JPS5915563B2 - 弾性表面波パラメトリック装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は弾性表面波の増幅器等として作用させる弾性表
面波パラメトリック装置に関するもので、圧電体基体に
おける弾性表面波の伝播路上には分割させた複数個のポ
ンプ電極を配設するとともに、電圧−容量非線形効果を
生じさせるための可変容量素子を前記のポンプ電極に連
ねて別途に配設し、以って可変同調特性およびポンプ電
力効率等を改善させ得るようにした新規な構成からなる
弾性表面波パラメトリック装置に係るものである。

本出願人は先に特願昭５２−１０７２７１号等で開示し
たように、第１図に示すような連続波動作性およびＳ／
Ｈの良好性等諸種の効果を有せしめた弾性表面波装置を
発明した。

第１図において符号１は半導体基板にして、この半導体
基板１上に絶縁膜２および圧電体層３を順次積層させ、
さらにこの圧電体層３上に直流バイアス電圧ならびにポ
ンプ電圧を印加するための方形状のポンプ電極４、およ
び入・出カドランスジューサ５，６をそれぞれ配設した
ものである。

符号７は直流バイアス印加用の直流電源、８は交流阻止
用のインダクタ、９はポンプ電圧印加用の高周波電源、
１０は直流阻止用のコンデンサ、１１はマツチング回路
であって、さらに１２．１３は端面において不要な弾性
表面波が反射するのを防止するための弾性表面波吸収材
である。

そしてポンプ電極４に直流電源７から直流バイアス電圧
を印加し、このポンプ電極４直下の半導体基板１表面部
に適宜の空間電荷層容量を生じさせ、さらに高周波電源
９から選択希望中心周波数ｆｏの２倍の周波数２ｆｏの
ポンプ電圧を同じくポンプ電極４に印加し、前記の空間
電荷層容量を周波数２ｆｏで励振して、この空間電荷層
容量を周波数２ｆｏで変化させる。

一方、広帯域性の入カドランスジューサ５に電気信号を
入力させると、この入力電気信号は弾性表面波信号に変
換されて圧電体層３の表面を第１図において入カドラン
スジューサ５の左右に向けて伝播する。

そして右方に伝播する弾性表面波入力信号１５のうちで
周波数ｆ。

近傍の信号成分がポンプ電極４下方部の動作領域を伝播
していく過程で、その圧電ポテンシャルが半導体基板１
表面の空間電荷層容量非線形効果によりポンプ電圧とパ
ラメトリック相互作用を生じて増幅され、この増幅され
た弾性表面波信号１６が出カドランスジューサ６により
再び電気信号に変換されて外部に出力される。

またこれと同時にポンプ電極４から図の左方に向けて、
弾性表面波入力信号１５の大きさに対応した周波数ｆｉ
（ｆｉ＝２ｆ□−ｆｓ、ｆｓ ：入力信号の周波数）の
弾性表面波信号１７が発生する。

この弾性表面波信号１７も出力信号として適宜に外部に
出力させることができるものである。

ところで上記のような方形状のポンプ電極４を備えた弾
性表面波装置において、このポンプ電極４の幅４′は、
弾性表面波入力信号１５のビーム幅、即ち入カドランス
ジューサ５における櫛歯状電極の電極交叉幅で決まるも
のであるが、一般的にはこの交叉幅を小さくするとトラ
ンスジューサ５の効率を低下させてしまう。

このためポンプ電極４の幅４′は極力大なるように設定
する。

またポンプ電極４の長さｌについては、同一ポンプ電力
の場合に増幅度を犬にするとき、又は増幅度同一の場合
に所要ポンプ電力を小にするとき、何れにしてもこの長
さｌはできるだけ犬にすることが必要である。

上記したようにトランスジューサの効率、および増幅度
を考慮したとき、ポンプ電極４の幅４′と長さ１１即ち
面積はかなり犬に設定することが必要である。

しかるにポンプ電極４の面積が犬になると、このポンプ
電極４直下の半導体基板１表面部に生成される空間電荷
層容量が大きくなるので、このポンプ電極４部とポンプ
電源とのインピーダンス差が増し、マツチング回路１１
の構成が難しくなり同時に広帯域性のマツチングをとる
ことも難しくなってしまう。

このためこの弾性表面波装置の特長の一つである可変同
調特性が十分に発揮できなくなってしまうという難点を
有していた。

また空間電荷層容量が犬になるとポンプ周波数における
ポンプ電極４部のインピーダンスが低下するので、印加
されたポンプ電力の大半が半導体基板１のバルク抵抗部
分に消費されてしまいポンプ電力の効率低下を招いてし
まうという難点も有していた。

さらに材料面からみた場合においてもポンプ電極４がか
なりの大面積を必要とすることに比例してこの下方に配
置する半導体基板１の必要面積もかなり大になってしま
う。

このため基板材料ひいては装置全体のコスト高も招いて
しまうという難点も有していた。

したがって上記した従来の弾性表面波装置は、前記のよ
うに諸種の効果を有するにも拘らず実用性の面において
なお一層の改良が望まれていた。

ここにおいて本発明は、上記した技術的課題を解決し得
るようにした弾性表面波パラメトリック装置を提供しよ
うとしたものである。

以下本発明を図の実施例に基いて具体的に説明する。

なお以下の図において前記第１図と共通する部材につい
ては前記と同一の符号を附すものとする。

第２図において符号Ａは酸化亜鉛ＺｎＯ等により形成さ
れた圧電体基体にして、図におけるこの圧電体基体Ａの
左右両端部近傍に入カドランスジューサ５および出カド
ランスジューサ６をそれぞれ配設する。

この人・出カドランスジューサ５，６は十分に広帯域性
を有するように形成する。

そしてこの入カドランスジューサ５と出力トランスジュ
ーサ６との間における弾性表面波の伝播路上に、分割さ
せた複数個のポンプ電極Ｍ１〜Ｍｎを配設する。

このポンプ電極Ｍ１〜Ｍｎは、第３図の拡大図にも示す
ように、弾性表面波の伝播方向における幅を等幅でａと
し、また各電極Ｍ１〜Ｍｎ間の間隔を等間隔でｂとし、
さらに選択希望の中心周波数ｆｏに対応する弾性表面波
の波長をλ。

（λ。−Ｖｓ／ｆｏ 、Ｖｓ ：弾性表面波の音速）と
したとき、ａ＋ｂ＜λ。

となるように設定する。また上記のように等幅、等間隔
に形成しない場合においては、ポンプ電極Ｍ１２Ｍ２・
・・の弾性表面波伝播方向における幅と、このポンプ電
極に隣接するポンプ電極間隔との和の最大値を選択希望
する周波数に対応する表面弾性波の波長よりも小なるよ
うに設定する。

上記したようにそれぞれ設定することによりポンプ電極
群Ｍ１〜Ｍｎによる弾性表面波の機械的反射の影響を軽
減させ、伝播信号の劣化を防止することができる。

なおここで選択希望の周波数とは、入カドランスジュー
サ５から入力させた電気信号のうち、出カドランスジュ
ーサ６から選択的に出力させる信号成分の周波数をいう
。

次いで上記のように形成したポンプ電極Ｍ１〜Ｍｎのそ
れぞれに可変容量素子Ｃ１〜Ｃｎを連ね、さらにこの可
変容量素子Ｃ１〜Ｃｎにおける各容量制御電極（後述）
を共通接続線１８により共通接続させた上で、インダク
タ８を介して直流バイアス印加用の直流電源７、および
直流阻止用のコンデンサ１０を介してポンプ電圧印加用
の高周波電源９にそれぞれ連ねる。

ここで上記の可変容量素子Ｃ４〜Ｃｎについて説明する
と、このものは一例として次のように構成させる。

即ち、第４図に示すようにｎ形半導体Ｓ′の表面部に所
定の間隔を隔てて２個のｐ影領域Ｐ、、Ｐ１’を形成し
、このｐ影領域Ｐ１． Ｐ１’部を容量制御部とさせて
、各ｐ影領域Ｐ１． Ｐ１’にそれぞれ容量制御電極Ｍ
ａ、Ｍａ’を備えさせる。

また上記２個のｐ影領域Ｐ、 、 Ｐ、’の中間部にお
ける半導体基体８７表面部に、他のｐ影領域Ｐ２を形成
し、このｐ影領域Ｐ２部に容量読出電極Ｍｂを備えさせ
て容量読出部とさせる。

符号１９はオーミック電極である。そして容量制御電極
Ｍａ 、 Ｍａ’を介して容量制御部に印加した逆バイ
アス電圧により容量読出部にまで及ぶ空乏層２０を発生
させ、この空乏層容量の変化を容量読出電極Ｍｂから読
出すようにしたものである。

即ち、各ｐ影領域Ｐ１．Ｐ２′、Ｐ２等の形状寸法、乃
至は各キャリア濃度等を適宜の値に設定することによっ
て第５図に示すようなバイアス電圧に対する容量変化特
性を得ることができるものである。

第５図において符号■は容量制御電極Ｍａ、Ｍａ’に印
加するバイアス電圧、Ｃは容量読出電極Ｍｂとオーミッ
ク電極１９間の容量である。

そして上記の可変容量素子Ｃ１・・・を、ポンプ電極Ｍ
１・・・に連ねるに当っては、容量読出電極Ｍｂをポン
プ電極Ｍ１・・・に接続し、各容量制御電極Ｍａ、Ｍａ
’は前記したように共通接続させた上で、それぞれイン
ダクタ８およびコンデンサ１０を介して直流電源７およ
び高周波電源９に連ねる。

また可変容量素子は、前記のように複数個のポンプ電極
Ｍ１〜Ｍｎの数と同数個だけ備えさせるものであるが、
この複数個の可変容量素子Ｃ１〜Ｃｎは一例として第６
〜７図に示すように構成し、パラメトリック装置全体と
しての実用性の向上を図る。

即ち同図において符号Ｓは単一のｎ形半導体基板にして
、この半導体基板Ｓの表面部に、所定の間隔を隔てて容
量制御部および容量読出部を形成するためのｐ影領域Ｍ
ａ、Ｍａ’・・・、 Ｍｂ・・・を拡散工程等により作
り込む。

一方圧電体基体Ａの一部を第７図の側面図に示すように
半導体基板Ｓの外形寸法外だけ削りとり、当該半導体基
板Ｓおよび圧電体基体Ａの両表面が同一平面となるよう
に、半導体基板Ｓを接着剤等により圧電体基体Ａにとり
つける。

次いで各電極Ｍ１２Ｍ２・・・、 Ｍａ 、 Ｍａ’・
・・、 Ｍｂ・・・を薄膜蒸着およびフォトエツチング
等の手段により同一工程で作り込む。

そしてこのとき各ポンプ電極Ｍ、 、 Ｍ２・・・と容
量読出電極Ｍｂ・・・との接続、および共通接続線１８
も薄膜配線層により同時に形成させる。

因みに同上の事例においては、第６図にも示すように、
各可変容量素子Ｃ１，Ｃ２・・・間に位置する容量制御
電極Ｍａ’・・・（容量制御部）は当該容量制御電極の
両側の可変容量素子に共用とさせる。

前記の第２図において符号１２．１３は端面にオイテ不
要な弾性表面波が反射するのを防止するための弾性表面
波吸収材、２１は裏面電極である。

因みに第２図の事例においては圧電体基体Ａとして単一
の基板状圧電部材を使用したが、圧電体基体としては第
８図に示すように、ガラス材料等からなる弾性体基板２
２上に、蒸着またはスパッタリング法等により酸化亜鉛
ＺｎＯ等の圧電膜Ａ′を堆積させた積層体を適用しても
よい。

上記のような積層体を用いたときはコスト的優利性や作
業性を良好ならしめ得るという効果を有する。

本発明の実施例たる弾性表面波パラ７ｌ−ＩＪラック置
は上述のように構成され、以下のように動作する。

まず高周波電源９および直流電源７のそれぞれから選択
希望中心周波数ｆ。

の２倍の周波数２ｆ。のポンプ電圧、および適宜値の直
流バイアス電圧を各可変容量素子Ｃ１，Ｃ２・・・にお
ける容量制御電極Ｍａ 、 Ｍａ’・・・に印加する。

このとき各可変容量素子Ｃ１，Ｃ２・・・における容量
読出電極Ｍｂ、Ｍｂ・・・と接地間の容量がポンプ電圧
の周波数２ｆｏで励振されて変化する。

一方、十分に広帯域性の入カドランスジューサ５から電
気信号を入力させると、この電気信号は弾性表面波信号
に変換されて圧電体基体Ａの表面を第２図において入カ
ドランスジューサ５の左右に向けて伝播する。

そして右方に伝播する弾性表面波入力信号５ＡＷ１のう
ちで周波数ｆ。

近傍の信号成分がポンプ電極群Ｍ１〜Ｍｎを伝播してし
ていく過程で、その圧電ポテンシャルがポンプ電極Ｍ１
〜Ｍｎによってそれぞれの可変容量素子Ｃ１〜Ｃｎに導
びかれ、この可変容量素子Ｃ１〜Ｃｎにおける電圧−容
量非線形効果によってポンプ電圧とパラメｌ−ＩＪラッ
ク互作用を行なって増幅される。

そしてこの増幅された周波数ｆ。

近傍の弾性表面波信号５ＡＷ２が出カドランスジューサ
６によって再び電気信号に変換されて外部に出力される
。

またこれと同時にポンプ電極群Ｍ１〜Ｍｎから図の左方
に向けて、弾性表面波入力信号ＳＡＷ、の大きさに対応
した周波数ｆ ｉ（ｆ ｉ ＝ ２ｆ□ −ｆ ｓ、ｆ
ｓ：入力信号の周波数）の弾性表面波５ＡＷ３が発生
する。

この弾性表面波信号５ＡＷ３も出力信号として、入カド
ランスジューサ５を兼用させるか、もしくは他の適宜の
出力手段（例えば本出願人が特願昭５４−６４９２３号
で開示したよ・うなマルチストリップカプラを配設した
出力手段）によって外部にとり出すことができる。

そして上記のように弾性表面波がポンプ電極群Ｍ１〜Ｍ
ｎを伝播していく過程において、ポンプ電極の幅および
電極間間隔の和と表面波の波長との関係が、前記したよ
うに弾性表面波の機械的反射を軽減させ得るように設定
しであるから、この点における特性の劣化が防止される
。

以上詳述したように本発明によれば、圧電体基体におけ
る弾性表面波の伝播路上には分割させた複数個のポンプ
電極を配設し、他方電圧−容量非線形効果を生じさせる
ための各可変容量素子を容量制御電極を備えた容量制御
部と、容量読出電極を備えた容量読出部とを有する半導
体素子で構成させて別途に配設し、この容量読出電極を
それぞれのポンプ電極に接続させるようにしたから、個
個の可変容量素子の容量値を弾性表面波入力信号のビー
ム幅等に左右されることなく適宜の値に設定することが
できる。

したがってマツチング回路の構成が容易となり、極端な
場合においてはマツチング回路の配設を不要とすること
もできて、広帯域性のマツチングをとることができ弾性
表面波装置の特長の一つである可変同調特性を十分に発
揮させることができるという極めて優れた効果を発揮す
る。

また上記したように空間電荷層容量を適宜の値に設定し
得ることから、ポンプ周波数におけるインピーダンスを
大きくすることができ、ポンプ回路中の不要抵抗成分に
消費されるポンプ電力を減少させることができるのでポ
ンプ電力の効率を向上させることができるという優れた
効果を発揮する。

さらに複数個の可変容量素子を単一の半導体基板上に形
成させ、当該半導体基板および圧電体基板の両表面が同
一平面となるように、この半導体基板と圧電体基体とを
一体とさせ、次いで各電極および接続線を膜配線層によ
り同一の工程で形成させるようにしたときは、構成容易
性が得られるという優れた効果を発揮する。

さらに装置を構成する材料面からみた場合においても、
半導体材料としては可変容量素子の構成分のみでよいか
ら、基板材料ひいては装置全体のコストを低減させるこ
とができるという優れた効果も発揮する。

したがって本発明は実用上極めて優れた諸種の効果を有
する弾性表面波パラ７ｔ−ＩＪラック置を提供し得るも
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来例を示す斜視図、第２図は本発明の実施例
たる弾性表面波パラ７ｔ−ＩＪラック置を示す図で圧電
体基体部等は斜視図を以って示す、第３図は同上装置に
おけるポンプ電極部の拡大斜視図、第４図は第２図にお
ける可変容量素子の拡大側断面図で高周波電源等も併せ
示す、第５図は同上素子のバイアス電圧に対する容量変
化特性を示す特性図、第６図は第２図の装置に適用する
複数個の可変容量素子の他の配設例を一部省略して示す
平面図、第７図は同上の側面図、第８図は第２図に適用
する圧電体基体の他の構成例を示す側面図である。 ５：入カドランスジューサ、６：出カドランスジューサ
、９：高周波電源、１２，１３：弾性表面波吸収材、１
８：共通接続線、１９ニオ−ミック電極、２０：空乏層
、２１：裏面電極、２２：弾性体基板、Ａ：圧電体基体
、Ｎ：圧電膜、Ｃ１〜Ｃｎ ：可変容量素子、Ｍ１〜Ｍ
ｎ：ポンプ電極、Ｍａ、Ｍａ仕仕置量制御電極Ｍｂ ：
容量読出電極、Ｐｌ、 Ｐ１’：容量制御部におけるｐ
影領域、Ｐ２：容量読出部におけるｐ影領域、Ｓ：半導
体基板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 圧電体基体における弾性表面波の伝播路上に複数個
   のポンプ電極を配設するとともに、容量制御電極を備え
   た容量制御部および容量読出電極を備えた容量読出部を
   有する可変容量素子を前記の各ポンプ電極に対応させて
   配設し、さらに当該ポンプ電極を前記容量読出電極にそ
   れぞれ接続するとともに前記の各容量制御電極に直流バ
   イアス電圧およびポンプ電圧を印加するようにしたこと
   を特徴とする弾性表面波パラメｌ−ＩＪラック置。 ２ ポンプ電極の弾性表面波伝播方向における幅と、当
   該ポンプ電極に隣接するポンプ電極間隔との和の最大値
   を、選択希望周波数に対応した弾性表面波の波長よりも
   犬なるように設定した特許請求の範囲第１項記載の弾性
   表面波パラメｌ−ＩＪラック置。 ３ ポンプ電極の弾性表面波伝播方向における幅を等幅
   ａとし、ポンプ電極間の間隔を等間隔すとし、さらに選
   択希望周波数に対応した弾性表面波の波長をλ。 とじたとき、ａ十ｂ〈λ０となるように設定した特許請
   求の範囲第１項記載の弾性表面波パラメトリック装置。 ４ 圧電体基体として弾性体基板上に積層させた圧電膜
   を使用した特許請求の範囲第１項または第２項または第
   ３項に記載の弾性表面波パラメｌ−ＩＪラック置。 ５ 複数個の可変容量素子を単一の半導体基板により形
   成させるとともに、当該半導体基板および圧電体基体の
   両表面が同一平面となるように該半導体基板と圧電体基
   体とを一体とさせ、ポンプ電極と容量読出電極との接続
   を膜配線層により形成した特許請求の範囲第１項乃至第
   ４項のうちの何れか１項に記載の弾性表面波パラメトリ
   ック装置。