JPH0136725B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は表面波装置に関する。この装置におい
ては、電磁信号は基板の表面上の音響信号に変換
される。他の固体電子素子と組合された表面波装
置は信号フイルタ及び信号の遅延に対して使用さ
れる。 背景技法 従来の技法の大部分の装置は圧電基板を使用し
ている。この様な装置は帯域通過フイルタ、分散
性遅延線及び表面波共振器としての応用に使用さ
れている。この様な装置においては、基板上のイ
ンターデイジタル変換器に印加される電気信号は
基板の自由表面に平行に振動エネルギを運ぶ伝搬
波に変換される。 この分野においては、パホーマンスの制約を解
除する表面波装置に対する適切な材料の発見に注
意が注がれている。装置は特にその寸法、その再
現性及び動作条件に影響を与える温度に敏感であ
る。 １つの例は米国特許第4110653号に開示されて
いるが、この特許では石英が結晶学的に配向さ
れ、イオン衝突を受けて、温度感度制御が与えら
れている。 他の例はProc.IEEE、58、p.1361（1970）に示
されているが、この論文では、小さい温度係数が
特定の結晶学的配向によつて石英中に達成されて
いる。 追加の電子回路が表面波装置を利用するのに必
要とされているので、これ等を半導体装置に集積
するために努力がなされている。IBM
Technical Disclosure Bulletin、13、No.10、
March 1971、p.3022及び3023並びにIBM
Technical Disclosure Bulletin、23、No.２、
July 1980、p.837に示されている如くインターデ
イジタル変換器構造体の変型が出現した。
IEEE1979、Ultrasonic Symposium
Proceedings、pp.232 and 233中において示され
た如く、温度敏感性の如き性質を制御する構造が
出現した。 従来の表面波装置はモノリシツク半導体基板上
に他の電子装置と共に集積されている。 正確に予測可能で及び信頼性あるパホーマンス
を有する半導体表面音響波装置は本発明によつて
表面波伝搬の方向に対し特定の結晶配向を有する
表面上に特定の添加レベルを有する結晶の上にイ
ンターデイジタル変換器を位置付ける事によつて
与えられる。添加は半導体材料の弾性定数へ変則
的温度依存性を導入する。 通常、半導体材料の弾性定数は温度の増大と共
に減少する。本発明に従い、ずり弾性定数は適切
な添加によつて温度と共に増大する様になされ
る。適切に添加された、表面及び波の伝搬の方向
の両方に関して適切な結晶学的方向を有する半導
体結晶は表面音響波の通過時間の温度による変動
をなくし、及び／もしくは特定の温度で０点、即
ち通過時間の増減の変動がなくなる点を通過し、
逆方向にする事ができる。 半導体材料及び特にケイ素はすべての固体電子
装置において使用される材料であるので、本発明
は単一の均一基板中において温度補償された音響
波装置及び他の回路を使用する事を可能とする。
音響波の伝搬の性質は結晶の性質に依存するの
で、信類性及び再現性が保証される。 半導体材料中における添加は結晶の少なく共１
つの弾性定数に対して影響を与える電子的寄与を
生じ、音響波の速度は従つて弾性定数の大きさ及
び波の伝搬方向によつて影響される。 結晶の弾性定数のすべては、任意の方向の表面
音響波の速度に影響を与える。しかしながら、或
る指針が利用可能である。表面音響波は表面に垂
直に大きな変位成分を有し、従つて都合のよい結
晶配向は対応するバルク横方向ずり波が電子効果
によつて強く影響を受けるものである。ケイ素で
は〔１１０〕方向に変位を有して〔110〕方向に
伝搬する波は大きな電子効果がある弾性定数、
C₁₁−C₁₂によつて制御され、〔110〕、〔１１０〕表
面波の研究に導びく。添加濃度は、10¹⁹／cm³以下
の濃度が300Kにおける弾性定数の温度依存に対
してほとんど効果を有さないという事実によつて
制限される。 本発明に従つて、半導体表面波変換器の性質の
選択は結晶の弾性及び方向への電子的寄与の大き
さに対する制御を要求し、この制御を与えるため
に適切な添加濃度及び２方向に結晶学的配向が与
えられる。弾性に対する電子的寄与は異なつた半
導体の型では機能が異なる結果として生ずる。最
小のエネルギ・レベルのいくつかの領域が存在す
るケイ素、ゲルマニウム及びリン化ゲルマニウム
の如き多くのエネルギの谷を有する型の半導体に
おいては、導電度型は10¹⁸乃至10²¹の範囲でドナ
ー添加する事によつて発生されるｎ型である。近
縮退バンド構造を有する半導体においては、添加
は同様な範囲のアクセプタによる。 弾性波の伝搬のパラメータに対する電子的寄与
は結晶学的配向に依存する。適切な大きさの電子
的寄与を与える表面にとつては結晶学的配向を選
択する事が必要である。波の伝搬方向は表面に平
行であり、適切な結晶学的配向が選択され得る。
表面の結晶学的配向及び表面中の伝搬の方向は相
互に関係し、材料が異なると異なる事がある。 適切に添加された半導体材料は温度に関して速
度が制御可能という表面音響波パホーマンスを有
する事が発見された。添加の効果は半導体エネル
ギ帯構造に関連するエネルギ効果から生じ、圧電
気効果には関連しない。 第１図を参照するに、基板が適切に添加され、
結晶学的に配向された半導体結晶である時に、イ
ンターデイジタル変換表面波装置の機能の一部を
遂行する変換器の概略が与えられている。本発明
に従い、基板１はケイ素の如き半導体結晶であ
る。結晶１は２方向において結晶学的に配向され
ている。第１の方向はその上にインターデイジタ
ル変換器が位置付けられる表面２に垂直であり、
第２の方向は表面２に平行な音響波の伝搬方向で
ある。 結晶の表面２上には、その中の１つだけが示さ
れているが少なく共２個のインターデイジタル変
換器が位置付けられる。変換器はインターデイジ
タルな導体３及び４を有し、その各々は夫々ゆび
５，６及び７並びに８，９及び１０を有する。こ
の様な構造においては図示されていない圧電気も
しくは酸化物層がインターデイジタル変換器を結
晶の表面から分離している。インターデイジタル
変換器のくし状構造の周期が音響波の波長を定め
る。 動作について説明するに、導体３及び４間の
AC信号が結晶中に音響波を導入し、これらの波
は表面２に平行に伝搬する。AC信号はｆ＝V_s／
Ｌなる周波数を有する。ここでV_sは波の速度で
あり、Ｌはインターデイジタル変換器のくしの周
期である。導体３及び４はゆびの幅及び分離間隔
が１ミクロン程度である様に写真食刻の如き標準
の半導体技法によつて形成される金属もしくはポ
リシリコンの導電性条片である。 この分野の専門家にとつては、この高度に発達
した分野においては第１図の構造体は概略的なも
のであつて、本発明の添加及び結晶学的配向の条
件を説明するのに十分なインターデイジタル変換
器の関連部分のみが示されており、半導体の両立
性が確立されているので、図示されていない他の
回路が基板上の他の個所に与えられ得る事は明ら
かであろう。 本発明に従い、波の通過時間の変動に関する結
晶１のパホーマンスは適切な添加、及び矢印１１
及び１２（第２図）によつて表わされた如き結晶
に垂直な方向並びに矢印１３及び１４によつて表
わされた如き結晶内の波の方向間の適切な関係の
結晶学的配向によつて選択され得る。温度応答に
関して表面音響波装置の結晶のパホーマンスを選
択的に調節するための特に有用な可能性が達成さ
れる。この様な能力は集積型で電子装置の製造中
に有用な回路及び設計パラメータの選択を可能と
する。 表面波装置のパホーマンスは結晶マトリクスを
通過する伝搬の時間的遅延に依存するので、温度
の変化によつてもたらされる如き寸法の変化及び
弾性定数の変化は波の伝搬速度を変化させたり、
実際の基板の寸法を変化させたりしてパホーマン
スを変化させる事は明らかである。 本発明に従い、温度による通過時間の変動の減
少を可能とする半導体の相互に関連あるパラメー
タ、即ち添加濃度及び結晶学的配向の制御に対す
る方法が与えられる。 本発明に従い、半導体は添加濃度が結晶の弾性
に影響を与えるという性質を示す。結晶の弾性並
びに半導体表面の結晶学的方向及び伝搬方向が速
度に影響を与える。半導体の添加レベル及び結晶
学的配向は、本発明に従えば、特定の温度及び他
の温度において２点間を横切る表面波の通過時間
の変化が０である様に特定される。 １c.c.当り２×10¹⁹原子の量のリン・ドナーが添
加された半導体材料ケイ素は結晶学的配向が表面
２に垂直な方向の矢印１１及び１２（第２図参
照）が〔１１０〕方向にあり、表面に平行な結晶
学的配向が〔110〕方向である時に０の温度係数
を示す。 ケイ素なる例示的半導体結晶中の表面波の通過
時間に対する添加濃度及び結晶学的配向の影響は
本発明に従い関与するパラメータを示すために与
えられた第３図乃至第６図のグラフから明らかで
あろう。 このグラフに関する測定はPhysical Review、
Vol.161、No.３、pp.756〜761、15 September
1967に開示されたHallの教示に従つて作成され
た。 第３図を参照するに、導体結晶の１つの弾性定
数に対する添加濃度の効果の非線形性を示したグ
ラフが与えられている。その効果は添加濃度の増
大に添つて弾性定数値がどちらかと言えば急峻に
減少する事である。 本発明に従えば、好ましい材料はケイ素であ
り、第３図の曲線に従う弾性定数の変化の特定値
は第１表に示されている。第１表で弾性定数は１
×10¹⁸から１×10²¹迄の添加濃度の変化中に1.66
から1.54に変化する。

【表】 第４図には異なる結晶学的配向に対して添加濃
度と共に結晶学的配向の波の速度に対する効果を
示したグラフが与えられている。 第４図のグラフに関して与えられる情報の型
は、或る結晶学的配向では、他の結晶学的配向よ
りも高い速度が得られるので、特定の添加濃度の
制約に対して、波の速度の選択を可能にする。 好ましい材料、ケイ素に関して、次の第２表に
は、数々の特定の濃度レベルに対する結晶学的配
向における特定の波の速度を示したデータを与え
る。

【表】 添加及び純粋結晶中の表面波の通過時間の温度
による変動の差を示した第５図を参照するに、純
粋結晶では急な勾配の直線であり、他方添加結晶
の場合は非線形で、勾配は急峻ではない。 ケイ素に関するデータは第３表に述べられてい
る。

【表】 本発明に従い、添加濃度は結晶学的配向と共に
通過時間の変動が特定の温度で０点を通過し、即
ち方向を変える結晶を与えるために選択的に使用
され、これによつて０の温度係数を有する結晶が
与えられる。 この事は、通過時間が減少していき、特定の温
度で通過時間の増減の変動がなくなる点（０点）
を通過し、その後逆方向に通過時間が増加してい
くことを示した第６図のグラフに示されている。 添加及び結晶学的配向の相関関係の説明に照し
て、この分野の専門家にとつては添加濃度及び２
つの結晶学的配向なるパラメータを適切に選択す
る事によつて、温度による通過時間の変動の減少
が与えられる事は明らかであろう。 好ましい材料、ケイ素に関してはデータが第４
表に与えられている。この表で結晶は添加物質が
２×10¹⁹原子／c.c.の濃度のリンであり、表面に垂
直な結晶学的配向が〔１１０〕方向で、伝搬の方
向の結晶学的配向が〔110〕方向である場合に300
〓で０の温度係数を示している。

【表】 以上、半導体信号プロセツサがモノリシツク基
板中に集積され得るパホーマンス・パラメータが
選択され得る表面音響波装置が説明された。この
表面波装置は通過時間の制御及び選択可能な温度
パラメータ・パホーマンスの制御を与えるために
添加濃度と２つの結晶学的配向の方向の制御とい
う相関規準が使用された。

【図面の簡単な説明】

第１図は表面波装置の概略図である。１……基
板、２……表面、３，４……インターデイジタル
導体、５，６，７，８，９，１０……ゆび。第２
図は半導体結晶基板中の波の方向を示した第１図
の断面図である。第３図は多重谷バンド構造の半
導体結晶の１つの弾性定数に対する添加濃度の効
果を示したグラフである。第４図は異なる結晶学
的配向における音響波速度に対する添加濃度の効
果を示したグラフである。第５図は添加半導体材
料及び純粋半導体材料の音響波の通過時間の温度
による変動を示した図である。第６図は選択され
た温度で０点を通過する変動を示す、相関関係を
有する結晶学的配向及び添加濃度の多重谷バンド
構造半導体結晶中の表面波の通過時間の変動を示
したグラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ２×10¹⁹原子／cm³の濃度のリンを添加したケ
   イ素から成るモノリシツク半導体結晶基板を備
   え、表面音響波が伝搬する基板表面に垂直な結晶
   学的配向が〔１１０〕方向で、上記基板表面に平
   行な結晶学的配向が〔110〕方向であることを特
   徴とする表面音響波半導体装置。