(57)【要約】周波数調整可能な共振器は、少なくとも１つの圧電体層（２）と少なくとも１つの半導体層（１，３）とを備えたベースボディを有している。ベースボディの主表面に構成された２つの電極（Ｅ１，Ｅ２）に外部電圧が印加され、ここで電圧に依存してベースボディまたは共振器の共振周波数が調整される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体層（２）を含み、相互に平行な２つの主表面を有するベースボディが設けられており、
ベースボディ内で一方の主表面の近傍に第１の導電型で圧電体層よりも高い導電率を有する第１の半導体層（３，４，６）が設けられており、
２つの主表面はそれぞれ電極層（Ｅ１，Ｅ２）でカバーされており、
各電極層は電圧および／または電気信号を印加するための電気端子（Ｔ１Ｖ，Ｔ２Ｖ；Ｔ１ＨＦ，Ｔ２ＨＦ）に接続されている
ことを特徴とする共振器。
【請求項２】
半導体層（３，４，６）および圧電体層（２）は同じ金属を含んでおり、ここで半導体層（３，４，６）と圧電体層とは異なるドープ濃度または異なる化学量比を有する、請求項１記載の共振器。
【請求項３】
第１の半導体層（３，４，６）とは反対側の主表面の近傍に異なる導電型で圧電体層よりも高い導電率を有する第２の半導体層（１，５，７）が設けられており、各半導体層およびその間に存在する圧電体層を備えたベースボディはｐｉｎダイオードの構造を有している、請求項１または２記載の共振器。
【請求項４】
第１の半導体層（３，４，６）とは反対側の主表面の近傍に同じ導電型で圧電体層よりも高い導電率を有する第２の半導体層（１，５，７）が設けられており、圧電体層（２）は付加的な電極（Ｅ３）に接続されている、請求項１または２記載の共振器。
【請求項５】
圧電体層（２）の材料は半導体特性を有しており、亜鉛酸化物、アルミニウム酸化物、ガリウム窒化物、インジウム窒化物、ケイ素炭化物、ガリウムヒ化物またはカドミウム硫化物、またはその他の半導体特性を備えた圧電材料から選択されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の共振器。
【請求項６】
半導体特性（１，３，４，５，６，７）は１０１４ｃｍ−３〜１０２１ｃｍ−３の範囲のドープ濃度または電荷担体濃度を有している、請求項１から５までのいずれか１項記載の共振器。
【請求項７】
ベースボディは半導体層（１，３，４，５，６，７）によって区切られており、１０ｎｍ〜５００ｎｍの厚さを有する、請求項６記載の共振器。
【請求項８】
圧電体層（２）の厚さは共振周波数ｆ０の範囲が無線通信システムで用いられている５００ＭＨｚ〜１０ＧＨｚの周波数となるように選定されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の共振器。
【請求項９】
各電極（Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３）は電圧源に接続されており、該電圧源には電圧を可変に調製する手段が設けられている、請求項１から８までのいずれか１項記載の共振器。
【請求項１０】
相互に平行な主表面に配置された２つの電極（Ｅ１，Ｅ２）を有するベースボディが設けられており、該ベースボディは１つの圧電体層と２つの半導体層とを有しており、空間電荷ゾーンを備えたｐｉｎダイオードに似た構造となっている
バルク音波共振器（ＢＡＷ共振器）の電気的な周波数調整方法において、
各電極と電圧源とを接続し、
電圧を電極に印加して空間電荷ゾーンの厚さｄを値Δｄだけ変化させ、
ＢＡＷ共振器の共振周波数を当該の状態に対して厚さに相関する値Δｆだけ印加電圧なしに変化させる
ことを特徴とするバルク音波共振器の電気的な周波数調整方法。
【請求項１１】
相互に平行な主表面に配置された２つの電極（Ｅ１，Ｅ２）を有するベースボディが設けられており、該ベースボディは１つの圧電体層（２）と２つの半導体層（４，５；６，７）とを有しており、空間電荷ゾーンを備えたｐｉｐダイオードまたはｎｉｎダイオードに似た構造となっている
バルク音波共振器（ＢＡＷ共振器）の電気的な周波数調整方法において、
圧電体層にさらに別の電極（Ｅ３）を設け、各電極（Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３）を電圧源と接続し、
電圧を電極に印加し、ｐｉｐ構造の半導体層（４，５）を圧電体層（２）に対してバイアスするかまたはｎｉｎ構造の半導体層（６，７）を電極（Ｅ１，Ｅ２）に対してバイアスして、空間電荷ゾーンの厚さｄを値Δｄだけ変化させ、
ＢＡＷ共振器の共振周波数を当該の状態に対して厚さに相関する値Δｆだけ印加電圧なしに変化させる
ことを特徴とするバルク音波共振器の電気的な周波数調整方法。
【請求項１２】
電圧のレベルを可変の電圧源により調整し、印加された外部電圧と自身で形成した拡散電圧との和から得られる電圧が阻止電圧となるようにする、請求項１０または１１記載の方法。
【請求項１３】
ＢＡＷ共振器の共振周波数を印加電圧なしに定め、続いて共振周波数が所望の値ｆ０を取るまで共振周波数ｆｒがΔｆだけ変更されるように、つまりΔｆ＝（ｆｒ−ｆ０）が成り立つように電圧を印加して調整する、請求項１０から１２までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１４】
モジュール内にそれぞれ異なる目標周波数ｆｒ０ｉで動作する複数の共振器（Ｒｉ）を設け、同種ではあるものの製造によるばらつきから異なる共振周波数を有する共振器において、共振周波数の所望の値が得られるように適切な制御電圧を印加することによりこれを調整する、請求項１０から１３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１５】
分岐回路技術で構成された透過帯域フィルタのリアクタンス素子として用いることを特徴とする請求項１から９までのいずれか１項記載の共振器の使用。
【請求項１６】
共振周波数を調整することのできる周波数発生器として用いることを特徴とする請求項１から９までのいずれか１項記載の共振器の使用。
【請求項１７】
共振器の振動に影響する物理量を測定するセンサとして用いることを特徴とする請求項１から９までのいずれか１項記載の共振器の使用。
【請求項１８】
種々の物理量が共振器の共振周波数を変化させるとき、制御電圧を印加して本来の共振周波数へ追従制御し、制御電圧のレベルを当該の物理量の値の尺度として用いる、請求項１７記載の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
音波で動作する共振器、いわゆるＦＢＡＲ（Thin-film Bulk Acoustic Resonator）またはＢＡＷ共振器（Bulk Acoustic Wave Resonator）は２つの主表面にそれぞれ１つずつ電極を設けた圧電性のベースボディを基礎としている。こうした共振器は共振周波数ｆｒを有しており、これは電極間で測定されるベースボディの厚さＬ０に依存する式
ｆｒ＝ｖ／２Ｌ０
ここでｖは圧電性のベースボディの縦波の速度である
にしたがって得られる。この種の共振器は例えばＨＦフィルタに使用される。当該の周波数領域ではベースボディにμｍのオーダーの層厚さが要求されるため、こうしたベースボディの製造には薄膜形成プロセスを用いなければならない。ＨＦフィルタ用のＦＢＡＲ共振器を使用して高い効率を達成するためには、０．３％より小さい最大差で層厚さを高度に均一に保ち、シャープでしかも所望の位置にくる共振周波数を得る必要がある。ただしこんにち用いられている層堆積技術ではこうした層厚さの均一性は１５０ｍｍ以上の径を有する基板上では達成できない。
【０００２】
ここで、後からのトリミング（層厚さひいては共振周波数の後からの補正）により薄膜技術で製造された層を所望の均一性および層厚さが得られるまで処理する手法が存在する。ただしこの手法には付加的に材料を堆積したり除去したりする手間がかかる。したがってこの手法は利益率の高い量産に対してはいまだ未熟で、コスト高である。
【０００３】
ＦＢＡＲ共振器を所望の共振周波数へ調整するためにこんにち主として２つの手段が知られている。個々の適用分野において経済的な負担がそれほど問題にならないのであれば、前述したように後からのデポジションまたはイオンビームエッチングを用いて各共振器を所望の共振周波数へトリミングすることができる。それ以外には、共振器を外部の電気的スイッチング素子（特にＬＣ素子を含むスイッチング手段）により外部の回路網へ適合させ、所望の共振周波数ｆｒを調整することも可能である。ただしこれらの手段もフィルタのコストを上昇させるし、フィルタヴォリュームが通信用途向きではなくセンサエレメントまたは制御回路において使用するのにクリティカルな大きさである場合にしか実現できない。
【０００４】
したがって本発明の課題は、簡単な手段で所望の共振周波数を調整可能な共振器を提供することである。
【０００５】
この課題は本発明により請求項１の特徴部分記載の共振器を構成することにより解決される。本発明の装置の有利な実施形態および共振器の周波数調整方法は他の請求項から得られる。
【０００６】
本発明によれば、共振器のベースボディに振動を励起する圧電体層のほか付加的に半導体層が設けられ、この半導体層が圧電体層よりも高い第１の導電型の導電率を有するようにする。ベースボディの２つの主表面にはそれぞれ１つずつ電極層が設けられ、各電極層は電圧を印加する端子を有する。この種の共振器へ電圧を印加することにより、ベースボディでは電荷担体が拡散してショットキー空間電荷ゾーンの厚さが制御される。これにより導電率ひいては誘電定数が著しく変更される。このような空間電荷ゾーンは音波の縦波に対して半導体層とは異なってふるまい、ベースボディのうち共振周波数を定める活性層の厚さに寄与する。本発明の共振器に電圧を印加することにより活性層の厚さが増大し、その結果共振周波数が変化する。したがって本発明の共振器は外部電圧を電極へ印加することにより共振周波数を調整可能となる。
【０００７】
本発明は簡単な手段で共振器を使用可能であり、所望の共振周波数への調整を行うのに煩雑なトリミングプロセスも付加的な外部のスイッチング素子も必要ない。電圧の変化が小さければ、共振周波数の変化分は印加電圧にほぼ線形に依存する。印加電圧の極性によりここでは周波数オフセットの方向が定められる。つまり一般に空間電荷ゾーンを増大すれば高い共振周波数が得られ、また空間電荷ゾーンを縮小すれば低い共振周波数が得られる。
【０００８】
半導体層は有利には圧電圧層と電極とのあいだに配置される。これは第１の導電型としてｐタイプまたはｎタイプに設定される。使用される半導体に応じて導電率（ドープ濃度）または半導体化合物の化学量比が調整される。
【０００９】
有利には圧電体層に対してドープ濃度または化学量比を変更することにより半導体特性ひいては高い導電率を形成できる材料が用いられる。導電率が増大するにつれて圧電性は低下する。もともと圧電性の材料をこのように半導体特性を有するように調整して半導体層として用いる場合、適切な極性の電圧を印加すると半導体層内の空間電荷ゾーンが拡大し、その特性が再び圧電体層のそれへと近づく。共振周波数の変化は空間電荷ゾーンの厚さの変化に依存している。したがって空間電荷ゾーンの厚さの変化分と圧電体層の層厚さの変化分との関係は共振周波数のオフセットの規模を定める尺度となる。
【００１０】
圧電体層および半導体層に同じ材料を用いることにより特に簡単に本発明の共振器を製造できる。この場合半導体層は層形成中に薄膜プロセスで圧電体層の堆積条件の変更またはドープを行ったり、またはベースボディの主表面近傍の層領域の圧電体層のドープ濃度を後から変更したりすることにより特に簡単に製造される。さらにベースボディの材料がほぼ一様になれば機械的な安定性や安定した振動特性が得られ、半導体層と圧電体層とのあいだまたは半導体層と電極とあいだの界面の問題が回避される。
【００１１】
層を形成する際の問題を無視するなら、基本的に種々の材料を圧電体層および半導体層に使用することができる。
【００１２】
本発明の１つの有利な実施形態では、共振器のベースボディがｐｉｎダイオードに似た構造を有するようにする。このためには第１の導電型の第１の半導体層に加えて、圧電体層のもう一方の主表面に第２の導電型の第２の半導体層を配置する。こうした“ｐｉｎ構造”では電荷担体が第１の導電型の第１の半導体層から第２の導電型の第２の半導体層へ自然に拡散することにより拡散電圧ひいては空間電荷ゾーン（多数キャリアの空乏領域）が生じる利点を有する。拡散は発生した拡散電圧が多数キャリアのさらなるオフセットにとって反対の作用を有するようになるとストップする。ここで自然な空間電荷ゾーンの厚さは印加される外部電圧により変更することができる。印加される外部電圧は発生する拡散電圧に加えて空間電荷ゾーンの厚さを増大するように極性付けられる。同様に処理領域の厚さを低減するには外部電圧が相応に反対に極性付けられる。ｐｉｎ構造は相互に異なる第１の導電型と第２の導電型とを組み合わせ、そのあいだに導電率の低い圧電性材料を配置する構成であるが、これは拡散電圧がＶのオーダーでそれほど大きくならないという利点を有する。つまり周波数の高い交流電圧が印加される場合にもブレイクダウンの確実性および周波数安定性が保証される。阻止方向で印加される外部電圧のレベルは無制限である。もちろん圧電体層が小さな導電率を有するようにし、第１の導電型または第２の導電型の多数キャリアが存在するようにしてもよい。
【００１３】
本発明の別の有利な実施形態によれば、圧電体層の両側にそれぞれ１つずつ同じ導電型の半導体層が設けられる。この実施例の共振器は相応のダイオードの名称を借りればｎｉｎ構造またはｐｉｐ構造を有すると云える。こうした共振器は半導体層と圧電体層とのあいだの界面（ｐｉｐ構造）または半導体層と電極とあいだの界面（ｎｉｎ構造）に２つの空間電荷ゾーンを有する。ゾーンの厚さは印加される外部電圧によって増減される。圧電体層にコンタクトを介して電極が設けられ、外部電圧が対称に２つの空間電荷ゾーンに作用する阻止電圧として印加される場合、ｐｉｎ構造に比べて、共振器の駆動中に周波数の高い振幅の大きな交流電圧が印加されても２つの空間電荷ゾーンの全厚さが一定にとどまるという利点が得られる。ｐｉｎ構造では高周波数で振幅の大きな交流電圧が印加されると空乏領域の厚さが変化してしまう。
【００１４】
共振器がバッテリ駆動される電気的な移動機器、例えばワイヤレス通信装置用のフィルタなどで使用される場合、ｐｉｎ構造、ｐｉｐ構造、ｎｉｎ構造により３Ｖ程度の通常のバッテリ電圧で４０００ｐｐｍの充分な周波数オフセットが達成される。電荷担体（電子および正孔）の拡散は圧電体層で可能となる。これは一般にランダムなドープまたは不純物混入による小さな残留導電率のために起こる。
【００１５】
本発明によれば、必要面積の小さいコスト上有利な共振器が得られ、これを市販の携帯電話の給電部によって駆動することができる。印加される外部電圧での周波数調整により、同じ共振器を使用して、種々の外部電圧から種々の共振周波数を調整することができる。また本発明の共振器では製造誤差のために異なる共振周波数を有する共振器を外部電圧によって所望の均一な値へ追従制御することができる。このことから付加的に製造過程も簡単化される。なぜなら層厚さの変動に対する許容値が製造差の範囲内で著しく改善されるからである。従来公知の周波数調整可能なエレメントとは異なり、本発明の装置は必要面積の点で大幅に改善された個別のエレメントとして実現される。これによりさらにスペースが節約され、携帯電話などの移動機器に要求される微細化にとって有意である。
【００１６】
化学量比またはドープ濃度を相応に変更して半導体特性を持たせた圧電体層の有利な材料は、亜鉛酸化物、アルミニウム窒化物、ガリウム窒化物、インジウム窒化物、ケイ素炭化物、ガリウムヒ化物、またはカドミウム硫化物である。基本的には半導体特性を有している圧電材料であればここに挙げないものも使用することができる。当該の材料に対して相応の導電型を形成するドープ物質が知られている。亜鉛酸化物に対してｐ導電型を形成するには例えばマンガン、水素、リチウム、ナトリウムまたはカリウムが適している。このときｎ導電型を形成するには、アルミニウム、ガリウム、インジウムまたは亜鉛硫化物が用いられる。アルミニウム窒化物に対するｐドープ物質はマグネシウム、亜鉛、カドミウムまたは炭素であり、これらはケイ素に対してｎ導電型を形成することができる。ガリウム窒化物に対するｐドープ物質はマグネシウム、亜鉛、カドミウム、炭素であり、これらも同様にケイ素に対するｎドープ物質となる。ガリウムヒ化物に対するｐドープ物質はゲルマニウム、ベリリウム、亜鉛であり、ｎドープ物質は錫、硫黄、テルルである。これらの物質は全て化学量比つまり２つの物質の原子量の比を変更することにより導電率を変化させることができる。こうした調整は相応の薄膜プロセスの堆積パラメータを変更するかまたは最終物質の比を変更することにより簡単に達成できる。
【００１７】
電極材料としてはモリブデン、チタン、タングステン、アルミニウム、金または白金などの従来周知の電極材料が適しているが、場合によっては製造条件に依存して第１の下方の電極の材料を特別に選択すると有利である。この電極は半導体層および圧電体層を薄膜プロセスによって堆積する際のベースとして用いられるからである。この場合第１の電極層としてモリブデン、タングステン、金またはアルミニウムを選択すると特に有利である。
【００１８】
圧電体層と半導体層とに対して異なる材料を選択する場合、有利には層の調和に注意する。例えば機械的なパラメータ、特に類似の拡張係数および結晶パラメータが一致するように選択される。同様に種々の上方層が第１の下方の層上に良好かつ均一に成長するように注意する。場合によっては２つの層のあいだに特性を適合させるための中性のバッファ層を設けることもできるが、その場合にも導電率は充分に保持される。
【００１９】
半導体層の電荷担体濃度は１０１４個／ｃｍ３〜１０２１個／ｃｍ３に設定される。半導体層がもともとは圧電体層であって基本的にドープ濃度のみによって半導体特性を有している場合、一般には導電率が増大するにつれて圧電特性は低下する。電荷担体濃度の下方領域は真性の電荷担体濃度ｎｉ、すなわち“非導電性”の圧電材料で得られる電荷担体濃度に近い。例えば圧電性の亜鉛酸化物の真性の電荷担体濃度ｎｉは約１０１２個／ｃｍ３である。半導体層の多数キャリアの濃度が高まるにつれ、ｐｉｎ構造、ｐｉｐ構造、ｎｉｎ構造のエレメントで発生する拡散電圧も大きくなる。拡散電圧が高くなると厚い空間電荷ゾーンが生じ、基本的には適切に極性付けられた電圧を印加することにより空乏領域の厚さを変更することができるようになる。このとき半導体層のドープ濃度および化学量比を変更することにより本発明の共振器の制御インターバルが変更される。
【００２０】
本発明の共振器の制御インターバルを定める別のパラメータは半導体層の厚さである。これは有利には１０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲で設定される。一般に半導体層の厚さによって相対の周波数オフセットの最大幅Δｆｍａｘ／ｆ０が上昇する。圧電体層の厚さは自由には選択できない。なぜなら圧電体層はＢＡＷ共振器の周波数調整素子であり、所望の周波数に依存して固定の設定値を取るからである。
【００２１】
以下に本発明を９つの図に示した実施例に則して詳細に説明する。図１にはｐｉｎ構造の本発明の共振器の断面図が示されている。図２には共振器の典型的なアドミタンス特性が示されている。図３には図１の共振器の空間電荷ゾーンの厚さと印加される外部電圧との依存関係が示されている。図４には図１の共振器に印加される外部電圧と相対的な共振周波数の変化分Δｆ／ｆ０との依存関係が示されている。図５、図６にはｐｉｐ構造およびｎｉｎ構造の本発明の共振器の断面図が示されている。図７には図５、図６の共振器に印加される外部電圧と相対的な共振周波数の変化分Δｆ／ｆ０との依存関係が示されている。図８には共振周波数のオフセットのアドミタンス曲線が示されている。図９にはｐｉｎ構造、ｐｉｐ構造、ｎｉｎ構造の本発明の共振器の等価電子回路図が示されている。
【００２２】
第１の実施例として圧電性材料としての亜鉛酸化物ＺｎＯベースのＢＡＷ共振器が製造される。この共振器の構造は半導体層の製造に先んじて基本的に周知のプロセスであり、例えばK.M.Lakin et all, "Microwave Symposium Digest", IEEE MTTS International 1995, 838頁〜886頁に記載されている。
【００２３】
図１には基板として例えばシリコン基板が使用されることが示されている。ただし他の支持体材料、例えばガラス、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、サファイアその他を使用することもできる。基板材料内への音響損失を回避するために、ブリッジ構造、すなわち下方の電極Ｅ１と基板材料Ｓとのあいだに空隙が設けられる構造の共振器を構成してもよい。また図１に示されているように、基板と下方の電極Ｅ１とのあいだに音響鏡ＡＳを設けることもできる。これはλ／４層、例えばタングステンおよびケイ素酸化物、タングステンおよびケイ素、アルミニウム窒化物およびケイ素酸化物、ケイ素およびケイ素酸化物、モリブデンおよびケイ素酸化物の交互の層、または他の材料の組み合わせから簡単に形成される。これらの材料は種々の音響インピーダンスを有しかつ薄膜技術で交互に堆積可能である。
【００２４】
高い音響インピーダンス差を有する組み合わせのタングステンおよびケイ素酸化物を使用する場合、２組のλ／４層があれば音波をほぼ１００％反射させるのに充分であるとわかっている。低い音響インピーダンス差を有する組み合わせのタングステンおよびケイ素またはケイ素酸化物を使用する場合には、音波をほぼ１００％反射させるのに少なくとも１５組のλ／４層が必要となる。
【００２５】
音響鏡ＡＳの上方に第１の電極Ｅ１が例えば金、アルミニウム、タングステンまたはモリブデンのスパッタリングにより形成される。これに代わる被着プロセスとしてはＣＶＤ法または蒸着法が適している。例えば２ＧＨｚで動作する共振器のために２００ｎｍのアルミニウムをスパッタリングする。第１の電極Ｅ１の上方には第１の半導体層３、例えば５０ｎｍ厚さのｎドープ亜鉛酸化物層が形成される。その際にはまずドープされていない亜鉛酸化物をスパッタリングまたはＣＶＤ法により被着し、続いてドープする。ｎドープ物質として、アルミニウム、ガリウムまたはインジウムの元素が適している。亜鉛硫化物をｎ導電型のドープ物質として有利には層形成中のコデポジションプロセスにより導入することもできる。また代替的な手段として、亜鉛酸化物の堆積中に酸素量を高め、酸素リッチなｎ導電型に修正された亜鉛酸化物を形成することもできる。ドープ物質のレベルは
１０１４個ｃｍ−３〜１０２１個ｃｍ−３であり、例えば１０１７ｃｍ−３である。
【００２６】
第１の半導体層３の上方には本来の共振器層、すなわち圧電体層２が形成される。有利にはドープされていない亜鉛酸化物層２は第１の半導体層すなわちｎドープされた亜鉛酸化物層３と同じプロセスで形成される。堆積条件に応じて１０１１ｃｍ−３〜１０１２ｃｍ−３の電荷担体濃度で真性導電率の小さい圧電体層２が堆積される。この電荷担体濃度では良好な絶縁性を有する亜鉛酸化物層が得られ、しかもこれは前述の亜鉛酸化物層内での電荷担体の拡散を生じさせるのに充分な導電率を示す。亜鉛酸化物層２は良好な圧電特性を有する。
【００２７】
さらにその上に第２の半導体層１としてｐ導電型の亜鉛酸化物の薄膜が形成される。これは例えばドープ材料を直接にデポジションしたり、または酸素リーンなｐ導電特性を有する亜鉛酸化物を形成したりすることにより行われる。圧電体層２は相応に厚くなり、上部の領域は後からのドープにより半導体層へ変換される。ここで重要なのはドープの深度が充分に監視され、圧電体層に対して明確に定義された層厚さが保証されることである。この層厚さは前述したように周波数を調整する共振器のパラメータとなっている。したがって有利には第２の半導体層１をドープによって形成する製造プロセスが用いられる。これによりシャープな界面を形成することができる。
【００２８】
第２の半導体層１の上方に第２の電極Ｅ２が形成される。この電極は従来の電極材料から構成することもできるが、有利には第１の電極Ｅ１と同じ材料から、つまり例えば２００ｎｍの厚さのアルミニウム層から製造される。
【００２９】
Ｔ１、Ｔ２で示されているのは電圧および／またはＨＦ信号を印加する電気端子である。これらは第１の電極Ｅ１および第２の電極Ｅ２に接続されている。
【００３０】
図２には共振器に典型的なアドミタンス特性が示されている。こうした特性は従来周知の共振器においても本発明の共振器においても観察される。
【００３１】
層１、２、３を含むベースボディ内で外部からの駆動力なしに半導体層の電荷担体の拡散、特に第１の半導体層３から第２の半導体層１へ移動する電子、第２の半導体層１から第１の半導体層３へ移動する正孔の拡散が変更される。拡散した電荷担体は厚さの差はあるものの空間電荷ゾーン３ａ、１ａを圧電体層２の両側に形成し、そこに存在するそれぞれ反対の型の１次電荷担体を補償する。空間電荷ゾーンでは実際には自由な電荷担体は存在しない。空間電荷ゾーンの厚さｄｐ、ｄｎはドープのレベル、半導体層の厚さおよび圧電体層の厚さに依存している。空間電荷ゾーンの全厚さｄは個々の空間電荷ゾーンｄｐ、ｄｎの和、すなわちｄ＝ｄｐ＋ｄｎとして得られる。
【００３２】
電圧を端子Ｔ１、Ｔ２へ印加することにより電荷担体の拡散によって生じる拡散電圧ＶＤは増幅または減衰される。ここでは空間電荷ゾーンの厚さは印加される電圧の極性によって低減または増大される。印加される外部電圧Ｕから得られる空乏領域の全厚さは
【００３３】
【数１】
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の式から得られる。この式でＶＤは拡散電圧であり、Ｌ０は圧電体層２の本来の厚さであり、Ｎｄはｎドープされる半導体層３のドナーのドープ濃度、Ｎａはｐドープされる半導体層１のアクセプタのドープ濃度であり、ｅ０は電子の電気素量であり、ε０、εｒは半導体層の誘電定数である。
【００３４】
図３にはｐｉｎ構造の共振器について空乏領域の厚さｄと印加される外部電圧Ｕの値との関係が示されている。ここで、小さな変化分では厚さｄは電圧Ｕに対して近似に線形の特性を有している。
【００３５】
図４には相対的な周波数変化分Δｆ／ｆ０、すなわち中心周波数に対する周波数変化分の比がほぼ線形となることが示されている。図３、図４にはｐｉｎ構造の共振器の拡散電圧の値を超えないかぎり順方向で印加される外部電圧に対しては線形性が保持されることが示されている。したがって拡散電圧と印加される外部電圧との和から形成される効果的な電圧はつねに阻止方向となることが保証される。
【００３６】
次に共振器の他の特性が本発明にどれだけ影響するかを考察する。半導体層と圧電体層との比抵抗および層厚さにより個々の層を介した電圧降下が生じる。図１のように構成された本発明の共振器では例えば以下の材料パラメータが存在すると仮定する。すなわち、アルミニウムを含む電極は２．７×１０−６Ω×ｃｍの比抵抗、ｐドープまたはｎドープされる亜鉛酸化物層（第１の半導体層および第２の半導体層）は４×１０２３ｍ−３のドープ濃度および１５ｃｍ２／Ｖｓの電荷担体運動力で１Ω×ｃｍの比抵抗を有し、圧電性の亜鉛酸化物層は１０５Ω×ｃｍの比抵抗を有する。これにより拡散電圧ＶＤおよび付加的に印加される電圧Ｕは主として空乏領域１ａ、３ａおよび圧電体層２で降下する。
【００３７】
完全な電圧が圧電性の層領域（圧電体層＋空乏領域）に印加されるので、これらの層領域での共振器機能は損なわれない。
【００３８】
次に半導体特性ひいては導電性の層が共振器内でどれだけノイズをもたらすかを考察する。こうした現象は発生した電荷がベースボディを通ってそれぞれ対向する電極のほうへ拡散し、そこで付加的な電流寄与分となってノイズを送出する場合に生じる。ただし推定によれば、本発明の共振器が阻止方向で駆動されるとき、付加的なノイズは回避不能なリーク電流成分に対して最適化された圧電体層において無視できる程度に小さい。ここから本発明の共振器が従来の高周波数フィルタ用のＢＡＷ共振器などの共振器に適していることがわかる。
【００３９】
さらに、いわゆる自由な電荷が半導体層の内部で第１の電極Ｅ１、第２の電極Ｅ２へ印加される高周波数の交流場からどれだけのエネルギを引き取るかを考察する。こうしたエネルギの収容は共振器の内部で音波の縦波の減衰を引き起こし、共振特性を劣化させる。粘性による減衰は、主として観察される材料の相対的な誘電定数が可変の変数となるので、依存関係が複雑である。これはさらに電荷担体濃度Ｎにも依存している。減衰が電荷担体濃度Ｎに依存して定まる場合、特徴的な最大値は値Ｎ＝０．００４×１０１７ｃｍ−３で得られる。この最大値で吸収率はドープされていない亜鉛酸化物すなわち圧電体層２のの約１００倍高い。アルミニウムの吸収率に比べてこの最大値は約１３倍高く、現在ふつうに共振器の電極材料として用いられている金の吸収率に比べても約５倍高い。半導体層に対して選定された４×１０１７ｃｍ−３のドープ濃度では印加される外部電圧によってほぼ２オーダーの範囲で変動する電荷担体濃度が得られる。これによりｐドープされる半導体層１およびｎドープされる半導体層３（亜鉛酸化物層）の吸収率は最大でも通常のＢＡＷ共振器で電極として使用されている厚い金層の吸収率に相応する。したがって本発明の共振器での付加的な吸収は従来の共振器のそれよりも小さい。
【００４０】
図５にはｐｉｐ構造の半導体層を有する本発明の共振器の実施例が示されている。付加的な第３の電極Ｅ３がｐｉｐ構造のｉ層に当たる圧電体層２に設けられる。この第３の電極によりｐドープされた半導体層４、５が圧電体層２に対してバイアスされ、半導体層４、５を負の極性にすると阻止電圧が増大する。印加される外部電圧のレベルにより、半導体層４、５と圧電体層２とのあいだの界面に生じる空間電荷ゾーンの厚さが変化する。空間電荷ゾーンは電荷のかかった領域の極性符号で示されている。
【００４１】
図６には本発明の別の実施例が示されている。ここでは共振器は相応にｎドープされた半導体層６、７によるｎｉｎ構造を有している。このとき空間電荷ゾーンは半導体層６と金属電極Ｅ１とのあいだおよび半導体層７と金属電極Ｅ２とのあいだに形成される（金属‐半導体ショットキーコンタクト）。ｎｉｎ構造のｉ層となる圧電体層２に付加的な電極Ｅ３を設けることにより、半導体層６、７は金属電極Ｅ１、Ｅ２からバイアスされる。ここでも金属電極Ｅ１、Ｅ２を負に極性付ける（図中に示されているのと同様に極性付ける）ことにより阻止電圧が上昇する。印加される外部電圧のレベルにより空間電荷ゾーンの厚さが変化する。空間電荷ゾーンはここでも空間電荷ゾーンの電荷のかかった領域の極性符号で示されている。
【００４２】
図７にはｎｉｎ構造の共振器についての相対的な周波数オフセットと印加される外部電圧Ｕとのあいだで実験により計算された非線形の依存関係が示されている。ここではドープ濃度１０１７ｃｍ−３の曲線が実線で、１０１５ｃｍ−３の曲線が破線で示されている。図から見て取れるように、所定の限界範囲内で制御インターバルを調整可能である。さらに共振周波数の制御はそれぞれ共振周波数のインターバルと電圧インターバルとの比から生じ、曲線特性の傾きに相応する種々の感度で行われる。ｐｉｐ構造の共振器においても基本的に同様の特性が計算される。ここではオフセットに必要な電圧のみが変化する。
【００４３】
図８には特殊なｎｉｎ構造の共振器について印加される外部電圧がある場合とない場合とのアドミタンス曲線の例が示されている。ここで得られる共振周波数オフセットは−４１００ｐｐｍでの１９４７ＭＨｚ〜１９３９ＭＨｚと、＋４１００ｐｐｍでの１９４７ＭＨｚ〜１９５５ＭＨｚである。オフセットの方向の違いは印加される外部電圧の極性の違いに相応する。同様のグラフはｐｉｐ構造の共振器でも観察されるが、このときには必要な電圧を異なって選択しなければならない。
【００４４】
図９には半導体層によって周波数調整可能なｐｉｎ構造、ｐｉｐ構造およびｎｉｎ構造の共振器の電子的な等価回路図が示されている。ここでは半導体層のない周波数調整不能なかたちの共振器が素子Ｌｄｙｎ、Ｃｄｙｎ、Ｃｓｔａｔ（破線で囲まれている素子）によって形成されている。Ｌｄｙｎ、ＣｄｙｎはＢＡＷ共振器のダイナミックなインダクタンスおよびキャパシタンスを表しており、Ｃｓｔａｔは共振器のスタティックなキャパシタンスを表している。電圧制御される空間電荷ゾーンは半導体層をＢＡＷ共振器に挿入することにより得られ、ここから周波数調整機能が達成される。このことは等価回路図では電圧に依存する付加キャパシタンスＣＵで考慮されている。Ｔ１、Ｔ２は電圧および／またはＨＦ信号を印加する電気端子であり、Ｔ３はｎｉｎ構造およびｐｉｐ構造の共振器の圧電体層の電極である。印加される外部電圧のレベルＵが空間電荷ゾーンの厚さｄを増減し、これにより電圧に依存するキャパシタンスＣＵはこれとは逆に増減する。等価回路図では相対的な共振周波数オフセットΔｆ／ｆ０と電圧に依存するキャパシタンスＣＵとのあいだの関係は
【００４５】
【数２】
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により表されている。ここでｆｒ、ｆａは周波数調整可能な共振器の共振周波数および反共振周波数である。
【００４６】
本発明をここでは具体的な構造の実施例に則して説明したが、本発明はこれに限定されない。圧電体層および半導体層を種々に組み合わせて本発明の共振器を構成することができる。これはこうした組み合わせそれ自体または後に印加される外部電圧によって半導体層内に空乏領域を形成し、電圧で制御されるその大きさから共振器の共振周波数を制御できるためである。したがって圧電体層に適した材料の選択および半導体層に適した材料の選択には実際には制限はない。ただし圧電体層および半導体層の組み合わせを同じ材料ベースで製造し、相応のドープ濃度の変更または化学量比の変更によって半導体特性を調整すると有利である。他のパラメータとしては、設けられる層の厚さの比、ドープ濃度のレベル、または半導体層内の電荷担体濃度のレベルなどが挙げられる。
【００４７】
本発明の共振器は調整可能な周波数発生器として使用することができる。有利には分岐回路技術、例えばラダー構造の回路における透過帯域フィルタのリアクタンス素子として使用される。また本発明の共振器を、共振周波数に作用する外部物理量を測定するセンサや周波数オフセットの尺度を求めるセンサとして使用することもできる。本発明にしたがって共振周波数を追従制御することにより、測定すべきパラメータを制御電圧から簡単に求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】ｐｉｎ構造の本発明の共振器の断面図である。
【００４９】
【図２】共振器の典型的なアドミタンス特性のグラフである。
【００５０】
【図３】空間電荷ゾーンの厚さと外部電圧との依存関係を示すグラフである。
【００５１】
【図４】図１の共振器の外部電圧と共振周波数の変化分Δｆ／ｆ０との依存関係を示すグラフである。
【００５２】
【図５】ｐｉｐ構造の本発明の共振器の断面図である。
【００５３】
【図６】ｎｉｎ構造の本発明の共振器の断面図である。
【００５４】
【図７】図５、図６の共振器の外部電圧と相対的な共振周波数の変化分Δｆ／ｆ０との依存関係を示すグラフである。
【００５５】
【図８】共振周波数のオフセットのアドミタンス曲線を示すグラフである。
【００５６】
【図９】本発明の共振器の等価電子回路図である。
【図２】
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【図８】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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