[发明专利]弹性表面波功能元件及使用它的电子电路

说明书

本发明涉及到诸如弹性表面波放大器和弹性表面波卷积器(convolver)之类的弹性表面波功能元件，其中沿压电衬底传播的弹性表面波与半导体中的载流子相互作用，并涉及到使用这类功能元件的移动通信设备的发射接收电路等电子电路。

新近，诸如为手提电话之类的移动通信设备的尺寸已被减小并被设计成工作于较低的电压以降低功耗。随着这一进展，已进行广泛的研究来开发能够安装在手提设备中的单片元件。但由于带通滤波器和双工器(duplexer)的尺寸比其它高频元件的尺寸大，故与其它元件一起单片制造这些元件没有什么优点。而且，要将功率放大器制作成单片元件也实在很困难。为此，双工器、功率放大器、带通滤波器、安排在带通滤波器上游的低噪声放大器等已被发展成各个分立元件并制作成个别的组件。当这些分立元件被制作成组件时，形成了用来连接多个部分和电路以匹配阻抗的布线，因而作为一个单元，分立元件的尺寸是很大的。

另一方面，对弹性表面波的放大作用已进行了很多研究。为了放大弹性表面波，已知的方法是沿压电衬底的表面传播弹性表面波并使此波产生的电场与半导体中的载流子发生耦合。实际的弹性表面波放大器根据用来传播弹性表面波的压电材料与半导体的组合类型被分为三类：直接型放大器(图3)；分离型放大器(图4)；以及单片型放大器(图5)。首先，如图3所示，直接型放大器的结构带有一个由诸如CdS或GaAs之类材料组成的既有压电特性又有半导体特性的衬底7，其上制作有输入和输出电极4和5，衬底7被夹在用来将直流电场加于衬底7的电极6之间。但迄今仍未找到具有大的压电特性和大的迁移率的压电半导体。其次，如图4所示，分离型放大器的结构中，一个迁移率大的半导体3’排列在压电特性大的压电衬底1上，之间有一间隙8，输入和输出电极4和5制作在衬底1上，而用来将直流电场加于半导体3’的电极6被制作在半导体3’的二侧。在这类放大器中，半导体与压电衬底的平坦度以及间隙8的大小，对放大增益有很大的影响。为了获得实际上可接受的放大增益，间隙8必须做成尽可能小并在工作范围内保持恒定，致使具有这种间隙的放大器的工业制造非常困难。第三，如图5所示，单片型放大器的结构中，半导体3’通过介电膜9制作在压电衬底1上，中间没有间隙，输入和输出电极4和5制作在压电衬底1上，而用来将直流电场加于半导体层3’的电极6制作在半导体层3’的二侧。单片型放大器能达到高的增益并可被用于高频区。而且，单片型放大器被说成适于大批量生产。但至今仍未研究过这些弹性表面波放大器在诸如手提电话之类的移动通信设备中的应用。

为了实现单片型放大器，必须在压电衬底上制作电学特性良好的半导体膜，且半导体膜必须足够薄，以便在弹性表面波与半导体中的载流子之间能发生有效的相互作用。根据Tohoku大学Yamanouchi等人在1970年代的研究(Yamanouchi K.等人，Proceedings of the IEEE，75，P726(1975))，采用将厚度为30nm的SiO涂覆在LiNbO₃衬底上，然后在衬底上真空淀积50nm厚的InSb薄膜这样一种结构，InSb的电子迁移率达到了1,600cm²/Vsec。当1,100V直流电压加于带有此半导体膜的弹性表面波放大器时，在195MHz的中心频率处获得了净增益为40dB的放大增益。而且，根据其理论计算，Yamanouchi等人预期，由于载流子的表面散射，在50nm厚的InSb薄膜中，最大的电子迁移率为3,000cm²/Vsee(Yamanouchi等人，Shingaku Gihou，US78-17.CPM78-26，p19(1978))。亦即，单片型放大器面临着难以在压电衬底上制作具有良好电学特性的薄膜半导体的麻烦。而且，常规结构要求一个SiO之类的介电膜以防止InSb和LiNbO₃衬底由于氧从LiNbO₃衬底扩散而引起的变坏。而且，当弹性表面波放大器被用作手提设备高频部分的放大器和带通滤波器时，若在3-6V的驱动电压下没有放大作用，则这种弹性表面波放大器是毫无用处的。常规单片放大器需要高的电压，且没有能在低电压下被驱动的弹性表面波放大器。而且，存在利用弹性表面波与电子之间相互作用的类似弹性表面波放大器的弹性表面波卷积器的增益不够高的问题。