JPH02299309A - 弾性表面波素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

本発明は、弾性表面波移相器、弾性表面波増幅器、弾性
表面波コンボルバなどに用いられる弾性表面波素子に関
するものである。

【従来の技術】

弾性表面波素子は固体表面を伝搬する表面弾性波を利用
した固体高周波素子である。 弾性表面波素子は小型で、温度に対して安定であり、素
子の設計の自由度が大きい等の優れた特徴を存する。テ
レビの中間周波数フィルタ等に用いられている。 弾性表面波は通常くし型状電極により圧電体に交流電界
を加えることで励振される。 圧電体としては、ＬｉＮｂＯ２やＬｉＴａＯ２等の圧電
体単結晶や、ＺｎＯ等の圧電体薄膜を基板上に成長させ
たものが利用されている。 現在、テレビのフィルタに用いられているものは後者の
タイプである。 また、弾性表面波素子の中には、表面波移相器やコンボ
ルバ、弾性表面波増幅器、表面波メモリ等、半導体中の
キャリヤと表面波との相互作用を利用したものもある。 これら、の素子は、部品点数が少なく、小型で安定な構
造で、複雑な信号処理をまかなえるという卓越した特徴
を有する。 （ａ）弾性表面波移相器 例えば第５図に示すような弾性表面波移相器が提案され
ている。 Ｓ１半導体基板２１の上に５Ｉ０２膜２２を形成し、そ
の上に、ＺｎＯ圧電体膜３０を成長させる。さらにその
上にくし型状電極４とゲート電極５を設ける。対向電極
６が５１０２膜２２とＺｎＯ圧電体膜３０の間でくし型
状電極４に対応する部分に設けられている。 これは簡単で安定なモノリシック構造の表面波移相器で
ある。電圧制御可変発振器への応用が注目されている。 （ｂ）弾性表面波増幅器 第６図に示されている弾性表面波増幅器が提案されてい
る。 ＬｉＮｂＯ３単結晶圧電体２３の上の中央部に、ＳＩＯ
□膜２４、ＩｎＳｂ半導体膜２５　、Ｓ１０□膜２６を
形成する。ＬｉＮｂＯ３単結晶圧電体２３の両端にくし
型状電極１３を設ける。 （ｃ）弾性表面波コンボルバ 第７図に示されるような弾性表面波コンボルバが提案さ
れている。 ＬｉＮｂＯ３単結晶圧電体２７の中央部の上に、Ｓ１０
□ＷＸ２　ｓ　、Ｓ１半導体２９、電極１９が形成され
ている。ＬｉＮｂＯ３単結晶圧電体２７の下面にも電極
２０が設けである。ＬｉＮｂＯ３単結晶圧電体２７の両
端にはくし型状電極１８が形成しである。 以上、弾性表面波素子として、弾性表面波移相器、弾性
表面波増幅器、弾性表面波コンボルバなどが提案されて
いる事を説明した。 これらの弾性表面波素子は、表面波の伝播速度と、＜シ
型状電極の電極間距離により使用周波数が決定される。 第８図にくし型状電極の概略平面図を示す。 電極の位置周期をＰとする。電極の幅をＷ１電極の間隔
をＳとすると、Ｐ＝２８＋２Ｗである。 弾性表面波の伝播速度をＶとすると、使用周波数ｆはＮ
　　ｆ　＝　ｖ　／　Ｐによって与えられる。 使用周波数を上げるためには、電極間距離、電極幅が小
さい事、あるいは表面波伝播速度が太きいことが要求さ
れる。 現在のフォトリソグラフィの技術では、電極間距離は１
．２１１ｍが限界である。 しかもこのような微細な加工工程は複雑で歩留まりが悪
かった。 フィルタに関しては、比較的音速の速いサファイヤを基
板に用い、電子ビーム露光技術で形成した幅０．５ｊｓ
の電極を用いることで、４．４ＧＨｚの中心周波数のも
のが実現されている。 しかしこれとて複雑で歩留まりの悪い製造工程を考える
と量産化は難しいといえる。 現在までに実用化されている弾性表面波素子の使用周波
数の上限は９００ＭＨｚである。

【発明が解決しようとする課題】

弾性表面波素子の動作周波数を上げること、および素子
の電極形成時の工程を簡易にすることが本発明の課題で
ある。

【課題を解決するための手段】

本発明は、弾性表面波と半導体中のキャリヤの相互作用
を利用した弾性表面波素子において、表面波移相器する
圧電体に隣接して、あるいは電極層や半導体層を挟んで
、一層以上のダイヤモンド層あるいはダイヤモンド状炭
素膜層を設けたことを特徴とする。 ダイヤモンドは現在知られている物質の中で最も音速が
大きい。縦波は１８．０００ｍ／ｓ　１横波は１２，０
００鵬／Ｓである。 縦波で比較するとＬＩＮｂ０３単結晶圧電体で３　、Ｇ
ＯＯｍ１５１ＺｎＯ圧電体で３．５０ｈ／ｓ、サファイ
ヤで１２．０００ｒａｇｓである。 もちろん弾性表面波は縦波でも横波でもない。 表面を伝播するので、表面の状態、隣接する物体の物性
にも影響される。しかし横波、縦波の速度が速ければ、
弾性表面波の伝播速度も大きいであろう。本発明ではこ
のような理由でダイヤモンドを圧電体に接して用いる。 ダイヤモンド状炭素は、微量の水素を有する非晶質構造
の炭素である。ダイヤモンドに類似の結合を持つ。絶縁
体である。・硬度はダイヤモンドの約半分である。密度
はｔ、ｅ〜１．９　ｇ／Ｃｍ３で、ダイヤモンドの約半
分である。従って音速はダイヤモンドに近く極めて大き
い。 ダイヤモンド層、圧電体層は単結晶、多結晶の何れでも
良いが、音響散乱の小さい単結晶の方が望ましい。 ダイヤモンド層は素子の構造によって、（ａ）人工合成
、あるいは天然の単結晶ダイヤモンド、または気相合成
による膜状ダイヤモンドあるいはダイヤモンド状炭素膜
の何れでも良い場合と、 （ｂ）気相合成による膜状ダイヤモンドあるいはダイヤ
モンド状炭素膜が望ましい場合がある。 炭化水素などのガスから、膜状ダイヤモンド、あるいは
ダイヤモンド状炭素膜を気相合成する手段としては、 （１）電子放射材を加熱して、原料ガスを活性化する。 例えば熱フィラメントを加熱し発生する電子により原料
ガスであるＯＨ４、Ｈ２ガスを励起する。 （２）プラズマによりガスを励起する。 例えばマイクロ波や高周波によるプラズマでＯＨ４、Ｈ
２ガスを励起する。 （３）光によりガスを励起する。 例えばレーザ光により励起する。 （４）イオン衡撃により成長させる。 （５）ガスを燃焼させる。 例えばＯＨ４、ｃ２ｎ２ガスを燃やす。 などの方法があるが何れの方法によっても良い。 以上述べたように、本発明は、圧電体層と、半導体層と
、ダイヤモンドあるいはダイヤモンド状炭素膜層を有す
る弾性表面波素子に関するものである。 このダイヤモンドあるいはダイヤモンド状炭素膜層は、 （イ）従来ＳＩＯ□などの絶縁体層が使用されていたと
ころをダイヤモンドあるいはダイヤモンド状炭素膜層で
置き換えたものである場合と、 （ロ）従来圧電体層あるいは半導体層のみであったとこ
ろを、それらの片側あるいは両側にダイヤモンドあるい
はダイヤモンド状炭素膜層を付は加えた構造の場合 がある。 （イ）の場合で、ダイヤモンドあるいはダイヤモンド状
炭素膜層を複数の部分に位置させることが可能な構造で
は、この全てをダイヤモンドあるいはダイヤモンド状炭
素膜層に置き換える必要はない。少なくともひとつはダ
イヤモンドあるいはダイヤモンド状炭素膜層に置き換え
なければならないが、残りは、例えばＳＩＯ□膜など従
来のものを使用しても良い。 （イ）の場合で特にＭＩＳ構造の絶縁体部分として機能
させる時は、その膜厚は通常１μｍ以下である。このよ
うな薄膜ダイヤモンドあるいはダイヤモンド状炭素膜層
は気相合成法で成長させることが望ましい。 （ロ）のような場合では、ダイヤモンド単結晶あるいは
気相合成されたダイヤモンド膜あるいはダイヤモンド状
炭素膜層の上に圧電体層あるいは半導体層を形成する場
合と、圧電体あるいは半導体の上にダイヤモンドあるい
はダイヤモンド状炭素膜層を形成する場合とが考えられ
る。 ここで用いられる圧電体層と半導体層について説明する
。 （ｉ）圧電体層は、 ＺｎＯ１ＡＩＮ、Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｌ）０３、（Ｐｂ、Ｌ
ａ）（Ｚｒ、Ｔｉ）０３、ＬＩＴａＯ。 、ＬＩＮｂ０３．５１０□、Ｔａ２０５．Ｎｂ２Ｏ５，
ＢｅＯ，Ｌｌ。Ｂ４Ｏ７，ＫＮｂＯ３、ＺｎＳ、Ｚｎ５
ｅ、ＣｄＳ。 等が望ましい。 特に膜状の圧電体層としては、電気機械結合係数が大き
く、ｃ軸記向膜あるいはエピタキシャル膜の成長が容易
なＺｎＯ膜が望ましい。 （ｉｆ）半導体層は。 一般的なＳｌ、ＧａＡｓをもちろん使うことができる。 これらの他に、 Ｇｅ、　Ｓｅ、　ＣｄＳ、　ＣｄＳｅ、’Ｚｎ５ｅ、Ｐ
ｂ５ｅ、　ＣｄＴｅ、　ＺｎＴｅ、　ＰｂＴｅ、　Ｚｎ
５ｂ、ＡｌＡｓ、　ＩｎＡｓ、ＧａＰ％ＩｎＰ、　Ａｌ
Ｓｂ、ＧａＳｂ、　ＩｎＳｂ。 などが好ましい。また半導体ダイヤモンドで半導体層を
形成することもできる。 特に、弾性表面波増幅器、弾性表面波コンボルバなどで
は、キャリヤの移動度の大きいことが要求される。この
場合、半導体層としてキャリヤ移動度の大きいＳ　ｔ、
　Ｇｅ５ＧａＡｓ、　ＩｎＳｂが望ましい。 以下図面によって説明する。第１図〜第３図は本発明の
弾性表面波素子の構造を示す。 第１図は弾性表面波移相器、第２図は弾性表面波増幅器
、第３図は弾性表面波コンボルバの縦断面図である。そ
れぞれについて説明する。 （ａ）弾性表面波移相器 圧電体層と、半導体の間にダイヤモンド膜あるいはダイ
ヤモンド状炭素膜の絶縁体を挟んだ構造の弾性表面波増
幅器である。 基板である半導体１の上にダイヤモンド膜またはダイヤ
モンド状炭素膜２を形成する。その上の一部に対向電極
６を設ける。さらにその上へ圧電体層３を形成する。圧
電体層３の中央部にゲート電極５を形成する。両端に（
し型状電極４を設けている。基板である半導体の裏側に
はオーミック電極７が設けである。 第５図と比較すればＳＩＯ膜がダイヤモンド膜あるいは
ダイヤモンド状炭素膜に置き換わっていると言うことが
分かる。 電極７とゲート電極５の間に電圧を加えると、半導体の
キャリヤ状態が変化する。このため電極５．７間の容量
が変わる。圧電体層３の撓み電圧特性がこれにより変化
する。 ゲート電極５が正にバイアスされていれば、半導体のキ
ャリヤが増加し絶縁体であるダイヤモンド膜あるいはダ
イヤモンド状炭素膜２のみがコンデンサとしての容量に
寄与する。容量が大きい。 ゲート電極が負にバイアスされていれば半導体のキャリ
ヤが減少し、空乏層が大きくなる。容量が減少する。 圧電体層３を伝播する弾性表面波の位相速度がこれによ
って変化する。つまりゲート電極に印加する電圧により
弾性表面波の位相速度を制御することができる。 そのようなことは公知であるが、本発明では圧電体層３
に接してダイヤモンド膜あるいはダイヤモンド状炭素膜
２を設けているので、８１０□などを使う場合より弾性
表面波の位相速度がより速くなるのである。弾性表面波
素子は圧電体層とこれに隣接する絶縁体層を伝播するか
らである。 このような構造の他に、圧電体層３の上にもダイヤモン
ド膜或はダイヤモンド状炭素膜を形成して圧電体層をダ
イヤモンド膜あるいはダイヤモンド状炭素膜によって挟
んだ構造としてもいい。この場合も圧電体層とこれを挟
む絶縁体層を伝播する弾性表面波素子の位相速度が速（
なる。 くし型状電極４と対向電極θとは圧電体層３の両側にあ
ればよいので、くシ型状電極が圧電体層３の下に対向電
極６が圧電体層３の上にあっても良い。 さらに、半導体は基板として用いるのではな（絶縁体基
板の上に半導体薄膜を形成したものでも良い。この絶縁
体基板としてダイヤモンド膜あるいはダイヤモンド状炭
素膜を使えば一層効果的である。 （ｂ）弾性表面波増幅器 第２図に本発明の弾性表面波増幅器の一例を示す。 ダイヤモンドまたはダイヤモンド状炭素８が基板となっ
ている。この上に圧電体層９が形成されている。圧電体
層９の両端にくし型状電極１３が設けである。中央部に
はダイヤモンド膜またはダイヤモンド状炭素膜１０があ
る。これの上に半導体層１１、さらにその上にダイヤモ
ンド膜またはダイヤモンド状炭素膜１２が設けである。 これを第６図のものと比較すると、５１０２膜の部分が
ダイヤモンド又はダイヤモンド状炭素に置き換わってい
ることがわかる。 制御のための電極は半導体層１１の両端に取り付ける。 これらの電極の間に電界をかけるが、直流ではなくパル
ス的に電界を印加するのである。 半導体層電極間をこの瞬間キャリヤが走行する。 くし型状電極１３に交流電圧を加えることにより圧電体
層９を弾性表面波が伝播する。 弾性表面波の位相速度よりも、キャリヤの速度が速けれ
ばキャリヤから弾性表面波にエネルギーが移動し、弾性
表面波のエネルギーが増大する。 つまり弾性表面波が増幅されるのである。 弾性表面波は圧電体層９を主に伝播するのであるが、一
部は隣接する絶縁体層をも伝播する。 絶縁体層が、本発明ではダイヤモンドまたはダイヤモン
ド状炭素となっているので、弾性表面波の位相速度が速
くなる。 第２図では基板自体がダイヤモンドまたはダイヤモンド
状炭素８となっているが、これに限らない。５１基板の
上にダイヤモンド膜またはダイヤモンド状炭素膜を成長
させ、この上に圧電体層９等上部構造を構成しても良い
。 （ｃ）弾性表面波コンボルバ 第３図に本発明の弾性表面波コンボルバの一例を示す。 ダイヤモンドまたはダイヤモンド状炭素を基板１４とす
る。基板１４の上に圧電体層１５を設ける。 圧電体層１５の両端にくし型状電極１８を形成する。圧
電体層１５の中央部にはダイヤモンド膜またはダイヤモ
ンド状炭素膜１６を成長させる。 この上に半導体層１７を設ける。半導体層１７の上に電
極１９を、基板１４の下に電極２０を形成する。 両方のくし型状電極１８．１８から互いに向き会う方向
の弾性表面波を中央部に向かって伝播させる。ふたつの
弾性表面波が中央部において衝突する。 圧電体に非線形性があれば、弾性表面波の振幅の２乗を
空間的に積分したものに比例した電圧が圧電体の両面間
に発生する。 圧電体の中央部でふたつの弾性表面波の積に比例する電
圧が生じる。弾性表面波の進行方向が逆であるので、中
央部に現れる二つの弾性表面波の積は、その時間に関す
る位相変化が互いに反対になる。また弾性表面波の発生
する位置が違うので圧電体の中央部でのふたつの弾性表
面波の強度の積の積分はそれぞれの強度の時間変化の畳
み込み積分になる。 それゆえ、電極１９．２０に生ずる電圧はふたつの弾性
表面波の時間的強度変化のコンポリューシジンに等しい
。だからこれを弾性表面波コンボルバというのである。 第７図の従来提案されているものではＳ１０□が絶縁体
として用いられている。 本発明ではこれをダイヤモンドまたはダイヤモンド状炭
素としている。圧電体層と絶縁体層を弾性表面波が伝播
するが本発明の方がその位相速度が速い。このためより
高速で動作する。

【　　作　　用　　】

ダイヤモンド中では横波の速度が１２８００ｍ／ｓ程度
である。現在知られている物質の中で横波速度が最も速
い。ダイヤモンド状炭素もこれに匹敵する横波速度を持
つ。 弾性表面波は圧電体を伝播するのであるから、弾性表面
波の伝播速度はこれを励起する圧電体の音速が大きい程
速い。これはもちろんである。 さらに圧電体が他の物体と接しているときは、その物体
の音速の速いほうが弾性表面波の伝播速度が速くなる。 もちろん弾性表面波と横波とは違う。弾性表面波はあく
まで表面を伝播するので、横波そのものではないし、ま
して縦波ではない。横波、縦波はバルクの材料に対して
定義できるものである。圧電体の表面を伝播速度する弾
性表面波は横波に似ているが、横波ではない。しかし絶
縁体が圧電体層に接して入る場合、絶縁体の横波速度が
大きければ、弾性表面波の速度も速い。 本発明においては圧電体層に接してダイヤモンドあるい
はダイヤモンド状炭素を設けているので圧電体を伝わる
弾性表面波の伝播速度を大きくすることができる。 同じ幅のくし型状電極を用いれば、従来のものより高周
波の波が伝播することになる。つまり素子の使用周波数
をより高くすることができる。 反対に、本発明の構造を用いて従来のものと同じ使用周
波数の素子を作るとすれば、くシ型杖電極の電極間隔を
従来のものより太き（することができる。 微細なくし型状電極の形成は極めて難しく、これが従来
の製品歩留まりを太き（制限していたのである。本発明
によれば、＜シ型状電極の間隔を大きくできるので、素
子製作時の歩留まりが向上する。

【　　実　　施　　例　　］ 第４図に示すような弾性表面波移相器を製作した。 ｎ型Ｓｌ単結晶基板１ａの上に、平行平板型のプラズマ
ＣＶＤ法によりＣ■４ガスを原料として、ダイヤモンド
状炭素膜２ａを形成した。膜厚は５０００人である。 この上の一部にに対向電極６を形成した。 さらにこの上に、マグネトロンスパッタ法によりＺｎＯ
薄膜３ａのＣ軸配向膜をｌ１１ｍ形成した。 そしてＺｎＯ薄１１％３ａの上に、電極間隔２ＪＩＩ１
１で、各４０対よりなるくし型状電極４．４と、ゲート
電極５を設けた。 この弾性表面波移相器の伝達特性を調べた。 中心周波数は１．２０ＧＨｚと高い値を示した。中心周
波数における挿入損失は２８ｄＢであった。 中心周波数１．２ＧＨｚにおける位相変化を測定したと
ころ、Ｏ〜−２０Ｖのゲート電圧の印加により弾性表面
波の位相はＯ〜６０ｅの変化を示した。 優れた性能である。 【発明の効果】 本発明は圧電体層に接して設けられる絶縁体層としてダ
イヤモンドあるいはダイヤモンド状炭素を用いるので、
他の物を使う場合よりも弾性表面波の伝播速度が速い。 このため、本発明によれば、従来実現が困難であった極
高周波で動作する弾性表面波素子を作製することができ
る。 また従来と同じ周波数で動作する弾性表面波素子を作る
場合は、電極製作がより容易になる。労力が軽減され、
歩留まりが向上する。 本発明の弾性表面波素子の例としては、弾性表面波移相
器、弾性表面波増幅器、弾性表面波コンボルバ等の信号
処理素子や、センサ等が挙げられる。 ４図面の簡単な説明 第１図は本発明の弾性表面波移相器の一例を示す縦断面
図。 第２図は本発明の弾性表面波増幅器の一例を示す縦断面
図。 第３図は本発明の弾性表面波コンボルバの一例を示す縦
断面図。 第４図は本発明の実施例に係る弾性表面波移相器の縦断
面図。 第５図は従来例に係る弾性表面波移相器の縦断面図。 第６図は従来例に係る弾性表面波増幅器の縦断面図。 第７図は従来例に係る弾性表面波コンボルバの縦断面図
。 第８図はくし型電極の平面図。 １・・・・半　導　体 ２１１・拳・ダイヤモンド膜またはダイヤモンド状炭素
膜 ３１　・　電圧　　電　　体　　層 ４＠・拳・くし型状電極 ５　・　・　拳　・ゲ　　−　　ト　　電　　極６　・
　１　・対　　向　　電　　極 ７・・・・オーミック電極 ８・・・・ダイヤモンドまたはダイヤモンド状炭素 ９　・　・　・　・圧　　電　　体　　層１０・・拳ダ
イヤモンド膜またはダイヤモンド状炭素膜 １１　・　・　・半　　導　　体　　層１２・・・ダイ
ヤモンド膜またはダイヤモンド状炭素膜 １３・・・くし型状電極 １４＠・・ダイヤモンドまたはダイヤモンド状炭素 １５　・　・　・圧　　電　　体　　層１６・・・ダイ
ヤモンド膜またはダイヤモンド状炭素膜 １７　・　１半　　導　　体　　層 １８・・・くし型状電極 １９１・電　極 ２０・・・電　極 ２１・φ・Ｓ１半導体基板 ２２・・・５１０゜膜 ２３φ拳・ＬＩＮｂＯ３単結晶圧電体 ２４拳争・ＳＩＯ□膜 ２５・・・ＩｎＳｂ半導体膜 ２６・Φ・Ｓ１０゜膜 ２７・・Ｉ　ＬＩＮｂ０３単結晶圧電体２８１１・・５
１０□膜 ２９・・・Ｓ１半導体 ３０＠拳・ＺｎＯ圧電体膜 １ａ・・・ｎ型Ｓｌ基板 ２ａ壷・・ダイヤモンド状炭素膜 ３ａ・・・ＺｎＯ薄膜 発　　明　　者　　　　　　　　　　　中　　幡　　英
　　基原　　村　　直　　治 １ビｊ頁、　ｊｌ、ｊ、ｊ 第　　　　　１ｖｌＪ 弾性表面波移用器 オーミック鎌１ 第　　　　　５　　　　　図 従来例 弾性表面波移相器 第　　　　　２　　　　　図 弾性表面波増幅器 弾性表面波増幅器 第　　　　　３　　　　　図 弾性表面波コンボルバ ２０′ 第　　　７　　　図 従来例 弾性表面波コンボルバ 第　　　　　　４　　　　　　図 弾性表面波移相器 第　　　　８　　　　図 くし専伏正極

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 圧電体と、これに接して設けられる絶縁体と、絶縁体に
   接して設けられる半導体と、圧電体の表面に形成される
   くし型状電極と、絶縁体または半導体に設けられる制御
   電極とを含み、弾性表面波と半導体中のキャリヤの相互
   作用を利用した弾性表面波素子において、表面波を励振
   する圧電体に隣接して、あるいは電極層や半導体層を挟
   んで、一層以上のダイヤモンド層、あるいはダイヤモン
   ド状炭素膜層を設けたことを特徴とする弾性表面波素子
   。