弾性表面波デバイスおよびその製造方法
【課題】高温環境下でも、弾性表面波の励振が可能な弾性表面波デバイスとその製造方法を提供することにある。
【解決手段】サファイア基板１１上に形成される伝搬層１２と、伝搬層１２上に形成される櫛形電極１５および１６を備えるトランスバーサルフィルタ１０において、圧電性を有し積極的に不純物を含まないＧａＮから伝搬層１２を形成し、ＧａＮと比較して狭いバンドギャップを有し積極的にｎ型不純物を含むＩｎＧａＮから櫛形電極１５および１６を形成した。
【解決手段】サファイア基板１１上に形成される伝搬層１２と、伝搬層１２上に形成される櫛形電極１５および１６を備えるトランスバーサルフィルタ１０において、圧電性を有し積極的に不純物を含まないＧａＮから伝搬層１２を形成し、ＧａＮと比較して狭いバンドギャップを有し積極的にｎ型不純物を含むＩｎＧａＮから櫛形電極１５および１６を形成した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電性を有する半導体からなる伝搬層上に櫛形電極を形成したトランスバーサルフィルタ等の弾性表面波デバイス（ＳＡＷデバイス）および、弾性表面波デバイスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図７は、従来のトランスバーサルフィルタ５０の構造図で、図７（ａ）はトランスバーサルフィルタ５０の平面図、図７（ｂ）はトランスバーサルフィルタ５０を矢視ＥＥから見た断面図である。図７に示すように、従来のトランスバーサルフィルタ５０は、（０００１）方向に配向するサファイア基板５１の表面に不純物を積極的には含まないＧａＮからなる伝搬層５２を形成し、更に、伝搬層５２上に、単一の材料から形成された櫛形電極５５および５６を備えている。櫛形電極５５および５６を形成する材料は、櫛形電極５５および５６そのものの重さによる弾性表面波の損失（質量負荷効果）を小さくするために、比重の軽い材料が望ましい。そこで、櫛形電極５５および５６は、非特許文献１に示されるように、ＡｌまたはＡｌを主成分とした合金で形成されている。
【非特許文献１】Suk-Hun Lee, Hwan-Hee Jeong, Sung-Bum Bae,Hyun-Chul Choi, Jung-Hee Lee, and Yong-Hyun Lee, “EpitaxiallyGrown GaN Thin-Film SAW Filter with High Velocity and Low Insertion Loss” IEEETRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL.48, No.3, pp.524-529,(2001).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述した非特許文献１に示すＡｌまたはＡｌを主成分とした合金で形成された櫛形電極５５および５６を有するトランスバーサルフィルタ５０では、ＧａＮの融点が１０００℃以上であるのに対し、櫛形電極５５および５６に使用されたＡｌの融点は６６０℃程度と、ＧａＮの融点に比べて極めて低いため、トランスバーサルフィルタ５０の耐熱性が不十分であるといった問題があった。更に、６００℃程度の加熱処理でＡｌはＧａＮに対してオーミック電極を形成し、オーミック性を有する櫛形電極５５に高周波信号を印加すると著しいリーク電流が発生することから、弾性表面波の励振が困難となるといった問題もあった。このため、従来のトランスバーサルフィルタ５０の実用に耐える最高温度は、アルミニウムからなる櫛形電極５５の熱的安定性によって制限され、４００℃程度となることから、トランスバーサルフィルタ５０を高温環境下で使用できないといった問題があった。
【０００４】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、高温環境下でも、弾性表面波の励振が可能な弾性表面波デバイスとその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的達成のため、本発明に係る弾性表面波デバイスでは、請求項１に記載のように、基板上に形成される伝搬層と、前記伝搬層上に形成される櫛形電極を備える弾性表面波デバイスにおいて、前記伝搬層は、圧電性を有し積極的に不純物を含まない第一の半導体材料からなり、前記櫛形電極は、前記第一の半導体材料と比較して狭いバンドギャップを有し積極的に導電性不純物を含む第二の半導体材料から形成されることを特徴としている。
【０００６】
また、本発明に係る弾性表面波デバイスでは、請求項２に記載のように、基板上に形成される伝搬層と、前記伝搬層上に形成される電極層とからなる半導体積層構造を備える弾性表面波デバイスにおいて、前記伝搬層は、圧電性を有し積極的に不純物を含まない第一の半導体材料からなり、前記電極層は、前記第一の半導体材料と比較して狭いバンドギャップを有し積極的に導電性不純物を含む第二の半導体材料からなり、前記電極層をエッチングすることにより形成される櫛形電極を有することを特徴としている。
【０００７】
また、本発明に係る弾性表面波デバイスでは、請求項３に記載のように、基板上に形成される伝搬層と、前記伝搬層上に形成される電極層とからなる半導体積層構造を備える弾性表面波デバイスにおいて、前記伝搬層は、（０００１）方向に配向し、圧電性を有し積極的に不純物を含まない第一の窒化物半導体材料からなり、前記電極層は、前記第一の窒化物半導体材料と比較して狭いバンドギャップを有し、（０００１）方向に配向し、積極的にｎ型不純物を含む第二の窒化物半導体材料からなり、前記電極層をエッチングすることにより形成される櫛形電極を有することを特徴としている。
【０００８】
また、請求項４に記載のように、請求項３に記載の本発明に係る弾性表面波デバイスにおいて、前記基板は、（０００１）方向に配向するサファイア基板もしくは（０００１）方向に配向する半絶縁性ＳｉＣ基板であり、前記第一の窒化物半導体材料はＧａＮ、ＡｌＮ、ＢＮ、ＩｎＮ或いはこれらの混晶であり、前記第二の窒化物半導体材料はＧａＮ、ＡｌＮ、ＢＮ、ＩｎＮ或いはこれらの混晶であることを特徴としている。
【０００９】
また、請求項５に記載のように、請求項３または４に記載の弾性表面波デバイスの製造方法において、少なくとも、前記電極層の伝搬層対向面に金属マスク層を形成する工程と、前記半導体積層構造を強アルカリ性溶液中に浸漬する工程と、前記強アルカリ性溶液中に設けた対向電極と前記金属マスク層間に電流を流し、かつ、前記金属マスク層および前記電極層に強アルカリ性溶液の液面上から、前記第二の窒化物半導体材料のバンドギャップに対応する波長よりも短く、かつ、前記第一の窒化物半導体材料のバンドギャップに対応する波長よりも長い波長成分を有する光源を照射することによって、第二の窒化物半導体材料を局所的、選択的にエッチングする工程と、エッチング終了後、前記金属マスク層を除去する工程を含むことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、櫛形電極−伝搬層間の界面に高いバリア障壁が生じ、高温環境下で高周波信号を櫛形電極に印加しても、櫛形電極−伝搬層間の界面にリーク電流が発生しないから、高温環境下でも、弾性表面波の励振が可能な弾性表面波デバイスを提供することができる。
【００１１】
また、伝搬層の材料として第一の窒化物半導体を使用し、電極層の材料として前記第一の窒化物半導体材料と比較して狭いバンドギャップを有し、積極的にｎ型不純物を含む第二の窒化物半導体材料を使用することで、窒化物半導体の特徴である高耐熱性、高耐電圧性を生かした弾性表面波デバイスを提供することができる。
【００１２】
また、本発明の製造方法により、電極層−伝搬層間の界面で確実にエッチングが停止するので、厚さの均一性に優れた櫛形電極を有する弾性表面波デバイスを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の実施形態について、図１乃至図６を参照して説明する。ここで、図１は、本発明の実施形態に係る弾性表面波デバイスであるトランスバーサルフィルタ１０の構造図、図１（ａ）はトランスバーサルフィルタ１０の平面図、図１（ｂ）はトランスバーサルフィルタ１０を矢視ＡＡから見た断面図である。
【００１４】
図１に示すように、トランスバーサルフィルタ１０は、（０００１）方向に配向するサファイア基板１１上に、同じく（０００１）方向に配向し、圧電性を有し不純物を積極的には含まない第一の半導体材料（第一の窒化物半導体材料）であるＧａＮからなる伝搬層１２が形成されている。更に、（０００１）方向に配向し、積極的に導電性不純物を含む第二の半導体材料（第二の窒化物半導体材料）であるＩｎＧａＮからなる電極層１３が伝搬層１２上に形成されている。本実施形態では、ＩｎＧａＮにはｎ型不純物が添加されている。これにより、ＩｎＧａＮからなる電極層１３は電極としての機能を有する。また、伝搬層１２はサファイア基板１１上に有機金属気相成長法（以下、ＭＯＣＶＤ法とする。）により形成され、電極層１３は伝搬層１２上にＭＯＣＶＤ法により形成される。ここで、本実施形態における伝搬層１２の厚さは２μｍ、電極層１３の厚さは１００ｎｍとした。
【００１５】
また、第二の半導体材料であるＩｎＧａＮは、ＧａＮと比較して狭いバンドギャップを有する窒化物半導体材料である。ＩｎＧａＮのＩｎ組成は０．１である。後述するが、第一の半導体材料であるＧａＮと比較して狭いバンドギャップを有する第二の半導体材料であるＩｎＧａＮを使用して、伝搬層１２上に電極層１３を形成していることから、電極層１３−伝搬層１２間の界面には、伝導帯の不運続部分が生じる。これにより、本実施形態のトランスバーサルフィルタ１０は、高温環境下で高周波信号を櫛形電極１５に印加しても、リーク電流の発生を抑制し、弾性表面波の励振を可能としている。
【００１６】
また、伝搬層１２と電極層１３は半導体積層構造１４を形成している。電極層１３には、櫛形電極１５および１６が所定の間隔をおいて対向する位置に形成されている。本実施形態の櫛形電極１５および１６は、電極層１３を局所的にエッチングすることで形成されている。トランスバーサルフィルタ１０は、櫛形電極１５に高周波（ＲＦ）信号が印加されると、上記の高周波信号の周波数に応じた波長を有する弾性表面波を励振する。弾性表面波は、伝搬層１２を伝搬し、櫛形電極１６に到達すると、櫛形電極１６によって高周波信号に変換される。その後、変換された高周波信号はトランスバーサルフィルタ１０外に出力される。なお、半導体積層構造１４の表面、すなわち、電極層１３の表面はIII族元素面が形成されている。
【００１７】
図２は、図１に示す櫛形電極１５の一部を拡大した拡大図である。櫛形電極１５は、櫛形状の２個の電極１５ａおよび１５ｂが配列間隔ｓを隔てて配置されている。そして、電極１５ａおよび１５ｂは、所定の電極長、線幅ｈを有する平行電極指１７が電極指ピッチＴを隔てて、複数配列されて形成されている。よって、電極指ピッチＴは（線幅ｈ＋配列間隔ｓ）の２倍に等しくなる。ここで、トランスバーサルフィルタ１０は、櫛形電極１５に入力される高周波信号の波長が、電極指ピッチＴに等しいとき、弾性表面波を最も効率良く励振する。励振される弾性表面波の速度ｖ０とすると、弾性表面波の中心周波数ｆ０は、櫛形電極１５の電極指ピッチＴ、平行電極指１７の線幅ｈ、配列間隔ｓから、ｆ０＝ｖ０／Ｔ＝ｖ０／｛２（ｈ＋ｓ）｝と表すことができる。すなわち、高周波信号を櫛形電極１５に入力することで、電界が発生し、伝搬層１２に浸透するので、中心周波数ｆ０の弾性表面波を最も効率良く励振させることができ、櫛形電極１６へ伝搬させることができる。一方、トランスバーサルフィルタ１０は、中心周波数ｆ０以外の周波数の弾性表面波を著しく減衰させるので、フィルタとしての機能を備えている。また、櫛形電極１６も、櫛形電極１５と同様に、櫛形状の２個の図示しない電極が配列間隔ｓを隔てて配置されている。そして、上記の櫛形状の電極は、所定の電極長、線幅ｈを有する平行電極指１７が電極指ピッチＴを隔てて複数配列されて形成されている。なお、本実施形態における櫛形電極１５および１６において、櫛形電極１５と櫛形電極１６の間の間隔は５ｍｍ、線幅ｈは２μｍ、配列間隔ｓは２μｍ、電極長は４００μｍ、電極指１７の対数は５０本とした。
【００１８】
図３は、図１に示すトランスバーサルフィルタ１０における弾性表面波の周波数特性を表す図である。図より、上述した中心周波数ｆ０は５８５．４ＭＨｚである。図示したように、中心周波数ｆ０から離れる程、伝搬効率が低下している。この特性により、トランスバーサルフィルタ１０は、所定の以外の周波数を著しく減衰させるフィルタとして機能している。
【００１９】
図４は、図１に示す半導体積層構造１４のバンドダイアグラムである。本実施形態に係る半導体積層構造１４において、第一の半導体材料であるＧａＮと比較して狭いバンドギャップを有する第二の半導体材料であるＩｎＧａＮを使用して、伝搬層１２上に電極層１３を形成していることから、図４に示したように、電極層１３−伝搬層１２間の界面には０．１ｅＶ強の伝導帯の不運続部分が生じている（図４のＫ部参照）。その不連続部分は、電極層１３中の電子ガス１８に対してバリア障壁として作用する。これから、電極層１３−伝搬層１２間の界面に高いバリア障壁が生じ、高温環境下で高周波信号を櫛形電極１５に印加しても、電極層１３（櫛形電極１５）中の電子ガス１８は、上記の高周波信号によって伝搬層１２中に注入されることがない。すなわち、電極層１３−伝搬層１２間の界面にリーク電流が発生しない。これより、トランスバーサルフィルタ１０は、高温環境下で高周波信号を櫛形電極１５に印加した場合でも、伝搬層１２に効率良く弾性表面波を励振することができる。
【００２０】
加えて、窒化物半導体の特徴として、バンドギャップエネルギーが小さいほど格子緩和状態における格子定数が大きいことが知られている。すなわち、本実施形態においては、ＩｎＧａＮが格子緩和状態にある場合の格子定数は、ＧａＮが格子緩和状態にある場合の格子定数と比較して大きくなる。ここで、半導体積層構造１４においては、伝搬層１２上に電極層１３を形成する場合、ＩｎＧａＮの格子定数はＧａＮの格子定数と等しくなる。すなわち、半導体積層構造１４における電極層１３のＩｎＧａＮの格子定数は、格子緩和状態にある場合の電極層１３のＩｎＧａＮの格子定数と比較して小さくなる。よって、電極層１３に圧縮性の格子ひずみが生じる。更に、本実施形態においては、半導体積層構造１４の表面がIII族元素面によって構成されているのであるから、電極層１３中に生ずる圧縮性の格子ひずみによって電極層１３−伝搬層１２間の界面に負のピエゾ電荷が生ずる。上記の負のピエゾ電荷によって、電極層１３中の電子ガス１８に対するバリア障壁が、更に高くなる。これから、負のピエゾ電荷による更に高いバリア障壁により、高周波信号を櫛形電極１５に印加した場合において、電極層１３（櫛形電極１５）中の電子ガス１８が伝搬層１２中に注入されず、電極層１３−伝搬層１２間の界面にリーク電流が発生しない温度を、更に高くすることができる。
【００２１】
また、第二の半導体材料であるＩｎＧａＮは、耐熱性に優れた窒化物半導体であることから、高温環境中でも櫛形電極１５、１６の変形・破損などは生じず、これから、窒化物半導体の高耐熱性を生かした弾性表面波デバイスであるトランスバーサルフィルタ１０を提供することができる。
【００２２】
次に、本実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０の製造工程について、説明する。図５は、図１に示すトランスバーサルフィルタ１０の櫛形電極１５を製造する工程を示した工程図、図６は図５に続く工程図である。なお、図５および図６では、トランスバーサルフィルタ１０の櫛形電極１５の周辺部のみ示している。ここで、図５（ｉ−ａ）、図６（ｉｖ−ａ）、図６（ｖ−ａ）は各工程におけるトランスバーサルフィルタ１０の平面図である。また、図５（ｉ−ｂ）は矢視ＢＢから見た断面図、図５（ｉｉ）、図５（ｉｉｉ）は各工程におけるトランスバーサルフィルタ１０の矢視ＢＢ相当の断面図、図６（ｉｖ−ｂ）は矢視ＣＣから見た断面図、図６（ｖ−ｂ）は矢視ＤＤから見た断面図である。このように、本実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０の櫛形電極１５は、図５に示した５工程から形成されている。
【００２３】
トランスバーサルフィルタ１０は、（０００１）方向に配向するサファイア基板１１上に、同じく（０００１）方向に配向し、圧電性を有し不純物を積極的には含まない第一の半導体材料（第一の窒化物半導体材料）であるＧａＮからなる伝搬層１２をＭＯＣＶＤ法により形成する。更に、（０００１）方向に配向し、積極的にｎ型不純物を含む第二の半導体材料（第二の窒化物半導体材料）であるＩｎＧａＮからなる電極層１３を伝搬層１２上にＭＯＣＶＤ法により形成する。ここで、本実施形態における伝搬層１２の厚さは２μｍで、電極層１３の厚さは１００ｎｍである。そして、上述したように、半導体積層構造１４は、伝搬層１２および電極層１３から構成されている。また、半導体積層構造１４の表面はIII族元素面である。
【００２４】
次に、伝搬層１２上に電極層１３を形成した後、図５（ｉ）において、電極層１３の表面、すなわち、伝搬層対向面に金属マスク層１９を形成する。図５（ｉ−ａ）に示したように、金属マスク層１９は、櫛形電極１５の形状、すなわち、所定の電極長、線幅ｈを有する平行電極指１７が電極指ピッチＴを隔てて複数配列された電極１５ａおよび１５ｂを、所定の配列間隔ｓ隔てて配置した形状に形成されている。なお、作業上の利便性を考慮して、金属マスク層１９の形状は、電極１５ａおよび１５ｂを電極指対向端で接続した形状としている。また、本実施形態では、金属マスク層１９の材料としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを使用している。
【００２５】
次に、図５（ｉｉ）において、サファイア基板１１上に形成された半導体積層構造１４および金属マスク層１９を強アルカリ性溶液２０に浸漬する。その後、強アルカリ性溶液２０中に対向電極２１を浸漬し、金属マスク層１９−対向電極２１間を電気的に導通させる電気回路２２で、金属マスク層１９と対向電極２１を接続し、金属マスク層１９−対向電極２１間に電流を流す。更に、強アルカリ性溶液２０の液面上に光源２３を配置する。光源２３は、第二の半導体材料であるＩｎＧａＮのバンドギャップに対応する波長よりも短く、かつ、第一の半導体材料であるＧａＮのバンドギャップに対応する波長よりも長い波長成分を有する光を照射することができる。上記の光を、強アルカリ性溶液２０の液面上から金属マスク層１９および半導体積層構造１４に向かって照射することにより、ＩｎＧａＮ中に電子・正孔対が生成される。そして、正孔が存在する部分は、強アルカリ性溶液２０から供給される水酸基により以下の化学反応式で表される化学反応が起こり、その結果、ＩｎＧａＮのエッチングが起こる（フォトエレクトロケミカルエッチング）。
【００２６】
２IIIＮ＋６ｈ＋＋６ＯＨ−→III２Ｏ３＋３Ｈ２Ｏ＋Ｎ２↑
III２Ｏ３＋６ＯＨ−→２IIIＯ３３−＋３Ｈ２Ｏ
（III＝Ｇａ ｏｒ Ｉｎ）
なお、本実施形態では、強アルカリ性溶液２０として、水酸化カリウム水溶液を使用している。また、対向電極２１として、Ｐｔからなる電極を使用している。更に、光源２３として、高圧水銀ランプまたはキセノンランプを使用している。これにより、電子・正孔対は、金属マスク層１９によって覆われていない領域で生成されるので、図５（ｉｉｉ）に示すように、上記の領域のＩｎＧａＮのみが局所的かつ選択的にエッチングされる。一方、伝搬層１２を形成するＧａＮには、ＧａＮのバンドギャップに対応する波長よりも長い波長を有する上記の光が照射されても、電子・正孔対が生成されないので、ＧａＮのエッチングは起こらない。これから、電極層１３−伝搬層１２間の界面で確実にエッチングは停止する。
【００２７】
次に、図６（ｉｖ）において、ヨウ化カリウム水溶液中に、金属マスク層１９および半導体積層構造１４を浸漬することにより、金属マスク層１９を除去する。ここで、１対の櫛形電極１５および１６は、正負２つの電極によって構成される必要があり、金属マスク層１９は櫛形電極１５および１６の各々について、２つずつ形成する必要がある。しかし、本実施形態に係る金属マスク層１９の形状を、電極１５ａおよび１５ｂを電極指対向端で接続した形状としたことで、電極１５ａおよび１５ｂを電極指対向端で接続した形状の電極層１３を形成できる。その後、図６（ｖ）において、電極層１３の不要部分（電極１５ａおよび１５ｂの接続部分）をドライエッチングによって除去する。すなわち、電極１５ａおよび１５ｂを電極指対向端で接続した形状の電極層１３を電極１５ａおよび１５ｂに分離する。よって、電極１５ａおよび１５ｂを正負２つの電極として使用でき、櫛形電極１５を形成することができる。これにより、電極１５ａおよび１５ｂを同一の金属マスク層１９で同時に加工することができる。
【００２８】
このようにすれば、半導体積層構造上に複数の櫛形電極を要する弾性表面波デバイスを製造する場合でも、所望の数の櫛形電極を、一の金属マスク層１９を使用して同時に形成することができる。また、本発明に係る製造方法、すなわち、電極層１３の伝搬層対向面に金属マスク層１９を形成する工程と、半導体積層構造１４を強アルカリ性溶液２０中に浸漬する工程と、強アルカリ性溶液２０中に設けた対向電極２１と金属マスク層１９間に電流を流し、かつ、金属マスク層１９および電極層１３に強アルカリ性溶液２０の液面上から、ＩｎＧａＮのバンドギャップに対応する波長よりも短く、かつ、ＧａＮのバンドギャップに対応する波長よりも長い波長成分を有する光源を照射することによって、ＩｎＧａＮを局所的、選択的にエッチングする工程と、エッチング終了後、金属マスク層１９を除去する工程とからなる製造方法により、トランスバーサルフィルタ１０を製造することで、金属マスク層１９によって覆われていない電極層１３の領域のみエッチングが起こり、電極層１３−伝搬層１２間の界面で確実にエッチングが停止するので、ＭＯＣＶＤ法により半導体積層構造１４の全面で厚さの均一性に優れた電極層１３が形成されていることから、厚さの均一性、従って、質量負荷効果の均一性に優れた櫛形電極１５および１６を有するトランスバーサルフィルタ１０を提供することもできる。
【００２９】
なお、以上に述べた実施形態は、本発明の実施の一例であり、本発明の範囲はこれらに限定されるものでなく、特許請求の範囲に記載した範囲内で、他の様々な実施形態に適用可能である。例えば、本実施形態では、（０００１）方向に配向するサファイア基板１１上に、同じく（０００１）方向に配向し、圧電性を有し不純物を積極的には含まない第一の半導体材料（第一の窒化物半導体材料）であるＧａＮからなる伝搬層１２を形成し、更に、（０００１）方向に配向し、積極的にｎ型不純物を含む第二の半導体材料（第二の窒化物半導体材料）であるＩｎＧａＮからなる電極層１３を伝搬層１２上に形成したが、特にこれに限定されるものでなく、他の材料からなる基板上に形成しても良い。例えば、半絶縁性ＳｉＣ基板上に、本実施形態に係る伝搬層１２および電極層１３を形成しても良い。更に、他の方向に配向するサファイア基板１１に、本実施形態に係る伝搬層１２および電極層１３形成しても良い。
【００３０】
また、本実施形態では、第一の半導体材料としてＧａＮを使用し、第二の半導体材料としてＩｎＧａＮを使用したが、特にこれに限定されるものでなく、第二の半導体材料のバンドギャップが第一の半導体材料のバンドギャップより狭い関係を満たす限り、第一の半導体材料および第二の半導体材料として他のいかなる半導体材料でも使用することができる。例えば、第一の半導体材料としてＧａＮ、ＡｌＮ、ＢＮ、ＩｎＮ或いはこれらの混晶を使用し、第二の半導体材料としてＧａＮ、ＡｌＮ、ＢＮ、ＩｎＮ或いはこれらの混晶を使用した場合でも、第二の半導体材料のバンドギャップが第一の半導体材料のバンドギャップより狭い関係を満たす限り、本実施形態と同様の効果が得られる。
【００３１】
また、本実施形態では、有機気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）でサファイア基板１１上にＧａＮからなる伝搬層１２を形成し、更に、ＩｎＧａＮからなる電極層１３を伝搬層１２上に形成したが、特にこれに限定されるものでなく、他の方法で伝搬層１２および電極層１３を形成しても良い。
【００３２】
また、本実施形態では、トランスバーサルフィルタ１０について、本発明に係る構造、すなわち、（０００１）方向に配向するサファイア基板１１上に、同じく（０００１）方向に配向し、不純物を積極的には含まないＧａＮからなる伝搬層１２を形成し、更に、（０００１）方向に配向し、積極的にｎ型不純物を含むＩｎＧａＮからなる電極層１３を伝搬層１２上に形成した構造を適用したが、特にこれに限定されるものでなく、他の弾性表面波デバイス、例えば共振器にも適用可能である。
【００３３】
また、本実施形態では、金属マスク層１９−対向電極２１間を電気的に導通させる電気回路２２で、金属マスク層１９と対向電極２１を接続しているが、同対向電極２１に負の向きに、金属マスク層１９に正の向きに直流電圧を印加する直流バイアス源を、電気回路２２内に追加することも可能である。このようにすれば、電極層１３中に光照射によって生ずる電子を除去することができ、エッチングを安定的に行うことができる。
【００３４】
また、本実施形態では、特に記載していないが、強アルカリ性溶液２０を昇温し、電極層１３に発生した正孔と水酸基による化学反応を促進することで、エッチング速度を高めるという手法を適用することもできる。
【００３５】
また、本実施形態では、強アルカリ性溶液２０として水酸化カリウム水溶液を使用しているが、特にこれに限定されるものでなく、他のアルカリ溶液を使用することもできる。
【００３６】
また、本実施形態では、金属マスク層１９の材料としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを使用しているが、特にこれに限定されるものでなく、他の材料でも良い。同様に、本実施形態では、対向電極２１としてＰｔからなる電極を使用しているが、他の材料でも良い。更に、光源２３として高圧水銀ランプまたはキセノンランプを使用しているが、他の光源でも良い。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、基板上に櫛形電極を備える弾性表面波デバイスであれば、例えば、フィルタ、発信器、共振子および遅延線等にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施形態に係る弾性表面波デバイスであるトランスバーサルフィルタの構造図である。
【図２】図１に示す櫛形電極の一部を拡大した拡大図である。
【図３】図１に示すトランスバーサルフィルタにおける弾性表面波の周波数特性を表す図である。
【図４】図１に示す半導体積層構造のバンドダイアグラムである。
【図５】図１に示すトランスバーサルフィルタの櫛形電極を製造する工程を示した工程図である。
【図６】図５に続く工程図である。
【図７】従来のトランスバーサルフィルタの構造図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０ 本実施形態のトランスバーサルフィルタ、１１ サファイア基板、
１２ 伝搬層、１３ 電極層、１４ 半導体積層構造、
１５ 櫛形電極、１５ａ、１５ｂ 電極、１６ 櫛形電極、
１７ 平行電極指、１８ 電子ガス、１９ 金属マスク層、
２０ 強アルカリ性溶液、２１ 対向電極、２２ 電気回路、２３ 光源、
５０ 従来のトランスバーサルフィルタ、５１ サファイア基板、
５２ 伝搬層、５５、５６ 櫛形電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電性を有する半導体からなる伝搬層上に櫛形電極を形成したトランスバーサルフィルタ等の弾性表面波デバイス（ＳＡＷデバイス）および、弾性表面波デバイスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図７は、従来のトランスバーサルフィルタ５０の構造図で、図７（ａ）はトランスバーサルフィルタ５０の平面図、図７（ｂ）はトランスバーサルフィルタ５０を矢視ＥＥから見た断面図である。図７に示すように、従来のトランスバーサルフィルタ５０は、（０００１）方向に配向するサファイア基板５１の表面に不純物を積極的には含まないＧａＮからなる伝搬層５２を形成し、更に、伝搬層５２上に、単一の材料から形成された櫛形電極５５および５６を備えている。櫛形電極５５および５６を形成する材料は、櫛形電極５５および５６そのものの重さによる弾性表面波の損失（質量負荷効果）を小さくするために、比重の軽い材料が望ましい。そこで、櫛形電極５５および５６は、非特許文献１に示されるように、ＡｌまたはＡｌを主成分とした合金で形成されている。
【非特許文献１】Suk-Hun Lee, Hwan-Hee Jeong, Sung-Bum Bae,Hyun-Chul Choi, Jung-Hee Lee, and Yong-Hyun Lee, “EpitaxiallyGrown GaN Thin-Film SAW Filter with High Velocity and Low Insertion Loss” IEEETRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL.48, No.3, pp.524-529,(2001).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述した非特許文献１に示すＡｌまたはＡｌを主成分とした合金で形成された櫛形電極５５および５６を有するトランスバーサルフィルタ５０では、ＧａＮの融点が１０００℃以上であるのに対し、櫛形電極５５および５６に使用されたＡｌの融点は６６０℃程度と、ＧａＮの融点に比べて極めて低いため、トランスバーサルフィルタ５０の耐熱性が不十分であるといった問題があった。更に、６００℃程度の加熱処理でＡｌはＧａＮに対してオーミック電極を形成し、オーミック性を有する櫛形電極５５に高周波信号を印加すると著しいリーク電流が発生することから、弾性表面波の励振が困難となるといった問題もあった。このため、従来のトランスバーサルフィルタ５０の実用に耐える最高温度は、アルミニウムからなる櫛形電極５５の熱的安定性によって制限され、４００℃程度となることから、トランスバーサルフィルタ５０を高温環境下で使用できないといった問題があった。
【０００４】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、高温環境下でも、弾性表面波の励振が可能な弾性表面波デバイスとその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的達成のため、本発明に係る弾性表面波デバイスでは、請求項１に記載のように、基板上に形成される伝搬層と、前記伝搬層上に形成される櫛形電極を備える弾性表面波デバイスにおいて、前記伝搬層は、圧電性を有し積極的に不純物を含まない第一の半導体材料からなり、前記櫛形電極は、前記第一の半導体材料と比較して狭いバンドギャップを有し積極的に導電性不純物を含む第二の半導体材料から形成されることを特徴としている。
【０００６】
また、本発明に係る弾性表面波デバイスでは、請求項２に記載のように、基板上に形成される伝搬層と、前記伝搬層上に形成される電極層とからなる半導体積層構造を備える弾性表面波デバイスにおいて、前記伝搬層は、圧電性を有し積極的に不純物を含まない第一の半導体材料からなり、前記電極層は、前記第一の半導体材料と比較して狭いバンドギャップを有し積極的に導電性不純物を含む第二の半導体材料からなり、前記電極層をエッチングすることにより形成される櫛形電極を有することを特徴としている。
【０００７】
また、本発明に係る弾性表面波デバイスでは、請求項３に記載のように、基板上に形成される伝搬層と、前記伝搬層上に形成される電極層とからなる半導体積層構造を備える弾性表面波デバイスにおいて、前記伝搬層は、（０００１）方向に配向し、圧電性を有し積極的に不純物を含まない第一の窒化物半導体材料からなり、前記電極層は、前記第一の窒化物半導体材料と比較して狭いバンドギャップを有し、（０００１）方向に配向し、積極的にｎ型不純物を含む第二の窒化物半導体材料からなり、前記電極層をエッチングすることにより形成される櫛形電極を有することを特徴としている。
【０００８】
また、請求項４に記載のように、請求項３に記載の本発明に係る弾性表面波デバイスにおいて、前記基板は、（０００１）方向に配向するサファイア基板もしくは（０００１）方向に配向する半絶縁性ＳｉＣ基板であり、前記第一の窒化物半導体材料はＧａＮ、ＡｌＮ、ＢＮ、ＩｎＮ或いはこれらの混晶であり、前記第二の窒化物半導体材料はＧａＮ、ＡｌＮ、ＢＮ、ＩｎＮ或いはこれらの混晶であることを特徴としている。
【０００９】
また、請求項５に記載のように、請求項３または４に記載の弾性表面波デバイスの製造方法において、少なくとも、前記電極層の伝搬層対向面に金属マスク層を形成する工程と、前記半導体積層構造を強アルカリ性溶液中に浸漬する工程と、前記強アルカリ性溶液中に設けた対向電極と前記金属マスク層間に電流を流し、かつ、前記金属マスク層および前記電極層に強アルカリ性溶液の液面上から、前記第二の窒化物半導体材料のバンドギャップに対応する波長よりも短く、かつ、前記第一の窒化物半導体材料のバンドギャップに対応する波長よりも長い波長成分を有する光源を照射することによって、第二の窒化物半導体材料を局所的、選択的にエッチングする工程と、エッチング終了後、前記金属マスク層を除去する工程を含むことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、櫛形電極−伝搬層間の界面に高いバリア障壁が生じ、高温環境下で高周波信号を櫛形電極に印加しても、櫛形電極−伝搬層間の界面にリーク電流が発生しないから、高温環境下でも、弾性表面波の励振が可能な弾性表面波デバイスを提供することができる。
【００１１】
また、伝搬層の材料として第一の窒化物半導体を使用し、電極層の材料として前記第一の窒化物半導体材料と比較して狭いバンドギャップを有し、積極的にｎ型不純物を含む第二の窒化物半導体材料を使用することで、窒化物半導体の特徴である高耐熱性、高耐電圧性を生かした弾性表面波デバイスを提供することができる。
【００１２】
また、本発明の製造方法により、電極層−伝搬層間の界面で確実にエッチングが停止するので、厚さの均一性に優れた櫛形電極を有する弾性表面波デバイスを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の実施形態について、図１乃至図６を参照して説明する。ここで、図１は、本発明の実施形態に係る弾性表面波デバイスであるトランスバーサルフィルタ１０の構造図、図１（ａ）はトランスバーサルフィルタ１０の平面図、図１（ｂ）はトランスバーサルフィルタ１０を矢視ＡＡから見た断面図である。
【００１４】
図１に示すように、トランスバーサルフィルタ１０は、（０００１）方向に配向するサファイア基板１１上に、同じく（０００１）方向に配向し、圧電性を有し不純物を積極的には含まない第一の半導体材料（第一の窒化物半導体材料）であるＧａＮからなる伝搬層１２が形成されている。更に、（０００１）方向に配向し、積極的に導電性不純物を含む第二の半導体材料（第二の窒化物半導体材料）であるＩｎＧａＮからなる電極層１３が伝搬層１２上に形成されている。本実施形態では、ＩｎＧａＮにはｎ型不純物が添加されている。これにより、ＩｎＧａＮからなる電極層１３は電極としての機能を有する。また、伝搬層１２はサファイア基板１１上に有機金属気相成長法（以下、ＭＯＣＶＤ法とする。）により形成され、電極層１３は伝搬層１２上にＭＯＣＶＤ法により形成される。ここで、本実施形態における伝搬層１２の厚さは２μｍ、電極層１３の厚さは１００ｎｍとした。
【００１５】
また、第二の半導体材料であるＩｎＧａＮは、ＧａＮと比較して狭いバンドギャップを有する窒化物半導体材料である。ＩｎＧａＮのＩｎ組成は０．１である。後述するが、第一の半導体材料であるＧａＮと比較して狭いバンドギャップを有する第二の半導体材料であるＩｎＧａＮを使用して、伝搬層１２上に電極層１３を形成していることから、電極層１３−伝搬層１２間の界面には、伝導帯の不運続部分が生じる。これにより、本実施形態のトランスバーサルフィルタ１０は、高温環境下で高周波信号を櫛形電極１５に印加しても、リーク電流の発生を抑制し、弾性表面波の励振を可能としている。
【００１６】
また、伝搬層１２と電極層１３は半導体積層構造１４を形成している。電極層１３には、櫛形電極１５および１６が所定の間隔をおいて対向する位置に形成されている。本実施形態の櫛形電極１５および１６は、電極層１３を局所的にエッチングすることで形成されている。トランスバーサルフィルタ１０は、櫛形電極１５に高周波（ＲＦ）信号が印加されると、上記の高周波信号の周波数に応じた波長を有する弾性表面波を励振する。弾性表面波は、伝搬層１２を伝搬し、櫛形電極１６に到達すると、櫛形電極１６によって高周波信号に変換される。その後、変換された高周波信号はトランスバーサルフィルタ１０外に出力される。なお、半導体積層構造１４の表面、すなわち、電極層１３の表面はIII族元素面が形成されている。
【００１７】
図２は、図１に示す櫛形電極１５の一部を拡大した拡大図である。櫛形電極１５は、櫛形状の２個の電極１５ａおよび１５ｂが配列間隔ｓを隔てて配置されている。そして、電極１５ａおよび１５ｂは、所定の電極長、線幅ｈを有する平行電極指１７が電極指ピッチＴを隔てて、複数配列されて形成されている。よって、電極指ピッチＴは（線幅ｈ＋配列間隔ｓ）の２倍に等しくなる。ここで、トランスバーサルフィルタ１０は、櫛形電極１５に入力される高周波信号の波長が、電極指ピッチＴに等しいとき、弾性表面波を最も効率良く励振する。励振される弾性表面波の速度ｖ０とすると、弾性表面波の中心周波数ｆ０は、櫛形電極１５の電極指ピッチＴ、平行電極指１７の線幅ｈ、配列間隔ｓから、ｆ０＝ｖ０／Ｔ＝ｖ０／｛２（ｈ＋ｓ）｝と表すことができる。すなわち、高周波信号を櫛形電極１５に入力することで、電界が発生し、伝搬層１２に浸透するので、中心周波数ｆ０の弾性表面波を最も効率良く励振させることができ、櫛形電極１６へ伝搬させることができる。一方、トランスバーサルフィルタ１０は、中心周波数ｆ０以外の周波数の弾性表面波を著しく減衰させるので、フィルタとしての機能を備えている。また、櫛形電極１６も、櫛形電極１５と同様に、櫛形状の２個の図示しない電極が配列間隔ｓを隔てて配置されている。そして、上記の櫛形状の電極は、所定の電極長、線幅ｈを有する平行電極指１７が電極指ピッチＴを隔てて複数配列されて形成されている。なお、本実施形態における櫛形電極１５および１６において、櫛形電極１５と櫛形電極１６の間の間隔は５ｍｍ、線幅ｈは２μｍ、配列間隔ｓは２μｍ、電極長は４００μｍ、電極指１７の対数は５０本とした。
【００１８】
図３は、図１に示すトランスバーサルフィルタ１０における弾性表面波の周波数特性を表す図である。図より、上述した中心周波数ｆ０は５８５．４ＭＨｚである。図示したように、中心周波数ｆ０から離れる程、伝搬効率が低下している。この特性により、トランスバーサルフィルタ１０は、所定の以外の周波数を著しく減衰させるフィルタとして機能している。
【００１９】
図４は、図１に示す半導体積層構造１４のバンドダイアグラムである。本実施形態に係る半導体積層構造１４において、第一の半導体材料であるＧａＮと比較して狭いバンドギャップを有する第二の半導体材料であるＩｎＧａＮを使用して、伝搬層１２上に電極層１３を形成していることから、図４に示したように、電極層１３−伝搬層１２間の界面には０．１ｅＶ強の伝導帯の不運続部分が生じている（図４のＫ部参照）。その不連続部分は、電極層１３中の電子ガス１８に対してバリア障壁として作用する。これから、電極層１３−伝搬層１２間の界面に高いバリア障壁が生じ、高温環境下で高周波信号を櫛形電極１５に印加しても、電極層１３（櫛形電極１５）中の電子ガス１８は、上記の高周波信号によって伝搬層１２中に注入されることがない。すなわち、電極層１３−伝搬層１２間の界面にリーク電流が発生しない。これより、トランスバーサルフィルタ１０は、高温環境下で高周波信号を櫛形電極１５に印加した場合でも、伝搬層１２に効率良く弾性表面波を励振することができる。
【００２０】
加えて、窒化物半導体の特徴として、バンドギャップエネルギーが小さいほど格子緩和状態における格子定数が大きいことが知られている。すなわち、本実施形態においては、ＩｎＧａＮが格子緩和状態にある場合の格子定数は、ＧａＮが格子緩和状態にある場合の格子定数と比較して大きくなる。ここで、半導体積層構造１４においては、伝搬層１２上に電極層１３を形成する場合、ＩｎＧａＮの格子定数はＧａＮの格子定数と等しくなる。すなわち、半導体積層構造１４における電極層１３のＩｎＧａＮの格子定数は、格子緩和状態にある場合の電極層１３のＩｎＧａＮの格子定数と比較して小さくなる。よって、電極層１３に圧縮性の格子ひずみが生じる。更に、本実施形態においては、半導体積層構造１４の表面がIII族元素面によって構成されているのであるから、電極層１３中に生ずる圧縮性の格子ひずみによって電極層１３−伝搬層１２間の界面に負のピエゾ電荷が生ずる。上記の負のピエゾ電荷によって、電極層１３中の電子ガス１８に対するバリア障壁が、更に高くなる。これから、負のピエゾ電荷による更に高いバリア障壁により、高周波信号を櫛形電極１５に印加した場合において、電極層１３（櫛形電極１５）中の電子ガス１８が伝搬層１２中に注入されず、電極層１３−伝搬層１２間の界面にリーク電流が発生しない温度を、更に高くすることができる。
【００２１】
また、第二の半導体材料であるＩｎＧａＮは、耐熱性に優れた窒化物半導体であることから、高温環境中でも櫛形電極１５、１６の変形・破損などは生じず、これから、窒化物半導体の高耐熱性を生かした弾性表面波デバイスであるトランスバーサルフィルタ１０を提供することができる。
【００２２】
次に、本実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０の製造工程について、説明する。図５は、図１に示すトランスバーサルフィルタ１０の櫛形電極１５を製造する工程を示した工程図、図６は図５に続く工程図である。なお、図５および図６では、トランスバーサルフィルタ１０の櫛形電極１５の周辺部のみ示している。ここで、図５（ｉ−ａ）、図６（ｉｖ−ａ）、図６（ｖ−ａ）は各工程におけるトランスバーサルフィルタ１０の平面図である。また、図５（ｉ−ｂ）は矢視ＢＢから見た断面図、図５（ｉｉ）、図５（ｉｉｉ）は各工程におけるトランスバーサルフィルタ１０の矢視ＢＢ相当の断面図、図６（ｉｖ−ｂ）は矢視ＣＣから見た断面図、図６（ｖ−ｂ）は矢視ＤＤから見た断面図である。このように、本実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０の櫛形電極１５は、図５に示した５工程から形成されている。
【００２３】
トランスバーサルフィルタ１０は、（０００１）方向に配向するサファイア基板１１上に、同じく（０００１）方向に配向し、圧電性を有し不純物を積極的には含まない第一の半導体材料（第一の窒化物半導体材料）であるＧａＮからなる伝搬層１２をＭＯＣＶＤ法により形成する。更に、（０００１）方向に配向し、積極的にｎ型不純物を含む第二の半導体材料（第二の窒化物半導体材料）であるＩｎＧａＮからなる電極層１３を伝搬層１２上にＭＯＣＶＤ法により形成する。ここで、本実施形態における伝搬層１２の厚さは２μｍで、電極層１３の厚さは１００ｎｍである。そして、上述したように、半導体積層構造１４は、伝搬層１２および電極層１３から構成されている。また、半導体積層構造１４の表面はIII族元素面である。
【００２４】
次に、伝搬層１２上に電極層１３を形成した後、図５（ｉ）において、電極層１３の表面、すなわち、伝搬層対向面に金属マスク層１９を形成する。図５（ｉ−ａ）に示したように、金属マスク層１９は、櫛形電極１５の形状、すなわち、所定の電極長、線幅ｈを有する平行電極指１７が電極指ピッチＴを隔てて複数配列された電極１５ａおよび１５ｂを、所定の配列間隔ｓ隔てて配置した形状に形成されている。なお、作業上の利便性を考慮して、金属マスク層１９の形状は、電極１５ａおよび１５ｂを電極指対向端で接続した形状としている。また、本実施形態では、金属マスク層１９の材料としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを使用している。
【００２５】
次に、図５（ｉｉ）において、サファイア基板１１上に形成された半導体積層構造１４および金属マスク層１９を強アルカリ性溶液２０に浸漬する。その後、強アルカリ性溶液２０中に対向電極２１を浸漬し、金属マスク層１９−対向電極２１間を電気的に導通させる電気回路２２で、金属マスク層１９と対向電極２１を接続し、金属マスク層１９−対向電極２１間に電流を流す。更に、強アルカリ性溶液２０の液面上に光源２３を配置する。光源２３は、第二の半導体材料であるＩｎＧａＮのバンドギャップに対応する波長よりも短く、かつ、第一の半導体材料であるＧａＮのバンドギャップに対応する波長よりも長い波長成分を有する光を照射することができる。上記の光を、強アルカリ性溶液２０の液面上から金属マスク層１９および半導体積層構造１４に向かって照射することにより、ＩｎＧａＮ中に電子・正孔対が生成される。そして、正孔が存在する部分は、強アルカリ性溶液２０から供給される水酸基により以下の化学反応式で表される化学反応が起こり、その結果、ＩｎＧａＮのエッチングが起こる（フォトエレクトロケミカルエッチング）。
【００２６】
２IIIＮ＋６ｈ＋＋６ＯＨ−→III２Ｏ３＋３Ｈ２Ｏ＋Ｎ２↑
III２Ｏ３＋６ＯＨ−→２IIIＯ３３−＋３Ｈ２Ｏ
（III＝Ｇａ ｏｒ Ｉｎ）
なお、本実施形態では、強アルカリ性溶液２０として、水酸化カリウム水溶液を使用している。また、対向電極２１として、Ｐｔからなる電極を使用している。更に、光源２３として、高圧水銀ランプまたはキセノンランプを使用している。これにより、電子・正孔対は、金属マスク層１９によって覆われていない領域で生成されるので、図５（ｉｉｉ）に示すように、上記の領域のＩｎＧａＮのみが局所的かつ選択的にエッチングされる。一方、伝搬層１２を形成するＧａＮには、ＧａＮのバンドギャップに対応する波長よりも長い波長を有する上記の光が照射されても、電子・正孔対が生成されないので、ＧａＮのエッチングは起こらない。これから、電極層１３−伝搬層１２間の界面で確実にエッチングは停止する。
【００２７】
次に、図６（ｉｖ）において、ヨウ化カリウム水溶液中に、金属マスク層１９および半導体積層構造１４を浸漬することにより、金属マスク層１９を除去する。ここで、１対の櫛形電極１５および１６は、正負２つの電極によって構成される必要があり、金属マスク層１９は櫛形電極１５および１６の各々について、２つずつ形成する必要がある。しかし、本実施形態に係る金属マスク層１９の形状を、電極１５ａおよび１５ｂを電極指対向端で接続した形状としたことで、電極１５ａおよび１５ｂを電極指対向端で接続した形状の電極層１３を形成できる。その後、図６（ｖ）において、電極層１３の不要部分（電極１５ａおよび１５ｂの接続部分）をドライエッチングによって除去する。すなわち、電極１５ａおよび１５ｂを電極指対向端で接続した形状の電極層１３を電極１５ａおよび１５ｂに分離する。よって、電極１５ａおよび１５ｂを正負２つの電極として使用でき、櫛形電極１５を形成することができる。これにより、電極１５ａおよび１５ｂを同一の金属マスク層１９で同時に加工することができる。
【００２８】
このようにすれば、半導体積層構造上に複数の櫛形電極を要する弾性表面波デバイスを製造する場合でも、所望の数の櫛形電極を、一の金属マスク層１９を使用して同時に形成することができる。また、本発明に係る製造方法、すなわち、電極層１３の伝搬層対向面に金属マスク層１９を形成する工程と、半導体積層構造１４を強アルカリ性溶液２０中に浸漬する工程と、強アルカリ性溶液２０中に設けた対向電極２１と金属マスク層１９間に電流を流し、かつ、金属マスク層１９および電極層１３に強アルカリ性溶液２０の液面上から、ＩｎＧａＮのバンドギャップに対応する波長よりも短く、かつ、ＧａＮのバンドギャップに対応する波長よりも長い波長成分を有する光源を照射することによって、ＩｎＧａＮを局所的、選択的にエッチングする工程と、エッチング終了後、金属マスク層１９を除去する工程とからなる製造方法により、トランスバーサルフィルタ１０を製造することで、金属マスク層１９によって覆われていない電極層１３の領域のみエッチングが起こり、電極層１３−伝搬層１２間の界面で確実にエッチングが停止するので、ＭＯＣＶＤ法により半導体積層構造１４の全面で厚さの均一性に優れた電極層１３が形成されていることから、厚さの均一性、従って、質量負荷効果の均一性に優れた櫛形電極１５および１６を有するトランスバーサルフィルタ１０を提供することもできる。
【００２９】
なお、以上に述べた実施形態は、本発明の実施の一例であり、本発明の範囲はこれらに限定されるものでなく、特許請求の範囲に記載した範囲内で、他の様々な実施形態に適用可能である。例えば、本実施形態では、（０００１）方向に配向するサファイア基板１１上に、同じく（０００１）方向に配向し、圧電性を有し不純物を積極的には含まない第一の半導体材料（第一の窒化物半導体材料）であるＧａＮからなる伝搬層１２を形成し、更に、（０００１）方向に配向し、積極的にｎ型不純物を含む第二の半導体材料（第二の窒化物半導体材料）であるＩｎＧａＮからなる電極層１３を伝搬層１２上に形成したが、特にこれに限定されるものでなく、他の材料からなる基板上に形成しても良い。例えば、半絶縁性ＳｉＣ基板上に、本実施形態に係る伝搬層１２および電極層１３を形成しても良い。更に、他の方向に配向するサファイア基板１１に、本実施形態に係る伝搬層１２および電極層１３形成しても良い。
【００３０】
また、本実施形態では、第一の半導体材料としてＧａＮを使用し、第二の半導体材料としてＩｎＧａＮを使用したが、特にこれに限定されるものでなく、第二の半導体材料のバンドギャップが第一の半導体材料のバンドギャップより狭い関係を満たす限り、第一の半導体材料および第二の半導体材料として他のいかなる半導体材料でも使用することができる。例えば、第一の半導体材料としてＧａＮ、ＡｌＮ、ＢＮ、ＩｎＮ或いはこれらの混晶を使用し、第二の半導体材料としてＧａＮ、ＡｌＮ、ＢＮ、ＩｎＮ或いはこれらの混晶を使用した場合でも、第二の半導体材料のバンドギャップが第一の半導体材料のバンドギャップより狭い関係を満たす限り、本実施形態と同様の効果が得られる。
【００３１】
また、本実施形態では、有機気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）でサファイア基板１１上にＧａＮからなる伝搬層１２を形成し、更に、ＩｎＧａＮからなる電極層１３を伝搬層１２上に形成したが、特にこれに限定されるものでなく、他の方法で伝搬層１２および電極層１３を形成しても良い。
【００３２】
また、本実施形態では、トランスバーサルフィルタ１０について、本発明に係る構造、すなわち、（０００１）方向に配向するサファイア基板１１上に、同じく（０００１）方向に配向し、不純物を積極的には含まないＧａＮからなる伝搬層１２を形成し、更に、（０００１）方向に配向し、積極的にｎ型不純物を含むＩｎＧａＮからなる電極層１３を伝搬層１２上に形成した構造を適用したが、特にこれに限定されるものでなく、他の弾性表面波デバイス、例えば共振器にも適用可能である。
【００３３】
また、本実施形態では、金属マスク層１９−対向電極２１間を電気的に導通させる電気回路２２で、金属マスク層１９と対向電極２１を接続しているが、同対向電極２１に負の向きに、金属マスク層１９に正の向きに直流電圧を印加する直流バイアス源を、電気回路２２内に追加することも可能である。このようにすれば、電極層１３中に光照射によって生ずる電子を除去することができ、エッチングを安定的に行うことができる。
【００３４】
また、本実施形態では、特に記載していないが、強アルカリ性溶液２０を昇温し、電極層１３に発生した正孔と水酸基による化学反応を促進することで、エッチング速度を高めるという手法を適用することもできる。
【００３５】
また、本実施形態では、強アルカリ性溶液２０として水酸化カリウム水溶液を使用しているが、特にこれに限定されるものでなく、他のアルカリ溶液を使用することもできる。
【００３６】
また、本実施形態では、金属マスク層１９の材料としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを使用しているが、特にこれに限定されるものでなく、他の材料でも良い。同様に、本実施形態では、対向電極２１としてＰｔからなる電極を使用しているが、他の材料でも良い。更に、光源２３として高圧水銀ランプまたはキセノンランプを使用しているが、他の光源でも良い。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、基板上に櫛形電極を備える弾性表面波デバイスであれば、例えば、フィルタ、発信器、共振子および遅延線等にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施形態に係る弾性表面波デバイスであるトランスバーサルフィルタの構造図である。
【図２】図１に示す櫛形電極の一部を拡大した拡大図である。
【図３】図１に示すトランスバーサルフィルタにおける弾性表面波の周波数特性を表す図である。
【図４】図１に示す半導体積層構造のバンドダイアグラムである。
【図５】図１に示すトランスバーサルフィルタの櫛形電極を製造する工程を示した工程図である。
【図６】図５に続く工程図である。
【図７】従来のトランスバーサルフィルタの構造図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０ 本実施形態のトランスバーサルフィルタ、１１ サファイア基板、
１２ 伝搬層、１３ 電極層、１４ 半導体積層構造、
１５ 櫛形電極、１５ａ、１５ｂ 電極、１６ 櫛形電極、
１７ 平行電極指、１８ 電子ガス、１９ 金属マスク層、
２０ 強アルカリ性溶液、２１ 対向電極、２２ 電気回路、２３ 光源、
５０ 従来のトランスバーサルフィルタ、５１ サファイア基板、
５２ 伝搬層、５５、５６ 櫛形電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成される伝搬層と、前記伝搬層上に形成される櫛形電極を備える弾性表面波デバイスにおいて、
前記伝搬層は、圧電性を有し積極的に不純物を含まない第一の半導体材料からなり、
前記櫛形電極は、前記第一の半導体材料と比較して狭いバンドギャップを有し積極的に導電性不純物を含む第二の半導体材料から形成されることを特徴とする弾性表面波デバイス。
【請求項２】
基板上に形成される伝搬層と、前記伝搬層上に形成される電極層とからなる半導体積層構造を備える弾性表面波デバイスにおいて、
前記伝搬層は、圧電性を有し積極的に不純物を含まない第一の半導体材料からなり、
前記電極層は、前記第一の半導体材料と比較して狭いバンドギャップを有し積極的に導電性不純物を含む第二の半導体材料からなり、
前記電極層をエッチングすることにより形成される櫛形電極を有することを特徴とする弾性表面波デバイス。
【請求項３】
基板上に形成される伝搬層と、前記伝搬層上に形成される電極層とからなる半導体積層構造を備える弾性表面波デバイスにおいて、
前記伝搬層は、（０００１）方向に配向し、圧電性を有し積極的に不純物を含まない第一の窒化物半導体材料からなり、
前記電極層は、前記第一の窒化物半導体材料と比較して狭いバンドギャップを有し、（０００１）方向に配向し、積極的にｎ型不純物を含む第二の窒化物半導体材料からなり、
前記電極層をエッチングすることにより形成される櫛形電極を有することを特徴とする弾性表面波デバイス。
【請求項４】
前記基板は、（０００１）方向に配向するサファイア基板もしくは（０００１）方向に配向する半絶縁性ＳｉＣ基板であり、
前記第一の窒化物半導体材料はＧａＮ、ＡｌＮ、ＢＮ、ＩｎＮ或いはこれらの混晶であり、前記第二の窒化物半導体材料はＧａＮ、ＡｌＮ、ＢＮ、ＩｎＮ或いはこれらの混晶であることを特徴とする請求項３に記載の弾性表面波デバイス。
【請求項５】
請求項３または４に記載の弾性表面波デバイスの製造方法において、
少なくとも、前記電極層の伝搬層対向面に金属マスク層を形成する工程と、
前記半導体積層構造を強アルカリ性溶液中に浸漬する工程と、
前記強アルカリ性溶液中に設けた対向電極と前記金属マスク層間に電流を流し、かつ、前記金属マスク層および前記電極層に強アルカリ性溶液の液面上から、前記第二の窒化物半導体材料のバンドギャップに対応する波長よりも短く、かつ、前記第一の窒化物半導体材料のバンドギャップに対応する波長よりも長い波長成分を有する光源を照射することによって、第二の窒化物半導体材料を局所的、選択的にエッチングする工程と、
エッチング終了後、前記金属マスク層を除去する工程を含むことを特徴とする弾性表面波デバイスの製造方法。
【請求項１】
基板上に形成される伝搬層と、前記伝搬層上に形成される櫛形電極を備える弾性表面波デバイスにおいて、
前記伝搬層は、圧電性を有し積極的に不純物を含まない第一の半導体材料からなり、
前記櫛形電極は、前記第一の半導体材料と比較して狭いバンドギャップを有し積極的に導電性不純物を含む第二の半導体材料から形成されることを特徴とする弾性表面波デバイス。
【請求項２】
基板上に形成される伝搬層と、前記伝搬層上に形成される電極層とからなる半導体積層構造を備える弾性表面波デバイスにおいて、
前記伝搬層は、圧電性を有し積極的に不純物を含まない第一の半導体材料からなり、
前記電極層は、前記第一の半導体材料と比較して狭いバンドギャップを有し積極的に導電性不純物を含む第二の半導体材料からなり、
前記電極層をエッチングすることにより形成される櫛形電極を有することを特徴とする弾性表面波デバイス。
【請求項３】
基板上に形成される伝搬層と、前記伝搬層上に形成される電極層とからなる半導体積層構造を備える弾性表面波デバイスにおいて、
前記伝搬層は、（０００１）方向に配向し、圧電性を有し積極的に不純物を含まない第一の窒化物半導体材料からなり、
前記電極層は、前記第一の窒化物半導体材料と比較して狭いバンドギャップを有し、（０００１）方向に配向し、積極的にｎ型不純物を含む第二の窒化物半導体材料からなり、
前記電極層をエッチングすることにより形成される櫛形電極を有することを特徴とする弾性表面波デバイス。
【請求項４】
前記基板は、（０００１）方向に配向するサファイア基板もしくは（０００１）方向に配向する半絶縁性ＳｉＣ基板であり、
前記第一の窒化物半導体材料はＧａＮ、ＡｌＮ、ＢＮ、ＩｎＮ或いはこれらの混晶であり、前記第二の窒化物半導体材料はＧａＮ、ＡｌＮ、ＢＮ、ＩｎＮ或いはこれらの混晶であることを特徴とする請求項３に記載の弾性表面波デバイス。
【請求項５】
請求項３または４に記載の弾性表面波デバイスの製造方法において、
少なくとも、前記電極層の伝搬層対向面に金属マスク層を形成する工程と、
前記半導体積層構造を強アルカリ性溶液中に浸漬する工程と、
前記強アルカリ性溶液中に設けた対向電極と前記金属マスク層間に電流を流し、かつ、前記金属マスク層および前記電極層に強アルカリ性溶液の液面上から、前記第二の窒化物半導体材料のバンドギャップに対応する波長よりも短く、かつ、前記第一の窒化物半導体材料のバンドギャップに対応する波長よりも長い波長成分を有する光源を照射することによって、第二の窒化物半導体材料を局所的、選択的にエッチングする工程と、
エッチング終了後、前記金属マスク層を除去する工程を含むことを特徴とする弾性表面波デバイスの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００７−１５０４９８（Ｐ２００７−１５０４９８Ａ）
【公開日】平成１９年６月１４日（２００７．６．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３３９７９７（Ｐ２００５−３３９７９７）
【出願日】平成１７年１１月２５日（２００５．１１．２５）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年６月１４日（２００７．６．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１１月２５日（２００５．１１．２５）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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