表面弾性波デバイスおよび集積回路
【課題】入力信号とバイアス電圧を電気的に分離するフィルタを接続することなく、表面弾性波を励振することができる表面弾性波デバイスおよび該表面弾性波デバイスを有する集積回路を提供することにある。
【解決手段】トランスバーサルフィルタ１０は、サファイア基板１１と、ＧａＮからなる伝搬層１２と、ＧａＮと比較して広いバンドギャップを持つＡｌＧａＮからなるバリア層１３と、バリア層１３の表面に形成された一対の櫛形電極１６ａ、１６ｂとを有する。更に、一対の櫛形電極１６ａ、１６ｂ間にゲート電極１６を形成した。
【解決手段】トランスバーサルフィルタ１０は、サファイア基板１１と、ＧａＮからなる伝搬層１２と、ＧａＮと比較して広いバンドギャップを持つＡｌＧａＮからなるバリア層１３と、バリア層１３の表面に形成された一対の櫛形電極１６ａ、１６ｂとを有する。更に、一対の櫛形電極１６ａ、１６ｂ間にゲート電極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材料からなる伝搬層上に櫛形電極を形成した表面弾性波デバイス（ＳＡＷデバイス）および該表面弾性波デバイスを有する集積回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の表面弾性波デバイスについて、その一種であるトランスバーサルフィルタを例として説明する。図６は、従来のトランスバーサルフィルタ５０の構造図で、図６（ａ）はトランスバーサルフィルタ５０の平面図、図６（ｂ）はトランスバーサルフィルタ５０を矢視ＤＤから見た断面図である。
【０００３】
図６に示すように、トランスバーサルフィルタ５０は、サファイア基板５１上に、不純物を積極的に含まないＧａＮからなる伝搬層５２が形成されている。更に、伝搬層５２上に、不純物を積極的に含まないＡｌＧａＮからなるバリア層５３が形成されている。ＡｌＧａＮは、ＧａＮと比較して広いバンドギャップを有する窒化物系半導体材料である。また、伝搬層５２とバリア層５３は、積層構造５４を形成している。そして、バリア層５３の表面上に、櫛形電極５６ａ、５６ｂからなる第一のすだれ状電極５６および櫛形電極５７ａ、５７ｂからなる第二のすだれ状電極５７が形成されている。更に、図６に示すように、櫛形電極５６ａは、コンデンサＣとインダクタンスＬからなるフィルタが接続され、更に当該フィルタに高周波（ＲＦ）信号源（入力信号源）と負のバイアス電圧源が接続されている。当該フィルタは高周波信号（入力信号）と負のバイアス電圧を電気的に分離するために設けられている。また、櫛形電極５７ａは、コンデンサＣとインダクタンスＬからなるフィルタが接続され、更に当該フィルタに図示しない出力回路と負のバイアス電圧源が接続されている。当該フィルタは高周波信号と負のバイアス電圧を電気的に分離するために設けられている。一方、櫛形電極５６ｂ、５７ｂは接地されている。
【０００４】
図７は、図６に示す従来のトランスバーサルフィルタ５０の第一のすだれ状電極５６の拡大図である。第一のすだれ状電極５６は、ＮｉＡｕからなる櫛形電極５６ａ、５６ｂから構成されている。櫛形電極５６ａ、５６ｂは、所定の電極長および線幅ｈを有する電極指５８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。また、櫛形電極５６ａ、５６ｂは、配列間隔ｓを隔てて配置されている。よって、電極指ピッチＴは２×（線幅ｈ＋配列間隔ｓ）に等しくなる。同様に、第二のすだれ状電極５７も、ＮｉＡｕからなる櫛形電極５７ａ、５７ｂから構成されている。櫛形電極５７ａ、５７ｂも、所定の電極長および線幅ｈを有する電極指５８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。同様に、櫛形電極５７ａ、５７ｂは、配列間隔ｓを隔てて配置されている。よって、電極指ピッチＴは２×（線幅ｈ＋配列間隔ｓ）に等しくなる。更に、トランスバーサルフィルタ５０の第一のすだれ状電極５６および第二のすだれ状電極５７は、所定の間隔をおいて対向する位置に配置されている。これより、第一のすだれ状電極５６に高周波信号を印加することで、表面弾性波を励振させている。表面弾性波は、伝搬層５２を伝搬し、第二のすだれ状電極５７で高周波信号に変換される。その後、高周波信号は、上記のフィルタを介して、図示しない出力回路に出力される。
【０００５】
図８は、図６に示すトランスバーサルフィルタ５０のバンドダイアグラムである。図６では、負のバイアス電圧を印加していない状態と、負のバイアス電圧を印加した状態の櫛形電極５６ａ-５６ｂ間のバンドダイアグラムを示している。ここで、バリア層５３の表面は、通常はIII族元素面からなることが知られている。その結果、負のバイアス電圧が印加されていない場合、窒化物系半導体材料の圧電性およびＧａＮとＡｌＧａＮとの格子定数の相違により、伝搬層５２とバリア層５３のヘテロ界面付近、すなわち、接合面付近に二次元電子ガス５５（図６（ｂ）および図８のＰ部参照）が形成される。そのため、負のバイアス電圧が印加されていない場合、二次元電子ガス５５により、高周波信号により発生した電界はすべて遮蔽され、伝搬層５２中に進入するのは困難である。このため、表面弾性波を励振させることができなかった。すなわち、トランスバーサルフィルタ５０としての機能は実現されていなかった。
【０００６】
そこで、第一のすだれ状電極５６において、櫛形電極５６ａに負のバイアス電圧を印加し、櫛形電極５６ｂを接地する。これにより、両櫛形電極５６ａ、５６ｂ間には、負のバイアス電圧による電界が発生するので、二次元電子ガス５５を櫛形電極５６ａ直下の領域（図８のＱ部参照）から櫛形電極５６ｂ直下の領域（図８のＲ部参照）に移動させ、櫛形電極５６ａ直下の領域を空乏化させている。櫛形電極５６ａ直下の領域を空乏化させることで、高周波信号により発生した電界を伝搬層５２内に進入させて、表面弾性波を励振・伝搬させている。また、負のバイアス電圧を調整することで、二次元電子ガス５５の移動を制御し、伝搬層５２に進入する電界の強度を変更し、表面弾性波の強度を変調している。同様に、第二のすだれ状電極５７においても、櫛形電極５７ａに負のバイアス電圧を印加し、櫛形電極５７ｂを接地する。これにより、二次元電子ガス５５を櫛形電極５７ａ直下の領域から櫛形電極５７ｂ直下の領域に移動させ、櫛形電極５７ａ直下の領域を空乏化させている。
【０００７】
ここで、第一のすだれ状電極５６に入力される高周波信号の波長が、上述した電極指ピッチＴに等しいとき、表面弾性波が最も効率良く励振されることが知られている。この場合、励振される表面弾性波の速度ｖ０とすると、表面弾性波の中心周波数ｆ０は、第一のすだれ状電極５６の電極指ピッチＴ、電極指５８の線幅ｈ、配列間隔ｓから、ｆ０＝ｖ０／Ｔ＝ｖ０／｛２（ｈ＋ｓ）｝と表される。すなわち、電極指ピッチＴに等しい波長を持つ高周波信号を第一のすだれ状電極５６に入力することで、中心周波数ｆ０の表面弾性波を最も効率良く励振させて、第二のすだれ状電極５７へ伝搬させることができる。第二のすだれ状電極５７においても、負のバイアス電圧が印加されて櫛形電極５７ａ直下の領域が空乏化されていることから、中心周波数ｆ０の表面弾性波は効率よく高周波信号に変換され出カされる。一方、中心周波数ｆ０から離れる程、表面弾性波の伝搬効率が低下する。この特性により、中心周波数ｆ０以外の周波数を著しく減衰させることができ、トランスバーサルフィルタ５０としての機能を実現している。
【０００８】
逆に、櫛形電極５６ａ、５７ａを接地し、櫛形電極５６ｂ、５７ｂに正のバイアス電圧を印加した場合、二次元電子ガス５５は櫛形電極５６ａ、５７ａ直下の領域から櫛形電極５６ｂ、５７ｂ直下の領域に移動する。これから、伝搬層５２の櫛形電極５６ａ、５７ａ直下の領域を空乏化させている。更に、バイアス電圧に重畳して高周波信号を第一のすだれ状電極５６に印加することにより、高周波信号により発生した電界は伝搬層５２中に進入する。従って、上記と同様に、表面弾性波の励振・伝搬が実現される。すなわち、従来のトランスバーサルフィルタ５０では、第一のすだれ状電極５６に印加される正或いは負のバイアス電圧によって励振・伝搬される表面弾性波の強度が変調され、トランスバーサルフィルタ５０としての機能が制御される。また、バイアス電圧を所定の周波数で変化させることにより、表面弾性波に振幅変調を加えている。なお、従来のトランスバーサルフィルタ５０では、サファイア基板５１上の有限の厚さを有する積層構造５４において表面弾性波が励振されることから、同一の形状の櫛形電極によって、伝搬速度が異なる、すなわち、周波数が異なる複数の表面弾性波のモードを励振させている。
【非特許文献１】Voltage Controlled SAW filters on 2DEG AlGaN/GaN heterostructures(2004 IEEE MTT-S Digest PP.387-390).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、従来のトランスバーサルフィルタ５０では、図６に示したように、表面弾性波を励振させるために第一のすだれ状電極５６に印加する高周波信号と、表面弾性波の強度を制御するバイアス電圧とを同一の櫛形電極５６ａに印加する構造とし、更に、伝搬層５２を伝搬した表面弾性波に基づいて第二のすだれ状電極５７から出力される出力信号と、二次元電子ガス５５を移動させるバイアス電圧とを同一の櫛形電極５７ａに印加する構造としていることから、高周波信号とバイアス電圧を電気的に分離するバイアスティなどのフィルタが必要であるといった問題があった。
【００１０】
また、バイアス電圧を所定の変調周波数によって変調し、表面弾性波に振幅変調を加える場合、振幅変調を行う周波数に応じてフィルタの特性を設定する必要があった。
【００１１】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、入力信号とバイアス電圧を電気的に分離するフィルタを接続することなく、表面弾性波を励振することができる表面弾性波デバイスおよび該表面弾性波デバイスを有する集積回路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】
【００１２】
上記目的達成のため、本発明に係る表面弾性波デバイスでは、基板と、第一の半導体材料からなる伝搬層と、前記第一の半導体材料と比較して広いバンドギャップを持つ第二の半導体材料からなるバリア層と、前記バリア層の表面に形成された一対の櫛形電極と、を備える表面弾性波デバイスにおいて、前記一対の櫛形電極間にゲート電極を形成することを特徴としている。
【００１３】
また、請求項２に記載のように、請求項１に記載の表面弾性波デバイスにおいて、前記伝搬層は、（０００１）方向に配向する前記第一の窒化物系半導体材料から形成され、前記バリア層は、（０００１）方向に配向する前記第二の窒化物系半導体材料から形成され、前記バリア層の前記表面は、III族元素面であることを特徴としている。
【００１４】
また、請求項３に記載のように、請求項１に記載の表面弾性波デバイスにおいて、前記伝搬層は、（１１−２０）方向に配向する前記第一の窒化物系半導体材料から形成され、前記バリア層は、（１１−２０）方向に配向する前記第二の窒化物系半導体材料にｎ型不純物を積極的に添加させて形成され、前記櫛形電極は、該櫛形電極の電極指の配列方向を（０００１）方向と整合させて形成されることを特徴としている。
【００１５】
また、請求項４に記載の集積回路は、請求項１〜３のいずれかに記載の表面弾性波デバイスと、該表面弾性波デバイスと同一積層構造にオーミック特性を有するソース電極、ドレイン電極およびショットキ特性を有するゲート電極を形成することにより構成される電界効果型トランジスタを備えることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明により、入力信号とバイアス電圧を電気的に分離するフィルタを接続することなく、表面弾性波を励振させることができる。
【００１７】
また、振幅変調を行う周波数に応じて、入力信号とバイアス電圧を電気的に分離するフィルタの特性を設定することなく、表面弾性波の振幅変調を実現することができる。
【００１８】
また、（１１−２０）方向に配向する第一の窒化物系半導体材料からなる伝搬層を形成し、（１１−２０）方向に配向する第二の窒化物系半導体材料にｎ型不純物を積極的に添加させてバリア層を形成し、櫛形電極の電極指の配列方向を（０００１）方向と整合させて櫛形電極を形成したときは、高周波信号と表面弾性波との間の変換効率（電気機械結合常数）をより高くすることもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、本発明の第１乃至第３の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０乃至３０について、図１乃至図５を参照して説明する。
【００２０】
（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０について、図１および図２を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る表面弾性波デバイスの一種であるトランスバーサルフィルタ１０の構造図で、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。
【００２１】
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）方向に配向する不純物を積極的には含まない第一の窒化物系半導体材料であるＧａＮからなる伝搬層１２が形成されている。更に、（０００１）方向に配向する不純物を積極的には含まない第二の窒化物系半導体材料であるＡｌＧａＮからなるバリア層１３が伝搬層１２上に形成されている。ＡｌＧａＮは、ＧａＮと比較して広いバンドギャップを有する窒化物系半導体材料である。伝搬層１２とバリア層１３は積層構造１４を形成している。トランスバーサルフィルタ１０の伝搬層１２の厚さは２μｍ、バリア層１３の厚さは２０ｎｍである。
【００２２】
積層構造１４の表面、すなわち、バリア層１３の表面は、III族元素面からなり、従来のトランスバーサルフィルタ５０と同様に、伝搬層１２を形成するＧａＮの圧電性およびＧａＮ−ＡｌＧａＮ間の格子定数の相違により伝搬層１２とバリア層１３のヘテロ界面付近、すなわち、接合面付近に二次元電子ガス１５が形成されている。また、バリア層１３の表面上には、第一のすだれ状電極１６および第二のすだれ状電極１７が、所定の間隔をおいて対向する位置に配置されている。第一のすだれ状電極１６は、例えば、厚さ１００ｎｍのアルミニウムからなる櫛形電極１６ａ、１６ｂから構成されている。また、櫛形電極１６ａに入力信号である高周波（ＲＦ）信号が印加され、櫛形電極１６ｂは接地されている。なお、図１（ｂ）では、バイアス電圧が印加されていない状態の二次元電子ガス１５を示している。
【００２３】
ここで、櫛形電極１６ａ、１６ｂは、従来のトランスバーサルフィルタ５０と同様に、所定の電極長、線幅ｈを有する電極指が電極指ピッチＴを隔てて、複数配列されて形成されている。また、櫛形電極１６ａ、１６ｂは、配列間隔ｓを隔てて配置されている。これから、電極指ピッチＴは２×（線幅ｈ＋配列間隔ｓ）に等しくなる。第一のすだれ状電極１６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、表面弾性波が最も効率良く励振される。そこで、励振される表面弾性波の速度ｖ０とすると、表面弾性波の中心周波数ｆ０は、第一のすだれ状電極１６の電極指ピッチＴ、電極指の線幅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、電極指ピッチＴに等しい波長を持つ高周波信号を第一のすだれ状電極１６に入力することで、中心周波数ｆ０の表面弾性波を最も効率良く励振させることができ、第二のすだれ状電極１７へ伝搬させることができる。一方、中心周波数ｆ０から離れる程、表面弾性波の伝搬効率が低下することから、中心周波数ｆ０以外の周波数を著しく減衰させることができ、トランスバーサルフィルタ１０としての機能を実現している。
【００２４】
また、第二のすだれ状電極１７は、第一のすだれ状電極１６と同様に、例えば、厚さ１００ｎｍのアルミニウムからなる櫛形電極１７ａ、１７ｂから構成されている。また、櫛形電極１７ａに図示しない出力回路が接続され、櫛形電極１７ｂは接地されている。第一のすだれ状電極１６と同様に、櫛形電極１７ａ、１７ｂは、所定の電極長、線幅ｈを有する電極指が電極指ピッチＴを隔てて、複数配列されて形成されている。櫛形電極１７ａ、１７ｂは配列間隔ｓを隔てて、配置されている。これから、電極指ピッチＴは２×（線幅ｈ＋配列間隔ｓ）に等しくなる。第二のすだれ状電極１７に伝搬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、上記の中心周波数ｆ０の表面弾性波が出力信号に最も効率良く変換される。このようにして、第一のすだれ状電極１６から伝搬した表面弾性波は、第二のすだれ状電極１７で出力信号に変換される。その後、当該出力信号は図示しない出力回路に出力される。
【００２５】
しかし、トランスバーサルフィルタ１０では、伝搬層１２とバリア層１３のヘテロ界面付近、すなわち、接合面付近に二次元電子ガス１５が形成されているので、第一のすだれ状電極１６に入力された高周波信号により発生した電界は、二次元電子ガス１５によって、すべて遮蔽される。すなわち、上記の電界における伝搬層１２への進入が困難となる。よって、伝搬層１２で表面弾性波が励振されない。また、表面弾性波が励振し、第二のすだれ状電極１７に伝搬したとしても、表面弾性波による電界が二次元電子ガス１５によって遮蔽されるので、表面弾性波が変換されない。
【００２６】
そこで、図１に示したように、第１の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０では、櫛形電極１６ａ、１６ｂ間で、櫛形電極１６ａ、１６ｂから等間隔隔てた位置に、ミアンダ状のゲート電極１６ｃを形成している。更に、ゲート電極１６ｃに負のバイアス電圧を印加している。なお、ゲート電極１６ｃは、例えば厚さ１００ｎｍ、線幅ｈのアルミニウムからなる。同様に、櫛形電極１７ａ、１７ｂ間で、櫛形電極１７ａ、１７ｂから等間隔隔てた位置に、ミアンダ状のゲート電極１７ｃを形成している。更に、ゲート電極１７ｃに負のバイアス電圧を印加している。なお、ゲート電極１７ｃも、例えば厚さ１００ｎｍ、線幅ｈのアルミニウムからなる。
【００２７】
図２は、図１に示す第一のすだれ状電極１６における電気力線１９ａ、１９ｂを示す図である。図２（ａ）は、ゲート電極１６ｃにバイアス電圧を印加しない状態の電気力線１９ａを示す図、図２（ｂ）は、ゲート電極１６ｃに負のバイアス電圧を印加した状態の電気力線１９ｂを示す図である。ここで、上述したように、第一のすだれ状電極１６の櫛形電極１６ａに高周波信号を印加し、櫛形電極１６ｂを接地している。
【００２８】
上述したように、ゲート電極１６ｃにバイアス電圧が印加されていない状態では、伝搬層１２とバリア層１３のヘテロ界面付近に二次元電子ガス１５が形成されているため、第一のすだれ状電極１６に入力された高周波信号により発生した電界（電気力線１９ａ）は二次元電子ガス１５によって、すべて遮蔽される。すなわち、上記の電界（電気力線１９ａ）における伝搬層１２への進入が困難となる。その結果、高周波信号の周波数の値に依拠することなく、伝搬層１２中に表面弾性波が励振されることはない。よって、ゲート電極１６ｃに負のバイアス電圧が印加されていない状態では、トランスバーサルフィルタ１０としての動作は実現されない。一方、図２（ｂ）に示すように、ゲート電極１６ｃに負のバイアス電圧を印加すると、伝搬層１２の櫛形電極１６ａ−ゲート電極１６ｃ間には、負のバイアス電圧による電界が発生する。また、櫛形電極１６ｂ−ゲート電極１６ｃ間にも、負のバイアス電圧による電界が発生する。上記の電界によって、ゲート電極１６ｃ直下の二次元電子ガス１５は、櫛形電極１６ａ直下の領域および櫛形電極１６ｂ直下の領域へ移動する。これにより、ゲート電極１６ｃ直下の領域が空乏化する。すなわち、櫛形電極１６ａ直下の領域および櫛形電極１６ｂ直下の領域だけに二次元電子ガス１５は存在する。
【００２９】
よって、ゲート電極１６ｃに負のバイアス電圧を印加することで、ゲート電極１６ｃ直下の領域を空乏化することができ、第一のすだれ状電極１６の櫛形電極１６ａに入力された高周波信号により発生した電界（電気力線１９ｂ）を伝搬層１２に進入させることができる。従って、表面弾性波が励振され、第二のすだれ状電極１７に伝搬させることができる。ゲート電極１７ｃにも負のバイアス電圧が印加されていれば、上記の表面弾性波を出力信号に変換することができ、図示しない出力回路に出力信号を出力できる。このとき、櫛形電極１６ａに入力された高周波信号の波長が電極指ピッチＴと一致すると、トランスバーサルフィルタ１０は上記の高周波信号を中心周波数ｆ０の表面弾性波に、最も効率良く変換することができる。同様に、トランスバーサルフィルタ１０は、第二のすだれ状電極１７に伝搬された上記の表面弾性波を出力信号に、最も効率良く変換することができる。一方、中心周波数ｆ０から離れる程、表面弾性波の伝搬効率が低下することから、中心周波数ｆ０以外の周波数を著しく減衰させることができ、トランスバーサルフィルタ１０としての機能を実現することができる。
【００３０】
更に、トランスバーサルフィルタ１０では、高周波信号を印加・出力する電極（櫛形電極１６ａ、１７ａ）とバイアス電圧を印加する電極（ゲート電極１６ｃ）を異なる構成としていることから、高周波信号とバイアス電圧を電気的に分離するフィルタを接続することなく、表面弾性波を励振・変換することができる。これから、回路構成を簡略化することもできる。更に、サファイア基板１１上の有限の厚さを有する伝搬層１２において表面弾性波が励振されることから、同一の形状の第一のすだれ状電極１６によって、伝搬速度、すなわち、周波数が異なる複数の表面弾性波のモードを励振させることができる。
【００３１】
また、伝搬層１２に進入する電界の強度は、ゲート電極１６ｃ直下の二次元電子ガス１５の濃度によって決定される。これは、伝搬層１２に励振される表面弾性波の強度が、上記の二次元電子ガス１５の濃度によることを意味する。そして、上記の二次元電子ガス１５の濃度は、図２（ａ）、（ｂ）に示したように、ゲート電極１６ｃに印加される負のバイアス電圧値によって決定される。よって、ゲート電極１６ｃに印加される負のバイアス電圧値を変調することで、二次元電子ガス１５の濃度を変調でき、伝搬層１２を伝搬する表面弾性波の強度も変調でき、更に、第二のすだれ状電極１７で変換される出力信号の強度も変調することができる。よって、バイアス電圧を所定の周波数を伴って変調することにより、振幅変調を行う周波数に応じて、高周波信号とバイアス電圧を電気的に分離するフィルタの特性を設定することなく、表面弾性波の振幅変調を実現することができる。
【００３２】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ２０について、第１の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０と異なる点を中心に図３および図４を参照して説明する。また、第２の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ２０について、第１の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０と同様の構造には同じ番号を付し、説明を省略する。図３は、本発明の第２の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ２０の構造図、図３（ａ）はトランスバーサルフィルタ２０の平面図、図３（ｂ）はトランスバーサルフィルタ２０を矢視ＢＢから見た断面図である。
【００３３】
図３に示すように、トランスバーサルフィルタ２０は、第１の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０と同様に、サファイア基板１１上に伝搬層１２が、伝搬層１２上にバリア層１３が形成されている。伝搬層１２とバリア層１３は積層構造１４を形成している。また、伝搬層１２とバリア層１３のヘテロ界面付近に二次元電子ガス１５が形成されている。更に、バリア層１３の表面上には、櫛形電極１６ａ、１６ｂからなる第一のすだれ状電極１６および櫛形電極１７ａ、１７ｂからなる第二のすだれ状電極１７が配置されている。櫛形電極１６ａに高周波信号が印加され、櫛形電極１６ｂは接地されている。櫛形電極１７ａに図示しない出力回路が接続され、櫛形電極１７ｂは接地されている。また、櫛形電極１６ａ、１６ｂ間で、櫛形電極１６ａ、１６ｂから等間隔隔てた位置に、ミアンダ状のゲート電極１６ｃが形成されている。同様に、櫛形電極１７ａ、１７ｂ間で、櫛形電極１７ａ、１７ｂから等間隔隔てた位置に、ミアンダ状のゲート電極１７ｃが形成されている。更に、ゲート電極１６ｃ、１７ｃに正のバイアス電圧が印加されている。なお、図３（ｂ）では、バイアス電圧が印加されていない状態の二次元電子ガス１５を示している。
【００３４】
第２の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ２０が、第１の実施形態と異なる点は、ゲート電極１６ｃ、１７ｃに正のバイアス電圧が印加されていることだけである。これから、第１の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０と同様の効果を取得することができる。また、第２の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ２０では、第１の実施形態と異なり、ゲート電極１６ｃ、１７ｃに正のバイアス電圧が印加されているが、後述するように、二次元電子ガス１５をゲート電極１６ｃ、１７ｃ直下の領域に移動させることができる。これから、櫛形電極１６ａに入力された高周波信号により発生した電界（図４の電気力線２９参照）を伝搬層１２に進入させることができる。更に、第二のすだれ状電極１７に伝搬した表面弾性波を出力信号に変更することができる。
【００３５】
図４は、図３に示す第一のすだれ状電極１６おける電気力線２９を示す図である。図４に示すように、ゲート電極１６ｃに正のバイアス電圧を印加すると、伝搬層１２の櫛形電極１６ａ−ゲート電極１６ｃ間には、正のバイアス電圧による電界が発生する。また、櫛形電極１６ｂ−ゲート電極１６ｃ間にも、正のバイアス電圧による電界が発生する。上記の電界によって、櫛形電極１６ａ、１６ｂ直下の二次元電子ガス１５は、ゲート電極１６ｃ直下の領域へ移動する。これにより、櫛形電極１６ａ直下の領域および櫛形電極１６ｂ直下の領域が空乏化する。すなわち、ゲート電極１６ｃ直下の領域だけに二次元電子ガス１５は存在する。よって、ゲート電極１６ｃに正のバイアス電圧を印加することで、櫛形電極１６ａ直下の領域および櫛形電極１６ｂ直下の領域を空乏化することができ、第一のすだれ状電極１６の櫛形電極１６ａに入力された高周波信号により発生した電界（電気力線２９）を伝搬層１２に進入させることができる。従って、表面弾性波が励振され、第二のすだれ状電極１７に伝搬される。以上より、ゲート電極１６ｃに正のバイアス電圧が印加された場合でも、第１の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０と同様の効果を取得することができる。
【００３６】
（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ３０の構造図、図５（ａ）はトランスバーサルフィルタ３０の平面図、図５（ｂ）はトランスバーサルフィルタ３０を矢視ＣＣから見た断面図である。
【００３７】
図５に示すように、トランスバーサルフィルタ３０は、（１１−２０）方向に配向するサファイア基板３１上に、同じく（１１−２０）方向に配向する不純物を積極的には含まない第一の窒化物系半導体材料であるＧａＮからなる伝搬層３２が形成されている。更に、（１１−２０）方向に配向するｎ型不純物を積極的に添加した窒化物系半導体材料であるＡｌＧａＮからなるバリア層３３が伝搬層３２上に形成されている。ＡｌＧａＮは、ＧａＮと比較して広いバンドギャップを有する窒化物系半導体材料である。伝搬層３２とバリア層３３は積層構造３４を形成している。トランスバーサルフィルタ３０の伝搬層３２の厚さは２μｍ、バリア層３３の厚さは２０ｎｍである。また、バリア層３３に添加されたｎ型不純物の作用により、伝搬層３２とバリア層３３のヘテロ界面付近、すなわち、接合面付近に二次元電子ガス３５が形成されている。なお、図５（ｂ）では、バイアス電圧が印加されていない状態の二次元電子ガス３５を示している。
【００３８】
バリア層３３の表面上には、第一のすだれ状電極３６および第二のすだれ状電極３７が所定の間隔をおいて配置されている。第一のすだれ状電極３６は、例えば、厚さ１００ｎｍのアルミニウムからなる櫛形電極３６ａ、３６ｂから構成されている。櫛形電極３６ａ、３６ｂは、櫛形電極３６ａ、３６ｂの電極指の配列方向を（０００１）方向と整合させて形成されている。また、櫛形電極３６ａに高周波（ＲＦ）信号が印加され、櫛形電極３６ｂは接地されている。
【００３９】
ここで、櫛形電極３６ａ、３６ｂは、従来のトランスバーサルフィルタ５０と同様に、所定の電極長、線幅ｈを有する電極指が電極指ピッチＴを隔てて、複数配列されて形成されている。なお、第３の実施形態において、櫛形電極３６ａ、３６ｂの電極指の配列方向は、（０００１）方向と整合する。すなわち、高周波信号によって励振された表面弾性波は、（０００１）方向に伝搬する。
【００４０】
更に、櫛形電極３６ａ、３６ｂは、配列間隔ｓを隔てて配置されている。これから、電極指ピッチＴは２×（線幅ｈ＋配列間隔ｓ）に等しくなる。第一のすだれ状電極３６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、表面弾性波が最も効率良く励振される。そこで、励振される表面弾性波の速度ｖ０とすると、表面弾性波の中心周波数ｆ０は、第一のすだれ状電極３６の櫛形電極３６ａ、３６ｂの電極指ピッチＴ、電極指の線幅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、電極指ピッチＴに等しい波長を持つ高周波信号を第一のすだれ状電極３６に入力することで、中心周波数ｆ０の表面弾性波を最も効率良く励振させることができ、第二のすだれ状電極３７へ伝搬させることができる。一方、中心周波数ｆ０から離れる程、表面弾性波の伝搬効率が低下することから、中心周波数ｆ０以外の周波数を著しく減衰させることができ、トランスバーサルフィルタ３０としての機能を実現している。
【００４１】
また、第二のすだれ状電極３７は、第一のすだれ状電極３６と同様に、例えば、厚さ１００ｎｍのアルミニウムからなる櫛形電極３７ａ、３７ｂから構成されている。櫛形電極３７ａ、３７ｂは、第一のすだれ状電極３６と同様に、櫛形電極３７ａ、３７ｂの電極指の配列方向を（０００１）方向と整合させて、形成されている。また、櫛形電極３７ａに図示しない出力回路が接続され、櫛形電極３７ｂは接地されている。第一のすだれ状電極３６と同様に、櫛形電極３７ａ、３７ｂは、所定の電極長、線幅ｈを有する電極指が電極指ピッチＴを隔てて、複数配列されて形成されている。なお、櫛形電極３７ａ、３７ｂの電極指の配列方向も、（０００１）方向と整合する。
【００４２】
更に、櫛形電極３７ａ、３７ｂは配列間隔ｓを隔てて、配置されている。これから、電極指ピッチＴは２×（線幅ｈ＋配列間隔ｓ）に等しくなる。第二のすだれ状電極３７に伝搬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、上記の中心周波数ｆ０の表面弾性波が出力信号に最も効率良く変換される。このようにして、第一のすだれ状電極３６から伝搬した表面弾性波は、第二のすだれ状電極３７で出力信号に変換される。その後、当該出力信号は図示しない出力回路に出力される。
【００４３】
しかし、トランスバーサルフィルタ３０では、伝搬層３２とバリア層３３のヘテロ界面付近、すなわち、接合面付近に二次元電子ガス３５が形成されているので、第一のすだれ状電極３６に入力された高周波信号により発生した電界は、二次元電子ガス３５によって、すべて遮蔽される。すなわち、上記の電界における伝搬層３２への進入が困難となる。よって、伝搬層３２で表面弾性波が励振されない。また、表面弾性波が励振し、第二のすだれ状電極３７に伝搬したとしても、表面弾性波による電界が二次元電子ガス３５によって遮蔽されるので、表面弾性波が変換されない。
【００４４】
そこで、図５に示したように、第３の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ３０では、櫛形電極３６ａ、３６ｂ間で、櫛形電極３６ａ、３６ｂから等間隔隔てた位置に、ミアンダ状のゲート電極３６ｃを形成している。更に、ゲート電極３６ｃに負のバイアス電圧を印加している。なお、ゲート電極３６ｃは、例えば厚さ１００ｎｍ、線幅ｈのアルミニウムからなる。同様に、櫛形電極３７ａ、３７ｂ間で、櫛形電極３７ａ、３７ｂから等間隔隔てた位置に、ミアンダ状のゲート電極３７ｃを形成している。更に、ゲート電極３７ｃに負のバイアス電圧を印加している。なお、ゲート電極３７ｃは、例えば厚さ１００ｎｍ、線幅ｈのアルミニウムからなる。よって、ゲート電極３６ｃに負のバイアス電圧を印加しているので、第１の実施形態と同様に、伝搬層３２の櫛形電極３６ａ−ゲート電極３６ｃ間には、負のバイアス電圧による電界が発生する。また、櫛形電極３６ｂ−ゲート電極３６ｃ間にも、負のバイアス電圧による電界が発生する。上記の電界によって、ゲート電極３６ｃ直下の二次元電子ガス３５は、櫛形電極１６ａ直下の領域および櫛形電極１６ｂ直下の領域へ移動するので、櫛形電極３６ａ直下の領域および櫛形電極３６ｂ直下の領域だけに二次元電子ガス３５が集中し、ゲート電極３６ｃ直下の領域を空乏化させることができる。
【００４５】
これから、ゲート電極３６ｃ直下の領域が空乏化するので、第一のすだれ状電極３６の櫛形電極３６ａに入力された高周波信号により発生した電界を伝搬層３２に進入させることができる。従って、表面弾性波が励振され、第二のすだれ状電極３７に伝搬させることができる。ゲート電極３７ｃにも負のバイアス電圧が印加されていれば、上記の表面弾性波を出力信号に変換することができ、図示しない出力回路に出力信号を出力できる。このとき、櫛形電極３６ａに入力された高周波信号の波長が電極指ピッチＴと一致すると、トランスバーサルフィルタ３０は上記の高周波信号を中心周波数ｆ０の表面弾性波に、最も効率良く変換することができる。同様に、トランスバーサルフィルタ３０は、第二のすだれ状電極３７に伝搬された上記の表面弾性波を出力信号に、最も効率良く変換することができる。一方、中心周波数ｆ０から離れる程、表面弾性波の伝搬効率が低下することから、中心周波数ｆ０以外の周波数を著しく減衰させることができ、トランスバーサルフィルタ３０としての機能を実現することができる。
【００４６】
更に、トランスバーサルフィルタ３０では、高周波信号を印加・出力する電極（櫛形電極３６ａ、３７ａ）とバイアス電圧を印加する電極（ゲート電極３６ｃ）を異なる構成としていることから、高周波信号とバイアス電圧を電気的に分離するフィルタを接続することなく、表面弾性波を励振することができる。これから、回路構成を簡略化することもできる。更に、サファイア基板３１上の有限の厚さを有する伝搬層３２において表面弾性波が励振されることから、同一の形状の第一のすだれ状電極３６によって、伝搬速度、すなわち、周波数が異なる複数の表面弾性波のモードを励振させることができる。
【００４７】
また、伝搬層３２に進入する電界の強度は、ゲート電極３６ｃ直下の二次元電子ガス３５の濃度によって決定される。これは、伝搬層３２に励振される表面弾性波の強度が、上記の二次元電子ガス３５の濃度によることを意味する。そして、上記の二次元電子ガス３５の濃度は、第１の実施形態と同様に、ゲート電極３６ｃに印加される負のバイアス電圧値によって決定される。よって、ゲート電極３６ｃに印加される負のバイアス電圧値を変調することで、二次元電子ガス３５の濃度を変調でき、伝搬層３２を伝搬する表面弾性波の強度も変調でき、更に、第二のすだれ状電極３７で変換される出力信号の強度も変調することができる。よって、バイアス電圧を所定の周波数を伴って変調することにより、振幅変調を行う周波数に応じて、高周波信号とバイアス電圧を電気的に分離するフィルタの特性を設定することなく、表面弾性波の振幅変調を実現することができる。
【００４８】
また、第３の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ３０は、第１の実施形態と異なり、（１１−２０）方向に配向するサファイア基板３１上に形成された、（１１−２０）方向に配向する不純物を積極的には含まないＧａＮからなる伝搬層３２上に、（１１−２０）方向に配向するｎ型不純物を積極的に添加したＡｌＧａＮからなるバリア層３３が形成されている。更に、櫛形電極３６ａ、３６ｂ、３７ａおよび３７ｂの電極指の配列方向を（０００１）方向と整合させて、伝搬層３２を伝搬する表面弾性波が（０００１）方向に伝搬するように、櫛形電極３６ａ、３６ｂ、３７ａおよび３７ｂをバリア層３３上に形成している。これにより、表面弾性波の伝搬方向を（０００１）方向とすることで、（０００１）面内方向の場合と比較して、高周波信号と表面弾性波との変換効率（電気機械結合常数）をより高くすることができる。同様に、表面弾性波と出力信号との変換効率（電気機械結合常数）もより高くすることができる。よって、より高い電気機械結合常数を持つトランスバーサルフィルタ３０を提供することができる。
【００４９】
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、第１、第２および第３の実施形態では、トランスバーサルフィルタ１０、２０、３０について、本発明に係る構造を適用したが、特にこれに限定されるものでなく、他の表面弾性波デバイス、例えば共振器にも適用可能である。また、本発明の第１、第２および第３の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０、２０、３０中のいずれか一つと、当該トランスバーサルフィルタと同一の積層構造の表面にオーミック特性を有するソース電極、ドレイン電極およびショットキ特性を有するゲート電極が形成されて構成された電界効果型トランジスタと、を備えた集積回路を形成することも可能である。
【００５０】
また、第１、第２および第３の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０、２０、３０では、第一の窒化物系半導体材料としてＧａＮを使用して、伝搬層１２、３２を形成しているが、特にこれに限定されるものでなく、窒化物系半導体材料であれば、他の材料で伝搬層を形成することもできる。
【００５１】
また、第１および第２の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０、２０では、第二の窒化物系半導体材料としてＡｌＧａＮを使用して、ＡｌＧａＮに積極的に不純物を添加しないでバリア層１３を形成しているが、特にこれに限定されるものでなく、窒化物系半導体材料であれば、他の材料でバリア層１３を形成することもできる。
【００５２】
また、第３の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ３０では、第二の窒化物系半導体材料としてＡｌＧａＮを使用して、ＡｌＧａＮにｎ型不純物を積極的に添加してバリア層３３を形成しているが、特にこれに限定されるものでなく、窒化物系半導体材料であれば、他の材料でバリア層３３を形成することもできる。
【００５３】
また、第１および第２の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０、２０では、（０００１）方向に配向するサファイア基板１１上に積層構造１４を形成しているが、特にこれに限定されるものでなく、（０００１）の面方位を有する他の基板、例えば、半絶縁性ＳｉＣ基板上に積層構造１４を形成しても良い。
【００５４】
また、第１、第２および第３の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０、２０、３０では、一組のすだれ状電極をバリア層１３、３３の表面上に形成しているが、特にこれに限定されるものでなく、数組のすだれ状電極をバリア層の表面上に形成しても良い。
【００５５】
また、第１、第２および第３の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０、２０、３０に形成されたゲート電極１６ｃ、１７ｃ、３６ｃおよび３７ｃは、ミアンダ状の電極であるが、特にこれに限定されるものでなく、他の構造の電極であっても良い。例えば、エアブリッジ構造を用いることにより、マルチフィンガ型の電極とすることも可能である。
【００５６】
また、第１および第２の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０、２０では、櫛形電極１６ａに高周波信号を印加し、櫛形電極１６ｂを接地しているが、特にこれに限定されるものでなく、櫛形電極１６ａを接地しても良い。同様に、櫛形電極１７ａに図示しない出力回路を接続し、櫛形電極１６ｂを接地しているが、櫛形電極１７ａを接地しても良い。更に、第３の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ３０でも、櫛形電極３６ａに高周波信号を印加し、櫛形電極１６ｂを接地しているが、櫛形電極３６ａを接地しても良い。同様に、櫛形電極３７ａに図示しない出力回路を接続し、櫛形電極３６ｂを接地しているが、櫛形電極３７ａを接地しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る表面弾性波デバイスの一種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に示す第一のすだれ状電極おける電気力線を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係るトランスバーサルフィルタの構造図である。
【図４】図３に示す第一のすだれ状電極おける電気力線を示す図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係るトランスバーサルフィルタの構造図である。
【図６】従来のトランスバーサルフィルタの構造図である。
【図７】図６に示す従来のトランスバーサルフィルタの第一のすだれ状電極の拡大図である。
【図８】図６に示すトランスバーサルフィルタのバンドダイアグラムである。
【符号の説明】
【００５８】
１０ 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 バリア層、１４ 積層構造、１５ 二次元電子ガス、
１６ 第一のすだれ状電極、１６ａ、１６ｂ 櫛形電極、
１６ｃ ゲート電極、１７ 第二のすだれ状電極、
１７ａ、１７ｂ 櫛形電極、１７ｃ ゲート電極、
１９ａ、１９ｂ 電気力線、２０ トランスバーサルフィルタ、
２９ 電気力線、３０ トランスバーサルフィルタ、
３１ サファイア基板、３２ 伝搬層、３３ バリア層、３４ 積層構造、
３５ 二次元電子ガス、３６ 第一のすだれ状電極、
３６ａ、３６ｂ 櫛形電極、３６ｃ ゲート電極、
３７ 第二のすだれ状電極、３７ａ、３７ｂ 櫛形電極、
３７ｃ ゲート電極、
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、５３ バリア層、５４ 積層構造、５５ 二次元電子ガス、
５６ 第一のすだれ状電極、５６ａ、５６ｂ 櫛形電極、
５７ 第二のすだれ状電極、５７ａ、５７ｂ 櫛形電極、５８ 電極指
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電性を有する半導体材料からなる伝搬層上に櫛形電極を形成した表面弾性波デバイス（ＳＡＷデバイス）および該表面弾性波デバイスを有する集積回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の表面弾性波デバイスについて、その一種であるトランスバーサルフィルタを例として説明する。図６は、従来のトランスバーサルフィルタ５０の構造図で、図６（ａ）はトランスバーサルフィルタ５０の平面図、図６（ｂ）はトランスバーサルフィルタ５０を矢視ＤＤから見た断面図である。
【０００３】
図６に示すように、トランスバーサルフィルタ５０は、サファイア基板５１上に、不純物を積極的に含まないＧａＮからなる伝搬層５２が形成されている。更に、伝搬層５２上に、不純物を積極的に含まないＡｌＧａＮからなるバリア層５３が形成されている。ＡｌＧａＮは、ＧａＮと比較して広いバンドギャップを有する窒化物系半導体材料である。また、伝搬層５２とバリア層５３は、積層構造５４を形成している。そして、バリア層５３の表面上に、櫛形電極５６ａ、５６ｂからなる第一のすだれ状電極５６および櫛形電極５７ａ、５７ｂからなる第二のすだれ状電極５７が形成されている。更に、図６に示すように、櫛形電極５６ａは、コンデンサＣとインダクタンスＬからなるフィルタが接続され、更に当該フィルタに高周波（ＲＦ）信号源（入力信号源）と負のバイアス電圧源が接続されている。当該フィルタは高周波信号（入力信号）と負のバイアス電圧を電気的に分離するために設けられている。また、櫛形電極５７ａは、コンデンサＣとインダクタンスＬからなるフィルタが接続され、更に当該フィルタに図示しない出力回路と負のバイアス電圧源が接続されている。当該フィルタは高周波信号と負のバイアス電圧を電気的に分離するために設けられている。一方、櫛形電極５６ｂ、５７ｂは接地されている。
【０００４】
図７は、図６に示す従来のトランスバーサルフィルタ５０の第一のすだれ状電極５６の拡大図である。第一のすだれ状電極５６は、ＮｉＡｕからなる櫛形電極５６ａ、５６ｂから構成されている。櫛形電極５６ａ、５６ｂは、所定の電極長および線幅ｈを有する電極指５８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。また、櫛形電極５６ａ、５６ｂは、配列間隔ｓを隔てて配置されている。よって、電極指ピッチＴは２×（線幅ｈ＋配列間隔ｓ）に等しくなる。同様に、第二のすだれ状電極５７も、ＮｉＡｕからなる櫛形電極５７ａ、５７ｂから構成されている。櫛形電極５７ａ、５７ｂも、所定の電極長および線幅ｈを有する電極指５８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。同様に、櫛形電極５７ａ、５７ｂは、配列間隔ｓを隔てて配置されている。よって、電極指ピッチＴは２×（線幅ｈ＋配列間隔ｓ）に等しくなる。更に、トランスバーサルフィルタ５０の第一のすだれ状電極５６および第二のすだれ状電極５７は、所定の間隔をおいて対向する位置に配置されている。これより、第一のすだれ状電極５６に高周波信号を印加することで、表面弾性波を励振させている。表面弾性波は、伝搬層５２を伝搬し、第二のすだれ状電極５７で高周波信号に変換される。その後、高周波信号は、上記のフィルタを介して、図示しない出力回路に出力される。
【０００５】
図８は、図６に示すトランスバーサルフィルタ５０のバンドダイアグラムである。図６では、負のバイアス電圧を印加していない状態と、負のバイアス電圧を印加した状態の櫛形電極５６ａ-５６ｂ間のバンドダイアグラムを示している。ここで、バリア層５３の表面は、通常はIII族元素面からなることが知られている。その結果、負のバイアス電圧が印加されていない場合、窒化物系半導体材料の圧電性およびＧａＮとＡｌＧａＮとの格子定数の相違により、伝搬層５２とバリア層５３のヘテロ界面付近、すなわち、接合面付近に二次元電子ガス５５（図６（ｂ）および図８のＰ部参照）が形成される。そのため、負のバイアス電圧が印加されていない場合、二次元電子ガス５５により、高周波信号により発生した電界はすべて遮蔽され、伝搬層５２中に進入するのは困難である。このため、表面弾性波を励振させることができなかった。すなわち、トランスバーサルフィルタ５０としての機能は実現されていなかった。
【０００６】
そこで、第一のすだれ状電極５６において、櫛形電極５６ａに負のバイアス電圧を印加し、櫛形電極５６ｂを接地する。これにより、両櫛形電極５６ａ、５６ｂ間には、負のバイアス電圧による電界が発生するので、二次元電子ガス５５を櫛形電極５６ａ直下の領域（図８のＱ部参照）から櫛形電極５６ｂ直下の領域（図８のＲ部参照）に移動させ、櫛形電極５６ａ直下の領域を空乏化させている。櫛形電極５６ａ直下の領域を空乏化させることで、高周波信号により発生した電界を伝搬層５２内に進入させて、表面弾性波を励振・伝搬させている。また、負のバイアス電圧を調整することで、二次元電子ガス５５の移動を制御し、伝搬層５２に進入する電界の強度を変更し、表面弾性波の強度を変調している。同様に、第二のすだれ状電極５７においても、櫛形電極５７ａに負のバイアス電圧を印加し、櫛形電極５７ｂを接地する。これにより、二次元電子ガス５５を櫛形電極５７ａ直下の領域から櫛形電極５７ｂ直下の領域に移動させ、櫛形電極５７ａ直下の領域を空乏化させている。
【０００７】
ここで、第一のすだれ状電極５６に入力される高周波信号の波長が、上述した電極指ピッチＴに等しいとき、表面弾性波が最も効率良く励振されることが知られている。この場合、励振される表面弾性波の速度ｖ０とすると、表面弾性波の中心周波数ｆ０は、第一のすだれ状電極５６の電極指ピッチＴ、電極指５８の線幅ｈ、配列間隔ｓから、ｆ０＝ｖ０／Ｔ＝ｖ０／｛２（ｈ＋ｓ）｝と表される。すなわち、電極指ピッチＴに等しい波長を持つ高周波信号を第一のすだれ状電極５６に入力することで、中心周波数ｆ０の表面弾性波を最も効率良く励振させて、第二のすだれ状電極５７へ伝搬させることができる。第二のすだれ状電極５７においても、負のバイアス電圧が印加されて櫛形電極５７ａ直下の領域が空乏化されていることから、中心周波数ｆ０の表面弾性波は効率よく高周波信号に変換され出カされる。一方、中心周波数ｆ０から離れる程、表面弾性波の伝搬効率が低下する。この特性により、中心周波数ｆ０以外の周波数を著しく減衰させることができ、トランスバーサルフィルタ５０としての機能を実現している。
【０００８】
逆に、櫛形電極５６ａ、５７ａを接地し、櫛形電極５６ｂ、５７ｂに正のバイアス電圧を印加した場合、二次元電子ガス５５は櫛形電極５６ａ、５７ａ直下の領域から櫛形電極５６ｂ、５７ｂ直下の領域に移動する。これから、伝搬層５２の櫛形電極５６ａ、５７ａ直下の領域を空乏化させている。更に、バイアス電圧に重畳して高周波信号を第一のすだれ状電極５６に印加することにより、高周波信号により発生した電界は伝搬層５２中に進入する。従って、上記と同様に、表面弾性波の励振・伝搬が実現される。すなわち、従来のトランスバーサルフィルタ５０では、第一のすだれ状電極５６に印加される正或いは負のバイアス電圧によって励振・伝搬される表面弾性波の強度が変調され、トランスバーサルフィルタ５０としての機能が制御される。また、バイアス電圧を所定の周波数で変化させることにより、表面弾性波に振幅変調を加えている。なお、従来のトランスバーサルフィルタ５０では、サファイア基板５１上の有限の厚さを有する積層構造５４において表面弾性波が励振されることから、同一の形状の櫛形電極によって、伝搬速度が異なる、すなわち、周波数が異なる複数の表面弾性波のモードを励振させている。
【非特許文献１】Voltage Controlled SAW filters on 2DEG AlGaN/GaN heterostructures(2004 IEEE MTT-S Digest PP.387-390).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、従来のトランスバーサルフィルタ５０では、図６に示したように、表面弾性波を励振させるために第一のすだれ状電極５６に印加する高周波信号と、表面弾性波の強度を制御するバイアス電圧とを同一の櫛形電極５６ａに印加する構造とし、更に、伝搬層５２を伝搬した表面弾性波に基づいて第二のすだれ状電極５７から出力される出力信号と、二次元電子ガス５５を移動させるバイアス電圧とを同一の櫛形電極５７ａに印加する構造としていることから、高周波信号とバイアス電圧を電気的に分離するバイアスティなどのフィルタが必要であるといった問題があった。
【００１０】
また、バイアス電圧を所定の変調周波数によって変調し、表面弾性波に振幅変調を加える場合、振幅変調を行う周波数に応じてフィルタの特性を設定する必要があった。
【００１１】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、入力信号とバイアス電圧を電気的に分離するフィルタを接続することなく、表面弾性波を励振することができる表面弾性波デバイスおよび該表面弾性波デバイスを有する集積回路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】
【００１２】
上記目的達成のため、本発明に係る表面弾性波デバイスでは、基板と、第一の半導体材料からなる伝搬層と、前記第一の半導体材料と比較して広いバンドギャップを持つ第二の半導体材料からなるバリア層と、前記バリア層の表面に形成された一対の櫛形電極と、を備える表面弾性波デバイスにおいて、前記一対の櫛形電極間にゲート電極を形成することを特徴としている。
【００１３】
また、請求項２に記載のように、請求項１に記載の表面弾性波デバイスにおいて、前記伝搬層は、（０００１）方向に配向する前記第一の窒化物系半導体材料から形成され、前記バリア層は、（０００１）方向に配向する前記第二の窒化物系半導体材料から形成され、前記バリア層の前記表面は、III族元素面であることを特徴としている。
【００１４】
また、請求項３に記載のように、請求項１に記載の表面弾性波デバイスにおいて、前記伝搬層は、（１１−２０）方向に配向する前記第一の窒化物系半導体材料から形成され、前記バリア層は、（１１−２０）方向に配向する前記第二の窒化物系半導体材料にｎ型不純物を積極的に添加させて形成され、前記櫛形電極は、該櫛形電極の電極指の配列方向を（０００１）方向と整合させて形成されることを特徴としている。
【００１５】
また、請求項４に記載の集積回路は、請求項１〜３のいずれかに記載の表面弾性波デバイスと、該表面弾性波デバイスと同一積層構造にオーミック特性を有するソース電極、ドレイン電極およびショットキ特性を有するゲート電極を形成することにより構成される電界効果型トランジスタを備えることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明により、入力信号とバイアス電圧を電気的に分離するフィルタを接続することなく、表面弾性波を励振させることができる。
【００１７】
また、振幅変調を行う周波数に応じて、入力信号とバイアス電圧を電気的に分離するフィルタの特性を設定することなく、表面弾性波の振幅変調を実現することができる。
【００１８】
また、（１１−２０）方向に配向する第一の窒化物系半導体材料からなる伝搬層を形成し、（１１−２０）方向に配向する第二の窒化物系半導体材料にｎ型不純物を積極的に添加させてバリア層を形成し、櫛形電極の電極指の配列方向を（０００１）方向と整合させて櫛形電極を形成したときは、高周波信号と表面弾性波との間の変換効率（電気機械結合常数）をより高くすることもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、本発明の第１乃至第３の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０乃至３０について、図１乃至図５を参照して説明する。
【００２０】
（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０について、図１および図２を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る表面弾性波デバイスの一種であるトランスバーサルフィルタ１０の構造図で、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。
【００２１】
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）方向に配向する不純物を積極的には含まない第一の窒化物系半導体材料であるＧａＮからなる伝搬層１２が形成されている。更に、（０００１）方向に配向する不純物を積極的には含まない第二の窒化物系半導体材料であるＡｌＧａＮからなるバリア層１３が伝搬層１２上に形成されている。ＡｌＧａＮは、ＧａＮと比較して広いバンドギャップを有する窒化物系半導体材料である。伝搬層１２とバリア層１３は積層構造１４を形成している。トランスバーサルフィルタ１０の伝搬層１２の厚さは２μｍ、バリア層１３の厚さは２０ｎｍである。
【００２２】
積層構造１４の表面、すなわち、バリア層１３の表面は、III族元素面からなり、従来のトランスバーサルフィルタ５０と同様に、伝搬層１２を形成するＧａＮの圧電性およびＧａＮ−ＡｌＧａＮ間の格子定数の相違により伝搬層１２とバリア層１３のヘテロ界面付近、すなわち、接合面付近に二次元電子ガス１５が形成されている。また、バリア層１３の表面上には、第一のすだれ状電極１６および第二のすだれ状電極１７が、所定の間隔をおいて対向する位置に配置されている。第一のすだれ状電極１６は、例えば、厚さ１００ｎｍのアルミニウムからなる櫛形電極１６ａ、１６ｂから構成されている。また、櫛形電極１６ａに入力信号である高周波（ＲＦ）信号が印加され、櫛形電極１６ｂは接地されている。なお、図１（ｂ）では、バイアス電圧が印加されていない状態の二次元電子ガス１５を示している。
【００２３】
ここで、櫛形電極１６ａ、１６ｂは、従来のトランスバーサルフィルタ５０と同様に、所定の電極長、線幅ｈを有する電極指が電極指ピッチＴを隔てて、複数配列されて形成されている。また、櫛形電極１６ａ、１６ｂは、配列間隔ｓを隔てて配置されている。これから、電極指ピッチＴは２×（線幅ｈ＋配列間隔ｓ）に等しくなる。第一のすだれ状電極１６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、表面弾性波が最も効率良く励振される。そこで、励振される表面弾性波の速度ｖ０とすると、表面弾性波の中心周波数ｆ０は、第一のすだれ状電極１６の電極指ピッチＴ、電極指の線幅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、電極指ピッチＴに等しい波長を持つ高周波信号を第一のすだれ状電極１６に入力することで、中心周波数ｆ０の表面弾性波を最も効率良く励振させることができ、第二のすだれ状電極１７へ伝搬させることができる。一方、中心周波数ｆ０から離れる程、表面弾性波の伝搬効率が低下することから、中心周波数ｆ０以外の周波数を著しく減衰させることができ、トランスバーサルフィルタ１０としての機能を実現している。
【００２４】
また、第二のすだれ状電極１７は、第一のすだれ状電極１６と同様に、例えば、厚さ１００ｎｍのアルミニウムからなる櫛形電極１７ａ、１７ｂから構成されている。また、櫛形電極１７ａに図示しない出力回路が接続され、櫛形電極１７ｂは接地されている。第一のすだれ状電極１６と同様に、櫛形電極１７ａ、１７ｂは、所定の電極長、線幅ｈを有する電極指が電極指ピッチＴを隔てて、複数配列されて形成されている。櫛形電極１７ａ、１７ｂは配列間隔ｓを隔てて、配置されている。これから、電極指ピッチＴは２×（線幅ｈ＋配列間隔ｓ）に等しくなる。第二のすだれ状電極１７に伝搬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、上記の中心周波数ｆ０の表面弾性波が出力信号に最も効率良く変換される。このようにして、第一のすだれ状電極１６から伝搬した表面弾性波は、第二のすだれ状電極１７で出力信号に変換される。その後、当該出力信号は図示しない出力回路に出力される。
【００２５】
しかし、トランスバーサルフィルタ１０では、伝搬層１２とバリア層１３のヘテロ界面付近、すなわち、接合面付近に二次元電子ガス１５が形成されているので、第一のすだれ状電極１６に入力された高周波信号により発生した電界は、二次元電子ガス１５によって、すべて遮蔽される。すなわち、上記の電界における伝搬層１２への進入が困難となる。よって、伝搬層１２で表面弾性波が励振されない。また、表面弾性波が励振し、第二のすだれ状電極１７に伝搬したとしても、表面弾性波による電界が二次元電子ガス１５によって遮蔽されるので、表面弾性波が変換されない。
【００２６】
そこで、図１に示したように、第１の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０では、櫛形電極１６ａ、１６ｂ間で、櫛形電極１６ａ、１６ｂから等間隔隔てた位置に、ミアンダ状のゲート電極１６ｃを形成している。更に、ゲート電極１６ｃに負のバイアス電圧を印加している。なお、ゲート電極１６ｃは、例えば厚さ１００ｎｍ、線幅ｈのアルミニウムからなる。同様に、櫛形電極１７ａ、１７ｂ間で、櫛形電極１７ａ、１７ｂから等間隔隔てた位置に、ミアンダ状のゲート電極１７ｃを形成している。更に、ゲート電極１７ｃに負のバイアス電圧を印加している。なお、ゲート電極１７ｃも、例えば厚さ１００ｎｍ、線幅ｈのアルミニウムからなる。
【００２７】
図２は、図１に示す第一のすだれ状電極１６における電気力線１９ａ、１９ｂを示す図である。図２（ａ）は、ゲート電極１６ｃにバイアス電圧を印加しない状態の電気力線１９ａを示す図、図２（ｂ）は、ゲート電極１６ｃに負のバイアス電圧を印加した状態の電気力線１９ｂを示す図である。ここで、上述したように、第一のすだれ状電極１６の櫛形電極１６ａに高周波信号を印加し、櫛形電極１６ｂを接地している。
【００２８】
上述したように、ゲート電極１６ｃにバイアス電圧が印加されていない状態では、伝搬層１２とバリア層１３のヘテロ界面付近に二次元電子ガス１５が形成されているため、第一のすだれ状電極１６に入力された高周波信号により発生した電界（電気力線１９ａ）は二次元電子ガス１５によって、すべて遮蔽される。すなわち、上記の電界（電気力線１９ａ）における伝搬層１２への進入が困難となる。その結果、高周波信号の周波数の値に依拠することなく、伝搬層１２中に表面弾性波が励振されることはない。よって、ゲート電極１６ｃに負のバイアス電圧が印加されていない状態では、トランスバーサルフィルタ１０としての動作は実現されない。一方、図２（ｂ）に示すように、ゲート電極１６ｃに負のバイアス電圧を印加すると、伝搬層１２の櫛形電極１６ａ−ゲート電極１６ｃ間には、負のバイアス電圧による電界が発生する。また、櫛形電極１６ｂ−ゲート電極１６ｃ間にも、負のバイアス電圧による電界が発生する。上記の電界によって、ゲート電極１６ｃ直下の二次元電子ガス１５は、櫛形電極１６ａ直下の領域および櫛形電極１６ｂ直下の領域へ移動する。これにより、ゲート電極１６ｃ直下の領域が空乏化する。すなわち、櫛形電極１６ａ直下の領域および櫛形電極１６ｂ直下の領域だけに二次元電子ガス１５は存在する。
【００２９】
よって、ゲート電極１６ｃに負のバイアス電圧を印加することで、ゲート電極１６ｃ直下の領域を空乏化することができ、第一のすだれ状電極１６の櫛形電極１６ａに入力された高周波信号により発生した電界（電気力線１９ｂ）を伝搬層１２に進入させることができる。従って、表面弾性波が励振され、第二のすだれ状電極１７に伝搬させることができる。ゲート電極１７ｃにも負のバイアス電圧が印加されていれば、上記の表面弾性波を出力信号に変換することができ、図示しない出力回路に出力信号を出力できる。このとき、櫛形電極１６ａに入力された高周波信号の波長が電極指ピッチＴと一致すると、トランスバーサルフィルタ１０は上記の高周波信号を中心周波数ｆ０の表面弾性波に、最も効率良く変換することができる。同様に、トランスバーサルフィルタ１０は、第二のすだれ状電極１７に伝搬された上記の表面弾性波を出力信号に、最も効率良く変換することができる。一方、中心周波数ｆ０から離れる程、表面弾性波の伝搬効率が低下することから、中心周波数ｆ０以外の周波数を著しく減衰させることができ、トランスバーサルフィルタ１０としての機能を実現することができる。
【００３０】
更に、トランスバーサルフィルタ１０では、高周波信号を印加・出力する電極（櫛形電極１６ａ、１７ａ）とバイアス電圧を印加する電極（ゲート電極１６ｃ）を異なる構成としていることから、高周波信号とバイアス電圧を電気的に分離するフィルタを接続することなく、表面弾性波を励振・変換することができる。これから、回路構成を簡略化することもできる。更に、サファイア基板１１上の有限の厚さを有する伝搬層１２において表面弾性波が励振されることから、同一の形状の第一のすだれ状電極１６によって、伝搬速度、すなわち、周波数が異なる複数の表面弾性波のモードを励振させることができる。
【００３１】
また、伝搬層１２に進入する電界の強度は、ゲート電極１６ｃ直下の二次元電子ガス１５の濃度によって決定される。これは、伝搬層１２に励振される表面弾性波の強度が、上記の二次元電子ガス１５の濃度によることを意味する。そして、上記の二次元電子ガス１５の濃度は、図２（ａ）、（ｂ）に示したように、ゲート電極１６ｃに印加される負のバイアス電圧値によって決定される。よって、ゲート電極１６ｃに印加される負のバイアス電圧値を変調することで、二次元電子ガス１５の濃度を変調でき、伝搬層１２を伝搬する表面弾性波の強度も変調でき、更に、第二のすだれ状電極１７で変換される出力信号の強度も変調することができる。よって、バイアス電圧を所定の周波数を伴って変調することにより、振幅変調を行う周波数に応じて、高周波信号とバイアス電圧を電気的に分離するフィルタの特性を設定することなく、表面弾性波の振幅変調を実現することができる。
【００３２】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ２０について、第１の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０と異なる点を中心に図３および図４を参照して説明する。また、第２の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ２０について、第１の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０と同様の構造には同じ番号を付し、説明を省略する。図３は、本発明の第２の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ２０の構造図、図３（ａ）はトランスバーサルフィルタ２０の平面図、図３（ｂ）はトランスバーサルフィルタ２０を矢視ＢＢから見た断面図である。
【００３３】
図３に示すように、トランスバーサルフィルタ２０は、第１の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０と同様に、サファイア基板１１上に伝搬層１２が、伝搬層１２上にバリア層１３が形成されている。伝搬層１２とバリア層１３は積層構造１４を形成している。また、伝搬層１２とバリア層１３のヘテロ界面付近に二次元電子ガス１５が形成されている。更に、バリア層１３の表面上には、櫛形電極１６ａ、１６ｂからなる第一のすだれ状電極１６および櫛形電極１７ａ、１７ｂからなる第二のすだれ状電極１７が配置されている。櫛形電極１６ａに高周波信号が印加され、櫛形電極１６ｂは接地されている。櫛形電極１７ａに図示しない出力回路が接続され、櫛形電極１７ｂは接地されている。また、櫛形電極１６ａ、１６ｂ間で、櫛形電極１６ａ、１６ｂから等間隔隔てた位置に、ミアンダ状のゲート電極１６ｃが形成されている。同様に、櫛形電極１７ａ、１７ｂ間で、櫛形電極１７ａ、１７ｂから等間隔隔てた位置に、ミアンダ状のゲート電極１７ｃが形成されている。更に、ゲート電極１６ｃ、１７ｃに正のバイアス電圧が印加されている。なお、図３（ｂ）では、バイアス電圧が印加されていない状態の二次元電子ガス１５を示している。
【００３４】
第２の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ２０が、第１の実施形態と異なる点は、ゲート電極１６ｃ、１７ｃに正のバイアス電圧が印加されていることだけである。これから、第１の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０と同様の効果を取得することができる。また、第２の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ２０では、第１の実施形態と異なり、ゲート電極１６ｃ、１７ｃに正のバイアス電圧が印加されているが、後述するように、二次元電子ガス１５をゲート電極１６ｃ、１７ｃ直下の領域に移動させることができる。これから、櫛形電極１６ａに入力された高周波信号により発生した電界（図４の電気力線２９参照）を伝搬層１２に進入させることができる。更に、第二のすだれ状電極１７に伝搬した表面弾性波を出力信号に変更することができる。
【００３５】
図４は、図３に示す第一のすだれ状電極１６おける電気力線２９を示す図である。図４に示すように、ゲート電極１６ｃに正のバイアス電圧を印加すると、伝搬層１２の櫛形電極１６ａ−ゲート電極１６ｃ間には、正のバイアス電圧による電界が発生する。また、櫛形電極１６ｂ−ゲート電極１６ｃ間にも、正のバイアス電圧による電界が発生する。上記の電界によって、櫛形電極１６ａ、１６ｂ直下の二次元電子ガス１５は、ゲート電極１６ｃ直下の領域へ移動する。これにより、櫛形電極１６ａ直下の領域および櫛形電極１６ｂ直下の領域が空乏化する。すなわち、ゲート電極１６ｃ直下の領域だけに二次元電子ガス１５は存在する。よって、ゲート電極１６ｃに正のバイアス電圧を印加することで、櫛形電極１６ａ直下の領域および櫛形電極１６ｂ直下の領域を空乏化することができ、第一のすだれ状電極１６の櫛形電極１６ａに入力された高周波信号により発生した電界（電気力線２９）を伝搬層１２に進入させることができる。従って、表面弾性波が励振され、第二のすだれ状電極１７に伝搬される。以上より、ゲート電極１６ｃに正のバイアス電圧が印加された場合でも、第１の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０と同様の効果を取得することができる。
【００３６】
（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ３０の構造図、図５（ａ）はトランスバーサルフィルタ３０の平面図、図５（ｂ）はトランスバーサルフィルタ３０を矢視ＣＣから見た断面図である。
【００３７】
図５に示すように、トランスバーサルフィルタ３０は、（１１−２０）方向に配向するサファイア基板３１上に、同じく（１１−２０）方向に配向する不純物を積極的には含まない第一の窒化物系半導体材料であるＧａＮからなる伝搬層３２が形成されている。更に、（１１−２０）方向に配向するｎ型不純物を積極的に添加した窒化物系半導体材料であるＡｌＧａＮからなるバリア層３３が伝搬層３２上に形成されている。ＡｌＧａＮは、ＧａＮと比較して広いバンドギャップを有する窒化物系半導体材料である。伝搬層３２とバリア層３３は積層構造３４を形成している。トランスバーサルフィルタ３０の伝搬層３２の厚さは２μｍ、バリア層３３の厚さは２０ｎｍである。また、バリア層３３に添加されたｎ型不純物の作用により、伝搬層３２とバリア層３３のヘテロ界面付近、すなわち、接合面付近に二次元電子ガス３５が形成されている。なお、図５（ｂ）では、バイアス電圧が印加されていない状態の二次元電子ガス３５を示している。
【００３８】
バリア層３３の表面上には、第一のすだれ状電極３６および第二のすだれ状電極３７が所定の間隔をおいて配置されている。第一のすだれ状電極３６は、例えば、厚さ１００ｎｍのアルミニウムからなる櫛形電極３６ａ、３６ｂから構成されている。櫛形電極３６ａ、３６ｂは、櫛形電極３６ａ、３６ｂの電極指の配列方向を（０００１）方向と整合させて形成されている。また、櫛形電極３６ａに高周波（ＲＦ）信号が印加され、櫛形電極３６ｂは接地されている。
【００３９】
ここで、櫛形電極３６ａ、３６ｂは、従来のトランスバーサルフィルタ５０と同様に、所定の電極長、線幅ｈを有する電極指が電極指ピッチＴを隔てて、複数配列されて形成されている。なお、第３の実施形態において、櫛形電極３６ａ、３６ｂの電極指の配列方向は、（０００１）方向と整合する。すなわち、高周波信号によって励振された表面弾性波は、（０００１）方向に伝搬する。
【００４０】
更に、櫛形電極３６ａ、３６ｂは、配列間隔ｓを隔てて配置されている。これから、電極指ピッチＴは２×（線幅ｈ＋配列間隔ｓ）に等しくなる。第一のすだれ状電極３６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、表面弾性波が最も効率良く励振される。そこで、励振される表面弾性波の速度ｖ０とすると、表面弾性波の中心周波数ｆ０は、第一のすだれ状電極３６の櫛形電極３６ａ、３６ｂの電極指ピッチＴ、電極指の線幅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、電極指ピッチＴに等しい波長を持つ高周波信号を第一のすだれ状電極３６に入力することで、中心周波数ｆ０の表面弾性波を最も効率良く励振させることができ、第二のすだれ状電極３７へ伝搬させることができる。一方、中心周波数ｆ０から離れる程、表面弾性波の伝搬効率が低下することから、中心周波数ｆ０以外の周波数を著しく減衰させることができ、トランスバーサルフィルタ３０としての機能を実現している。
【００４１】
また、第二のすだれ状電極３７は、第一のすだれ状電極３６と同様に、例えば、厚さ１００ｎｍのアルミニウムからなる櫛形電極３７ａ、３７ｂから構成されている。櫛形電極３７ａ、３７ｂは、第一のすだれ状電極３６と同様に、櫛形電極３７ａ、３７ｂの電極指の配列方向を（０００１）方向と整合させて、形成されている。また、櫛形電極３７ａに図示しない出力回路が接続され、櫛形電極３７ｂは接地されている。第一のすだれ状電極３６と同様に、櫛形電極３７ａ、３７ｂは、所定の電極長、線幅ｈを有する電極指が電極指ピッチＴを隔てて、複数配列されて形成されている。なお、櫛形電極３７ａ、３７ｂの電極指の配列方向も、（０００１）方向と整合する。
【００４２】
更に、櫛形電極３７ａ、３７ｂは配列間隔ｓを隔てて、配置されている。これから、電極指ピッチＴは２×（線幅ｈ＋配列間隔ｓ）に等しくなる。第二のすだれ状電極３７に伝搬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、上記の中心周波数ｆ０の表面弾性波が出力信号に最も効率良く変換される。このようにして、第一のすだれ状電極３６から伝搬した表面弾性波は、第二のすだれ状電極３７で出力信号に変換される。その後、当該出力信号は図示しない出力回路に出力される。
【００４３】
しかし、トランスバーサルフィルタ３０では、伝搬層３２とバリア層３３のヘテロ界面付近、すなわち、接合面付近に二次元電子ガス３５が形成されているので、第一のすだれ状電極３６に入力された高周波信号により発生した電界は、二次元電子ガス３５によって、すべて遮蔽される。すなわち、上記の電界における伝搬層３２への進入が困難となる。よって、伝搬層３２で表面弾性波が励振されない。また、表面弾性波が励振し、第二のすだれ状電極３７に伝搬したとしても、表面弾性波による電界が二次元電子ガス３５によって遮蔽されるので、表面弾性波が変換されない。
【００４４】
そこで、図５に示したように、第３の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ３０では、櫛形電極３６ａ、３６ｂ間で、櫛形電極３６ａ、３６ｂから等間隔隔てた位置に、ミアンダ状のゲート電極３６ｃを形成している。更に、ゲート電極３６ｃに負のバイアス電圧を印加している。なお、ゲート電極３６ｃは、例えば厚さ１００ｎｍ、線幅ｈのアルミニウムからなる。同様に、櫛形電極３７ａ、３７ｂ間で、櫛形電極３７ａ、３７ｂから等間隔隔てた位置に、ミアンダ状のゲート電極３７ｃを形成している。更に、ゲート電極３７ｃに負のバイアス電圧を印加している。なお、ゲート電極３７ｃは、例えば厚さ１００ｎｍ、線幅ｈのアルミニウムからなる。よって、ゲート電極３６ｃに負のバイアス電圧を印加しているので、第１の実施形態と同様に、伝搬層３２の櫛形電極３６ａ−ゲート電極３６ｃ間には、負のバイアス電圧による電界が発生する。また、櫛形電極３６ｂ−ゲート電極３６ｃ間にも、負のバイアス電圧による電界が発生する。上記の電界によって、ゲート電極３６ｃ直下の二次元電子ガス３５は、櫛形電極１６ａ直下の領域および櫛形電極１６ｂ直下の領域へ移動するので、櫛形電極３６ａ直下の領域および櫛形電極３６ｂ直下の領域だけに二次元電子ガス３５が集中し、ゲート電極３６ｃ直下の領域を空乏化させることができる。
【００４５】
これから、ゲート電極３６ｃ直下の領域が空乏化するので、第一のすだれ状電極３６の櫛形電極３６ａに入力された高周波信号により発生した電界を伝搬層３２に進入させることができる。従って、表面弾性波が励振され、第二のすだれ状電極３７に伝搬させることができる。ゲート電極３７ｃにも負のバイアス電圧が印加されていれば、上記の表面弾性波を出力信号に変換することができ、図示しない出力回路に出力信号を出力できる。このとき、櫛形電極３６ａに入力された高周波信号の波長が電極指ピッチＴと一致すると、トランスバーサルフィルタ３０は上記の高周波信号を中心周波数ｆ０の表面弾性波に、最も効率良く変換することができる。同様に、トランスバーサルフィルタ３０は、第二のすだれ状電極３７に伝搬された上記の表面弾性波を出力信号に、最も効率良く変換することができる。一方、中心周波数ｆ０から離れる程、表面弾性波の伝搬効率が低下することから、中心周波数ｆ０以外の周波数を著しく減衰させることができ、トランスバーサルフィルタ３０としての機能を実現することができる。
【００４６】
更に、トランスバーサルフィルタ３０では、高周波信号を印加・出力する電極（櫛形電極３６ａ、３７ａ）とバイアス電圧を印加する電極（ゲート電極３６ｃ）を異なる構成としていることから、高周波信号とバイアス電圧を電気的に分離するフィルタを接続することなく、表面弾性波を励振することができる。これから、回路構成を簡略化することもできる。更に、サファイア基板３１上の有限の厚さを有する伝搬層３２において表面弾性波が励振されることから、同一の形状の第一のすだれ状電極３６によって、伝搬速度、すなわち、周波数が異なる複数の表面弾性波のモードを励振させることができる。
【００４７】
また、伝搬層３２に進入する電界の強度は、ゲート電極３６ｃ直下の二次元電子ガス３５の濃度によって決定される。これは、伝搬層３２に励振される表面弾性波の強度が、上記の二次元電子ガス３５の濃度によることを意味する。そして、上記の二次元電子ガス３５の濃度は、第１の実施形態と同様に、ゲート電極３６ｃに印加される負のバイアス電圧値によって決定される。よって、ゲート電極３６ｃに印加される負のバイアス電圧値を変調することで、二次元電子ガス３５の濃度を変調でき、伝搬層３２を伝搬する表面弾性波の強度も変調でき、更に、第二のすだれ状電極３７で変換される出力信号の強度も変調することができる。よって、バイアス電圧を所定の周波数を伴って変調することにより、振幅変調を行う周波数に応じて、高周波信号とバイアス電圧を電気的に分離するフィルタの特性を設定することなく、表面弾性波の振幅変調を実現することができる。
【００４８】
また、第３の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ３０は、第１の実施形態と異なり、（１１−２０）方向に配向するサファイア基板３１上に形成された、（１１−２０）方向に配向する不純物を積極的には含まないＧａＮからなる伝搬層３２上に、（１１−２０）方向に配向するｎ型不純物を積極的に添加したＡｌＧａＮからなるバリア層３３が形成されている。更に、櫛形電極３６ａ、３６ｂ、３７ａおよび３７ｂの電極指の配列方向を（０００１）方向と整合させて、伝搬層３２を伝搬する表面弾性波が（０００１）方向に伝搬するように、櫛形電極３６ａ、３６ｂ、３７ａおよび３７ｂをバリア層３３上に形成している。これにより、表面弾性波の伝搬方向を（０００１）方向とすることで、（０００１）面内方向の場合と比較して、高周波信号と表面弾性波との変換効率（電気機械結合常数）をより高くすることができる。同様に、表面弾性波と出力信号との変換効率（電気機械結合常数）もより高くすることができる。よって、より高い電気機械結合常数を持つトランスバーサルフィルタ３０を提供することができる。
【００４９】
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、第１、第２および第３の実施形態では、トランスバーサルフィルタ１０、２０、３０について、本発明に係る構造を適用したが、特にこれに限定されるものでなく、他の表面弾性波デバイス、例えば共振器にも適用可能である。また、本発明の第１、第２および第３の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０、２０、３０中のいずれか一つと、当該トランスバーサルフィルタと同一の積層構造の表面にオーミック特性を有するソース電極、ドレイン電極およびショットキ特性を有するゲート電極が形成されて構成された電界効果型トランジスタと、を備えた集積回路を形成することも可能である。
【００５０】
また、第１、第２および第３の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０、２０、３０では、第一の窒化物系半導体材料としてＧａＮを使用して、伝搬層１２、３２を形成しているが、特にこれに限定されるものでなく、窒化物系半導体材料であれば、他の材料で伝搬層を形成することもできる。
【００５１】
また、第１および第２の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０、２０では、第二の窒化物系半導体材料としてＡｌＧａＮを使用して、ＡｌＧａＮに積極的に不純物を添加しないでバリア層１３を形成しているが、特にこれに限定されるものでなく、窒化物系半導体材料であれば、他の材料でバリア層１３を形成することもできる。
【００５２】
また、第３の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ３０では、第二の窒化物系半導体材料としてＡｌＧａＮを使用して、ＡｌＧａＮにｎ型不純物を積極的に添加してバリア層３３を形成しているが、特にこれに限定されるものでなく、窒化物系半導体材料であれば、他の材料でバリア層３３を形成することもできる。
【００５３】
また、第１および第２の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０、２０では、（０００１）方向に配向するサファイア基板１１上に積層構造１４を形成しているが、特にこれに限定されるものでなく、（０００１）の面方位を有する他の基板、例えば、半絶縁性ＳｉＣ基板上に積層構造１４を形成しても良い。
【００５４】
また、第１、第２および第３の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０、２０、３０では、一組のすだれ状電極をバリア層１３、３３の表面上に形成しているが、特にこれに限定されるものでなく、数組のすだれ状電極をバリア層の表面上に形成しても良い。
【００５５】
また、第１、第２および第３の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０、２０、３０に形成されたゲート電極１６ｃ、１７ｃ、３６ｃおよび３７ｃは、ミアンダ状の電極であるが、特にこれに限定されるものでなく、他の構造の電極であっても良い。例えば、エアブリッジ構造を用いることにより、マルチフィンガ型の電極とすることも可能である。
【００５６】
また、第１および第２の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ１０、２０では、櫛形電極１６ａに高周波信号を印加し、櫛形電極１６ｂを接地しているが、特にこれに限定されるものでなく、櫛形電極１６ａを接地しても良い。同様に、櫛形電極１７ａに図示しない出力回路を接続し、櫛形電極１６ｂを接地しているが、櫛形電極１７ａを接地しても良い。更に、第３の実施形態に係るトランスバーサルフィルタ３０でも、櫛形電極３６ａに高周波信号を印加し、櫛形電極１６ｂを接地しているが、櫛形電極３６ａを接地しても良い。同様に、櫛形電極３７ａに図示しない出力回路を接続し、櫛形電極３６ｂを接地しているが、櫛形電極３７ａを接地しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る表面弾性波デバイスの一種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に示す第一のすだれ状電極おける電気力線を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係るトランスバーサルフィルタの構造図である。
【図４】図３に示す第一のすだれ状電極おける電気力線を示す図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係るトランスバーサルフィルタの構造図である。
【図６】従来のトランスバーサルフィルタの構造図である。
【図７】図６に示す従来のトランスバーサルフィルタの第一のすだれ状電極の拡大図である。
【図８】図６に示すトランスバーサルフィルタのバンドダイアグラムである。
【符号の説明】
【００５８】
１０ 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 バリア層、１４ 積層構造、１５ 二次元電子ガス、
１６ 第一のすだれ状電極、１６ａ、１６ｂ 櫛形電極、
１６ｃ ゲート電極、１７ 第二のすだれ状電極、
１７ａ、１７ｂ 櫛形電極、１７ｃ ゲート電極、
１９ａ、１９ｂ 電気力線、２０ トランスバーサルフィルタ、
２９ 電気力線、３０ トランスバーサルフィルタ、
３１ サファイア基板、３２ 伝搬層、３３ バリア層、３４ 積層構造、
３５ 二次元電子ガス、３６ 第一のすだれ状電極、
３６ａ、３６ｂ 櫛形電極、３６ｃ ゲート電極、
３７ 第二のすだれ状電極、３７ａ、３７ｂ 櫛形電極、
３７ｃ ゲート電極、
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、５３ バリア層、５４ 積層構造、５５ 二次元電子ガス、
５６ 第一のすだれ状電極、５６ａ、５６ｂ 櫛形電極、
５７ 第二のすだれ状電極、５７ａ、５７ｂ 櫛形電極、５８ 電極指
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、第一の半導体材料からなる伝搬層と、前記第一の半導体材料と比較して広いバンドギャップを持つ第二の半導体材料からなるバリア層と、前記バリア層の表面に形成された一対の櫛形電極と、を備える表面弾性波デバイスにおいて、
前記一対の櫛形電極間にゲート電極を形成することを特徴とする表面弾性波デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の表面弾性波デバイスにおいて、
前記伝搬層は、（０００１）方向に配向する前記第一の窒化物系半導体材料から形成され、
前記バリア層は、（０００１）方向に配向する前記第二の窒化物系半導体材料から形成され、
前記バリア層の前記表面は、III族元素面であることを特徴とする表面弾性波デバイス。
【請求項３】
請求項１に記載の表面弾性波デバイスにおいて、
前記伝搬層は、（１１−２０）方向に配向する前記第一の窒化物系半導体材料から形成され、
前記バリア層は、（１１−２０）方向に配向する前記第二の窒化物系半導体材料にｎ型不純物を積極的に添加させて形成され、
前記櫛形電極は、該櫛形電極の電極指の配列方向を（０００１）方向と整合させて形成されることを特徴とする表面弾性波デバイス。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の表面弾性波デバイスと、該表面弾性波デバイスと同一積層構造にオーミック特性を有するソース電極、ドレイン電極およびショットキ特性を有するゲート電極を形成することにより構成される電界効果型トランジスタを備えることを特徴とする集積回路。
【請求項１】
基板と、第一の半導体材料からなる伝搬層と、前記第一の半導体材料と比較して広いバンドギャップを持つ第二の半導体材料からなるバリア層と、前記バリア層の表面に形成された一対の櫛形電極と、を備える表面弾性波デバイスにおいて、
前記一対の櫛形電極間にゲート電極を形成することを特徴とする表面弾性波デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の表面弾性波デバイスにおいて、
前記伝搬層は、（０００１）方向に配向する前記第一の窒化物系半導体材料から形成され、
前記バリア層は、（０００１）方向に配向する前記第二の窒化物系半導体材料から形成され、
前記バリア層の前記表面は、III族元素面であることを特徴とする表面弾性波デバイス。
【請求項３】
請求項１に記載の表面弾性波デバイスにおいて、
前記伝搬層は、（１１−２０）方向に配向する前記第一の窒化物系半導体材料から形成され、
前記バリア層は、（１１−２０）方向に配向する前記第二の窒化物系半導体材料にｎ型不純物を積極的に添加させて形成され、
前記櫛形電極は、該櫛形電極の電極指の配列方向を（０００１）方向と整合させて形成されることを特徴とする表面弾性波デバイス。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の表面弾性波デバイスと、該表面弾性波デバイスと同一積層構造にオーミック特性を有するソース電極、ドレイン電極およびショットキ特性を有するゲート電極を形成することにより構成される電界効果型トランジスタを備えることを特徴とする集積回路。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００７−２８８３１３（Ｐ２００７−２８８３１３Ａ）
【公開日】平成１９年１１月１日（２００７．１１．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１１０７２１（Ｐ２００６−１１０７２１）
【出願日】平成１８年４月１３日（２００６．４．１３）
【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１１月１日（２００７．１１．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年４月１３日（２００６．４．１３）
【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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