(57)【要約】【課題】簡易に半導体基板上に形成でき、差動型で動作する半導体装置ならびにこれを用いた発振器、アンテナシステムおよび送受信システムを提供する。【解決手段】半導体装置は、半導体基板と、複数の音響波伝播層と、分離層と、音響波反射層と、第１のコンタクトと、第２のコンタクトとを備える。前記複数の音響波伝播層は、前記半導体基板に、互いに離間して形成される。前記分離層は、前記半導体基板に形成され、前記複数の音響波伝播層を互いに電気的に分離するが、音響波は通過させる。前記音響波反射層は、前記半導体基板に形成され、前記複数の音響波伝播層内に前記音響波を閉じ込めるように形成される。前記第１のコンタクトは、前記複数の音響波伝播層の１つに形成され、第１の差動信号が入力または出力される。前記第２のコンタクトは、前記複数の音響波伝播層の他の１つに形成され、前記第１の差動信号とは位相が異なる第２の差動信号が入力または出力される。【選択図】図１
2013009192.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板に、互いに離間して形成される複数の音響波伝播層と、
前記半導体基板に形成され、前記複数の音響波伝播層を互いに電気的に分離するが、音響波は通過させる分離層と、
前記半導体基板に形成され、前記複数の音響波伝播層内に前記音響波を閉じ込めるように形成される音響波反射層と、
前記複数の音響波伝播層の１つに形成され、第１の差動信号が入力または出力される第１のコンタクトと、
前記複数の音響波伝播層の他の１つに形成され、前記第１の差動信号とは位相が異なる第２の差動信号が入力または出力される第２のコンタクトと、を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
所定の方向に沿って形成される偶数個の前記音響波伝播層を備え、
偶数番目の前記音響波伝播層には、前記第１の差動信号が入力または出力される前記第１のコンタクトが形成され、
奇数番目の前記音響波伝播層には、前記第２の差動信号が入力または出力される前記第２のコンタクトが形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記複数の音響波伝播層は、第１の方向およびこれと略直交する第２の方向に沿って、マトリクス状に前記半導体基板に形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記複数の音響波伝播層は所定の方向に沿って形成され、両端の音響波伝播層の幅は、他の音響波伝播層の幅の略１／２であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記音響波伝播層は、第１の導電型の不純物が注入された半導体層であり、
前記分離層は、前記第１の導電型とは異なる第２の不純物が注入された半導体層であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項６】
第１の差動信号と、前記第１の差動信号とは位相が異なる第２の差動信号と、が入力または出力される共振器と、
前記第１の差動信号を増幅して前記共振器にフィードバックする第１の増幅器と、
前記第２の差動信号を増幅して前記共振器にフィードバックする第２の増幅器と、を備え、
前記共振器は、
半導体基板と、
前記半導体基板に、互いに離間して形成される複数の音響波伝播層と、
前記半導体基板に形成され、前記複数の音響波伝播層を互いに電気的に分離するが、音響波は通過させる分離層と、
前記半導体基板に形成され、前記複数の音響波伝播層内に前記音響波を閉じ込めるように形成される音響波反射層と、
前記複数の音響波伝播層の１つに形成され、前記第１の差動信号が入力または出力される第１のコンタクトと、
前記複数の音響波伝播層の他の１つに形成され、前記第２の差動信号が入力または出力される第２のコンタクトと、を有することを特徴とする発振器。
【請求項７】
アンテナと、
前記アンテナで送受信する信号を増幅する共振器と、を備え、
前記共振器は、
半導体基板と、
前記半導体基板に、互いに離間して形成される複数の音響波伝播層と、
前記半導体基板に形成され、前記複数の音響波伝播層を互いに電気的に分離するが、音響波は通過させる分離層と、
前記半導体基板に形成され、前記複数の音響波伝播層内に前記音響波を閉じ込めるように形成される音響波反射層と、
前記複数の音響波伝播層のうちの１つに形成され、第１の差動信号が入力または出力される第１のコンタクトと、
前記複数の音響波伝播層の他の１つに形成され、前記第１の差動信号とは位相が異なる第２の差動信号が入力または出力される第２のコンタクトと、
前記複数の音響波伝播層の１つに形成され、前記アンテナと接続される第３のコンタクトと、
を有することを特徴とするアンテナシステム。
【請求項８】
前記アンテナは、第１および第２の導体を有し、
前記第３のコンタクトは前記複数の音響波伝播層のうちの第１の音響波伝播層に形成されて、前記第１の導体に接続され、
前記共振器は、前記音響波伝播層のうちの第２の音響波伝播層に形成され、前記第２の導体と接続される第４のコンタクトを有することを特徴とする請求項７に記載のアンテナシステム。
【請求項９】
送信器と、
前記送信器が送信した信号を受信する受信器と、を備え、
前記送信器は、
入力信号を、第１の差動信号と、前記第１の差動信号とは位相が異なる第２の差動信号を含む送信信号に変換する第１の共振器と、
前記送信信号を前記受信器に送信する第１のアンテナと、を備え、
前記受信器は、
前記送信信号を受信する第２のアンテナと、
前記受信された送信信号を単相信号に変換する第２の共振器と、を備え、
前記第１の共振器は、
第１の半導体基板と、
前記第１の半導体基板に、互いに離間して形成される複数の第１の音響波伝播層と、
前記第１の半導体基板に形成され、前記複数の第１の音響波伝播層を互いに電気的に分離するが、音響波は通過させる第１の分離層と、
前記第１の半導体基板に形成され、前記複数の第１の音響波伝播層内に前記音響波を閉じ込めるように形成される第１の音響波反射層と、
前記複数の第１の音響波伝播層の１つに形成され、前記入力信号が入力される第１のコンタクトと、
前記複数の第１の音響波伝播層の他の１つに形成され、前記第１の差動信号が出力される第２のコンタクトと、
前記複数の第１の音響波伝播層の他の１つに形成され、前記第２の差動信号が出力される第３のコンタクトと、を有し、
前記第２の共振器は、
第２の半導体基板と、
前記第２の半導体基板に、互いに離間して形成される複数の第２の音響波伝播層と、
前記第２の半導体基板に形成され、前記複数の第２の音響波伝播層を互いに電気的に分離するが、音響波は通過させる第２の分離層と、
前記２の半導体基板に形成され、前記複数の第２の音響波伝播層内に前記音響波を閉じ込めるように形成される第２の音響波反射層と、
前記複数の第２の音響波伝播層の１つに形成され、前記第１の差動信号が入力される第４のコンタクトと、
前記複数の第２の音響波伝播層の他の１つに形成され、前記第２の差動信号が入力される第５のコンタクトと、
前記複数の第２の音響波伝播層の他の１つに形成され、前記単相信号が出力される第６のコンタクトと、を有することを特徴とする送受信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体装置、発振器、アンテナシステムおよび送受信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
共振器として、水晶の圧電効果を利用した水晶振動子が広く用いられている。水晶振動子の機械系振動を利用することで、電気系振動のみを用いたインダクタンスより大きなインダクタンス成分を実現できる。ところが、水晶振動子を半導体集積回路上に形成することは極めて困難である。
【０００３】
半導体集積回路においても、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）共振器のように、機械系振動を利用したデバイスを半導体基板上に形成することもできるが、特殊なプロセスが必要である。
【０００４】
また、対ノイズ耐性を考慮すると、共振器は単相型より差動型で動作することが望ましい。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】G. Weinreich, Physical Review, 104 (1956), pp. 321 - 324
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
簡易に半導体基板上に形成でき、差動型で動作する半導体装置ならびにこれを用いた発振器、アンテナシステムおよび送受信システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態によれば、半導体装置は、半導体基板と、複数の音響波伝播層と、分離層と、音響波反射層と、第１のコンタクトと、第２のコンタクトとを備える。前記複数の音響波伝播層は、前記半導体基板に、互いに離間して形成される。前記分離層は、前記半導体基板に形成され、前記複数の音響波伝播層を互いに電気的に分離するが、音響波は通過させる。前記音響波反射層は、前記半導体基板に形成され、前記複数の音響波伝播層内に前記音響波を閉じ込めるように形成される。前記第１のコンタクトは、前記複数の音響波伝播層の１つに形成され、第１の差動信号が入力または出力される。前記第２のコンタクトは、前記複数の音響波伝播層の他の１つに形成され、前記第１の差動信号とは位相が異なる第２の差動信号が入力または出力される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態に係る半導体装置１００の上面図。
【図２】第１の実施形態に係る半導体装置１００の斜視図。
【図３】第１の実施形態に係る半導体装置１００の断面図。
【図４】半導体装置１００の製造工程を示す斜視図。
【図５】半導体装置１００の動作原理を示す図。
【図６】一次元形状の細長い半導体領域１０のモデルを示す図。
【図７】分離部６がない場合の、波数ｎ＝２の場合の波動方程式の解を示す図。
【図８】半導体装置１００における波数ｎ＝２の場合の波動方程式の解を示す図。
【図９】半導体装置１００を共振器として用いた差動型発振回路の一例を示す回路図。
【図１０】第２の実施形態に係る半導体装置１０１の上面図。
【図１１】第２の実施形態に係る半導体装置１０１の断面図。
【図１２】半導体装置１０１の動作原理を示す図。
【図１３】第３の実施形態に係る半導体装置１０２の上面図。
【図１４】第３の実施形態に係る半導体装置１０２の断面図。
【図１５】半導体装置１０２の製造工程を示す上面図。
【図１６】第４の実施形態に係る半導体装置１０３の上面図。
【図１７】第４の実施形態に係る半導体装置１０３の断面図。
【図１８】半導体装置１０３の動作原理を示す図。
【図１９】第５の実施形態に係る半導体装置１０４の上面図。
【図２０】第５の実施形態に係る半導体装置１０４の断面図。
【図２１】半導体装置１０４の動作原理を示す図。
【図２２】アンテナシステム２０の概略構成を示すブロック図。
【図２３】アンテナシステム３０の概略構成を示すブロック図。
【図２４】送信器４０および受信器５０を含む送受信システムの概略ブロック図。
【図２５】図２３の送受信システムの共振器４５、アンテナ４６，５１および共振器５２の概略構成を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００１０】
（第１の実施形態）
図１および図２はそれぞれ、第１の実施形態に係る半導体装置１００の上面図および斜視図である。また、図３（ａ）は半導体装置１００の断面図であり、同図（ｂ）はその一部の拡大図である。半導体装置１００は、シリコン基板１と、ｐ型拡散層２ａ，２ｂと、ＳｉＯ２膜３と、コンタクト４ａ，４ｂと、配線５ａ，５ｂとを備えている。半導体装置１００は、配線５ａ，５ｂから差動信号を入力または出力する差動型共振器として用いることができる。
【００１１】
シリコン基板１はｎ型の半導体基板であり、その表面に不純物として例えばホウ素がドーピングされたｐ型拡散層２ａ，２ｂが形成される。ｐ型拡散層２ａ，２ｂを上面から見たそれぞれの形状は、垂直方向に短辺を、水平方向に長辺をそれぞれ有する略長方形である。ｐ型拡散層２ａ，２ｂは、図示のように、シリコン基板１の一部である分離層６により物理的に分離して形成される。図３（ｂ）の拡大図に示すように、分離層６では、ｐ型拡散層２ａ，２ｂとｎ型のシリコン基板１との界面に空乏層領域８が形成され、ｐ型拡散層２ａとｐ型拡散層２ｂは電気的にも分離される。
【００１２】
そして、ｐ型拡散層２ａ、分離層６およびｐ型拡散層２ｂの外側を囲うように溝７がシリコン基板１に形成され、その中にＳｉＯ２膜３が埋め込まれている。ＳｉＯ２膜３は、いわゆるＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）構造であり、ｐ型拡散層２ａ，２ｂを、シリコン基板１上に形成される他のデバイスと電気的に分離する。
【００１３】
コンタクト４ａはｐ型拡散層２ａに形成され、アルミニウム等の金属からなる配線５ａとｐ型拡散層２ａとを電気的に接続する。同様に、コンタクト４ｂはｐ型拡散層２ｂに形成され、配線５ｂとｐ型拡散層２ｂとを電気的に接続する。
【００１４】
後述するように、ｐ型拡散層２ａ，２ｂからコンタクト４ａ，４ｂおよび配線５ａ，５ｂを介して差動信号が出力され、あるいは、外部から配線５ａ，５ｂおよびコンタクト４ａ，４ｂを介してｐ型拡散層２ａ，２ｂに差動信号が入力される。
【００１５】
半導体装置１００では、不図示のマスクを用いてホウ素等の不純物を注入することにより、互いに分離したｐ型拡散層２ａ，２ｂが形成される。より一般的な製造プロセスでは、図４に示すように、まずゲート電極９を形成し、これをマスクとして不純物を注入する自己整合プロセスによりｐ型拡散層２ａ，２ｂを形成してもよい。これにより、ゲート電極９に対応する位置が分離層６となって半導体装置１００が形成される。これは一般的なトランジスタとほぼ同様の製造法である。いずれにしても、通常のＣＭＯＳプロセスにより、簡易に半導体装置１００を形成できる。なお、図４のゲート電極９は、製造に用いられるものであり、必ずしも電圧を印加することを目的として形成するわけではない。
【００１６】
図５は、半導体装置１００の動作原理を示す図である。一般に、キャリアを有する半導体中では、電荷密度が変化すると体積が変化し、体積が変化すると電荷密度が変化すること、すなわち、電気と機械振動との相互作用が知られている。より具体的には、ρを電荷密度、Φを体積変化に比例する変数、ｃを半導体中の音速とすると、下記（１）式の波動方程式が成立する。
【数１】
2013009192.tif 000003
【００１７】
上記（１）式の左辺は音響波の伝搬を表す方程式であり、電荷密度ρの変化があると（右辺）、音速ｃの音響波が伝播する（左辺）ことを示している。
【００１８】
このことを図１〜図３の半導体装置１００に当てはめる。半導体装置１００では、ｐ型拡散層２ａ，２ｂにキャリアとしてホールが存在する。コンタクト４ａ，４ｂの一方または両方から電気入力が与えられるとｐ型拡散層２ａ，２ｂの電荷密度が変化し、その結果、ｐ型拡散層２ａ，２ｂが音響波伝播層となって音響波が伝播する。
【００１９】
ｐ型拡散層２ａ、空乏層領域８を含む分離層６、および、ｐ型拡散層２ｂは、いずれも連続したシリコン基板１の内部に形成され、弾性定数および密度ともに等しいため、音響波は分離層６で反射したり減衰したりすることなく伝播できる。
【００２０】
一方、ＳｉＯ２膜３は音響波反射層として機能する。すなわち、音響波はｐ型拡散層２ａ，２ｂとＳｉＯ２膜３との界面で反射し、ｐ型拡散層２ａ，２ｂに音響定在波が生じる。ここで、分離層６には空乏層領域８が形成されており、キャリアはほとんど存在しない。そのため、分離層６は定在波の節となる。
【００２１】
音響定在波の周波数はｐ型拡散層２ａ，２ｂの長辺の長さと音速ｃとに応じて定まる。したがって、半導体装置１００は特定の周波数のみで共振する共振器となる。ｐ型拡散層２ａ，２ｂの長辺の長さが短いほど定在波の波長は短くなるため、ｐ型拡散層２ａ，２ｂの長辺の長さに応じて、共振周波数を調整できる。また、シリコン基板１あるいはｐ型拡散層２ａ，２ｂにバイアスを印加することにより共振周波数を調整することもできる。
【００２２】
上述したように半導体装置１００の共振周波数は長辺の長さによって決定されるため、共振周波数のばらつきは製造上の形状ばらつきと同程度となる。半導体プロセスの加工精度は非常に高いため、半導体装置１００における共振周波数のばらつきを極めて小さくできる。
【００２３】
以下、より詳細に説明する。図６は、一次元形状の細長い半導体領域１０のモデルを示す図である。断面積をＡ、長さをＬとする。また、半導体領域１０の長辺に沿う方向にｘ軸を設定し、半導体領域１０の一端の位置をｘ＝０、他端の位置をｘ＝Ｌとする。半導体領域１０は、周囲を絶縁膜あるいは空乏層で囲まれており、その外側は接地電位であるとする。さらに、半導体領域１０全体の接地電位に対する全体のキャパシタンスをＣｔとし、ｘ軸方向に対してキャパシタンスは一様であると仮定する。この場合、単位長さ当たりのキャパシタンスはＣｔ／Ｌである。
【００２４】
任意の位置ｘにおける微小な長さｄｘの領域１１のキャパシタンスをＣｄｘ、電荷密度をρ（ｘ）とする。この領域１１に蓄積されている電荷ＱｄｘおよびキャパシタンスＣｄｘはそれぞれ下記（２），（３）式で表される。
Qdx = ρ(x) * dx * A  ・・・（２）
Cdx = Ct * dx / L  ・・・（３）
したがって、電位Ｖ（ｘ）と電荷密度ρ（ｘ）との関係は下記（４）で表される。
V(x) = Qdx / Cdx = ρ(x) * A * L / Ct = ρ(x) / C0・・・（４）
ここで、Ｃ０は単位体積当たりのキャパシタンスである。上記（４）式から分かるように、電位Ｖ（ｘ）は電荷密度ρ（ｘ）に比例する。
【００２５】
図６の一次元モデルにおいて、上記波動方程式（１）の変数Φおよびρは位置ｘおよび時間ｔの関数であると仮定すると、（１）式の解として、下記（５）式が考えられる。
Φ(x, t) =Φn * exp(ikx - iωt)  ・・・（５）
【００２６】
長さＬの一次元領域に励起される定在波において、下記（６）式の境界条件を仮定する。
Φ(0, t) = Φ(L, t) = 0  ・・・（６）
これは、半導体領域１０の端部を固定端とする仮定であり、半導体領域１０に比べ、周囲の材料が「固い」場合、すなわち、音響インピーダンスが大きい場合に成立する。本実施形態の半導体装置１００では、半導体領域１０はｐ型拡散層２ａ，２ｂであり、その端部には音響インピーダンスがより高いＳｉＯ２膜３が形成されているため、この仮定の下に以下の説明を行う。
【００２７】
上記（６）式の境界条件により、上記（５）式の変数ｋは下記（７）式のようになる。
k = n * π / L  ・・・（７）
ここで、波数ｎは１以上の整数である。ｎ＝０の場合、全ての位置ｘについて均一な分布を表すが、境界条件を満たすためにはΦ０＝０となるので、定在波は存在できない。
【００２８】
一方、電荷密度ρについてはこのような制約がないため、ｎ＝０の場合でも位置ｘについて均一な電荷分布でもよい。そこで、電荷密度ρは音響電荷に起因する位置ｘに依存する項ρ１（ｘ）と、静電容量に起因しする位置ｘに依存しない均一な項ρ２とに分けて考えることができ、下記（８）式で表される。
ρ(x, t) = ρ1(x) +ρ2
= ρn * exp(ikx - iωt) +ρ0 * exp(-iωt)  ・・・（８）
ただし、ｎは０以上の整数である。
【００２９】
図７は、波数ｎ＝２の場合の波動方程式の解を示す図である。音響定在波に起因する電荷密度ρは、中心位置Ｌ／２に対して左右対称となり、極性が反転している。仮に、半導体領域１０が電気的に連続な場合、位置ｘに依存しない均一な項ρ２は半導体領域１０全体にわたって一定の極性である。半導体領域１０の左側（ｘ≦Ｌ／２）半分ではρ１（ｘ）とρ２との極性が同じであるためにこれらが互いに強めあうが、右側（Ｌ／２≦ｘ）半分では極性が異なるために、弱めあう。したがって、実際には、電気的に図７に示すモードの音響定在波を励起することはできない。
【００３０】
ところが、図１〜図３の半導体装置１００では、半導体領域１０に対応するｐ型拡散層２ａ，２ｂは、分離層６により電気的に分離されている。配線５ａ，５ｂを介して、ｐ型拡散層２ａ，２ｂに互いに極性（位相）が異なる差動信号が入力されると、図８に示すように、位置ｘに依存しない項ρ２は左側半分と右側半分で極性が反転する。そのため、左側半分および右側半分ともにρ１（ｘ）とρ２との極性が一致し、互いに強め合う。結果として、電気的な差動信号により音響定在波を励起させることができるとともに、音響定在波により電気的な差動信号を発生させることができる。このようにして、半導体装置１００は差動型の音響共振器として動作する。
【００３１】
差動信号の振幅を等しくするためには、コンタクト４ａ，４ｂを分離層６から互いに等しい位置に形成するのが望ましい。例えば、図８に示すように、ｐ型拡散層２ａ，２ｂの中央に形成することにより、差動信号の振幅をともに最大にすることができる。
【００３２】
図９は、半導体装置１００を共振器として用いた差動型発振回路２０の一例を示す回路図である。同図の差動型発振器２０は、半導体装置１００の出力を増幅してフィードバックすることにより発振信号を生成するものである。
【００３３】
差動型発振回路２０は、電源端子と接地端子との間に縦続接続されるｐ型トランジスタＭｐａおよびｎ型トランジスタＭｎａから構成されるインバータ（増幅器）Ｉ１と、ｐ型トランジスタＭｐｂおよびｎ型トランジスタＭｎｂから構成されるインバータ（増幅器）Ｉ２と、インバータＩ１，Ｉ２の入出力端子間にそれぞれ接続される抵抗Ｒａ，Ｒｂと、インバータＩ１の出力端子と、インバータＩ２の出力端子との間に縦続接続される容量Ｃａ，半導体装置１００および容量Ｃｂとを有する。半導体装置１００のコンタクト４ａが容量Ｃａに接続され、コンタクト４ｂが容量Ｃｂに接続される。
【００３４】
図９の差動型発振器２０では、半導体素子１００の共振時、各インバータＩ１，Ｉ２の出力における位相シフトは０度である。したがって、トータルの位相シフトが３６０度の正のフィードバックが形成され、発振する。抵抗ＲａはインバータＩａのフィードバック抵抗であり、容量Ｃａと合わせてハイパスフィルタを構成する。抵抗Ｒｂおよび容量Ｃｂも同様である。これにより、インバータＩ１，Ｉ２の入出力端子が電源電圧あるいは接地電圧に固定されるのが防止される。結果として、インバータＩ１，Ｉ２の入出力端子のいずれからも発振信号を取り出すことができる。
【００３５】
同図のトランジスタＭｐａ等と同じ半導体基板上に共振器として半導体装置１００を形成でき、小型かつ低コストで差動型発振回路を構成できる。
【００３６】
このように、第１の実施形態では、シリコン基板１上に、分離層６により分離されたｐ型拡散層２ａ，２ｂを形成し、これらを取り囲むようにＳｉＯ２膜３を形成する。そのため、互いに極性が異なる差動信号により音響定在波を励起でき、かつ、音響定在波により差動信号が生成される差動型共振器を、シリコン基板１上に簡易に形成できる。
【００３７】
なお、図１〜図３では、ｎ型のシリコン基板１上にｐ型拡散層２ａ，２ｂを形成する例を示しているが、ｐ型またはｎ型のシリコン基板１上にｎウェルを形成し、このｎウェルにｐ型拡散層２ａ，２ｂを形成してもよい。このようにして、ｐ型拡散層２ａ，２ｂの間のｎウェル、すなわち、音響波伝播層とは導電型が異なる半導体層を分離層としてもよい。また、分離層は、音響波伝播層間を、音響波は通過させるが電気的には分離するものであればよく、例えばｐ型拡散層２ａ，２ｂの間に溝を形成して、この溝にＳｉＯ２膜を埋め込んだものでもよい。
【００３８】
音響波反射層は必ずしもＳｉＯ２膜３でなくてもよく、ＳｉＮ等シリコン基板１と音響インピーダンスが異なる材料であればよい。
【００３９】
さらに、取り出される差動信号の振幅を大きくするためには、図６に示す容量が大きいほうがよい。したがって、図１〜図３に示すように、ｐ型拡散層２ａ、分離層６およびｐ型拡散層２ｂを取り囲むようにＳｉＯ２膜３を形成するのが望ましいが、音響波をｐ型拡散層２ａ，２ｂ内に閉じ込めるよう、少なくともｐ型拡散層２ａ、分離層６およびｐ型拡散層２ｂの長手方向外側に音響波反射層を形成してもよい。
【００４０】
また、コンタクト４ａ，４ｂをあえて分離層６に対して非対称の位置に形成してもよい。例えば、図８において、ｘ＝Ｌ／１２の位置にコンタクト４ａを形成し、ｘ＝３Ｌ／４の位置にコンタクト４ｂを形成すると、コンタクト４ａ，４ｂに生成される電圧の振幅の比は１：２となる。このようにして、半導体装置１００を電圧振幅１：２の変圧器として動作させることもできる。
【００４１】
（第２の実施形態）
上述した第１の実施形態は、分離層６により分離される２つのｐ型拡散層２ａ，２ｂが形成されるものであったが、以下に説明する第２の実施形態では、奇数個の分離層により互いに分離される偶数個のｐ型拡散層が形成されるものである。
【００４２】
図１０および図１１はそれぞれ、第２の実施形態に係る半導体装置１０１の上面図および断面図である。図１０および図１１では、図１および図３とそれぞれ共通する構成部分には同一の符号を付しており、以下では相違点を中心に説明する。
【００４３】
半導体装置１０１は、図１の半導体装置１００とは異なり、３つの分離層６ａ〜６ｃによりそれぞれ分離される４つのｐ型拡散層２ａ〜２ｄと、ｐ型拡散層２ａ〜２ｄ上にそれぞれ形成されるコンタクト４ａ〜４ｄと、コンタクト４ａ〜４ｄとそれぞれ電気的に接続される配線５ａ〜５ｄとを備えている。ｐ型拡散層２ａ〜２ｄおよび分離層６ａ〜６ｃは、所定の方向に沿ってほぼ一直線上に形成される。
【００４４】
左端のｐ型拡散層２ｃと左から３番目のｐ型拡散層２ｂは、コンタクト４ｃ，４ｂおよび配線５ｃ，５ｂを介してポート１に電気的に接続される。一方、左から２番目のｐ型拡散層２ａと４番目のｐ型拡散層２ｄは、コンタクト４ａ，４ｄおよび配線５ａ，５ｄを介してポート２に電気的に接続される。ポート１およびポート２から互いに位相が異なる差動信号が入出力される。
【００４５】
図１２は、半導体装置１０１の動作原理を示す図である。ポート１およびポート２に差動信号を入力すると音響定在波が励起され、同図に示すような電荷密度分布が生じる。これにより、第１の実施形態と同様に、半導体装置１０１は差動型の音響共振器として動作する。
【００４６】
ここで、分離層６ａ〜６ｃはいずれも定在波の節になる。そのため、第１の実施形態に係る半導体装置１００と本実施形態に係る半導体装置１０１とが同じサイズである場合、より具体的には、半導体装置１００におけるｐ型拡散層２ａの左端からｐ型拡散層２ｂの右端までの距離と、半導体装置１０１におけるｐ型拡散層２ｃの左端からｐ型拡散層２ｄの右端までの距離とが等しい場合、半導体装置１０１では波長が２倍になるため、共振周波数がより高くなる。
【００４７】
このように、第２の実施形態では、より多くの偶数個のｐ型拡散層を形成するため、共振周波数を高くすることができる。
【００４８】
なお、図１０および図１１では、４つのｐ型拡散層２ａ〜２ｄが形成される例を示したが、偶数個のｐ型拡散層を形成し、偶数番目のｐ型拡散層同士を電気的に接続し、奇数番目のｐ型拡散層同士を電気的に接続し、差動信号を入出力してもよい。分割数を多くするほど共振周波数を高くすることができる。
【００４９】
（第３の実施形態）
第３の実施形態は、半導体装置を並列に設けるものである。
【００５０】
図１３および図１４はそれぞれ、第３の実施形態に係る半導体装置１０２の上面図および断面図である。以下、第１の実施形態との相違点を中心に説明する。
【００５１】
半導体装置１０２は、水平方向および垂直方向に沿ってマトリクス状に形成される複数のｐ型拡散層２ａ，２ｂを備えている。より具体的には、ｐ型拡散層２ａ，２ｂは、シリコン基板１上のＳｉＯ２膜３で囲まれた領域に、シリコン基板１の一部であり、水平方向に延びる分離層６ｈにより垂直方向に互いに分離され、かつ、垂直方向に延びる分離層６ｖにより水平方向に互いに分離されて形成される。すなわち、図１〜図３に示す半導体装置１００を、分離層６ｈを介して垂直方向に並列に設けた構成になっている。また、ｐ型拡散層２ａに形成される各コンタクト４ａは配線５ａを介してポート１に接続され、ｐ型拡散層２ｂに形成される各コンタクト４ｂは配線５ｂを介してポート２に接続されている。ポート１およびポート２から差動信号が入出力される。
【００５２】
また、半導体装置１０２の水平方向（長辺）および垂直方向（短辺）の長さはそれぞれ、例えば４０μｍおよび１０μｍであり、スパイラルインダクタを用いたＬＣ共振器と比べても大幅に面積を削減できる。
【００５３】
図１５は、半導体装置１０２の製造工程を示す上面図である。まず、ゲート電極９をＳｉＯ２膜３で囲まれたシリコン基板１上に形成する。ゲート電極９は、水平方向に延びる複数のゲート電極９ｈと、垂直方向に延びる１つのゲート電極９ｖとからなる。このゲート電極９をマスクとしてｐ型の不純物をシリコン基板１に注入することにより、ゲート電極９と対応する位置が分離層６ｈ，６ｖとなって半導体装置１０２が形成される。なお、ゲート電極９は製造に用いられるものであり、必ずしも電圧を印加することを目的として形成するわけではない。
【００５４】
ｐ型拡散層２ａ，２ｂは電気的には分離されているが、ｐ型拡散層２ａ、分離層６およびｐ型拡散層２ｂは、いずれも連続したシリコン基板１の内部に形成され、弾性定数および密度ともに等しいため、音響波は分離層６で反射したり減衰したりすることなく伝播できる。
【００５５】
ｐ型拡散層２ａ，２ｂのそれぞれは、シリコン基板１の電位に対して静電容量を持つが、これらを並列接続することにより、全体の静電容量は大きくなる。すなわち、並列接続する数に応じてインピーダンスを調整できる。
【００５６】
したがって、例えば並列数を多くすることにより出力インピーダンスが小さくなり、半導体装置１０２はより大きな素子を駆動することができる。また、並列数を少なくすることにより入力インピーダンスが大きくなるため、小さな素子でも半導体装置１０２を駆動することができる。
【００５７】
このように、第３の実施形態では、ｐ型拡散層２ａ，２ｂを垂直方向に並列に形成するため、半導体装置１０２のインピーダンスを簡易に調整できる。
【００５８】
なお、第２の実施形態と同様に、水平方向に奇数個の分離層６ｖおよび偶数個のｐ型拡散層を形成してもよい。
【００５９】
（第４の実施形態）
第３の実施形態の半導体装置１０２は水平方向に２つのｐ型拡散層を備えるものであったが、以下に説明する第４の実施形態の半導体装置は、水平方向に奇数個のｐ型拡散層を備えるものである。本実施形態の半導体装置をトランス（インピーダンス変換器）またはバラン（単相差動変換器）としても用いることができる。
【００６０】
図１６および図１７はそれぞれ、第４の実施形態に係る半導体装置１０３の上面図および断面図である。以下、第３の実施形態との相違点を中心に説明する。
【００６１】
半導体装置１０３は、シリコン基板１の一部である分離層６ｖａ，６ｖｂにより水平方向および垂直方向に互いに分離されて形成される、複数のｐ型拡散層２ａ，２ｂ，２ｃを備えている。半導体装置１０３の水平方向（長辺）および垂直方向（短辺）の長さはそれぞれ、例えば６０μｍおよび１０μｍである。第３の実施形態と同様に、並列接続する数に応じてインピーダンスを調整できる。
【００６２】
半導体装置１０３をトランスとして用いる場合、ｐ型拡散層２ｂに形成される各コンタクト４ｂを配線５ｂを介してポート１に接続し、ｐ型拡散層２ａ，２ｃに形成される各コンタクト４ａ，３ｃを配線５ａ，５ｃを介してポート２に接続する。
【００６３】
図１８は、半導体装置１０３の動作原理を示す図である。ポート１はｐ型拡散層２ｂのみに接続され、ポート２はｐ型拡散層２ａ，２ｃに接続されるため、ポート２から見た静電容量はポート１から見た静電容量の２倍となる。音響定在波が励起されない場合、これらの容量は結合せず、互いに独立な容量とみなすことができる。
【００６４】
ところが、ポート１およびポート２に差動信号を入力すると、分離層６ｈａ，６ｈｂを節とするｎ＝３の音響定在波が励起される。これによって生じる電荷はポート１とポート２との間で結合する。ポート１側の電荷とポート２側の電荷の極性は反転しており、絶対値の比は１：２となる。このように、同じ振幅の電圧信号を与えても、ポート１とポート２との間でインピーダンスが異なるため、半導体装置１０３をトランス（インピーダンス変換器）として使用できる。
【００６５】
一方、半導体装置１０３をバランとして用いる場合、ｐ型拡散層２ａに形成される各コンタクト４ａを配線５ａを介してポート１に接続し、ｐ型拡散層２ｂに形成される各コンタクト４ｂを配線５ｂを介してポート２に接続し、ｐ型拡散層２ｃに形成される各コンタクト４ｃを配線５ｃを介してポート３に接続する。
【００６６】
ｐ型拡散層２ｂとｐ型拡散層２ｃでは音響定在波の極性が異なるため、ポート１から単相信号を入力し、ポート２およびポート３から差動信号を出力することにより単相−差動変換が可能である。また、ポート２およびポート３から差動信号を入力し、ポート１から単相信号を出力することにより、差動−単相変換が可能である。
【００６７】
このように、第４の実施形態では、水平方向で３つに分離されるｐ型拡散層２ａ〜２ｃを備えるため、半導体集積回路上に簡易にトランスあるいはバランとして半導体装置１０３を形成できる。
【００６８】
なお、水平方向に５個以上の奇数個のｐ型拡散層を形成してもよい。
【００６９】
（第５の実施形態）
上述した第１〜第４の実施形態は、ｐ型拡散層２ａ，２ｂの端部を固定端として境界条件（上記（６）式）を仮定していた。これに対し、第５の実施形態では異なる境界条件を念頭に置いている。
【００７０】
図１９および図２０はそれぞれ、第５の実施形態に係る半導体装置１０４の上面図および断面図である。図１および図３とそれぞれ共通する構成部分には同一の符号を付しており、以下では相違点を中心に説明する。
【００７１】
半導体装置１０４は、２つの分離層６ａ，６ｂによりそれぞれに分離される３つのｐ型拡散層２ａ〜２ｃと、ｐ型拡散層２ａ〜２ｃ上にそれぞれ形成されるコンタクト４ａ〜４ｃと、コンタクト４ａ〜４ｃとそれぞれ電気的に接続される配線５ａ〜５ｃを備えている。ｐ型拡散層２ａ，２ｃの長辺の長さは互いに等しく、ｐ型拡散層２ｂの長辺の長さの１／２である。
【００７２】
左端のｐ型拡散層２ａと右端のｐ型拡散層２ｃとは、コンタクト４ａ，４ｃおよび配線５ａ，５ｃを介してポート１に電気的に接続され、中央のｐ型拡散層２ｂは、コンタクト４ｂおよび配線５ｂを介してポート２に電気的に接続される。ポート１およびポート２から差動信号が入出力される。
【００７３】
また、半導体装置１００のＳｉＯ２膜３に代えて、シリコン基板１より音響インピーダンスが小さい材料（例えば樹脂、空洞など）の音響波反射層３’が形成される。
【００７４】
第１の実施形態で説明したように、音響波伝播層としてのｐ型拡散層２ａ〜２ｃに比べて、音響波反射層としてのＳｉＯ２膜３の音響インピーダンスが大きい場合、両者の界面は固定端となる。一方、音響反射層の音響インピーダンスが小さい場合、界面は自由端となる。本実施形態の半導体装置はこの違いを考慮したデバイス構造となっている。
【００７５】
図２１は、半導体装置１０４の動作原理を示す図である。ｐ型拡散層２ａ，２ｃとＳｉＯ２膜３’との界面が自由端であるために音響定在波の腹となり、分離層６ａ，６ｂが節となる。さらに、中央のｐ型拡散層２ｂの長さは両端のｐ型拡散層２ａ，２ｃの２倍であるため、ｎ＝３のモードの音響定在波が励起される。これにより、第１の実施形態と同様に、差動型の音響共振器として動作する。
【００７６】
このように、第５の実施形態では、２つの分離層６ａ，６ｂにより３つに分離されたｐ型拡散層２ａ〜２ｃを形成する。そのため、音響波伝播層と音響波反射層との界面が自由端となる場合でも、半導体装置１０４を差動型の共振器として動作させることができる。
【００７７】
音響波伝播層の音響インピーダンスより、音響波反射層の音響インピーダンスが大きい場合、これらの界面が固定端となるため、半導体装置の構造を第１の実施形態（図１等）のようにすればよい。一方、音響波伝播層の音響インピーダンスより、音響波反射層の音響インピーダンスが小さい場合、これらの界面が自由端となるため、半導体装置の構造を第５の実施形態（図１８等）のようにすればよい。
【００７８】
上述した各実施形態の半導体装置において、音響定在波が励起される半導体領域としてｐ型拡散領域を利用したが、ｎ型拡散領域で形成してもよい。また半導体基板としてシリコン基板を例にとって説明したが、そのゲルマニウムや、ＳｉＣやＧａＮ、ＧａＡｓなどの化合物半導体を用いてもよい。
【００７９】
以下、上述した各実施形態の半導体装置を使用したアプリケーションをいくつか説明する。
【００８０】
（第６の実施形態）
第６の実施形態は、半導体装置をアンテナシステムに使用するものである。
【００８１】
図２２は、アンテナシステム２０の概略構成を示すブロック図である。アンテナシステム２０は、差動型共振器２１と、２つの導体２２ａ，２２ｂを有するダイポールアンテナ２２と、差動型信号源２３とを備えている。
【００８２】
差動型共振器２１は、例えば図１〜図３の半導体装置１００であり、ｐ型拡散層２ａ，２ｂに形成されたコンタクト４ａ，４ｂが、それぞれ導体２２ａ，２２ｂと接続される。また、ｐ型拡散層２ａ，２ｂにはさらにコンタクト４ｃ，４ｄがそれぞれ形成され、差動型信号源２３の端子に接続される。ダイポールアンテナ２２および差動型信号源２３は差動型共振器２１と同一のシリコン基板１上に形成するのが望ましい。
【００８３】
差動型信号源２３から差動型共振器２１の共振周波数に等しい周波数の差動信号を入力することにより、差動型共振器２１のｐ型拡散層２ａ，２ｂには差動型の音響定在波が励起される。音響定在波が励起された状態では、音響波と電荷が結合し、それぞれのｐ型拡散層２ａ，２ｂに配置されたコンタクト４ａ，４ｂ間には、大きな高周波の電位差が発生する。このため、コンタクト４ａ，４ｂ間に接続されたダイポールアンテナ２２の２つの導体２２ａ，２２ｂ間には大きな高周波の電位差が生じ、アンテナから外部に電磁波が放出される。
【００８４】
ダイポールアンテナ２２と差動型信号源２３との間に差動型共振器２１を接続し、共振現象を利用して増幅するため、結果として、通常のダイポールアンテナを用いたアンテナシステムよりも小型で効率のよい電磁波を放出できる。
【００８５】
一方、ダイポールアンテナ２２の外部から差動共振器２１の共振周波数と同じ周波数成分を有する電磁波が到達すると、電磁波の強度が微弱であっても、差動型共振器２１の内部に音響定在波を励起することができる。そのため、導体２２ａ，２２ｂを信号の波長の１／４に合わせなくても、ｐ型拡散層２ａ，２ｂに配置されたコンタクト４ａ，４ｂを差動型共振器２１に接続して受信した電磁波を増幅することにより、微弱な電磁波を効率的に検出できる。
【００８６】
また、差動型共振器２１として、例えば図１３および図１４の半導体装置１０２を用いて、並列接続する数を調整して、ダイポールアンテナ２２および差動型信号源２３のインピーダンスを整合させてもよい。
【００８７】
このように、第６の実施形態のアンテナシステム２０は、シリコン基板１上に形成可能な差動型共振器２１を用いるため、小型かつ高効率のアンテナシステムを実現できる。
【００８８】
なお、差動型共振器２１として他の半導体装置を用いてもよい。
【００８９】
（第７の実施形態）
第７の実施形態は、半導体装置を別のアンテナシステムに使用するものである。
【００９０】
図２３は、アンテナシステム３０の概略構成を示すブロック図である。アンテナシステム３０は、差動型共振器３１と、ループアンテナ３２と、差動型信号源３３とを備えている。
【００９１】
差動型共振器３１は、例えば図１０および図１１の半導体装置１０１である。左端のｐ型拡散層２ｃおよび右端のｐ型拡散層２ｄには、差動型信号源３３からそれぞれ差動信号が入力される。また、ｐ型拡散層２ｂ，２ｃには、ループアンテナ３２の一端および他端がそれぞれ接続される。ループアンテナ３２および差動型信号源３３は差動型共振器３１と同一のシリコン基板１上に形成されるのが望ましい。
【００９２】
ｐ型拡散層２ａ〜２ｄは、分離層６ａ〜６ｃによりそれぞれ電気的に分離されているため、差動型信号源３３からループアンテナ３２に直流電流が流れることはなく、電力効率がよい。
【００９３】
差動型信号源３３から差動型共振器３１の共振周波数に等しい周波数の差動信号を入力することにより、差動型共振器３１の４つのｐ型拡散層２ａ〜２ｄには、差動型の音響定在波が励起される。音響定在波が励起された状態では、音響波と電荷が結合し、中央の２つのｐ型拡散領域２ａ，２ｂに配置されたコンタクト４ａ，４ｂが、高周波の電流源として機能する。コンタクト４ａ，４ｂ間に接続されたループアンテナ３２には大きな高周波電流が流れ、ループアンテナ３２から外部に電磁波が放出される。
【００９４】
ループアンテナ３２と差動型信号源３３との間に差動型共振器３１を接続し、共振現象を利用して増幅するため、結果としてループアンテナ３２を小さくすることができ、通常のループアンテナを用いたアンテナシステムよりも小型で効率のよい電磁波を放出できる。
【００９５】
一方、ループアンテナ３２の外部から差動型共振器３１の共振周波数と同じ周波数成分を有する電磁波が到達すると、電磁波の強度が微弱であっても、差動型共振器３１の内部には音響定在波を励起することができる。そのため、音響定在波に配置されたコンタクト４ｃ，４ｄを差動型共振器３１に接続して受信した電磁波を増幅することにより、微弱な電磁波を効率的に検出できる。
【００９６】
このように、第７の実施形態のアンテナシステム３０は、シリコン基板１上に形成可能な差動型共振器３１を用いるため、小型かつ高効率のアンテナシステムを実現できる。
【００９７】
なお、差動型共振器３１として他の半導体装置を用いてもよい。
【００９８】
（第８の実施形態）
第７の実施形態は、半導体装置を送受信システムに使用するものである。
【００９９】
図２４は、送信器４０および受信器５０を含む送受信システムの概略ブロック図である。本実施形態の送受信システムでは、送信器４０が単相信号を差動信号に変換してアンテナから受信器５０に送信し、受信器５０はアンテナで受信した差動信号を単相信号に変換して用いることを念頭に置いている。
【０１００】
送信機４０は、変調回路４１と、高周波発振器４２と、アップコンバータ４３と、増幅器４４と、共振器４５と、アンテナ４６とを有する。変調回路４１は送信すべき信号（入力信号）を変調して、変調信号を生成する。アップコンバータ４３は高周波発振器４２が生成した基準信号を用いて変調信号を高周波信号に変換する。増幅器４４は高周波信号を増幅する。共振器４５は増幅された高周波信号を差動信号に変換してアンテナ４６に給電し、アンテナから差動信号が送信される。
【０１０１】
一方、受信器５０は、アンテナ５１と、共振器５２と、ロウノイズアンプ（ＬＮＡ）５３と、局部発振器５４と、ダウンコンバータ５５と、ロウパスフィルタ（ＬＰＦ）５６と、低周波増幅器５７とを有する。アンテナ５１が送信器４０から差動信号を受信すると、共振器５２はこれを単相信号に変換する。ＬＮＡ５３は単相信号を増幅する。ダウンコンバータ５５は、局部発振器５４が生成した基準信号を用いて低周波信号に変換する。ＬＰＦ５６は低周波信号を復調し、復調信号を生成する。低周波増幅器５７は復調信号を増幅し、外部へ取り出される。
【０１０２】
このようにして、送信器４０と受信器５０との間で無線通信ができる。
【０１０３】
図２４は、図２３の送受信システムの共振器４５、アンテナ４６，５１および共振器５２の概略構成を示すブロック図である。
【０１０４】
送信機４０の共振器４５は、例えば図１６および図１７に示す半導体装置１０３である。増幅器４４により増幅された単相信号である高周波信号は、ｐ型拡散層２ａに入力される。そして、共振器４４により差動信号に変換されて、ｐ型拡散層２ｂ，２ｃから取り出され、アンテナ４６から受信器５０へ送信される。
【０１０５】
また、受信器５０の共振器５２も、例えば半導体装置１０３である。共振器５２の共振周波数は、共振器４４の共振周波数と等しい。アンテナ５１により受信された差動信号の一方はｐ型拡散層２ｂに、他方はｐ型拡散層２ｃに入力される。そして、共振器５２により単相信号に変換されて、ｐ型拡散層２ａから取り出され、ＬＮＡ５３に供給される。
【０１０６】
アンテナ４６，５１は、例えばダイポールアンテナであり、第６の実施形態で説明したように、共振器４４を，５２を用いることにより、小型化が可能である。もちろん、アンテナ４６，５１は第７の実施形態で説明したループアンテナであってもよい。
【０１０７】
このように、第８の実施形態では、送信器４０内に、信号源とアンテナ４６との間に共振器４４を設け、受信器５０内に、アンテナ５１とＬＮＡ３３との間に共振器５２を設ける。そのため、送信器４０および受信器５０を小型化できる。
【０１０８】
この送受信システムは、例えば無線ＩＣタグやチップ間通信に適用することができる。また、環境に存在する電磁エネルギーを用いた発電、いわゆるエネルギーハーベストに用いることもできる。
【０１０９】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【０１１０】
１  シリコン基板
２ａ〜２ｄ  ｐ型拡散層
３  ＳｉＯ２膜
４ａ〜４ｄ  コンタクト
５ａ〜５ｄ  配線
６，６ｈ，６ｖ，６ｖａ，６ｖｂ  分離層
７  溝
８  空乏層領域
９，９ｈ，９ｖ  ゲート電極
１０  半導体領域
２０，３０  アンテナシステム
２２  ダイポールアンテナ
２２ａ，２２ｂ  導体
３２  ループアンテナ
４０  送信器
５０  受信器
２１，３１，４５，５２  差動型共振器
１００〜１０４  半導体装置
【図１】
2013009192.tif 000004
【図２】
2013009192.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2013009192.tif 000010
【図８】
2013009192.tif 000011
【図９】
2013009192.tif 000012
【図１０】
2013009192.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2013009192.tif 000016
【図１４】
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【図１５】
2013009192.tif 000018
【図１６】
2013009192.tif 000019
【図１７】
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【図１８】
2013009192.tif 000021
【図１９】
2013009192.tif 000022
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
2013009192.tif 000025
【図２３】
2013009192.tif 000026
【図２４】
2013009192.tif 000027
【図２５】
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