(57)【要約】【課題】  弾性表面波の生成に用いられる材料を変更することなく、弾性表面波装置の通過特性を向上させる。【解決手段】  圧電体１の裏面に裏面電極２を形成するとともに、圧電体１上に弾性表面波Ｗを励振するＩＤＴ電極３を形成し、ＩＤＴ電極３と裏面電極２との間に直流バイアス電源Ｄ１を接続し、圧電体１の深さ方向に電界Ｅを印加しながら、弾性表面波Ｗを圧電体１に励振させる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体に弾性表面波を発生させるＩＤＴ電極と、
前記圧電体の深さ方向にバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加手段とを備えることを特徴とする弾性表面波装置。
【請求項２】
前記ＩＤＴ電極を介して前記圧電体にバイアス電圧を印加することを特徴とする請求項１記載の弾性表面波装置。
【請求項３】
前記圧電体の裏面に形成され、前記バイアス電圧が印加される裏面電極をさらに備えることを特徴とする請求項１または２記載の弾性表面波装置。
【請求項４】
前記ＩＤＴ電極とは別に配置され、前記バイアス電圧が印加される上面電極をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の弾性表面波装置。
【請求項５】
前記バイアス電圧は、前記弾性表面波の１／２波長以上の深さの空乏層が前記圧電体に形成されるように設定されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の弾性表面波装置。
【請求項６】
集積回路が搭載された半導体チップ上に積層された薄膜圧電体と、
前記薄膜圧電体に弾性表面波を発生させるＩＤＴ電極と、
前記圧電体の深さ方向にバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加手段とを備えることを特徴とする弾性表面波装置。
【請求項７】
前記半導体チップの配線層を用いて形成され、前記バイアス電圧が印加される裏面電極をさらに備えることを特徴とする請求項６記載のＳＡＷ発振器。
【請求項８】
弾性表面波装置を構成する圧電体の深さ方向にバイアス電圧を印加しながら、前記圧電体に弾性表面波を伝播させることを特徴とする弾性表面波装置の特性調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は弾性表面波装置および弾性表面波装置の特性調整方法に関し、特にＳＡＷ（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｗａｖｅ）発振器に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
弾性表面波は、電磁波よりも約１０-5遅い速度で固体中を伝播するため、素子の小型・高密度化が可能であるとともに、伝播損失が小さくＱ値の高い素子が作成できることから、通信用クロック発振器やフィルタなどの分野で利用が拡大している。
また、例えば、非特許文献１には、弾性表面波ディバイス用薄膜材料、薄膜多層構造におけるＳＡＷ伝播特性計算および薄膜ＳＡＷ  ＶＩＦフィルタについての研究報告が開示されている。
【非特許文献１】三露常男、黄地謙三、小野周佑、山崎攻、和佐清孝「薄膜弾性表面波ディバイス」、Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｒｅｐｏｒｔ  Ｖｏｌ．２２Ｎｏ．６  Ｄｅｃ．１９７６．ｐｐ９０５−９２３
【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、弾性表面波ディバイスには挿入損失が存在し、挿入損失を減らすためには弾性表面波ディバイス用薄膜材料に制約がかかるという問題があった。
そこで、本発明の目的は、弾性表面波の生成に用いられる材料を変更することなく、弾性表面波の通過特性を向上させることが可能な弾性表面波装置および弾性表面波装置の特性調整方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上述した課題を解決するために、本発明の一態様に係る弾性表面波装置によれば、圧電体に弾性表面波を発生させるＩＤＴ電極と、前記圧電体の深さ方向にバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加手段とを備えることを特徴とする。
これにより、圧電体の表層に存在するキャリアを圧電体の裏面側に寄せた状態で、弾性表面波に圧電体に伝播させることができる。このため、圧電体を伝播する弾性表面波のエネルギーがキャリアによって吸収されることを抑制することができ、弾性表面波のエネルギーの損失を低減することができる。この結果、弾性表面波の生成に用いられる材料を変更することなく、弾性表面波の通過特性を向上させることが可能となり、弾性表面波装置の挿入損失を減らすことができる。
【０００５】
また、本発明の一態様に係る弾性表面波装置によれば、前記ＩＤＴ電極を介して前記圧電体にバイアス電圧を印加することを特徴とする。
これにより、圧電体を伝播する弾性表面波に影響を及ぼすことなく、圧電体の深さ方向にバイアス電圧を印加することができ、弾性表面波装置を正常に動作させることを可能としつつ、弾性表面波装置の挿入損失を減らすことができる。
【０００６】
また、本発明の一態様に係る弾性表面波装置によれば、前記圧電体の裏面に形成され、前記バイアス電圧が印加される裏面電極をさらに備えることを特徴とする。
これにより、弾性表面波が伝播する領域全体にバイアス電圧を印加することが可能となり、圧電体を伝播する弾性表面波に影響を及ぼすことなく、弾性表面波装置の挿入損失を減らすことができる。
【０００７】
また、本発明の一態様に係る弾性表面波装置によれば、前記ＩＤＴ電極とは別に配置され、前記バイアス電圧が印加される上面電極をさらに備えることを特徴とする。
これにより、ＩＤＴ電極に入力される信号に影響を及ぼすことなく、圧電体の深さ方向にバイアス電圧を印加することができ、弾性表面波装置の挿入損失を減らすことができる。
【０００８】
また、本発明の一態様に係る弾性表面波装置によれば、前記バイアス電圧は、前記弾性表面波の１／２波長以上の深さの空乏層が前記圧電体に形成されるように設定されることを特徴とする。
これにより、バイアス電圧を適正化することができる。
また、本発明の一態様に係る弾性表面波装置によれば、集積回路が搭載された半導体チップ上に積層された薄膜圧電体と、前記薄膜圧電体に弾性表面波を発生させるＩＤＴ電極と、前記圧電体の深さ方向にバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加手段とを備えることを特徴とする。
【０００９】
これにより、薄膜圧電体を伝播する弾性表面波のエネルギー損失を効果的に低減させつつ、半導体チップ上に弾性表面波装置を集積化することができる。このため、弾性表面波装置の実装面積を低減させつつ、弾性表面波装置の挿入損失を低減させることが可能となるとともに、弾性表面波装置の低価格化を図ることができる。
また、本発明の一態様に係る弾性表面波装置によれば、前記半導体チップの配線層を用いて形成され、前記バイアス電圧が印加される裏面電極をさらに備えることを特徴とする。
【００１０】
これにより、配線層の形成工程とは別に裏面電極の形成工程を別途追加することなく、弾性表面波が伝播する領域全体にバイアス電圧を印加することが可能となり、製造工程の増大を抑制しつつ、弾性表面波装置の挿入損失を減らすことができる。
また、本発明の一態様に係る弾性表面波装置の特性調整方法によれば、弾性表面波装置を構成する圧電体の深さ方向にバイアス電圧を印加しながら、前記圧電体に弾性表面波を伝播させることを特徴とする。
【００１１】
これにより、圧電体を伝播する弾性表面波のエネルギー損失を低減することが可能となり、弾性表面波の生成に用いられる材料を変更することなく、弾性表面波装置の挿入損失を減らすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態に係る弾性表面波装置について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る弾性表面波装置の概略構成を示す断面図である。
図１（ａ）において、圧電体１の裏面には裏面電極２が形成されるとともに、圧電体１上には弾性表面波Ｗを励振するＩＤＴ（インターデジタルトランスデューサ）電極３が形成されている。なお、ＩＤＴ電極３は、互いにかみ合うように配置された１組の櫛形電極にて構成することができる。また、圧電体１としては、例えば、水晶、ＬｉＮｂＯ3、Ｂｉ12ＧｅＯ20などの単結晶材料、ＰＺＴ、ＰＣＭなどのセラミック材料、ＺｎＯ膜、ＡｌＮ膜などの圧電薄膜材料などを用いることができる。
【００１３】
そして、ＩＤＴ電極３と裏面電極２との間に直流バイアス電源Ｄ１を接続し、圧電体１の深さ方向に電界Ｅを印加しながら、弾性表面波Ｗを圧電体１に励振させる。ここで、圧電体１の深さ方向に電界Ｅを印加すると、圧電体１に存在するキャリアｅ-が圧電体１の裏面側に寄せられ、圧電体１の表層に空乏層４が形成される。このため、弾性表面波Ｗが圧電体１の表層に励振された場合においても、圧電体１を伝播する弾性表面波Ｗのエネルギーがキャリアｅ-によって吸収されることを抑制することができ、弾性表面波Ｗのエネルギーの損失を低減することができる。この結果、弾性表面波Ｗの生成に用いられる材料を変更することなく、弾性表面波Ｗの通過特性を向上させることが可能となり、弾性表面波装置の挿入損失を減らすことができる。例えば、バイアス電圧を印加しながら圧電体１に弾性表面波Ｗを伝播させる方法をフィルタに適用すれば、フィルタの低損失化を図ることが可能となる。また、バイアス電圧を印加しながら圧電体１に弾性表面波Ｗを伝播させる方法を発振器に適用すれば、発振器の低消費電力化を図ることが可能となる。
【００１４】
なお、弾性表面波Ｗの波長をλとすると、バイアス電圧は、１／２λ以上の深さの空乏層４が圧電体１に形成されるように設定することが好ましい。
図２は、図１の弾性表面波装置の挿入損失を従来例と比較して示す図である。
図２において、弾性表面波装置のＳパラメータ（通過特性）を計測すると、バイアス電圧を印加した時の弾性表面波装置の挿入損失ＩＬ２は、バイアス電圧を印加しない時の弾性表面波装置の挿入損失ＩＬ１に比べて減少することが判る。
【００１５】
図３は、本発明の第２実施形態に係る弾性表面波装置の概略構成を示す回路図である。
図３において、ＳＡＷ発振器には弾性表面波装置Ｗ１が設けられている。ここで、弾性表面波装置Ｗ１には、弾性表面波を圧電体に励振するＩＤＴ電極が設けられるとともに、弾性表面波を反射する反射器電極が設けられている。また、ＩＤＴ電極が配置された圧電体の裏面には、裏面電極が形成されている。そして、弾性表面波装置Ｗ１の櫛形電極間には、帰還ループを構成するインバータＮ１が接続され、弾性表面波装置Ｗ１およびインバータＮ１にてＳＡＷ発振器を構成することができる。また、弾性表面波装置Ｗ１の櫛形電極間には抵抗Ｒ１が接続されるとともに、弾性表面波装置Ｗ１の前段および後段には、コンデンサＣ１ｂ、Ｃ１ｂ´がそれぞれ接続されている。さらに、弾性表面波装置Ｗ１の各櫛形電極には、コンデンサＣ１ｂ、Ｃ１ｂ´をそれぞれ介してコンデンサＣ１ａ、Ｃ１ａ´が接続されている。さらに、弾性表面波装置Ｗ１のＩＤＴ電極には、インダクタＬ１を介して直流バイアス電源Ｄ１１が接続されている。なお、直流バイアス電源Ｄ１１は、弾性表面波装置Ｗ１のＩＤＴ電極のいずれか一方にのみ接続するようにしてもよいし、弾性表面波装置Ｗ１のＩＤＴ電極の双方に接続するようにしてもよい。また、直流バイアス電源Ｄ１１は、固定電圧源でもよいし、可変電圧源でもよい。
【００１６】
そして、弾性表面波装置Ｗ１のＩＤＴ電極を介して弾性表面波装置Ｗ１に直流バイアスを印加しながら、弾性表面波装置Ｗ１からの高周波出力をインバータＮ１を介して帰還させることにより、所定の発振周波数で動作させることができる。ここで、弾性表面波装置Ｗ１からの高周波出力はインダクタＬ１によって漏れることを防止することができ、弾性表面波装置Ｗ１の動作に影響を及ぼすことなく、弾性表面波装置Ｗ１に直流バイアスを印加することができる。このため、弾性表面波装置Ｗ１を正常に動作させることを可能としつつ、弾性表面波のエネルギーの損失を低減することができ、弾性表面波装置Ｗ１の挿入損失を減らすことができる。
【００１７】
図４は、本発明の第３実施形態に係る弾性表面波装置の概略構成を示す回路図である。
図４において、ＳＡＷ発振器には弾性表面波装置Ｗ２が設けられている。ここで、弾性表面波装置Ｗ２には、弾性表面波を圧電体に励振するＩＤＴ電極が設けられるとともに、弾性表面波を反射する反射器電極が設けられている。また、ＩＤＴ電極が配置された圧電体の裏面には、裏面電極が形成されている。そして、弾性表面波装置Ｗ２の櫛形電極間には、帰還ループを構成するインバータＮ２が接続され、弾性表面波装置Ｗ２およびインバータＮ２にてＳＡＷ発振器を構成することができる。また、弾性表面波装置Ｗ２の櫛形電極間には抵抗Ｒ２が接続されるとともに、弾性表面波装置Ｗ２の前段および後段には、コンデンサＣ２ｂ、Ｃ２ｂ´がそれぞれ接続されている。さらに、弾性表面波装置Ｗ２の各櫛形電極には、コンデンサＣ２ｂ、Ｃ２ｂ´をそれぞれ介してコンデンサＣ２ａ、Ｃ２ａ´が接続されている。さらに、弾性表面波装置Ｗ２のＩＤＴ電極には、インダクタＬ２が接続されるとともに、弾性表面波装置Ｗ２の裏面電極には直流バイアス電源Ｄ１２が接続されている。なお、インダクタＬ２は、弾性表面波装置Ｗ２のＩＤＴ電極のいずれか一方にのみ接続するようにしてもよいし、弾性表面波装置Ｗ２のＩＤＴ電極の双方に接続するようにしてもよい。また、直流バイアス電源Ｄ１２は、固定電圧源でもよいし、可変電圧源でもよい。
【００１８】
そして、弾性表面波装置Ｗ２の裏面電極を介して弾性表面波装置Ｗ２に直流バイアスを印加しながら、弾性表面波装置Ｗ２からの高周波出力をインバータＮ２を介して帰還させることにより、所定の発振周波数で動作させることができる。ここで、弾性表面波装置Ｗ２からの高周波出力はインダクタＬ２によって漏れることを防止することができ、弾性表面波装置Ｗ２の動作に影響を及ぼすことなく、弾性表面波装置Ｗ２に直流バイアスを印加することができる。このため、弾性表面波装置Ｗ２を正常に動作させることを可能としつつ、弾性表面波のエネルギーの損失を低減することができ、弾性表面波装置Ｗ２の挿入損失を減らすことができる。
【００１９】
図５は、本発明の第４実施形態に係る弾性表面波装置の概略構成を示す断面図である。
図５において、半導体チップ２１には素子形成領域２２が設けられ、素子形成領域２２にはトランジスタ、抵抗、容量などの素子が形成されている。なお、半導体チップ２１を構成する半導体材料としては、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＳｉＳｎ、ＰｂＳ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＧａＮまたはＺｎＳｅなどを用いることができる。また、素子形成領域２２が設けられた半導体チップ２１上には層間絶縁膜２３が形成され、層間絶縁膜２３には、素子形成領域２２に接続された配線層２４が形成されている。また、層間絶縁膜２３上には、配線層２４に接続されたパッド電極２５が形成されている。そして、素子形成領域２２に形成された素子および配線層２４にて、図３のインバータＮ１、Ｎ２、抵抗Ｒ１およびコンデンサＣ１ａ、Ｃ１ａ´、Ｃ１ｂ、Ｃ１ｂ´などを構成することができる。なお、図３のインダクタＬ１は、半導体チップ２１に形成するようにしてもよいし、外付けするようにしてもよい。
【００２０】
そして、層間絶縁膜２３上には、裏面電極２６が形成されている。そして、裏面電極２６が形成された層間絶縁膜２３上には、パッド電極２５を避けるようにして、薄膜圧電体層２７が成膜されている。そして、薄膜圧電体層２７上には、薄膜圧電体層２７に弾性表面波を発生させるＩＤＴ電極２８が形成され、図３の弾性表面波装置Ｗ１を構成することができる。なお、薄膜圧電体層２７の材質としては、例えば、ＺｎＯなどを用いることができる。そして、パッド電極２５を介してＩＤＴ電極２８を素子形成領域２２に接続することにより、ＳＡＷ発振器を構成することができる。
【００２１】
そして、裏面電極２６またはＩＤＴ電極２８を介して薄膜圧電体層２７の深さ方向にバイアスを印加しながら、薄膜圧電体層２７に弾性表面波を発生させることができる。これにより、薄膜圧電体層２７を伝播する弾性表面波のエネルギー損失を効果的に低減させつつ、半導体チップ２１上に弾性表面波装置を集積化することができる。このため、弾性表面波装置の実装面積を低減させつつ、弾性表面波装置の挿入損失を低減させることが可能となるとともに、弾性表面波装置の低価格化を図ることができる。
【００２２】
また、バイアス電圧が印加される裏面電極２６は、半導体チップ２１の配線層２４を用いて形成することができる。これにより、配線層２４の形成工程とは別に裏面電極２６の形成工程を別途追加することなく、弾性表面波が伝播する領域全体にバイアス電圧を印加することが可能となり、製造工程の増大を抑制しつつ、弾性表面波装置の挿入損失を減らすことができる。
【００２３】
なお、上述した実施形態では、ＩＤＴ電極または裏面電極にバイアス電圧を印加する方法について説明したが、バイアス電圧を印加する電極をＩＤＴ電極上に設けるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る弾性表面波装置の概略構成を示す断面図。
【図２】図１の弾性表面波装置の挿入損失を従来例と比較して示す図。
【図３】本発明の第２実施形態に係る弾性表面波装置の概略構成を示す回路図。
【図４】本発明の第３実施形態に係る弾性表面波装置の概略構成を示す回路図。
【図５】本発明の第４実施形態に係る弾性表面波装置の概略構成を示す断面図。
【符号の説明】
【００２５】
１  圧電体、２  裏面電極、３、２８ｂ  ＩＤＴ電極、４  空乏層、Ｗ１、Ｗ２  弾性表面波装置、Ｒ１、Ｒ２  抵抗、Ｃ１ａ、Ｃ１ａ´、Ｃ１ｂ、Ｃ１ｂ´、Ｃ２ａ、Ｃ２ａ´、Ｃ２ｂ、Ｃ２ｂ´  コンデンサ、Ｎ１、Ｎ２  インバータ、Ｌ１、Ｌ２  インダクタ、Ｄ１１、Ｄ１２  直流バイアス電源、２１  半導体基板、２２  素子形成領域、２３  層間絶縁膜、２４  配線層、２５  パッド電極、２６  裏面電極、２７  ＺｎＯ層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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