JPH0161252B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は砒化ガリウム基層上に形成された表面
音波素子に関し、特にその温度補償に関する。

表面音波がさまざまに応用可能であることはよ
く知られている。例えば遅延ライン、発振器、信
号処理装置（畳込み積分器、相関器など）或は
力、圧力、温度などを測定するためのトランスデ
ユーサーなどがある。砒化ガリウムを表面音波伝
播のための基層として利用することが近年開発さ
れてきている。これは、砒化ガリウムの半導体と
しての特徴及びピエゾ素子としての特徴を従来の
半導体素子製造技術を利用してモノリシツク回
路／デバイスに組合せることを可能にするからで
ある。砒化ガリウムは、001基層を110方向に伝播
する純粋レーリー波についてのピエゾ電気的結合
係数が、STカツトの水晶よりも僅かに20〜40％
だけ低いが、その位相遅れの温度係数がかなり大
きく且線形性（＋52ppm／℃程度）を有している
ので、それを使用する時には正確な温度制御が必
要とされる。もちろん環境の温度を制御するこ
と、温度を検出してそれに応じた補償を行うこ
と、及びその他の温度補償を行うための外部的技
術手段は周知である。しかしながら、表面音波素
子の温度補償の最も有効且直接的な手段は、位相
遅れの温度係数が低い全体構造となるように薄膜
層を設けることである。例えば、G.Cambon他、
「Design of ａ Tamperature Stable Surface
Acoustic Wave Device on Silicon」、Electro
nics Letters、1978年Vol.17、第535〜538頁にケ
イ素基層の温度補償のために二酸化ケイ素の薄膜
を利用することが提唱されている。ケイ素の場
合、二酸化ケイ素の薄膜を設けると、レーリー波
の速度が遅くなり、音波の漏洩の多い結合が助長
されるよりもむしろ抑制される傾向がある。

ところが、二酸化ケイ素の薄膜は、砒化ガリウ
ムの温度補償のためには直接応用することができ
ない。これはレーリー波の速度が、二酸化ケイ素
の薄膜の厚さを共に増し、最終的には砒化ガリウ
ム基層の剪断波の速度に接近するようになり、表
面音波を表面に閉込めることが不十分となり、音
波が漏洩の多いものとなつてしまうからである。
また音波が表面に閉込められないために音波の極
く一部のみが二酸化ケイ素の層に閉込められるこ
ととなるため、その温度補償のための効果が発揮
されない。レーリー波の速度が基層に於ける剪断
波の速度にほぼ等しくなるような臨界的な二酸化
ケイ素の厚さは、ほぼ表面音波の波長の4/10であ
り、これは180MHzの高周波に於ては約６〜7μに
相当する。二酸化ケイ素の膜の厚さを増すと基層
中にエネルギが洩れ出すためにより一層少ない割
合で音波が二酸化ケイ素の膜に閉込められるよう
になり、音波が砒化ガリウムの基層の温度特性を
有するようになる。従つて、180MHzの高周波域
に於て二酸化ケイ素の層の厚さが０であつた場合
に＋52ppm／℃であつた位相遅れの温度係数が、
二酸化ケイ素の膜の厚さが６〜7μの場合に約＋
21ppm／℃となるが、二酸化ケイ素の層の厚さが
12μとなるとそれが＋50ppm／℃へと増大する。
このように位相遅れの温度係数が０或は負の値と
なることがない。従つて、公知技術によれば、二
酸化ケイ素の薄膜を利用して表面音波基層の温度
補償を行うことは、砒化ガリウムについては有効
でない。

T.E.Parker他、「Si O₂ Film Overlays For
Temperature Stable Surface Acoustic Wave
Devices」、Applied Physics Letters、Vol.26、
No.３、1975年２月、第75〜77頁に報告されている
ように、二酸化ケイ素の薄膜を、ニオブ化リチウ
ム及びタンタル化リチウムSAW遅延ライン基層
に重合することが一部で行われている。そこに報
告されているように、二酸化ケイ素の層を温度補
償を行うのに適正であるような厚さで用いると、
SAW速度が剪断波の速度に近接することから音
響エネルギが剪断波のエネルギと強く連結するこ
とから、温度補償のために適切である厚さの二酸
化ケイ素の膜を用いると、音波が漏洩の多い波と
して伝播する結果となる。Parker等は、大変に
厚い膜を用いることにより、音波が二酸化ケイ素
層の表面にのみ存在するようにしてこの問題を解
決しようとした。即ち全遅延経路の長さを、厚い
膜を有する部分と、薄い膜或は何らの膜のない部
分とからなる二つの部分に分け、厚い膜の部分に
生ずる負の温度係数をもつて、基層の正の温度係
数をキヤンセルすることができる。この方法は、
長い遅延経路についてのみ適用可能であつて、音
波が厚膜部分を出入する際のエネルギの損失が問
題となる上、信頼性のある素子を製造するのに好
適ではなかつた。この二つの伝播経路を用いる方
法は、例えば波長の半分の長さの周期で格子を正
確に再現する必要があるようなSAW共鳴器の格
子を形成するためや、或は多数のタツプを有する
信号処理装置を製造する上で全く不適当である。

本発明の主な目的の一つは基層の境界に於ける
エネルギの損失を防止するために音波の伝播を表
面に閉込めるような技術を用いて温度補償された
砒化ガリウム表面音波素子を提供することにあ
る。

本発明によれば、砒化ガリウム表面音波基層
が、その音響伝播表面に形成された複合薄膜によ
り温度補償されるようになつており、この複合薄
膜が二酸化ケイ素と金等のように基層に慣性質量
を付加するような金属とからなることにより、二
酸化ケイ素からなる部分により加速されたレーリ
ー波の速度が質量付加用金属により減速されて補
償されるようになつている。

本発明によれば、複合薄膜は、砒化ガリウムの
表面を二酸化ケイ素の膜で覆い更に二酸化ケイ素
を金属の膜で覆うようになつている。或は、固体
膜若しくは電極として金属を砒化ガリウムの音響
伝播面に直接重合し、二酸化ケイ素の膜をこの固
体膜の上に重合するようにしてもよい。場合によ
つては、幾つもの層をさまざまな順序で積層する
ことも可能である。

本発明によれば、周知のマイクロエレクトロニ
クス処理技術を用いることによりピエゾ或は半導
体表面音波素子の温度補償を比較的簡単に達成す
ることができる。本発明は、以下の教示に基き周
知の技術を用いることにより実施することができ
る。

本発明の他の目的、特徴或は利点は、添付の図
面について以下に記載されている好適実施例の説
明から明らかになると思う。

第１図に於て、破線は、二酸化ケイ素の層が重
合されている砒化ガリウムSAW基層の挙動を示
している。この挙動は、レーリー波の伝播速度及
び位相遅れの温度係数を層の厚さの関数としてプ
ロツトすることにより示されている。簡単に前記
したように、最適な温度補償をもつてすれば、
180MHz（波長16μ）の高周波の場合５〜6μオー
ダーの厚さの層についての位相遅れの温度係数は
＋20ppm／℃以上であり、同時にレーリー波の音
速が、砒化ガリウムに於ける剪断波音速（約3240
ｍ／秒）を越える。そして、二酸化ケイ素の層の
厚さを更に増し、レーリー波の音速が許容される
速度（3200ｍ／秒）以下になるまでにしたとして
も、この厚さ（12.5μ）に於ける複合層構造体の
温度係数が、二酸化ケイ素層の厚さが０である場
合の砒化ガリウムに於ける温度係数の値に近い＋
50ppm／℃になり、温度補償の効果が０になるだ
けである。従つて、二酸化ケイ素は、砒化ガリウ
ムSAW基層の温度補償のために有用ではない。

本発明によれば、複合層は温度補償の効果を改
善するばかりでなく、複合層に対する慣性質量の
付加を行う。本実施例に於ては、二酸化ケイ素と
金の層の密着度を改善するために数100Åの薄い
チタンの層が用いられている。これにより、漏洩
の多い波となる傾向を助長することなく良好な温
度補償が可能となる。第１図に於て、実線は、慣
性質量の付加用の金属を含む複合層が重合された
砒化ガリウムについて位相遅れの温度係数を示し
ており、０の値を取り得るばかりでなく、負の値
をも取り得ることがわかる。そしてレーリー波の
最高速度は、層の厚みの増加が波の速度の減少を
引起こすまでに約2880ｍ／秒から約2970ｍ／秒に
まで引き上げられるのみであるため、剪断波の速
度よりもずつと低い。従つて、約7.5μの温度補償
用二酸化ケイ素の層と、適当な慣性質量の付加用
の金属とを含む複合層により、表面層を有しない
砒化ガリウム基層に於けるよりも実際に遅い波の
速度を実現すると同時に位相遅れの温度係数を０
にすることができる。そして、位相遅れの温度係
数を十分厚い二酸化ケイ素の層を用いて負の値と
なるように調節することができるために、基層の
表面の一部にだけ比較的厚い層（ｆ＝180MHz、
８〜12μ）を設けるだけで所望に応じて全体とし
て０の温度係数を有するようにすることができ
る。

第２図に於て、半導体砒化ガリウム表面音波基
層１０には、音響−電気トランスデユーサ１２，
１４が形成されている。これらは、0.15μの厚さ
のクロム及びアルミニウムの層を順次砒化ガリウ
ムの基層に被着してなる周知のデジタル間トラン
スデユーサを含むものであつてよい。本発明によ
れば、複合温度補償層１６は、基層１０の表面に
設けられており、非晶質の二酸化ケイ素の層１８
と砒化ガリウム基層に対して適当な慣性質量の付
加が可能である金属からなる層２０とを備えてい
る。慣性質量の付加は、半導体であるか半絶縁体
であるかを問わず砒化ガリウム基層よりも遅い波
の速度を有するものであればよい。もしそれが半
導体であれば、トランスデユーサは公知の逆バイ
アスシヨツトキー障壁接合とされてよい。本実施
例に於ては、非晶質の二酸化ケイ素は、基層が
250℃のオーダーの適当な温度下にあるときにRF
スパツターを行うことにより形成されている。本
実施例に於て第１図から所望の層の厚さ（Ｔ、第
１図）が、複合層１６を備えるトランスデユーサ
１２，１４の間の或る部分の状態に応じて、ｆ＝
180MHz（Ｔ／λ〜0.4）の場合6μ乃至それ以上の
大きさである。例えば、前記距離のほんの一部が
複合層１６により覆われている場合、二酸化ケイ
素層の厚さはその部分を過補償するべく設定すれ
ばよく、そうすれば、それにより補償されていな
い部分を含めて全体が平均化される。

第２図の実施例の場合、密着度を増すために二
酸化ケイ素の境界面に0.03μの図示されていない
薄いチタン境界層がスパツタされている。そし
て、チタン層の表面には0.2μの厚さの金がRFス
パツタされている。第１図に示されている結果
は、トランスデユーサ１２，１４間の全反応領域
の複合層により覆われている部分の割合が0.7〜
0.9の場合に得られる。言うまでもなく、場合に
よつて反応領域の100％を二酸化ケイ素の膜で覆
うことは実際的ではない。

本発明は、層を被着する順序を変えることによ
つても実施することができる。例えば、反応領域
に沿つてタツプが分散して設けられているような
信号処理SAW素子に於ては、或る一点（たとえ
ばその点を過補償し得るものとしても）に於て温
度補償を行うのは現実的ではない。これは、温度
補償が全てのタツプ間の表面について全て等しく
なければならないためである。第３図には慣性質
量の付加のための金属を基層に直接被着し、それ
に二酸化ケイ素の層を重合することからなるよう
な本発明の別の実施例が単純化して示されてい
る。この場合、金属の厚さは第１図の実施例の場
合よりも大きくすることができるが、その面積
は、第２図の実施例に於ける場合の全反応領域よ
りも小さくてよい。第３図に於て、金属部分から
なる要素２４は反応領域に沿つて分散することの
できるタツプを示しているのみであつて、二酸化
ケイ素からなる要素２６は単にこれらのタツプ上
に重合すればよい。本発明は、二酸化シリコン共
鳴器に於ても利用することができる。その場合、
反射要素は、第３図に要素２４，２６としておお
むね示されているように適当な慣性質量の付加用
金属に非晶質の二酸化シリコンを重合することに
より形成することができる。

本実施例に於ては、金或は金とチタン（接着効
果を改善するため）が例として用いられている。
しかしながら、白金、銀その他の高密度な金属も
用いることができ、必要なことは、基層に慣性質
量を付加するために半導体砒化ガリウムに於ける
よりも小さい波の伝播速度を有する金属を選択す
ることであり、それによつて漏洩の多い波の挙動
を示し始めるような砒化ガリウムの剪断波の速度
にまでレーリー波の速度を増すことなく二酸化ケ
イ素を使用することができる。

本発明は、さまざまな異なる金属を用い、これ
らの層をさまざまな順序で積層してなる複合層を
用いて実施することができる。本発明の実施に際
して有利でありさえすれば、例えば、第３図の実
施例に於ける二酸化シリコンにもう一枚の金属の
層を被着することも可能である。

同様に、本発明は特定の実施例について説明さ
れたが、当業者であれば前記したような或は他の
種々な変形変更が本発明の概念から逸脱すること
なく可能であることは明らかであると思う。

【図面の簡単な説明】

第１図は二酸化ケイ素層のみを用いた場合と本
発明の基き複合層を用いた場合の両方について二
酸化ケイ素の層の厚さの関数として位相遅れ及び
波の速度の温度係数の変化を示す複合グラフ、第
２図は、本発明に基く実施例の単純化された縦断
面図、第３図は、本発明に基く第二の実施例の単
純化された縦断面図である。 １０……基層、１２，１４……音響−電気トラ
ンスデユーサ、１６……複合温度補償層、１８…
…二酸化ケイ素、２０……金属層、２４，２６…
…要素。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 砒化ガリウムの半導体基層と前記基層の表面
   に配置された少なくとも一つの音響−電気トラン
   スデユーサとを含む温度補償された表面音波素子
   にして、 前記基層の表面に配置された慣性質量の付加と
   温度補償とのための複合層が、砒化ガリウムのレ
   ーリー波速度よりも遅いレーリー波速度を有する
   金属層と二酸化ケイ素層とを含むことを特徴とす
   る表面音波素子。