周波数範囲で動作可能なＭＥＭＳ共振器の設計自由度の確保、（２）大きな電気機械変換効率と大きなＱ値を同時に達成できる構成、（３）異なる共振周波数を持つ共振器を複数個集積化できる構成などの開発が課題である。

そこで、本発明は、要求される周波数範囲で動作可能なＭＥＭＳ共振器の設計自由度を確保しつつ、大きな電気機械変換効率と大きなＱ値を同時に達成できる半導体ＭＥＭＳ共振器を提供することを目的とする。さらに、異なる共振周波数を持つ共振器を複数個集積化できる半導体ＭＥＭＳ共振器を提供することをも目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に基づく半導体ＭＥＭＳ共振器は、主面を有する基台を備え、さらに、少なくとも一部が前記主面に固定された半導体で構成された構造体上に、第１の導電性を有する少なくとも１つの第１の領域と、前記第１の導電性とは逆の第２の導電性を有し、前記主面に垂直な方向から見たときに前記第１の領域に隣接する少なくとも１つの第２の領域とを有する第１の構造と、少なくとも１つの前記第２の領域と前記主面に垂直な方向から見たときに該第２の領域に隣接するように配置された少なくとも１つの前記第１の領域とを有する第２の構造とを備え、前記第１の構造における前記第１の領域および前記第２の領域と、前記第２の構造における前記第１の領域および前記第２の領域とが、前記主面に平行で該２つの領域が配置された面内において、互いに分断するように形成されており、前記第１の構造および前記第２の構造の少なくとも１つの該２つの領域間に交流信号が重畳された逆バイアス電圧を印加し、前記交流信号により、前記主面に平行で該２つの領域が配置された面内で前記構造体を面内振動させる。

なお、前記した構造体は振動機構と励振機構とから構成されていても良い。例えば、前記第１の領域と前記第２の領域が該励振機構を構成し、前記構造体の該励振機構を含まない領域が振動機構を構成している場合である。かかる構成では、前記振動機構と前記励振機構とが機械的に結合され、該励振機構により前記振動機構が励振されることになる。かかる構成の具体的な例は、カンチレバーを振動機構とし、該カンチレバーに隣接して配置された前記第１の領域と前記第２の領域からなるＰＮ接合を励振機構とする構成である。この構成で、前記第１の領域が前記カンチレバーに含まれるように配置すれば、前記振動機構と該励振機構とは機械的に結合されることになる。該構成における前記構造体は、（１）振動機構と励振機構の一部を備えたカンチレバーと、（２）前記第２の領域を備えた駆動電極とで構成されることになる。

なお、前記した振動機構に前記励振機構が含まれるような構成であっても構わない。かかる構成の例としては、前記構造体をリング形状とし、該リング表面に前記第１の領域と前記第２の領域を配置した構成がある。かかる構成では、該リング（前記した構造体である）そのものが励振機構を内包した振動機構になる。

なお、半導体で構成された構造体上に、（１）第１の導電性を有する第１の領域と前記第１の導電性と逆の第２の導電性を有する第２の領域とを隣接させた組み合わせを少なくとも１組、又は前記１組の一方が他の前記１組の一方を兼ねる組み合わせを含んで配置し、（２）前記第１の領域と前記第２の領域の２つの領域間に交流信号が重畳された逆バイアス電圧を印加し、（３）該交流信号により、該２つの領域が配置された面内で前記構造体を機械的に面内振動させることも特徴である。

なお、前記した「半導体」はシリコンであることが多いがこれに限らず化合物半導体であっても良い。シリコンである場合、「第１の導電性」と「第２の導電性」は、それぞれ、Ｎ型とＰ型であり、両者でＰＮ接合を形成している。この場合の「逆バイアス」はＮ型にプラス、Ｐ型にマイナスの電圧が供給される。「交流信号」の周波数には特段の制限はなく、数ＧＨｚもの高周波であっても良い。なお、「第１の導電性」がＰ型、「第２の導電性」がＮ型であっても良い。

なお、前記した逆バイアス電圧を前記ＰＮ接合に印加すると、前記接合の境界面に空乏層と呼ばれる電子・正孔が存在しない領域が生成される。空乏層は当該境界面を中心として、「第１の導電性」領域と「第２の導電性」領域の両方に広がる。それぞれの広がりの幅は、これらの領域の導電度（不純物濃度）と印加した逆バイアス電圧に依存する。空乏層（全体）の幅は数ミクロン以下である。空乏層には電気伝導に寄与する電子・正孔が存在しないため電気的には「絶縁層」と同等である。この空乏層が静電駆動型半導体ＭＥＭＳ共振器での電極間ギャップに相当する。即ち、前記領域の導電度と逆バイアス電圧を設定することにより、容易にミクロン以下の狭ギャップを実現することができる。

なお、本段落では前記した空乏層の広がり（厚さ）について記述する。ＰＮ接合（ダイオード）の空乏層の厚さは次の数式で与えられる。

この式からは、不純物濃度を大きくすると空乏層の厚さを減少させることが可能であることがわかる。また、この空乏層はシリコンという同種材料の内部に形成されるので共振時の損失が小さく、大きなＱ値を得ることを可能にする。

なお、前記した構造体は固有の共振周波数を有している。その周波数は該構造体の構成（形状や大きさ）で決定される。前記した交流信号の周波数が共振周波数と一致する場合には前記構造体は機械的に共振し、振動の振幅も大きくなる。共振周波数以外の周波数の場合には大振幅の振動は起こらない。この機械振動を電気的に検出すると、前記したＭＥＭＳ共振器は電気的なバンドパスフィルタとなる。さらに、外部回路との組合せにより、共振周波数で発振する発振器を構成することもできる。

なお、前記した振動は構造体の構成により複数の振動姿態（モード）を取り得る。振動姿態は大別して、「面内振動（Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ振動）」と、「面外振動（Ｏｕｔ−ｏｆ−Ｐｌａｎｅ振動）」と、「これらが混合した振動」とがある。「面内振動」は構造体の面内（半導体ウェーハの面内でもある）での振動である。「面外振動」は前記面内振動と垂直な方向（半導体ウェーハの厚み方向）での振動である。また、構造体の構成によっては、「面内振動」と言えども若干の「面外振動」を伴う（混合した振動でもある）ことがある。本明細書に記載する「面内振動」とは振動姿態の主たる振動（振幅が大きい振動である）が「面内振動」であるとしている。即ち、「振幅が小さい面外振動」を伴う「面内振動」であっても構わない。

なお、前記した構造体の形状には、円板、楕円板、多角形の板、中央に開口がある円板（ドーナッツ形状の板）などが含まれていても良い。

なお、このＭＥＭＳ共振器は「複数の構造体が連結接続された」構成であっても構わない。かかる「連結」は一次元的な配列（直線状に共振器が並ぶ）、あるいは、二次元的な配列（縦横両方向に共振器が並ぶ）であって良い。さらに、連結された該「複数の構造体」のそれぞれは同一形状であっても構わない。また、類似形状であって共振周波数が異なっている構成でも構わない。

本発明である半導体ＭＥＭＳ共振器は、前記構造体が振動する方向における、前記第１の領域の寸法と前記第２の領域の寸法が異なることに特徴がある。

なお、本段落では、前記第１の領域と前記第２の領域の寸法について記載する。例えば、このＭＥＭＳ共振器が棒状のカンチレバー構成であり、面内振動するカンチレバーが第２の領域、カンチレバーに隣接して配置された駆動電極が第１の領域である場合について詳述する。カンチレバーが面内振動する方向での当該第２の領域の寸法（カンチレバーの幅である）と、当該方向での前記第１の領域の寸法（駆動電極の幅である）を等しくしても良く、また、異なった寸法にしても構わない。かかる構成では、第１の領域の寸法を第２の領域の寸法よりも大きくすると面内振動の振幅を大きくすることができる。

本発明である半導体ＭＥＭＳ共振器は、（１）前記構造体が振動する方向における、前記第１の領域および前記第２の領域の少なくとも１つの領域の寸法が、（２）前記構造体が振動する方向における、前記構造体の振動機構の寸法よりも大きいことに特徴がある。

なお、前記したように、前記構造体は振動機構と励振機構とから構成されていても構わない。かかる構成の具体的な例は、カンチレバーを振動機構とし、該カンチレバーに隣接して配置された前記第１の領域と前記第２の領域からなるＰＮ接合を励振機構とする構成である。この構成で、前記第１の領域が前記カンチレバーに含まれるように配置すれば、該構成における前記構造体は、（１）振動機構と励振機構の一部を備えたカンチレバーと、（２）前記第２の領域を備えた駆動電極とで構成されることになる。この構成での各部の寸法について以下に記載する。このカンチレバーは面内で振動するので、振動方向での前記第１の領域および前記第２の領域の少なくとも１つの領域（例えば、前記駆動電極である）の寸法（振動面内での駆動電極の厚さ）を、前記振動機構（カンチレバー）の寸法よりも大きくする。該駆動電極の厚さを適宜設定することにより、前記カンチレバーの振動振幅を大きくすることが可能となる。なお、カンチレバーには先端が局所的に太くなった構造もあるが、かかる場合においては、前記「振動機構の寸法」（前段落）とは振動機構の該先端部を除いたカンチレバーの寸法である。

この半導体ＭＥＭＳ共振器は、（１）（１−１）少なくとも１つの前記第１の領域と該第１の領域に隣接するように配置された少なくとも１つの前記第２の領域とを有する第１の円弧状帯領域と、（１−２）少なくとも１つの前記第２の領域と該第２の領域に隣接するように配置された少なくとも１つの前記第１の領域とを有する第２の円弧状帯領域と、の組み合わせの少なくとも１組からなるリング状の前記構造体であって、（２）前記第１の円弧状帯領域における前記第１の領域と前記第２の領域との間に第１の交流信号が重畳された第１の逆バイアス電圧を印加し、（３）前記第２の円弧状帯領域における前記第２の領域と前記第１の領域との間に第２の交流信号が重畳された第２の逆バイアス電圧を印加し、（４）前記第１の交流信号及び前記第２の交流信号により、前記リングが配置された面内で前記構造体を面内振動させることが特徴である。

この半導体ＭＥＭＳ共振器の前記第１および前記第２の円弧状帯領域が半周状帯領域であることも特徴である。

なお、前々段落に記載した構造体（半導体ＭＥＭＳ共振器）の構成について詳述する。該共振器はリング状の構造体であり少なくとも２つの円弧状帯領域（リングを円周に沿って複数個に分割した「帯」領域）が合体した形状である。かかる円弧状帯領域の数の代表的な例は「２」である。即ち、２つの半周状帯領域からなる構成である。かかる構造体の一部には機械的な固定のための固定領域が配置され、固定手段が具備されている。かかる固定領域は、リングが共振した時の「節」の位置であることが好ましい。該領域を機械的に固定するための手段としては、前記固定領域からリング外側へ「短い腕」を突き出させ、この腕の先端を固定（例えば、構造体を構成する半導体基板の一部とする）することが挙げられる。

なお、説明の便宜上、本発明では、前記した「第１の導電性」を「Ｎ型」とし、「第２の導電性」を「Ｐ型」としている。当然のことであるが、本発明はこれに限定されることはなく、逆の設定でも構わない。

なお、本段落では、前記した「第１の領域」と「第２の領域」について例示する。例えば、「第１の円弧状帯領域」には、リング幅の中央で円周方向に沿って配置された「第１の導電性を有する第１の領域」が配置されている。当該円弧状帯領域の該「第１の領域」を含まない領域が前記「第２の導電性を有する第２の領域」になっている。即ち、該円弧状帯領域は「第２の導電性を有する第２の領域」の中央に「第１の導電性を有する第１の領域」が存在しているように見える。別の表現をするならば、「第２の領域は「第１の領域」の外側に隣接して配置」されている。

かかる２つの領域が前記したＰＮ接合を構成している。この構成では、リングの外側から順にＰ型−Ｎ型−Ｐ型の領域が並んでいることになる。前々段落では「少なくとも１つ」の領域が配置されていることが記載されているが、かかる表現は、リングの外側から順にＰ型−Ｎ型−Ｐ型−Ｎ型−Ｐ型のように複数のＰＮ接合が直列的に配置されている場合を含んでいる。また、リング外側から順にＰ型−Ｎ型の構成であっても構わない。

なお、前段落に記載した「第１の領域」と「第２の領域」の寸法について記載する。例えば、前記円弧状帯領域が外側から順に「第２の領域」、「第１の領域」、「第２の領域」が配列されている場合について記載する。面内振動の方向（例えば半径方向）におけるこれら３つの領域の寸法（幅である）は同一の大きさであっても良く、また、それぞれが異なった寸法であっても構わない。面内振動するリングの振動モードや振幅の仕様に合わせて適宜設定することが可能である。

なお、本段落では「円弧状帯領域」に供給される逆バイアス電圧と交流信号について記載する。前記「第１の円弧状帯領域」を構成する「第１の領域（Ｎ型である）」と前記「第２の領域（Ｐ型である）」の間には「第１の交流信号」が重畳された「第１の逆バイアス電圧」が印加される。逆バイアスの電圧は第１の領域がプラスに、第２の領域がマイナスでなる。また、前記「第２の円弧状帯領域」を構成する「第１の領域（Ｎ型である）」と前記「第２の領域（Ｐ型である）」の間には「第２の交流信号」が重畳された「第２の逆バイアス電圧」が印加される。逆バイアスの電圧は第１の領域がプラスに、第２の領域がマイナスである。前記した「第１の逆バイアス電圧」と「第２の逆バイアス電圧」の大きさは等しいことが好ましいがこれに限らない。さらに、各逆バイアス電圧に重畳されている前記した「第１の交流信号」と「第２の交流信号」は、同じ振幅であることが好ましいがこれに限らない。「第１の逆バイアス電圧」、「第２の逆バイアス電圧」、「第１の交流信号」、「第２の交流信号」のそれぞれの大きさは発生する面内振動の大きさが均等になるよう、あるいは、不要な振動モードが抑制されるよう適宜設定されても構わない。

この半導体ＭＥＭＳ共振器は、（１）（１−１）前記第１の領域からなるリングの外周に隣接させた前記第２の領域と、（１−２）該第２の領域と前記リングを挟んで対向する内周の位置に隣接させた前記第２の領域と、の組み合わせの少なくとも１組からなるリング状の前記構造体であって、（２）前記リングと前記１組の領域間に交流信号が重畳された逆バイアス電圧を印加し、（３）前記交流信号により、前記リングが配置された面内で前記構造体を面内振動させることが特徴である。

なお、前段落での「第１の領域」と「第２の領域」の構成について記載する。該「第２の領域」は該リングを構成する「第１の領域」を挟んで対向する位置に配置されている。該２つの領域は該リングの形状を変形させる機能を有しているので、「１組（ペアー）」として配置されている必要がある。かかる「ペアー」は該リングに沿って複数個配置されていても良い。例えば、前記固定領域が２個の場合には、それぞれの固定領域に近接して各２個の「ペアー」を配置することが含まれる。

なお、前々段落での「第２の領域」の大きさについて記載する。該領域の大きさを制限する特段の要因はない。該領域が大きい（円周方向に沿った長さが大きい）場合には、該リングを励振する力が大きくなる反面、該リングの振動モードの形状を複雑にする。かかる領域の大きさは、振動モード、前記交流信号と逆バイアス電圧の大きさなどを勘案して決定される。

本発明により、空乏層を等価的なギャップとして利用するＭＥＭＳデバイスの利用技術が確立された。即ち、（１）要求される周波数範囲で動作可能なＭＥＭＳ共振器の設計時の自由度が大きくなり、構造上の制約がない共振器を構成できるようになった。（２）大きな電気機械変換効率と大きなＱ値が同時に得られる静電駆動型ＭＥＭＳ共振器が実現できた。（３）異なる共振周波数を持つ共振器を複数個集積化でき、共振器の高度化が達成できるようになった。さらに、ＭＥＭＳ共振器の製造法、電子要素としての回路構成法（励振と検出）など、実用デバイスを得るために不可避な設計・製造・応用技術が得られた。

（ａ）〜（ｅ）は、本発明に基づく実施の形態１におけるカンチレバー構造の半導体ＭＥＭＳ共振器の構成を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明に基づく実施の形態２におけるリング型半導体ＭＥＭＳ共振器の構成を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明に基づく実施の形態３におけるリング型半導体ＭＥＭＳ共振器の構成と励振方法を示す図である。 （ａ）〜（ｈ）は、エクステンショナル（１，２）モードを説明する図である。 エクステンショナル（２，２）モードと固定領域を説明する図である。 （ａ１）〜（ｅ２）は、本発明に基づく実施の形態４における半導体共振器の製造法を示す図である。 （ｆ１）〜（ｊ２）は、本発明に基づく実施の形態４における半導体共振器の製造法を示す図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明に基づく実施の形態５における半導体ＭＥＭＳ共振器の構成と励振方法を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明に基づく実施の形態６における半導体ＭＥＭＳ共振器の構成例を示す図である。 本発明に基づく実施の形態７における半導体ＭＥＭＳ共振器の構成を示す図である。 本発明に基づく実施の形態８における半導体ＭＥＭＳ共振器の構成を示す図である。 本発明に基づく実施の形態９における半導体ＭＥＭＳ共振器の構成を示す図である。 本発明に基づく実施の形態１０における半導体ＭＥＭＳ共振器の構成を示す図である。 本発明に基づく実施の形態１１における音響エネルギの伝播と閉じ込めを示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明に基づく実施の形態１２における駆動法および信号検出法を示す図である。 本発明に基づく実施の形態１３における半導体ＭＥＭＳ共振器の構成を示す図である。 従来例を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、従来例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明に基づく半導体ＭＥＭＳ共振器について詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１（ａ）〜（ｅ）を参照して、本発明に基づく実施の形態１における半導体ＭＥＭＳ共振器の構成例について説明する。図１（ａ）は共振器の平面図である。図１（ｂ）および（ｃ）は共振器の断面図であり、それぞれ、図１（ａ）に示されるＡ−Ａ’とＢ−Ｂ’における断面が示されている。これらの図には、第２の導電性（例えばＰ型）を有するカンチレバー１０が示されている。カンチレバー１０は、基台１２（例えば絶縁体）に固定された固定領域１３で支持されている。第１の導電性（例えばＮ型）を有する駆動電極１４は、空乏層領域１５を介してカンチレバー１０と一体化されている。

図１（ａ）では、カンチレバー１０が前記構造体の振動機構、駆動電極１４と空乏層領域１５、および、空乏層領域１５に隣接するカンチレバー１０の一部領域が励振機構である。図に示すように、当該励振機構の一部はカンチレバー１０と共通化されている。なお、図１（ａ）の変形例として、励振機構がカンチレバーと離れて配置され（当該励振機構は前記第１の領域と前記第２の領域で構成される）、カンチレバー（励振機構を含まない振動機構になる）と機械的な結合のための細いビームで連結されている構成も考えられる。

図１（ａ）では空乏層領域１５は概念的に表示されており、詳細は図１（ｄ）に示されている。図１（ｄ）は図１（ｂ）におけるカンチレバー１０近傍の部分拡大図であり、カンチレバー１０と駆動電極１４は互いに接している。ここで駆動電極１４を正電位、カンチレバー１０を負電位にする（逆バイアスである）（その手段は明示せず）と、駆動電極１４とカンチレバー１０とが接する領域に空乏層１５が形成される。空乏層１５には電子や正孔が存在せず、空乏層１５は電気的には絶縁体と同一視しうる。空乏層１５の厚さ（横方向の長さ）は、カンチレバー１０および駆動電極１４の導電度（不純物濃度）に依存し、数ミクロン以下である。当該空乏層が形成された結果、電気的にはあたかも「Ｐ型の領域（１０’）、絶縁層（１５）、Ｎ型の領域（１４’）」が配列されているように見える。この構成による静電駆動型共振器では、カンチレバー１０の厚さ（図１（ｂ））が対向電極の面積に対応し、空乏層１５の幅が電極間のギャップになる。

図１（ｅ）はカンチレバーの振動を説明する図であり、図１（ａ）と同様、平面的に見た様子が示されている。前記したように、カンチレバー１０と駆動電極１４を逆バイアスすると、空乏層を圧縮するような静電気力が作用する。この結果、カンチレバー１０は「固定領域から離れた領域でＡ−Ａ’方向に圧縮」される。ここで逆バイアスする電圧に交流信号を重畳させると、その周波数でカンチレバーが振動する。当該周波数がカンチレバーの共振周波数と同じである場合には大きな振動振幅が得られる。図１（ｅ）に示すようにこの振動はカンチレバー１０と駆動電極１４が配置された面（図においては紙面と同じ面）内での振動となる。即ち、「面内振動」である。このカンチレバー１０の共振周波数は１０の長さに主に依存している。このため、カンチレバー１０の長さを変化させることにより共振周波数を変化させることができる。この特徴は共振周波数の異なる複数の共振器の集積化に適している。なお、この実施例では駆動電極１４と固定領域１３が分離した構造を示したが、駆動電極１４と固定領域１３が接した構造としても本実施の形態と同様の効果を得ることができる。また、本実施の形態ではカンチレバーの共振モードとして曲げ変形振動を利用する例を示したが、このときカンチレバー１０の幅と駆動電極１４の幅を必ずしも等しく設定する必要はない。これは駆動電極１４の幅（Ａ−Ａ’方向）寸法は構造体としてのカンチレバー１０の共振周波数にほとんど影響を与えないからである。かかる特徴は前記した従来例のような構造上の制限（縦振動する構造体の厚さと拡散層の深さ）がなく、構造体の平面でのサイズで所要の特性を得ることができるという設計上の大きな利点となる。しかし、駆動電極１４の領域の振動状態によって構造体としてのカンチレバー１０の振幅が大きく変化する。図１では駆動電極１４は基台１２に固定された例が示されている。この場合、駆動電極１４のＡ−Ａ’方向の振幅が小さくなるため、カンチレバー１０の振幅が大きくなる。一方、駆動電極１４が基台１２に固定されていない場合には駆動電極１４のＡ−Ａ’方向の幅寸法をカンチレバー１０のＡ−Ａ’方向の寸法よりも大きく設定することにより、駆動電極１４の振幅を抑えてカンチレバー１０の振幅を増大させることが可能である。このように、本発明では、駆動電極１４の幅寸法を自由に設定することが可能であるという特徴をもっている。

（実施の形態２）
図２（ａ）〜（ｃ）を参照して、本発明に基づく実施の形態２におけるリング型半導体ＭＥＭＳ共振器の構成について説明する。図２（ａ）は本実施の形態におけるリング型半導体ＭＥＭＳ共振器の平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＣ−Ｃ’での断面図である。これらの図には、振動リング２０が示されている。リング幅の中央領域には第１の導電性（例えばＮ型）の領域２１が、外周および内周には、第２の導電性（例えばＰ型）の領域２２および２３がそれぞれ配置されている。振動リング２０の幅の中央（円周に沿っている）には基台２４に固定された固定領域２５が配置され、振動リング２０は、固定領域２５によって保持されている。

図２（ａ）〜（ｃ）に示した構成において、領域２１をプラス電位、領域２２および２３をマイナス電位にする（逆バイアスである）（その手段は明示せず）と、領域２１と領域２２との中間領域（円弧状）、及び、領域２１と領域２３との中間領域（円弧状）には空乏層（図示せず）が発生し、当該２つの空乏層には圧縮力が作用する。例えば、領域２１を接地電位とし、領域２２および２３に負電圧が重畳された交流信号を供給すると、図２（ｃ）に示すような振動が発生する。当該交流信号の周波数が振動リング２０の共振周波数と等しくなると、振幅が大きな振動が発生する。振動リングは複数の共振周波数を有しており、図２（ｃ）はその一例である。かかる事例においては、振動リングは全周に渡ってリング幅が大きくなったり、小さくなったりする収縮運動で振動する。かかる振動モードはエクステンショナル（０，２）モードと呼ばれている。前記収縮運動では、領域２１の中央領域（円弧状）は振動しないので、当該領域を固定領域２５としても振動を妨げることはない。

前段落に記載したように、図２の構成では、当該リング２０は「励振機構」を内包する「振動機構」になっており、前記した「構造体」に該当する。

（実施の形態３）
図３（ａ）〜（ｃ）を参照して、本発明に基づく実施の形態３におけるリング型半導体ＭＥＭＳ共振器の構成について説明する。かかる構成では、「構造体」は「励振機構」を内包した「振動機構」でもある。これらの図には、構造体としての振動リング（共振リング）３０が示されている。振動リング３０は、第１の半周状帯領域３１と第２の半周状帯領域４１とで構成されている。さらに、第１の半周状帯領域３１には第１の導電性（例えばＮ型）を有する第１の領域３２がリングの円周方向に沿って配置され、その内周側と外周側には第２の導電性（例えばＰ型）を有する第２の領域３３が隣接して配置されている。また、第２の半周状帯領域４１には第２の導電性（例えばＰ型）を有する第２の領域４２がリングの円周方向に沿って配置され、その内周側と外周側には第１の導電性（例えばＮ型）を有する第１の領域４３が配置されている。図３（ｂ）は図３（ａ）のＤ−Ｄ’での断面図である。なお、図３（ｂ）での寸法は必ずしも図３（ａ）の寸法とは一致しておらず、説明上デフォルメされている。図３（ｂ）には、当該共振リングの外部に設置された直流電源５０，５１が示されている。直流電源５０，５１は、それぞれ「第１の逆バイアス電圧」と「第２の逆バイアス電圧」とを発生している。当該逆バイアス電圧の大きさは必ずしも同一値であるとは限らない。直流電源５０は、第１の領域３２と第２の領域３３とを逆バイアスしている。直流電源５１は、第２の領域４２と第１の領域４３とを逆バイアスしている。配線５２は、第２の領域３３と第１の領域４３とを同電位にするためのものである。かかる構成により、第１の領域３２と第２の領域３３との間、第２の領域４２と第１の領域４３との間にはそれぞれ空乏層（図示せず）が形成される。直流電源５０，５１により、第１の領域３２と第２の領域３３との組合せ、および、第２の領域４２と第１の領域４３との組合せには圧縮力が作用する。直流電源５０，５１にそれぞれ第１の交流信号と第２の交流信号（それぞれの値は異なっていても良い）を重畳（図示せず）させ、当該交流信号の周波数を振動リング３０の共振周波数と同じにすると、振動リング３０は大きな振動振幅で振動する。当該構成による静電駆動型共振器では、第１の領域３２と第２の領域３３との組合せ（および第２の領域４２と第１の領域４３との組合せ）が互いに対向した電極となり、それらの厚さ（紙面では上下方向の厚さ）が電極対向面積に対応している。

図３（ａ）〜（ｃ）に示した例では、リング状の構造体が「２つの半周状帯領域」で構成されている。しかし、この構成に限らず、「少なくとも２つの円弧状帯領域」がリングを構成していても良い。かかる構成では、第１の「円弧状帯領域」は図３（ａ）における第１の半周状帯領域３１に、第２の「円弧状帯領域」は図３（ａ）における第２の半周状帯領域４１に対応することになる。

図３（ａ）〜（ｃ）に示したリング型半導体ＭＥＭＳ共振器の振動モードについて、図４（ａ）〜（ｈ）を参照して説明する。ここで示すのは、エクステンショナル（１，２）モードと呼ばれる振動モードである。図４（ａ）〜（ｈ）は単純構成（同心円形状）の共振リングに対して解析したモードを示す。図４（ａ）〜（ｈ）では、リングの変形形状と共に変形量も濃淡で示されている。かかるモードでは、当該共振器のリング形状が時間経過と共に図４（ａ）から図４（ｈ）へと例示した形で変形する。即ち、前記「第１の半周状帯領域（３１）」のリング幅が大きくなり、同時に「第２の半周状帯領域（４１）」のリング幅が小さくなる（図４（ｃ））。また、振動周期の半分だけ時間が経過した時点では、前記「第１の半周状帯領域（３１）」のリング幅が小さくなり、同時に「第２の半周状帯領域（４１）」のリング幅が大きくなる（図４（ｇ））。いずれの変形状態でも、第１の半周状帯領域と第２の半周状帯領域の境界部分の領域は変形が小さい。このため、リングを当該領域で支持すれば振動状態を妨げることはない。即ち、変形が小さい領域（より具体的には振動の「節」領域）が固定領域になる。

図５に示すはリング型半導体共振器の他の振動モードである。これはエクステンショナル（２，２）モードと呼ばれる振動モードである。当該モードでは、左右領域の幅が小さくなると、上下領域の幅が大きくなる。振動周期の半分だけ時間が経過した時点では、左右領域の幅が大きくなり、上下領域の幅が小さくなる（図示せず）。当該モードでは、同図に示した４つの矢印が示す領域の変形が小さい。このため、これらの領域でリングを支持すれば振動状態を妨げることはない。即ち、かかるモードでは「４つの矢印」が示す領域が「節」であり、固定領域となる。

図３（ｃ）は図３（ａ）のＥ−Ｅ’での断面図である。図４（ａ）〜（ｈ）に示したエクステンショナル（１，２）モードでリングを振動させる共振器の設計では、リングの左右の固定領域４５でリングが支持されている。図３（ｃ）に示すように、固定領域４５はアンカー４６で機械的に固定されている。アンカー４６は、例えば、絶縁層４７、支持体４８を介して基台４９上に設置された構成である。支持体は製造プロセスにも依存するが、第１の領域４３、固定領域４５と共通であっても良い。かかる場合には、第２の領域４２と絶縁するために絶縁層４７が配置されている。なお、本実施の形態では、第２の領域４２が第１の領域４３を厚さ方向に貫通している構成が示されているが、この限りではない。例えば、第２の領域４２が第１の領域４３を貫通することなく、埋設されていても良い。かかる構成では、同図の第２の領域４２の直下に第１の領域４３が存在することになるので、絶縁層４７は不要である。

図３（ａ）〜（ｃ）に示したリング型共振器のエクステンショナルモードでの共振周波数は「リングの幅」に依存し、リング外周や内周の大きさ、リングの厚さには依存しないことが知られている。リング幅が大きくなると共振周波数は小さくなり、リング幅が小さくなると共振周波数は大きくなる。すなわち、リング外周／内周の大きさと厚さは共振周波数とは別の設計要因で決定できるという利点がある。このことは、所望の共振周波数を達成するための設計制限が少なく、設計の自由度（フレキシビリティ）が大きくなることを示している。前記した非特許文献２でのＭＥＭＳデバイスには「厚さ」制限があることと異なっている。かかる利点により、同一素材（例えばシリコンウェーハ）、同一製造プロセスで複数の異なる共振周波数を有するＭＥＭＳ共振器群が実現可能となる。多周波数対応のマルチ共振器を単一のチップに集積化可能である。

図３（ａ）〜（ｃ）に示したリング型共振器の構成では、振動領域が全てシリコンの単一素材で構成されている。静電型ＭＥＭＳデバイスのギャップ相当領域にシリコン酸化物（ＳｉＯ２）などの異種素材を使用していないため、かかる素材での振動吸収がなく、高いＱ値が得られるという特徴もある。この結果、電気機械変換係数が大きいＭＥＭＳ共振器を実現することができる。

（実施の形態４）
図６−１（ａ１）〜（ｅ２）および図６−２（ｆ１）〜（ｊ２）を参照して、半導体ＭＥＭＳ共振器（図３）の製造方法について説明する。図６−１（ａ１）〜（ｅ２）および図６−２（ｆ１）〜（ｊ２）には、図３（ａ）のＤ−Ｄ’およびＥ−Ｅ’での断面図がそれぞれ示されている。なお、図６−１および図６−２での寸法は必ずしも図３（ａ）で示されていた寸法とは一致しておらず、説明上デフォルメされている。図６−１（ａ１）および図６−１（ａ２）においては、シリコン層（シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウェーハでのデバイス層）６０、絶縁層６１、シリコン層（基板層）６２が示されている。説明の便宜上、シリコン層６０およびシリコン層６２は第１の導電性（例えばＮ型）を有している。シリコン層６０の表面に絶縁層を設け、周知の技術を用いてパターニングされた絶縁層６３を配置する（図６−１（ｂ１）および（ｂ２））。絶縁層６３のパターンをマスクとして不純物拡散を行い、第２の導電性（例えばＰ型）を有する領域６４を作成する。なお、同図では領域６４の深さは「絶縁層６１まで到達する」深さであるが、この限りではない。続いて、絶縁層を配置し、周知の技術を用いてパターニングされた絶縁層６５を配置する（図６−１（ｄ１）および（ｄ２））。次に、当該絶縁層６５が覆われていない領域をエッチングなどの手法で除去する（図６−１（ｅ１）および（ｅ２））。

シリコン層６２の裏面側に絶縁層を配置し、周知の技術を用いてパターニングされた絶縁層６７を配置する（図６−２（ｆ２））。なお、図６−２（ｆ１）では前記絶縁層は全て除去されている。図６−２（ｆ２）では前記したアンカーに対応する領域にのみ絶縁層６７が存在する。続いて、絶縁層６７をマスクとして、シリコン層（基板層）がエッチングされる（図６−２（ｇ１）および（ｇ２））。この結果、リングを機械的に固定する前記アンカーに対応する領域にのみシリコン層６２’が配置される。次に、絶縁層６１がエッチングなどの手法により除去される（図６−２（ｈ１）および（ｈ２））。この手法では、シリコン層６０側とシリコン層６２側との両面からエッチングされる。かかる構成ではシリコン層６０の表裏面に領域６４との境界（ＰＮ接合面）が露出しており、当該境界表面でＰＮ接合の絶縁性が劣化する可能性がある。かかる劣化があると、前記した逆バイアス状態が保てなくなる。この劣化を回避するために、熱酸化あるいは化学的堆積（ＣＶＤ）の手法で絶縁層６８および６９を設ける（図６−２（ｉ１）および（ｉ２））。ただし、当該劣化が発生しない場合には絶縁層６８および６９は不要となる。最後に絶縁層６８の一部を除去して第２の導電性（例えばＰ型）を有する領域７０を露出させる（図６−２（ｊ２））。この露出領域は当該領域へ電圧を供給する接続パッドとなる。

図６−１（ａ１）〜（ｅ２）および図６−２（ｆ１）〜（ｊ２）の説明では、便宜上、特定の導電性を例示したが、本発明はこれに限ることはない。例示した導電性が逆となる構成もあり得る。逆バイアスすることにより空乏層に力を作用させ、振動リングを振動させることが可能であるような構成であっても良い。

（実施の形態５）
図７（ａ）〜（ｄ）を参照して、本発明に基づく実施の形態５として、半導体ＭＥＭＳ共振器の他の構成と励振方法について説明する。これらの図では前記した第１の導電性領域が「非貫通」の場合が示されている。これらの図は図３（ｂ）に示した構成に対応している。図７（ａ）および（ｃ）では第２の導電性（例えばＰ型）の領域８４（ＳＯＩ構成のデバイス層）が例示されている。図７（ａ）では、第１の導電性（例えばＮ型）の領域８５，８６，８７が領域８４に配置されている。領域８５，８６，８７は領域８４を深さ方向に突き抜けることなく、それらの深さは８４の厚さよりも小さい。かかる構成は前記した不純物拡散の条件を制御することにより達成される。領域８４〜８７で構成された各領域には、直流電源９０，９１が接続されている。かかる電源により、領域８４と領域８５の間、あるいは領域８４と領域８６との間で構成されるＰＮ接合は逆バイアスされる。当該直流電源に交流信号が重畳（図示せず）されている場合には、その周波数で当該ＰＮ接合が励振される。かかる構成では、図７（ｂ）に例示した振動モード（エクステンショナル（０，１）モード）で励振することができる。

図７（ｃ）の構成では、領域８４に領域８５および８８が配置され、さらに、領域８８には領域８８の深さよりも浅い第２の導電性（例えばＰ型）の領域８９が配置されている。領域８８と領域８４との間でもＰＮ接合を形成しているが、配線９２により共通の電位に設定されている。領域８４と領域８５との間、および、領域８８と領域８９との間は、直流電源９０および９１でそれぞれ逆バイアスされている。かかる構成では図７（ｄ）に例示した振動モード（エクステンショナル（１，２）モード）で励振することができる。

図７に示した構成例では、ＰＮ接合の下側面が領域８４で覆われているので、領域８４の下面に絶縁層（図６−２（ｉ１）における絶縁層６９に相当）を配置する必要はない。一方、ＰＮ接合が非貫通であるので、前記直流電源により発生した力には「領域８４を撓ませる」力も含まれている。かかる「撓ませる力」は面外振動を発生させるので好ましくない場合もあり得る。この面外振動を抑制し、面内振動を主たる振動にするためには、領域８４の厚さ、領域８５（あるいは領域８９）の厚さと幅、導電性（不純物濃度）などを制御すれば良い。

（実施の形態６）
図８（ａ）〜（ｃ）を参照して、本発明に基づく実施の形態６として、複数の「円弧状帯領域」が振動リングを構成している例について説明する。同図では「白」表示領域が「第１の領域（Ｎ型）」、「黒」表示領域が「第２の領域（Ｐ型）」を示している。また、円弧状帯領域同士の間の境界は説明の便宜上離れているように図示されているが、実際の構造では互いに隣接して配置されている。図８（ａ）では４個の円弧状帯領域が円周に沿って配置され、互いに向き合った２個の円弧状帯領域１３０ａ，１３０ｂには面内振動を励起するＰＮ接合が配置されている。円弧状帯領域１３１ａ，１３１ｂにはＰＮ接合が配置されていない。図８（ｂ）では６個の円弧状帯領域が円周に沿って配置され、互いに向き合った２個の円弧状帯領域１３２ａ，１３２ｂにはＰＮ接合が配置されているが、残りの４個の領域には配置されていない。図８（ｃ）では６個の円弧状帯領域が円周に沿って配置されている。この内の４個の領域（円弧状帯領域１３３ａ，１３３ｂ，１３４ａ，１３４ｂ）にはＰＮ接合が配置されているが、残りの２個の円弧状帯領域には配置されていない。また、図８（ａ）と図８（ｂ）とは異なり、リングの上半分（あるいは下半分）が異なる導電性の円弧状帯領域で構成されている。図８（ａ）〜（ｃ）に示した本実施の形態においても、逆バイアスおよび交流信号を印加することにより面内振動を励起することが可能である。なお、図８（ａ）〜（ｃ）はリング構成の一例を示したに過ぎず、他の構成であっても構わない。

（実施の形態７）
図９を参照して、本発明に基づく実施の形態７におけるリング型共振器について説明する。図９においては、第１の導電型を有する第１の領域である振動リング１５０が示される。さらに、第２の導電型を有し振動リング１５０の外周で振動リング１５０に接して配置された第２の領域１５１ａが示される。さらに、第２の導電型を有し振動リング１５０の内周で振動リング１５０に接して配置された第２の領域１５１ｂが示される。図９において、第２の領域１５１ａと第２の領域１５１ｂとはリングを挟んで対向する位置に配置されている。それぞれの大きさ（円周方向に沿った長さ）には格段の制限がないが、振動モードを考慮するならば、それぞれの「中心角」（リング中心から電極を見込んだ角度に相当）をほぼ等しくすることが好ましい。図９には、さらに固定領域１５２および「アンカー」領域１５３が示されている。振動リング１５０と第２の領域１５１ａ（および第２の領域１５１ｂ）に逆バイアス電圧が重畳された交流信号を供給することにより当該リングは励振される。また逆に、当該リングが振動している時には、振動リング１５０と第２の領域１５１ａ（第２の領域１５１ｂ）からは当該振動に対応した電気信号（例えば静電容量の変化）が得られる。図９では、当該構成要素群を含む配置構成１５５ａ（破線で示す）と同様のものが振動リング１５０に沿って他に３ヶ所（配置構成１５５ｂ，１５５ｃ，１５５ｄ）配置されている。即ち、合計４ヶ所の配置構成１５５ａ，１５５ｂ，１５５ｃ，１５５ｄが配置されている。図９中の上下に配置された配置構成１５５ａおよび１５５ｃをリングの励振用に、図９中の左右に配置された配置構成１５５ｂおよび１５５ｄを電気信号検出用に用いることができる。かかる構成では、振動リングの共振周波数は振動リング１５０と配置構成１５５ａ（あるいは配置構成１５５ｂ，１５５ｃ，１５５ｄ）の構成（主として平面的な寸法）によって決定される。本実施の形態では、共振周波数のＰＮ接合構造（例えばそれらの厚さ）依存性が低いことから、共振器の設計が容易となり、また作製も容易になるという特徴がある。

（実施の形態８）
図１０を参照して、本発明に基づく実施の形態８におけるリング型共振器について説明する。本実施の形態におけるリング型共振器は、図９に示したリング型共振器の構成から配置構成１５５ａと配置構成１５５ｃとを排除した構成となっている。図１０に示すように、振動リング１５０を固定する領域は当該リングの円周のうち図１０中の左右の２ヶ所のみであるので、より多くの振動モードで動作させることが可能である。

（実施の形態９）
図１１を参照して、本発明に基づく実施の形態９におけるリング型共振器について説明する。本実施の形態におけるリング型共振器は、図１１に示すように、図１０に示した構成のうち配置構成１５５ｂおよび１５５ｄを分割配置した構成となっている。即ち、本実施の形態における配置構成１５５ｅおよび１５５ｆが、実施の形態８における配置構成１５５ｄに対応し、本実施の形態における配置構成１５５ｇおよび１５５ｈが、実施の形態８における配置構成１５５ｂにそれぞれ対応している。かかる構成では、配置構成１５５ｅから配置構成１５５ｈへの励振信号（交流信号と逆バイアス信号）を制御することにより、多用な振動モードを選択できる。例えば、配置構成１５５ｅと配置構成１５５ｇとに同じ励振信号を、配置構成１５５ｆと配置構成１５５ｈとに別の励振信号（例えば、逆位相の交流信号）を供給すれば、エクステンショナル（１，２）モードで励振することができる。また、配置構成１５５ｅから配置構成１５５ｈの全てに同じ励振信号を供給すれば、エクステンショナル（０，２）モードで励振することができる。本実施の形態では４組の「ペアー」を配置する例を示したが、より多くの「ペアー」を配置したり、各「ペアー」の配置される領域を変化させることにより、他の振動モードで励振することが可能である。

（実施の形態１０）
図１２を参照して、本発明に基づく実施の形態１０におけるリング型共振器について説明する。本実施の形態におけるリング型共振器は、図１２に示すように、２個の振動リング１６０ａ，１６０ｂを配置し、連結機構１６１で両者を機械的に結合した構成を備えている。本実施の形態におけるリング型共振器においては、前記した配置構成（配置構成１５５ａなど）と同じ構成の配置構成１６２ａ〜１６２ｄが配置されている。かかる構成では、配置構成１６２ａおよび１６２ｂを励振用に設定し、図１２中の左側にある振動リング１６０ａを振動させる。当該振動は連結機構１６１を介して図１２中の右側にある振動リング１６０ｂを振動させる。この振動は配置構成１６２ｃと配置構成１６２ｄとの間から電気信号として検出することができる。振動リング１６０ａと振動リング１６０ｂとは同じ形状、同じ大きさであることが好ましいが、これに限らない。例えば、振動リング１６０ａの外径、内径、幅が振動リング１６０ｂの外径、内径、幅よりも若干小さい場合には、両者の共振周波数に差が生じる。しかし、連結機構１６１でこれらの振動が結合され、共振周波数の帯域幅が増大するという利点が発生する。さらに、振動リングの数を増加（２次元的な配置をも含む）させ、それぞれを連結機構で連結させることも可能である。

（実施の形態１１）
図１３を参照して、本発明に基づく実施の形態１１として、音響エネルギの伝播および閉じ込めについて説明する。図１３では、図３（ａ）に示した第１の半周状帯領域３１の一部分３１’が示されている。図１３において、第１の領域３２’および第２の領域３３’は図３（ａ）に示した第１の領域３２と第２の領域３３とにそれぞれ対応している。第１の領域３２’と第２の領域３３’との間に形成された空乏層（図示せず）には振動リングを振動させる静電気力が発生している。かかる振動が発生した時には、第２の領域３３’の内部を伝播する音響波１００が発生する。この波は第２の領域３３’の内部を径方向に伝播し、第２の領域３３’の外側界面と、第１の領域３２’と接する内側界面で反射する（１０１の矢印で例示）。第２の領域３３’の幅１０２および幅１０３（共に平面内での幅である）を適宜設定することにより、音響波１００を定在波にすることができる。かかる構成では振動リングへ与えられたエネルギが外部に漏れ出さないので、効率良くリングを振動させることができる。

（実施の形態１２）
図１４（ａ）および（ｂ）を参照して、本発明に基づく実施の形態１２として、半導体ＭＥＭＳ共振器の駆動法および信号検出法について説明する。図１４（ａ）は図３（ａ）と同一のものをしめし、各領域の接続パッドを便宜的にＪ，Ｋ，Ｌ，Ｍと表記してある。図１４（ｂ）は駆動系１１０および信号検出系１１１を示す。駆動系１１０では、入力端子１１２から供給された交流信号は、正負の逆バイアス用直流電源に重畳され、接続パッドＪおよびＬから振動リングに供給される。一方、接続パッドＫおよびＭは、ＯＰ１およびＯＰ２でそれぞれ構成された電流増幅回路に接続されている。かかる構成では、当該電流増幅回路の入力インピーダンスはゼロであるので、接続パッドＫおよびＭは接地（仮想接地である）されていることになる。このため、振動リングを構成しているＰＮ接合には、駆動系１１０の直流電源から供給された交流信号を含む電圧全てが印加されることになる。即ち、第１の導電性（例えばＮ型）を有する第１の領域（Ｊに対応）と第２の導電性（例えばＰ型）を有する第２の領域（Ｋに対応）には交流信号が重畳された第１の逆バイアス電圧（＋Ｖで表示）が印加されている。一方、第２の導電性を有する第３の領域（Ｌに対応）と第１の導電性を有する第４の領域（Ｍに対応）には当該交流信号が重畳された第２の逆バイアス電圧（−Ｖで表示）が印加されている。これらの励振条件下で振動リングを振動させている。

図１４（ａ）および（ｂ）における接続パッドＫおよびＭからはそれぞれ第１の半周状帯領域３１および第２の半周状帯領域４１での振動（リングの変形）に対応した信号が得られる。エクステンショナル（１，２）モードでは、第１の半周状帯領域３１が縮むと第２の半周状帯領域４１が膨張するといった変形であるので、接続パッドＫおよびＭから得られる信号は逆相になる。かかる逆相の信号はＯＰ１およびＯＰ２において電流電圧変換され、差動増幅回路（ＯＰ３）で処理される。一方、接続パッドＫおよびＭから得られる正相信号成分（例えば、リングの振動に寄与しない浮遊容量などからの信号）は差動増幅回路で相殺される。この結果、出力端子１１３からは振動リングの振動のみに対応した信号が得られる。

（実施の形態１３）
図１５を参照して、本発明に基づく実施の形態１３における半導体ＭＥＭＳ共振器について説明する。図１５に示すように、本実施の形態における半導体ＭＥＭＳ共振器の構成は、図３（ａ）に示した構成に、振動リングの外周および内周の領域に電極１２０，１２０’ ，１２２，１２２’を付加したものである。かかる構成では、種々の駆動・検出形態を採用することができる。例えば、
（１）第１の領域３２と第２の領域３３との組合せ、第２の領域４２と第１の領域４３との組合せで振動リングを励振し、電極１２０と電極１２０’との間、および、電極１２２と電極１２２’との間から信号を検出する。
（２）電極１２０と電極１２０’との組合せ、電極１２２と電極１２２’との組合せで振動リングを励振し、第１の領域３２と第２の領域３３との間、第２の領域４２と第１の領域４３との間から信号を検出する。
（３）第１の領域３２と第２の領域３３との組合せ、第２の領域４２と第１の領域４３との組合せ、電極１２０と電極１２０’との組合せ、電極１２２と電極１２２’との組合せの全てで振動リングを励振し、第２の領域３３と第１の領域４３との間から信号を検出する。信号検出法は図１４（ａ）および（ｂ）と同様である。

本明細書では複数の実施の形態を挙げて本発明の詳細な説明を行った。説明では便宜上、円弧状帯領域（及び半周状帯領域）には、それぞれ１個の不純物が拡散された場合を示している（例えば図３（ａ））。しかしながら、不純物が拡散された領域は１個に限らず、複数の当該領域が円弧状帯領域に配置されていても構わない。例えば、円弧状帯領域の構成が、外周側から、Ｐ型−Ｎ型−Ｐ型−Ｎ型−Ｐ型といった構成、即ち、当該領域には２条の領域が配置されている構成であっても構わない。また、Ｐ型とＮ型の指定は本明細書に記載した例に限らず、逆の組合せであっても構わない。

本発明により、大きな電気機械変換効率と大きなＱ値を持ち集積化に適した構成の半導体ＭＥＭＳ共振器が得られた。さらに、かかる半導体ＭＥＭＳ共振器の構成・構造を活かした駆動法や信号処理法も得られた。本発明で得られた技術は、通信用の共振器のみならず、センサ、アクチュエータなどＭＥＭＳデバイス全般に応用可能である。センサ応用においてはセンサ信号の検出に共振器を利用した構成を採用することにより、高感度のセンシングが可能となる。さらに、特に高い周波数が必要とされる分野に本発明を適用することにより顕著な効果が得られる。

１０ カンチレバー（第２の導電性、Ｐ型）、１０’ Ｐ型の領域、１２，２４，４９ 基台、１３，２５，４５，１５２ 固定領域、１４ 駆動電極（第１の導電性、Ｎ型）、１４’ Ｎ型の領域、１５ 空乏層領域、２０，３０，１５０，１６０ａ，１６０ｂ 振動リング、２１ 第１の導電性（Ｎ型）領域、２２，２３ 第２の導電性（Ｐ型）領域、３１，４１ 半周状帯領域、３１’ 一部分、３２，３２’，４３ 第１の領域（Ｎ型）、３３，３３’，４２，１５１ａ，１５１ｂ 第２の領域（Ｐ型）、５０，５１，９０，９１ 直流電源、５２，９２ 配線、４５，１５２ 固定領域（リング支持）、４６，１５３ アンカー、４７，６１，６３，６５，６７，６８，６９ 絶縁層、４８ 支持体、６０，６２，６２’，８５，８６，８７，８８ シリコン層（第１の導電性，Ｎ型）、６４ 領域、８４，８９ シリコン層（第２の導電性，Ｐ型）、７０ 接続パッド、１００ 音響波、１０１ 反射を示す矢印、１０２，１０３ 領域の幅、１１０ 駆動系、１１１ 信号検出系、１１２ 交流信号の入力端子、１１３ 出力端子、１２０，１２０’，１２２，１２２’ 電極、１３０ａ，１３０ｂ，１３１ａ，１３１ｂ，１３２ａ，１３２ｂ，１３３ａ，１３３ｂ，１３４ａ，１３４ｂ 円弧状帯領域、１５５ａ，１５５ｂ，１５５ｃ，１５５ｄ，１５５ｅ，１５５ｆ，１５５ｇ，１５５ｈ，１６２ａ，１６２ｂ，１６２ｃ，１６２ｄ 配置構成、１６１ 連結機構。

Claims (6)

1. 主面を有する基台を備え、さらに、少なくとも一部が前記主面に固定された半導体で構成された構造体上に、第１の導電性を有する少なくとも１つの第１の領域と、前記第１の導電性とは逆の第２の導電性を有し、前記主面に垂直な方向から見たときに前記第１の領域に隣接する少なくとも１つの第２の領域とを有する第１の構造と、少なくとも１つの前記第２の領域と前記主面に垂直な方向から見たときに該第２の領域に隣接するように配置された少なくとも１つの前記第１の領域とを有する第２の構造とを備え、
   前記第１の構造における前記第１の領域および前記第２の領域と、前記第２の構造における前記第１の領域および前記第２の領域とが、前記主面に平行で該２つの領域が配置された面内において、互いに分断するように形成されており、前記第１の構造および前記第２の構造の少なくとも１つの該２つの領域間に交流信号が重畳された逆バイアス電圧を印加し、前記交流信号により、前記主面に平行で該２つの領域が配置された面内で前記構造体を面内振動させる、半導体ＭＥＭＳ共振器。
2. 前記第１の構造および前記第２の構造のいずれにおいても、前記構造体が振動する方向における、前記第１の領域の寸法と前記第２の領域の寸法とが異なる、請求項１に記載の半導体ＭＥＭＳ共振器。
3. 前記第１の構造および前記第２の構造のいずれにおいても、前記構造体が振動する方向における、前記第１の領域および前記第２の領域の少なくとも１つの領域の寸法が、前記構造体が振動する方向における、前記構造体の振動機構の寸法よりも大きい、請求項１に記載の半導体ＭＥＭＳ共振器。
4. 半導体で構成された構造体上に、第１の導電性を有する少なくとも１つの第１の領域と、前記第１の導電性とは逆の第２の導電性を有し、前記第１の領域に隣接する少なくとも１つの第２の領域とを有する第１の構造と、少なくとも１つの前記第２の領域と該第２の領域に隣接するように配置された少なくとも１つの前記第１の領域とを有する第２の構造とを備え、
   前記第１の構造における前記第１の領域および前記第２の領域と、前記第２の構造における前記第１の領域および前記第２の領域とが、該２つの領域が配置された面内において、互いに分断するように形成されており、前記第１の構造および前記第２の構造の少なくとも１つの該２つの領域間に交流信号が重畳された逆バイアス電圧を印加し、前記交流信号により、該２つの領域が配置された面内で前記構造体を面内振動させる、半導体ＭＥＭＳ共振器であって、
   少なくとも１つの前記第１の領域と該第１の領域に隣接するように配置された少なくとも１つの前記第２の領域とを有する第１の円弧状帯領域と、
   少なくとも１つの前記第２の領域と該第２の領域に隣接するように配置された少なくとも１つの前記第１の領域とを有する第２の円弧状帯領域と、
   の組み合わせの少なくとも１組からなるリング状の前記構造体であって、
   前記第１の円弧状帯領域における前記第１の領域と前記第２の領域との間に第１の交流信号が重畳された第１の逆バイアス電圧を印加し、前記第２の円弧状帯領域における前記第２の領域と前記第１の領域との間に第２の交流信号が重畳された第２の逆バイアス電圧を印加し、前記第１の交流信号及び前記第２の交流信号により、前記リングが配置された面内で前記構造体を面内振動させる、半導体ＭＥＭＳ共振器。
5. 前記第１および前記第２の円弧状帯領域が半周状帯領域である、請求項４に記載の半導体ＭＥＭＳ共振器。
6. 半導体で構成された構造体上に、第１の導電性を有する少なくとも１つの第１の領域と、前記第１の導電性とは逆の第２の導電性を有し、前記第１の領域に隣接する少なくとも１つの第２の領域とを有する第１の構造と、少なくとも１つの前記第２の領域と該第２の領域に隣接するように配置された少なくとも１つの前記第１の領域とを有する第２の構造とを備え、
   前記第１の構造における前記第１の領域および前記第２の領域と、前記第２の構造における前記第１の領域および前記第２の領域とが、該２つの領域が配置された面内において、互いに分断するように形成されており、前記第１の構造および前記第２の構造の少なくとも１つの該２つの領域間に交流信号が重畳された逆バイアス電圧を印加し、前記交流信号により、該２つの領域が配置された面内で前記構造体を面内振動させる、半導体ＭＥＭＳ共振器であって、
   前記第１の領域からなるリングの外周に隣接させた前記第２の領域と、
   該第２の領域と前記リングを挟んで対向する内周の位置に隣接させた前記第２の領域と、の組み合わせの少なくとも１組からなるリング状の前記構造体であって、
   前記リングと前記１組の領域間に交流信号が重畳された逆バイアス電圧を印加し、前記交流信号により、前記リングが配置された面内で前記構造体を面内振動させる、半導体ＭＥＭＳ共振器。