(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体結晶を含み音響定在波が励起可能な音響共振部を含む素子部と、
前記素子部と電気的に接続された第１端子と、
を備え、
前記第１端子を介して、前記音響定在波と同期する電気的信号を前記音響共振部から出力する、及び、前記音響定在波と同期する電気的信号を前記音響共振部に入力する、の少なくもいずれかを実施可能であり、
前記音響共振部は、第１不純物拡散部と、第２不純物拡散部と、前記第１不純物拡散部と前記第２不純物拡散部との間に設けられた中間部と、を有する半導体結晶を含む半導体結晶共振層を含み、
前記素子部は、前記中間部の上に設けられた電極を含み、
前記第１端子は、前記第１不純物拡散部、前記第２不純物拡散部、前記中間部及び前記電極の少なくともいずれかに電気的に接続されていることを特徴とする音響半導体装置。
【請求項２】
基体と、
前記基体の上に設けられた素子分離部と、
をさらに備え、
前記半導体結晶共振部は、前記基体の上に設けられ、前記半導体結晶共振層の側面は、前記素子分離部に接し、
前記素子分離部の音響インピーダンスは、前記半導体結晶共振層の音響インピーダンスとは異なることを特徴とする請求項１記載の音響半導体装置。
【請求項３】
前記素子分離部は、絶縁層及び空洞層の少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項２記載の音響半導体装置。
【請求項４】
前記第１不純物拡散部、前記第２不純物拡散部、前記中間部及び前記電極のいずれかと電気的に接続された第２端子をさらに備え、
前記第２端子に入力される信号に応じて、前記音響共振部中を伝播する電子及びホールの少なくともいずれかの伝導キャリアの密度及びドリフト速度の少なくともいずれかが変化し、前記音響共振部中を伝播する音響波の速度が変化することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の音響半導体装置。
【請求項５】
第２端子をさらに備え、
前記第２端子は、
前記半導体結晶共振層の側面に設けられた絶縁層を介して前記半導体結晶共振層前記と電気的に接続される、または、
前記半導体結晶共振層の側面に設けられ、前記半導体結晶共振層の導電形とは異なる導電形を有する半導体結晶を含む層に電気的に接続され、
前記第２端子に入力される信号に応じて、前記音響共振部中を伝播する電子及びホールの少なくともいずれかの伝導キャリアの密度及びドリフト速度の少なくともいずれかが変化し、前記音響共振部中を伝播する音響波の速度が変化することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の音響半導体装置。
【請求項６】
前記第２端子に入力される信号は、直流バイアス電圧であることを特徴とする請求項４または５に記載の音響半導体装置。
【請求項７】
環境温度に応じた電気信号を前記第２端子に出力する温度補償回路をさらに備えたことを特徴とする請求項４または５に記載の音響半導体装置。
【請求項８】
前記基体の上に設けられ、前記第１端子と接続された増幅回路部をさらに備え、
前記第１端子を介して、前記音響定在波と同期する電気的信号が前記音響共振部から出力され、
前記増幅回路部は、前記第１端子から出力される前記電気的信号を増幅することを特徴とする請求項２または３に記載の音響半導体装置。
【請求項９】
前記電極は複数設けられ、
前記複数の電極の延在方向は互いに平行であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の音響半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、音響半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インダクタは、電気回路における基本的な素子の一つである。インダクタは、チョークコイル、共振回路、同調回路、変圧器、各種センサ、無線電源回路、変・復調器、インピーダンス整合回路、周波数フィルター及び発振回路などに広く用いられる。
【０００３】
大きなインダクタンスをもつインダクタを実現するためには、コイルの巻き数を増やすが必要であるため、素子の小型化は困難である。  
大きなインダクタンスをもつ新規なインダクタ素子が求められている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】“Acoustodynamic Effects in Semiconductors,” Gabriel Weinreich, Physical Review Vol. 104, No. 2, pp321-324 (1956).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の実施形態は、大きなインダクタンスをもつインダクタ素子を実現する音響半導体装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態によれば、素子部と、第１端子と、を備えた音響半導体装置が提供される。前記素子部は、半導体結晶を含み音響定在波が励起可能な音響共振部を含む。前記第１端子は、前記素子部と電気的に接続される。前記第１端子を介して、前記音響定在波と同期する電気的信号を前記音響共振部から出力する、及び、前記音響定在波と同期する電気的信号を前記音響共振部に入力する、の少なくもいずれかを実施可能である。前記音響共振部は、第１不純物拡散部と、第２不純物拡散部と、前記第１不純物拡散部と前記第２不純物拡散部との間に設けられた中間部と、を有する半導体結晶を含む半導体結晶共振層を含む。前記素子部は、前記中間部の上に設けられた電極を含む。前記第１端子は、前記第１不純物拡散部、前記第２不純物拡散部、前記中間部及び前記電極の少なくともいずれかに電気的に接続されている。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１（ａ）及び図１（ｂ）は、第１の実施形態に係る音響半導体装置示す模式図である。
【図２】実験に用いた半導体装置の構成を示す模式図である。
【図３】実験に用いた半導体装置の構成を示す等価回路図である。
【図４】音響半導体装置の特性の測定結果を示すグラフ図である。
【図５】音響半導体装置の特性の測定結果を示すグラフ図である。
【図６】実験で用いた半導体装置の特性の解析に用いた等価回路を示す回路図である。
【図７】図７（ａ）及び図７（ｂ）は、実験で用いた半導体装置の特性に対応する等価回路の特性を示すグラフ図である。
【図８】図８（ａ）及び図８（ｂ）は、音響半導体装置の特性をモデル的に示す模式図である。
【図９】電荷の疎密と結晶変形の関係のモデルを示す模式図である。
【図１０】第１の実施形態に係る音響半導体装置を示す模式的断面図である。
【図１１】図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、第１の実施形態に係る音響半導体装置を示す回路図である。
【図１２】実験に用いた半導体装置を示す模式的平面図である。
【図１３】音響半導体装置の特性の測定結果を示すグラフ図である。
【図１４】音響半導体装置の特性の測定結果を示すグラフ図である。
【図１５】音響半導体装置の特性の測定結果を示すグラフ図である。
【図１６】音響半導体装置の特性の評価結果を示すグラフ図である。
【図１７】音響半導体装置の特性の評価結果を示すグラフ図である。
【図１８】図１８（ａ）及び図１８（ｂ）は、第２の実施形態の音響半導体装置を例示する模式図である。
【図１９】第２の実施形態に係る音響半導体装置を示す等価回路図である。
【図２０】図２０（ａ）及び図２０（ｂ）は、第２の実施形態に係る音響半導体装置の動作を示す模式図である。
【図２１】第２の実施形態に係る音響半導体装置の特性を示すグラフ図である。
【図２２】第２の実施形態に係る音響半導体装置の特性を示すグラフ図である。
【図２３】第２の実施形態に係る音響半導体装置の動作を示す模式図である。
【図２４】第２の実施形態に係る音響半導体装置の動作を示すグラフ図である。
【図２５】第２の実施形態に係る別の音響半導体装置を示す模式図である。
【図２６】図２６（ａ）及び図２６（ｂ）は、第３の実施形態に係る音響半導体装置を示す模式図である。
【図２７】図２７（ａ）及び図２７（ｂ）は、第４の実施形態に係る音響半導体装置を示す模式図である。
【図２８】第５の実施形態に係る音響半導体装置を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。  
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。  
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【０００９】
（第１の実施形態）
図１（ａ）及び図１（ｂ）は、第１の実施形態に係る音響半導体装置の構成を例示する模式図である。  
図１（ａ）は模式的平面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ１−Ａ２線断面に相当する模式的断面図である。  
図１（ａ）及び図１（ｂ）に表したように、本実施形態に係る音響半導体装置１１１は、素子部１５０と、第１端子１６０と、を備える。
【００１０】
素子部１５０は、半導体結晶を含む。素子部１５０は、音響定在波が励起可能な音響共振部１５５を含む。第１端子１６０は、素子部１５０と電気的に接続される。
【００１１】
第１端子１６０を介して、上記の音響定在波と同期する電気的信号を音響共振部１５５から出力することが可能である。上記の音響定在波と同期する電気的信号を音響共振部１５５に入力することが可能である。
【００１２】
この例では、素子部１５０として、電界効果トランジスタに類似の構成が用いられる。例えば、図１（ａ）及び図１（ｂ）に表したように、ｐ形基板１１ａの上に素子領域１２が設けられる。素子領域１２の周りには素子分離部１３ｓが設けられる。
【００１３】
例えば、ｐ形基板１１ａの上に、空乏層１１ｂが設けられ、空乏層１１ｂの上にディープＮウェル層１１ｃが設けられる。ディープＮウェル層１１ｃの上に空乏層１１ｄが設けられ、空乏層１１ｄの上にＰウェル層１１ｅが設けられる。Ｐウェル層１１ｅの上にＰウェル領域１１ｆが設けられる。Ｐウェル領域１１ｆの上に、絶縁層１６ｉが設けられ、絶縁層１６ｉの上にゲート電極１６が設けられる。この例では、Ｐウェル領域１１ｆの周りに第１素子分離領域１３ａが設けられ、Ｐウェル層１１ｅの周りに第２素子分離領域１３ｂが設けられ、ディープＮウェル層１１ｃの周りに第３素子分離領域１３ｃが設けられている。
【００１４】
ここで、説明の便宜上、ｐ形基板１１ａからゲート電極１６に向かう方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸に対して垂直な１つの軸をＸ軸とする。Ｚ軸及びＸ軸に対して垂直な軸をＹ軸とする。ゲート電極１６の延在軸をＸ軸とする。
【００１５】
すなわち、音響共振部１５５は、半導体結晶共振層を含む。半導体結晶共振層は、第１不純物拡散部１２ａ（例えばソース領域）と、第２不純物拡散部１２ｂ（ドレイン領域）と、第１不純物拡散部１２ａと第２不純物拡散部１２ｂとの間に設けられた中間部１２ｃ（例えばＰウェル領域１１ｆに相当する）と、を有する。半導体結晶共振層は、半導体結晶を含む。すなわち、半導体結晶共振層は、素子領域１２に相当する。
【００１６】
そして、素子部１５０は、中間部１２ｃの上に設けられた電極を含む。この例では、この電極として、ゲート電極１６が用いられる。
【００１７】
第１端子１６０は、上記の第１不純物拡散部１２ａ、第２不純物拡散部１２ｂ、中間部１２ｃ及び電極（ゲート電極１６）の少なくともいずれかに電気的に接続されている。
【００１８】
この例では、第１端子１６０は、Ｐウェル層１１ｅに接続されており、チャネル部に相当する中間部１２ｃ（Ｐウェル領域１１ｆ）に電気的に接続されている。一方、ｐ形基板１１ａ及びディープＮウェル層１１ｃは接地されている。
【００１９】
音響半導体装置１１１は、基体（この例では、ｐ形基板１１ａ）と、この基体の上に設けられた素子分離部１３ｓと、をさらに備えている。
【００２０】
半導体結晶共振層（素子領域１２）は、この基体の上に設けられる。半導体結晶共振層（素子領域１２）の側面は、素子分離部１３ｓに接している。素子領域１２は、素子分離部１３ｓに取り囲まれる。素子分離部１３ｓの音響インピーダンスは、半導体結晶共振層の音響インピーダンスとは異なる。
【００２１】
この例では、素子分離部１３ｓには、絶縁層（例えばＳｉＯ２層など）が用いられる。ただし、実施形態はこれに限らず、素子分離部１３ｓの構成は任意である。例えば、素子分離部１３ｓとして、空洞層（空気などの層）を用いても良い。
【００２２】
素子分離部１３ｓを設けることで、半導体結晶共振層（素子領域１２）においては、音響定在波が励起され共振器として動作する。
【００２３】
このような構成を有する音響半導体装置１１１によれば、大きなインダクタンスをもつ新規なインダクタ素子を実現する音響半導体装置が提供できる。実施形態に係る上記の構成は、発明者が独自に行った実験により見出した以下の現象に基づいて構築されている。以下、この実験について説明する。
【００２４】
この実験では、ＣＭＯＳトランジスタと類似の構造を有する、新しい共振回路を作製し、その特性を測定した。  
図２は、実験に用いた半導体装置の構成を示す模式図である。  
図２は、本実験に用いた素子２０１のレイアウトパターンを示している。  
図３は、実験に用いた半導体装置の構成を示す等価回路図である。  
図２及び図３に表したように、本実験に用いた素子２０１は、二重ウェル構造２０２の内部に設けられたゲート２０３、ドレイン２０４及びソース２０５を有する。この構造は、例えば、ＮＭＯＳトランジスタの構造に類似している。ｐ形ウェルから取り出したＧＳＧ端子２０６（Ｇｎｄ端子２０６ａ、Ｇｎｄ端子２０６ｃ及びＰウェル端子２０６ｂ）を、高周波信号を同軸ケーブルと同軸プローブとを用いて測定するためのプローブ端子とした。また、ゲート２０３、ドレイン２０４及びソース２０５に対しては、直流バイアス電圧を印加できる端子（ゲート端子２０３ｅ、ドレイン端子２０４ｅ及びソース端子２０５ｅ））をそれぞれ配置した。この素子２０１は、ＣＭＯＳプロセスにより作製された。
【００２５】
素子２０１において、ゲート端子２０３ｅ及びドレイン端子２０４ｅに、電圧印加用のプローブを当てていない状態で、Ｐウェルに接続したＳＧＳ端子２０６について、共振特性を測定した。
【００２６】
図４は、音響半導体装置の特性の測定結果を示すグラフ図である。  
同図の横軸は周波数ｆである。左側の縦軸は、得られたインピーダンス（Ｚ＝Ｒ＋ｊＸ）の実数部Ｒであり、右側の縦軸は、虚数部Ｘである。  
図４に表したように、上記の素子２０１において、ゲート２０３及びドレイン２０４に電圧を印加していない状態で、共振現象が観測されることが分かった。すなわち、実数部Ｒにおいて、周波数ｆ＝１００ＭＨｚ〜２００ＭＨｚ付近に共振ピークが観測された。
【００２７】
図５は、音響半導体装置の特性の測定結果を示すグラフ図である。  
同図は、図４に示した測定結果に基づいて、実数部Ｒと虚数部との関係を表した図である。横軸は、実数部Ｒであり、縦軸は虚数部（ｊＸ）である。  
図５から分かるように、インピーダンスの特性が円を描いている。このことは、素子２０１が共振特性を有することを示している。さらに、特定の周波数範囲において、虚数成分（虚数部Ｘ）が正である。このことから、この特性がインダクタンス成分に対応することがわかった。
【００２８】
さらに、この素子２０１の電流−電圧特性を半導体パラメータアナライザを用いて測定した。この結果、素子２０１は、トランジスタとして見た場合に増幅器として機能することが分かった。すなわち、この素子２０１単体で（トランジスタ単体）で、共振特性と共に増幅作用も観測された。
【００２９】
発振器は、増幅器と共振器とにより形成される。上記の測定結果から、この素子２０１（ＭＯＳＦＥＴ単体）は、発振器として機能することが分かった。
【００３０】
上記の共振特性の測定結果を解析した。すなわち、素子２０１をＬＣＲ等価回路で表し、上記の測定結果と比較した。
【００３１】
図６は、実験で用いた半導体装置の特性の解析に用いた等価回路を示す回路図である。  図６に表したように、素子２０１に対応する等価回路において、抵抗Ｒ０とキャパシタＣ０とが直列接続され、これらに電気的電流Ｉｅｌが流れる。そして、インダクタＬ１と抵抗Ｒ１とキャパシタＣ１とが直列に接続され、これらに音響的電流Ｉａｗが流れる。これらは並列に接続され、さらに、抵抗Ｒｓが直列に接続される。抵抗Ｒｓには、全体の電流Ｉａｌｌが流れる。このような等価回路を用いて、測定結果と対応する特性値（パラメータ）を求めた。
【００３２】
図７（ａ）及び図７（ｂ）は、実験で用いた半導体装置の特性に対応する等価回路の特性を例示するグラフ図である。  
図７（ａ）は、インピーダンス特性（Ｚ＝Ｒ＋ｊＸの特性）を表ししている。図７（ｂ）は、アドミッタンス特性（Ｙ＝Ｇ＋ｊＢの特性）を表している。これらの図は、上記の等価回路中の要素の特性値を、実験値の共振特性と合うように、合わせこみを実施した結果を例示している。これらの図において、実線は測定値であり、破線は、上記の等価回路を用いたシミュレーション値である。
【００３３】
合わせ込みの結果、Ｒｓ＝９６オーム（Ω）、Ｒ０＝１３Ω、Ｃ０＝７．４ピコファラッド（ｐＦ）、Ｌ１＝３９６ナノヘンリー（ｎＨ）、Ｒ１＝３２．６Ω、Ｃ１＝９．６ｐＦが得られた。
【００３４】
図７（ａ）及び図７（ｂ）に表したように、１５０ＭＨｚ以下の低い周波数ｆの領域において、インピーダンス特性及びアドミッタンス特性のシミュレーション値は、測定値と良く一致する。すなわち、素子２０１の特性は、図６に示した等価回路の特性を有している。
【００３５】
キャパシタＣ０は、Ｐウェル層１１ｅとディープＮウェル層１１ｃとの間、Ｐウェル層１１ｅと第１不純物拡散部１２ａとの間、及び、Ｐウェル層１１ｅと第２不純物拡散部１２ｂとの間のｐｎ接合容量であると解釈することができる。そして、抵抗Ｒ０は、Ｓｉの寄生抵抗であると解釈することができる。一方、等価回路中のＬＣＲ直列共振回路において、インダクタＬ１、キャパシタＣ１及び抵抗Ｒ１は、音響的な共振により発生していると考えられる。
【００３６】
この等価回路において、インダクタＬ１の値（３９６ｎＨ）は、非常に大きい。このため、この値が、例えば、ＣＭＯＳ上の回路素子(または配線の寄生成分）に基づくインダクタに対応するものであると考えることは難しい。
【００３７】
一般的に、ＣＭＯＳ基板上にスパイラルインダクタを作製しても、そのインダクタンスは、最大でも、５ｎＨ〜１０ｎＨ程度である。観測された共振周波数が１００ＭＨｚ程度と低いことから、この特性は、音響波の伝播速度が電磁波の速度に比べて何桁も小さいことに対応すると考えられる。
【００３８】
上記の等価回路と、圧電共振器の等価回路と、の間には類似性が見られる。圧電共振器においては、音響的な共振がＬＣＲ等価回路で表現され、このような等価回路で表した場合、インピーダンスの周波数特性の実測値を大変良く一致させることができる。
【００３９】
従って、ｐｎ接合において何らかの電気的なエネルギーと機械的なエネルギーとの間の結合が生じていると仮定すれば良いと考えられるが、Ｓｉの結晶はその対称性から原理的に圧電効果は発生しないはずである。
【００４０】
従って、残る可能性として、半導体中の電荷と音響波との間における相互作用が考えられる。すなわち、半導体中の電荷と音響波との間において、弱いながらも変形ポテンシャルを介して、相互作用が発生し、これにより音響波が発生したと考えられる。このことが、この実験において３９６ｎＨと著しく大きいインダクタンスの値が得られたことの源であると考えられる。
【００４１】
このように、発明者は、上記の構成の半導体装置において、大きなインダクタンスが得られる現象を実験的に観測した。この現象は、半導体中の伝導キャリアと音響波との間の相互作用に応じて電気的に音響波が発生ことに基づいていると考えられる。実施形態においては、この現象を利用した音響半導体装置の具体的な構成が構築されている。
【００４２】
実施形態によれば、大きなインダクタンスをもつ新規なインダクタ素子を実現する音響半導体装置が提供できる。
【００４３】
このような特性が得られる動作機構に関しての解釈の一例について説明する。  
実施形態に係る音響半導体装置においては、半導体結晶中に音響波が伝播する領域が設けられ、さらにその音響波の伝播に沿って同じ方向に電荷が移動するための構成が設けられている。
【００４４】
この構成においては、音響波の伝播と電荷の伝播とが結合し、音響波の伝播に伴って電荷が移動する。すなわち、音響波の伝播に伴って電流が発生する。このようにして発生する電流(音響電流)は、音響波が特定の方向に伝播する限り、それと同じ方向に流れ続けようとする性質をもつ。すなわち、この構成は、電気的な等価回路で表せば、インダクタンスに対応する。
【００４５】
通常、電気回路におけるインダクタンス成分は、電流と磁界との間の電磁気的な結合により生じる。電磁気的な結合により、自己インダクタンス、及び、相互インダクタンスが生じる。すなわち、電流が流れることによって生じた磁界が、同じ方向に電流を流し続けようと作用するために、自己インダクタンスが生じる。回路の他の部分の電流を変化させようと作用するために、相互インダクタンスが生じる。
【００４６】
一方、音響波によって生じる等価的なインダクタンスは、半導体中の音響波に結合した電荷が、音響波が特定方向に伝播している限り、電荷も同じ方向に移動しようとすることによって発生する。音響波の伝播速度は電磁波の伝播速度と比較して極めて遅い。このことを反映して、このようにして生じるインダクタンスにおいて、等価回路的に表したときの等価的インダクタンスは、極めて大きな値を示す。  
これにより、実施形態においては、大きなインダクタンスが得られる。
【００４７】
従来、大きなインダクタンスをもつ素子の小型化は一般に困難であった。例えば、半導体集積回路上のインダクタとして、通常スパイラルインダクタが用いられているが、半導体集積回路内の限られた面積中に大きなインダクタンス成分をもつインダクタ素子を形成するのは困難である。例えば、ＣＭＯＳプロセスでスパイラルインダクタを形成しても、実現可能なインダクタンスの最大値は、１０ｎＨ程度である。
【００４８】
これに対し、実施形態によれば、上記のように、３９６ｎＨのように非常に大きなインダクタンスを小さい面積で実現できる。
【００４９】
さらに、実施形態に係る音響半導体装置１１１において、音響波の影響は、音響波が及ぶ範囲に限定される。このため、同じ半導体基板上に形成された他の部分の回路に対して、所望しない電荷の移動を生じさせ難い。すなわち、雑音を生じ難い。
【００５０】
従来、半導体基板上にインダクタを形成すると、インダクタが発生する磁界の影響により半導体基板中に渦電流が発生し、インダクタとしての損失が大きくなる。また、インダクタが発生する電磁ノイズが、他の回路部品に対して雑音源として作用する。
【００５１】
これに対し、実施形態においては、音響波が及ぶ範囲が限定されるため、このような問題が回避される。
【００５２】
実施形態に係る音響半導体装置１１１においては、音響波と電荷とを効率よく結合させるために、半導体結晶の領域中に電荷の通路が設けられる。この電荷の通路においては、音響波が伝播すると想定される方向と同じ方向に電荷の移動が可能であり、それ以外の方向には伝播し難い。
【００５３】
このような電荷の通路は、一次元的に細長いものであることが望ましい。ただし、実施形態はこれに限らず、電荷の通路は、二次元的な平面に基づくこともできる。
【００５４】
このような電気的な通路は、例えば、細長い通路の側面を、その通路の導電形とは異なる導電形を有する構造体により区切ることで得られる。例えば、通路がｐ形であるときは、ｎ形の構造体が通路の側面に対向する。通路がｎ形であるときは、ｐ形の構造体が通路の側面に対向する。
【００５５】
実施形態において、電荷の通路の側面の一部または全部は、絶縁体（例えばＳｉＯ２など）または空洞により区切られていても良い。さらに、電荷の通路の側面上に薄い絶縁膜を介して電極などが設けられていても良い。
【００５６】
以下、実施形態に係る音響半導体装置の動作の例について説明する。この動作においては、音響波と電荷との間の相互作用により、半導体中を伝播する音響波の速度が変化する。
【００５７】
半導体中を伝播する音響波と電荷との相互作用の現れ方の一形態として、変形ポテンシャル“Deformation Potential”が知られている。すなわち、半導体の結晶が歪むことにより、伝導電子の挙動が影響を受ける。
【００５８】
変形ポテンシャルによる電子のポテンシャルエネルギー変化δＥｎｋは、結晶の体積の膨張(dilatation)δＶ／Ｖに対して近似的に比例する（第１式）。
【数１】
0005202674.tif 000002
ここで、ａｎｋは、体積変形ポテンシャルに関する比例定数である。
【００５９】
図８（ａ）及び図８（ｂ）は、音響半導体装置の特性をモデル的に示す模式図である。  図８（ａ）は、変形ポテンシャルによる、結晶変形及び電子ポテンシャル変化の様子を概念的に示している。図２（ｂ）は、半導体中を伝播する音響波と電荷との相互作用を示している。
【００６０】
図８（ａ）に表したように、結晶の変形ＤＣ（Deformation of Crystal）において、体積膨張ＶＥまたは体積収縮ＶＤが生じる。これに連動して、例えば電子のポテンシャルエネルギーＰＰ（Potential of a Particle）が変化する。
【００６１】
音響波と電荷との上記相互作用の現れ方の逆の形態として、電荷から結晶への影響が存在する。すなわち、変形ポテンシャルの逆効果として、電荷密度の分布に疎密があれば結晶を変位させる効果が生じる。この効果は、ある特定の条件下では電子による音響波の放射(radiation)の原因となる。すなわち、電荷の疎密は、音響波の発生・増幅・減衰を駆動する力となる。
【００６２】
図８（ｂ）に表したように、半導体中を音響波ＡＷ（弾性波）が伝播する際、半導体結晶内には、膨張する部分（体積膨張ＶＥ）と、収縮する部分（体積収縮ＶＤ）と、が周期的に形成される。第１式で示された変形ポテンシャルにより、膨張した部分と収縮した部分とでは、その部分に存在する電子のポテンシャルエネルギーＰＰに変化が生じる。ポテンシャルエネルギーＰＰの高低によって存在確率の分布が生じ、音響波ＡＷの波長と同じ周期で、電子密度ＣＤの疎密（例えば電荷集中ＣＰ）が生じる。
【００６３】
電荷密度に疎密がある状態において、音の伝播方向と同じ方向に直流的な電界を加えると、電界により電荷は加速され、ドリフト速度が速くなる。十分に高い電界の下、電荷のドリフト速度が音響的な波の伝播速度よりも速くなると、音響波の振幅は次第に増幅されると同時に、音響波の伝播速度が速くなる。このように、音響フォノンと電子との相互作用を利用することにより、音響波の速度を変えることができる。従って、半導体結晶中に励起される音響定在波の共振周波数を変えることにより、発振周波数を制御できる。
【００６４】
また、ｎ形半導体またはｐ形半導体において、不純物準位から伝導に寄与するキャリア（すなわち電子またはホール）が励起された状態の半導体結晶中を伝播する音響波の速度は、キャリア密度に依存する。キャリア密度が高いと、音響波が伝播する速度が遅くなる。キャリア密度が低いと、音響波が伝播する速度が速くなる。従って、音響波が伝播する半導体結晶中のキャリア密度を変化させることにより、音響波の速度を変えることができる。そして、半導体結晶中に励起される音響定在波の共振周波数を変えることにより、発振周波数を制御できる。
【００６５】
実施形態に係る音響半導体装置１１１は、半導体基板上の特定領域に励起される音響定在波の共振周波数と同期した電気的な発振信号を出力する。
【００６６】
図１（ａ）及び図１（ｂ）に表したように、このような音響半導体装置として、電界効果トランジスタと、ゲート端子、ソース端子、ドレイン端子、及び、バックゲート端子と、を用いることができる。
【００６７】
電界効果トランジスタは、その特定領域上に設けられたソース領域及びドレイン領域と、ソース領域及びドレイン領域との間のチャネル領域と、そのチャネル領域の上に設けられたゲート電極と、を含む。ゲート端子、ソース端子及びドレイン端子は、それぞれ、ゲート電極、ソース領域及びドレイン領域に接続される。バックゲート端子には、上記のチャネル領域に電気的に接続される基板端子、または、ウェル端子が用いられる。
【００６８】
実施形態おいて、音響波と電荷との相互作用を用いて導体の結晶中を伝播する音響波と同じ方向に伝導性キャリアが移動できる領域には、上記のトランジスタのウェル領域を用いることができる。
【００６９】
また、伝導性キャリアの密度を変調させるための電界を印加する電界印加部として、素子領域に形成されるチャネル領域を有する電界効果トランジスタのゲート電極、ドレイン電極またはウェル端子を用いることができる。
【００７０】
実施形態に係る音響半導体装置１１１によれば、半導体基板上に集積化が容易で、かつ、大きいインダクタンス成分を有するインダクタ素子が実現できる。これにより、例えば、半導体基板上に集積化が容易で、かつ、大きいインダクタンス成分を有する共振器を実現できる。そして、このインダクタ成分を用いて、高い周波数精度を有する発振器として機能する音響半導体装置を提供することができる。
【００７１】
このように、実施形態によれば、他の電子回路との集積化が容易で、かつ、大きなインダクタンス成分を有する、インダクタンスまたは共振器として機能する半導体装置が提供できる。
【００７２】
一般に、固体中を伝播する音響波の速度は、温度や圧力が一定の条件下では、材料に特有の値を示す。一方、実施形態においては、半導体中を伝播する音響波の速度を、半導体中の伝導キャリアと音響波との間の相互作用を利用することにより、電気的に制御する。
【００７３】
実施形態に係る半導体音響素子は、例えば、単独でチョークコイルなどとして用いられる。また、容量素子と組み合わされて共振回路や同調回路にも応用できる。また、特定の周波数成分を取り出すための周波数フィルターや発振回路にも応用できる。また、音響的な信号を電気的な信号に変換して検出する各種センサにも応用できる。また、電圧や電流を変換するための変圧器にも応用できる。また、エネルギーを供給するための各種エネルギー源にも応用できる。また、信号を変調・復調する回路に用いることができる。また、インピーダンス整合回路に用いることができる。
【００７４】
以下、実施形態に係る半導体音響素子の特性に関係して、半導体結晶中を伝播する音響波が、電子やホールなどのキャリアに対して与える影響の例について説明する。
【００７５】
音響波(例えば縦波)が半導体結晶中を伝播すると、半導体結晶の圧縮と膨張とが空間的及び時間的に周期的に繰り返される。半導体結晶の圧縮と膨張とにより、電荷(伝導帯に励起された電子やホール)が感じるポテンシャルが、高くなるまたは低くなる効果(変形ポテンシャル)が生じる。
【００７６】
通常、結晶中の音の伝播速度よりも、電荷(キャリア)の移動速度のほうが十分大きい。このため、電荷は音響波で生じたポテンシャルの低い所に集まり、電荷の空間的な疎密が生じる。
【００７７】
図８（ｂ）に例示したように、音の進行波が結晶中を伝播すると、それに連れてポテンシャルの低い箇所が音速で移動する。このため、電荷の疎密もそれに追従して移動する。このように、音の伝播により結晶中の電荷が移動し、電流が流れる。音響波の伝播に伴って生じるので、この電流をここでは「音響電流」と呼ぶことにする。
【００７８】
電気的な交流信号を半導体結晶中に加えれば、電気的なインピーダンスに応じて、周期的に電気的な電流が流れる。電気的信号に伴う電流と音響電流という原因の異なる二種類の交流電流の間には、重ね合わせの原理が成り立つ。このため、もし位相が一致すれば電流は強め合い、位相が逆ならば弱め合う。
【００７９】
すなわち、電気的インピーダンスの周波数特性において、音響波の位相と電気信号の位相とが一致した周波数では、インピーダンスは小さく見えて、逆位相の場合にはインピーダンスが大きく見る。すなわち、直列共振と並列共振とが観測される。  
このように、半導体結晶中に音響的な定在波が励起されていると仮定すれば、インピーダンスが共振特性を示す理由を説明することができる。
【００８０】
しかしながら、圧電性も持たないはずのＳｉ結晶中に、電気的な信号によって音響波(結晶の疎密)が発生するのか、もし、発生するとしたらそれは何故か、という疑問が残る。
【００８１】
この点については、次のように考えることができる。様々な物理現象において、エネルギー変換効果(例えば圧電効果)には、必ずその逆効果(例えば逆圧電効果)が存在する。Ｓｉ結晶中において変形ポテンシャルが生じるならば、その逆効果もあるはずである。それは、電荷の疎密が原因で、結果として結晶の疎密すなわち音響波が発生するような現象である。
【００８２】
以下、一例として、ｎ形半導体における電荷の疎密と結晶変形との関係について説明する。  
図９は、電荷の疎密と結晶変形の関係のモデルを示す模式図である。  
図９の右図は、電子密度が疎の領域の状態を例示し、図９の左図は、電子密度が密な領域の状態を例示している。例えば、ｎ形半導体において、全ての不純物原子から電子が励起され、しかも、何らかの理由により空間的に電子密度の疎密が生じた状態を想定する。
【００８３】
図９の左図に表したように、電荷３０１が密の領域では、変形ポテンシャルの逆効果により体積膨張の力ｆｖ（ｆｖ＞０）が発生する。一方、図９の右図に表したように、逆に電荷３０１が疎の領域では、変形ポテンシャルの逆効果により体積収縮の力ｆｖ（ｆｖ＜０）が発生する。
【００８４】
この結果、同一の半導体結晶の内部に、何らかの理由により電荷の疎密が生じると、その電荷密度の傾きに比例するように、結晶には並行移動の原因となるような力Ｆｘが発生する。
【００８５】
通常、このような変形ポテンシャルの逆効果が問題とならないのは、先にも述べたように、音響波(結晶の疎密)が伝播する速度よりも、電子の移動速度のほうが大きいからだと考えられる。電荷の移動が速いため、変形ポテンシャルの逆効果によって結晶が変形(圧縮・膨張)が発現するよりも前に電荷密度は平均化し、音響波の発生源となるような力は中和される。結晶を構成する原子は結晶内で束縛されているので動きにくく、またその質量は、電子の質量よりも大きいので速くは変形できない。
【００８６】
しかしながら、もし何らかの理由で、半導体結晶中のキャリアの移動速度が音の伝播速度よりも遅くなるような状況が実現しているならば、電荷の疎密により、半導体結晶が変形する、すなわち音響波が発生する可能性がある。
【００８７】
図１０は、第１の実施形態に係る音響半導体装置の構成を例示する模式的断面図である。  
図１０は、上記の実験に用いられた素子２０１の構成にも対応する。  
図１０に表したように、上記の実験で共振現象が観測された素子２０１では、二重ウェル構造を有する。素子領域においてＰウェル層１１ｅが設けられ、Ｐウェル層１１ｅの下方にディープＮウェル層１１ｃが配置されている。さらに、ゲート電極１６の下部においては、両側をソース領域とドレイン領域に挟まれた、細長いＰウェル領域１１ｆが形成されている。
【００８８】
細長いＰウェル領域１１ｆを通過する電荷にとって、電気的な抵抗は、高くなり易い。しかも、これらの層（Ｐウェル層１１ｅ及びディープＮウェル層１１ｃ）は、上下左右とも、空乏層１１ｂ及び空乏層１１ｄで挟まれている。
【００８９】
図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、第１の実施形態に係る音響半導体装置の構成を例示する回路図である。  
図１１（ａ）は、Ｐウェル層１１ｅからみたインピーダンスのＣＲ等価回路モデルを示している。図１１（ｂ）は、簡略化した等価回路を示す。
【００９０】
図１１（ａ）に表したように、Ｐウェル層１１ｅ、ディープＮウェル層１１ｃ及び空乏層１１ｄは、長い距離のＣＲ回路と見なすことができる。このような構成において、電荷が移動する際には、これらの空乏層の容量成分を充電しながら、長い距離を進行する。すなわち、半導体結晶中を移動する電荷密度の伝播速度は、ＣＲ時定数の程度であるということができる。
【００９１】
インピーダンスの周波数特性の実際の測定結果から、このＰウェル層１１ｅのＣＲ時定数を具体的に見積もった。ここで、実際には、図１１（ａ）に例示した等価回路のように、抵抗及びキャパシタは分布していると考えられるが、この見積もりにおいては、単純化のため、図１１（ｂ）に例示した集中定数的な等価回路を仮定した。
【００９２】
計算値が、インピーダンスの測定結果の値と、１００ＭＨｚ以下の低周波領域で一致するように、上記のＣＲ等価回路でフィッティングした結果、Ｃ＝１７ｐＦで、Ｒ＝１２６Ωが得られた。これらの値から、ＣＲ遮断周波数ｆＣＲを、次の第２式で見積もると、約８５ＭＨｚであった。
【数２】
0005202674.tif 000003
この遮断周波数ｆＣＲは、音響共振により生じていると考えている直列共振周波数（約８０ＭＨｚ）及び並列共振周波数（約１２０ＭＨｚ）とほぼ同程度か、やや小さい。
【００９３】
このことは、Ｐウェル層１１ｅ中を伝播する電荷の移動速度が、音響波の伝播速度よりも遅いことを示している。これにより、結晶変形が引き起こされる状況が得られる。すなわち、電荷の疎密が生じると電気的には解消し難いような環境が整う。
【００９４】
結論として、例えば、上下左右が逆の伝導極性にサンドイッチされた細くて長い一次元的な構造の半導体層では、外部から電気的な交流信号を与えることにより、周期的な結晶変形が生じる。すなわち、このような半導体層においては、電気信号が音響波と結合し易い。
【００９５】
音響波と電荷との結合があるならば、類似現象である圧電共振とのアナロジーにより、共振波形から結合係数を見積もることができる。圧電的な電気機械結合の場合は、結合係数ｋ２の定義は、電気的入力エネルギーに対する機械的に蓄積されるエネルギーの比として定義される。結合係数ｋ２は、実験的には、直列共振の周波数の並列共振の周波数に対する比で求めることができる。
【００９６】
既に図７（ａ）及び図７（ｂ）に関して説明したように、実験値に合うような等価回路のシミュレーション値として、Ｒｓ＝９６Ω、Ｒ０＝１３Ω、Ｃ０＝７．４ｐＦ、Ｌ１＝３９６ｎＨ、Ｒ１＝３２．６Ω、Ｃ１＝９．６ｐＦが得られる。さらに、これらの値から、直列共振周波数ｆｓｒ及び並列共振周波数ｆｐｒを以下の第３式及び第４式により求めた。
【数３】
0005202674.tif 000004
【数４】
0005202674.tif 000005
図１２は、実験に用いた半導体装置の構成を示す模式的平面図である。  
図１２に表したように、素子２０１の素子領域のサイズ（Ｗ×ＬＳＤＧ）は、４０μｍ×１９９μｍである。なお、図１０は、図１２のＡ１−Ａ２線断面図に相当する。
【００９７】
図１３は、音響半導体装置の特性の測定結果を示すグラフ図である。  
同図は、Ｐウェル端子からみたアドミッタンスを極座標で表示している。この図で、実線は実測値を示し、破線は、合わせ込みのための等価回路によるシミュレーション値を示す。このアドミッタンス円において、図中の上半分は容量性のアドミッタンスに対応し、下半分は誘導性のアドミッタンスに対応する。
【００９８】
図１３に表したように、約８１ＭＨｚでアドミッタンスの虚数成分が一度ゼロとなる。そして、約１２３ＭＨｚでは再度ゼロとなるが、その間の周波数範囲では、Ｐウェル層１１ｅが等価的にインダクタとして振る舞うことを示している。等価回路上では、前者は直列共振周波数ｆｓｒに相当し、後者は並列共振周波数ｆｐｒに相当する。
【００９９】
このように、上記の第３式及び第４式により求めた直列共振周波数ｆｓｒ及び並列共振周波数ｆｐｒは、図１３に示したアドミッタンス円から直接見積もられる周波数とほぼ一致している。
【０１００】
これらの周波数から、結合係数ｋ２を以下の第５式により見積もった。
【数５】
0005202674.tif 000006
この値は、圧電材料として広く使用されているＰＺＴ系セラミックスに匹敵するほど大きな値である。
【０１０１】
さらに、直列共振周波数ｆｓｒ＝８１ＭＨｚと、素子のサイズの幅Ｗ＝４０μｍと、から、以下の第６式により、音速ＶＬを見積もった。
【数６】
0005202674.tif 000007
第６式において、Ｗを２倍するのは、一周期に相当する時間において、音の波は、素子のサイズ（距離）を往復するからである。このように、この実験においては、音速ＶＬは約６．５３×１０５（ｃｍ／ｓ）であった。
【０１０２】
表１は、Ｓｉ単結晶中を伝播する音速の一覧である。
【表１】
0005202674.tif 000008
表１においては、伝搬方向ＰＤのそれぞれに対するモード（ＭＯＤＥ）において、音速を表す式と、その値と、が示されている。
【０１０３】
表１から分かるように、実験で求めた音速ＶＬ＝６．５３×１０５（ｃｍ／ｓ）は、［１００］方向に伝播する縦波の速度とほぼ一致している。
【０１０４】
最も低い共振周波数(８１ＭＨｚ）が、長方形の素子サイズの長辺（１９９μｍ）の方向ではなく、短辺（４０μｍ）の方向で共振している点が注目される。
【０１０５】
これは、長辺方向の断面では複数のソース・ドレイン領域を横切るために、Ｐウェル層の厚さが不均一であるのに対して、短辺方向の断面ではＰウェル層１１ｅの厚さがほぼ一定であるためであると考えられる。
【０１０６】
さらに、素子領域のサイズの異なる別の素子２０１ａ（図示せず）でも同様の測定を行った。素子２０１ａの素子領域のサイズ（Ｗ×ＬＳＤＧ）は、３６．１μｍ×１４４．４μｍである。素子２０１ａにおいては、約９４ＭＨｚの共振周波数が得られた。同様にして音速ＶＬを見積もると、以下の第７式のように、６．７８×１０５（ｃｍ／ｓ）が得られた。
【数７】
0005202674.tif 000009
表２に、上記の２つの素子の特性をまとめて示す。
【表２】
0005202674.tif 000010
表２に示すように、素子領域のサイズが異なる上記の２つの素子２０１及び素子２０１ａにおいて、音速ＶＬがほぼ一致する。すなわち、素子サイズの幅Ｗと直列共振周波数ｆｓｒとは、反比例の関係にあり、その比例係数が音速ＶＬに相当する。
【０１０７】
さらに、素子２０１（素子サイズの幅＝４０μｍ）において、Ｐウェル端子に直流のバイアス電圧Ｖｂｉａｓを印加しながら、インピーダンス(アドミッタンス)の周波数特性を測定し、解析した。
【０１０８】
図１４及び図１５は、音響半導体装置の特性の測定結果を示すグラフ図である。  
図１４は、アドミッタンスＹの実数部Ｇ＝Ｒｅ（Ｙ）を表し、図１５は、アドミッタンスＹの虚数部Ｂ＝ｉｍ（Ｙ）を表す。これらの図の横軸は、周波数ｆである。  
これらの図においては、Ｐウェル端子へ印加するバイアス電圧Ｖｂｉａｓを０ボルト（Ｖ）〜−０．８Ｖの範囲で変化させたときの実数部Ｇ及び虚数部Ｂの実測値が示されている。
【０１０９】
図１４及び図１５に表したように、周波数ｆが約８０ＭＨｚにおいて直列共振Ｒｓｒが生じ、周波数ｆが約１１０ＭＨｚにおいて並列共振Ｒｐｒが生じる。そして、バイアス電圧Ｖｂｉａｓを変化させると特性が変化する。
【０１１０】
すなわち、８０ＭＨｚ付近の周波数ｆにおいて観測される直列共振周波数ｆｓｒは、バイアス電圧Ｖｂｉａｓ依存性を示す。さらに、等価回路におけるパラメータ値を合わせ込んだところ、音響的な振動を表すと考えられる直列共振回路の容量とインダクタとが、ともにバイアス電圧Ｖｂｉａｓ依存性をもつことがわかった。
【０１１１】
ここで、直列共振周波数ｆｓｒは、素子サイズの幅Ｗ＝４０μｍを音響波が往復するのに必要な時間で決まると仮定する。そして、それぞれのバイアス電圧Ｖｂｉａｓに対して、音速ＶＬを見積もった。
【０１１２】
図１６は、音響半導体装置の特性の評価結果を示すグラフ図である。  
同図は、音速ＶＬとバイアス電圧Ｖｂｉａｓとの関係に関する実測値を示している。さらに、同図には、Ｓｉ［１００］方向に伝播する縦波の音速の値（８．４３×１０５ｍ／ｓ）と、横波の音速の値（５．８４×１０５ｍ／ｓ）と、が破線で示されている。
【０１１３】
バイアス電圧Ｖｂｉａｓが負の領域で音速ＶＬは速くなり、音速ＶＬは、Ｓｉ［１００］方向に伝播する縦波の音速の値（８．４３×１０５ｍ／ｓ）に近づく傾向が見られた。
【０１１４】
一方、２００ＭＨｚ以下の周波数領域について、共振特性を等価回路で合わせ込んだ。  図１７は、音響半導体装置の特性の評価結果を示すグラフ図である。  
同図は、２００ＭＨｚ以下の周波数領域について、共振特性を等価回路で合わせ込んだときの、等価回路のパラメータ値（キャパシタＣ０、Ｃ１、Ｃｔｏｔａｌ、及び、インダクタＬ１）を示す。横軸は周波数ｆである。
【０１１５】
図１７に示すように、等価回路の容量成分であるキャパシタＣ０及びＣ１は、負バイアス側で減少する傾向が見られた。そして、インダクタＬ１は、負バイアス側で増大する傾向が見られた。容量の減少は、ｐｎ接合の空乏層の容量の変化に対応していると考えられる。
【０１１６】
（第２の実施の形態）  
図１８（ａ）及び図１８（ｂ）は、第２の実施形態の音響半導体装置の構成を例示する模式図である。  
図１８（ａ）は平面図である。図１８（ｂ）は、図１８（ａ）のＡ１−Ａ２線断面図である。
【０１１７】
図１８（ａ）及び図１８（ｂ）に表したように、本実施形態に係る音響半導体装置１１２においては、例えば、半導体層１１が設けられる。半導体層１１には、例えば、シリコンの半導体基板が用いられる。実施形態はこれに限らず、半導体層１１には、例えば、絶縁層の上に設けられた半導体の層を用いても良い。
【０１１８】
半導体層１１（半導体基板）に、素子領域１２が設けられている。素子領域１２は、素子分離領域１３で囲まれている。素子分離領域１３は、例えば絶縁膜である。素子分離領域１３は、例えば、酸化珪素膜で形成される。素子分離領域１３は、音響反射層となる。
【０１１９】
素子領域１２は、素子分離領域１３の音響反射層に囲まれる。素子領域１２は、例えば、長方形であり、第１長さＬｘの第１辺（例えば、Ｘ軸に沿う辺）と、第２長さＬｙの第２辺（例えばＹ軸に沿う辺）と、を有している。
【０１２０】
また、素子領域１２上には、電界効果トランジスタ１００が形成されている。この電界効果トランジスタ１００は、ゲート電極１６及びソース・ドレイン領域１５を有する。
【０１２１】
ソース・ドレイン領域１５は、ゲート電極１６の両側の素子領域１２に形成される。ソース・ドレイン領域１５には、例えば、半導体層１１（半導体基板）とは逆の導電形を有する不純物拡散層が用いられる。素子領域１２において、複数のソース・ドレイン領域１５どうしの間に、チャネル領域が形成される。
【０１２２】
ゲート電極１６は、素子領域１２のチャネル領域上に設けられる。チャネル領域と、ゲート電極１６との間には、図示しないゲート絶縁膜が設けられる。
【０１２３】
この例では、ゲート電極１６は、Ｘ軸に沿って延びる。この例では、複数のゲート電極１６が設けられる。複数のゲート電極１６は、Ｙ軸方向に並ぶ。この例では、５つのゲート電極１６が設けられているが、実施形態においてゲート電極１６の数は、任意である。
【０１２４】
ゲート電極１６に電圧を印加するゲート端子３２が設けられる。  
複数のソース・ドレイン領域１５のそれぞれに電圧を印加するソース端子１８及びドレイン端子１７が設けられている。ソース端子１８とドレイン端子１７とは、交互に配置される。
【０１２５】
半導体層１１（半導体基板）に出力端子１９が設けられる。出力端子１９は、半導体層１１（半導体基板）を介して、チャネル領域と電気的に接続されている。この例では、出力端子１９は、第１端子１６０に相当する。
【０１２６】
図１９は、第２の実施形態に係る音響半導体装置の構成を例示する等価回路図である。  図１９に表したように、ソース端子１８とゲート端子３２との間に、ゲート電圧Ｖｇｓを印加し、ソース端子１８とドレイン端子１７との間にドレイン電圧Ｖｄｓを印加する。すなわち、ソース端子１８とゲート端子３２との間にゲート電圧Ｖｇｓを印加する直流電圧源２１が接続される。ソース端子１８とドレイン端子１７との間にドレイン電圧Ｖｄｓを印加する直流電圧源２２が接続される。
【０１２７】
電界効果トランジスタ１００のしきい値電圧をＶｔｈとする。そして、以下の第８式を満たすように、ゲート電圧Ｖｇｓ及びドレイン電圧Ｖｄｓを設定する。  
【数８】
0005202674.tif 000011
そして、出力端子１９から、発振する基板電流を信号として出力する。
【０１２８】
本願明細書においては、基板電流とは、電界効果トランジスタにおいて、チャネル領域でのインパクトイオン化を主因として、基板またはウェル中に生成される電流を指す。
【０１２９】
図２０（ａ）及び図２０（ｂ）は、第２の実施形態に係る音響半導体装置の動作を例示する模式図である。  
これらの図は、実施形態に係る音響半導体装置１１２における異なるタイミングの状態を、モデル的に例示している。これらの図は、音響半導体装置１１２の断面図と、音響的な定在波と、を例示している。
【０１３０】
図２０（ａ）及び図２０（ｂ）に表したように、音響半導体装置１１２においては、上記の直流電圧を印加することにより、素子領域１２に、音響定在波（音響波ＡＷ）と、それに同期した電荷密度（例えば電子密度ＣＤ）の高低が励起される。例えば、音響波ＡＷに基づいて結晶の変形ＤＣが生じ、これに伴い、例えば電子のポテンシャルエネルギーＰＰに、疎ＳＴｒの領域と、密ＳＴｔの領域と、が形成される。すなわち、部分的に電荷集中ＣＰが生じる。
【０１３１】
素子領域１２に励起された音響定在波の周期に同期して、素子領域１２に形成された電界効果トランジスタのチャネル領域では、インパクトイオン化の確率が時間的に変化する。インパクトイオン化により発生した電子・ホール対は、高いエネルギーをもつため、その一部は基板電流として半導体基板（Ｐウェル）に達する。音響定在波に同期して周期的なＰウェル電流の変化が生じるため、音響半導体装置の出力端子１９からは、周期的な電気信号７２を検出することができる。
【０１３２】
図２１は、第２の実施形態に係る音響半導体装置の特性を例示するグラフ図である。  
同図は、音響半導体装置１１２のインピーダンス測定の結果の一例を示している。すなわち、同図は、ネットワークアナライザを用い、音響半導体装置１１２のドレイン端子１７側から見たときのインピーダンス（Ｚ２２）の周波数依存性の測定結果を示している。横軸は周波数ｆを示す。左側の縦軸は、インピーダンスの実数部Ｒｅ（Ｚ２２）を示し、右側の縦軸は、インピーダンスの位相Ｐｈａｓｅ（Ｚ２２）を示す。同図において、丸印及び四角印は実測値を示す。破線は、これらの実測値を繋いだものである。また、図２１には、等価回路を使ったシミュレーション値が実線で示されている。
【０１３３】
図２１に示すように、この測定例では、８３０ＭＨｚ、１．０７ＧＨｚ、１．３２ＧＨｚ、１．５６ＧＨｚ及び１．８０ＧＨｚの周期的な間隔で、インピーダンスの発振ピークが観測されている。このように、実測及びシミュレーションによって、基板電流が周期的に変化し発振することが確認される。
【０１３４】
さらに、本実施形態に係る音響半導体装置として、素子領域１２のサイズが異なる試料に関して、共振特性を評価した。ここでは、３種類の試料を用いた。１つの試料における素子領域１２のサイズ（Ｗ×ＬＳＤＧ）は、４０μｍ×７．１８μｍである。別の試料における素子領域１２のサイズは、４０μｍ×１０．７８μｍである。さらに別の試料における素子領域１２のサイズは、４０μｍ×１７．９８μｍである。すなわち、これらの試料においては、サイズの幅Ｗが同じで、長さＬＳＤＧが互いに異なる。
【０１３５】
図２２は、第２の実施形態に係る音響半導体装置の特性を示すグラフ図である。  
同図は、音響半導体装置に関する上記の３種類の共振特性の測定結果を示している。横軸は波数Ｎｗ（整数）であり、縦軸は、観測された発振ピークの周波数ｆｐである。すなわち、この図は、観測された発振ピークの周波数ｆｐに対して、適当な波数Ｎｗ（整数）を割り当ててプロットしたものである。
【０１３６】
図２２から分かるように、３つの試料において、ほぼ同じ周波数ｆｐに発振ピークが観測されている。これらの試料においては、素子領域１２の長さＬＳＤＧ（第２辺の第２長さＬｙ）が異なるが、幅Ｗ（第１辺の第１長さＬｘ）が同じである。このことから、素子領域１２の形状の幅Ｗ（Ｌｘ）で決まる発振ピークを有する音響定在波が励起されていることを示唆している。
【０１３７】
図２３は、第２の実施形態に係る音響半導体装置の動作を例示する模式図である。  
すなわち、同図は、音響定在波の励起の条件の例をモデル的に示している。  
半導体基板中を伝播する音速ＶＬの値は、材料に特有な物性値である。既に表１に示したように、例えば、シリコン半導体単結晶基板中を（１００）方向に伝播する縦波の場合には、ＶＬ＝８．４３×１０５ｃｍ／ｓである。
【０１３８】
実際に素子領域１２に励起される音響波は縦波とは限らず、異なるモードを有する可能性が考えられる。例えば、励起モードは、シリコン単結晶とシリコン酸化物の界面を伝播する界面波である可能性も考えられる。この場合、実測した素子領域１２のサイズの幅（Ｌｘ＝４０μｍ）から、音速ＶＬを次の第９式により求めることができる。
【数９】
0005202674.tif 000012
ここで、第９式において、発振の次数をＮとし、Ｎ次の発振周波数をｆＮとした。
【０１３９】
測定結果から求めた一波数あたりの発振周波数ｆＮ／Ｎの値は、約１２０ＭＨｚであり、これは、Ｐウェルにおいて測定したインピーダンスの周波数特性において観測された並列共振周波数ｆｐｒとほぼ一致する。
【０１４０】
図２４は、第２の実施形態に係る音響半導体装置の動作を例示するグラフ図である。  
すなわち、同図は、音響半導体装置１１２における直流印加電圧と、自発的に発生する音響定在波のモードと、の関係の例を示している。同図の横軸は、ドレイン電圧Ｖｄｓであり、縦軸はゲート電圧Ｖｇｓである。
【０１４１】
図２４に表したように、ゲート電圧Ｖｇｓがしきい値電圧Ｖｔｈよりも低い場合、電界効果トランジスタ１００はオフ状態ＳＴＯＦＦである。このとき、ドレイン−ソース間のチャネルにドレイン電流は流れない。従って、インパクトイオン化は生じない。
【０１４２】
ゲート電圧Ｖｇｓがしきい値電圧Ｖｔｈよりも高いときに、オン状態ＳＴＯＮとなる。
そして、ゲート電圧Ｖｇｓが十分に高い線形領域ＲＯＮ−Ｌにおいては、チャネル全域がオン状態となり、ドレイン電流が流れるが、チャネルを流れる電子に高い電界が加わらないためインパクトイオン化が生じず、音響的定在波は励起されない。
【０１４３】
そして、電界効果トランジスタ１００のドレイン電流が飽和する飽和領域ＲＯＮ−Ｓのバイアス電圧条件下では、チャネルの一部がピンチオフする。そして、電子が加速されてインパクトイオン化現象が生じ、電子・ホール対が発生する。このとき、極めて高いエネルギーをもつ電子において、半導体の結晶に衝突するためエネルギーの一部が、結晶の格子振動に変換される。この格子振動のエネルギーの一部は、半導体領域に音響的な定在波を励起するために使用される。
【０１４４】
従って、音響的な定在波を励起するために、本実施形態に係る音響半導体装置１１２においては、上記の第８式に示した電圧条件が用いられる。
【０１４５】
実用的な使用において好ましい電圧条件は、例えば、図２４中に示したハッチングされた領域（ｍｏｄｅ−Ｘ及びｍｏｄｅ−Ｙ）の条件である。この条件において、発振ピークが確実に観測される。この領域は、上記の第８式に対応する領域よりもやや狭い。
【０１４６】
集積回路に使用されるシリコン単結晶は純度が高く、しかも結晶欠陥が少ないため、音響波の伝播にあたり減衰は比較的少ないと考えられる、しかしながら、音響波のエネルギーの一部は散逸してわずかに減衰する可能性がある。この減衰の影響で、実際の観測では、素子領域１２に定在波が励起されるためのドレイン電圧Ｖｄｓ及びゲート電圧Ｖｇｓの条件の範囲は、トランジスタが飽和するドレイン電圧Ｖｄｓ及びゲート電圧Ｖｇｓの範囲より狭くなっている可能性が考えられる。
【０１４７】
このことを考慮して、実際の使用条件は、図２４に例示したハッチングされた領域の条件を用いることがさらに、好ましい。
【０１４８】
図２４において、第１モード（ｍｏｄｅ−Ｘ）の条件においては、ゲート電極１６の延在方向に対して平行な方向において、音響モードが励起される。図２４において、第２モード（ｍｏｄｅ−Ｙ）の条件においては、第１モード（ｍｏｄｅ−Ｘ）に加えて、第１モードとは異なる音響モードも励起されると考えられる。
【０１４９】
例えば、音響半導体装置１１２を発振器として用いる場合、発振条件の中でも、複数のモードが励起されず、単一のモードが励起される範囲で使用することが好ましい。
【０１５０】
実施形態に係る音響半導体装置１１２において、図１８に示すように、互いに平行に並び互いに接続された複数のゲート電極１６を設けることが望ましい。そして、素子領域１２の、ゲート電極１６の延在方向に沿う長さ（第１長さＬｘ、すなわち幅Ｗ）が一定であることが望ましい。
【０１５１】
上述のように、音響定在波の発振ピークが素子領域１２の辺の長さに依存すると示唆される。従って、複数のゲート電極１６のそれぞれの下で発生する音響波を、同じ周波数の音響定在波とするためには、基板電流の発振周波数に対応する長さ（第１長さＬｘ）が一定であることが望ましい。
【０１５２】
また、大きなドレイン電流が流れるような、ゲート電極１６とドレイン領域との間に加える直流電圧の条件では、チャネルの抵抗成分により発熱が生じることがある。チャネルの温度が上昇すると半導体結晶中を伝播する音響波の音速が変化し、発振周波数が変動する可能性がある。従って、発熱を抑制して発振周波数を安定化するための観点から、ゲート電極１６に加える電圧は低いほうが望ましい。
【０１５３】
実施形態に係る音響半導体装置１１２には、電界効果トランジスタの構成が用いられるため、他の電子回路との集積化が容易である。
【０１５４】
また、実施形態によれば、電子回路と集積化される従来の発振器と比較して、高い周波数精度を有する発振器として機能する半導体装置を提供することができる。
【０１５５】
例えば、実施形態によれば、インバータを用いたリング発振器等に比べ、発振周波数の温度依存性が小さくなる。リング発振器では、トランジスタの発振周波数がドレイン電流に依存し、ドレイン電流の温度による変化量は、音響波の音速の温度による変化量に比べ大きい。実施形態においては、ドレイン電流量の変化は、発振周波数には直接には影響しない。このため、実施形態においては、発振周波数の温度依存性が小さい。
【０１５６】
さらに、実施形態によれば、インバータを用いたリング発振器等に比べ、発振周波数の加工寸法依存性も小さくなる。トランジスタのドレイン電流は、ゲート長の精度に依存し、リング発振器等では、このドレイン電流が発振周波数に影響する。従って、発振周波数がトランジスタのゲート長の加工精度に依存することになる。
【０１５７】
これに対し、実施形態においては、発振周波数は、素子領域の辺の長さに依存する。例えば、上記の第１モード（ｍｏｄｅ−Ｘ）においては、発振周波数は、トランジスタのゲート幅に依存する。通常、トランジスタのゲート幅はゲート長の１０倍以上１００倍以下で設計される。このため、同じ量だけ加工がばらついたとしても、ゲート幅の変動の割合は、ゲート長の変動の割合よりも小さい。従って、実施形態においては、発振周波数の加工寸法依存性が従来と比べて小さくなる。
【０１５８】
このように、本実施形態に係る音響半導体装置１１２は、第２端子を備える。第２端子には、ゲート端子３２、ソース端子１８、ドレイン端子１７、及び、半導体層１１に電気的接続された端子（例えば出力端子１９）の少なくともいずれかが用いられる。
【０１５９】
すなわち、第２端子には、第１不純物拡散部１２ａ、第２不純物拡散部１２ｂ、中間部１２ｃ及び、ゲート電極１６のいずれかと電気的に接続された端子を用いることができる。第２端子は、例えば、第１端子１６０とは電気的に接続されていない。
【０１６０】
また、第２端子は、半導体結晶共振層の側面に設けられた絶縁層を介して、半導体結晶共振層と電気的に接続されても良い。
【０１６１】
また、第２端子は、半導体結晶共振層の側面に設けられ、半導体結晶共振層の導電形とは異なる導電形を有する半導体結晶を含む層に電気的に接続されても良い。
【０１６２】
第２端子に入力される信号に応じて、音響共振部１５５中を伝播する電子及びホールの少なくともいずれかの伝導キャリアの密度及びドリフト速度の少なくともいずれかが変化する。これにより、音響共振部１５５中を伝播する音響波の速度が変化する。  
この第２端子に入力される信号は、例えば、直流バイアス電圧である。
【０１６３】
このように、本実施形態に係る音響半導体装置は、導体基板と、その半導体基板中の特定領域に形成された音響定在波を励起するための音響共振器（音響共振部１５５）と、その音響共振器の共振周波数と同期した電気的な発振信号を出力するための第１端子１６０と、を備える。そして、音響波-電子相互作用を用いて音響共振器中を伝播する電子及びホールの少なくとも一方の伝導キャリアの密度及びドリフト速度の少なくともいずれかを制御することにより、音響波の伝播速度を電気的に変化させる。
【０１６４】
音響定在波を励起させるための半導体基板上の特定領域としては、例えば、半導体基板上に形成される素子分離領域１３（例えば埋め込み型絶縁層）域に囲まれた素子領域１２が用いられる。
【０１６５】
具体的には、半導体基板上の特定領域に音響定在波を励起し、かつ、共振周波数と同期した電気的な発振信号を出力するための構成として、電界効果トランジスタと、端子と、を用いることができる。この電界効果トランジスタは、素子領域１２上に形成されたゲート電極１６と、ゲート電極１６の両側の素子領域１２に設けられたソース・ドレイン領域１５と、ソース・ドレイン領域１５に挟まれた素子領域１２に設けられたチャネル領域と、を有する。端子は、例えば、ゲート電極１６と接続されたゲート端子、ソース・ドレイン領域１５と接続されたソース端子１８及びドレイン端子１７、並びに、チャネル領域に空乏層を介して隣接する基板端子（例えば出力端子１９）の少なくともいずれかを含む。
【０１６６】
本実施形態に係る音響半導体装置１１２において、ソース・ドレイン領域１５は、半導体基板中に形成されたウェル構造の内部に設けられる。
【０１６７】
本実施形態に係る音響半導体装置１１２は、特定領域に励起された音響定在波と同期して振動する、ドレイン電圧、ドレイン電流、基板電圧、及び、基板電流の少なくともいずれか出力することで発振器として機能する。
【０１６８】
図２５は、第２の実施形態に係る別の音響半導体装置の構成を例示する模式図である。  すなわち、同図は、本実施形態に係る音響半導体装置１１２ａの等価回路図である。  
図２５に表したように、音響半導体装置１１２ａは、既に説明した音響半導体装置１１２に加え、増幅器２５（増幅回路部）を、さらに備える。増幅器２５は、出力端子１９に接続される。
【０１６９】
増幅器２５としては、例えば、トランジスタに基づく、シングル増幅回路、プッシュプル増幅回路及び差動増幅回路等の電子回路を用いることができる。
【０１７０】
音響半導体装置１１２ａによれば、発振する基板電流が微弱な場合でも、電気信号７２が増幅され、電気信号７２の振幅よりも大きい振幅を有する電気信号７４を得ることができる。
【０１７１】
このように、本実施形態に係る音響半導体装置１１２ａは、電界効果トランジスタのゲート端子、ソース端子、ドレイン端子及びベース端子（基板端子またはウェル端子）の少なくともいずれかから出力される発振信号の振幅強度を増幅するための増幅回路（増幅器２５）をさらに備える。この増幅回路は、上記の電界効果トランジスタが設けられる半導体層（例えば半導体基板）の一部に上に設けられることができる。
【０１７２】
すなわち、音響半導体装置１１２ａは、半導体結晶共振層（素子領域１２）が設けられる基体（この例では、ｐ形基板１１ａ）の上に設けられた増幅回路部（増幅器２５）をさらに備える。第１端子１６０を介して、音響定在波と同期する電気的信号が音響共振部１５５から出力される。増幅回路部は、第１端子１６０から出力される電気的信号を増幅する。
【０１７３】
（第３の実施形態）  
図２６（ａ）及び図２６（ｂ）は、第３の実施形態に係る音響半導体装置の構成を例示する模式図である。  
図２６（ａ）は、平面図である。図２６（ｂ）は、図２６（ａ）のＢ１−Ｂ２線断面図である。  
図２６（ａ）及び図２６（ｂ）に表したように、本実施形態に係る音響半導体装置１１３においては、ゲート間電極２６がさらに設けられている。ゲート間電極２６は、複数のゲート電極１６どうしの間に設けられる。すなわち、ゲート間電極２６は、チャネル領域の上において、複数のゲート電極１６どうしの間に設けられる。ゲート間電極２６は、ゲート電極１６の延在軸に沿って延在する。ゲート間電極２６は、例えば、ダミーゲート電極である。これ以外の構成は、音響半導体装置１１２と同様である。第２の実施形態と重複する内容については、記載を省略する。
【０１７４】
音響半導体装置１１３において、ゲート電極１６とゲート電極１６との間に、例えば、複数のゲート間電極２６を配置する。これらのゲート間電極２６は、直流電圧源と接続されずに、例えば接地電位に接続される。これにより、チャネル領域の抵抗成分により生じる発熱源の配置を分散させることができる。これにより、電界効果トランジスタ１００の温度上昇を抑制することができる。
【０１７５】
チャネル領域の温度が上昇すると、半導体結晶中を伝播する音響波の音速が変化し、発振周波数が変動する可能性がある。このとき、音響半導体装置１１３によれば、発熱による温度上昇が抑制されるため、発振周波数が安定する。これにより、発振器に応用する際に好ましい音響半導体装置が実現できる。
【０１７６】
（第４の実施形態）
図２７（ａ）及び図２７（ｂ）は、第４の実施形態に係る音響半導体装置の構成を例示する模式図である。  
図２７（ａ）は、平面図である。図２７（ｂ）は、図２７（ａ）のＣ１−Ｃ２線断面図である。  
図２７（ａ）及び図２７（ｂ）に表したように、本実施形態に係る音響半導体装置１１４においては、ゲート電極１６どうしの間に設けられるゲート間電極２６の数が、一定ではなく、変化している。さらに、素子領域１２の形状が、音響半導体装置１１３の場合とは異なる。これ以外は、音響半導体装置１１３と同じである。第３の実施形態と重複する内容については、記載を省略する。
【０１７７】
音響半導体装置１１４においては、ゲート電極１６とゲート電極１６との間に、複数のゲート間電極２６を配置する点では第３の実施形態と同様であるが、ゲート電極１６どうしの間のゲート間電極２６の本数は一定ではなく、互いに異なる。
【０１７８】
さらに、素子領域１２の形状が長方形ではない。素子領域１２の、ゲート電極１６と交わらない辺は、傾斜（この場合は階段状に傾斜）している。これにより、ゲート電極１６の延在軸に対して垂直な軸（Ｙ軸）に沿う素子領域１２の長さが一定ではない。これにより、ゲート電極１６の延在軸に対して垂直な軸（Ｙ軸）に沿う音響定在波の励起を抑制することができる。
【０１７９】
これにより、単一モードの音響定在波が励起される。これにより、発振器に応用する際に好ましい音響半導体装置を提供することができる。
【０１８０】
（第５の実施形態）  
図２８は、第５の実施形態に係る音響半導体装置の構成を例示する模式図である。  
図２８に表したように、本実施形態に係る音響半導体装置１１５は、電界効果トランジスタ１００に加え、温度補償回路８４をさらに備える。温度補償回路８４には、例えば、オープンループ型温度補償回路が用いられる。温度補償回路８４は、環境温度に応じた電気信号を第２端子１６０に出力する。
【０１８１】
音響半導体装置１１５において、温度補償回路８４は、例えば、電界効果トランジスタ１００のゲート電極１６と、ドレイン端子１７と、に接続される。そして、温度補償回路８４には、絶対温度比例電流源(Proportional To Absolute Temperature：ＰＴＡＴ)と、絶対温度相補型電流源(Complementary To Absolute. Temperature：ＣＴＡＴ)と、が接続される。これにより、温度依存性補償ドレイン電圧源Ｖｄ（Ｔ）と温度依存性補償ゲート電圧源Ｖｇ（Ｔ）と、が作製される。
【０１８２】
例えば、上記の音響半導体装置１１４（ゲート電極１６の延在軸に対して垂直な軸（Ｙ軸）に沿う音響定在波の励起を抑制することで、単一モードの音響定在波が励起される半導体装置）のドレイン端子１７及びゲート端子３２に、これらの電圧を供給する。
【０１８３】
ゲート端子３２に供給する温度依存性補償ゲート電圧源Ｖｇ（Ｔ）により、音響共振器中を伝播する電子及びホールの少なくとも一方の伝導キャリアの密度が制御される。
【０１８４】
ドレイン端子１７に供給する温度依存性補償ドレイン電圧源Ｖｄ（ｔ）により、音響共振器中を伝播する電子及びホールの少なくとも一方の伝導キャリアのドリフト速度が制御される。
【０１８５】
これにより、電子とフォノンとの相互作用を利用して半導体中を伝播する音響波の速度を電気的に変化させることができる。これにより、温度依存性が向上した発振周波数を得ることができる。
【０１８６】
以上のように、実施形態に係る半導体装置は、半導体結晶中を伝播する電荷と音響波との結合させるための機構を有する。
【０１８７】
実施形態に係る音響半導体装置は、例えば、半導体基板と、その半導体基板中の特定の領域に音響波を励起するための手段と、音響波の周期に同期して変動する電気的な信号を入出力するための電気的端子を備える。
【０１８８】
また、実施形態に係る音響半導体装置は、例えば、半導体基板と、その半導体基板中の特定の領域に形成された音響定在波を励起するための音響共振器と、その音響共振器の共振周波数と同期した電気的な信号を入出力するための端子を備える。
【０１８９】
実施形態に係る音響半導体装置においては、半導体基板の特定の結晶領域に音響定在波を励起するための共振器を形成する。このような音響的な共振器は、半導体基板の一部を、共振器とは音響インピーダンスの異なる材質の素子分離部１３ｓを用いて区切ることにより実現することができる。例えば、半導体の結晶がＳｉの場合には、素子分離部１３ｓには、ＳｉＯ２層、例えば、空洞層などを用いることができる。例えば、半導体基板上に形成される埋め込み型絶縁層の素子分離領域１３に囲まれた領域（素子領域１２）に、音響定在波を励起することができる。
【０１９０】
音響波と電荷の移動を効率よく結合させるために、音響定在波が励起され伝播する方向と同じ方向に電荷が移動できるような電気的な通り路を設けることが好ましい。このように音響定在波が励起して電荷と結合した場合、この素子は等価回路的に共振器として動作する。
【０１９１】
また、実施形態に係る音響半導体装置は、例えば、音響共振器中を伝播する電子及びホールの少なくともいずれかの伝導キャリアの密度及びドリフト速度を制御することにより、半導体中を伝播する音響波の速度を変化させることができる制御機構をさらに備える。これにより、半導体中を伝播する音響波の速度を変化させることができるので、等価的なインダクタンス及び共振周波数の少なくともいずれかを制御することができる。
【０１９２】
この制御機構として、例えば、電気的な信号を入出力するための上記の端子に直流的なバイアス電圧を印加する構成を用いることができる。また、この制御機構として、上記の音響共振器に隣接して設けられ、音響共振器の導電形とは逆の導電形を有する層に直流的なバイアス電圧を印加する構成を用いることができる。また、この制御機構として、上記の音響共振器と、薄い絶縁膜を介して並置された電極に直流的なバイアス電圧を印加する構成を用いることができる。
【０１９３】
実施形態に係る音響半導体装置は、発振器として利用できる。一般的に、音響的な共振器を用いた発振器において、発振周波数を変えるためには共振器のサイズを変化させるか、または、媒体中を伝播する音響波の速度を変化させるか、少なくともどちらかの方法で共振周波数を変える。これに対し、実施形態に係る音響半導体装置においては、半導体中を伝播する音響波の速度を電気的に制御する。
【０１９４】
実施形態に係る音響半導体装置において、上記の周波数制御機構を利用することにより、音響半導体装置の製造工程において生じる周波数誤差を補正する回路をさらに備えることができる。これにより、製造工程の変動によって生じる周波数誤差を補正し、高精度の周波数を得ることができる。
【０１９５】
さらに、上記の周波数制御機構を利用することにより、環境温度変化に対して、発振周波数を一定に保つための温度補償回路をさらに備えることできる。これにより、温度変化に対しても安定した高精度の周波数が得られる。
【０１９６】
上記の実施形態のいずれにおいても、電子をキャリアとするｎ形ＭＯＳトランジスタ（ｎ形ＭＩＳトランジスタ）、及び、正孔をキャリアとするｐ形ＭＯＳトランジスタ（ｐ形ＭＩＳトランジスタ）を用いることができる。
【０１９７】
また、上記の実施形態においては、素子領域１２及び素子領域１２内の電界効果トランジスタ１００を半導体基板上に形成する構成について述べたが、実施形態はこれに限らない。例えば、素子領域１２及び素子領域１２内の電界効果トランジスタ１００を、半導体基板中に設けられた基板とは異なる導電形を有するウェルに形成することも可能である。この場合には、音響定在波に同期した電気信号をチャネル領域の存在するウェルに接続した出力端子で検出することができる。
【０１９８】
実施形態によれば、例えば、半導体基板上に容易に形成することができ、かつ、スパイラルインダクタでは従来実現することが困難であった大きなインダクタンスをもつインダクタができ共できる。また、例えば、大きなインダクタンス成分をもつ共振回路を実現することができる。また、例えば、半導体基板上にインダクタ成分が音響的に実現されることにより、回路の他の部分と電磁界的に結合しにくく、雑音源として作用しにくいインダクタンス素子を提供できる。
【０１９９】
実施形態によれば、大きなインダクタンスをもつ新規なインダクタ素子を実現する音響半導体装置が提供される。
【０２００】
なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。
【０２０１】
以上、具体例を参照しつつ、本発明のいくつかの実施形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、音響半導体装置に含まれる素子部、端子、トランジスタ、不純物拡散部、中間部、電極、増幅回路部及び温度制御回路などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。  
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
【０２０２】
その他、本発明の実施の形態として上述した音響半導体装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての音響半導体装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【０２０３】
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【０２０４】
１１…半導体層、  １１ａ…ｐ形基板、  １１ｂ…空乏層、  １１ｃ…ディープＮウェル層、  １１ｄ…空乏層、  １１ｅ…Ｐウェル層、  １１ｆ…Ｐウェル領域、  １２…素子領域、  １２ａ…第１不純物拡散部、  １２ｂ…第２不純物拡散部、  １２ｃ…中間部、  １３…素子分離領域、  １３ａ、１３ｂ、１３ｃ…第１、第２、第３素子分離領域、  １３ｓ…素子分離部、  １５…ソース・ドレイ領域、  １６…ゲート電極、  １６ｉ…絶縁層、  １７…ドレイン端子、  １８…ソース端子、  １９…出力端子、  ２１、２２…直流電圧源、  ２５…増幅器（増幅回路部）、  ２６…ゲート間電極、  ３２…ゲート端子、  ７２、７４…電気信号、  ８４…温度補償回路、  １００…電界効果トランジスタ、  １１１、１１２、１１２ａ、１１３、１１４、１１５…音響半導体装置、  １５０…素子部、  １５５…音響共振部、  １６０…第１端子、  ２０１、２０１ａ…素子、  ２０２…二重ウェル構造、  ２０３…ゲート、  ２０３ｅ…ゲート端子、  ２０４…ドレイン、  ２０４ｅ…ドレイン端子、  ２０５…ソース、  ２０５ｅ…ソース端子、  ２０６…ＳＧＳ端子、  ２０６ａ、２０６ｃ…Ｇｎｄ端子、  ２０６ｂ…Ｐウェル端子、  ３０１…電子、  ３０２…不純物イオン、  ＡＷ…音響波、  Ｃ０、Ｃ１…キャパシタ、  ＣＤ…電子密度、  ＣＰ…電荷集中、  ＤＣ…結晶の変形、  Ｆｘ…力、  Ｇ…実数部、  Ｉａｌｌ…電流、  Ｉａｗ…音響的電流、  Ｉｅｌ…電気的電流、  Ｌ１…インダクタ、  ＬＳＤＧ…長さ、  Ｌｘ…第１長さ、  Ｌｙ…第２長さ、  Ｎｗ…波数、  ＰＤ…伝搬方向、  ＰＰ…ポテンシャルエネルギー、  Ｒ…実数部、  Ｒ０、Ｒ１…抵抗、  ＲＯＮ−Ｌ…線形領域、  ＲＯＮ−Ｓ…飽和領域、  Ｒｐｒ…並列共振、  Ｒｓ…抵抗、  Ｒｓｒ…直列共振、  ＳＴＯＦＦ…オフ状態、  ＳＴＯＮ…オン状態、  ＳＴｒ…疎、  ＳＴｔ…密、  ＶＤ…体積膨張、  ＶＥ…体積収縮、  ＶＬ、ＶＴ…音速、  Ｖｂｉａｓ…バイアス電圧、  Ｖｄ…温度依存性補償ドレイン電圧源、  Ｖｄｓ…ドレイン電圧、  Ｖｇ…温度依存性補償ゲート電圧源、  Ｖｇｓ…ゲート電圧、  Ｖｔｈ…しきい値電圧、  Ｗ…幅、  Ｘ…虚数部、  Ｙ…アドミッタンス、  ｆ、ｆｐ…周波数、  ｆｐｒ…並列共振周波数、  ｆｓｒ…直列共振周波数、  ｆｖ…力、  ｍｏｄｅ−Ｘ…第１モード、  ｍｏｄｅ−Ｙ…第２モード
【図１】
0005202674.tif 000013
【図２】
0005202674.tif 000014
【図３】
0005202674.tif 000015
【図４】
0005202674.tif 000016
【図５】
0005202674.tif 000017
【図６】
0005202674.tif 000018
【図７】
0005202674.tif 000019
【図９】
0005202674.tif 000020
【図１０】
0005202674.tif 000021
【図１１】
0005202674.tif 000022
【図１２】
0005202674.tif 000023
【図１３】
0005202674.tif 000024
【図１６】
0005202674.tif 000025
【図１７】
0005202674.tif 000026
【図１８】
0005202674.tif 000027
【図１９】
0005202674.tif 000028
【図２１】
0005202674.tif 000029
【図２２】
0005202674.tif 000030
【図２３】
0005202674.tif 000031
【図２４】
0005202674.tif 000032
【図２５】
0005202674.tif 000033
【図２６】
0005202674.tif 000034
【図２７】
0005202674.tif 000035
【図２８】
0005202674.tif 000036
【図８】
0005202674.tif 000037
【図１４】
0005202674.tif 000038
【図１５】
0005202674.tif 000039
【図２０】
0005202674.tif 000040