WO1998004040A1 - Dispositif de traitement des ondes acoustiques de surface - Google Patents

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WO1998004040A1
WO1998004040A1 PCT/JP1997/002506 JP9702506W WO9804040A1 WO 1998004040 A1 WO1998004040 A1 WO 1998004040A1 JP 9702506 W JP9702506 W JP 9702506W WO 9804040 A1 WO9804040 A1 WO 9804040A1
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WO
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surface acoustic
acoustic wave
electrode
semiconductor layer
grating
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PCT/JP1997/002506
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French (fr)
Inventor
Kazuhiko Yamanouchi
Hiroyuki Odagawa
Wasuke Sato
Naohiro Kuze
Hiromasa Goto
Original Assignee
Asahi Kasei Kogyo Kabushiki Kaisha
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02—Details
    • H03H9/125—Driving means, e.g. electrodes, coils
    • H03H9/145—Driving means, e.g. electrodes, coils for networks using surface acoustic waves
    • H—ELECTRICITY
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    • H03H9/02—Details
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    • H03H9/0296—Surface acoustic wave [SAW] devices having both acoustic and non-acoustic properties
    • H03H9/02976—Surface acoustic wave [SAW] devices having both acoustic and non-acoustic properties with semiconductor devices
    • G—PHYSICS
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    • G06G7/19—Arrangements for performing computing operations, e.g. operational amplifiers for forming integrals of products, e.g. Fourier integrals, Laplace integrals, correlation integrals; for analysis or synthesis of functions using orthogonal functions
    • G06G7/195—Arrangements for performing computing operations, e.g. operational amplifiers for forming integrals of products, e.g. Fourier integrals, Laplace integrals, correlation integrals; for analysis or synthesis of functions using orthogonal functions using electro- acoustic elements

Definitions

  • the present invention relates to a surface acoustic wave such as a surface acoustic wave amplifier or a surface acoustic wave convolver utilizing an interaction between a surface acoustic wave propagating through a piezoelectric substrate and electrons in a semiconductor. It concerns functional elements. BACKGROUND ART As a conventional functional element utilizing the interaction between a surface acoustic wave and electrons in a semiconductor layer, there is a surface acoustic wave functional element having a structure in which an interaction is performed over the entire width of a surface acoustic wave propagation path.
  • the first direct-type amplifier uses a piezoelectric semiconductor substrate 1 ⁇ ⁇ having both piezoelectricity and semiconductivity, such as CdS and GaAs, on which an input IDT 4 and an output IDT are placed.
  • This is an amplifier having a structure in which an electrode 8 for applying a DC electric field is provided to the electrode 5 and the piezoelectric semiconductor substrate 11 to amplify a surface acoustic wave.
  • the second separation type amplifier has an input IDT 4 and an output IDT 5 on a piezoelectric substrate 1 having a large piezoelectric property, and a semiconductor 1 2 having a high electron mobility and a gap 1.
  • This is a filter having a structure that is arranged via 3.
  • the flatness of the surface of the semiconductor and the piezoelectric substrate and the size of the gap greatly affect the width.
  • the air gap must be as small as possible and kept constant over the operating range, making industrial production extremely difficult.
  • the third monolithic amplifier has an input IDT 4 and an output IDT 5 on a piezoelectric substrate 1,
  • a surface acoustic wave convolver is a surface acoustic wave convolver.
  • the surface acoustic wave convolver has received a great deal of attention as a correlator for the CDMA (Code Division Multiple Access) system, which is a spread spectrum signal.
  • CDMA Code Division Multiple Access
  • digital LSIs and analog LSIs have been studied as correlators for CDMA, but all of them have extremely high power consumption, and they are a major obstacle to their application to portable devices that require low power consumption.
  • the practical application of a surface acoustic wave convolver that consumes zero power (0) in principle has been studied, taking advantage of its features of low power consumption and no synchronization.
  • the electrical impedance of the surface acoustic wave When using semiconductors with high mobility, such as InSb, to match the impedance of the semiconductor and the impedance of the semiconductor, it was necessary to make the thickness of the semiconductor thin film extremely thin. However, if the film thickness is small, the crystallinity of the semiconductor thin film is poor, the mobility of electrons is small, and a functional element with excellent characteristics cannot be obtained. Also, in the convolver, because the thickness of the semiconductor layer is thin, a method of extracting output in the film thickness direction cannot obtain high efficiency, and if the thickness of the semiconductor layer is increased, the sheet resistance is reduced.
  • semiconductors with high mobility such as InSb
  • an object of the present invention is to provide a semiconductor thin film having a good film quality as an active layer, a semiconductor arranged so that interaction between a surface acoustic wave and the semiconductor occurs sufficiently, and an elastic material which is easy to industrially manufacture.
  • An object of the present invention is to provide a surface acoustic wave device.
  • the crystallinity of the active layer was improved by inserting a buffer layer lattice-matching with the active layer between the piezoelectric substrate and the active layer. Further, the semiconductor layer is arranged beside the propagation path, and the electric field of the surface acoustic wave is transmitted to the semiconductor layer by the grating electrode, so that an interaction can be caused in the semiconductor.
  • the present invention extremely large amplification characteristics when a low voltage is applied and extremely high efficiency convolution output can be realized.
  • a buffer layer is inserted on the piezoelectric substrate.
  • the loss of surface acoustic waves could be minimized because there was no semiconductor layer on the propagation path of the piezoelectric substrate, and 3) 4) Elasticity of the grating electrodes placed on the propagation path was selected so as to suppress reflection.
  • the efficiency of the interaction between surface acoustic waves and electrons could be improved by forming a comb-shaped extraction electrode crossing the grating electrode.
  • the active layer is a layer in which electrons interacting with the propagated surface acoustic wave are present.
  • the above object was achieved by appropriately selecting the relative positional relationship between the semiconductor layer (active layer) whose film quality was improved by inserting the buffer layer, the grating electrode, and the extraction electrode. .
  • a surface acoustic wave device is a surface acoustic wave device having an input electrode, an output electrode, and a semiconductor layer on a piezoelectric substrate, wherein the semiconductor layer propagates from the input electrode.
  • the semiconductor layer comprises an active layer and a buffer layer lattice-matched to the active layer, the semiconductor layer being on the propagation path of the surface acoustic wave, It is characterized by having a plurality of grating electrodes arranged with a width wider than the width.
  • one end of the dumping electrode may be formed on the semiconductor layer.
  • the width L of the damping electrode is ⁇ 8 ⁇ ⁇ ⁇
  • the interval S between the ganging electrodes is ⁇ 8 ⁇ S ⁇ ⁇ . .
  • the width L of the dulling electrode is ⁇ 6 and the interval S between the grating electrodes is ⁇ / 6.
  • the surface acoustic wave device according to any one of 1) to 5) above, further comprising an electrode for applying a DC electric field to the semiconductor layer.
  • the comb-shaped extraction electrode may be formed on a semiconductor layer.
  • the comb-shaped extraction electrode may be formed below a semiconductor layer.
  • a uniform extraction electrode may be provided below the semiconductor layer.
  • a uniform ground extraction electrode may be provided below the piezoelectric substrate.
  • the electrode period of the grating electrode on the propagation path intersects the draining electrode and the comb-shaped extraction electrode
  • the electrode periods may be different.
  • a surface acoustic wave device is a surface acoustic wave device having a grating electrode and a semiconductor layer on a piezoelectric substrate or a piezoelectric thin film substrate, wherein the semiconductor layer has a surface acoustic wave.
  • a plurality of grating electrodes are formed on the semiconductor layer outside the propagation path at right angles to the propagation direction, and a strip dielectric is formed above the grating electrode in a portion other than the semiconductor layer.
  • a film is formed, and an extraction electrode is formed on the dielectric film.
  • the strip dielectric film may be formed on upper and lower portions of the grating electrode.
  • an extraction electrode may be formed below the strip dielectric film formed below the grating electrode.
  • a uniform extraction electrode may be formed below the semiconductor layer.
  • the grating electrode may be formed below a semiconductor layer.
  • a uniform extraction electrode may be formed on the semiconductor layer.
  • the grating electrodes have a structure in which the length in the width direction is alternately changed in an appropriate combination, and each of the alternating grating electrodes is A strip dielectric film may be formed at one end.
  • a comb-shaped extraction electrode may be formed so as to cross the grating electrode, and the comb-shaped extraction electrodes may be connected to have the same potential. Good.
  • the surface acoustic wave device is a surface acoustic wave device comprising a semiconductor substrate, a grating electrode, and a comb-shaped extraction electrode on a piezoelectric substrate or a piezoelectric thin film substrate.
  • the layer is located outside the propagation path on which the surface acoustic wave propagates, a plurality of grating electrodes are formed on the semiconductor layer at right angles to the propagation direction, and the comb-shaped extraction electrode is arranged to intersect the grating electrode.
  • a ground extraction electrode is formed so as to have the same potential, and has a width narrower than the propagation path and intersects at a grating electrode portion facing the semiconductor layer, and the ground extraction electrode is connected by a common electrode. It is characterized by having.
  • the grating electrode and the comb-shaped extraction electrode may be formed below a semiconductor layer.
  • the comb-shaped extraction electrode may be formed from the semiconductor layer portion to the propagation path.
  • a surface acoustic wave device is a surface acoustic wave device comprising a semiconductor substrate, a grating layer, and an extraction electrode on a piezoelectric substrate or a piezoelectric thin film substrate. It is characterized in that a uniform extraction electrode is formed to the middle of the upper or lower part of the extension, and has a gap between it and the end of the grating electrode.
  • ⁇ Preferably ⁇ ⁇ .
  • the width L of the electrode at the intersection of the grating electrode and the comb-shaped extraction electrode or the comb-shaped earth electrode is ⁇ / 16 ⁇ L ⁇ // 2, Preferably, the spacing S between ⁇ / 16 ⁇ S ⁇ A / 2.
  • the width L of the grating electrode is ⁇ 6, and the interval S between the grating electrodes is ⁇ 6.
  • the semiconductor layer may include an active layer and a buffer layer lattice-matched to the active layer.
  • the ratio of the width W of the propagation path of the surface acoustic wave to the width a of the semiconductor layer is determined by the electric wave impedance of the surface acoustic wave and the electric wave of the semiconductor layer.
  • the impedances are determined so as to be substantially the same.
  • the ratio of the width W of the propagation path to the width a of the semiconductor layer is WZa> l. Is preferred.
  • the semiconductor layer includes Si, InAs, InSb, GaAs, and InP.
  • any one of 34) above 1) as the piezoelectric substrate, formed of and i N b 0 3 single crystal substrate, L i T a 0 3 single crystal substrate and KN b 0 3 single crystal substrate, A substrate selected from the group may be used.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view showing a surface acoustic wave device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic sectional view showing a conventional direct amplifier.
  • FIG. 3 is a schematic sectional view showing a conventional separated amplifier.
  • FIG. 4 is a schematic sectional view showing a conventional monolithic amplifier.
  • FIG. 5 is an enlarged schematic perspective view showing a semiconductor layer and a grating electrode portion of a surface acoustic wave functional element including a semiconductor layer including a buffer layer and an active layer and a grating electrode according to one embodiment of the present invention. .
  • FIG. 6 is a schematic perspective view of a conventional surface acoustic wave amplifier having a structure in which a semiconductor layer exists on a propagation path.
  • FIG. 7 is an enlarged view of the semiconductor layer, the dielectric layer, and the grating electrode portion of the surface acoustic wave device when a dielectric layer is inserted between the buffer layer and the dielectric substrate according to one embodiment of the present invention. It is a schematic perspective view shown.
  • FIG. 8 is a schematic perspective view showing, on an enlarged scale, a semiconductor layer and a grating electrode portion of a surface acoustic wave function element in a case where three buffer layers are laminated according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a schematic perspective view of a surface acoustic wave functional element using a piezoelectric thin film as a substrate according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of a surface acoustic wave functional element having a structure in which a uniform extraction electrode is provided under a buffer layer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a schematic perspective view of a conventional surface acoustic wave convolver having a structure in which a semiconductor layer exists on a propagation path.
  • FIG. 12 is a schematic perspective view of a surface acoustic wave device having a structure in which a grating is formed below a buffer layer according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a schematic perspective view of a surface acoustic wave device having a structure in which a grating electrode and a comb-shaped extraction electrode intersect on an active layer according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 shows a semiconductor layer, a grating electrode, a comb-shaped extraction electrode intersecting with the grating electrode, and a comb-shaped ground extraction electrode according to an embodiment of the present invention. It is a schematic perspective view of the formed surface acoustic wave function element.
  • FIG. 15 shows a semiconductor layer, a grating electrode, a comb-shaped extraction electrode intersecting with the grating electrode, and a comb-shaped ground extraction electrode according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic perspective view of a surface acoustic wave functional element formed differently from FIG.
  • FIG. 16 is an enlarged view of an intersecting portion between a grating electrode and a comb-shaped extraction electrode and an intersecting portion between a dumping electrode and a comb-shaped ground extraction electrode of a surface acoustic wave device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a waveform diagram showing a convolver output waveform actually obtained from the elastic surface function element according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a schematic perspective view of a surface acoustic wave device in which an intersection between a dur- ing electrode and a comb-shaped extraction electrode according to one embodiment of the present invention is formed over an active layer and a propagation path.
  • FIG. 19 shows a surface acoustic wave in which a deformed grating electrode is formed on an active layer, and a comb-shaped extraction electrode and a comb-shaped ground extraction electrode are formed to intersect with the grating electrode, according to one embodiment of the present invention. It is a schematic perspective view of a functional element.
  • FIG. 20 shows a surface acoustic wave functional element having a comb-shaped extraction electrode formed with a grating electrode on an active layer and intersecting a grating electrode on a propagation path according to one embodiment of the present invention. It is a schematic perspective view of.
  • FIG. 21A shows a structure according to one embodiment of the present invention, in which a grating electrode is formed on a semiconductor layer, and a strip dielectric film is formed on a facing electrode portion of the semiconductor layer. It is a schematic perspective view of a surface acoustic wave functional element.
  • FIG. 21B is a cross-sectional view taken along XX ′ of FIG. 21A.
  • FIG. 22 shows that, according to one embodiment of the present invention, a grating electrode and a comb-shaped extraction electrode intersecting the grating electrode are formed on a semiconductor layer, and a strip conductor film is formed on a grating electrode portion facing the semiconductor layer. It is a schematic perspective view of the surface acoustic wave function element of the formed structure.
  • FIG. 23 is a cross-sectional view of an embodiment of the present invention, in which the width in the width direction of the grating electrode is alternately changed in an appropriate combination under the semiconductor layer, and the gray is alternately changed.
  • FIG. 4 is a schematic perspective view of a surface acoustic wave functional element having a structure in which a strip dielectric film is formed at one end of each of the switching electrodes.
  • FIG. 24 is a schematic perspective view of a surface acoustic wave functional element according to one embodiment of the present invention, in which a uniform extraction electrode is formed below the semiconductor layer so as to have a gap with the negative end of the grating electrode.
  • BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
  • FIG. 1 shows a surface acoustic wave functional element that is the basis of the present invention. 1 is a piezoelectric substrate, 2 is a buffer layer, 3 is an active layer, 4 is an interdigital input electrode, 5 is an interdigital output electrode, 6 is an electrode for applying a DC electric field to a semiconductor, and 7 is a grating electrode. It is.
  • the piezoelectric substrate according to the present invention may be a single-crystal substrate or a substrate on which a piezoelectric thin film is formed.
  • a piezoelectric substrate having a larger electromechanical coupling constant in order to obtain good performance, it is preferable to use a piezoelectric substrate having a larger electromechanical coupling constant.
  • Piezoelectric single crystal substrate is preferably an oxide-based piezoelectric substrate, for example, L i N b O 3, L i T a 0 3, L i 2 B 4 0 7 and KN b 0 3, etc. are preferably used.
  • the piezoelectric thin film substrate is formed by forming a piezoelectric thin film on a single crystal substrate such as sapphire, Si, or GaAs.
  • the piezoelectric thin film for example, ZnO, LiNb0 3, such as L i T a 0 3, KN B_ ⁇ 3, PZT, P b T i 0 3, B a T i 0 3, L i 2 B 4 0 7 is a thin film material is preferably used. Further, a dielectric film such as SiO or Sio 2 may be inserted between a single crystal substrate such as sapphire, Si or GaAs, and the compressible thin film. Furthermore, as a piezoelectric thin film substrate, a multilayer laminated film in which different types of thin films of the piezoelectric thin films are alternately and repeatedly stacked on a single crystal substrate such as sapphire, S ⁇ , or GaAs. May be formed.
  • the active layer preferably has a high electron mobility in order to improve the characteristics of the surface acoustic wave functional element.
  • Preferred examples include GaAs, InSb, InAs, PbTe, and the like. Further, not only binary systems but also ternary mixed crystals / quaternary mixed crystals combining them are preferably used.
  • the composition of the active layer may be, for example, In x G a!
  • X in _ ⁇ ⁇ ( ⁇ is a V-group semiconductor such as A s or S b) is generally 0 ⁇ ⁇ 1.0, which enables high electron mobility, but 0.5 ⁇ X ⁇ 1.0 is preferable, and 0.8 ⁇ x ⁇ l. 0 is a more preferable range.
  • RA s y S b The electron mobility of y (R is a group IV semiconductor such as In and Ga) can be increased in the range of 0 ⁇ y1.0, and is preferably 0 ⁇ x ⁇ 0.5.
  • the thickness of the active layer is determined in order to achieve a low carrier density in the active layer and to efficiently interact with the surface acoustic wave and the electron, and to form the grating electrode on the semiconductor layer.
  • the thickness h1 of the active layer is preferably 5 / Xm or less, more preferably 1m or less, and even more preferably 0.8m or less.
  • the resistance of the active layer is preferably 10 ⁇ or more, more preferably 50 ⁇ or more, and further preferably 100 ⁇ or more.
  • the piezoelectric substrate and the active layer have completely different crystal structures and lattice constants.
  • L i N b 0 3 a piezoelectric substrate is trigonal (trig 0 na, the I n S b of the active layer is Sen zinc blende type (zincb 1 ende).
  • Lattice constant 25% Therefore, even if it is attempted to grow InSb on the LiNbO3 substrate as it is, a large number of defects are generated, and good film quality cannot be obtained. It has been found that an active layer with good film quality can be realized by using a compound semiconductor having the same crystal structure and a relatively close lattice constant as the buffer layer.
  • the buffer layer of the present invention has a feature that the electric field of the surface acoustic wave is hardly attenuated.
  • the buffer layer of the present invention is constituted. That compound semiconductor is faster extremely lattice relaxation, and at the beginning of growth the compound semiconductor unique structure and lattice constant of a thin film thickness, the active layer nuclei It has been confirmed that an underlayer for formation can be formed.
  • the buffer layer in the present invention for example, binary systems such as A1Sb, ZnTe and CdTe, AlGaSb, AlAsSb, A1InSb, etc.
  • Ternary system such as A 1 G a ⁇ s S b, A 1 In n A s S b A 1 In n G a S b, A 1 In n PS b and A 1 G a PS b This is a preferred example.
  • the composition of the above-mentioned ternary or higher buffer layer by adjusting the composition to have a value that is the same as or close to the lattice constant of the crystal constituting the active layer, a larger electron in the active layer can be obtained. Mobility can be realized.
  • the term “lattice matching” in the present invention indicates that the crystal structures are the same and the lattice constants are close.
  • the close lattice constant means that the difference between the lattice constant of the crystal constituting the active layer and the lattice constant of the crystal constituting the buffer layer is within ⁇ 10%, more preferably within ⁇ 7%, and still more preferably. Means within ⁇ 5%.
  • the thickness of the buffer layer is preferably as small as possible in order to more efficiently perform the interaction between surface acoustic waves and electrons.
  • the thickness h 2 of the buffer layer is preferably 5 nm ⁇ h 2 ⁇ 3000 nm, more preferably 10 nm ⁇ h 2 ⁇ 2000 nm, and more preferably 20 nm ⁇ h 2 ⁇ 1 000 nm. .
  • the above-mentioned buffer layer needs to be electrically insulated from electrons in the active layer. That is, the resistance of the buffer layer is at least 5 to 10 times larger than the resistance of the active layer, preferably 100 times or more, and more preferably 1000 times or more.
  • the buffer layer in the present invention may be formed by laminating two or more kinds of semiconductor thin films.
  • a conductive material such as InSb or GaAsSb other than the buffer layer described above can be used as the buffer layer.
  • a superlattice structure may be formed by alternately laminating two types of buffer layers among the above buffer layers.
  • the uppermost layer having a value closer to the lattice constant of the active layer leads to an improvement in the film characteristics of the active layer.
  • the thickness of the laminated buffer layer is preferably as small as possible to prevent disconnection of the grating electrode.
  • a dielectric layer may be inserted between the piezoelectric substrate and the buffer layer.
  • This dielectric layer protects the piezoelectric substrate and the semiconductor film formed thereon. May be used for purposes.
  • the dielectric layer for example, sio, S io 2, nitride silicon, C e 0 2, C a F 2, B a F 2, S r F 2, T i ⁇ 2, Y 2 0 3, Z r 0 2, Mg O, A 1 such as 2 0 3, T a 2 0 5 is used.
  • the thickness of the dielectric layer is preferably thin, preferably 200 nm or less, more preferably 100 nm or less.
  • the material of the dielectric layer can be used similarly.
  • the strip dielectric film is formed in order to efficiently extract the convolution output. That is, it becomes possible to add the convolution output due to the interaction between the surface acoustic wave and the electrons in the semiconductor layer and the convolution output on the propagation path via the grating electrode.
  • the material of the interdigital transducer on the piezoelectric substrate and the damping electrode on the propagation path there are no particular restrictions on the material of the interdigital transducer on the piezoelectric substrate and the damping electrode on the propagation path.
  • Al, Au, Pt, Cu, A1-Ti alloy, A1- A Cu alloy, a multilayer electrode of A1 and Ti, and the like are preferably used.
  • the material used for the electrode for applying a DC electric field to the semiconductor layer is not particularly limited.
  • Al, Au, Ni / Au, Ti / Au, Cu / Ni / Au, AuGe / Ni / Au and the like are preferably used.
  • the grating electrode of the present invention is formed with an electrode width and an inter-electrode width that not only efficiently transmits the surface acoustic wave electric field to the semiconductor layer but also minimizes the reflection thereof. That is, the electrode width and the interelectrode width S of the grating electrode of the present invention are preferably ⁇ 8 or more and ⁇ or less with respect to the wavelength of surface acoustic waves; I.
  • the electrode widths L and S of the grating electrode be ⁇ 6 in consideration of attenuation due to reflection and easiness of electrode processing technology. Further, in the portion where the comb-shaped extraction electrode above or below the semiconductor layer or the comb-shaped ground extraction electrode other than the semiconductor layer intersects with the grating electrode, the width of the electrode and the interval between the electrodes are further reduced to less than] 2 Is also preferably performed.
  • the electrode width L and the spacing S between the electrodes at the intersection of the grating electrode, the comb-shaped extraction electrode, and the comb-shaped ground extraction electrode are ⁇ / 16 ⁇ L ⁇ ⁇ / 2 and 1/16 ⁇ S ⁇ , respectively. ⁇ / 2, is preferred.
  • the electrode width and the interelectrode width at the intersection of the grating electrode and the comb-shaped extraction electrode on the semiconductor layer become 12 .
  • the intersection between the comb-shaped ground extraction electrode and the grating electrode preferably has a crossing width shorter than the width of the propagation path outside the propagation path, and more preferably, the crossing width is 3 ⁇ .
  • the electrode spacing can be determined so as to satisfy a desired value, for example, 1 ; 3 or L L2 2, corresponding to the frequency used.
  • the grating electrode of the present invention can be formed above or below a semiconductor layer. Considering the crystallinity of the semiconductor layer, the crystallinity of the semiconductor thin film tends to improve as it grows, that is, the electron mobility becomes higher toward the upper surface. Therefore, in order to increase the efficiency of the interaction between the surface acoustic wave and the electrons, it is preferable to make the interaction on the upper surface of the semiconductor layer.
  • the comb-shaped extraction electrode and the comb-shaped ground extraction electrode so as to intersect with the grating electrode, it is possible to extract the convolution output not in the thickness direction of the semiconductor layer but in the lateral direction.
  • the movement of electrons flows in the lateral direction according to the size of the depletion layer formed by the grating electrode, and the effect of increasing the film thickness without lowering the resistance of the semiconductor layer was realized.
  • the convolver also achieved unprecedented high efficiency.
  • the width W of the surface acoustic wave propagation path and the width a of the semiconductor thin film can be selected to be appropriate values, but the total resistance value of the semiconductor layer portion and the grating electrode portion is determined by the surface acoustic wave.
  • the efficiency of the interaction between surface acoustic waves and electrons can be improved by matching with the surface impedance of.
  • the total resistance of the semiconductor layer and the grating electrode can be changed by the ratio WZa of the width W of the propagation path to the width a of the semiconductor layer.
  • WZa is preferably set to 1 or more, and more preferably, the total resistance value of the semiconductor layer portion and the grating electrode portion is matched with the impedance of the surface acoustic wave.
  • the buffer layer and the active layer of the present invention can be generally formed by any method capable of growing a thin film.
  • a vapor deposition method a molecular beam epitaxy (MBE) method, an organometallic molecular beam epitaxy (MOMB E ) And metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) are particularly preferred methods.
  • MBE molecular beam epitaxy
  • MOMB E organometallic molecular beam epitaxy
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • electron mobility / i 3340 cm 2 Vs.
  • the buffer layer 2 and the active layer 3 have a width a so that they exist only outside the surface acoustic wave propagation path (width is indicated by W) as shown in FIG.
  • Etching was performed in a strip shape as described above.
  • a DC electric field is applied to the grating electrode 7, the interdigital input electrode 4, the interdigital output electrode 5, and the active layer 3 of the surface acoustic wave on the propagation path and the active layer 3 by the lift-off method.
  • An electrode 6 for application was formed.
  • the grating electrode 7 has a grating electrode width L of 0.5 m, a spacing S between the grating electrodes of 0.5 m, and a propagation path width of the semiconductor layer (W / a).
  • FIG. Fig. 5 shows a schematic diagram when the grating electrodes on the propagation path and the semiconductor layer are enlarged.
  • a voltage of 3 V is applied to the electrode 6
  • the bandwidth characteristics at a frequency of 15 2 O MHz are measured by a network analyzer (YokokawawaHewlettPackadard85).
  • electron mobility / i 650 cm 2 / Vs.
  • the structure of the surface acoustic wave amplifier was fabricated in the same manner as in Example 1, and the width was measured. However, at a low voltage of 3 V, the width was not observed.
  • Comparative Example 1 since there was no buffer layer, the film quality of InSb could not be improved, and the electron mobility was low. That is, since the growing direct I n S b over L i N b 0 3, and decreased quality of I n S b by the diffusion of L i N b O 3 L i and O from the substrate. In addition, a current leakage layer was formed at the interface between the piezoelectric substrate and InSb, which is considered to have caused the deterioration of amplification characteristics.
  • the A 1 G a A s S b buffer layer used in Example 1 the effect of the upper toward the crystallinity close the crystal structure and lattice constant as I n S b, L i N b 0 3 from the substrate It can be seen that it also has the effect of preventing the diffusion of Li and ⁇ .
  • Example 1 Using 1 2 8 degrees Y cutlet preparative L i N b O 3 single crystal substrate of 3 inches in diameter as a piezoelectric substrate 1, after the growth of the same structure in the same growth method as in Example 1, follower tri Seo
  • the buffer layer 2 and the active layer 3 were etched using luffy technology so that the semiconductor layer was located on the surface acoustic wave propagation path.
  • the lift-off method thus, the input electrode 4, the output electrode 5, and the electrode 6 for applying a DC electric field to the semiconductor layer were formed.
  • FIG. 6 shows a schematic diagram of this comparative example.
  • the width characteristics at a frequency of 150 MHz when a voltage of 3 V was applied to the semiconductor layer of the surface acoustic wave amplifier manufactured through the above steps were measured, but no width was observed.
  • the surface acoustic wave needs to be transmitted through the buffer layer and the thick active layer.
  • the active layer of this comparative example was as thick as 500 nm, and the interaction could not be performed efficiently.
  • the piezoelectric substrate 1 as 1 2 8 degree Y cutlet preparative L i N b 0 3 single crystal substrate, after forming a thickness of 3 0 nm to S i 0 2 film in the same manner as in Example 2, MB E method Then, an InSb film was grown to a thickness of 500 nm.
  • FIG. 8 is a schematic diagram when the propagation path and the grating electrode portion of the present embodiment are enlarged.
  • the MB E method after growing at A 1 0. 5 G a 0 . 5 A s S b a 5 0 nm thick as a buffer layer 2, the active layer 3 A certain InSb was grown to a thickness of 500 nm.
  • the buffer layer 2 and the active layer 3 were etched in a strip shape using the photolithography technique so as to exist only outside the surface acoustic wave propagation path, as in FIG.
  • a grating that spans the two input electrodes (input electrode and reference signal input electrode), the surface acoustic wave propagation path, and the active layer is formed by the lift-off method.
  • Electrode 7 was formed.
  • an earth electrode was formed on the back surface of the piezoelectric substrate to form an electrode 18.
  • FIG. 10 shows a cross-sectional structure of the surface acoustic wave convolver manufactured through the above steps.
  • An input signal (1 mW) is applied to one input electrode 4 of the device of this embodiment.
  • the reference signal (lmW) is input from the other input electrode 4 and the input signal 4 is input, the convolution characteristic of the frequency 1 GHz output from the semiconductor lower extraction electrode ⁇ 6 is measured by an oscilloscope. A good convolution output as a non-linear signal was obtained, and its efficiency was —39.5 dB.
  • Example 6 After a semiconductor layer similar to that of Example 6 was grown on the piezoelectric substrate, a surface acoustic wave convolver was manufactured in the same manner as in Example 6.
  • the semiconductor lower extraction electrode 1 When an input signal (] m ⁇ V) is input to one input electrode 4 of the device of the present embodiment and a reference signal (lmW) is input from the other input electrode 4, the semiconductor lower extraction electrode 1
  • the convolution characteristics of the frequency 4 O OMHz output from 6 were measured with an oscilloscope, a convolution output as a non-linear signal was obtained, and the efficiency was —39 dBm. Compared to Example 6, it can be seen that a good convolution output is obtained irrespective of the frequency.
  • Example 6 In the same manner as in Example 6 on the 1 2 8 degrees Y cutlet Bok L i N B_ ⁇ 3 substrate, A 1 film evaporation After wearing, the MB E method, A 1 0. 5 G a 0 as a buffer layer 2 . 5 after growing the a s S b at 5 0 nm thick, was grown I n S b is an active layer 3 in a thickness of 5 00 nm. The electrical characteristics of the active layer were similar to those of Example 6. Next, using a lithography technique, the semiconductor layer was etched so that the semiconductor layer was positioned on the surface acoustic wave propagation path. Furthermore, after etching the exposed A1 film, two A uniform extraction electrode 17 was formed on the input electrode and the recoil exit.
  • FIG. 11 shows a schematic diagram of the surface acoustic wave convolver manufactured in this comparative example.
  • the convolution characteristics were measured in the same manner as in Example 6, but the efficiency of the convolution output was only -54 dBm. That is, when a semiconductor was present on the propagation path, the loss of the surface acoustic wave was large, and the interaction between the surface acoustic wave and the electrons could not be performed efficiently.
  • two input electrodes 4 and a uniform extraction electrode 17 on the semiconductor layer were formed by a lift-off method.
  • a 40 ⁇ m).
  • a uniform ground extraction electrode 18 was formed on the back surface of the piezoelectric substrate.
  • a grating electrode 7, a comb-shaped extraction electrode 19 intersecting the grating electrode 7 on the semiconductor layer, and two input electrodes 4 were formed by a lift-off method. Finally, make a uniform An earth extraction electrode 18 was formed.
  • FIG. 14 is a schematic diagram of the surface acoustic wave device according to the present embodiment.
  • the convolution characteristics were measured in the same manner as in Example 7. As a result, a very good convolution output was obtained from the comb-shaped extraction electrode, and the efficiency was -32 dBm.
  • the comb-shaped ground extraction electrode of the present invention can be formed with a width wider than the width of the propagation path, it is more preferable that the electrode is formed to be narrower than the width of the propagation path and intersect outside the propagation path.
  • the dielectric layer 21 was inserted between the semiconductor layer and the grating electrode. The dielectric layer 21 is inserted in order to form a Schottky junction between the semiconductor layer and the grating electrode. However, when the Schottky junction can be easily formed by the deposition method of the grating electrode, the dielectric layer 21 is not necessary.
  • I was 40 ⁇ m.
  • Fig. 15 shows a schematic diagram of the entire surface acoustic wave device of this example, and Fig. 16 shows an enlarged view of the intersection.
  • a surface acoustic wave functional element was produced in the same manner as in Example 10, and in particular, as shown in FIG. 18, the intersection of the grating pole 7 and the comb-shaped extraction electrode 19 was formed over the semiconductor to the propagation path.
  • the width of the grating electrode, the width of the extraction electrode, and the width between the electrodes were formed as 1/8.
  • a surface acoustic wave device was manufactured in the same manner as in Example 10, and as shown in FIG. 19, the semiconductor portion was twice as long as the electrode pitch between the grating electrode and the extraction electrode. And deformed grating electrode 23 and comb shape An extraction electrode 19 and a comb-shaped ground extraction electrode 22 were formed.
  • the width of the grating electrode, the width between the grating electrodes, the width of the comb-shaped extraction electrode, and the width between the dumping electrode and the comb-shaped extraction electrode were all ⁇ / 8.
  • Example 1 On Example 1 0 1 2 8 degrees in the same manner as Y Chikara' preparative L i N b 0 3 single crystal substrate 1, the MB E method, and a buffer layer 2 AI. . 5 G a. .
  • the 5 A s S b grown in a thickness of 5 0 nm, grown further thereon a 1 n S b and the active layer 3 by 5 0 0 nm thick.
  • the film characteristics of InSb were equivalent to those of Example 9.
  • the MB E method As piezoelectric substrate 1 on the 1 2 8 degree Y cut L i N b 0 3 substrate, the MB E method, the I n S b grow 5 OO nm as the semiconductor layer 2 0, measuring the electrical characteristic
  • a dielectric layer 21 such as a SiO 2 film and a strip dielectric film 25B were formed on the semiconductor layer to a thickness of 30 nm.
  • the InSb layer was etched using photolithography so as to exist only on the propagation path and outside. Further, the grating electrode 7 and the input electrode 4 were formed by the lift-off method as shown in FIG. 21A.
  • a strip dielectric film 25A is formed on the portion of the damping electrode facing the semiconductor layer, and a uniform extraction electrode 26 is formed on the strip dielectric film 25A.
  • a uniform ground extraction electrode 1 is placed on the back surface of the piezoelectric substrate at a position corresponding to the stripping film. 8 formed.
  • the strip dielectric film 25 of the present embodiment does not necessarily have to have a sandwich structure, but may be formed only on the grating electrode. Further, the ground extraction electrode may be formed below a dielectric film formed below the grating electrode. Further, a grating electrode can be formed below the semiconductor layer. Furthermore, in addition to the extraction electrode on the dielectric film, an output electrode can be provided above or below the semiconductor layer, and the outputs can be added to achieve a large efficiency.
  • a film structure was prepared in the same manner as in Example 15, and etching was performed so that the InSb layer 20 as a semiconductor layer was present only outside the propagation path.
  • two input electrodes 4, a grating electrode 7, and a comb-shaped extraction electrode 19 arranged so as to intersect the grating electrode 7 on the semiconductor layer 20 are formed by a lift-off method.
  • a strip dielectric film 25 was formed on the portion of the damping electrode facing the semiconductor layer 20, and a uniform extraction electrode 26 was formed on the strip dielectric film.
  • a uniform ground extraction electrode 18 was formed at a position corresponding to the strip dielectric film 25 on the back surface of the piezoelectric substrate.
  • the grating electrode and the comb-shaped extraction electrode of this embodiment may be formed below the semiconductor layer. Also, One end of the grating electrode may be sandwiched by the strip dielectric layer.
  • the grating electrode 7 is formed partway under the semiconductor layer 20, and the grating A uniform extraction electrode 27 was formed so as to have a gap G between them.
  • the surface acoustic wave device when the semiconductor layer is grown, by introducing the buffer layer according to the present invention on the piezoelectric substrate, an active layer having extremely good film quality can be formed.
  • the semiconductor layer by arranging the semiconductor layer outside the propagation path of the surface acoustic wave, the loss of the surface acoustic wave could be minimized.
  • the electrode width and interelectrode distance of the grating electrodes formed on the propagation path can be selected so as to suppress the reflection of surface acoustic waves, and furthermore, a comb-shaped extraction electrode or a comb-shaped earth extraction electrode that intersects the grating electrode is formed.
  • the surface acoustic wave functional element of the present invention can achieve a very high amplification factor at a practically low voltage when applied to a surface acoustic wave amplifier having a semiconductor provided with a DC electric field application electrode. Also, if applied to a surface acoustic wave convolver, an extremely high efficiency that could not be achieved until now can be realized. In other words, the surface acoustic wave functional element of the present invention brings about a major change in the parts used in mobile devices for mobile communication so far, and it is possible to replace amplifiers, filters and their peripheral circuits with a single element.
  • the surface acoustic wave convolver of the present invention is used as a CDMA correlator in spread spectrum communication, which is expected to have great future development, it is possible to achieve both low power consumption and high efficiency at the same time. Yes, and its industrial utility is immense.

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Description

明 細 書 弾性表面波機能素子 技術分野 本発明は、 圧電体基板を伝搬する弾性表面波と半導体中の電子との相互作用を 利用した弾性表面波增幅器や弾性表面波コンボルバなどの弾性表面波機能素子に 関するものである。 背景技術 従来の弾性表面波と半導体層中の電子との相互作用を応用した機能素子として は、 弾性表面波の伝搬路の幅全体にわたって相互作用を行わせる構造の弾性表面 波機能素子がある。 例えば、 弾性表面波機能素子の一例としての弾性表面波增幅 器に関しては、 直接型増幅器 （図 2 ) 、 分離型増幅器 （図 3 ) 、 モノ リシック型 増幅器 （図 4 ) の 3つの構造が提案されている。 第 1の直接型増幅器は、 C d S や G a A sのような圧電性と半導体性を同時にもつ圧電性半導体基板 1 〗 を用い、 その上に入力用すだれ状電極 4、 出力用すだれ状電極 5および圧電性半導体基板 1 1に直流電界を印加する電極 8を設け、 弾性表面波を増幅させる構造の増幅器 である。 しかし、 大きな圧電性と大きな電子移動度を同時にもった圧電性半導体 は現在のところ見つかっていない。 第 2の分離型増幅器は、 大きな圧電性をもつ た圧電体基板 1の上に入力用すだれ状電極 4、 出力用すだれ状電極 5を設けると 共に、 電子移動度の大きな半導体 1 2を空隙 1 3を介して配置している構造の增 幅器である。 この型の増幅器では、 半導体と圧電体基板の表面の平坦性と空隙の 大きさが增幅度に大きく影響する。 実用に耐える増幅度を得るためには、 空隙を できるだけ小さく し、 しかも動作領域にわたって一定に保つ必要があり、 そのた め工業的な生産はきわめて難しい。 一方、 第 3のモノ リシック型増幅器は、 圧電 体基板 1 の上に入力用すだれ状電極 4、 出力用すだれ状電極 5を設けると共に、 半導体 1 'λを空隙を持たず、 誘電体層 1 4を介して形成している構造の増幅器で ある。 モノ リシック型増幅器については、 1 9 7 0年代の山之内らの研究によれ は K. Y a ma n o u c h e t a 1 . , P r o c e e d i n g s o f t h e I E E E, 7 5、 p 7 2 6 ( 1 9 7 5) ) 、 L i N b 03基板上 に S i Oをコートし、 その上に I n S b薄膜 5 0 nmを蒸着した構造で、 I n S bの電子移動度として 1 6 0 0 c m2 V sが得られ、 この膜を使った弾性表面 波増幅器では、 1 1 00 Vというきわめて高い直流電圧を印加し、 中心周波数 1 9 5 MH zで利得 4 0 d Bが得られていた。 しかし、 I n S bの良好な膜質が得 られないため、 実際の携帯機器などへの応用を考えると、 駆動電圧が高過ぎ、 ま た低電圧での增幅度が小さ過ぎるという問題があった。
次に、 弾性表面波と半導体中の電子の相互作用を利用したもう一つの応用例と して弾性表面波コンボルバが挙げられる。 現在、 弹性表面波コンボルバはスぺク トル拡散通 ί言の CDMA (C o d e D i i s i o n Mu l t i p l e A c c e s s ) 方式用の相関器 （c o r r e l a t o r ) として非常に注目されて いる。 従来より、 CDMA用相関器としてデジタル L S Iやアナログ L S Iなど が検討されてきたが、 いずれもきわめて消費電力が大きく、 低消費電力化が要求 される携帯機器などへの応用には大きな障害となってきた。 そこで原理的には消 费電力が零 (0) である弾性表面波コンボルバが、 低消費電力と同期不要という 特長を生かして実用化が検討され始めている。 弾性表面波コンボルバの研究では、 例えば、 K. Y a m a n o u c h i , S . M i t s u i , K . S h i b a y a m a、 I E E E M T T— S I n t e r n. M i c r o w a v e S y mp . D i g e s t、 p 3 1 ( 1 9 8 0) において、 I n S b/L i N b 03系で一 5 9 d Bmのコンボリューション出力が得られていた。
しかしながら、 モノリシック型増幅器を実際の携帯電話などへ応用可能にする ためには、 少なくとも 9 V以下という実用的な低電圧で良好な增幅度を得るとと もに、 それを容易なプロセスで実現させる必要がある。 即ち、 これまでの技術よ り、 2桁以上の低電圧化をはかる必要がある。 また、 弾性表面波コンボルバにつ いても、 さらに大きな効率を実現させなければならない。
従来の弾性表面波機能素子の構造においては、 弾性表面波の電気的ィンピ一ダ ンスと半導体のインピーダンスを合わせるために、 移動度の大きな I n S bなど の半導体を用いる場合、 半導体薄膜の膜厚を非常に薄くする必要があった。 しか し、 薄い膜厚では、 半導体薄膜の結晶性が悪く、 電子の移動度が小さくなり、 特 性の良い機能素子が得られなかった。 また、 コンボルバにおいては、 半導体層の 膜厚が薄いため、 膜厚方向に出力を取り出す方法では、 高い効率が得られず、 ま た、 半導体層の膜厚を厚く してしまうとシート抵抗が小さくなり、 弾性表面波の 電界がショートしてしまうというという問題があった。 さらに、 弾性表面波の伝 搬路上に半導体層を形成する構造では、 弾性表面波の損失が大きくなり、 増幅度 や効率の低下を引き起こしていた。
さらに、 緩衝層の存在、 アース電極の位置、 ス ト リ ップ電極の形状の相互作用 についてはまったく注目されていなかった。 発明の開示 従って、 本発明の目的は、 良好な膜質の半導体薄膜を活性層として有し、 弾性 表面波と半導体の相互作用が十分に起きるように半導体を配置した、 工業的製造 が容易な弾性表面波機能素子を提供することである。
前記課題を解決するために、 発明者らが鋭意検討を行った結果、 圧電体基板と 活性層の間に該活性層と格子整合する緩衝層を挿入することにより活性層の結晶 性を向上させ、 さらに半導体層を伝搬路の横に配置し、 グレ一ティング電極によ り弾性表面波の電界を半導体層に伝え、 半導体中で相互作用を起こさせることを 可能にし、 低電圧印加で大きな增幅度特性を有する弾性表面波増幅器およびきわ めて高い効率を有する弾性表面波コンボルバを実現した。
本発明において、 低 ¾圧印加でのきわめて大きな増幅特性や、 きわめて高効率 のコンボルーシヨン出力が実現できたのは、 1 ) 半導体層を成長する際に、 圧電 体基板上に緩衝層を挿入することによりきわめて良好な活性層が形成できたこと と、 2 ) 圧電体基板の伝搬路上に半導体層が存在しないため、 弾性表面波の損失 を最小限に抑えることができたことと、 3 ) 伝搬路上に配置されたグレーティン グ電極の電極幅および電極間隔を反射を抑えるように選択したことと、 4 ) 弾性 表面波コンボルバの場合には、 グレーティング電極に交差する櫛形取り出し電極 を形成することで弾性表面波と電子の相互作用の効率を向上できたこととによる。 ここで、 活性層というのは、 伝搬してきた弾性表面波と相互作用する電子が存在 する層をいう。
このように、 緩衝層を挿入することにより膜質が向上した半導体層 （活性層） と、 グレーティング電極と、 取り出し電極との相対的位匱関係を適切に選択した ことで上述の目的が達成された。
即ち、 1 ) 本発明の弾性表面波機能素子は、 圧電体基板上に、 入力電極と、 出 力電極と、 半導体層を備える弾性表面波機能素子において、 前記半導体層は、 入 力電極から伝搬する弾性表面波の伝搬路上外に位置し、 該半導体層が活性層と該 活性層に格子整合する緩衝層とからなり、 前記伝搬路上には伝搬方向に対して直 角に、 かつ伝搬路の幅より広い幅で配置された複数のグレーティング電極を有す ることを特徴とする。
2) 上述の〗） において、 前記ダレ一ティング電極の一端部が、 前記半導体層の 上に形成されていてもよい。
3) 上述の 1 ) または 2) において、 前記伝搬路を搬する弾性表面波の波長 λに 対して、 前記グレーティング電極の幅 Lが、 L = AZ3 n (nは正の整数） であ り、 かつ前記ダレ一ティング電極間の間隔 Sが、 S = ;i 3 n (nは正の整数） である複数のグレーティング電極を有していてもよい。
4) 上述の 3) において、 前記ダレ一ティング電極の幅 Lが、 ぇ 8≤し≤ぇで あり、 グ I ^一ティング電極間の間隔 Sが、 ぇ 8≤ S≤ λであるのが好ましい。
5) 上述の 3) において、 前記ダレ一ティング電極の幅 Lが、 λノ 6であり、 グ レーティング電極間の間隔 Sが、 λ/6であるのが好ましい。
6) 上述の 1) から 5) のいずれかに記載の弾性表面波機能素子において、 前記 半導体層に直流電界を印加するための電極をさらに備えていてもよい。
7) 上述の 1 ) から 5) のいずれかに記載の弾性表面波機能素子において、 前記 出力電極を参照信号用入力電極とし、 該参照信号用入力電極および前記入力電極 から伝搬する 2つの入力信号をコンボリュ一ションさせることを特徴とする弾性 表面波機能素子。 8) 上述の 7) において、 前記グレーティング電極に交差し、 かつ同一電位にな るように配置した櫛形取り出し電極を有していてもよい。
9) 上述の 8) において、 前記櫛形取り出し電極が、 半導体層の上に形成されて いてもよレヽ。
1 0) 上述の 8 ) において、 前記櫛形取り出し電極が、 半導体層の下に形成され ていてもよい。
1 1 ) 上述の 7) から 9) のいずれかにおいて、 前記半導体層の下部に一様な取 り出し電極を有していてもよい。
1 2) 上述の 7) から 1 1 ) のいずれかにおいて、 前記圧電体基板の下部に一様 なアース取り出し電極を有していてもよい。
1 3) 上述の 8) から 1 2) のいずれかにおいて、 伝搬路上のグレーティング電 極の電極周期と半導体層の上あるいは下で交差して形成されているダレ一ティン グ電極と櫛形取り出し電極の電極周期が異なっていてもよい。
1 4) また、 本発明の弾性表面波機能素子は、 圧電体基板あるいは圧電性薄膜基 板上に、 グレーティング電極と半導体層を備える弾性表面波機能素子において、 前記半導体層は、 弹性表面波が伝搬する伝搬路上外に位置し、 該半導体層の上に 複数のグレーティ ング電極が伝搬方向に対して直角に形成され、 かつ、 半導体層 以外の部分のグレーティング電極の上部にス トリ ップ誘電体膜が形成され、 該誘 電体膜上に取り出し電極が形成されていることを特徴とする。
1 5) 上述の 1 4) において、 前記ストリップ耪電体膜がグレーティング電極の 上部と下部に形成されていてもよい。
1 6 ) 上述の 1 5) において、 前記グレーティング電極の下部に形成されたス ト リ ップ誘電体膜の下に、 取り出し電極が形成されていてもよい。
1 7) 上述の 1 4 ) から 1 6) のいずれかにおいて、 前記半導体層の下部に一様 な取り出し電極が形成されていてもよい。
1 8) 上述の 1 4) から 1 6) のいずれかにおいて、 前記グレ一ティング電極が 半導体層の下に形成されていてもよい。
1 9) 上述の 1 8 ) において、 前記半導体層の上部に一様な取り出し電極が形成 されていてもよい。 2 0) 上述の 1 4) から 1 9) において、 前記グレーティ ング電極の幅方向の長 さを適当な組み合わせで交互に変化させた構造を有しており、 かつ交互のグレー ティング電極のそれぞれの一端にス トリ ップ誘電体膜が形成されていてもよい。 2 1 ) 上述の 1 4) から 1 9) のいずれかにおいて、 前記グレーティング電極に 交差するように櫛形取り出し電極が形成され、 かつ該櫛形取り出し電極は同一電 位になるように接続されていてもよい。
2 2 ) さらに、 本発明の弾性表面波機能素子は、 圧電体基板あるいは圧電性薄膜 基板上に、 半導体層と、 グレーティング電極と、 櫛形取り出し電極とを備える弹 性表面波機能素子において、 前記半導体層は、 弾性表面波が伝搬する伝搬路上外 に位置し、 該半導体層の上に複数のグレーティング電極が伝搬方向に対して直角 に形成され、 前記グレーティング電極に交差するように前記櫛形取り出し電極が 同一電位になるように形成され、 かつ前記半導体層に相対するグレーティング電 極部分に、 伝搬路より狭い幅で、 交差するようにアース取り出し電極が形成され、 該アース取り出し電極が共通電極で接続されていることを特徴とする。
2 3) 上述の 2 2) において、 前記グレーティング電極と前記櫛形取り出し電極 が半導体層の下に形成されていてもよい。
24) 上述の 2 1 ) から 2 3) のいずれかにおいて、 前記櫛形取り出し電極が半 導体層部分から伝搬路上にわたって形成されていてもよい。
2 5) 本発明の弾性表面波機能素子は、 圧電体基板あるいは圧電性薄膜基板上に、 半導体層と、 グレーティング層と、 取り出し電極とを備えた弾性表面波機能素子 において、 前記グレーティング電極を半導体展の上部あるいは下部の途中まで形 成し、 該グレーティング電極の端部との間にギヤップを持つ一様な取り出し電極 が形成されていることを特徴とする。
26 ) 上述の 1 4) から 2 5) のいずれか一項に記載の弾性表面波機能素子にお いて、 伝搬路上のダレ一ティ ング亀極の電極周期と半導体層の上または下、 ある いはアース取り出し電極部分、 あるいはス トリ ップ誘電体膜の上または下に形成 されているグレーティング電極の電極周期が異なることを特徴とする弾性表面波 機能素子。
2 7 ) 上述の 1 4) から 2 6 ) のいずれかにおいて、 前記グレーティング電極の 幅 Lが、 え /8≤し≤ぇであり、 ダレ一ティング電極間の間隔 Sが、
≤ λであるのが好ましい。
28) 上述の 2 1 ) から 26) のいずれかにおいて、 前記グレーティング電極と 櫛形取り出し電極あるいは櫛形アース電極との交差部分の電極の幅 Lがぇ/ 1 6 ≤ L≤え / 2であり、 電極間の間隔 Sが λ/ 1 6≤ S≤A/2であるのが好まし レ、。
29) 上述の 1 4) から 26) のいずれかにおいて、 前記グレーティング電極の 幅 Lが、 ぇ 6であり、 グレーティング電極間の間隔 Sが、 ぇノ 6であるのが好 ましい。
30) 上述の 1 4) から 2 9) のいずれかにおいて、 前記半導体層が、 活性層と 該活性層に格子整合する緩衝層からなっていてもよい。
3 1 ) 上述の 1 ) から 30) のいずれかにおいて、 弹性表面波の伝搬路の幅 Wと 半導体層の幅 a との比が、 弾性表面波の電気的波動インピーダンスと半導体層の 電気的波動インピーダンスがほぼ同一になるように決められているのが好ましい。
32) 上述の 1 ) から 3 1) のいずれか一項に記載の弾性表面波機能素子におい て、 前記伝搬路の幅 Wと前記半導体層の幅 aとの比が、 WZa〉 lであるのが好 ましい。
33) 上述の 1) から 32) のいずれか一項に記載の弾性表面波機能素子におい て、 前記伝搬路の幅 Wと前記半導体層の幅 aとの比が、 W/a = 8〜 1 0である のが好ましい。
34) 上述の 14) から 33) のいずれか一項に記載の弾性表面波機能素子にお いて、 半導体層として S i、 I nA s、 I n S b、 G a A s、 および I n Pより 成る群から選ばれる半導体を用いてもよい。
35 ) 上述の 1 ) から 34 ) のいずれかにおいて、 前記圧電体基板として、 し i N b 03単結晶基板、 L i T a 03単結晶基板、 および KN b 03単結晶基板より なる群から選ばれる基板を用いてもよい。
36 ) 上述の 1 ) から 34) のいずれかにおいて、 前記圧電体基板と して、 L i N b〇3薄膜、 L i T a 03薄膜、 KN b 03薄膜、 P Z T薄膜、 および P b T i o3薄膜よりなる群から選ばれる薄膜を形成した圧電性薄膜基板を用いてもよい。 図面の簡単な説明 図 1は、 本発明の一実施例に従う弾性表面波機能素子を示す概略斜視図である。 図 2は、 従来の直接型増幅器を示す概略断面図である。
図 3は、 従来の分離型増幅器を示す概略断面図である。
図 4は、 従来のモノリシック型増幅器を示す概略断面図である。
図 5は、 本発明の一実施例に従う、 緩衝層と活性層からなる半導体層とグレー ティング電極を備えた弾性表面波機能素子の半導体層とグレーティング電極部分 を拡大して示す概略斜視図である。
図 6は、 従来の、 伝搬路上に半導体層が存在する構造の弾性表面波増幅器の概 略斜視図である。
図 7は、 本発明の一実施例に従う、 緩衝層と庄電体基板の間に誘電体層を挿入 した場合の弾性表面波機能素子の半導体層と誘電体層およびグレーティング電極 部を拡大して示す概略斜視図である。
図 8は、 本発明の一実施例に従う、 3層の緩衝層を積層した場合の弾性表面波 機能素子の半導体層とグレーティング電極部を拡大して示す概略斜視図である。 図 9は、 本発明の一実施例に従う、 圧電性薄膜を基板として用いた弾性表面波 機能素子の概略斜視図である。
図 1 0は、 本発明の一実施例に従う、 緩衝層の下に一様な取り出し電極を持つ 構造の弾性表面波機能素子の断面図である。
図 1 1は、 従来の、 伝搬路上に半導体層が存在する構造の弾性表面波コンボル バの概略斜視図である。
図 1 2は、 本発明の一実施例に従う、 緩衝層の下にグレーティングが形成され ている構造の弾性表面波機能素子の概略斜視図である。
図 1 3は、 本発明の一実施例に従う、 活性層上にグレーティング電極と櫛形取 り出し電極が交差している構造の弾性表面波機能素子の概略斜視図である。
図 1 4は、 本発明の一実施例に従う、 半導体層と、 グレーティ ング電極と、 グ レ一ティング電極に交差する櫛形取り出し電極と、 櫛形アース取り出し電極が形 成された弾性表面波機能素子の概略斜視図である。
図 1 5は、 本発明の一実施例に従う、 半導体層と、 グレーティング電極と、 グ レーティング電極に交差する櫛形取り出し電極と、 櫛形アース取り出し電極が形 成され、 交差部分の周期が伝搬路上の周期と異なるように形成された弾性表面波 機能素子の概略斜視図である。
図 1 6は、 本発明の一実施例に従う弾性表面波機能素子のグレーティング電極 と櫛形取り出し電極の交差部分、 及びダレ一ティング電極と櫛形アース取り出し 電極の交差部分の拡大図である。
図 1 7は、 本発明の一実施例に従う弾性表面機能素子から実際に得られたコン ボルバ出力波形を示す波形図である。
図 1 8は、 本発明の一実施例に従うダレ一ティング電極と櫛形取り出し電極の 交差部分を活性層上から伝搬路上にわたって形成された弾性表面波機能素子の概 略斜視図である。
図 1 9は、 本発明の一実施例に従う、 活性層上に変形させたグレーティング電 極が形成され、 該グレ一ティング電極に交差する櫛形取り出し電極と櫛形アース 取り出し電極が形成された弾性表面波機能素子の概略斜視図である。
図 2 0は、 本発明の一実施例に従う、 活性層上にグレーティ ング電極が形成さ れ、 伝搬路上でグレーティング電極と交差するように形成された櫛形取り出し電 極を備えた弾性表面波機能素子の概略斜視図である。
図 2 1 Aは、 本発明の一実施例に従う、 半導体層上にグレーティング電極が形 成され、 半導体層の相対するダレ一ティング電極部分にス トリ ップ誘電体膜が形 成された構造の弾性表面波機能素子の概略斜視図である。
図 2 1 Bは、 図 2 1 Aの X— X ' における断面図である。
図 2 2は、 本発明の一実施例に従う、 半導体層上にグレーティング電極とそれ に交差する櫛形取り出し電極が形成され、 半導体層に相対するグレーティング電 極部分にス トリ ップ锈電体膜が形成された構造の弾性表面波機能素子の概略斜視 図である。
図 2 3は、 本発明の一実施例に従う、 半導体層の下にグレーティ ング電極の幅 方向の長さを適当な組み合わせで交互に変化させて形成され、 かつ交互のグレー ティング電極のそれぞれの一端にス トリ ップ誘電体膜が形成された構造の弾性表 面波機能素子の概略斜視図である。
図 24は、 本発明の一実施例に従う、 半導体層の下部にグレーティング電極の —端部とギヤップをもつように一様な取り出し電極が形成された弾性表面波機能 素子の概略斜視図である。 発明を実施するための最良の形態 以下に本発明をさらに詳細に説明する。 図 1に本発明の基本となる弾性表面波 機能素子を示す。 1は圧電体基板、 2は緩衝層、 3は活性層、 4はすだれ状の入 力電極、 5はすだれ状の出力電極、 6は半導体に直流電界を印加するための電極、 7はグレーティング電極である。
本発明における圧電体基板は、 圧亀体単結晶基板でも基板上に圧電体薄膜が形 成されたものでもよい。 本発明の弾性表面波機能素子において、 良好な性能を得 るためには、 電気機械結合定数のより大きい圧電体基板を使用することが好まし い。 圧電体単結晶基板は、 酸化物系圧電体基板が好ましく、 例えば、 L i N b O 3、 L i T a 03、 L i 2 B 407や KN b 03等は好ましく用いられる。 また、 6 4度 Yカッ ト、 4 1度 Yカツ 卜、 1 2 8度 Yカッ ト、 Yカッ ト、 Xカットまたは Zカツ 卜の L i N b 03や 3 6度 Y力ッ トの L i T a 03などの基板力ッ ト面を 用いることも好ましい。 圧 ¾性薄膜基板は、 サファイア、 S iや G a A s等の単 結晶基板の上に圧電性薄膜が形成されたものであり、 圧電性薄膜として例えば、 Z n O、 L i N b 03、 L i T a 03、 KN b〇3、 P Z T、 P b T i 03、 B a T i 03、 L i 2B 407などは好ましく用いられる薄膜材料である。 また、 サフ アイァ、 S iや G a A s等の単結晶基板と上記圧霪性薄膜との間に S i Oや S i o2などの锈電体膜が挿入されていてもよい。 さらに、 圧電性薄膜基板として、 サファイア、 S ίや G a A sなどの単結晶基板の上に、 前記圧電性薄膜のうちの 異なる種類の薄膜が交互に穣み重ねられたような多層積層膜を形成していてもよ い。例えば L i N b 03と L ί T a 03からなる多層穰層膜などは好ましい例であ る。 活性層は、 弾性表面波機能素子の特性を向上するために、 電子移動度の大きい ものが好ましく用いられる。 好ましい例として、 G a A s、 I n S b、 I n A s、 P b T eなどがある。 また 2元系だけでなく、 それらを組み合わせた 3元混晶ゃ 4元混晶も好ましく用いられる。 例えば、 I n xG a i— xA s、 I n x G a , _x S b、 I n A s y S b — y、 G a A s y S b i yなどが 3元混晶、 I n ^G a ^^A s y S b などが 4元混晶の例である。 活性層の高電子移動度を得るために、 活性層の組成として、 例えば I n XG a ！ _ΧΜ (Μは A s、 S bなどの V族半導 体） の Xは、 一般的には 0≤ χ≤ 1. 0で高電子移動度化が可能であるが、 0. 5≤ X ≤ 1. 0が好ましく、 0. 8≤ x≤ l . 0がより好ましい範囲である。 R A s y S b ！ y (Rは I n、 G aなどの ΙΠ族半導体） の yは、 0≤ y 1. 0の 範囲で高電子移動度化が可能であり、 0≤ x≤ 0. 5が好ましい。
また、 活性層の膜厚については、 活性層の低キャリア密度を実現し、 弹性表面 波と電子の相互作用を効率良く行うためと、 半導体層の上にグレーティング電極 を形成する場合にグレーティング電極の断線を防ぐために、 活性層の膜厚 h 1は、 5 /X m以下であることが好ましく、 より好ましくは 1 m以下が良く、 さらに好 ましくは 0. 8 μ m以下がよい。 また、 活性層の抵抗値は、 1 0 Ω以上が好まし く、 より好ましくは 50 Ω以上であり、 さらに好ましくは 1 00 Ω以上である。 圧電体基板と活性層はその結晶構造も格子定数も全く異なる。 例えば、 圧電体 基板である L i N b 03は三方晶系 （ t r i g 0 n a であり、 活性層の I n S bはセン亜鉛鉱型 （z i n c b 1 e n d e ) である。 格子定数も 2 5 %以上 も異なる。 故に、 そのまま L i N b O 3基板上に I n S bを成長させようとして も欠陥が多数発生し、 良好な膜質は得られない。 そこで本発明では、 I n S bと 結晶構造が同じで格子定数も比較的近い化合物半導体を緩衝層として用いると良 好な膜質の活性層が実現できることを見出した。 さらに、 本発明の緩衝層は、 高 抵抗であり、 圧電体基板との界面にも電流リーク層を形成しないという特長も有 している。 また、 本発明の緩衝層中では、 弾性表面波の電界はほとんど減衰させ ないという特長を有していることを見出した。 さらに、 結晶工学的な面から言え ば、 本発明の緩衝層を構成している化合物半導体は、 きわめて格子緩和が速く、 薄い膜厚で該化合物半導体独自の構造及び格子定数で成長を開始し、 活性層の核 形成のための下地層を形成できることを確認している。
本発明における緩衝層として、 例えば、 A 1 S b、 Z n T eや C d T eなどの 2元系、 A l G a S b、 A l A s S b、 A 1 I n S bなどの 3元系、 A 1 G a Λ s S b、 A 1 I n A s S b A 1 I n G a S b , A 1 I n P S bや A 1 G a P S bなどの 4元系が好ましい例である。 さらに、 上記 3元系以上の緩衝層の組成を 決める際に、 活性層を構成している結晶の格子定数と同じか、 もしくは近い値を 有する組成に調整することで、 活性層のより大きな電子移動度を実現させること ができる。 本発明で格子整合とよんでいるのは、 結晶構造が同じで格子定数も近 いということを示す。 ここで格子定数が近いというのは、 活性層を構成する結晶 の格子定数と緩衝層を構成する結晶の格子定数との違いが、 ± 1 0%以内、 より 好ましくは ± 7%以内、 さらに好ましくは ± 5 %以内をいう。 また、 該緩衝層の 膜厚は、 弾性表面波と電子の相互作用をより効率よく行うために、 薄いほど好ま しい。 即ち、 緩衝層の膜厚 h 2は、 5 n m≤ h 2≤ 3000 n mが好ましく、 1 0 nm≤ h 2≤ 2000 nmがより好ましく、 20 nm≤ h 2≤ 1 000 nm力 さらに好ましい範囲である。 また、 上記した緩衝層は、 活性層内の電子と電気的 に絶縁している必要がある。 即ち、 緩衝層の抵抗は、 活性層の抵抗値より少なく とも 5〜 1 0倍以上大きく、 好ましくは 1 00倍以上、 より好ましくは 1 000 倍以上大きくするのがよい。
また、 本発明における緩衝層は、 2種以上の半導体薄膜が積層されていてもよ く、 緩衝層が 2種以上積層している場合は、 活性層と接する緩衝層のみが高抵抗 となればよいため、 上記した緩衝層以外でも I n S bや G a A s S bのような導 電性材料も緩衝層として用いることができる。 また、 上記した緩衝層のうち 2種 の緩衝層を交互に積層させて超格子構造としても良い。 この 2種あるいは 2種以 上の薄膜が積層されている緩衝層のうちで最上面の層は活性層の格子定数とより 近い値とするほうが活性層の膜特性の向上につながる。 また、 上記の緩衝層の条 件と同様に、 積層した緩衝層の膜厚は、 グレーティング電極の断線を防ぐために 薄いほど好ましい。
本発明においては、 圧電体基板と緩衝層との間に誘電体層が挿入されていても よい。 この誘電体層は、 圧電体基板およびその上に形成される半導体膜の保護の 目的で用いられる場合がある。 誘電体層としては、 例えば、 s i o、 S i o2、 窒化シリ コン、 C e 02、 C a F 2、 B a F 2、 S r F 2、 T i 〇2、 Y203、 Z r 02、 Mg O、 A 1 203、 T a 205などが用いられる。 誘電体層の膜厚は薄い方 がよく、 2 0 0 n m以下が好ましく、 1 0 0 n m以下がより好ましい。
本発明のス トリ ップ誘電体膜は、 前記誘電体層の材料を同様に使用できる。 な お、 ストリ ップ誘電体膜はコンボリユーション出力を効率よく取り出すために形 成される。 即ち、 半導体層での弾性表面波と電子の相互作用によるコンボリュー ション出力と、 伝搬路上でのコンボリユーシヨン出力をグレーティング電極を介 して足し合わせることが可能となる。
圧電体基板上のすだれ状電極および伝搬路上のダレ—ティング電極の材質には 特に制限はないが、 例えば、 A l 、 A u、 P t、 C u、 A 1 - T i合金、 A 1 一 C u合金、 A 1 と T iの多層電極等が好ましく用いられる。 半導体層に直流電界 を印加するための電極に使用される材料については、 特に制限はないが、 例えば、 A l 、 Au、 N i /A u、 T i /A u、 C u/N i /A u、 A u G e/N i /A uなどが好ましく用いられる。
伝搬路を伝搬する弾性表面波は、 通常、 ダレ一ティング電極によって反射され るが、 この反射をできる限り小さくすることも增幅度や効率向上につながる。 そ こで、 本発明のグレーティング電極は、 弾性表面波の電界を効率よく半導体層に 伝えるだけでなく、 その反射をできるだけ小さくするような電極幅および電極間 幅で形成される。 すなわち、 本発明のグレーティング電極の電極幅しおよび電極 間幅 Sは、 弾性表面波の波長; Iに対して、 ぇ 8以上 λ以下にすることが好まし レ、。 さらに、 グレーティング電極での反射による弾性表面波の減衰をできるだけ 小さくするためには、 ぇ 3 ηあるいは； L/2 η ( ηは正の整数） にすることが より好ましい。 ηはあまり大きくなると電極の微細加工が困難になるため、 8以 下にすることが好ましい。 また、 反射による減衰や電極加工技術の容易さ等を考 慮してグレーティング電極の電極幅 Lおよび Sは λ 6にすることがさらに好ま しい。 また、 半導体層の上や下の櫛形取り出し電極や半導体層以外の部分の櫛形 アース取り出し電極がグレーティング電極と交差する部分では、 前記電極幅およ び電極間隔の幅をさらにその ] Ζ 2以下にすることも好ましく行われる。 即ち、 前記グレーティング電極と前記櫛形取り出し電極および前記櫛形アース取り出し 電極との交差部分における電極幅 Lおよび電極間の間隔 Sは、 それぞれ、 λ / 1 6 ≤ L≤ λ / 2 , 1 / 1 6 ≤ S≤ λ / 2 , であることが好ましい。 例えば、 伝搬 路上のグレーティング電極幅および電極間幅をえノ 6にすれば、 半導体層上でグ レーティング電極と櫛形取り出し電極が交差する部分では、 電極幅および電極間 幅はえ Ζ 1 2となる。 なお、 交差部分の配置については、 櫛形取り出し電極とグ レーティング電極の交差部分は、 半導体層の上面で半導体表面全体にわたって交 差させることが好ましい。 また、 櫛形アース取り出し電極とグレーティング電極 の交差部分は、 伝搬路上外で交差幅は伝搬路の幅より短いことが好ましく、 さら に、 交差幅を 3 λにすることがより好ましい。 弾性表面波の波長； Iは、 λ = ν Ζ ί ( νは弾性表面波の速度、 ίは周波数） で表され、 速度 Vは圧電体基板材料の それぞれについて公知であるので、 グレーティング電極の幅および電極間隔は、 使用する周波数に対応して、 所望の値、 例えば； 1ノ3 ηあるいは； Lノ 2 ηを満足 するように定めることができる。
本発明のグレーティング電極は、 半導体層の上部または下部に形成することが できる。 半導体層の結晶性から考えると、 半導体薄膜は成長するにつれて結晶性 が向上してくる傾向がある、 即ち上面にいくほど電子移動度が高くなる。 故に、 弾性表面波と電子の相互作用の効率を上げるためには、 半導体層上面で相互作用 させるほうが好ましい。
本発明において、 櫛形取り出し電極および櫛形アース取り出し電極をグレーテ ィング電極に交差して形成することにより、 コンボリュ一シヨン出力を半導体層 の膜厚方向ではなく、 横方向に取り出すことが可能となった。 このことにより、 電子の動きは、 グレーティング電極によって形成される空乏層の大きさに応じて 横方向に流れ、 半導体層の抵抗を低下させることなく、 膜厚を大きくする効果が 実現できた。 さらに、 グレーティング電極と櫛形取り出し電極あるいは櫛形ァー ス取り出し電極の交差位置や交差部分の電極周期を最適化することにより、 コン ボルバもこれまでにない高効率を達成した。
また、 弾性表面波の伝搬路の幅 Wと半導体薄膜の幅 aは適当な値に選ぶことが できるが、 半導体層部とグレーティング電極部のトータルの抵抗値を弾性表面波 の表面ィンピーダンスとマッチングさせることで弾性表面波と電子の相互作用の 効率を向上させることができる。 半導体層部とグレーティング電極部の トータル の抵抗値は、 伝搬路の幅 Wと半導体層の幅 aの比 WZaにより変えることができ る。 より高効率を得るためには、 WZaを 1以上にすることが好ましく、 より好 ましくは半導体層部とグレーティング電極部の トータルの抵抗値と弾性表面波の インピーダンスをマッチングさせることが好ましい。 経験上 WZ a = 8〜 1 0付 近でマツチングがとりやすい。
本発明の緩衝層や活性層などの成膜は、 一般に薄膜が成長できる方法であれば 何でもよいが、 例えば、 蒸着法や分子線エピタキシー （MB E) 法、 有機金属分 子線エピタキシー （MOMB E) 法および有機金属気相成長 （MOCVD) 法は 特に好ましい方法である。 実施例 以下に本発明を具体的な実施例により述べるが、 本発明はこれらの例のみに限 定されるものではない。 また、 実際の弾性表面波機能素子のデバイス化の際には、 —方向性電極の利用により、 弾性表面波の双方向性による損失分は軽减できる。
(実施例 1 )
圧電体基板 1 と して直径 3インチの 1 2 8度 Yカツ ト L i N b 03単結晶基板 を用いて、 該圧電体基板の上に MB E法により緩衝層 2と して A l 。. 5G a 0. 5 A s S bを 5 0 nmの厚さで成長させた後、 活性層 3である I n S bを 500 η mの厚さで成長させた。 活性層の電気的特性を室温で V a n d e r P a u w 法により測定したところ、 キヤリァ密度 n。= 1. 7 X 1 01 6/ c m3, 電子移 動度/ i = 3 3 4 0 0 c m2 V sを得た。 その後、 フォ トリ ソグラフィ技術を用 いて、 緩衝層 2及び活性層 3を図 1に示すように、 弾性表面波の伝搬路 （幅を W で示す） 外にのみ存在するように、 幅 a となるようにス トリ ップ状にエッチング を行った。 次にリ フ トオフ法により、 弾性表面波の伝搬路上および活性層 3にま たがるグレーティング電極 7、 弾性表面波のすだれ状入力電極 4、 すだれ状出力 電極 5および活性層 3に直流電界を印加するための電極 6を形成した。 この際、 グレーティング電極 7は、 グレーティング電極の幅 Lを 0. 5 m、 グレーティ ング電極間の間隔 Sを 0. 5 mとし、 伝搬路の幅 半導体層の幅 （W/ a ) を
1 0 (W= 2 6 3 iz m、 a = 2 6. 3 μ m) となるように形成した。 以上の工程 を経て作製した弾性表面波増幅器は図 1に示す構造となる。 伝搬路上と半導体層 上のグレーティング電極部分を拡大したときの概略図を図 5に示す。 電極 6に 3 Vの電圧を印加したときの、 周波数 1 5 2 O MH zにおける增幅特性をネッ トヮ ークアナライザ一 （Y o k o k a w a H e w l e t t P a c k a r d 8 5
1 0 B) により測定したところ、 電界印加後の利得と電界印加前の挿入損失の差 を増幅度として評価した結果、 2 9 d Bの增幅が得られた。 なお、 このときの L および Sの値はそれぞれえノ 6であった。
(比較例 1 )
圧電体基板 1 としての直径 3ィンチの 1 2 8度 Y力ッ ト L i N b O 3単結晶基 板上に、 MB E法により I n S bを 5 0 0 n mの厚さで成長した。 この I n S b 薄膜の電気特性を室温で測定したところ、 キヤ リァ密度 n。= 2. 0 X 1 01 6/ c m3、 電子移動度/ i = 6 5 0 0 c m2/V sを得た。 その後、 実施例 1 と同様に 弾性表面波増幅器の構造を作製し、 增幅度を測定したが、 3 Vという低電圧では 堉幅が見られなかった。 即ち、 比較例 1では、 緩衝層がないため、 I n S bの膜 質が向上できず、 電子移動度も低くなった。 即ち、 L i N b 03上に直接 I n S bを成長しているため、 L i N b O 3基板からの L iや Oの拡散により I n S b の膜質は低下した。 しかも、 圧電体基板と I n S bの界面には、 電流リーク層が 形成され、 増幅特性の低下を引き起こしたと考えられる。 実施例 1で用いた A 1 G a A s S b緩衝層には、 I n S bと結晶構造と格子定数を近づけて結晶性を向 上させる効果と、 L i N b 03基板からの L iや◦の拡散を防ぐ効果もあること がわかる。
(比較例 2)
圧電体基板 1 として直径 3インチの 1 2 8度 Yカツ ト L i N b O 3単結晶基板 を用いて、 実施例 1 と同様の成長方法で同構造の成長を行った後、 フォ トリ ソグ ラフィ技術を用いて、 弾性表面波の伝搬路上に半導体層が位置するように、 緩衝 層 2および活性層 3をエッチングした。 次に実施例 1 と同様に、 リフトオフ法に より、 入力電極 4、 出力電極 5、 半導体層に直流電界を印加するための電極 6を 形成した。 図 6に本比較例の概略図を示す。 以上の工程を経て作製した弾性表面 波増幅器の半導体層に 3 Vの電圧を印加したときの、 周波数 1 5 2 0 MH zにお ける增幅特性を測定したが、 增幅は見られなかった。 本比較例では、 弾性表面波 と半導体中の電子の相互作用を起こさせるためには、 弾性表面波は、 緩衝層と厚 く形成された活性層を介して行う必要がある。 本比較例の活性層は 5 0 0 n mと 厚く相互作用が効率良く行えなかった。
(実施例 2 )
圧電体基板 1 としての直径 3インチの 1 2 8度丫カッ トし 1 1 03単結晶基 板の上に、 スパッタ法により S i 02膜 9を 3 0 n mの厚さで形成した後、 MB E法により、 緩衝層 2として A l 。. 5 G a 0. 5 A s S bを 5 0 n mの厚さで成長 させた後、 活性層 3である I n S bを 5 0 0 n mの厚さで成長した。 活性層の電 気特性を実施例 1 と同様に測定したところ、 n。= l . 8 X 1 0 1 6/ c m\ μ = 3 1 4 0 0 c m 2/V sを得た。 その後、 実施例 1 と同様の工程を用いて、 L = 0. 7 β τη, S = 0. 7 μ m, W/ a = 1 0 (W= 4 0 0 / m、 a = 4 0 m) とした、 図 1 と同様の構造の弾性表面波増幅器を作製した。 このときのし、 Sの 値は、 それぞれ； L / 6であった。 伝搬路上とグレーティング電極部分を拡大した ときの概略図を図 7に示す。 電極 6に 5 Vの電圧を印加したときの、 周波数 1 G H zにおける堉幅特性を測定したところ、 2 8 . 8 d Bの增幅が得られた。 つま り、 圧電体基板の上に S i 02膜を形成しても大きな增幅度が得られることが確 認できた。
(比較例 3 )
圧電体基板 1 として 1 2 8度 Yカツ ト L i N b 03単結晶基板上に、 実施例 2 と同様に S i 02膜を 3 0 n mの厚さで形成したのち、 MB E法で、 I n S b膜 を 5 0 0 n mの厚さで成長した。 I n S b膜の電気特性は、 w = 5 9 0 0 c m 2 /V sであった。 A 1 G a A s S bの緩衝層を挿入した方が飛躍的に電子移動度 が向上することが確認できた。 さらに、 実施例 1と同様の工程を用いて、 弾性表 面波増幅器を作製し、 実施例 2と同様に增幅特性を測定したが、 増幅はみられな かった。 本比較例では、 S i 02層が存在するために、 圧電体基板からの L 〖や O拡散は抑制できたが、 ァモルファス状の S i 02層上に直接 I n S bを成長し たため、 I n S bの膜質が悪く、 実用的な低電圧で增幅度は得られなかった。 実 施例 2との比較で、 A 1 G a A s S bの緩衝層を挿入した方が、 飛躍的に電子移 動度が向上することが確認できた。
(実施例 3)
圧電体基板 1 としての直径 3インチの 6 4度 Yカツ ト L i N b O 3単結晶基板 の上に、 MB E法により、 緩衝層 2として Λ 1 。. 5 G a 0. 5A s S bを 5 0 n m の)？さで成長させた後、 活性層 3である I n S bを 5 0 0 n mの厚さで成長した。 活性層の電気特性を実施例 1 と同様に測定したところ、 n。= l . 7 X 1 01 6X c m3、 μ = 3 3 0 00 ο m W sを得た。 その後、 実施例 1と同様の工程を用 いて、 L = S = ;i/6 = 0. 7 5 / m、 WZ a = 1 0 (W= 30 0 μ m、 a = 3 0 m) とした、 図 1 と同様の構造の弾性表面波増幅器を作製した。 半導体の両 端に形成された直流電界印加用の電極に 3 Vの電庄を印加したところ、 周波数 1 GH zにおいて、 3 5 d Bの増幅度が得られた。 つまり、 圧電体基板の材料を最 適に選択することでより大きな增幅が達成できる。
(実施例 4)
庄電体基板 1 としての直径 3インチの 1 2 8度 Yカッ ト L i N b 03単結晶基 板の上に、 MB E法により、 第 1の緩衝層 2 Aとして A l 0. 5G a。. 5A s S b を 5 0 n mの厚さで成長させた上に、 I n S bによる 2 00 n tnの厚さの第 2の 緩衝層 2 Bと A l 。. 5 I n。. 5 S bによる 1 0 0 η mの第 3の緩衝層 2 Cを穣層 し、 その上に活性層 3である I n S bを 2 0 0 nmの厚さで成長した。 活性層の 電気特性を実施例 1 と同様に測定したところ、 n。= l . 5 X 1 01 c m3, /X = 34 8 0 0 c m2ZV sを得た。 その後、 実施例 1と同様の工程を用いて、 L = S = / 6 = 0. 7 ju m、 W/a = 8 (W= 4 00 /z m、 a = 5 0 jtz m) と した図 1 と同様の構造の弾性表面波増幅器を作製した。 本実施例の伝搬路とグレ —ティング電極部を拡大したときの概略図を図 8に示す。 該弾性表面波増幅器の 增幅特性を測定するため、 半導体の両端に形成された直流電界印加用の電極に 5 Vの電圧を印加したところ、 周波数 1 GH zにおいて 3 3 d Bの增幅度が得られ た。 (実施例 5 )
直径 3インチのサファイア R面基板上 1 0に、 レーザアブレーション法により 圧電性薄膜 1 5として L i N b 03を 2 0 0 n m成長した圧電性薄膜基板を作製 した。 次にこの庄電性薄膜基板上に、 MB E法により、 緩衝層 2として A 1 0. 5 G a 0. 5 A s S bを 5 0 n mの厚さで成長した後、 活性層 3である I n S bを 5 0 0 n mの厚さで成長した。 活性層の霪気的特性を実施例 1 と同様に測定したと ころ、 n。= 2. 4 X 1 0 1 6/ c m3 , μ = 2 5 3 0 0 ο m2/V sを得た。 その 後、 実施例 1 と同様の工程を用いて、 L = 0. 8 μ τη^ S = 0. 8 μ χη, W/ a = 8 (W= 4 8 0 μ m, a = 6 0 μ m) として作製した弾性表面波増幅器の構造 を図 9に示す。 本実施例の弾性表面波増幅器の増幅特性を測定するため、 半導体 の両端に形成された直流電界印加用の電極に 5 Vの電圧を印加したところ、 周波 数 1 G H zにおいて 1 9 d Bの増幅度が得られた。 なお、 このときの Lおよび S の値はえノ 6であった。
(実施例 6 )
圧電体基板 1 として 1 2 8度 Yカッ ト L i N b 03基板上を用いて、 真空蒸着 法により A 1 の半導体層下部取り出し電極 1 6を 4 0 0 n mの厚さで形成した後、 その上に M B E法により、 緩衝層 2として A l 。. 5 G a 0. 5 A s S bを 5 0 n m の厚さで成長させた後、 活性層 3である I n S bを 5 0 0 n mの厚さで成長させ た。 活性層の電気的特性を室温で実施例 1と同様の方法で測定したところ、 キヤ リァ密度 n。 = 2. 6 X 1 0 1 c m\ 電子移動度 μ = 2 5 4 0 0 c m2/V s を得た。 その後、 フォ トリソグラフィ技術を用いて、 緩衝層 2、 活性層 3を図 1 と同様に、 弾性表面波の伝搬路外にのみ存在するように、 ストリップ状にエッチ ングした。 次に、 露出した A 1取り出し電極をゥエツ トエッチングで除去した後、 リフ トオフ法により、 2つの入力電極 （入力電極と参照信号用入力電極） 、 弾性 表面波の伝搬路上および活性層にまたがるグレーティング電極 7を形成した。 グ レーティング電極 7の形状は、 L = S = A Z 6 = 1 . 4 m, W/ a = 1 0 (W = 4 0 0 μ a = 4 0 /z m) とした。 最後に圧電体基板の裏面にアース取り出 し電極 1 8を形成した。 以上の工程を経て作製した弾性表面波コンボルバの断面 構造を図 1 0に示す。 本実施例の素子の一方の入力電極 4に入力信号 （ 1 mW) を入力し、 かつもう一方の入力電極 4から参照信号 （ l mW) を入力した場合に、 半導体下部取り出し電極〗 6から出力された周波数 1 GH zのコンボリ ューショ ン特性をオシロスコープにより測定したところ、 非線形信号である良好なコンボ リュ一シヨン出力が得られ、 その効率は、 — 3 9. 5 d Bであった。
(実施例 7)
圧電体基板上に実施例 6 と同様の半導体層を成長した後、 実施例 6 と同様の方 法で弾性表面波コンボルバを作製した。 グレーティング電極 7の形状は、 L= S = λ / 6 - 3. 3 μ m、 W/ a = 1 0 (W= 4 0 0 m、 a = 4 0 // m) と した。 本実施例の素子の一方の入力電極 4に入力信号 （ ] m\V) を入力し、 かつもう一 方の入力電極 4から参照信号 （ l mW) を入力した場合に、 半導体下部取り出し 電極 1 6から出力された周波数 4 O OMH zのコンボリュ一ション特性をオシ口 スコープにより測定したところ、 非線形信号であるコンボリユーション出力が得 られ、 その効率は— 3 9 d B mであった。 実施例 6 と比較すると、 周波数に関係 なく良好なコンボリュ一ショ ン出力が得られていることがわかる。
(比較例 4)
A 1膜を蒸着した 1 2 8度 Yカッ ト L i N b 03基板の上に、 MB E法により I n S bを 5 00 nmの厚さで成長させた。 I n S b膜の電気的特性を測定したと ころ、 電子移動度/ = 6 0 0 0 c m2ノ V s と低かった。 実施例 6 と同様の方法 で、 弾性表面波コンボルバを作製し、 コンボリ ューシヨン特性を評価したが、 コ ンポリューション出力の効率は、 — 5 1 d B mにすぎなかった。 つまり、 半導体 層が I n S b単独層の場合は、 I n S bの結晶性が悪く、 弾性表面波と電子の相 互作用が効率よく行えなかった。
(比較例 5)
実施例 6 と同様にして 1 2 8度 Yカツ 卜 L i N b〇3基板の上に、 A 1膜を蒸 着後、 MB E法により、 緩衝層 2 として A 1 0. 5 G a 0. 5 A s S bを 5 0 nmの 厚さで成長させた後、 活性層 3である I n S bを 5 00 n mの厚さで成長させた。 活性層の電気的特性は、 実施例 6 と同等の結果を得た。 次にリ ソグラフィ技術を 用いて、 弾性表面波の伝搬路上に半導体層が位置するように半導体層をエツチン グした。 さらに、 露出した A 1膜をエッチング後、 リ フ トオフ法により、 2つの 入力電極および反動退場に一様な取り出し電極 1 7を形成した。 最後に圧電体基 板 1の裏面に一様なアース取り出し電極 1 8を形成した。 本比較例で作製した弹 性表面波コンボルバの概略図を図 1 1に示す。 実施例 6と同様にしてコンボリュ ーシヨン特性を測定したが、 コンボリューシヨン出力の効率は、 — 54 d Bmに すぎなかった。 即ち、 伝搬路上に半導体が存在する場合は、 弾性表面波の損失が 大きくなり、 弾性表面波と電子の相互作用を効率よく行えなかった。
(実施例 8)
圧電体基板 1 として 1 2 8度 Yカッ ト L i N b 03単結晶基板の上に、 まず A 1膜を蒸着し、 所定の位置にダレ一ティング電極 7を形成した後、 MB E法によ り、 緩衝層 2として A l 。. 5G a 0. 5A s S bを 5 0 n mの厚さで低温成長し、 その後、 活性層 3として I n S bを 5 0 0 n mの厚さで成長した。 活性層の電気 的特性を同様の方法で測定したところ、 電子移動度 μ = 2 56 0 0 c m2/V s が得られた。 次に、 フォ トリソグラフィ技術を用いて、 緩衝層 2及び活性層 3を 図 1 2に示したようにス トリ ップ状にエッチングした。 さらに、 リフトオフ法に より、 2つの入力電極 4と半導体層上の一様な取り出し電極 1 7を形成した。 L = S = A/ 6 = 3. 3 μ m, W/ a = 1 0 (W= 4 00 μ m、 a = 4 0 μ m) とした。 最後に圧電体基板の裏面に一様なアース取り出し電極 1 8を形成した。 本実施例のコンボリュ一ション特性を実施例 7と同様に測定したところ、 一 4 0 d Bmの効率が得られた。 本実施例に用いたダレ一ティング電極の幅及び電極間 の幅はえ 6であった。
(実施例 9)
圧電体基板 1 として 1 2 8度 Yカツト L ί N b 03単結晶基板の上に、 MB E 法により、 緩衝層 2として A l 0. 5G a 0. 5A s S bを 50 nm、 さらに活性層 3として I n S bを 5 00 nmの厚さで成長した。 活性層の電気的特性は、 キヤ リァ密度 n o= l . 8 x l 01 6/c m3、 電子移動度 μ = 3 3 000 c m2/V s であった。 次に、 フォ トリソグラフィ技術により、 緩衝層 2と活性層 3を図 1 3 に示すようにス トリ ップ状にエッチングした。 その後、 リフ トオフ法により、 グ レーティング電極 7と、 該グレーティング電極 7に半導体層上で交差する櫛形取 り出し電極 1 9、 2つの入力電極 4を形成した。 最後に圧電体基板の裏面に一様 なアース取り出し電極 1 8を形成した。 本実施例のダレ一ティング電極の幅 L及 び電極間の幅 Sは、 L S- AZe - . O j mであり、 また、 半導体上での交 差部分は、 L- S ^ Z l Z S . 0 /z m、 また W,a = 1 0 (W= 4 00 x m , a = 4 0 μ m) とした。 本実施例のコンボリューシヨン特性を実施例 7と同様に 測定したところ、 櫛形取り出し電極 1 9と圧電体基板の裏面のアース取り出し電 極 1 8の間から、 周波数 3 3 3MH zの良好なコンボリユーション出力が得られ、 その効率は一 3 5 d Bmであった。 つまり、 櫛形取り出し電極を形成することに より、 半導体層上での相互作用が強められ、 実施例 7の一様な取り出し電極より 良好な効率が実現できた。 また、 本実施例のグレーティング電極とグレーティン グ電極に交差した櫛形取り出し電極は、 ともに半導体層の下に形成されていても よい。 さらに、 一様なアース取り出し電極が半導体層の下に形成されていてもよ レ、。
(実施例 1 0)
圧電体基板 1として 1 2 8度 Yカッ ト L i N b 03基板の上に、実施例 9と同様 の方法で、 伝搬路上外に緩衝層 2と活性層 3からなる半導体層 2 0を形成した。 活性層の膜特性は実施例 9と同等であった。 さらに該半導体層の上に S i 02膜 2 1を 3 0 0 ntn形成した。 次に、 リフトオフ法により、 該半導体層の上にダレ 一ティング電極 7と櫛形取り出し電極 1 9を形成し、 そして半導体層に相対する グレーティング電極部分に交差するようにしかも伝搬路ょりも狭い幅で櫛形ァ一 ス取り出し電極 2 2を形成した。 本実施例の弾性表面波機能素子の概略図を図 1 4に示す。 次にコンボリューシヨン特性を実施例 7と同様に測定したところ、 櫛 形取り出し電極からきわめて良好なコンボリユーション出力が得られ、 その効率 は— 3 2 d B mを達成した。 本実施例では、 伝搬路上のグレーティング電極幅 L 1と電極間隔の幅 S 1力 2 L 1 = S 1 =え /4 = 5 mで、 交差部分のグレ一 ティング電極幅および取り出し電極幅とグレーティング電極と取り出し電極間の 幅が 8で形成された。
本発明の櫛形アース取り出し電極は、 伝搬路の幅よりも広い幅で形成させるこ とも可能だが、 伝搬路の幅よりも狭く して伝搬路の外で交差して形成させる方が より好ましい。 本実施例では、半導体層とグレーティング電極の間に誘電体層 2 1を挿入した。 この誘電体層 2 1 は、 半導体層とグレーティング電極をショ ッ トキ一接合にする ために挿入されている。 ただし、 グレーティング電極の蒸着方法によって、 容易 にショットキー接合が形成できる場合には、 この誘電体層 2 1は必要ない。
(実施例 1 1 )
実施例 1 0と同様の方法で弾性表面波機能素子を形成し、 伝搬路上のグレーテ イング電極 7の幅 L 2と電極間幅 S 2を、 L 2 = S 2 =ぇ/ 8で形成し、 半導体 上と半導体層に相対するグレーティング電極と櫛形取り出し電極 1 9及びァ一ス 取り出し電極 2 2の交差部分では、 電極幅 L 3と電極間幅 S 3は、 L 3 = S 3 = λ / 1 6と変化させて形成した。 本実施例における； Iは 4 0 μ mであった。 本実 施例の弾性表面波機能素子の全体概略図を図 1 5に、 交差部分の拡大図を図 1 6 に示す。 グレーティング電極 7とァ一ス取り出し電極 2 4の交差部分は、 伝搬路 幅 Wより狭く、 かつ伝搬路上外に、 交差幅 Eは 3えで形成された。 本実施例のコ ンボリュ一ション特性を実施例 7と同様に測定したところ、 櫛形取り出し電極か ら、 周波数 2 0 O M H zの良好なコンボリューシヨン出力が得られ、 その効率は — 3 0 d B mというきわめて高い効率を達成した。 図 1 7に実際に得られたコン ボリユーション出力波形を示す。
(実施例 1 2 )
実施例 1 0と同様の方法で弾性表面波機能素子を作製し、 特に図 1 8に示した ようにグレーティング亀極 7と櫛形取り出し電極 1 9の交差部分を半導体上から 伝搬路上にわたって形成した。 本実施例において、 グレーティング電極の幅と取 り出し電極の幅、 及び電極間の幅は； 1 / 8で形成された。 本実施例の弾性表面波 機能素子のコンボリユーション特性を実施例 7と同様に測定したところ、 櫛形取 り出し電極から良好なコンボリユーション出力が得られ、 その効率は一 3 6 d B mであった。
(実施例 1 3 )
実施例 1 0と同様の方法で弾性表面波機能素子を作製し、 特に図 1 9に示した ように、 グレーティング電極と取り出し電極の電極ピッチを変化させないために、 半導体部分を 2倍の長さにして、 変形させたグレーティング電極 2 3と櫛形取り 出し電極 1 9及び櫛形アース取り出し電極 2 2を形成した。 本実施例において、 グレーティング電極の幅し、 グレーティング電極間の幅、 櫛形取り出し電極の幅、 ダレ一ティング電極と櫛形取り出し電極間の幅はすべて λ/8で形成された。 本 実施例の弾性表面波機能素子のコンボリュ一ション特性を実施例 7 と同様の方法 で測定したところ、 櫛形取り出し電極から良好なコンボリユーシヨン出力が得ら れ、 その効率は一 3 9 d B mであった。 本実施例の電極構造を用いれば、 グレー ティング電極と櫛形取り出し電極の交差部分の微細加工が容易になる。
(実施例 1 4)
実施例 1 0と同様にして 1 2 8度 Y力ッ ト L i N b 03単結晶基板 1上に、 MB E法により、 緩衝層 2と して A I 。. 5G a。. 5A s S bを 5 0 n mの厚さで成長 し、 さらにその上に活性層 3と して 1 n S bを 5 0 0 n mの厚さで成長した。 I n S bの膜特性は実施例 9と同等であった。 本実施例では、 図 2 0に示すように、 所定の位置の半導体層を残してエッチングした後、 リ フ トオフ法により、 2つの 入力電極 4、 半導体層上にグレーティング電極 7 と、 該グレーティング電極 7 と 交差させながら伝搬路上にまで延ばした櫛形取り出し電極 24を形成した。 最後 に圧電体基板の裏面に一様なアース取り出し電極 ] 8を形成した。 同様にして本 実施例の弾性表面波機能素子のコンボリ ユーション特性を測定したところ、 良好 なコンボリューション出力が得られ、 その効率は— 4 0 d B mであった。
(実施例 1 5 )
圧電体基板 1 として 1 2 8度 Yカッ ト L i N b 03基板の上に、 MB E法により、 半導体層 2 0として I n S bを 5 O O nm成長し、 電気的特性を測定したところ、 電子移動度は μ = 6 5 0 0 c m2/V sであった。 さらに該半導体層の上に S i O 2膜などの誘電体層 2 1 とス ト リ ップ誘電体膜 2 5 Bを 3 0 n mの厚さで形成 した。 次にフォ トリ ソグラフィ技術を用いて、 I n S b層を伝搬路上外にのみ存 在するようにエッチングした。 さらにリフ トオフ法により、 図 2 1 Aに示すよう にグレーティング電極 7 と入力電極 4を形成した。 その後、 半導体層に相対する ダレ一ティング電極の部分にス トリ ップ誘電体膜 2 5 Aを形成し、 さらに該ス ト リ ップ誘電体膜 2 5 A上に一様な取り出し電極 2 6を形成した。 最後に、 圧電体 基板の裏面のス トリ ップ锈整体膜に相当する位置に一様なアース取り出し電極 1 8を形成した。 本実施例で形成したグレーティング電極の幅 L及び電極間の幅 S は、 L = S = A / 6 = 3 . 3 3 μ ΐΏ、 また伝搬路の幅 Wと半導体の幅 aは、 W = 4 0 0 /i m、 a = 4 0 つであった。 本実施例のコンボリューシヨン特性を実施 例 7 と同様にして測定したところ、 ス トリ ップ誘電体膜上の取り出し電極から良 好なコンボリューシヨン出力が得られ、 その効率は一 3 9 d B mであった。 即ち、 グレーティング電極を伝わった弾性表面波が半導体層上で相互作用し、 そのコン ボリュ一ショ ン出力信号が、 グレーティング電極を伝わり効率良く锈電体膜を介 して取り出せることを確認できた。
本実施例のス トリ ップ誘電体膜 2 5は必ずしもサンドィツチ構造にする必要は なく、 グレーティング電極の上部にのみ形成させるだけでもよい。 また、 アース 取り出し電極はグレーティング電極の下部に形成された誘電体膜の下に形成され てもよい。 また、 グレーティング電極を半導体層の下に形成することも可能であ る。 さらに、 誘電体膜上の取り出し電極の他に、 出力電極を半導体層の上部や下 部に設け、 出力を足し合わせて大きな効率を達成することも可能である。
(実施例 1 6 )
実施例 1 5と同様の方法で膜構造を作製し、 そして半導体層として I n S b層 2 0を伝搬路上外にのみ存在するようにエッチングを行った。 次に図 2 2に示す ように 2つの入力電極 4、 グレーティング電極 7及び該グレ一ティング電極 7に 半導体層 2 0上で交差するように配置した櫛形取り出し電極 1 9をリ フ トオフ法 により形成した。 さらに、 半導体層 2 0に相対するダレ一ティング電極の部分に ス トリ ップ誘電体膜 2 5を形成し、 該ス トリ ップ誘電体膜上に一様な取り出し電 極 2 6を形成した。 最後に、 圧電体基板の裏面のス トリ ップ誘電体膜 2 5に相当 する位置に一様なアース取り出し電極 1 8を形成した。 本実施例で形成したダレ 一ティング電極の幅 L及び電極間の幅 Sは、 L = S = ;i / 6 = 3 . 3 3 μ πι、 伝 搬路の幅 Wと半導体の幅 aは、 W - 4 0 0 μ m , 4 0 μ mであった。 本実施 例のコンボリユーション特性を実施例 7と同様にして測定したところ、 ス トリ ツ プ誘電体膜上の取り出し電極 2 6 と櫛形取り出し電極 1 9から良好なコンボリ ュ ーシヨン出力が得られ、 その効率は一 3 7 d B mであった。 本実施例のグレーテ ィング電極及び櫛形取り出し電極は半導体層の下に形成されていてもよい。 また、 グレーティング電極の一端部が、 ス トリ ップ誘電体層にサンドィツチされていて もよい。
(実施例 1 7)
圧電体基板 1と して 1 28度 Yカッ ト L i N b 03単結晶基板上に、 まず図 2 3に示すように、 グレーティング電極の幅方向の長さを適当な組み合わせで交互 に変化させ、 かつ交互のグレーティング電極 7を形成した。 次に、 MB E法によ り I n S b層 20を 500 n mの厚さで成長し、 電子移動度 iz = 6000 c m2 /V sの膜特性を得た。 次に I n S b層の不要部分をフォ トリ ソグラフィ技術に より、 エッチングで除き、 さらにダレ一ティング電極のそれぞれの一端にス ト リ ップ誘電体膜 25を実施例 1 5と同様に形成した。 次に、 リフ トオフ法により、 2つの入力電極 4と半導体屑上の一様な取り出し電極 1 7、 及びス 卜リ ップ誘電 体膜上に一様な取り出し電極 26を形成した。 最後に、 圧電体基板の裏面のス ト リ ップ誘電体膜に相当する位置に一様なアース取り出し電極 1 8を形成した。 本 実施例のコンボリュ一ション特性を実施例 7と同様に測定したところ、 2つのス トリ ップ誘電体膜上の取り出し電極及び半導体層上の取り出し電極から良好なコ ンポリューショ ン出力が得られ、 その効率は一 38 d B mであった。 本実施例で 形成したグレーティ ング電極の幅 L及び電極間幅 Sは、 L = S = ;i/6 = 3. 3 μ mであつァこ。
(実施例 1 8 )
実施例 8と同様の方法で弾性表面波機能素子を作製する際、 特に図 24に示し たようにグレーティング電極 7を半導体層 20の下部の途中まで形成し、 該グレ 一ティング «極の端部との間にギヤップ Gを持つように一様な取り出し電極 2 7 を形成した。 グレーティング電極の幅 Lおよびグレーティング電極間の幅 Sは、 L = S = ;LZ6であり、 ギャップ G= λΖ4で形成された。 本実施例の弾性表面 波機能素子のコンボリユーション特性を実施例 7と同様に測定したところ、 取り 出し電極から良好なコンボリユーション出力が得られ、 その効率は一 40 d B m であった。 本実施例の一様な取り出し電極を用いれば、 グレーティング電極と取 り出し電極の相互作用部分の長さが少なくなるが、 交差部分を股ける必要がなく なり、 微細加工が容易になる。 P
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(実施例 1 9 )
圧電体基板として： i 6度 Yカッ トの L i T a O 3単結晶基板を用いて、 実施例 1 1と同様にして弾性表面波機能素子を作製した。 同様にしてコンボリューショ ン特性を測定したところ、 櫛形取り出し電極から良好なコンボリュ一ション出力 が得られ、 その効率は— 3 9 d B mであった。 以上、 実施例の中で達成された弾性表面波コンボルバの— 4 0 d B mを越える 効率は、 これまでにないきわめて高い効率であり、 コンボルバの様々な用途展開 を可能にするものである。 産業上の利用可能性 本発明の弾性表面波機能素子において、 半導体層を成長する際に、 圧電体基板 上に本発明の緩衝層を導入することにより、 きわめて良好な膜質の活性層が形成 できた。 また、 弾性表面波の伝搬路上外に半導体層を配置することにより弾性表 面波の損失を最小限にできた。 さらに、 伝搬路上に形成されたグレーティング電 極の電極幅や電極間距離を弾性表面波の反射を抑制するように選択でき、 しかも、 該グレーティング電極に交差する櫛形取り出し電極や櫛形アース取り出し電極を 形成することにより、 弾性表面波と電子の相互作用の効率を大幅に向上できた。 本発明の弾性表面波機能素子は、 半導体に直流電界印加電極を設けた弾性表面 波増幅器に応用すれば、 実用的な低電圧できわめて高い増幅度を達成できる。 ま た、 弾性表面波コンボルバに応用すれば、 これまで達成できなかったきわめて高 い効率を実現できる。 即ち、 本発明の弾性表面波機能素子はこれまでの移動体通 信の携帯機器に用いられる部品に大きな変革をもたらし、 増幅器やフィルタおよ びその周辺回路を単一素子で Sき換えることを可能にする。 また、 将来の発展が 大きく期待されているスぺク トル拡散通信における C D M A用相関器として本発 明の弾性表面波コンボルバを用いれば、 低消費電力化と高効率化を同時に達成す ることができ、 産業上の有用性は計り知れない。

Claims

請 求 の 範 囲
1. 圧電体基板上に、 入力電極と、 出力電極と、 半導体層を備える弾性表面波 機能素子において、 前記半導体層は、 入力電極から伝搬する弾性表面波の伝搬路 上外に位置し、 該半導体層が活性層と該活性層に格子整合する緩衝層とからなり、 前記伝搬路上には伝搬方向に対して直角に、 かつ伝搬路の蝠より広い幅で配置さ れた複数のグレーティング電極を有することを特徴とする弾性表面波機能素子。
2. 請求項 1に記載の弾性表面波機能素子において、 前記グレーティング電極 の一端部が、 前記半導体層の上に形成されていることを特徴とする弾性表面波機 能素子。
3. 請求項 1または 2に記載の弾性表面波機能素子において、 前記伝搬路を伝 搬する弾性表面波の波長 λに対して、 前記グレーティング電極の幅 Lが、
/3 η (ηは正の整数） または L= Aノ 2 η (ηは正の整数） であり、 かつ前記 グレーティング鴛極間の問隔 Sが、 S = ;t/3 n (nは正の整数） または S - λ /2 n (nは正の整数） である複数のグレーティング電極を有することを特徴と する弾性表面波機能素子。
4. 請求項 3に記載の弾性表面波機能素子において、 前記グレーティング電極 の幅 Lが、 ；L/8≤ L≤ Lであり、 グレーティング電極間の間隔 Sが、 λΖ8≤ S≤ λであることを特徴とする弾性表面波機能素子。
5. 請求項 3に記載の弾性表面波機能素子において、 前記グレーティング電極 の幅 Lが、 λノ 6であり、 グレーティング電極間の間隔 Sが、 λ/6であること を特徴とする弾性表面波機能素子。
6. 請求項 1から 5のいずれか一項に記載の弾性表面波機能素子において、 前 記半導体層に直流電界を印加するための電極をさらに備えたことを特徴とする弾 性表面波機能素子。
7 . 請求項 1から 5のいずれか一項に記載の弾性表面波機能素子において、 前 記出力電極を参照信号用入力電極とし、 該参照信号用入力電極および前記入力電 極から伝搬する 2つの入力信号をコンボリユーションさせることを特徴とする弾 性表面波機能素子。
8 . 請求項 7に記載の弾性表面波機能素子において、 前記ダレ一ティング電極 に交差し、 かつ同一電位になるように配置した櫛形取り出し電極を有することを 特徴とする弾性表面波機能素子。
9 . 請求項 8に記載の弾性表面波機能素子において、 前記櫛形取り出し電極が、 半導体層の上に形成されていることを特徴とする弾性表面波機能素子。
1 0 . 請求項 8に記載の弾性表面波機能素子において、 前記櫛形取り出し電極 が、 半導体層の下に形成されていることを特徴とする弾性表面波機能素子。
1 1 . 請求項 7から 9のいずれか一項に記載の弾性表面波機能素子において、 前記半導体層の下部に一様な取り出し電極を有することを特徴とする弾性表面波 機能素子。
1 2 . 請求項 7から 1 1のいずれか一項に記載の弾性表面波機能素子において、 前記圧電体基板の下部に一様なアース取り出し電極を有することを特徴とする弹 性表面波機能素子。
1 3 . 請求項 8から 1 2のいずれか一項に記載の弾性表面波機能素子において、 伝搬路上のグレーティング電極の電極周期と半導体層の上あるいは下で交差して 形成されているグレーティング電極と櫛形取り出し電極の電極周期が異なること を特徴とする弾性表面波機能素子。
1 4 . 圧電体基板あるいは圧電性薄膜基板上に、 グレーティング電極と半導体 層を備える弾性表面波機能素子において、 前記半導体層は、 弾性表面波が伝搬す る伝搬路上外に位置し、 該半導体層の上に複数のダレ一ティング電極が伝搬方向 に対して直角に形成され、 かつ、 半導体層以外の部分のグレーティング電極の上 部にストリ ップ誘電体膜が形成され、 該誘電体膜上に取り出し電極が形成されて いることを特徴とする弾性表面波機能素子。
1 5 . 請求項 1 4に記載の弾性表面波機能素子において、 前記ス トリ ップ誘電 体膜がグレーティング電極の上部と下部に形成されていることを特徴とする弾性 表面波機能素子。
1 6 . 請求項 1 5に記載の弾性表面波機能素子において、 前記グレーティング 電極の下部に形成されたス トリップ誘電体膜の下に、 取り出し電極が形成されて いることを特徴とする弾性表面波機能素子。
1 7 . 請求項 1 4から 1 6のいずれか一項に記載の弾性表面波機能素子におい て、 前記半導体層の下部に一様な取り出し電極が形成されていることを特徴とす る弾性表面波機能素子。
1 8 . 請求項 1 4から 1 6のいずれか一項に記載の弾性表面波機能素子におい て、 前記グレーティング電極が半導体層の下に形成されていることを特徴とする 弾性表面波機能素子。
1 9 . 請求項 1 8に記載の弾性表面波機能素子において、 前記半導体層の上部 に一様な取り出し電極が形成されていることを特徴とする弾性表面波機能素子。
2 0 . 請求項 1 4から 1 9のいずれか一項に記載の弾性表面波機能素子におい て、 前記グレーティング電極の幅方向の長さを適当な組み合わせで交互に変化さ せた構造を有しており、 かつ交互のグレ一ティング電極のそれぞれの一端にス ト リ ップ锈電体膜が形成されていることを特徴とする弾性表面波機能素子。
2 1 . 請求項 1 4から 1 9のいずれか一項に記載の弾性表面波機能素子におい て、 前記グレーティング電極に交差するように櫛形取り出し電極が形成され、 力 > っ該櫛形取り出し電極は同一電位になるように接続されていることを特徴とする 弾性表面波機能素子。
2 2 . 圧電体基板あるいは圧電性薄膜基板上に、 半導体層と、 グレーティング 電極と、 櫛形取り出し電極とを備える弾性表面波機能素子において、 前記半導体 層は、 弾性表面波が伝搬する伝搬路上外に位置し、 該半導体層の上に複数のダレ 一ティング電極が伝搬方向に対して直角に形成され、 前記グレーティング電極に 交差するように前記櫛形取り出し電極が同一電位になるように形成され、 かつ前 記半導体層に相対するグレーティング電極部分に、 伝搬路より狭い幅で、 交差す るように櫛形アース取り出し電極が形成され、 該櫛形アース取り出し電極が共通 電極で接続されていることを特徴とする弾性表面波機能素子。
2 3 . 請求項 2 2に記載の弾性表面波機能素子において、 前記グレーティング 電極と前記櫛形取り出し電極が半導体層の下に形成されていることを特徴とする 弾性表面波機能素子。
2 4 . 請求項 2 1から 2 3のいずれか一項に記載の弾性表面波機能素子におい て、 前記櫛形取り出し電極が半導体層都分から伝搬路上にわたって形成されてい ることを特徴とする弾性表面波機能素子。
2 5 . 圧電体基板あるいは圧電性薄膜基板上に、 半導体層と、 ダレ一ティング 層と、 取り出し電極とを備えた弾性表面波機能素子において、 前記グレーティン グ電極を半導体層の上部あるいは下部の途中まで形成し、 該グレーティング電極 の端部との間にギヤップを持つ一様な取り出し電極が形成されていることを特徴 とする弾性表面波機能素子。
2 6 . 請求項 1 4から請求項 2 5のいずれか一項に記載の弾性表面波機能素子 において、 伝搬路上のグレーティング電極の電極周期と半導体層の上または下、 あるいはアース取り出し電極部分、 あるいはス トリ ップ誘電体膜の上または下に 形成されているグレーティング電極の電極周期が異なることを特徴とする弾性表 面波機能素子。
2 7 . 請求項 1 4から 2 6のいずれか一項に記載の弾性表面波機能素子におい て、 前記グレーティング電極の幅 Lが、 ぇノ8 ^し≤； であり、 グレーティング 電極間の間隔 Sが、 え / 8≤ S≤えであることを特徴とする弾性表面波機能素子。
2 8 . 請求項 2 1から 2 6のいずれか一項に記載の弾性表面波機能素子におい て、 前記グレーティング電極と櫛形取り出し電極あるいは櫛形アース取り出し電 極との交差部分の電極の幅 Lが； L Z 1 6≤ L≤ λ / 2であり、 電極間の間隔 Sが
X / \ 6≤ S≤ L 2であることを特徴とする弾性表面波機能素子。
2 9 . 請求項 1 4から 2 6のいずれか一項に記載の弾性表面波機能素子におい て、 前記グレーティング電極の幅 Lが、 え Z 6であり、 グレーティング電極間の 間隔 Sが、 えノ 6であることを特徴とする弾性表面波機能素子。
3 0 . 請求項 1 4から 2 9のいずれか一項に記載の弾性表面波機能素子におい て、 前記半導体層が、 活性層と該活性層に格子整合する緩衝層からなることを特 徴とする弾性表面波機能素子。
3 1 . 請求項 1から 3 0のいずれか一項に記載の弾性表面波機能素子において、 弾性表面波の伝搬路の幅 Wと半導体層の幅 aとの比が、 弾性表面波の電気的波動 インピーダンスと半導体層の電気的波動インピーダンスがほぼ同一になるように 決められていることを特徴とする弾性表面波機能素子。
3 2. 請求項 1から 3 1のいずれか一項に記載の弾性表面波機能素子において、 前記伝搬路の幅 Wと前記半導体層の幅 aとの比が、 W/a > 1であることを特徴 とする弾性表面波機能素子。
3 3. 請求項 ]から 3 2のいずれか一項に記載の弾性表面波機能素子において、 前記伝搬路の幅 Wと前記半導体層の幅 aとの比が、 WZa = 8〜〗 0であること を特徴とする弾性表面波機能素子。
34. 請求項 ] 4から 3 3のいずれか一項に記載の弾性表面波機能素子におい て、 半導体層として S i 、 I n A s、 I n S b、 G a A s、 および I n Pより成 る群から選ばれる半導体を用いることを特徴とする弾性表面波機能素子。
3 5. 請求項 1から 34のいずれか一項に記載の弾性表面波機能素子において、 前記圧電体基板として、 L i N b 03単結晶基板、 L i T a 03単結晶基板、 およ び KN b 03単結晶基板よりなる群から選ばれる基板を用いることを特徴とする 弾性表面波機能素子。
3 6. 請求項 1から 34のいずれか一項に記載の弾性表面波機能素子において、 前記圧電体基板として、 L i N b 03薄膜、 L i T a 03薄膜、 KN b〇3薄膜、 P Z T薄膜、 および P b T i 03薄膜よりなる群から選ばれる薄膜を形成した圧 電性薄膜基板を用いることを特徴とする弾性表面波機能素子。
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