弾性境界波装置
【課題】増幅度を高めるためにバイアス電圧を高めたとしても半導体において生じた熱を速やかに放散することができ、従って半導体による増幅作用を安定にかつ確実に利用することができる弾性波装置を得る。
【解決手段】圧電基板２と、前記圧電基板２の上に形成されている誘電体層１４と、前記圧電基板２と前記誘電体層１４との間の境界に形成されているＩＤＴ電極３，４と、前記誘電体層１４に接するように設けられた半導体層９とを備え、前記圧電基板２と前記誘電体層１４との間の境界を伝搬する弾性境界波を利用した弾性境界波装置であって、前記半導体層９は、前記弾性境界波によって発生する電界と、前記半導体層９中のキャリアとが結合するように設けられており、前記半導体層中のキャリアの移動速度が、前記弾性境界波の伝搬速度よりも高い、弾性境界波装置１。
【解決手段】圧電基板２と、前記圧電基板２の上に形成されている誘電体層１４と、前記圧電基板２と前記誘電体層１４との間の境界に形成されているＩＤＴ電極３，４と、前記誘電体層１４に接するように設けられた半導体層９とを備え、前記圧電基板２と前記誘電体層１４との間の境界を伝搬する弾性境界波を利用した弾性境界波装置であって、前記半導体層９は、前記弾性境界波によって発生する電界と、前記半導体層９中のキャリアとが結合するように設けられており、前記半導体層中のキャリアの移動速度が、前記弾性境界波の伝搬速度よりも高い、弾性境界波装置１。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば共振子や帯域フィルタなどに用いられる弾性境界波装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、共振子や帯域フィルタとして弾性表面波を利用した弾性表面波装置が広く用いられている。弾性表面波装置において弾性表面波を増幅するために、弾性表面波により生じる電界と、半導体中のキャリアとを結合させる方法が知られている。
【０００３】
例えば下記の特許文献１には、図２１に示す弾性表面波装置１００１が開示されている。弾性表面波装置１００１では、圧電基板１００２上に、くし型入力電極１００３，１００４が配置されている。くし型入力電極１００３とくし型電極１００４との間の領域において、圧電基板１００２上にスペーサ１００５が配置されている。スペーサ１００５を介して、圧電基板１００２上に半導体１００６が固定されている。半導体１００６の上面には、出力電極１００７が形成されている。ここでは、くし型入力電極１００３，１００４からの入力電圧により圧電基板１００２上において弾性表面波が励振される。この弾性表面波により生じる電界が、半導体１００６において生じるキャリアと結合され、弾性表面波が増幅される。
【０００４】
他方、下記の特許文献２には、図２２に示す弾性表面波装置１０１１が開示されている。弾性表面波装置１０１１では、圧電基板１０１２上に、入力電極１０１３と、出力電極１０１４とが形成されている。入力電極１０１３及び出力電極１０１４間の弾性表面波伝搬路上において、バッファー層１０１５が圧電基板１０１２上に積層されている。バッファー層１０１５上に半導体層１０１６が積層されている。入力電極１０１３からの入力により弾性表面波が励振される。弾性表面波の電界と、半導体層１０１６に直流電圧を印加することにより生じたキャリアとが結合され、弾性表面波が増幅される。
【０００５】
また、下記の非特許文献１にも弾性表面波装置１００１や、１０１１と同様の構造の弾性表面波装置が開示されている。
【０００６】
他方、ＣｄＳやＧａＡｓなどの圧電性と半導体性の双方の特性を併せ持つ圧電半導体を基板として用いた弾性表面波装置も提案されている。この場合には、圧電半導体からなる基板上に、入力側ＩＤＴ電極及び出力側ＩＤＴ電極が形成され、かつ圧電半導体に直流電圧を印加してキャリアを移動させ、該キャリアと入力側ＩＤＴ電極からの入力により励振された弾性表面波による電界とが結合されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平２−２１４２０９号公報
【特許文献２】ＷＯ９６／２５７９２
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】「弾性表面波工学」，社団法人電子通信学会、１９８３年１１月１５日，ｐｐ．２１４−２１８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に記載の弾性表面波装置において、増幅度を高めるには、圧電基板１００２と半導体１００６との間の隙間を小さくする必要がある。しかしながら、隙間を小さくした場合、スペーサ１００５により隙間を一定に制御することが非常に困難であった。そのため、特性のばらつきが大きくなり、安定な特性の弾性表面波装置１００１を量産することはできなかった。また、圧電基板１００２に半導体１００６をスペーサ１００５を介して強固に接合すると、弾性表面波が減衰し、共振特性やフィルタ特性などが大きく劣化するという問題があった。
【００１０】
他方、特許文献２に記載の弾性表面波装置１０１１では、バッファー層１０１５を介して半導体層１０１６が圧電基板１０１２の上面に積層されているため、特性のばらつきは生じ難い。しかしながら、半導体層１０１６による増幅作用を高めるため、 半導体層１０１６に高いバイアス電圧を印加すると、半導体層１０１６における発熱量により半導体層１０１６の温度が上昇し、増幅作用が飽和するおそれがあった。半導体層１０１６にバッファー層１０１５を介して結合されている圧電基板１０１２の熱伝導率は比較的小さい。そのため、半導体層１０１６の温度上昇を抑制するには、半導体層１０１６にヒートシンクなどの放熱部材を結合しなければならなかった。
【００１１】
加えて、ヒートシンクを半導体層１０１６上に設けた場合には、ヒートシンクへの弾性表面波の漏洩や弾性表面波の散乱等により挿入損失が低下しがちであった。その結果、やはり増幅度が小さくなるという問題があった。
【００１２】
他方、圧電半導体基板を用いた弾性表面波装置においても、特許文献２に記載の弾性表面波装置の場合と同様に、増幅度を高めようとしてバイアス電圧を高めた場合、圧電半導体基板における発熱量が増大し、同様の問題があった。
【００１３】
本発明の目的は、上述した従来技術の欠点を解消し、バイアス電圧を高めたとしても半導体において生じた熱を速やかに放散することができ、従って半導体による増幅作用を安定にかつ確実に高めることができ、かつ量産性に優れた弾性波装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明によれば、圧電基板と、前記圧電基板上に形成されている誘電体層と、前記圧電基板と前記誘電体層との間の境界に形成されているＩＤＴ電極と、前記誘電体層に接するように設けられた半導体層と、前記半導体層に直流電界を印加するための第１及び第２の直流電界印加用電極とを備え、前記圧電基板と前記誘電体層との間の境界を伝搬する弾性境界波を利用した弾性境界波装置であって、前記半導体層は、前記弾性境界波によって発生する電界と、前記半導体層中のキャリアとが結合するように設けられており、前記半導体層中のキャリアの移動速度が、前記弾性境界波の伝搬速度よりも高い、弾性境界波装置が提供される。
【００１５】
本発明に係る弾性境界波装置のある特定の局面では、前記半導体層は、前記圧電基板と前記誘電体層との間の境界において、前記ＩＤＴ電極と接触しないように設けられている。
【００１６】
本発明に係る弾性境界波装置の他の特定の局面では、前記半導体層は前記圧電基板上に積層されている。この場合、より好ましくは、圧電基板と、半導体層との間に形成された拡散防止層がさらに備えられる。
【００１７】
本発明に係る弾性境界波装置のさらに他の特定の局面では、前記半導体層は、前記誘電体層内に埋設されており、前記ＩＤＴ電極よりも上方に配置されている。
【００１８】
本発明に係る弾性境界波装置の別の特定の局面では、上記誘電体層は、酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、ダイヤモンドライクカーボン及びダイヤモンドからなる群から選択された１種の誘電体材料からなる。
【００１９】
本発明に係る弾性境界波装置のさらに別の特定の局面によれば、前記誘電体層が、第１の誘電体層と、該第１の誘電体層上に設けられている第２の誘電体層とからなり、第１の誘電体層の横波音速が、該第２の誘電体層の横波と前記圧電基板の遅い横波音速より遅い。
【００２０】
本発明において、第２の誘電体層を構成する材料は特に限定されないが、好ましくは、酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、ダイヤモンドライクカーボン及びダイヤモンド群から選択された１種の誘電体材料からなる。
【００２１】
本発明において、第１の誘電体層を構成する材料についても特に限定されないが、好ましくは、第２の誘電体層が酸化珪素以外の誘電体材料からなる場合、第１の誘電体層が酸化珪素により形成されている。
【００２２】
本発明に係る弾性境界波装置のさらに他の特定の局面によれば、前記半導体層は、前記第１の誘電体層内に配置されている。
【００２３】
本発明に係る弾性境界波装置の別の特定の局面によれば、前記ＩＤＴ電極が、圧電基板上に形成された第１のＩＤＴ電極と第２のＩＤＴ電極とを有する。この場合、より好ましくは、平面視した場合、上記半導体層は、第１，第２のＩＤＴ電極間に位置している。
【００２４】
本発明に係る弾性境界波装置のさらに他の特定の局面では、前記圧電基板は、圧電半導体であり、前記圧電基板と前記半導体層とを兼ねている。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に係る弾性境界波装置では、半導体装置に直流電界が印加された際に生じるキャリアの移動速度が弾性境界波の伝搬速度よりも高く、弾性境界波により生じる電界と、上記キャリアとが結合するように半導体層が設けられているため、弾性境界波を増幅することができる。
【００２６】
しかも、上記半導体層が誘電体層と接触するように設けられているため、増幅度を高めるために半導体層に高い直流バイアス電圧を印加した場合であっても、半導体層により生じた熱を速やかに放散させることができ、それによって十分な増幅度を得ることができる。
【００２７】
加えて、半導体層が誘電体層に接して設けられており、半導体層の位置精度のばらつきも生じ難いため、特性のばらつきが生じ難く、弾性境界波装置の量産性を高めることができる。
【００２８】
よって、本発明によれば、弾性境界波による応答を十分に大きくすることができ、しかも特性の安定な弾性境界波装置を容易に提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る弾性境界波装置の模式的斜視図であり、（ｂ）は該弾性境界波装置の正面断面図である。
【図２】比較のために用意した従来の弾性表面波装置を示す模式的正面断面図である。
【図３】（ａ）は図２に示した弾性表面波装置の模式図であり、（ｂ）は第１の実施形態の弾性境界波装置の模式図である。
【図４】図３（ａ）に示した弾性表面波装置における半導体層の発熱による温度、並びに図３（ｂ）に示した第１の実施形態の弾性境界波装置における種々の誘電体材料からなる誘電体層の膜厚と弾性境界波装置の温度との関係を示す図である。
【図５】（ａ）は第１の実施形態におけるＳｉＮからなる誘電体層の膜厚と半導体層の膜厚と、弾性境界波の音速との関係を示す図であり、（ｂ）は第１の実施形態において、ＳｉＮからなる誘電体層の膜厚と、弾性境界波装置の最表面及び圧電基板と半導体層との界面における弾性境界波の振幅強度との関係を示す図である。
【図６】比較のために用意した従来の弾性表面波装置における弾性表面波装置の厚み方向と弾性表面波の振幅との関係を示す図である。
【図７】第１の実施形態の弾性境界波装置の厚み方向における弾性境界波の振幅との関係を示す図である。
【図８】（ａ）は、誘電体層がＡｌＮからなる場合の第１の実施形態の弾性境界波装置における誘電体層の膜厚と、弾性境界波の音速との関係を示す図であり、（ｂ）はＡｌＮからなる誘電体層の膜厚と弾性境界波の振幅との関係を示す図である。
【図９】（ａ）は、誘電体層がダイヤモンドからなる場合の第１の実施形態の弾性境界波装置における誘電体層の膜厚と、弾性境界波の音速との関係を示す図であり、（ｂ）はダイヤモンドからなる誘電体層の膜厚と弾性境界波の振幅との関係を示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る弾性境界波装置の正面断面図である。
【図１１】（ａ）は、誘電体層がＳｉＯ２からなる場合の第２の実施形態の弾性境界波装置における誘電体層の膜厚と、弾性境界波の音速との関係を示す図であり、（ｂ）はＳｉＯ２からなる誘電体層の膜厚と弾性境界波の振幅との関係を示す図である。
【図１２】（ａ）及び（ｂ）は、第１の実施形態及び第２の実施形態における弾性境界波装置の弾性境界波の振幅強度の厚み方向分布を示す図である。
【図１３】（ａ）は図２に示した弾性表面波装置の模式図であり、（ｂ）は第２の実施形態の弾性境界波装置の模式図である。
【図１４】比較のために用意した従来の弾性境界波装置における弾性表面波の表面の最高温度並びに本発明の第２の実施形態の弾性境界波装置において、第１の誘電体層がＳｉＮからなり、第２の誘電体層が膜厚０．２、２または２０μｍのＳｉＯ２膜からなる場合のＳｉＮ膜の膜厚と弾性境界波装置表面の最高温度との関係を示す図である。
【図１５】第２の実施形態の弾性境界波装置における弾性境界波の振幅の弾性境界波装置厚み方向に沿う分布を示す図である。
【図１６】本発明の第３の実施形態に係る弾性境界波装置を示す正面断面図である。
【図１７】本発明の第４の実施形態に係る弾性境界波装置を示す正面断面図である。
【図１８】（ａ），（ｂ）は、本発明の第５の実施形態の弾性境界波装置の模式的斜視図及び正面断面図である。
【図１９】（ａ），（ｂ）は、本発明の第６の実施形態に係る弾性境界波装置の模式的斜視図及び正面断面図である。
【図２０】本発明の第６の実施形態の変形例に係る弾性境界波装置の模式的正面断面図である。
【図２１】従来の弾性表面波装置の一例を示す模式的正面図である。
【図２２】従来の弾性表面波装置の他の例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。
【００３１】
〔第１の実施形態〕
図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る弾性境界波装置の模式的斜視図及び正面断面図である。
【００３２】
弾性境界波装置１は、圧電基板２を有する。圧電基板２は、本実施形態では、１２８°ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３からなる。圧電基板２上に第１のＩＤＴ電極３と、第２のＩＤＴ電極４とが形成されている。
【００３３】
第１，第２のＩＤＴ電極３，４としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕ、またはＡｌなどの適宜の金属もしくは合金を用いることができる。
【００３４】
本実施形態では、第１，第２のＩＤＴ電極は、Ｐｔからなる。圧電基板２上には、入力電極５，６が形成されている。入力電極５はＩＤＴ電極３の一端に電気的に接続されており、入力電極６は、第１のＩＤＴ電極３の他端に電気的に接続されている。同様に、圧電基板２の上面には、第２のＩＤＴ電極４が設けられている部分の弾性境界波伝搬方向両側に、出力電極７，８が形成されている。出力電極７は、第２のＩＤＴ電極４の一端に電気的に接続されており、出力電極８は第２のＩＤＴ電極４の他端に電気的に接続されている。
【００３５】
入力電極５，６及び出力電極７，８並びに入力電極５，６と第１のＩＤＴ電極３とを電気的に接続している配線及び出力電極７，８と第２のＩＤＴ電極４を接続している配線は、第１，第２のＩＤＴ電極３，４を形成する電極材料と同様の電極材料により形成することができる。好ましくは、入力電極５，６及び出力電極７，８等は、第１，第２のＩＤＴ電極３，４と同じ電極材料からなる。
【００３６】
第１のＩＤＴ電極３と第２のＩＤＴ電極４とは、弾性境界波伝搬方向において隔てられており、第１，第２のＩＤＴ電極３，４間の弾性境界波伝搬路上に半導体層９が形成されている。半導体層９の一端側には、端子電極１０が形成されており、他端側には、端子電極１１が形成されている。なお、半導体層９に直流電界を印加するための電極すなわち端子電極１０，１１は、半導体層９にオーミック性接触する材料からなることが好ましい。従って、端子電極１０，１１は、例えばＴｉやＡｕにより形成することが望ましい。端子電極１０に電気的に接続されるように、圧電基板２の上面に第１の直流電圧印加用電極１２が形成されており、同様に、端子電極１１に電気的に接続されるように、圧電基板２の上面には、第２の直流電圧印加用電極１３が形成されている。
【００３７】
半導体層９に、第１，第２の直流電圧印加用電極１２，１３から直流バイアス電圧を印加した場合、半導体層９においてキャリアが移動する。このキャリアの移動速度は、弾性境界波の伝搬速度より高い。すなわち、半導体層９は、弾性境界波の伝搬速度よりもキャリアの移動速度が速い半導体材料より構成される。本実施形態では、半導体層９は、ＩｎＳｂからなる。
【００３８】
また、本実施形態では、半導体層９が圧電基板２上に直接積層されているので、弾性境界波により生じる電界と、半導体層９中の上記キャリアとが結合するように半導体層９が設けられていることになる。
【００３９】
本実施形態では、第１，第２の直流電圧印加用電極１２，１３は、弾性境界波伝搬方向と直交する方向において一方側に、すなわち圧電基板２の一方側面２ａ側に、寄せられて形成されているが、弾性境界波伝搬方向と直交する方向において一方側に第１の直流電圧印加用電極１２が、他方側に第２の直流電圧印加用電極１３が形成されていてもよい。もっとも、第１，第２の直流電圧印加用電極１２，１３の双方が圧電基板２の一方側面２ａまたは他方側面２ｂ側に寄せられて形成されていることが望ましく、それによって、直流電圧を印加するための電気的接続を容易に行うことができる。
【００４０】
また、圧電基板２上には、第１，第２のＩＤＴ電極３，４及び半導体層９を覆うように誘電体層１４が形成されている。誘電体層１４は、本実施形態では、ＳｉＮからなる。もっとも、誘電体層１４は、圧電基板２と誘電体層１４との界面に配置されたＩＤＴ電極３に入力電極を印加することにより弾性境界波を励振し得る適宜の誘電体材料により形成することができる。このような誘電体材料としては、窒化ケイ素（ＳｉＮ）に限らず、酸化ケイ素、酸窒化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、ダイヤモンドライクカーボン及びダイヤモンドからなる群から選択された１種の誘電体材料を好適に用いることができる。これらの誘電体材料は、下記の表１に示すように、熱伝導率がＬｉＮｂＯ３などの圧電単結晶に比べて極めて高い。従って、半導体層９において発生した熱を誘電体層１４により速やかに放散することができる。
【００４１】
圧電基板２、誘電体層及び半導体層などを形成するための様々な材料の横波音速及び遅い横波音速、熱伝導率及び電子移動度を下記の表１に示す。
【００４２】
【表１】
【００４３】
本実施形態の弾性境界波装置１では、圧電基板２と誘電体層１４との境界に第１，第２のＩＤＴ電極３，４が配置されている。第１のＩＤＴ電極３に交流電界を印加することにより、弾性境界波が励振され、第２のＩＤＴ電極４から該弾性境界波による応答を出力として取り出すことができる。従って、トランスバーサル型弾性境界波フィルタが構成されている。
【００４４】
しかも、半導体層９が圧電基板２と誘電体層１４との境界に配置されており、すなわち弾性境界波伝搬上に配置されているので、第１，第２の直流電圧印加用電極１２，１３から直流電圧を印加することにより、半導体層９内においてキャリアが移動することとなる。キャリアが弾性境界波の電界と結合し、このキャリアの移動速度が弾性境界波の伝搬速度よりも高いので、それによって弾性境界波を増幅することができる。
【００４５】
しかも、上記直流電圧印加用電極１２，１３から印加する直流電圧すなわちバイアス電圧を高めて増幅度を高めた場合であっても、半導体層９の発熱による特性の劣化や増幅度の低下が生じ難い。これは、半導体層９が、誘電体層１４に接触するように設けられているので、半導体層９が発熱したとしても、熱伝導度が高い誘電体層１４により熱が速やかに放散されることによる。
【００４６】
さらに、図２１に示した従来の弾性表面波装置１００１においては、空隙を高精度にコントロールすることができなかったのに対し、半導体層９及び誘電体層１４が圧電基板２上に積層されているだけであるため、本実施形態では、空隙の高精度の制御を必要としない。従って、特性のばらつきも生じ難く、量産性を効果的に高め得る。
【００４７】
本実施形態の弾性境界波装置の上記作用効果を、半導体層が圧電基板上に積層された従来の弾性表面波装置と比較してより具体的に説明することとする。
【００４８】
前述した非特許文献１の２１５頁には、弾性表面波の増幅量は下記の式（１）で表わされることが記載されている。
【００４９】
【数１】
【００５０】
式（１）において、ｈは半導体の厚みを、ｕは半導体中のキャリアの速度を示す。なお、ｕ＝μＥであり、μはキャリアの移動度を、Ｅは印加電界の大きさを示す。また、σは半導体の電気伝導度を示し、σ＝ｅＮｅμである。ここで、ｅは電荷を、Ｎｅはキャリア密度を示す。Ｋ２は弾性表面波の電気機械結合係数を示し、ｖは弾性表面波の速度を示し、εｐは圧電基板の等価誘電率を示す。
【００５１】
式（１）より、ｕがｖよりも大きくなると、すなわち半導体中のキャリアの移動速度が弾性表面波の音速よりも早くなると、増幅量Ｇがプラスの値となる。従って、弾性表面波を増幅することができる。また、半導体における移動度が大きくなるほど、半導体の膜厚が薄くなるほど、あるいは弾性表面波の結合係数が大きくなるほど、増幅率が大きくなることがわかる。これを、上記実施形態の弾性境界波装置１と、比較のために用意した図２に示す従来の弾性表面波装置１１０１とを対比して説明する。図２に示す弾性表面波装置１１０１は、誘電体層１４が設けられていないことを除いては、上記実施形態とほぼ同様に構成されている。すなわち、１２８°ＹカットＬｉＮｂＯ３からなる圧電基板１１０２上に、上記実施形態と同様にして、第１，第２のＩＤＴ電極１１０３，１１０４及び半導体層１１０９等が形成されている。この弾性表面波装置１１０１及び上記実施形態の弾性境界波装置１は、いずれも、トランスバーサル型のフィルタである。
【００５２】
弾性境界波装置１では、弾性境界波の波長λとしたときに、半導体層９としてのＩｎＳｂ膜の膜厚を波長λの１０％、誘電体層１４の膜厚を波長λの１００％以上とすることにより、Ｐ成分とＳＶ成分とが主体の弾性境界波が伝搬することとなる。この弾性境界波の電気機械結合係数Ｋ２は３％程度である。
【００５３】
他方、ＩｎＳｂの移動度μは理想的には７８０００ｃｍ２／Ｖｓであるが、格子定数がＩｎＳｂとは異なるＬｉＮｂＯ３上に設けられたＩｎＳｂにおける移動度μは大幅に低下する。例えばＭＢＥ法で成膜されたＩｎＳｂ膜では膜厚２００ｎｍ、で移動度μは６０００ｃｍ２／Ｖｓ、キャリア密度Ｎｅ２．５×１０１６/ｃｍ３程度となる。
【００５４】
弾性境界波伝搬路上のＩｎＳｂの膜厚を２００ｎｍ、幅を１８０μｍ、弾性波伝搬路長さ、すなわち第１のＩＤＴ電極３と第２のＩＤＴ電極４との間の距離を４００μｍとし、第１のＩＤＴ電極３に交流電圧を印加し、波長２μｍの弾性境界波を励振した場合を想定する。弾性表面波装置についての上記式（１）より、半導体層９に４０Ｖの直流バイアス電圧を印加すると、出力側の第２のＩＤＴ電極４では、６．８ｄＢのゲインを得ることができる。このときの半導体層９における消費電極は３２０ｍＷである。なお、ゲインは電圧を印加した後の挿入損失と印加前の挿入損失の差で表わす。
【００５５】
半導体層９の発熱による弾性境界波装置１内の温度上昇を有限要素法により求めた。最も温度が高くなる部分は半導体層９の中心であり、この半導体層９の中心の温度を最高温度とする。結果を図４に示す。
【００５６】
なお、表１に示したように、ＳｉＮの熱伝導率は３５．５Ｗｍ−１Ｋ−１であり、空気の熱伝導率である０．０２６Ｗｍ−１Ｋ−１よりも遥かに大きい。なお、ＬｉＮｂＯ３の熱伝導率が４．６Ｗｍ−１Ｋ−１である。
【００５７】
図４は、誘電体層１４が、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＡｌＮまたはダイヤモンドである各弾性境界波装置１における誘電体層１４の膜厚（μｍ）と上記最高温度との関係を示す。本明細書において誘電体層１４の膜厚とは、圧電基板２上に形成されている誘電体層１４の膜厚をいうものとし、半導体層９の上方の誘電体層部分の膜厚をいうものではない。なお、比較のために、図２に示した従来の弾性表面波装置１１０１の最高温度を破線Ａで表わす。従来の弾性表面波装置１１０１では、誘電体層は設けられていないが、最高温度は約１４３℃であり、この１４３℃のところに破線Ａを示した。
【００５８】
図４から明らかなように、本実施形態では、誘電体層１４の膜厚が厚くなるにつれて、誘電体層１４を構成している材料の如何にかかわらず、最高温度が低くなっていることがわかる。これは、誘電体層１４により半導体層９からの熱が速やかに放散されているためと考えられる。
【００５９】
図３（ａ）に模式的に示すように、従来の弾性表面波装置１１０１では、半導体層１１０９は、圧電基板１１０２と空気とに取り囲まれている。これに対して、図３（ｂ）に示すように、本実施形態の弾性境界波装置１では、半導体層９の下面には圧電基板２が位置しているが、半導体層９の側面及び上面は、誘電体層１４に接している。また、空気に比べて、誘電体層１４の熱伝導率は遥かに高い。従って、半導体層９において生じた熱が誘電体層１４を介して放散されている。
【００６０】
図４から明らかなように、波長が２μｍであり、かつＳｉＮからなる誘電体層１４の膜厚がλの１００％と想定した場合、ＳｉＮからなる誘電体層１４の膜厚は２μｍとなり、最高温度は１３１℃に低下することがわかる。また、ＳｉＮの膜厚が１０μｍであれば、最高温度は１０５℃、１００μｍであれば６５℃まで最高温度を低め得ることがわかる。
【００６１】
従って、本実施形態の弾性境界波装置１では、ヒートシンクを別途設けることなく、半導体層９における熱を速やかに放散させることができ、大きなゲインを安定に得ることができる。
【００６２】
なお、本実施形態では、上記のように、ヒートシンクを別途設ける必要はないが、さらに誘電体層１４上にヒートシンクを設けてもよい。例えば、誘電体層１４を、外部のヒートシンク材に密着させたり、誘電体層１４上に水などの空気に比べて熱伝導性の高い液体を配置してもよい。弾性境界波装置１では、誘電体層１４よりも上部の構造は弾性境界波に実質的に影響を与えない。従って、弾性表面波装置１１０１とは異なり、電気的特性に影響を与えることなく、様々な手段を用いて放熱性を高めることも可能である。
【００６３】
図５（ａ）は、半導体層９の膜厚を波長λの０．５％、２％、５％、１０％、２５%、５０％、または１００％とした場合のＳｉＮからなる誘電体層１４の膜厚と弾性境界波の音速との関係を示す図である。ＩｎＳｂからなる半導体層９の膜厚を波長λの１０％以上、かつＳｉＮからなる誘電体層１４の膜厚を波長λの１００％以上とすることにより、ＳｉＮ膜厚によらず音速が一定となり弾性境界波を確実に伝搬させ得ることがわかる。
【００６４】
図５（ｂ）は、上記実施形態のＩｎＳｂからなる半導体層９の膜厚が波長λの１０％の水準におけるＳｉＮからなる誘電体層１４の膜厚と、弾性境界波の振幅強度の関係を示す図である。実線が最表面の振幅を、破線が圧電基板と半導体層９との界面における振幅を示す。さらに、図６は、比較のために用意した弾性表面波装置１１０１の弾性表面波の振幅分布を示す図であり、図７は、上記実施形態の弾性境界波装置１における厚み方向における振幅分布を示す図である。Ｕ１は縦波成分、Ｕ２はＳＨ波成分、Ｕ３はＳＶ成分である。なお、Ｕ１〜Ｕ３は弾性境界波を構成する部分波成分である。
【００６５】
図５（ｂ）及び図７から明らかなように、ＳｉＮからなる誘電体層の膜厚をλの１００％以上とすれば、最表面の振幅成分が０となる。従って、半導体層９よりも上方部分は、弾性境界波は弾性的には影響を与えないことがわかる。よって、ＳｉＮからなる誘電体層１４の膜厚を十分に厚くすることにより、放熱性を効果的に高めたとしても、弾性境界波による応答が劣化し難いことがわかる。
【００６６】
また、半導体層９の膜厚が波長λの５％未満と薄い場合には、ＳｉＮからなる誘電体層１４の膜厚を波長λの２０％以上とすると、弾性表面波としての伝搬モードは存在しなくなり、また弾性境界波としての伝搬モードも生じない。すなわち、波はＬｉＮｂＯ３基板中にバルク波として漏洩し、特性が大幅に劣化する。従って、好ましくは、半導体層の膜厚は、波長λの５％以上であることが望ましい。
【００６７】
弾性境界波では、圧電体と誘電体の界面±数λの範囲内にエネルギーが閉じこもるため、最表面の振幅は０となり、弾性境界波の波長をλとしたとき、誘電体層１４の内、圧電基板２と誘電体層１４との境界よりも上方に数λを超えた誘電体層部分から弾性的な影響を受け難い。すなわち、弾性境界波が散乱し難く、あるいは減衰し難い。
【００６８】
次に、上記誘電体層１４を構成する材料として、ＳｉＮに代えて、ＳｉＮよりも熱伝導率が高いＡｌＮ及びダイヤモンドを用いた場合の結果を図８（ａ），（ｂ）及び図９（ａ），（ｂ）に示す。
【００６９】
図８（ａ）及び（ｂ）では、半導体層９が、波長λの１０％の膜厚のＩｎＳｂからなり、誘電体層１４がＡｌＮからなることを除いては、上記実施形態と同様に構成された弾性境界波装置におけるＡｌＮからなる誘電体層１４の膜厚と弾性境界波の音速との関係及び誘電体層１４の膜厚と振幅との関係を示す図である。図８（ｂ）の実線は最表面における振幅の膜厚依存性を、破線は圧電基板と半導体層９との界面における振幅の膜厚依存性を示す。
【００７０】
図９（ａ）及び（ｂ）は、ＡｌＮに代えて、ダイヤモンドを用いたことを除いては、同様にして求められた弾性境界波の音速及び振幅強度の誘電体層１４の膜厚に対する依存性を示す図である。
【００７１】
図８（ａ），（ｂ）及び図９（ａ），（ｂ）から明らかなように、ＳｉＮに代えて、ＡｌＮやダイヤモンドを用いた場合であっても、誘電体層１４の膜厚を０．５λ以上、より好ましくは１λ以上とすることにより弾性境界波を確実に伝搬させ得ることがわかる。
【００７２】
また、上記実施形態と同様にして、ＩｎＳｂからなる半導体層９の発熱により半導体層９の最高温度を有限要素法により計算した。その結果は、前述した図４に示されている。誘電体層１４の膜厚を２μｍとした場合、誘電体層１４がＡｌＮからなる場合最高温度は９２℃であり、ダイヤモンドの場合には６０℃となることがわかる。すなわち、ＳｉＮを用いた場合に比べ、さらに最高温度が低くなることがわかる。
【００７３】
上記第１の実施形態及び変形例から明らかなように、半導体層９における熱を放散させるには、誘電体層１４はより高い熱伝導率の材料からなることが望ましい。
【００７４】
〔第２の実施形態〕
図１０は本発明の第２の実施形態に係る弾性境界波装置を示す正面断面図である。
【００７５】
本実施形態の弾性境界波装置１０１は、誘電体層１１４が、ＳｉＯ２からなる第１の誘電体層１１４ａと第１の誘電体層１１４ａ上に積層されたＳｉＮからなる第２の誘電体層１１４ｂを有することを除いては、第１の実施形態の弾性境界波装置１と同様に構成されている。従って、同一部分については同一の参照番号を付することにより、第１の実施形態の説明を援用することとする。
【００７６】
本実施形態では、ＬｉＮｂＯ３からなる圧電基板１０２と、第１の誘電体層１１４ａと、第２の誘電体層１１４ｂとを有する、いわゆる三媒質構造の弾性境界波装置１０１が構成されている。
【００７７】
前述した表１に示すように、ＳｉＯ２の横波音速は３７５０ｍ／秒であり、ＳｉＮの横波音速は５９５０ｍ／秒であり、ＬｉＮｂＯ３の遅い横波音速は４０７９ｍ／秒である。従って、誘電体層１１４と圧電基板１０２との界面において励振された弾性境界波が、第２の誘電体層１１４ｂよりも内側に効果的に閉じ込められる。よって、半導体層９による増幅度をより一層高めることができる。
【００７８】
これを、図１１（ａ），（ｂ）及び図１２（ａ），（ｂ）を参照してより具体的に説明する。図１１（ａ）は、半導体層９を構成するＩｎＳｂの膜厚が波長λの０．５％、２％、５％、１０％、１５％、２０％、または２５％の場合のＳｉＯ２からなる第１の誘電体層１１４ａの膜厚と弾性境界波の音速との関係を示す。また、図１１（ｂ）は、ＩｎＳｂの膜厚が波長λの０．５％、２％、５％、１０％、１５％、２０％、または２５％の場合のＳｉＯ２からなる第１の誘電体層１１４ａの膜厚と圧電基板２と半導体層９との界面における振幅との関係を示す。いずれの場合においても、ＳｉＮからなる第２の誘電体層１１４ｂの膜厚は波長λの１００％である。
【００７９】
図１１（ｂ）から明らかなように、特にＩｎＳｂの膜厚が２０％以下と薄い領域にて、横波音速が相対的に遅いＳｉＯ２からなる第１の誘電体層１１４ａを、横波音速が相対的に速いＳｉＮとＬｉＮｂＯ３との間に配置することにより、圧電基板１０２と半導体層９との間に弾性境界波のエネルギーをより一層集中させ得ることがわかる。さらに、ＩｎＳｂの膜厚が１５％以下であれば、より好ましい。従って、ＳｉＯ２からなる第１の誘電体層１１４ａを設けなかった場合に比べて、圧電基板１０２と半導体層９との界面における振幅が大きくなることがわかる。増幅率は、半導体層９に染みだす圧電基板２の電界と、半導体層９中のキャリアとの相互作用に依存するので、界面における振幅が大きいほど、増幅率は大きくなる。よって、本実施形態によれば、弾性境界波をより一層効果的に増幅することができる。
【００８０】
また、第１の実施形態では、ＩｎＳｂからなる半導体層の膜厚が波長λの５％未満と薄い場合には、弾性境界波は閉じこもらなかったが、図１１（ａ）から明らかなように、本実施形態では、ＩｎＳｂの膜厚が波長λの５％未満の場合においても弾性境界波が閉じ込もることが可能であることがわかる。前述した式（１）から明らかなように、半導体層９の厚みが薄いほど、増幅率は高められる。従って、本実施形態によれば、半導体層９の膜厚を薄くすることにより増幅率をより一層高めることができる。
【００８１】
図１２（ａ）は、前述した第１の実施形態における振幅強度の振幅分布を示し、図１２（ｂ）はＩｎＳｂの膜厚が１０％、ＳｉＯ２が７０％における、本実施形態の振幅強度の振幅分布を示す。図１２（ａ）に示すように、ＳｉＯ２からなる第１の誘電体層が設けられていない場合には、振幅のピークは圧電基板１０２内に位置していた。これに対して、図１２（ｂ）に示すように、本実施形態では、圧電基板１０２と半導体層９の界面に振幅のピークが位置している。これは、前述したように、ＳｉＯ２の横波音速が、ＬｉＮｂＯ３の遅い横波及びＳｉＮの横波の音速に比べて遅いことによる。
【００８２】
本実施形態においても、第１の実施形態の場合と同様に、弾性境界波伝搬路上のＩｎＳｂの膜厚を２００ｎｍ、幅を１８０μｍ、弾性波伝搬路長さ、すなわち第１のＩＤＴ電極３と第２のＩＤＴ電極４との間の距離を４００μｍとし、第１のＩＤＴ電極３に交流電圧を印加し、波長２μｍの弾性境界波を励振した場合を想定する。弾性表面波装置についての上記式（１）より、半導体層９に４０Ｖの直流バイアス電圧を印加すると、出力側の第２のＩＤＴ電極４では、１０．７ｄＢのゲインを得ることができる。このときの半導体層９における消費電極は３２０ｍＷである。なお、ゲインは電圧を印加した後の挿入損失と印加前の挿入損失の差で表わす。
【００８３】
また、半導体層９における発熱による温度上昇を有限要素法により求めた。第１の誘電体層１１４ａが０．２μｍ、２μｍ及び２０μｍの場合のＳｉＮからなる第２の誘電体層１１４ｂの膜厚と最高温度の結果を図１４に示す。なお、比較のために、誘電体層が設けられていない弾性表面波装置、すなわち図１３（ａ）に示す構造の弾性表面波装置１１０１の最高温度を図１４に破線で示す。理解を容易とするために、図１３（ｂ）に、本実施形態の弾性境界波装置を構造を模式的に示す。なお、図１４の場合と同様に、弾性表面波装置１１０１では、誘電体層は設けられていないが、本実施形態との対比のために、破線Ａで１４３℃の温度を示す。
【００８４】
図１４から明らかなように、本実施形態においても、ＳｉＯ２の膜厚が０．２μｍ、２μｍ及び２０μｍのいずれの場合においても、膜厚が増加するにつれて、最高温度が低くなっていくことがわかる。これは、図１３（ｂ）に示すように、半導体層９を構成しているＩｎＳｂが、第１の誘電体層１１４ａすなわちＳｉＯ２に接しており、第１の誘電体層１１４ａ上に、ＳｉＮからなる第２の誘電体層１１４ｂが積層されていることによる。
【００８５】
ＳｉＯ２の熱伝導率は１．４２Ｗｍ−１Ｋ−１とさほど高くはないが、空気よりも高く、さらにＳｉＯ２に比べてＳｉＮの熱伝導率は３５．５Ｗｍ−１Ｋ−１とより一層高い。そのため、ＳｉＮからなる誘電体層１１４ｂの膜厚を大きくすることより、放熱性をより一層高めることができる。
【００８６】
上記実施形態では、半導体層としてＩｎＳｂを用いたが、Ｓｉのように遅い横波音速が５８４４ｍ／秒とＳｉＯ２よりも速い半導体を用いてもよい。図１５から明らかなように、半導体層９をＳｉにより形成した構造においても、弾性境界波がＬｉＮｂＯ３と誘電体層を構成しているＳｉＯ２との間、特に、ＬｉＮｂＯ３と半導体を構成しているＳｉとの界面を確実に伝搬することがわかる。
【００８７】
なお、第１の誘電体層１１４ａとしては、ＳｉＯ２に限らず、タンタル酸化物やテルル酸化物などを用いてもよい。すなわち、横波音速が相対的に第２の誘電体層１１４ｂ及び圧電基板２よりも遅い誘電体材料を適宜用いることができる。もっとも、好ましくは、酸化ケイ素あるいは酸化ケイ素を主成分とする誘電体材料が用いられ、その場合には、周波数温度係数ＴＣＦの絶対値を小さくすることができる。
【００８８】
〔第３の実施形態〕
図１６は、本発明の第３の実施形態に係る弾性境界波装置を示す正面断面図である。第３の実施形態の弾性境界波装置２０１は、半導体層９と圧電基板２との間に拡散抑制層２０２が形成されていることを除いては、第１の実施形態の弾性境界波装置１と同様に構成されている。
【００８９】
拡散抑制層２０２は、半導体層９の成膜に先立ち、圧電基板１０２上に成膜される。拡散抑制層２０２は、酸化ケイ素、五酸化タンタル、窒化ケイ素、アルミナ、炭化ケイ素、または窒化アルミニウムなどにより形成することができる。拡散抑制層２０２を設けることにより、圧電基板２と半導体層９との間の相互拡散を抑制することができる。従って、拡散抑制層２０２を構成する材料としては、圧電基板２に対する反応性が半導体層９よりも低い適宜の材料を用いることができ、上述の材料以外の材料も用いることができる。
【００９０】
〔第４の実施形態〕
図１７は、本発明の第４の実施形態に係る弾性境界波装置の正面断面図である。第４の実施形態の弾性境界波装置３０１では、半導体層９が、第１の半導体層９ａと第１の半導体層９ａ上に積層された第２の半導体層９ｂを有する。このように、半導体層９は、複数の半導体層を積層した構造を有していてもよい。また、第１の誘電体層１１４ａ及び第２の誘電体層１１４ｂも、それぞれ、複数の誘電体層を積層した構造を有していてもよい。
【００９１】
〔第５の実施形態〕
図１８（ａ），（ｂ）は、本発明の第５の実施形態に係る弾性境界波装置に係る模式的斜視図及び正面断面図である。第５の実施形態の弾性境界波装置４０１は、圧電基板４０２が圧電性と半導体性とを有する圧電半導体からなる。圧電基板４０２が、増幅作用を果たすための半導体層をも兼ねている。従って、本実施形態では、圧電基板４０２の上面に、第１のＩＤＴ電極３及び第２のＩＤＴ電極４に接続される入力電極５，６及び出力電極７，８が、第１，第２の直流電圧印加用電極をも兼ねている。具体的には、入力電極５，６から入力電圧を印加し、出力電極７，８から出力が取り出されるが、入力電極５，６と、出力電極７，８との間に直流電圧を印加することにより、圧電基板４０２の半導体性を利用し、キャリアを移動させることができる。このキャリアを、励振された弾性境界波の電界と結合させることにより、本実施形態においても、弾性境界波の増幅度を高めることができる。
【００９２】
このような圧電半導体としては、ＣｄＳやＺｎＯなどの圧電性と半導体性とを兼ね備えた適宜の圧電半導体を用いることができる。
【００９３】
本実施形態においても、誘電体層１１４は、第１，第２の誘電体層１１４ａ，１１４ｂを有する。そして、直流電圧を印加して圧電半導体からなる圧電基板４０２においてキャリアを移動させた場合、圧電基板４０２が発熱する。しかしながら、圧電基板４０２が誘電体層１１４に接しているため、前述した実施形態と同様に、熱が誘電体層１１４側に速やかに放散される。従って、第１〜第４の実施形態と同様に、増幅度を高めようとして、直流電圧を高めた場合であっても、弾性境界波装置の温度を低めることができる。従って、大きなゲインを得ることができる。
【００９４】
加えて、圧電基板４０２上に、誘電体層１１４が面接触的に積層されているので、特性のばらつきが生じ難く、量産性を高めることもできる。
【００９５】
〔第６の実施形態〕
図１９（ａ），（ｂ）は本発明の第６の実施形態に係る弾性境界波装置を示す模式的斜視図及び正面断面図である。第６の実施形態に係る弾性境界波装置５０１では、圧電基板５０２上に第１，第２のＩＤＴ電極５０３，５０４と、ＩＤＴ電極５０３，５０４が設けられている領域の弾性境界波伝搬方向両側に配置された反射器５２１，５２２とが形成されている。そして、圧電基板５０２上に、誘電体層５１４が積層されている。誘電体層５１４内に、半導体層９が埋設されている。
【００９６】
本実施形態では、圧電基板５０２上に、入力電極５及び出力電極７と、直流電圧印加用電極１２，１３とが形成されている。入力電極５は、第１のＩＤＴ電極５０３に、出力電極７は、第２のＩＤＴ電極５０４に電気的に接続されている。第１，第２のＩＤＴ電極５０３，５０４と反射器５２１，５２２とを有するため、本実施形態では、縦結合共振子型の弾性境界波フィルタが構成されている。この場合、第１，第２のＩＤＴ電極５０３，５０４に半導体層９が接触しないことが求められるので、半導体層９は、第１，第２のＩＤＴ電極５０３，５０４の上方に、ＩＤＴ電極５０３，５０４と接触しないように配置されている。従って、半導体層９は、誘電体層１４内に埋設されており、ＩＤＴ電極５０３，５０４及び反射器５２１，５２２が設けられている部分の上方に位置している。
【００９７】
このように、半導体層９は、弾性境界波が伝搬される領域の上方に配置されていることが望ましい。もっとも、半導体層９は、弾性境界波が伝搬する領域の上方の少なくとも一部に配置されていてもよい。
【００９８】
図２０は、第６の実施形態の変形例に係る弾性境界波装置を示す模式的正面断面図である。弾性境界波装置５０１は、二媒質構造の弾性境界波装置であったが、図２０に示すように、第２の実施形態と同様に三媒質構造の弾性境界波装置６０１であってもよい。すなわち、半導体層９が埋設されている第１の誘電体層５１４ａと、第１の誘電体層５１４ａ上に積層された第２の誘電体層５１４ｂとを有していてもよい。
【００９９】
第６の実施形態から明らかなように、本発明は、トランスバーサル型弾性境界波フィルタだけでなく、縦結合共振子型フィルタのような共振子型のフィルタや、１ポート型弾性境界波共振子にも適用することができる。これらの共振子型の弾性境界波装置の場合には、上記のように、ＩＤＴ電極に半導体層が接すると、短路により損失が増加する。従って、半導体層９は、ＩＤＴ電極と直接接触しないことが望ましい。
【０１００】
なお、第１の実施形態では、１２８°ＹカットＬｉＮｂＯ３からなる圧電基板２上を伝搬するＰ成分とＳＶ成分とが主体である弾性境界波を説明したが、本発明では、いずれのモードの弾性境界波を用いてもよい。前述した式（１）より、電気機械結合係数Ｋ２が大きいほど、増幅率は高くなる。従って、例えば、６０°ＹカットＬｉＮｂＯ３を伝搬するＳＨ成分が主体の弾性境界波は、電気機械結合係数が大きいため、増幅率をより一層高めることができる。
【０１０１】
また、圧電基板を構成する圧電材料はＬｉＮｂＯ３に限らず、ＬｉＴａＯ３、水晶等の様々な圧電性材料により形成することができる。もっとも、電気機械結合係数が大きい、ＬｉＮｂＯ３またはＬｉＴａＯ３が特に好ましく用いられる。
【０１０２】
また、半導体層９を構成する材料については、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＺｎＯ、Ｇｅ及びダイヤモンドが特に好ましく、増幅率を効果的に高めることができる。もっとも、これらの半導体に限らず、ポリシリコン、カーボンナノチューブ、グラフェンなどの他の半導体を用いてもよい。
【符号の説明】
【０１０３】
１…弾性境界波装置
２…圧電基板
２ａ…一方側面
２ｂ…他方側面
３，４…第１，第２のＩＤＴ電極
５，６…入力電極
７，８…出力電極
９…半導体層
９ａ，９ｂ…第１，第２の半導体層
１０，１１…端子電極
１２，１３…第１，第２の直流電圧印加用電極
１４…誘電体層
１０１…弾性境界波装置
１０２…圧電基板
１１４…誘電体層
１１４ａ，１１４ｂ…第１，第２の誘電体層
２０１…弾性境界波装置
２０２…拡散抑制層
３０１…弾性境界波装置
４０１…弾性境界波装置
４０２…圧電基板
５０１…弾性境界波装置
５０２…圧電基板
５０３，５０４…第１，第２のＩＤＴ電極
５１４…誘電体層
５１４ａ，５１４ｂ…第１，第２の誘電体層
５２１，５２２…反射器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば共振子や帯域フィルタなどに用いられる弾性境界波装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、共振子や帯域フィルタとして弾性表面波を利用した弾性表面波装置が広く用いられている。弾性表面波装置において弾性表面波を増幅するために、弾性表面波により生じる電界と、半導体中のキャリアとを結合させる方法が知られている。
【０００３】
例えば下記の特許文献１には、図２１に示す弾性表面波装置１００１が開示されている。弾性表面波装置１００１では、圧電基板１００２上に、くし型入力電極１００３，１００４が配置されている。くし型入力電極１００３とくし型電極１００４との間の領域において、圧電基板１００２上にスペーサ１００５が配置されている。スペーサ１００５を介して、圧電基板１００２上に半導体１００６が固定されている。半導体１００６の上面には、出力電極１００７が形成されている。ここでは、くし型入力電極１００３，１００４からの入力電圧により圧電基板１００２上において弾性表面波が励振される。この弾性表面波により生じる電界が、半導体１００６において生じるキャリアと結合され、弾性表面波が増幅される。
【０００４】
他方、下記の特許文献２には、図２２に示す弾性表面波装置１０１１が開示されている。弾性表面波装置１０１１では、圧電基板１０１２上に、入力電極１０１３と、出力電極１０１４とが形成されている。入力電極１０１３及び出力電極１０１４間の弾性表面波伝搬路上において、バッファー層１０１５が圧電基板１０１２上に積層されている。バッファー層１０１５上に半導体層１０１６が積層されている。入力電極１０１３からの入力により弾性表面波が励振される。弾性表面波の電界と、半導体層１０１６に直流電圧を印加することにより生じたキャリアとが結合され、弾性表面波が増幅される。
【０００５】
また、下記の非特許文献１にも弾性表面波装置１００１や、１０１１と同様の構造の弾性表面波装置が開示されている。
【０００６】
他方、ＣｄＳやＧａＡｓなどの圧電性と半導体性の双方の特性を併せ持つ圧電半導体を基板として用いた弾性表面波装置も提案されている。この場合には、圧電半導体からなる基板上に、入力側ＩＤＴ電極及び出力側ＩＤＴ電極が形成され、かつ圧電半導体に直流電圧を印加してキャリアを移動させ、該キャリアと入力側ＩＤＴ電極からの入力により励振された弾性表面波による電界とが結合されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平２−２１４２０９号公報
【特許文献２】ＷＯ９６／２５７９２
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】「弾性表面波工学」，社団法人電子通信学会、１９８３年１１月１５日，ｐｐ．２１４−２１８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に記載の弾性表面波装置において、増幅度を高めるには、圧電基板１００２と半導体１００６との間の隙間を小さくする必要がある。しかしながら、隙間を小さくした場合、スペーサ１００５により隙間を一定に制御することが非常に困難であった。そのため、特性のばらつきが大きくなり、安定な特性の弾性表面波装置１００１を量産することはできなかった。また、圧電基板１００２に半導体１００６をスペーサ１００５を介して強固に接合すると、弾性表面波が減衰し、共振特性やフィルタ特性などが大きく劣化するという問題があった。
【００１０】
他方、特許文献２に記載の弾性表面波装置１０１１では、バッファー層１０１５を介して半導体層１０１６が圧電基板１０１２の上面に積層されているため、特性のばらつきは生じ難い。しかしながら、半導体層１０１６による増幅作用を高めるため、 半導体層１０１６に高いバイアス電圧を印加すると、半導体層１０１６における発熱量により半導体層１０１６の温度が上昇し、増幅作用が飽和するおそれがあった。半導体層１０１６にバッファー層１０１５を介して結合されている圧電基板１０１２の熱伝導率は比較的小さい。そのため、半導体層１０１６の温度上昇を抑制するには、半導体層１０１６にヒートシンクなどの放熱部材を結合しなければならなかった。
【００１１】
加えて、ヒートシンクを半導体層１０１６上に設けた場合には、ヒートシンクへの弾性表面波の漏洩や弾性表面波の散乱等により挿入損失が低下しがちであった。その結果、やはり増幅度が小さくなるという問題があった。
【００１２】
他方、圧電半導体基板を用いた弾性表面波装置においても、特許文献２に記載の弾性表面波装置の場合と同様に、増幅度を高めようとしてバイアス電圧を高めた場合、圧電半導体基板における発熱量が増大し、同様の問題があった。
【００１３】
本発明の目的は、上述した従来技術の欠点を解消し、バイアス電圧を高めたとしても半導体において生じた熱を速やかに放散することができ、従って半導体による増幅作用を安定にかつ確実に高めることができ、かつ量産性に優れた弾性波装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明によれば、圧電基板と、前記圧電基板上に形成されている誘電体層と、前記圧電基板と前記誘電体層との間の境界に形成されているＩＤＴ電極と、前記誘電体層に接するように設けられた半導体層と、前記半導体層に直流電界を印加するための第１及び第２の直流電界印加用電極とを備え、前記圧電基板と前記誘電体層との間の境界を伝搬する弾性境界波を利用した弾性境界波装置であって、前記半導体層は、前記弾性境界波によって発生する電界と、前記半導体層中のキャリアとが結合するように設けられており、前記半導体層中のキャリアの移動速度が、前記弾性境界波の伝搬速度よりも高い、弾性境界波装置が提供される。
【００１５】
本発明に係る弾性境界波装置のある特定の局面では、前記半導体層は、前記圧電基板と前記誘電体層との間の境界において、前記ＩＤＴ電極と接触しないように設けられている。
【００１６】
本発明に係る弾性境界波装置の他の特定の局面では、前記半導体層は前記圧電基板上に積層されている。この場合、より好ましくは、圧電基板と、半導体層との間に形成された拡散防止層がさらに備えられる。
【００１７】
本発明に係る弾性境界波装置のさらに他の特定の局面では、前記半導体層は、前記誘電体層内に埋設されており、前記ＩＤＴ電極よりも上方に配置されている。
【００１８】
本発明に係る弾性境界波装置の別の特定の局面では、上記誘電体層は、酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、ダイヤモンドライクカーボン及びダイヤモンドからなる群から選択された１種の誘電体材料からなる。
【００１９】
本発明に係る弾性境界波装置のさらに別の特定の局面によれば、前記誘電体層が、第１の誘電体層と、該第１の誘電体層上に設けられている第２の誘電体層とからなり、第１の誘電体層の横波音速が、該第２の誘電体層の横波と前記圧電基板の遅い横波音速より遅い。
【００２０】
本発明において、第２の誘電体層を構成する材料は特に限定されないが、好ましくは、酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、ダイヤモンドライクカーボン及びダイヤモンド群から選択された１種の誘電体材料からなる。
【００２１】
本発明において、第１の誘電体層を構成する材料についても特に限定されないが、好ましくは、第２の誘電体層が酸化珪素以外の誘電体材料からなる場合、第１の誘電体層が酸化珪素により形成されている。
【００２２】
本発明に係る弾性境界波装置のさらに他の特定の局面によれば、前記半導体層は、前記第１の誘電体層内に配置されている。
【００２３】
本発明に係る弾性境界波装置の別の特定の局面によれば、前記ＩＤＴ電極が、圧電基板上に形成された第１のＩＤＴ電極と第２のＩＤＴ電極とを有する。この場合、より好ましくは、平面視した場合、上記半導体層は、第１，第２のＩＤＴ電極間に位置している。
【００２４】
本発明に係る弾性境界波装置のさらに他の特定の局面では、前記圧電基板は、圧電半導体であり、前記圧電基板と前記半導体層とを兼ねている。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に係る弾性境界波装置では、半導体装置に直流電界が印加された際に生じるキャリアの移動速度が弾性境界波の伝搬速度よりも高く、弾性境界波により生じる電界と、上記キャリアとが結合するように半導体層が設けられているため、弾性境界波を増幅することができる。
【００２６】
しかも、上記半導体層が誘電体層と接触するように設けられているため、増幅度を高めるために半導体層に高い直流バイアス電圧を印加した場合であっても、半導体層により生じた熱を速やかに放散させることができ、それによって十分な増幅度を得ることができる。
【００２７】
加えて、半導体層が誘電体層に接して設けられており、半導体層の位置精度のばらつきも生じ難いため、特性のばらつきが生じ難く、弾性境界波装置の量産性を高めることができる。
【００２８】
よって、本発明によれば、弾性境界波による応答を十分に大きくすることができ、しかも特性の安定な弾性境界波装置を容易に提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る弾性境界波装置の模式的斜視図であり、（ｂ）は該弾性境界波装置の正面断面図である。
【図２】比較のために用意した従来の弾性表面波装置を示す模式的正面断面図である。
【図３】（ａ）は図２に示した弾性表面波装置の模式図であり、（ｂ）は第１の実施形態の弾性境界波装置の模式図である。
【図４】図３（ａ）に示した弾性表面波装置における半導体層の発熱による温度、並びに図３（ｂ）に示した第１の実施形態の弾性境界波装置における種々の誘電体材料からなる誘電体層の膜厚と弾性境界波装置の温度との関係を示す図である。
【図５】（ａ）は第１の実施形態におけるＳｉＮからなる誘電体層の膜厚と半導体層の膜厚と、弾性境界波の音速との関係を示す図であり、（ｂ）は第１の実施形態において、ＳｉＮからなる誘電体層の膜厚と、弾性境界波装置の最表面及び圧電基板と半導体層との界面における弾性境界波の振幅強度との関係を示す図である。
【図６】比較のために用意した従来の弾性表面波装置における弾性表面波装置の厚み方向と弾性表面波の振幅との関係を示す図である。
【図７】第１の実施形態の弾性境界波装置の厚み方向における弾性境界波の振幅との関係を示す図である。
【図８】（ａ）は、誘電体層がＡｌＮからなる場合の第１の実施形態の弾性境界波装置における誘電体層の膜厚と、弾性境界波の音速との関係を示す図であり、（ｂ）はＡｌＮからなる誘電体層の膜厚と弾性境界波の振幅との関係を示す図である。
【図９】（ａ）は、誘電体層がダイヤモンドからなる場合の第１の実施形態の弾性境界波装置における誘電体層の膜厚と、弾性境界波の音速との関係を示す図であり、（ｂ）はダイヤモンドからなる誘電体層の膜厚と弾性境界波の振幅との関係を示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る弾性境界波装置の正面断面図である。
【図１１】（ａ）は、誘電体層がＳｉＯ２からなる場合の第２の実施形態の弾性境界波装置における誘電体層の膜厚と、弾性境界波の音速との関係を示す図であり、（ｂ）はＳｉＯ２からなる誘電体層の膜厚と弾性境界波の振幅との関係を示す図である。
【図１２】（ａ）及び（ｂ）は、第１の実施形態及び第２の実施形態における弾性境界波装置の弾性境界波の振幅強度の厚み方向分布を示す図である。
【図１３】（ａ）は図２に示した弾性表面波装置の模式図であり、（ｂ）は第２の実施形態の弾性境界波装置の模式図である。
【図１４】比較のために用意した従来の弾性境界波装置における弾性表面波の表面の最高温度並びに本発明の第２の実施形態の弾性境界波装置において、第１の誘電体層がＳｉＮからなり、第２の誘電体層が膜厚０．２、２または２０μｍのＳｉＯ２膜からなる場合のＳｉＮ膜の膜厚と弾性境界波装置表面の最高温度との関係を示す図である。
【図１５】第２の実施形態の弾性境界波装置における弾性境界波の振幅の弾性境界波装置厚み方向に沿う分布を示す図である。
【図１６】本発明の第３の実施形態に係る弾性境界波装置を示す正面断面図である。
【図１７】本発明の第４の実施形態に係る弾性境界波装置を示す正面断面図である。
【図１８】（ａ），（ｂ）は、本発明の第５の実施形態の弾性境界波装置の模式的斜視図及び正面断面図である。
【図１９】（ａ），（ｂ）は、本発明の第６の実施形態に係る弾性境界波装置の模式的斜視図及び正面断面図である。
【図２０】本発明の第６の実施形態の変形例に係る弾性境界波装置の模式的正面断面図である。
【図２１】従来の弾性表面波装置の一例を示す模式的正面図である。
【図２２】従来の弾性表面波装置の他の例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。
【００３１】
〔第１の実施形態〕
図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る弾性境界波装置の模式的斜視図及び正面断面図である。
【００３２】
弾性境界波装置１は、圧電基板２を有する。圧電基板２は、本実施形態では、１２８°ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３からなる。圧電基板２上に第１のＩＤＴ電極３と、第２のＩＤＴ電極４とが形成されている。
【００３３】
第１，第２のＩＤＴ電極３，４としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕ、またはＡｌなどの適宜の金属もしくは合金を用いることができる。
【００３４】
本実施形態では、第１，第２のＩＤＴ電極は、Ｐｔからなる。圧電基板２上には、入力電極５，６が形成されている。入力電極５はＩＤＴ電極３の一端に電気的に接続されており、入力電極６は、第１のＩＤＴ電極３の他端に電気的に接続されている。同様に、圧電基板２の上面には、第２のＩＤＴ電極４が設けられている部分の弾性境界波伝搬方向両側に、出力電極７，８が形成されている。出力電極７は、第２のＩＤＴ電極４の一端に電気的に接続されており、出力電極８は第２のＩＤＴ電極４の他端に電気的に接続されている。
【００３５】
入力電極５，６及び出力電極７，８並びに入力電極５，６と第１のＩＤＴ電極３とを電気的に接続している配線及び出力電極７，８と第２のＩＤＴ電極４を接続している配線は、第１，第２のＩＤＴ電極３，４を形成する電極材料と同様の電極材料により形成することができる。好ましくは、入力電極５，６及び出力電極７，８等は、第１，第２のＩＤＴ電極３，４と同じ電極材料からなる。
【００３６】
第１のＩＤＴ電極３と第２のＩＤＴ電極４とは、弾性境界波伝搬方向において隔てられており、第１，第２のＩＤＴ電極３，４間の弾性境界波伝搬路上に半導体層９が形成されている。半導体層９の一端側には、端子電極１０が形成されており、他端側には、端子電極１１が形成されている。なお、半導体層９に直流電界を印加するための電極すなわち端子電極１０，１１は、半導体層９にオーミック性接触する材料からなることが好ましい。従って、端子電極１０，１１は、例えばＴｉやＡｕにより形成することが望ましい。端子電極１０に電気的に接続されるように、圧電基板２の上面に第１の直流電圧印加用電極１２が形成されており、同様に、端子電極１１に電気的に接続されるように、圧電基板２の上面には、第２の直流電圧印加用電極１３が形成されている。
【００３７】
半導体層９に、第１，第２の直流電圧印加用電極１２，１３から直流バイアス電圧を印加した場合、半導体層９においてキャリアが移動する。このキャリアの移動速度は、弾性境界波の伝搬速度より高い。すなわち、半導体層９は、弾性境界波の伝搬速度よりもキャリアの移動速度が速い半導体材料より構成される。本実施形態では、半導体層９は、ＩｎＳｂからなる。
【００３８】
また、本実施形態では、半導体層９が圧電基板２上に直接積層されているので、弾性境界波により生じる電界と、半導体層９中の上記キャリアとが結合するように半導体層９が設けられていることになる。
【００３９】
本実施形態では、第１，第２の直流電圧印加用電極１２，１３は、弾性境界波伝搬方向と直交する方向において一方側に、すなわち圧電基板２の一方側面２ａ側に、寄せられて形成されているが、弾性境界波伝搬方向と直交する方向において一方側に第１の直流電圧印加用電極１２が、他方側に第２の直流電圧印加用電極１３が形成されていてもよい。もっとも、第１，第２の直流電圧印加用電極１２，１３の双方が圧電基板２の一方側面２ａまたは他方側面２ｂ側に寄せられて形成されていることが望ましく、それによって、直流電圧を印加するための電気的接続を容易に行うことができる。
【００４０】
また、圧電基板２上には、第１，第２のＩＤＴ電極３，４及び半導体層９を覆うように誘電体層１４が形成されている。誘電体層１４は、本実施形態では、ＳｉＮからなる。もっとも、誘電体層１４は、圧電基板２と誘電体層１４との界面に配置されたＩＤＴ電極３に入力電極を印加することにより弾性境界波を励振し得る適宜の誘電体材料により形成することができる。このような誘電体材料としては、窒化ケイ素（ＳｉＮ）に限らず、酸化ケイ素、酸窒化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、ダイヤモンドライクカーボン及びダイヤモンドからなる群から選択された１種の誘電体材料を好適に用いることができる。これらの誘電体材料は、下記の表１に示すように、熱伝導率がＬｉＮｂＯ３などの圧電単結晶に比べて極めて高い。従って、半導体層９において発生した熱を誘電体層１４により速やかに放散することができる。
【００４１】
圧電基板２、誘電体層及び半導体層などを形成するための様々な材料の横波音速及び遅い横波音速、熱伝導率及び電子移動度を下記の表１に示す。
【００４２】
【表１】
【００４３】
本実施形態の弾性境界波装置１では、圧電基板２と誘電体層１４との境界に第１，第２のＩＤＴ電極３，４が配置されている。第１のＩＤＴ電極３に交流電界を印加することにより、弾性境界波が励振され、第２のＩＤＴ電極４から該弾性境界波による応答を出力として取り出すことができる。従って、トランスバーサル型弾性境界波フィルタが構成されている。
【００４４】
しかも、半導体層９が圧電基板２と誘電体層１４との境界に配置されており、すなわち弾性境界波伝搬上に配置されているので、第１，第２の直流電圧印加用電極１２，１３から直流電圧を印加することにより、半導体層９内においてキャリアが移動することとなる。キャリアが弾性境界波の電界と結合し、このキャリアの移動速度が弾性境界波の伝搬速度よりも高いので、それによって弾性境界波を増幅することができる。
【００４５】
しかも、上記直流電圧印加用電極１２，１３から印加する直流電圧すなわちバイアス電圧を高めて増幅度を高めた場合であっても、半導体層９の発熱による特性の劣化や増幅度の低下が生じ難い。これは、半導体層９が、誘電体層１４に接触するように設けられているので、半導体層９が発熱したとしても、熱伝導度が高い誘電体層１４により熱が速やかに放散されることによる。
【００４６】
さらに、図２１に示した従来の弾性表面波装置１００１においては、空隙を高精度にコントロールすることができなかったのに対し、半導体層９及び誘電体層１４が圧電基板２上に積層されているだけであるため、本実施形態では、空隙の高精度の制御を必要としない。従って、特性のばらつきも生じ難く、量産性を効果的に高め得る。
【００４７】
本実施形態の弾性境界波装置の上記作用効果を、半導体層が圧電基板上に積層された従来の弾性表面波装置と比較してより具体的に説明することとする。
【００４８】
前述した非特許文献１の２１５頁には、弾性表面波の増幅量は下記の式（１）で表わされることが記載されている。
【００４９】
【数１】
【００５０】
式（１）において、ｈは半導体の厚みを、ｕは半導体中のキャリアの速度を示す。なお、ｕ＝μＥであり、μはキャリアの移動度を、Ｅは印加電界の大きさを示す。また、σは半導体の電気伝導度を示し、σ＝ｅＮｅμである。ここで、ｅは電荷を、Ｎｅはキャリア密度を示す。Ｋ２は弾性表面波の電気機械結合係数を示し、ｖは弾性表面波の速度を示し、εｐは圧電基板の等価誘電率を示す。
【００５１】
式（１）より、ｕがｖよりも大きくなると、すなわち半導体中のキャリアの移動速度が弾性表面波の音速よりも早くなると、増幅量Ｇがプラスの値となる。従って、弾性表面波を増幅することができる。また、半導体における移動度が大きくなるほど、半導体の膜厚が薄くなるほど、あるいは弾性表面波の結合係数が大きくなるほど、増幅率が大きくなることがわかる。これを、上記実施形態の弾性境界波装置１と、比較のために用意した図２に示す従来の弾性表面波装置１１０１とを対比して説明する。図２に示す弾性表面波装置１１０１は、誘電体層１４が設けられていないことを除いては、上記実施形態とほぼ同様に構成されている。すなわち、１２８°ＹカットＬｉＮｂＯ３からなる圧電基板１１０２上に、上記実施形態と同様にして、第１，第２のＩＤＴ電極１１０３，１１０４及び半導体層１１０９等が形成されている。この弾性表面波装置１１０１及び上記実施形態の弾性境界波装置１は、いずれも、トランスバーサル型のフィルタである。
【００５２】
弾性境界波装置１では、弾性境界波の波長λとしたときに、半導体層９としてのＩｎＳｂ膜の膜厚を波長λの１０％、誘電体層１４の膜厚を波長λの１００％以上とすることにより、Ｐ成分とＳＶ成分とが主体の弾性境界波が伝搬することとなる。この弾性境界波の電気機械結合係数Ｋ２は３％程度である。
【００５３】
他方、ＩｎＳｂの移動度μは理想的には７８０００ｃｍ２／Ｖｓであるが、格子定数がＩｎＳｂとは異なるＬｉＮｂＯ３上に設けられたＩｎＳｂにおける移動度μは大幅に低下する。例えばＭＢＥ法で成膜されたＩｎＳｂ膜では膜厚２００ｎｍ、で移動度μは６０００ｃｍ２／Ｖｓ、キャリア密度Ｎｅ２．５×１０１６/ｃｍ３程度となる。
【００５４】
弾性境界波伝搬路上のＩｎＳｂの膜厚を２００ｎｍ、幅を１８０μｍ、弾性波伝搬路長さ、すなわち第１のＩＤＴ電極３と第２のＩＤＴ電極４との間の距離を４００μｍとし、第１のＩＤＴ電極３に交流電圧を印加し、波長２μｍの弾性境界波を励振した場合を想定する。弾性表面波装置についての上記式（１）より、半導体層９に４０Ｖの直流バイアス電圧を印加すると、出力側の第２のＩＤＴ電極４では、６．８ｄＢのゲインを得ることができる。このときの半導体層９における消費電極は３２０ｍＷである。なお、ゲインは電圧を印加した後の挿入損失と印加前の挿入損失の差で表わす。
【００５５】
半導体層９の発熱による弾性境界波装置１内の温度上昇を有限要素法により求めた。最も温度が高くなる部分は半導体層９の中心であり、この半導体層９の中心の温度を最高温度とする。結果を図４に示す。
【００５６】
なお、表１に示したように、ＳｉＮの熱伝導率は３５．５Ｗｍ−１Ｋ−１であり、空気の熱伝導率である０．０２６Ｗｍ−１Ｋ−１よりも遥かに大きい。なお、ＬｉＮｂＯ３の熱伝導率が４．６Ｗｍ−１Ｋ−１である。
【００５７】
図４は、誘電体層１４が、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＡｌＮまたはダイヤモンドである各弾性境界波装置１における誘電体層１４の膜厚（μｍ）と上記最高温度との関係を示す。本明細書において誘電体層１４の膜厚とは、圧電基板２上に形成されている誘電体層１４の膜厚をいうものとし、半導体層９の上方の誘電体層部分の膜厚をいうものではない。なお、比較のために、図２に示した従来の弾性表面波装置１１０１の最高温度を破線Ａで表わす。従来の弾性表面波装置１１０１では、誘電体層は設けられていないが、最高温度は約１４３℃であり、この１４３℃のところに破線Ａを示した。
【００５８】
図４から明らかなように、本実施形態では、誘電体層１４の膜厚が厚くなるにつれて、誘電体層１４を構成している材料の如何にかかわらず、最高温度が低くなっていることがわかる。これは、誘電体層１４により半導体層９からの熱が速やかに放散されているためと考えられる。
【００５９】
図３（ａ）に模式的に示すように、従来の弾性表面波装置１１０１では、半導体層１１０９は、圧電基板１１０２と空気とに取り囲まれている。これに対して、図３（ｂ）に示すように、本実施形態の弾性境界波装置１では、半導体層９の下面には圧電基板２が位置しているが、半導体層９の側面及び上面は、誘電体層１４に接している。また、空気に比べて、誘電体層１４の熱伝導率は遥かに高い。従って、半導体層９において生じた熱が誘電体層１４を介して放散されている。
【００６０】
図４から明らかなように、波長が２μｍであり、かつＳｉＮからなる誘電体層１４の膜厚がλの１００％と想定した場合、ＳｉＮからなる誘電体層１４の膜厚は２μｍとなり、最高温度は１３１℃に低下することがわかる。また、ＳｉＮの膜厚が１０μｍであれば、最高温度は１０５℃、１００μｍであれば６５℃まで最高温度を低め得ることがわかる。
【００６１】
従って、本実施形態の弾性境界波装置１では、ヒートシンクを別途設けることなく、半導体層９における熱を速やかに放散させることができ、大きなゲインを安定に得ることができる。
【００６２】
なお、本実施形態では、上記のように、ヒートシンクを別途設ける必要はないが、さらに誘電体層１４上にヒートシンクを設けてもよい。例えば、誘電体層１４を、外部のヒートシンク材に密着させたり、誘電体層１４上に水などの空気に比べて熱伝導性の高い液体を配置してもよい。弾性境界波装置１では、誘電体層１４よりも上部の構造は弾性境界波に実質的に影響を与えない。従って、弾性表面波装置１１０１とは異なり、電気的特性に影響を与えることなく、様々な手段を用いて放熱性を高めることも可能である。
【００６３】
図５（ａ）は、半導体層９の膜厚を波長λの０．５％、２％、５％、１０％、２５%、５０％、または１００％とした場合のＳｉＮからなる誘電体層１４の膜厚と弾性境界波の音速との関係を示す図である。ＩｎＳｂからなる半導体層９の膜厚を波長λの１０％以上、かつＳｉＮからなる誘電体層１４の膜厚を波長λの１００％以上とすることにより、ＳｉＮ膜厚によらず音速が一定となり弾性境界波を確実に伝搬させ得ることがわかる。
【００６４】
図５（ｂ）は、上記実施形態のＩｎＳｂからなる半導体層９の膜厚が波長λの１０％の水準におけるＳｉＮからなる誘電体層１４の膜厚と、弾性境界波の振幅強度の関係を示す図である。実線が最表面の振幅を、破線が圧電基板と半導体層９との界面における振幅を示す。さらに、図６は、比較のために用意した弾性表面波装置１１０１の弾性表面波の振幅分布を示す図であり、図７は、上記実施形態の弾性境界波装置１における厚み方向における振幅分布を示す図である。Ｕ１は縦波成分、Ｕ２はＳＨ波成分、Ｕ３はＳＶ成分である。なお、Ｕ１〜Ｕ３は弾性境界波を構成する部分波成分である。
【００６５】
図５（ｂ）及び図７から明らかなように、ＳｉＮからなる誘電体層の膜厚をλの１００％以上とすれば、最表面の振幅成分が０となる。従って、半導体層９よりも上方部分は、弾性境界波は弾性的には影響を与えないことがわかる。よって、ＳｉＮからなる誘電体層１４の膜厚を十分に厚くすることにより、放熱性を効果的に高めたとしても、弾性境界波による応答が劣化し難いことがわかる。
【００６６】
また、半導体層９の膜厚が波長λの５％未満と薄い場合には、ＳｉＮからなる誘電体層１４の膜厚を波長λの２０％以上とすると、弾性表面波としての伝搬モードは存在しなくなり、また弾性境界波としての伝搬モードも生じない。すなわち、波はＬｉＮｂＯ３基板中にバルク波として漏洩し、特性が大幅に劣化する。従って、好ましくは、半導体層の膜厚は、波長λの５％以上であることが望ましい。
【００６７】
弾性境界波では、圧電体と誘電体の界面±数λの範囲内にエネルギーが閉じこもるため、最表面の振幅は０となり、弾性境界波の波長をλとしたとき、誘電体層１４の内、圧電基板２と誘電体層１４との境界よりも上方に数λを超えた誘電体層部分から弾性的な影響を受け難い。すなわち、弾性境界波が散乱し難く、あるいは減衰し難い。
【００６８】
次に、上記誘電体層１４を構成する材料として、ＳｉＮに代えて、ＳｉＮよりも熱伝導率が高いＡｌＮ及びダイヤモンドを用いた場合の結果を図８（ａ），（ｂ）及び図９（ａ），（ｂ）に示す。
【００６９】
図８（ａ）及び（ｂ）では、半導体層９が、波長λの１０％の膜厚のＩｎＳｂからなり、誘電体層１４がＡｌＮからなることを除いては、上記実施形態と同様に構成された弾性境界波装置におけるＡｌＮからなる誘電体層１４の膜厚と弾性境界波の音速との関係及び誘電体層１４の膜厚と振幅との関係を示す図である。図８（ｂ）の実線は最表面における振幅の膜厚依存性を、破線は圧電基板と半導体層９との界面における振幅の膜厚依存性を示す。
【００７０】
図９（ａ）及び（ｂ）は、ＡｌＮに代えて、ダイヤモンドを用いたことを除いては、同様にして求められた弾性境界波の音速及び振幅強度の誘電体層１４の膜厚に対する依存性を示す図である。
【００７１】
図８（ａ），（ｂ）及び図９（ａ），（ｂ）から明らかなように、ＳｉＮに代えて、ＡｌＮやダイヤモンドを用いた場合であっても、誘電体層１４の膜厚を０．５λ以上、より好ましくは１λ以上とすることにより弾性境界波を確実に伝搬させ得ることがわかる。
【００７２】
また、上記実施形態と同様にして、ＩｎＳｂからなる半導体層９の発熱により半導体層９の最高温度を有限要素法により計算した。その結果は、前述した図４に示されている。誘電体層１４の膜厚を２μｍとした場合、誘電体層１４がＡｌＮからなる場合最高温度は９２℃であり、ダイヤモンドの場合には６０℃となることがわかる。すなわち、ＳｉＮを用いた場合に比べ、さらに最高温度が低くなることがわかる。
【００７３】
上記第１の実施形態及び変形例から明らかなように、半導体層９における熱を放散させるには、誘電体層１４はより高い熱伝導率の材料からなることが望ましい。
【００７４】
〔第２の実施形態〕
図１０は本発明の第２の実施形態に係る弾性境界波装置を示す正面断面図である。
【００７５】
本実施形態の弾性境界波装置１０１は、誘電体層１１４が、ＳｉＯ２からなる第１の誘電体層１１４ａと第１の誘電体層１１４ａ上に積層されたＳｉＮからなる第２の誘電体層１１４ｂを有することを除いては、第１の実施形態の弾性境界波装置１と同様に構成されている。従って、同一部分については同一の参照番号を付することにより、第１の実施形態の説明を援用することとする。
【００７６】
本実施形態では、ＬｉＮｂＯ３からなる圧電基板１０２と、第１の誘電体層１１４ａと、第２の誘電体層１１４ｂとを有する、いわゆる三媒質構造の弾性境界波装置１０１が構成されている。
【００７７】
前述した表１に示すように、ＳｉＯ２の横波音速は３７５０ｍ／秒であり、ＳｉＮの横波音速は５９５０ｍ／秒であり、ＬｉＮｂＯ３の遅い横波音速は４０７９ｍ／秒である。従って、誘電体層１１４と圧電基板１０２との界面において励振された弾性境界波が、第２の誘電体層１１４ｂよりも内側に効果的に閉じ込められる。よって、半導体層９による増幅度をより一層高めることができる。
【００７８】
これを、図１１（ａ），（ｂ）及び図１２（ａ），（ｂ）を参照してより具体的に説明する。図１１（ａ）は、半導体層９を構成するＩｎＳｂの膜厚が波長λの０．５％、２％、５％、１０％、１５％、２０％、または２５％の場合のＳｉＯ２からなる第１の誘電体層１１４ａの膜厚と弾性境界波の音速との関係を示す。また、図１１（ｂ）は、ＩｎＳｂの膜厚が波長λの０．５％、２％、５％、１０％、１５％、２０％、または２５％の場合のＳｉＯ２からなる第１の誘電体層１１４ａの膜厚と圧電基板２と半導体層９との界面における振幅との関係を示す。いずれの場合においても、ＳｉＮからなる第２の誘電体層１１４ｂの膜厚は波長λの１００％である。
【００７９】
図１１（ｂ）から明らかなように、特にＩｎＳｂの膜厚が２０％以下と薄い領域にて、横波音速が相対的に遅いＳｉＯ２からなる第１の誘電体層１１４ａを、横波音速が相対的に速いＳｉＮとＬｉＮｂＯ３との間に配置することにより、圧電基板１０２と半導体層９との間に弾性境界波のエネルギーをより一層集中させ得ることがわかる。さらに、ＩｎＳｂの膜厚が１５％以下であれば、より好ましい。従って、ＳｉＯ２からなる第１の誘電体層１１４ａを設けなかった場合に比べて、圧電基板１０２と半導体層９との界面における振幅が大きくなることがわかる。増幅率は、半導体層９に染みだす圧電基板２の電界と、半導体層９中のキャリアとの相互作用に依存するので、界面における振幅が大きいほど、増幅率は大きくなる。よって、本実施形態によれば、弾性境界波をより一層効果的に増幅することができる。
【００８０】
また、第１の実施形態では、ＩｎＳｂからなる半導体層の膜厚が波長λの５％未満と薄い場合には、弾性境界波は閉じこもらなかったが、図１１（ａ）から明らかなように、本実施形態では、ＩｎＳｂの膜厚が波長λの５％未満の場合においても弾性境界波が閉じ込もることが可能であることがわかる。前述した式（１）から明らかなように、半導体層９の厚みが薄いほど、増幅率は高められる。従って、本実施形態によれば、半導体層９の膜厚を薄くすることにより増幅率をより一層高めることができる。
【００８１】
図１２（ａ）は、前述した第１の実施形態における振幅強度の振幅分布を示し、図１２（ｂ）はＩｎＳｂの膜厚が１０％、ＳｉＯ２が７０％における、本実施形態の振幅強度の振幅分布を示す。図１２（ａ）に示すように、ＳｉＯ２からなる第１の誘電体層が設けられていない場合には、振幅のピークは圧電基板１０２内に位置していた。これに対して、図１２（ｂ）に示すように、本実施形態では、圧電基板１０２と半導体層９の界面に振幅のピークが位置している。これは、前述したように、ＳｉＯ２の横波音速が、ＬｉＮｂＯ３の遅い横波及びＳｉＮの横波の音速に比べて遅いことによる。
【００８２】
本実施形態においても、第１の実施形態の場合と同様に、弾性境界波伝搬路上のＩｎＳｂの膜厚を２００ｎｍ、幅を１８０μｍ、弾性波伝搬路長さ、すなわち第１のＩＤＴ電極３と第２のＩＤＴ電極４との間の距離を４００μｍとし、第１のＩＤＴ電極３に交流電圧を印加し、波長２μｍの弾性境界波を励振した場合を想定する。弾性表面波装置についての上記式（１）より、半導体層９に４０Ｖの直流バイアス電圧を印加すると、出力側の第２のＩＤＴ電極４では、１０．７ｄＢのゲインを得ることができる。このときの半導体層９における消費電極は３２０ｍＷである。なお、ゲインは電圧を印加した後の挿入損失と印加前の挿入損失の差で表わす。
【００８３】
また、半導体層９における発熱による温度上昇を有限要素法により求めた。第１の誘電体層１１４ａが０．２μｍ、２μｍ及び２０μｍの場合のＳｉＮからなる第２の誘電体層１１４ｂの膜厚と最高温度の結果を図１４に示す。なお、比較のために、誘電体層が設けられていない弾性表面波装置、すなわち図１３（ａ）に示す構造の弾性表面波装置１１０１の最高温度を図１４に破線で示す。理解を容易とするために、図１３（ｂ）に、本実施形態の弾性境界波装置を構造を模式的に示す。なお、図１４の場合と同様に、弾性表面波装置１１０１では、誘電体層は設けられていないが、本実施形態との対比のために、破線Ａで１４３℃の温度を示す。
【００８４】
図１４から明らかなように、本実施形態においても、ＳｉＯ２の膜厚が０．２μｍ、２μｍ及び２０μｍのいずれの場合においても、膜厚が増加するにつれて、最高温度が低くなっていくことがわかる。これは、図１３（ｂ）に示すように、半導体層９を構成しているＩｎＳｂが、第１の誘電体層１１４ａすなわちＳｉＯ２に接しており、第１の誘電体層１１４ａ上に、ＳｉＮからなる第２の誘電体層１１４ｂが積層されていることによる。
【００８５】
ＳｉＯ２の熱伝導率は１．４２Ｗｍ−１Ｋ−１とさほど高くはないが、空気よりも高く、さらにＳｉＯ２に比べてＳｉＮの熱伝導率は３５．５Ｗｍ−１Ｋ−１とより一層高い。そのため、ＳｉＮからなる誘電体層１１４ｂの膜厚を大きくすることより、放熱性をより一層高めることができる。
【００８６】
上記実施形態では、半導体層としてＩｎＳｂを用いたが、Ｓｉのように遅い横波音速が５８４４ｍ／秒とＳｉＯ２よりも速い半導体を用いてもよい。図１５から明らかなように、半導体層９をＳｉにより形成した構造においても、弾性境界波がＬｉＮｂＯ３と誘電体層を構成しているＳｉＯ２との間、特に、ＬｉＮｂＯ３と半導体を構成しているＳｉとの界面を確実に伝搬することがわかる。
【００８７】
なお、第１の誘電体層１１４ａとしては、ＳｉＯ２に限らず、タンタル酸化物やテルル酸化物などを用いてもよい。すなわち、横波音速が相対的に第２の誘電体層１１４ｂ及び圧電基板２よりも遅い誘電体材料を適宜用いることができる。もっとも、好ましくは、酸化ケイ素あるいは酸化ケイ素を主成分とする誘電体材料が用いられ、その場合には、周波数温度係数ＴＣＦの絶対値を小さくすることができる。
【００８８】
〔第３の実施形態〕
図１６は、本発明の第３の実施形態に係る弾性境界波装置を示す正面断面図である。第３の実施形態の弾性境界波装置２０１は、半導体層９と圧電基板２との間に拡散抑制層２０２が形成されていることを除いては、第１の実施形態の弾性境界波装置１と同様に構成されている。
【００８９】
拡散抑制層２０２は、半導体層９の成膜に先立ち、圧電基板１０２上に成膜される。拡散抑制層２０２は、酸化ケイ素、五酸化タンタル、窒化ケイ素、アルミナ、炭化ケイ素、または窒化アルミニウムなどにより形成することができる。拡散抑制層２０２を設けることにより、圧電基板２と半導体層９との間の相互拡散を抑制することができる。従って、拡散抑制層２０２を構成する材料としては、圧電基板２に対する反応性が半導体層９よりも低い適宜の材料を用いることができ、上述の材料以外の材料も用いることができる。
【００９０】
〔第４の実施形態〕
図１７は、本発明の第４の実施形態に係る弾性境界波装置の正面断面図である。第４の実施形態の弾性境界波装置３０１では、半導体層９が、第１の半導体層９ａと第１の半導体層９ａ上に積層された第２の半導体層９ｂを有する。このように、半導体層９は、複数の半導体層を積層した構造を有していてもよい。また、第１の誘電体層１１４ａ及び第２の誘電体層１１４ｂも、それぞれ、複数の誘電体層を積層した構造を有していてもよい。
【００９１】
〔第５の実施形態〕
図１８（ａ），（ｂ）は、本発明の第５の実施形態に係る弾性境界波装置に係る模式的斜視図及び正面断面図である。第５の実施形態の弾性境界波装置４０１は、圧電基板４０２が圧電性と半導体性とを有する圧電半導体からなる。圧電基板４０２が、増幅作用を果たすための半導体層をも兼ねている。従って、本実施形態では、圧電基板４０２の上面に、第１のＩＤＴ電極３及び第２のＩＤＴ電極４に接続される入力電極５，６及び出力電極７，８が、第１，第２の直流電圧印加用電極をも兼ねている。具体的には、入力電極５，６から入力電圧を印加し、出力電極７，８から出力が取り出されるが、入力電極５，６と、出力電極７，８との間に直流電圧を印加することにより、圧電基板４０２の半導体性を利用し、キャリアを移動させることができる。このキャリアを、励振された弾性境界波の電界と結合させることにより、本実施形態においても、弾性境界波の増幅度を高めることができる。
【００９２】
このような圧電半導体としては、ＣｄＳやＺｎＯなどの圧電性と半導体性とを兼ね備えた適宜の圧電半導体を用いることができる。
【００９３】
本実施形態においても、誘電体層１１４は、第１，第２の誘電体層１１４ａ，１１４ｂを有する。そして、直流電圧を印加して圧電半導体からなる圧電基板４０２においてキャリアを移動させた場合、圧電基板４０２が発熱する。しかしながら、圧電基板４０２が誘電体層１１４に接しているため、前述した実施形態と同様に、熱が誘電体層１１４側に速やかに放散される。従って、第１〜第４の実施形態と同様に、増幅度を高めようとして、直流電圧を高めた場合であっても、弾性境界波装置の温度を低めることができる。従って、大きなゲインを得ることができる。
【００９４】
加えて、圧電基板４０２上に、誘電体層１１４が面接触的に積層されているので、特性のばらつきが生じ難く、量産性を高めることもできる。
【００９５】
〔第６の実施形態〕
図１９（ａ），（ｂ）は本発明の第６の実施形態に係る弾性境界波装置を示す模式的斜視図及び正面断面図である。第６の実施形態に係る弾性境界波装置５０１では、圧電基板５０２上に第１，第２のＩＤＴ電極５０３，５０４と、ＩＤＴ電極５０３，５０４が設けられている領域の弾性境界波伝搬方向両側に配置された反射器５２１，５２２とが形成されている。そして、圧電基板５０２上に、誘電体層５１４が積層されている。誘電体層５１４内に、半導体層９が埋設されている。
【００９６】
本実施形態では、圧電基板５０２上に、入力電極５及び出力電極７と、直流電圧印加用電極１２，１３とが形成されている。入力電極５は、第１のＩＤＴ電極５０３に、出力電極７は、第２のＩＤＴ電極５０４に電気的に接続されている。第１，第２のＩＤＴ電極５０３，５０４と反射器５２１，５２２とを有するため、本実施形態では、縦結合共振子型の弾性境界波フィルタが構成されている。この場合、第１，第２のＩＤＴ電極５０３，５０４に半導体層９が接触しないことが求められるので、半導体層９は、第１，第２のＩＤＴ電極５０３，５０４の上方に、ＩＤＴ電極５０３，５０４と接触しないように配置されている。従って、半導体層９は、誘電体層１４内に埋設されており、ＩＤＴ電極５０３，５０４及び反射器５２１，５２２が設けられている部分の上方に位置している。
【００９７】
このように、半導体層９は、弾性境界波が伝搬される領域の上方に配置されていることが望ましい。もっとも、半導体層９は、弾性境界波が伝搬する領域の上方の少なくとも一部に配置されていてもよい。
【００９８】
図２０は、第６の実施形態の変形例に係る弾性境界波装置を示す模式的正面断面図である。弾性境界波装置５０１は、二媒質構造の弾性境界波装置であったが、図２０に示すように、第２の実施形態と同様に三媒質構造の弾性境界波装置６０１であってもよい。すなわち、半導体層９が埋設されている第１の誘電体層５１４ａと、第１の誘電体層５１４ａ上に積層された第２の誘電体層５１４ｂとを有していてもよい。
【００９９】
第６の実施形態から明らかなように、本発明は、トランスバーサル型弾性境界波フィルタだけでなく、縦結合共振子型フィルタのような共振子型のフィルタや、１ポート型弾性境界波共振子にも適用することができる。これらの共振子型の弾性境界波装置の場合には、上記のように、ＩＤＴ電極に半導体層が接すると、短路により損失が増加する。従って、半導体層９は、ＩＤＴ電極と直接接触しないことが望ましい。
【０１００】
なお、第１の実施形態では、１２８°ＹカットＬｉＮｂＯ３からなる圧電基板２上を伝搬するＰ成分とＳＶ成分とが主体である弾性境界波を説明したが、本発明では、いずれのモードの弾性境界波を用いてもよい。前述した式（１）より、電気機械結合係数Ｋ２が大きいほど、増幅率は高くなる。従って、例えば、６０°ＹカットＬｉＮｂＯ３を伝搬するＳＨ成分が主体の弾性境界波は、電気機械結合係数が大きいため、増幅率をより一層高めることができる。
【０１０１】
また、圧電基板を構成する圧電材料はＬｉＮｂＯ３に限らず、ＬｉＴａＯ３、水晶等の様々な圧電性材料により形成することができる。もっとも、電気機械結合係数が大きい、ＬｉＮｂＯ３またはＬｉＴａＯ３が特に好ましく用いられる。
【０１０２】
また、半導体層９を構成する材料については、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＺｎＯ、Ｇｅ及びダイヤモンドが特に好ましく、増幅率を効果的に高めることができる。もっとも、これらの半導体に限らず、ポリシリコン、カーボンナノチューブ、グラフェンなどの他の半導体を用いてもよい。
【符号の説明】
【０１０３】
１…弾性境界波装置
２…圧電基板
２ａ…一方側面
２ｂ…他方側面
３，４…第１，第２のＩＤＴ電極
５，６…入力電極
７，８…出力電極
９…半導体層
９ａ，９ｂ…第１，第２の半導体層
１０，１１…端子電極
１２，１３…第１，第２の直流電圧印加用電極
１４…誘電体層
１０１…弾性境界波装置
１０２…圧電基板
１１４…誘電体層
１１４ａ，１１４ｂ…第１，第２の誘電体層
２０１…弾性境界波装置
２０２…拡散抑制層
３０１…弾性境界波装置
４０１…弾性境界波装置
４０２…圧電基板
５０１…弾性境界波装置
５０２…圧電基板
５０３，５０４…第１，第２のＩＤＴ電極
５１４…誘電体層
５１４ａ，５１４ｂ…第１，第２の誘電体層
５２１，５２２…反射器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電基板と、
前記圧電基板上に形成されている誘電体層と、
前記圧電基板と前記誘電体層との間の境界に形成されているＩＤＴ電極と、
前記誘電体層に接するように設けられた半導体層と、
前記半導体層に直流電界を印加するための第１及び第２の直流電界印加用電極とを備え、
前記圧電基板と前記誘電体層との間の境界を伝搬する弾性境界波を利用した弾性境界波装置であって、
前記半導体層は、前記弾性境界波によって発生する電界と、前記半導体層中のキャリアとが結合するように設けられており、
前記半導体層中のキャリアの移動速度が、前記弾性境界波の伝搬速度よりも高い、弾性境界波装置。
【請求項２】
前記半導体層は、前記圧電基板と前記誘電体層との間の境界において、前記ＩＤＴ電極と接触しないように設けられている、請求項１に記載の弾性境界波装置。
【請求項３】
前記半導体層は前記圧電基板上に積層されている、請求項２に記載の弾性境界波装置。
【請求項４】
前記圧電基板と、前記半導体層との間に形成されている拡散防止層をさらに備える、請求項３に記載の弾性境界波装置。
【請求項５】
前記半導体層は、前記誘電体層内に埋設されており、前記ＩＤＴ電極よりも上方に配置されている、請求項１に記載の弾性境界波装置。
【請求項６】
前記誘電体層は、酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、ダイヤモンドライクカーボン及びダイヤモンドからなる群から選択された１種の誘電体材料からなる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の弾性波境界装置。
【請求項７】
前記誘電体層が、第１の誘電体層と、該第１の誘電体層上に設けられている第２の誘電体層からなり、第１の誘電体層の横波音速が、該第２の誘電体層の横波と前記圧電基板の遅い横波音速より遅いことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の弾性境界波装置。
【請求項８】
前記半導体層は、前記第１の誘電体層内に配置されている、請求項７に記載の弾性境界波装置。
【請求項９】
前記第２の誘電体層は、酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、ダイヤモンドライクカーボン及びダイヤモンドからなる群から選択された１種の誘電体材料からなる、請求項７または８に記載の弾性境界波装置。
【請求項１０】
前記第２の誘電体層が、酸化珪素以外の誘電体材料からなり、前記第１の誘電体層が酸化珪素からなる、請求項７〜９のいずれか１項に記載の弾性境界波装置。
【請求項１１】
前記ＩＤＴ電極が、圧電基板上に形成された第１のＩＤＴ電極と第２のＩＤＴ電極とを有する、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の弾性境界波装置。
【請求項１２】
前記半導体層は、前記第１のＩＤＴ電極と前記第２のＩＤＴ電極との間に位置している、請求項１１に記載の弾性境界波装置。
【請求項１３】
前記圧電基板が圧電半導体であり、前記圧電基板と前記半導体層とを兼ねている、請求項１に記載の弾性境界波装置。
【請求項１】
圧電基板と、
前記圧電基板上に形成されている誘電体層と、
前記圧電基板と前記誘電体層との間の境界に形成されているＩＤＴ電極と、
前記誘電体層に接するように設けられた半導体層と、
前記半導体層に直流電界を印加するための第１及び第２の直流電界印加用電極とを備え、
前記圧電基板と前記誘電体層との間の境界を伝搬する弾性境界波を利用した弾性境界波装置であって、
前記半導体層は、前記弾性境界波によって発生する電界と、前記半導体層中のキャリアとが結合するように設けられており、
前記半導体層中のキャリアの移動速度が、前記弾性境界波の伝搬速度よりも高い、弾性境界波装置。
【請求項２】
前記半導体層は、前記圧電基板と前記誘電体層との間の境界において、前記ＩＤＴ電極と接触しないように設けられている、請求項１に記載の弾性境界波装置。
【請求項３】
前記半導体層は前記圧電基板上に積層されている、請求項２に記載の弾性境界波装置。
【請求項４】
前記圧電基板と、前記半導体層との間に形成されている拡散防止層をさらに備える、請求項３に記載の弾性境界波装置。
【請求項５】
前記半導体層は、前記誘電体層内に埋設されており、前記ＩＤＴ電極よりも上方に配置されている、請求項１に記載の弾性境界波装置。
【請求項６】
前記誘電体層は、酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、ダイヤモンドライクカーボン及びダイヤモンドからなる群から選択された１種の誘電体材料からなる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の弾性波境界装置。
【請求項７】
前記誘電体層が、第１の誘電体層と、該第１の誘電体層上に設けられている第２の誘電体層からなり、第１の誘電体層の横波音速が、該第２の誘電体層の横波と前記圧電基板の遅い横波音速より遅いことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の弾性境界波装置。
【請求項８】
前記半導体層は、前記第１の誘電体層内に配置されている、請求項７に記載の弾性境界波装置。
【請求項９】
前記第２の誘電体層は、酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、ダイヤモンドライクカーボン及びダイヤモンドからなる群から選択された１種の誘電体材料からなる、請求項７または８に記載の弾性境界波装置。
【請求項１０】
前記第２の誘電体層が、酸化珪素以外の誘電体材料からなり、前記第１の誘電体層が酸化珪素からなる、請求項７〜９のいずれか１項に記載の弾性境界波装置。
【請求項１１】
前記ＩＤＴ電極が、圧電基板上に形成された第１のＩＤＴ電極と第２のＩＤＴ電極とを有する、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の弾性境界波装置。
【請求項１２】
前記半導体層は、前記第１のＩＤＴ電極と前記第２のＩＤＴ電極との間に位置している、請求項１１に記載の弾性境界波装置。
【請求項１３】
前記圧電基板が圧電半導体であり、前記圧電基板と前記半導体層とを兼ねている、請求項１に記載の弾性境界波装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【公開番号】特開２０１１−６６４９２（Ｐ２０１１−６６４９２Ａ）
【公開日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２１３０３２（Ｐ２００９−２１３０３２）
【出願日】平成２１年９月１５日（２００９．９．１５）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月１５日（２００９．９．１５）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
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