JP2000101345A

JP2000101345A - 電圧制御発振器

Info

Publication number: JP2000101345A
Application number: JP10285945A
Authority: JP
Inventors: Shusuke Abe; 秀典阿部; Yoshihiko Yano; 義彦矢野
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1998-09-22
Filing date: 1998-09-22
Publication date: 2000-04-07
Anticipated expiration: 2018-09-22
Also published as: JP4036544B2

Abstract

(57)【要約】【課題】圧電バルク振動素子または弾性表面波共振器
を発振素子として有するＶＣＯ（電圧制御発振器）にお
いて、中心周波数２GHz帯での実用的な動作を可能と
し、かつ、十分な周波数可変幅を実現する。また、この
ようなＶＣＯの小型化を実現する。【解決手段】圧電バルク振動素子または弾性表面波共
振器を備える発振素子と、一対の電極に挟まれた強誘電
性薄膜または反強誘電性薄膜を備える可変容量素子とを
有し、前記発振素子と前記可変容量素子とが直列接続さ
れており、前記可変容量素子の両端に印加される制御電
圧によりインピーダンス特性が制御される電圧制御発振
器。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、移動体通信機器等
に利用される電圧制御発振器に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、８００MHz帯から１．９GHz帯を利
用した携帯電話、ＰＨＳ等の移動体通信が急速に普及
し、加入者増に対応するため、また、世界共通の電話を
実現するため、ＩＭＴ２０００システム等の新しい規格
の導入が検討されている。このＩＭＴ２０００システム
では、フェーズ１として、最大ビットレートが２Mbpsま
でのシステムの導入が検討されている。このシステムで
は、帯域幅を５MHz／１０MHz／２０MHzに広げた広帯域
ＣＤＭＡ方式と、周波数ホッピングを盛り込んだＴＤＭ
Ａ方式とが検討された。前者は、直接拡散符号を用いて
いるため、電波の多重伝搬路の干渉により現状では使用
帯域幅の限界が５MHzから１０MHzといわれており、新た
な干渉キャンセル技術の開発が不可欠である。後者は、
周波数ホッピングのための高速な周波数シンセサイザが
必要であり、この周波数シンセサイザには、中心周波数
２GHz帯で動作し、周波数可変幅が５MHzから２０MHz
（規格化周波数可変幅０．２５％から１％）であるＶＣ
Ｏ（電圧制御発振器）回路が必要である。

【０００３】これらのシステムの端末には、利便性を向
上させるために従来よりも小型であることが強く要求さ
れている。端末の小型化には、使用する部品の小型化が
不可欠である。周波数シンセサイザに用いられるＶＣＯ
回路の小型化については、従来のディスクリート部品か
ら、ベアチップ実装、さらにはモノリシック化が有効で
あると考えられているが、さまざまな課題を克服する必
要があり、実用化はなかなか進んでいない。

【０００４】ところで、単結晶圧電材料を用いた圧電バ
ルク振動素子や弾性表面波共振器は、小型、無調整、高
Ｑで共振損失が小さいなどの特徴があり、バラクタダイ
オードと組み合わせてＶＣＯ回路に利用されている。

【０００５】しかし、ＬｉＴａＯ₃等の単結晶を用いた
圧電バルク振動素子を利用したＶＣＯ回路は、その使用
可能な周波数範囲が数百メガヘルツ以下なので、２GHz
帯を利用する通信システムへの適用は不可能である。一
方、弾性表面波共振器を用いたＶＣＯ回路は、９００MH
z帯まで研究されている。しかしながら、周波数可変素
子のキーパーツであるバラクタダイオードは、２GHz帯
の周波数では、抵抗成分が増大し、Ｑが大幅に低くな
り、Ｃ／Ｎが低下し、実用的な特性は得られない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、圧電
バルク振動素子または弾性表面波共振器を発振素子とし
て有するＶＣＯ（電圧制御発振器）において、中心周波
数２GHz帯での実用的な動作を可能とし、かつ、十分な
周波数可変幅を実現することである。また、本発明の他
の目的は、このようなＶＣＯの小型化を実現することで
ある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的は、下記（１）
〜（７）の本発明により達成される。（１）圧電バルク振動素子または弾性表面波共振器を
備える発振素子と、一対の電極に挟まれた強誘電性薄膜
または反強誘電性薄膜を備える可変容量素子とを有し、
前記発振素子と前記可変容量素子とが直列接続されてお
り、前記可変容量素子の両端に印加される制御電圧によ
りインピーダンス特性が制御される電圧制御発振器。（２）一対の電極に挟まれた圧電性薄膜を有する圧電
バルク振動素子と、一対の電極に挟まれた強誘電性薄膜
または反強誘電性薄膜を有する可変容量素子とが、基板
上に隣接して配置されている上記（１）の電圧制御発振
器。（３）圧電性薄膜および櫛型電極を備える弾性表面波
共振器と、一対の電極に挟まれた強誘電性薄膜または反
強誘電性薄膜を備える可変容量素子とが、基板上に隣接
して配置されている上記（１）の電圧制御発振器。（４）前記可変容量素子に、強誘電性薄膜または反強
誘電性薄膜の蓄積電荷量の履歴曲線における飽和電圧以
上の電圧を印加した後、制御電圧を印加するか、また
は、前記飽和電圧を印加した状態で、その飽和電圧とは
逆極性の制御電圧を印加することによりインピーダンス
特性が制御される上記（１）〜（３）のいずれかの電圧
制御発振器。（５）前記強誘電性薄膜および前記反強誘電性薄膜が
エピタキシャル膜である上記（１）〜（４）のいずれか
の電圧制御発振器。（６）前記強誘電性薄膜がＰｂ含有ペロブスカイト結
晶またはＢａＴｉＯ₃結晶を含み、前記反強誘電性薄膜
がＰｂＺｒＯ₃結晶を含む上記（１）〜（５）のいずれ
かの電圧制御発振器。（７）位相同期ループにおける電圧制御発振器として
用いられる際に、位相同期ループを動作させるときの入
力設定周波数が、前記可変容量素子に飽和電圧を印加し
たときの発振周波数と一致するか、または、前記可変容
量素子に、前記飽和電圧以上の電圧が印加された後に位
相同期ループで使用される上記（１）〜（６）のいずれ
かの電圧制御発振器。

【０００８】

【発明の実施の形態】第１実施例図１に、発振素子として圧電バルク振動素子を利用した
ＶＣＯの実施例を示す。

【０００９】このＶＣＯは、ダイヤフラム１が形成され
たＳｉ（１００）単結晶基板（以下、単にＳｉ基板とい
う）２を有し、Ｓｉ基板２上に、酸化シリコン層／酸化
ジルコニウム層／チタン酸バリウム層からなるバッファ
層３、白金からなる下地電極４、ＰＺＴからなる強誘電
性・圧電性薄膜５およびＡｕからなる上部電極６１、６
２をこの順で有する。

【００１０】ダイヤフラム１は、Ｓｉ基板２を図中下面
側からエッチングすることにより形成したものであり、
厚さは２０μmである。

【００１１】強誘電性・圧電性薄膜５は、フォトリソグ
ラフィー技術により部分的にエッチングしてある。エッ
チングした領域は、ダイヤフラム１上を除く領域の一部
である。強誘電性・圧電性薄膜５の厚さは０．７μmで
あり、エッチング領域では０．６μmである。上部電極
６１は、エッチング領域上に存在し、上部電極６２は、
ダイヤフラム１上に存在する。強誘電性・圧電性薄膜５
は、多元蒸着法により形成したが、ＭＢＥ法やＲＦマグ
ネトロンスパッタ法などによって形成することもでき
る。この強誘電性・圧電性薄膜５が、後述するエピタキ
シャル膜であることは、ＲＨＥＥＤにより確認した。Ｘ
線回折による分析では、この薄膜は９０°ドメインが形
成された（００１）配向膜であり、ピーク強度比は、
（１００）／（００１）＝０．９８であった。また、蛍
光Ｘ線による組成分析の結果、膜中の原子比はＺｒ：Ｔ
ｉ＝２３．８：７６．２であった。

【００１２】このＶＣＯにおいて、強誘電性・圧電性薄
膜５のエッチングされた領域と、これを挟む下地電極４
および上部電極６１とが、可変容量素子を構成する。ま
た、ダイヤフラム１上の強誘電性・圧電性薄膜５と、こ
れを挟む下地電極４および上部電極６２とが、圧電バル
ク振動素子を構成する。両素子において強誘電性・圧電
性薄膜５の厚さが異なるのは、それぞれの素子に最適化
したためである。なお、上部電極６１の寸法は１４μm
角であり、上部電極６２の寸法は１５μm角である。ま
た、上部電極６１は、圧電バルク振動素子のインピーダ
ンス特性への影響がないように、上部電極６２の端から
約２００μm離れた位置に設けてある。

【００１３】可変容量素子の誘電率をウエハープローバ
で測定したところ、約２４０ε₀であった。ここで、ε₀
は真空の誘電率である。

【００１４】なお、図１に示すＳｉ基板２ならびにその
上の薄膜および電極は、Ｓｉウエハをエッチングしてダ
イヤフラムを形成し、Ｓｉウエハ上に電極および薄膜を
形成した後、ダイシング装置を用いてチップに分割する
ことにより作製した。

【００１５】Ｓｉ基板２の下面は、ダイボンド剤１０に
よりパッケージ１１の底面に接着され、パッケージ１１
の上部は蓋１３により封止されている。パッケージ１１
内には、外部と連絡する外部接続端子Ａ、Ｂ、Ｃが存在
し、これらは、ワイヤ１２を介して上部電極６１、下地
電極４、上部電極６２とそれぞれ電気的に接続して、可
変容量素子と圧電バルク振動素子とを直列に接続してい
る。図４に、このＶＣＯの動作を説明するための電気的
等価回路を示す。図４において、可変容量素子２０２と
発振素子（圧電バルク振動素子）２０１とは直列に接続
されている。図４に示すＡ、Ｂ、Ｃは、図１に示す外部
接続端子Ａ、Ｂ、Ｃに対応する。

【００１６】このＶＣＯにおいて、パッケージ１１の外
部端子を利用し、Sawyer-Tower法に基づいて、可変容量
素子の上部電極６１と下地電極４との間に最大振幅５V
程度の低周波電圧を印加したところ、図２に示す蓄積電
荷量の履歴曲線１４が得られた。図２から、この場合の
飽和電圧が約４Vであることがわかる。また、この履歴
曲線１４の傾きから、図３に示す容量の印加電圧依存性
曲線１５を得た。図３の縦軸は、印加電圧が零のときの
容量で規格化してある。この可変容量素子は、低周波電
圧や直流電圧を印加した後でも、履歴曲線や容量の経時
変化が小さく、可変容量素子として十分に実用に耐える
ことが判明した。

【００１７】図４を用いて、このＶＣＯの動作を説明す
る。能動回路２００は、負性抵抗−Ｒｃと容量リアクタ
ンスＸｃとをもち、発振素子２０１はインピーダンスＲ
ｅ（ｗ）＋ｊＸｅ（ｗ）をもち、可変容量素子２０２は
インピーダンスＲ（Ｖ）＋ｊＸ（Ｖ）をもつとしてあ
る。ここでＶは、可変容量素子２０２に印加する電圧を
表す。このＶＣＯ回路の発振条件は、Ｒ（Ｖ）＋Ｒｅ
（ｗ）＜｜Ｒｃ｜およびＸｅ（ｗ）＋Ｘ（Ｖ）＝Ｘｃで
あることが知られており、また、高周波帯で使用可能な
能動回路のＸｃは、一般的に３０〜１００Ω程度の値を
もつことも知られている。

【００１８】第１実施例における可変容量素子の飽和電
圧である４Vを図４のＡＢ間に印加したときのＡＣ間に
おけるインピーダンスの共振特性を、図５に示す。図
中、インピーダンスの実数部、虚数部、絶対値をそれぞ
れ、曲線２３、２４、２５で示す。本実施例では、強誘
電性・圧電性薄膜５がエピタキシャル膜なので、可変容
量素子の損失が極めて小さくなり、その結果、共振周波
数近傍におけるインピーダンスの実数部が数オーム以下
となり、発振条件の一部であるＲ（Ｖ）＋Ｒｅ（ｗ）＜
｜Ｒｃ｜を十分に満たしている。

【００１９】図６に、図４のＡＢ間の印加電圧（制御電
圧）を変化させたときの、ＡＣ間におけるインピーダン
スの絶対値および虚数部の変化を示す。同図において、
曲線２６、２７、２８は、制御電圧がそれぞれ３．５
V、１．３V、−０．５Vのときのインピーダンスの絶対
値を表し、曲線２９、３０、３１は、制御電圧がそれぞ
れ３．５V、１．３V、−０．５Vのときのインピーダン
スの虚数部を表す。なお、この測定は、飽和電圧である
４VをＡＢ間に印加した後に行った。能動回路のリアク
タンスＸｃを一般的な値である５０Ωに設定し、ＡＢ間
の制御電圧を３．５Vから−０．５Vまで変化させたと
き、発振条件を満たす周波数を図６から見積もると、
２．０４２GHzから２．０２０GHzまで変化することがわ
かる。これを規格化周波数可変幅に直すと、約１％とな
る。

【００２０】また、図４のＡＢ間に、可変容量素子のも
う一方の飽和電圧である−４Vを印加した後、能動回路
のリアクタンスＸｃを５０Ωと設定し、制御電圧を−
３．５V、−１．３V、＋０．５Vと変化させると、発振
条件を満たす周波数は２．０４２GHzから２．０２０GHz
まで変化した。この場合も、規格化周波数可変幅が約１
％となる。

【００２１】図１３に、位相同期ループの概念図を示
す。この位相同期ループは、位相差検出器（位相位相比
較器）１００、ループフィルタ１０１、増幅器１０２お
よびＶＣＯ１０３からなる。この位相同期ループを動作
させると、まず、ＶＣＯ１０３の入力電圧が零に設定さ
れた自走周波数で発振し、その後、入力信号の設定周波
数に引き込まれる。この実施例のＶＣＯを図１３に示す
ＶＣＯ１０３として用い、図４のＡＢ間に直流電圧５V
を印加してから位相同期ループを動作させると、増幅器
１０２からフィードバックされたＶＣＯへの入力電圧が
零で発振し始め、ＶＣＯの出力周波数は２．０４２GHz
となり、この周波数より低い周波数に設定した入力周波
数に自動的に引きこまれた。

【００２２】ここでは図４のＡＢ間に直流電圧を印加し
たが、強誘電性薄膜の自発分極が追随しない低周波電圧
を印加してもよい。また、制御電圧を印加する前にＡＢ
間に印加する電圧は、蓄積電荷量の履歴曲線における飽
和電圧以上の電圧であればよい。飽和電圧以上の電圧を
印加すれば、図２に示すような定まった履歴曲線を利用
できるので、制御電圧に対応する安定した発振周波数が
得られる。また、絶対値が飽和電圧以上であれば、ＡＢ
間に印加する電圧はマイナス側であってもよく、例え
ば、印加電圧を−５Vとしてもよい。なお、制御電圧
は、飽和電圧以下とする。

【００２３】また、ＡＢ間に前記飽和電圧を印加しなが
ら制御電圧を印加する構成としてもよい。この場合、Ａ
Ｂ間に飽和電圧を印加しながら、別の回路を用いてＡＢ
間に制御電圧を印加する。この場合、制御電圧は飽和電
圧に対し逆極性とし、ＡＢ間の電圧が飽和電圧を超えな
いようにする。この構成においても、制御電圧に対応す
る安定した発振周波数が得られる。

【００２４】位相同期ループでは、まず、ＶＣＯへの入
力電圧が零の自走周波数で発振するため、従来のＶＣＯ
を本発明のＶＣＯに単に置き換えた場合、可変容量素子
に電圧が印加されず、制御電圧に対応する安定した発振
周波数が得られない場合がある。しかし、上記したよう
にＡＢ間にいったん電圧を印加した後、制御電圧を印加
するか、電圧を印加しながら制御電圧を印加することに
より、正確な動作が可能となる。

【００２５】また、本発明のＶＣＯを位相同期ループに
適用する場合、位相同期ループを動作させるときの入力
設定周波数を、可変容量素子に上記飽和電圧を印加した
ときの発振周波数と一致させる構成としてもよい。この
場合には、上記飽和電圧に相当する電圧が可変容量素子
に自動的に印加されるため、正確な動作が可能となる。
そして、その後に、入力設定周波数を所望の値に設定す
ればよい。

【００２６】上記したように、本発明では発振素子に可
変容量素子を接続し、図４のＡＢ間に制御電圧を印加す
ることによりＡＣ間のインピーダンスを変化させて、発
振周波数を変更可能とする。本発明のＶＣＯには、携帯
電話等で利用されている５V以下程度の低電圧を制御電
圧として用い、２GHz前後の高周波域において規格化周
波数可変幅１％程度以上を実現できることが要求され
る。そこで、このような要求を満足するために可変容量
素子に必要とされる特性について考察する。

【００２７】前述したように図６には、図４のＡＢ間の
制御電圧を変化させたときのＡＣ間のインピーダンス変
化を示してある。図６において、曲線２９、３０、３１
は、制御電圧がそれぞれ３．５V、１．３V、−０．５V
のときのインピーダンス虚数部の周波数応答を表す。図
６に示されるように、同一周波数で比較したとき、イン
ピーダンス虚数部は制御電圧が増大するにしたがって低
下する。可変容量素子を接続しない状態での周波数応答
曲線を基準にすると、制御電圧の増大に伴って周波数応
答曲線は図中垂直方向にほぼ平行に移動する。そして、
この平行移動によるインピーダンス虚数部の低下の度合
いは、可変容量素子の強誘電性薄膜または反強誘電性薄
膜の特性に依存する。具体的には、図３に示される電圧
−規格化容量曲線に固有のものとなる。この電圧−規格
化容量曲線は、薄膜の組成、結晶性、厚さなどに依存す
る。

【００２８】図１４に、インピーダンス虚数部の周波数
応答曲線を模式的に示す。曲線３０１は、可変容量素子
を接続しない場合であり、本明細書ではこれを基準曲線
という。曲線３０２は制御電圧−０．５Vの場合であ
り、基準曲線からの平行移動量（低下量）はｄ_-0.5Ωで
ある。曲線３０３は制御電圧３．５Vの場合であり、基
準曲線からの平行移動量（低下量）はｄ_3.5Ωである。
可変容量素子における制御電圧を−０．５〜３．５Vの
間で変化させることによる規格化周波数可変幅は、（λ
max−λmin）／λmaxで表される。発振周波数は、能動
回路のリアクタンスＸｃと等しいインピーダンス値に対
応する周波数なので、ここでは、インピーダンス虚数部
が５０Ω（能動回路のＸｃの一般的な値）となる周波数
を採用する。したがって、λminは曲線３０２において
５０Ωに対応する周波数であり、λmaxは曲線３０３に
おいて５０Ωに対応する周波数である。２GHz程度の高
周波域ではλmax−λminに対しλmaxが著しく大きいた
め、規格化周波数可変幅は実質的にλmax−λminの大き
さで決定されることになる。

【００２９】図１４において、ｄ_3.5−ｄ_-0.5をｄ_-0.5
で規格化した値、すなわち（ｄ_3.5−ｄ_-0.5）／ｄ_-0.5
を、本明細書ではインピーダンス虚数部の規格化変化幅
と呼ぶ。（ｄ_3.5−ｄ_-0.5）／ｄ_-0.5は、λmax−λmin
と密接に相関する値である。特定の強誘電性薄膜または
反強誘電性薄膜を備える可変容量素子を接続した場合、
ｄ_3.5およびｄ_-0.5は可変容量素子の電極面積に依存し
て変化するが、（ｄ_3.5−ｄ_-0.5）／ｄ_-0.5は電極面積
によらず一定となる。（ｄ_3.5−ｄ_-0.5）／ｄ_-0.5が一
定である場合、可変容量素子の電極面積が小さいほどｄ
_3.5およびｄ_-0.5は大きくなる。インピーダンス応答曲
線が直線であれば、（ｄ_3.5−ｄ_-0.5）／ｄ_- _0. ₅が一定
の条件下でｄ_3.5およびｄ_-0.5が増大すると、λmaxおよ
びλminが高周波側に移動すると共にλmax−λminが大
きくなって規格化周波数可変幅が大きくなるが、実際に
はインピーダンス応答曲線は高周波側ほど傾きが増大す
る。このため、可変容量素子の電極面積がある程度小さ
くなると、λmax−λminは減少に向かうことになる。一
方、電極面積が大きくなるほどｄ_3.5およびｄ_-0.5は小
さくなる。（ｄ_3.5−ｄ_-0.5）／ｄ_-0.5が一定の条件下
でｄ_3.5およびｄ_-0.5が減少すると、λmaxおよびλmin
が低周波側に移動すると共にλmax−λminが小さくなっ
て規格化周波数可変幅が小さくなる。

【００３０】したがって、可変容量素子の電極面積を適
宜選択することにより、最大の規格化周波数可変幅が得
られることになる。例えば、１４μm角の電極を設けた
場合、ｄ_3.5＝１９９Ω、ｄ_-0.5＝１０９Ω、（ｄ_3.5−ｄ_-0.5）／ｄ_-0.5＝０．８２、 λmax＝２．０４２GHz、 λmin＝２．０２０GHz、規格化周波数可変幅＝１．０９％となる。これに対し、１０μm角の電極を設けた場合、ｄ_3.5＝３９２Ω、ｄ_-0.5＝２１５Ω、（ｄ_3.5−ｄ_-0.5）／ｄ_-0.5＝０．８２、 λmax＝２．０６３GHz、 λmin＝２．０４５GHz、規格化周波数可変幅＝０．８８％となる。また、３０μm角の電極を設けた場合、ｄ_3.5＝４３．７Ω、ｄ_-0.5＝２３．９Ω、（ｄ_3.5−ｄ_-0.5）／ｄ_-0.5＝０．８２、 λmax＝１．９８９GHz、 λmin＝１．９７８GHz、規格化周波数可変幅＝０．５６％となる。すなわち、上記３例の中では、１４μm角の電
極を設けた場合以外は、１％以上の規格化周波数可変幅
を得ることはできない。

【００３１】なお、（ｄ_3.5−ｄ_-0.5）／ｄ_-0.5は、可
変容量素子の強誘電性薄膜または反強誘電性薄膜の特性
によって決定され、また、最大の規格化周波数可変幅が
得られる電極面積は（ｄ_3.5−ｄ_-0.5）／ｄ_-0.5の値に
対応して変化するため、制御電圧−０．５〜３．５Vの
ときに最大の規格化周波数可変幅を与える電極面積は、
可変容量素子の強誘電性薄膜または反強誘電性薄膜の特
性に応じて求めればよい。ただし、（ｄ_3.5−ｄ_-0.5）
／ｄ_-0.5が小さすぎると、適切な電極面積を選んでもλ
max−λminを大きくすることが難しくなる。具体的に
は、圧電材料としてＰＺＴエピタキシャル膜またはＫＮ
ｂＯ₃単結晶を用いた発振素子（弾性表面波共振器また
は圧電バルク振動素子）と同等のインピーダンス特性を
有する発振素子において、制御電圧を−０．５〜３．５
Vとしたときに規格化周波数可変幅を１％以上とするた
めには、（ｄ_3.5−ｄ_-0.5）／ｄ_-0.5が０．７６以上で
あることが好ましい。一方、（ｄ_3.5−ｄ_-0.5）／ｄ
_-0.5が大きすぎると、周波数応答曲線の傾きが大きくな
る周波数領域を使うことになり、この周波数領域ではイ
ンピーダンスの実数部が増大して発振条件Ｒ（Ｖ）＋Ｒ
ｅ（ｗ）＜｜Ｒｃ｜を満たせなくなる。したがって、
（ｄ_3.5−ｄ_-0.5）／ｄ_-0.5の値は、上記発振条件を満
足する周波数領域において所望の規格化周波数可変幅が
得られるものであればよい。例えば、ここで例示する発
振素子を用いた場合に規格化周波数可変幅を１％以上と
するためには、（ｄ_3.5−ｄ_-0.5）／ｄ_-0.5が１．３５
以下であることが好ましい。

【００３２】さらに、上記した動作原理から、インピー
ダンス虚数部の周波数応答曲線の傾きが小さいほど、規
格化周波数可変幅を大きくできることがわかる。周波数
応答曲線の傾きは、発振素子の圧電性材料の電気機械結
合係数ｋ²に反比例する。圧電性材料のｋ²は、薄膜では
ＰＺＴエピタキシャル膜が最大であり、単結晶ではＫＮ
ｂＯ₃が最大である。したがって、これらの圧電性材料
を用いることにより、規格化周波数可変幅を大きくする
ことができる。

【００３３】第２実施例図７に、発振素子として弾性表面波共振器を利用したＶ
ＣＯの実施例を示す。

【００３４】このＶＣＯは、Ｓｉ基板２を有し、Ｓｉ基
板２上に、酸化シリコン層／酸化ジルコニウム層／チタ
ン酸バリウム層からなるバッファ層３、白金からなる下
地電極４およびＰＺＴからなる強誘電性・圧電性薄膜５
１、５２を有する。強誘電性・圧電性薄膜５１、５２
は、厚さが異なる。強誘電性・圧電性薄膜５１上には、
Ａｕからなる上部電極６１が設けられ、強誘電性・圧電
性薄膜５２上には、それぞれＡｌからなる櫛形電極６３
およびストリップ反射器（図示せず）が設けられてい
る。

【００３５】強誘電性・圧電性薄膜５１、５２は、第１
実施例と同様にして形成した強誘電性・圧電性薄膜を、
フォトリソグラフィー技術によりエッチングすることに
より形成した。強誘電性・圧電性薄膜５１の厚さは０．
６μmであり、強誘電性・圧電性薄膜５２の厚さは０．
７μmである。

【００３６】このＶＣＯにおいて、強誘電性・圧電性薄
膜５１と、これを挟む下地電極４および上部電極６１と
が、可変容量素子を構成する。また、強誘電性・圧電性
薄膜５２と、これを挟む下地電極４および櫛形電極６
３、ストリップ反射器とが、弾性表面波共振器を構成す
る。両素子において強誘電性・圧電性薄膜の厚さが異な
るのは、それぞれの素子に最適化したためである。ま
た、両素子において強誘電性・圧電性薄膜を独立させた
のは、互いへの影響を抑えるためである。上部電極６１
の寸法は、３５μm角であり、開口長１５μmをもつ櫛形
電極６３とストリップ反射器とにおいて、線幅は０．４
μmである。櫛形電極６３の対数は３０、ストリップ反
射器の本数は１００とした。櫛形電極６３とストリップ
反射器との距離は、中心間距離で０．８μmとした。櫛
形電極６３およびストリップ反射器は、弾性表面波の伝
搬方向が図７を垂直に貫くように、かつ、上部電極６１
との中心間距離が２００μmとなるように配置し、上部
電極６１による弾性表面波共振器のインピーダンス特性
への影響がないように配慮した。

【００３７】なお、図７に示すＳｉ基板２ならびにその
上の薄膜および電極は、Ｓｉウエハ上に電極および薄膜
を形成した後、ダイシング装置を用いてチップに分割す
ることにより作製した。

【００３８】Ｓｉ基板２の下面は、ダイボンド剤１０に
よりパッケージ１１の底面に接着され、パッケージ１１
の上部は蓋１３により封止されている。パッケージ１１
内には、外部と連絡する外部接続端子Ａ、Ｂ、Ｃが存在
し、これらは、ワイヤ１２を介して上部電極６１、下地
電極４、櫛形電極６３の出力電極パッドとそれぞれ電気
的に接続している。また、櫛形電極６３の入力電極パッ
ドは、ワイヤ１２を介して下地電極４に接続している。
このＶＣＯにおいても、可変容量素子と発振素子である
弾性表面波共振器とは、直列に接続されている。

【００３９】このＶＣＯの可変容量素子について、第１
実施例と同様にして蓄積電荷量の履歴曲線を得、これか
ら飽和電圧を求めたところ、４Vであった。この可変容
量素子においても、図３に示すような容量の印加電圧依
存性が存在する。

【００４０】したがって、可変容量素子と弾性表面波共
振器とを直列接続したＶＣＯの動作は、図４を用いて説
明した第１実施例の動作と同じとなる。そこで、可変容
量素子にその飽和電圧である４Vを印加した後、印加電
圧（制御電圧）を３．５Vまたは−０．５Vに設定して、
ＶＣＯのＡＣ間におけるインピーダンスの絶対値および
虚数部を測定した。結果を図８に示す。図８において、
曲線４４、４５は、印加電圧がそれぞれ３．５V、−
０．５Vのときのインピーダンスの絶対値を表し、曲線
４６、４７は、印加電圧がそれぞれ３．５V、−０．５V
のときのインピーダンスの虚数部を表す。

【００４１】ここで、図４における能動回路のリアクタ
ンスＸｃを一般的な値である５０Ωに設定し、印加電圧
を３．５Vから−０．５Vまで変化させたとき、発振条件
を満たす周波数を図８から見積もると、規格化周波数可
変幅が約１％となることがわかる。

【００４２】第３実施例図９（Ｅ）に、発振素子として圧電バルク振動素子を用
いたＶＣＯの実施例を示す。

【００４３】このＶＣＯは、ダイヤフラム１が形成され
たＳｉ基板２を有し、Ｓｉ基板２上に、酸化シリコン層
／酸化ジルコニウム層／チタン酸バリウム層からなるバ
ッファ層３、白金からなる下地電極４をこの順で有し、
下地電極４上に、ＰｂＺｒＯ₃からなる反強誘電性薄膜
５３およびその上の上部電極６１と、ＰＺＴからなる強
誘電性・圧電性薄膜５およびその上の上部電極６２と
を、それぞれ有する。ダイヤフラム１および強誘電性・
圧電性薄膜５は、第１実施例と同様にして形成したもの
である。

【００４４】強誘電性・圧電性薄膜５および上部電極６
２は、ダイヤフラム１上に存在し、下地電極４とあわせ
て圧電バルク振動素子を構成する。一方、反強誘電性薄
膜５３および上部電極６１は、ダイヤフラム１上を除く
領域の一部に形成され、下地電極４とあわせて可変容量
素子を構成する。上部電極６１は３０μm角であり、上
部電極６２は１５μm角である。上部電極６１は、圧電
バルク振動素子のインピーダンス特性への影響がないよ
うに、上部電極６２の端から２００μm離れた位置に設
けてある。

【００４５】ここで、両素子の製造プロセスを、図９
（Ａ）〜図９（Ｄ）により説明する。まず、ダイヤフラ
ム１を形成したＳｉ基板２上に、バッファ層３、下地電
極４および強誘電性・圧電性薄膜５を第１実施例と同様
にして形成する。次いで、強誘電性・圧電性薄膜５上
に、エッチング可能な誘電体薄膜５４を形成する［図９
（Ａ）］。続いて、誘電体薄膜５４および強誘電性・圧
電性薄膜５を、圧電バルク振動素子となる領域を除い
て、フォトリソグラフィー技術により除去する［図９
（Ｂ）］。次いで、除去により現れた下地電極４上に、
厚さ約０．６μmの反強誘電性薄膜５３を形成する［図
９（Ｃ）］。次に、強誘電性・圧電性薄膜５上に残って
いる誘電体薄膜５４をエッチングにより除去した後、反
強誘電性薄膜５３上に上部電極６１を、強誘電性・圧電
性薄膜５上に上部電極６２をそれぞれ形成する［図９
（Ｄ）］。

【００４６】図９（Ｅ）において、Ｓｉ基板２の下面
は、ダイボンド剤１０によりパッケージ１１の底面に接
着され、パッケージ１１の上部は蓋１３により封止され
ている。パッケージ１１内には、外部と連絡する外部接
続端子Ａ、Ｂ、Ｃが存在し、これらは、ワイヤ１２を介
して上部電極６１、下地電極４、上部電極６２とそれぞ
れ電気的に接続している。このＶＣＯにおいても、可変
容量素子と発振素子である圧電バルク振動素子とは、直
列に接続されている。

【００４７】このＶＣＯにおいて、パッケージ１１の外
部端子を利用し、Sawyer-Tower法に基づいて、可変容量
素子の上部電極６１と下地電極４との間に最大振幅５V
程度の低周波電圧を印加したところ、図１０に示す蓄積
電荷量の履歴曲線１４が得られた。この履歴曲線は、二
重ヒステリシス曲線となっている。また、この履歴曲線
１４の傾きから、容量の印加電圧依存性曲線を得た。こ
の可変容量素子は、低周波電圧や直流電圧を印加した後
でも、履歴曲線や容量の経時変化が小さく、十分に実用
に耐えることが判明した。

【００４８】このＶＣＯの動作は、図４を用いて説明し
た第１実施例の動作と同じとなる。このＶＣＯの圧電バ
ルク振動素子は、第１実施例と同一である。このＶＣＯ
において、可変容量素子にその飽和電圧である５Vを印
加した後、印加電圧（制御電圧）を５Vから２．５Vまで
変化させてＶＣＯのＡＣ間におけるインピーダンスの絶
対値と虚数部を測定すると、図８と同様な結果が得られ
た。図４に示す能動回路のリアクタンスＸｃを一般的な
値である５０Ωに設定して、発振条件を満たす周波数を
図８から見積もると、規格化周波数可変幅が約１％とな
ることがわかる。

【００４９】なお、強誘電性・圧電性薄膜５として、２
重ヒステリシス曲線をもつ強誘電体であるＢａＴｉＯ₃
薄膜を用いた場合でも、可変容量素子として同様な機能
が得られる。

【００５０】上記第１、第２および第３実施例では、小
型化および製造工程の簡略化を考慮して、１枚のＳｉ基
板を可変容量素子と発振素子との両方で利用している
が、各素子を別々のＳｉ基板上に形成してもよい。ま
た、下地電極も両素子で共通であるが、下地電極を素子
ごとに独立して設け、両素子をワイヤなどにより直列接
続する構成としてもよい。また、上記各実施例では、強
誘電性・圧電性薄膜をＰＺＴから構成したが、このほ
か、例えば特開平９−３２１３６２号公報に記載されて
いる、ｃ軸配向したＰｂ含有ペロブスカイト強誘電性薄
膜を用いることもできる。

【００５１】第１実施例および第３実施例では、ダイヤ
フラムの厚さを２０μmとしたが、機械的強度を保持で
きる範囲であれば、さらに薄くしてもよい。また、ダイ
ヤフラム上に圧電性薄膜を形成した後、ダイヤフラムを
裏面側からエッチングしてＳｉを完全に除去してもよ
い。

【００５２】第４実施例図１１に、発振素子として弾性表面波共振器を利用した
ＶＣＯの実施例を示す。

【００５３】このＶＣＯは、可変容量素子と、弾性表面
波共振器とを有し、これらがパッケージ１１内に並んで
配置されている。

【００５４】可変容量素子は、Ｓｉ基板２を有し、この
上に、酸化シリコン層／酸化ジルコニウム層／チタン酸
バリウム層からなるバッファ層３、白金からなる下地電
極４、ＰＺＴからなる強誘電性・圧電性薄膜５およびＡ
ｕからなる上部電極６１をこの順で有する。上部電極６
１の寸法は、３５μm角である。ダイヤフラム１および
強誘電性・圧電性薄膜５は、第１実施例と同様にして形
成した。

【００５５】弾性表面波共振器は、ＫＮｂＯ₃単結晶基
板２１を有し、この上に、櫛形電極６３およびストリッ
プ反射器（図示せず）を有する。櫛形電極６３の対数、
ストリップ反射器の本数および両者の中心間距離は、第
２実施例と同じである。

【００５６】Ｓｉ基板２とＫＮｂＯ₃単結晶基板２１と
は、ダイボンド剤１０によりパッケージ１１底面に接着
され、パッケージ１１の上部は蓋１３により封止されて
いる。パッケージ１１内には、外部と連絡する外部接続
端子Ａ、Ｂ、Ｃが存在し、これらは、ワイヤ１２を介し
て上部電極６１、下地電極４、櫛形電極６３の出力電極
パッドとそれぞれ電気的に接続している。また、櫛形電
極６３の入力電極パッドは、ワイヤ１２を介して下地電
極４に接続している。このＶＣＯにおいても、可変容量
素子と発振素子である弾性表面波共振器とは、直列に接
続されている。

【００５７】このＶＣＯにおいて、可変容量素子は第２
実施例における可変容量素子と同一である。したがっ
て、蓄積電荷量の履歴曲線および容量の印加電圧依存性
も同一である。また、可変容量素子と弾性表面波共振器
とを直列に接続したＶＣＯの動作は、図４を用いて説明
した第１実施例の動作と同じとなる。

【００５８】そこで、可変容量素子にその飽和電圧であ
る４Vを印加した後、印加電圧（制御電圧）を３．５V、
１．３V、−０．５Vに設定して、ＶＣＯのＡＣ間におけ
るインピーダンスの絶対値および虚数部を測定した。結
果を図１２に示す。図１２において、曲線８７、８８、
８９は、印加電圧がそれぞれ３．５V、１．３V、−０．
５Vのときのインピーダンスの絶対値を表し、曲線９
０、９１、９２は、印加電圧がそれぞれ３．５V、１．
３V、−０．５Vのときのインピーダンスの虚数部を表
す。

【００５９】ここで、図４における能動回路のリアクタ
ンスＸｃを一般的な値である５０Ωに設定し、印加電圧
を３．５Vから−０．５Vまで変化させたとき、発振条件
を満たす周波数を図１２から見積もると、規格化周波数
可変幅が約１．２％となることがわかる。

【００６０】可変容量素子の各部の構成次に、本発明のＶＣＯにおける可変容量素子の各部の構
成を、より詳細に説明する。

【００６１】基板本発明で用いる基板の材料は特に限定されないが、好ま
しくは単結晶を用いる。具体的には、例えば、マグネシ
ア、チタン酸ストロンチウム、サファイア、ジルコニ
ア、安定化ジルコニア、ニオブ酸リチウム、タンタル酸
リチウム等の絶縁体や、ガリウム砒素、シリコン等の半
導体などのいずれを用いてもよいが、好ましくはＳｉ単
結晶を用いる。特に、Ｓｉ単結晶の（１００）面が基板
表面となるように用いた場合、特性の優れた機能性エピ
タキシャル膜を形成できる。また、Ｓｉは半導体素子に
汎用されているため、本発明のＶＣＯを他の半導体素子
と複合化する場合にも好適である。また、他の半導体素
子と組み合わせて使用する場合でも、基板の熱膨張係数
が一致するので好ましい。例えばＭｇＯ基板の熱膨張係
数はＳｉと一桁異なるので、このような用途に不適当で
ある。また、Ｓｉは、比較的安価である。

【００６２】強誘電性薄膜、反強誘電性薄膜本発明のＶＣＯでは、ＩＭＴ２０００システム等の携帯
電話等で使用される数ボルト程度の電圧において、自発
分極変化による誘電率変化を利用して可変容量素子を動
作させるために、強誘電体および反強誘電体として薄膜
を用いる。例えば、バルク単結晶を用いる場合、加工技
術の限度から厚さが２００μm以上となるため、数ボル
ト程度の電圧では自発分極変化による誘電率変化は利用
できない。本発明において可変容量素子に用いる強誘電
性薄膜および反強誘電性薄膜の厚さは、数ボルト程度の
電圧を印加したときに自発分極変化による誘電率変化が
利用できるように、すなわち、例えば前記飽和電圧が１
〜９V程度となるように適宜設定すればよいが、通常、
０．１〜２０μmとすることが好ましい。

【００６３】本発明において、少なくとも可変容量素子
に用いる強誘電性薄膜および反強誘電性薄膜は、以下に
説明するエピタキシャル膜であることが好ましい。Jpn.
J.Appl. Phys. Vol. 36 (1997) pp.6069-6072に記載さ
れているように、従来の強誘電性薄膜、例えば、ゾルゲ
ル法で作製したＰＺＴ薄膜は、直流電圧あるいは低周波
電圧印加後の誘電率や圧電特性が、印加電圧の大きさに
よって異なり、再現性に問題があるが、以下に説明する
エピタキシャル膜では、前記実施例に示されるように、
誘電率や圧電特性が直流電圧あるいは低周波電圧印加に
よって影響を受けず、良好な再現性が得られる。

【００６４】以下、エピタキシャル膜である強誘電性薄
膜および反強誘電性薄膜を、機能性エピタキシャル膜と
総称する。

【００６５】機能性エピタキシャル膜に用いる材料は特
に限定されず、強誘電性または反強誘電性を有するもの
から適宜選択すればよいが、例えば以下の材料が好適で
ある。

【００６６】（Ａ）ペロブスカイト型材料：ＢａＴｉＯ
₃；ＰｂＴｉＯ₃、希土類元素含有チタン酸鉛、ＰＺＴ
（ジルコンチタン酸鉛）、ＰＬＺＴ（ジルコンチタン酸
ランタン鉛）等のＰｂ系ペロブスカイト化合物；Ｂｉ系
ペロブスカイト化合物など。以上のような単純、複合、
層状の各種ペロブスカイト化合物。

【００６７】（Ｂ）タングステンブロンズ型材料：ＳＢ
Ｎ（ニオブ酸ストロンチウムバリウム）、ＰＢＮ（ニオ
ブ酸鉛バリウム）等のタングステンブロンズ型酸化物な
ど。

【００６８】（Ｃ）ＹＭｎＯ₃系材料：希土類元素（Ｓ
ｃおよびＹを含む）とＭｎとＯとを含み、六方晶系ＹＭ
ｎＯ₃構造をもつ酸化物など。例えば、ＹＭｎＯ₃、Ｈｏ
ＭｎＯ₃等。

【００６９】以下、これらの材料について、より詳細に
説明する。

【００７０】ペロブスカイト型材料のうち、ＢａＴｉＯ
₃やＰｂ含有ペロブスカイト化合物などは、一般に式Ａ
ＢＯ₃で表される。ここで、ＡおよびＢは各々陽イオン
を表す。ＡはＣａ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｐｂ、Ｋ、Ｎａ、Ｌ
ｉ、ＬａおよびＣｄから選ばれた１種以上であることが
好ましく、ＢはＴｉ、Ｚｒ、ＴａおよびＮｂから選ばれ
た１種以上であることが好ましい。

【００７１】こうしたペロブスカイト型化合物における
原子比Ａ／Ｂは、好ましくは０．８〜１．３であり、よ
り好ましくは０．９〜１．２である。

【００７２】Ａ／Ｂをこのような範囲にすることによっ
て、誘電体の絶縁性を確保することができ、また結晶性
を改善することが可能になるため、誘電体特性または強
誘電特性を改善することができる。これに対し、Ａ／Ｂ
が０．８未満では結晶性の改善効果が望めなくなり、ま
たＡ／Ｂが１．３をこえると均質な薄膜の形成が困難に
なってしまう。

【００７３】このようなＡ／Ｂは、成膜条件を制御する
ことによって実現する。また、ＡＢＯ₃におけるＯの比
率は、３に限定されるものではない。ペロブスカイト材
料によっては、酸素欠陥または酸素過剰で安定したペロ
ブスカイト構造を組むものがあるので、ＡＢＯ_xにおい
て、ｘの値は、通常、２．７〜３．３程度である。な
お、Ａ／Ｂは、蛍光Ｘ線分析法から求めることができ
る。

【００７４】本発明で用いるＡＢＯ₃型のペロブスカイ
ト化合物としては、Ａ¹⁺Ｂ⁵⁺Ｏ₃、Ａ²⁺Ｂ⁴⁺Ｏ₃、Ａ³⁺Ｂ
³⁺Ｏ₃、Ａ_XＢＯ₃、Ａ（Ｂ′_0.67Ｂ″_0.33）Ｏ₃、Ａ
（Ｂ′_0.3 ₃Ｂ″_0.67）Ｏ₃、Ａ（Ｂ_0.5 ⁺³Ｂ_0.5 ⁺⁵）Ｏ₃、
Ａ（Ｂ_0.5 ²⁺Ｂ_0.5 ⁶⁺）Ｏ₃、Ａ（Ｂ_0.5 ¹⁺Ｂ_0.5 ⁷⁺）Ｏ₃、
Ａ³⁺（Ｂ_0.5 ²⁺Ｂ_0.5 ⁴⁺）Ｏ₃、Ａ（Ｂ_0.25 ¹⁺Ｂ_0.75 ⁵⁺）
Ｏ₃、Ａ（Ｂ_0.5 ³⁺Ｂ_0.5 ⁴⁺）Ｏ_2.75、Ａ（Ｂ_0.5 ²⁺Ｂ_0.5
⁵⁺）Ｏ_2.75等のいずれであってもよい。

【００７５】具体的には、ＰＺＴ、ＰＬＺＴ等のＰｂ系
ペロブスカイト化合物、ＣａＴｉＯ₃、ＢａＴｉＯ₃、Ｐ
ｂＴｉＯ₃、ＫＴａＯ₃、ＢｉＦｅＯ₃、ＮａＴａＯ₃、Ｓ
ｒＴｉＯ₃、ＣｄＴｉＯ₃、ＫＮｂＯ₃、ＬｉＮｂＯ₃、Ｌ
ｉＴａＯ₃、およびこれらの固溶体等である。

【００７６】なお、上記ＰＺＴは、ＰｂＺｒＯ₃−Ｐｂ
ＴｉＯ₃系の固溶体である。また、上記ＰＬＺＴは、Ｐ
ＺＴにＬａがドープされた化合物であり、ＡＢＯ₃の表
記に従えば、（Ｐｂ_0.89〜_0.91Ｌａ_0.11〜_0.09）（Ｚｒ
_0.65Ｔｉ_0.35）Ｏ₃で示される。

【００７７】また、層状ペロブスカイト化合物のうちＢ
ｉ系層状化合物は、一般に式Ｂｉ₂Ａ_m-1Ｂ_mＯ_3m+3 で表わされる。上記式において、ｍは１〜５の整数、Ａ
は、Ｂｉ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｐｂ、Ｎａ、Ｋおよび希
土類元素（ＳｃおよびＹを含む）のいずれかであり、Ｂ
は、Ｔｉ、ＴａおよびＮｂのいずれかである。具体的に
は、Ｂｉ₄Ｔｉ₃Ｏ₁₂、ＳｒＢｉ₂Ｔａ₂Ｏ₉、ＳｒＢｉ₂Ｎ
ｂ₂Ｏ₉などが挙げられる。本発明では、これらの化合物
のいずれを用いてもよく、これらの固溶体を用いてもよ
い。

【００７８】本発明に用いることが好ましいペロブスカ
イト型化合物は、チタン酸塩ないしチタン酸塩含有ペロ
ブスカイト型化合物、例えばＢａＴｉＯ₃、ＳｒＴｉ
Ｏ₃、ＰＬＺＴ、ＰＺＴ、ＣａＴｉＯ₃、ＰｂＴｉＯ
₃（チタン酸鉛）、希土類元素含有チタン酸鉛等であ
り、より好ましいものはＢａＴｉＯ₃、ＳｒＴｉＯ₃、Ｐ
ＺＴ、ＰｂＴｉＯ₃、希土類元素含有チタン酸鉛であ
り、特に好ましいものは、Ｒ（Ｒは、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｅ
ｕ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｙｂ、Ｙ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｅｒお
よびＬａから選択された少なくとも１種の希土類元
素）、Ｐｂ、ＴｉならびにＯを含有する希土類元素含有
チタン酸鉛である。

【００７９】このような希土類元素含有チタン酸鉛とし
ては、元素の構成比が（Ｐｂ＋Ｒ）／Ｔｉ＝０．８〜１．３、Ｐｂ／（Ｐｂ＋Ｒ）＝０．５〜０．９９の範囲にあるものが好ましい。この組成の希土類元素含
有チタン酸鉛は、特開平１０−１７３９４号公報に開示
されている。

【００８０】タングステンブロンズ型材料としては、強
誘電体材料集のLandolt-BoernsteinVol.16記載のタング
ステンブロンズ型材料が好ましい。具体的には、（Ｂ
ａ，Ｓｒ）Ｎｂ₂Ｏ₆、（Ｂａ，Ｐｂ）Ｎｂ₂Ｏ₆、ＰｂＮ
ｂ₂Ｏ₆、ＰｂＴａ₂Ｏ₆、ＢａＴａ₂Ｏ₆、ＰｂＮｂ
₄Ｏ₁₁、ＳｒＮｂ₂Ｏ₆、ＢａＮｂ₂Ｏ₆等やこれらの固溶
体が好ましく、特に、ＳＢＮ｛（Ｂａ，Ｓｒ）Ｎｂ
₂Ｏ₆｝やＰＢＮ｛（Ｂａ，Ｐｂ）Ｎｂ₂Ｏ₆｝が好まし
い。

【００８１】ＹＭｎＯ₃系材料は、化学式ＲＭｎＯ₃で表
せる。Ｒは希土類元素（ＳｃおよびＹを含む）から選ば
れた１種以上であることが好ましい。ＹＭｎＯ₃系材料
における原子比Ｒ／Ｍｎは、好ましくは０．８〜１．２
であり、より好ましくは０．９〜１．１である。このよ
うな範囲にすることにより、絶縁性を確保することがで
き、また結晶性を改善することが可能になるため、強誘
電特性を改善することができる。これに対し、原子比Ｒ
／Ｍｎが０．８未満または１．２を超える範囲では、結
晶性が低下する傾向がある。また特に、原子比Ｒ／Ｍｎ
が１．２を超える範囲では、強誘電性が得られず、常誘
電的特性になる傾向があり、分極を利用した素子への応
用が不可能になってくることがある。このような範囲の
Ｒ／Ｍｎは、成膜条件を制御することによって実現でき
る。なお、Ｒ／Ｍｎは、蛍光Ｘ線分析により求めること
ができる。ＹＭｎＯ₃系材料の比誘電率は、バルクで１
０〜５０程度、薄膜で１０〜１００程度である。

【００８２】本発明に用いることが好ましいＹＭｎＯ₃
系材料は、結晶構造が六方晶系のものである。

【００８３】ＹＭｎＯ₃系材料は、六方晶系の結晶構造
を持つものと斜方晶系の結晶構造を持つものとが存在す
る。強誘電性を得るためには、六方晶系の結晶材料とす
る必要がある。具体的には、組成が実質的にＹＭｎ
Ｏ₃、ＨｏＭｎＯ₃、ＥｒＭｎＯ₃、ＹｂＭｎＯ₃、ＴｍＭ
ｎＯ₃、ＬｕＭｎＯ₃であるものか、これらの固溶体など
である。

【００８４】機能性エピタキシャル膜は、ペロブスカイ
ト結晶構造を有し、少なくとも（００１）配向を有する
ことが好ましい。（００１）配向では、＜００１＞軸が
機能性エピタキシャル膜の面内方向に垂直であり、ペロ
ブスカイト系の結晶構造を持つＰｂＴｉＯ₃系材料の多
くは強誘電性が＜００１＞軸で得られるので、（００
１）面が膜面内に平行である（００１）単一配向膜であ
ることがより好ましい。

【００８５】なお、本明細書における単一配向膜とは、
基板表面と平行に目的とする結晶面がそろっている結晶
化膜のことを意味する。具体的には、例えば、（００
１）単一配向膜、すなわちｃ面単一配向膜は、膜の２θ
−θＸ線回折において、（００Ｌ）面以外の反射強度が
（００Ｌ）面反射の最大ピーク強度の１０％以下、好ま
しくは５％以下のものである。なお、本明細書において
（００Ｌ）は、（００１）や（００２）などの等価な面
を総称する表示である。

【００８６】本明細書におけるエピタキシャル膜とは、
基板表面と平行に目的とする結晶面がそろっている結晶
化膜であって、膜面内をＸ−Ｙ面とし、膜厚方向をＺ軸
としたとき、結晶がＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向にともに
そろって配向しているものである。具体的には、第一
に、上記した単一配向膜である必要がある。第二に、Ｒ
ＨＥＥＤ評価でスポットまたはストリークパターンを示
す必要がある。これらの条件を満足すれば、エピタキシ
ャル膜といえる。なお、ＲＨＥＥＤとは、反射高速電子
線回折（Reflction High Energy Electron Diffractio
n）であり、ＲＨＥＥＤ評価は、膜面内における結晶軸
の配向の指標である。

【００８７】ただし、本発明では、（１００）面が膜面
内に平行となっている（１００）配向の結晶が（００
１）配向結晶に混在していてもよい。（１００）配向結
晶は９０°ドメインを形成することがあり、この場合、
自発分極をわずかに減少させるが、大きな障害にはなら
ない。また、９０°ドメインが形成されると、薄膜内の
応力が減少するので、強誘電体特性の向上に効果的であ
ることもある。Ｘ線回折におけるピーク強度比は、通
常、（１００）／（００１）が３以下であることが好ま
しい。

【００８８】なお、（００１）単一配向でなくても、混
在する結晶が（１００）配向である場合には、本明細書
において定義するエピタキシャル膜に包含されるものと
する。この場合のエピタキシャル膜とは、第一に、Ｘ線
回折による測定を行ったとき、目的とするふたつの面以
外のものの反射のピーク強度が目的とする面の最大ピー
ク強度の１０％以下、好ましくは５％以下である必要が
ある。具体的には、膜の２θ−θＸ線回折において、
（００Ｌ）面および（Ｈ００）面以外のピーク強度が、
（００Ｌ）面または（Ｈ００）面の最大ピーク強度の１
０％以下、好ましくは５％以下である。第二に、ＲＨＥ
ＥＤ評価でスポットまたはストリークパターンを示す必
要がある。これらの条件を満足すれば、本明細書におい
て定義するエピタキシャル膜であることとする。なお、
本明細書において（Ｈ００）は、（１００）や（２０
０）などの等価な面を総称する表示である。

【００８９】Ｓｉ（１００）基板を用いる場合の機能性
エピタキシャル膜とＳｉ（１００）基板との好ましい結
晶軸方位関係は、以下の通りである。なお、Ｓｉは立方
晶である。ペロブスカイト構造の機能性エピタキシャル
膜が（００１）単一配向である場合、ペロブスカイト
［１００］//Ｓｉ［０１０］である。また、機能性エピ
タキシャル膜が（００１）配向と（１００）配向とが混
在したものである場合、ペロブスカイト（００１）配向
結晶についてはペロブスカイト［１００］//Ｓｉ［０１
０］であり、ペロブスカイト（１００）配向結晶につい
てはペロブスカイト［００１］//Ｓｉ［０１０］であ
る。すなわち、機能性エピタキシャル膜とＳｉ基板と
は、面内に存在する軸同士も平行であることが好まし
い。

【００９０】バッファ層基板と機能性エピタキシャル膜との間には、前記実施例
に示すように、バッファ層を設けることが好ましい。ま
た、下地電極を設ける場合には、バッファ層は下地電極
と基板との間に設けることが好ましい。バッファ層は、
以下に説明する第１バッファ層および／または第２バッ
ファ層を含むことが好ましい。

【００９１】（第１バッファ層）第１バッファ層は、前
記した式ＡＢＯ₃で表されるペロブスカイト結晶構造を
有する。Ａとしては、Ｃａ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｐｂ、Ｋ、Ｎ
ａ、Ｌｉ、ＬａおよびＣｄの１種以上、特にＢａまたは
Ｓｒが好ましく、Ｂとしては、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａおよび
Ｎｂの１種以上、特にＴｉが好ましい。すなわち、第１
バッファ層は、チタン酸バリウムまたはチタン酸ストロ
ンチウムを主成分とすることが好ましい。

【００９２】第１バッファ層における原子比Ａ／Ｂは、
好ましくは０．８〜１．３、より好ましくは０．９〜
１．２である。Ａ／Ｂが０．８未満では結晶性の改善効
果が望めなくなり、またＡ／Ｂが１．３を超えると均質
な薄膜の形成が困難になってしまう。Ａ／Ｂの組成比
は、蛍光Ｘ線分析により求めることができる。ＡＢＯ₃
におけるＯの比率は、前記したように３に限らず、２．
７〜３．３の範囲にあればよい。

【００９３】第１バッファ層は、正方晶であるときは
（００１）単一配向、すなわち基板表面と平行にｃ面が
単一に配向したものであることが好ましく、立方晶であ
るときは（１００）単一配向、すなわち基板表面と平行
にａ面が単一に配向したものであることが好ましく、い
ずれの場合でもエピタキシャル膜であることがより好ま
しい。また、第１バッファ層とＳｉ（１００）基板との
結晶方位関係は、正方晶［１００］//Ｓｉ［０１０］ま
たは立方晶［０１０］//Ｓｉ［０１０］であることが好
ましい。すなわち、バッファ層と基板とは、面内におい
て軸同士が平行であることが好ましい。このような積層
構造は、さらにこの構造上に形成される下地電極や機能
性エピタキシャル膜の結晶性を向上させて、これらを単
一配向膜やエピタキシャル膜として形成するのに効果的
である。第１バッファ層は機能性エピタキシャル膜との
格子整合性が良好であるため、結晶性の高い機能性エピ
タキシャル膜が得られる。

【００９４】（第２バッファ層）第１バッファ層と第２
バッファ層とを設ける場合、第２バッファ層は、基板と
第１バッファ層との間に設ける。第２バッファ層は、以
下に説明する酸化ジルコニウム系薄膜から構成するか、
これと、以下に説明する希土類酸化物系薄膜とから構成
する。なお、両薄膜を設ける場合、希土類酸化物系薄膜
は、機能性エピタキシャル膜側に設けられる。

【００９５】酸化ジルコニウム系薄膜は、酸化ジルコニ
ウムを主成分とするか、希土類元素（ＳｃおよびＹを含
む）により安定化された酸化ジルコニウム（安定化ジル
コニア）を主成分とする。この薄膜を設けることによ
り、その上に設けられる第１バッファ層や機能性エピタ
キシャル膜の剥離を防止できる。また、この薄膜は、チ
タン酸バリウム等からなる第１バッファ層との格子整合
性がよいため、結果として結晶性の高い機能性エピタキ
シャル膜を形成できる。

【００９６】酸化ジルコニウムおよび安定化ジルコニア
は、Ｚｒ_1-xＲ_xＯ_2-δ（ＲはＳｃおよびＹを含む希土類
元素であり、ｘ＝０〜０．７５、δ＝０〜０．５であ
る）で表わされる組成のものが好ましい。ｘおよびδの
限定理由については、後述する。Ｒとしては、Ｐｒ、Ｃ
ｅ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、ＨｏおよびＥｒから選択
される少なくとも１種であることが好ましい。

【００９７】酸化ジルコニウム系薄膜は、単一の結晶配
向を有していることが望ましい。これは、複数の結晶面
を有する薄膜においては粒界が存在するため、その上の
第１バッファ層や機能性エピタキシャル膜のエピタキシ
ャル成長が不可能になるためである。具体的には、正方
晶または単斜晶であるときは（００１）単一配向、立方
晶であるときは（１００）単一配向であることが好まし
く、いずれの場合でもエピタキシャル膜であることがよ
り好ましい。このような良好な結晶性の酸化ジルコニウ
ム系薄膜が形成できれば、粒界による物理量の攪乱等が
なくなり、酸化ジルコニウム系薄膜上に良質の第１バッ
ファ層、下地電極および機能性エピタキシャル膜が得ら
れる。

【００９８】Ｓｉ（１００）基板表面に、第２バッファ
層（Ｚｒ_1-xＲ_xＯ_2-δ）および第１バッファ層（ＢａＴ
ｉＯ₃）が順次積層されているとき、これらの結晶方位
関係は、ＢａＴｉＯ₃（００１）//Ｚｒ_1-xＲ_xＯ_2-δ
（００１）//Ｓｉ（１００）、かつＢａＴｉＯ₃［１０
０］//Ｚｒ_1-xＲ_xＯ_2-δ［１００］//Ｓｉ［０１０］で
あることが好ましい。これは、第２バッファ層および第
１バッファ層がいずれも正方晶である場合であるが、こ
れらの薄膜が立方晶である場合でも、面内において軸同
士が平行であることが好ましいという点では同様であ
る。

【００９９】ＹＢＣＯなどの従来例からの類推では、
（００１）配向のＢａＴｉＯ₃エピタキシャル膜を得よ
うとすると、その結晶方位関係は、ＢａＴｉＯ₃（００
１）//Ｚｒ_1-xＲ_xＯ_2-δ（００１）//Ｓｉ（１００）、
かつＢａＴｉＯ₃［１１０］//Ｚｒ_1-xＲ_xＯ_2-δ［１０
０］//Ｓｉ［０１０］となり、ＢａＴｉＯ₃の単位格子
は、Ｚｒ_1-xＲ_xＯ_2-δの格子に対してｃ面内で４５°回
転して格子の整合がとれてエピタキシャル成長すると推
定される。しかし、本発明者らの実験によると、そのよ
うな結晶方位関係は構成困難であり、ＢａＴｉＯ₃（０
０１）//Ｚｒ_1-xＲ_xＯ_2-δ（００１）//Ｓｉ（１０
０）、かつＢａＴｉＯ₃［１００］//Ｚｒ_1-xＲ_xＯ_2-δ
［１００］//Ｓｉ［０１０］の関係でエピタキシャル成
長することを見いだした。Ｚｒ_1-xＲ_xＯ_2-δ膜のａ軸は
０．５２nmであり、ＢａＴｉＯ₃膜のａ軸は０．４０nm
であるので、４５°面内で回転して格子整合するＢａＴ
ｉＯ₃［１１０］//Ｚｒ_1-xＲ_xＯ_2-δ［１００］//Ｓｉ
［０１０］の関係では、ミスフィットが８．４％にな
る。これに対し、本発明者らによる実験において見いだ
されたＢａＴｉＯ₃［１００］//Ｚｒ_1-xＲ_xＯ_2-δ［１
００］//Ｓｉ［０１０］では、ＢａＴｉＯ₃結晶のａ面
とＺｒ_1-xＲ_xＯ_2-δ結晶のａ面とは回転せずにそのまま
整合し、この際、Ｚｒ_1-xＲ_xＯ_2-δ３格子（０．５２×
３＝１．５６［nm］）に対し、ＢａＴｉＯ₃４格子
（０．４０×４＝１．６０［nm］）が整合する。このと
き、ミスフィットは２．６％であり、よくマッチングす
る。このように、ＢａＴｉＯ₃［１００］//Ｚｒ_1-xＲ_x
Ｏ_2-δ［１００］//Ｓｉ［０１０］の関係を利用するこ
とにより、（００１）配向のエピタキシャルＢａＴｉＯ
₃膜、すなわち、結晶性に優れた第１バッファ層を得る
ことができる。

【０１００】ＺｒＯ₂は高温から室温にかけて立方晶→
正方晶→単斜晶と相転移を生じる。立方晶を安定化する
ために希土類元素を添加したものが、安定化ジルコニア
である。Ｚｒ_1-xＲ_xＯ_2-δ膜の結晶性はｘの範囲に依存
する。Jpn.J.Appl.Phys.27(8)L1404-L1405(1988)に報告
されているように、ｘが０．２未満である組成域では正
方晶または単斜晶の結晶になる。これまで、ｘが０．２
以上の立方晶領域では単一配向のエピタキシャル膜が得
られている。ただし、ｘが０．７５を超える領域では、
立方晶ではあるが、例えば（１００）単一配向は得られ
ず、（１１１）配向の結晶が混入する。一方、正方晶ま
たは単斜晶となる領域では、J.Appl.Phys.58(6)2407-24
09(1985)にも述べられているように、得ようとするもの
以外の配向面が混入し、単一配向のエピタキシャル膜は
得られていない。

【０１０１】したがって、結晶配向の点からは、Ｚｒ
_1-xＲ_xＯ_2-δにおいてｘは０．２〜０．７５であるこ
とが好ましい。この場合のｘのより好ましい範囲は、
０．２〜０．５０である。酸化ジルコニウム系薄膜がエ
ピタキシャル膜であれば、その上に形成される第１バッ
ファ層、下地電極、機能性エピタキシャル膜をエピタキ
シャル成長させやすい。

【０１０２】酸化ジルコニウム系薄膜を構成する安定化
ジルコニアが含む希土類元素は、基板の格子定数および
酸化ジルコニウム系薄膜上に設けられる薄膜の格子定数
と、酸化ジルコニウム系薄膜の格子定数とを好ましくマ
ッチングさせるために、その種類および添加量が選択さ
れる。例えば、上記した格子定数０．５２nmのＺｒ_1- _x
Ｒ_xＯ_2-δは、ＲがＹであり、ｘが０．３のものであ
る。Ｒの種類を固定したままｘを変更すれば格子定数を
変えることができるが、ｘだけの変更ではマッチングの
調整可能領域が狭い。ここで、例えばＹに替えてＰｒを
用いると、格子定数を大きくすることが可能であり、第
１バッファ層のＢａＴｉＯ₃結晶とのマッチングを最適
化することができる。

【０１０３】なお、酸素欠陥を含まない酸化ジルコニウ
ムは、化学式ＺｒＯ₂で表わされるが、希土類元素を添
加した酸化ジルコニウムは、添加した希土類元素の種
類、量および価数により酸素の量が変化し、Ｚｒ_1-xＲ_x
Ｏ_2-δにおけるδは、通常、上記した範囲となる。

【０１０４】Ｚｒ_1-xＲ_xＯ_2-δにおいてｘが０．２未満
である領域、特に、酸素を除く構成元素中におけるＺｒ
の比率が９３mol%を超える高純度の組成域では、上述し
たように結晶性が良好とはならず、また、良好な表面性
も得られていなかった。しかし、本発明者らが検討を重
ねた結果、例えば前記特開平１０−１７３９４号公報に
記載されている製造方法を適用することにより、上記し
た単一配向、さらにはエピタキシャル成長が可能とな
り、表面性も良好となることがわかった。高純度のＺｒ
Ｏ₂膜には、以下に述べるようなメリットがある。

【０１０５】酸素を除く構成元素中におけるＺｒの比率
が高いほど、すなわちＺｒＯ₂の純度が高いほど絶縁抵
抗も高くなり、リーク電流も小さくなることから、高純
度のＺｒＯ₂膜は絶縁特性を必要とする場合には好まし
い。また、金属一絶縁体一半導体構造（ＭＩＳ構造）に
おいてＺｒＯ₂を絶縁体として用いた場合、ＹＳＺ（Ｙ
安定化ジルコニア）を絶縁体として用いた場合にみられ
るＣ−Ｖ特性のヒステリシスがなくなるので、ＭＩＳ素
子として界面特性が優れる。この理由としては、Ｓｉ基
板と酸化ジルコニウム系薄膜との間で熱膨張係数の違い
により発生する応力がＺｒＯ₂の相転移により緩和され
ること、および、ＺｒＯ₂の酸素欠陥が少ないことが考
えられる。ＹＳＺは相転移がないため応力が緩和され
ず、また、希土類元素を添加しているために酸素欠陥が
多い。

【０１０６】したがって、良好な結晶性および表面性が
得られる場合には、酸化ジルコニウム系薄膜中の酸素を
除く構成元素中におけるＺｒの比率は高いほど好まし
く、具体的には、好ましくは９３mol%超、より好ましく
は９５mol%以上、さらに好ましくは９８mol%以上、最も
好ましくは９９．５mol%以上である。なお、酸素および
Ｚｒを除く構成元素は、通常、希土類元素やＰなどであ
る。Ｚｒの比率の上限は、現在のところ９９．９９mol%
程度である。また、現在の高純度化技術ではＺｒＯ₂と
ＨｆＯ₂との分離は難しいので、ＺｒＯ₂の純度は、通
常、Ｚｒ＋Ｈｆでの純度を指している。したがって、本
明細書におけるＺｒＯ₂の純度は、ＨｆとＺｒとを同元
素とみなして算出された値であるが、ＨｆＯ₂は本発明
における酸化ジルコニウム系薄膜においてＺｒＯ₂と全
く同様に機能するため、問題はない。

【０１０７】なお、第２バッファ層を形成する場合、第
２バッファ層中の酸素がＳｉ単結晶基板の表面付近に拡
散し、基板表面付近が浅く（例えば５nm程度以下）酸化
されてＳｉＯ₂などの酸化層が形成されることがある。
また、成膜の方法によっては、第２バッファ層形成時に
Ｓｉ基板表面にＳｉ酸化物層が残留する場合がある。前
記実施例において、３層構造のバッファ層の最も基板側
に存在する酸化シリコン層は、このようにして形成され
たものである。

【０１０８】次に、希土類酸化物系薄膜について説明す
る。

【０１０９】上記したように、第２バッファ層として上
記した安定化ジルコニアを用いたとき、Ｃ−Ｖ特性にヒ
ステリシスがみられ、この点においてＺｒＯ₂高純度膜
に劣る。この場合、酸化ジルコニウム系薄膜上に希土類
酸化物系薄膜を積層することにより、Ｃ−Ｖ特性のヒス
テリシスをなくすことができる。また、希土類酸化物系
薄膜を積層することにより、機能性エピタキシャル膜と
の間での格子整合のマッチングがより良好となる。

【０１１０】なお、希土類酸化物系薄膜を酸化ジルコニ
ウム系薄膜の上に形成するのは、希土類酸化物系薄膜だ
けでは（００１）単一配向や（１００）単一配向の膜が
形成できず、立方晶の（１１１）配向の膜となってしま
うからである。

【０１１１】希土類酸化物系薄膜は、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、
Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅ
ｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕの少なくとも１種、特に、Ｃ
ｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、ＨｏおよびＥｒの
少なくとも１種を含有する希土類酸化物から実質的に構
成されていることが好ましい。なお、２種以上の希土類
元素を用いるとき、その比率は任意である。

【０１１２】希土類酸化物系薄膜が積層されている場
合、酸化ジルコニウム系薄膜は、元素分布が均一な膜で
あってもよく、膜厚方向に組成が変化する傾斜構造膜で
あってもよい。傾斜構造膜とする場合、基板側から希土
類酸化物系薄膜側にかけて、酸化ジルコニウム系薄膜中
の希土類元素含有率を徐々または段階的に増大させると
共に、Ｚｒ含有率を徐々または段階的に減少させる。こ
のような傾斜構造膜とすることにより、酸化ジルコニウ
ム系薄膜と希土類酸化物系薄膜との間の格子のミスフィ
ットが小さくなるか、あるいは存在しなくなり、希土類
酸化物系薄膜を高結晶性のエピタキシャル膜とすること
が容易となる。

【０１１３】なお、希土類酸化物系薄膜に添加する希土
類元素は、酸化ジルコニウム系薄膜に添加する希土類元
素と同一のものを用いることが好ましい。

【０１１４】酸化ジルコニウム系薄膜および希土類酸化
物系薄膜には、特性改善のために添加物を導入してもよ
い。例えば、これらの薄膜にＣａやＭｇなどのアルカリ
土類元素をドーピングすると、膜のピンホールが減少
し、リークを抑制することができる。また、Ａｌおよび
Ｓｉは、膜の抵抗率を向上させる効果がある。さらに、
Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどの遷移金属元素は、膜中に
おいて不純物による準位（トラップ準位）を形成するこ
とができ、この準位を利用することにより導電性の制御
が可能になる。

【０１１５】下地電極基板と機能性エピタキシャル膜との間に、機能性エピタ
キシャル膜に密着して設けられる下地電極は、機能性エ
ピタキシャル膜用の電極および機能性エピタキシャル膜
のデバイス応用に必要な構造を構成するための下部電極
として機能する。

【０１１６】下地電極は金属から構成されることが好ま
しいが、Ｉｎを含む酸化物や導電性ペロブスカイト酸化
物であってもよく、金属膜と酸化物膜とを積層した構成
としてもよい。金属としては、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｒ
ｅ、Ｐｄ、ＲｈおよびＲｕの少なくとも１種を含有する
金属単体や合金が好ましい。Ｉｎを含む酸化物または導
電性ペロブスカイト酸化物としては、例えば、Ｉｎ
₂Ｏ₃、Ｉｎ₂Ｏ₃（Ｓｎドープ）、（Ｒ，Ｓｒ）Ｃｏ
Ｏ₃、（Ｒ，Ｓｒ，Ｃａ）ＲｕＯ₃、（Ｒ，Ｓｒ）ＲｕＯ
₃、ＳｒＲｕＯ₃、（Ｒ，Ｓｒ）ＭｎＯ₃、またはこれら
の関連化合物が好ましい。なお、これらの化合物におい
て、ＲはＳｃおよびＹを含む希土類元素である。

【０１１７】下地電極は第１バッファ層と同様に、正方
晶であるときは（００１）単一配向、立方晶であるとき
は（１００）単一配向であることが好ましく、いずれの
場合でもエピタキシャル膜であることがより好ましい。
また、下地電極とＳｉ（１００）基板との結晶方位関係
は、正方晶［１００］//Ｓｉ［０１０］または立方晶
［０１０］//Ｓｉ［０１０］であることが好ましい。す
なわち、薄膜と基板とは、面内において軸同士が平行で
あることが好ましい。このような積層構造は、さらにこ
の構造上に形成される機能性エピタキシャル膜の結晶性
を向上させて、単一配向膜やエピタキシャル膜として形
成するのに効果的である。下地電極は機能性エピタキシ
ャル膜との格子整合性が良好であるため、結晶性の高い
機能性エピタキシャル膜が得られる。

【０１１８】下地電極は、バルクでの比抵抗が１０^-5〜
１０^-2Ωcmであることが好ましい。また、薄膜としての
比抵抗も１０^-5〜１０^-2Ωcmであることが好ましい。な
お、下地電極は、超電導材料から構成されていてもよ
い。

【０１１９】各薄膜、下地電極の結晶性、表面性および
厚さ下地電極やバッファ層は、その上に形成される薄膜の結
晶性を向上させるために、結晶性が良好でかつ表面が平
坦であることが好ましい。

【０１２０】薄膜の結晶性は、Ｘ線回折における反射ピ
ークのロッキングカーブの半値幅や、ＲＨＥＥＤによる
像のパターンで調べることができる。また、表面性は、
ＲＨＥＥＤ像のストリーク性、およびＡＦＭ（原子間力
顕微鏡）で測定した表面粗さ（十点平均粗さ）で調べる
ことができる。

【０１２１】下地電極の厚さは、通常、５０〜５００nm
とすることが好ましい。また、第１バッファ層の厚さは
５〜２００nm程度、第２バッファ層の厚さは５〜５０nm
程度とすることが好ましい。

【０１２２】形成方法機能性エピタキシャル膜、バッファ層および下地電極の
形成には、蒸着法、ＭＢＥ法、ＲＦマグネトロンスパッ
タ法などを用いることが好ましく、特に、前記特開平１
０−１７３９４号公報に記載された方法を用いることが
好ましい。

【０１２３】

【発明の効果】本発明では、蓄積電荷量が印加電圧に対
して履歴を示す強誘電性薄膜または反強誘電性薄膜を一
対の電極で挟んで可変容量素子とし、この可変容量素子
に直列に、発振素子（圧電バルク振動素子または弾性表
面波共振器）を接続することにより、ＶＣＯを構成す
る。すなわち、本発明は、上記可変容量素子をバラクタ
ダイオードの代替として使用するという、全く新しい発
想に基づくものである。バラクタダイオードは、２GHz
程度の高周波領域において、抵抗成分が増大し、Ｑが大
幅に低くなり、Ｃ／Ｎが低下するという問題があるが、
本発明の可変容量素子を用いることにより、これらの問
題が解決される。

【０１２４】本発明では、可変容量素子において強誘電
性材料および反強誘電性材料を薄膜化して用いるので、
数ボルトの電圧で動作させることができ、かつ、十分な
周波数可変幅が得られる。

【０１２５】また、本発明では、可変容量素子と発振素
子とを一体的に形成することが可能であり、半導体素子
とのモノリシック化も可能なので、小型化に有利であ
る。

【０１２６】さらに、可変容量素子において強誘電性薄
膜および反強誘電性薄膜をエピタキシャル膜とすること
により、１．５〜２GHz帯においても十分に大きなＱが
得られ、また、特性の安定性が良好となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例のＶＣＯを示す断面図である。

【図２】第１実施例における蓄積電荷量の履歴曲線を示
すグラフである。

【図３】第１実施例における容量の印加電圧依存性を示
すグラフである。

【図４】本発明のＶＣＯの動作を説明するための回路図
である。

【図５】第１実施例におけるインピーダンスの周波数応
答を示すグラフである。

【図６】第１実施例におけるインピーダンスの印加電圧
依存性を示すグラフである。

【図７】第２実施例のＶＣＯを示す断面図である。

【図８】第２実施例におけるインピーダンスの印加電圧
依存性を示すグラフである。

【図９】（Ａ）〜（Ｄ）は、第３実施例のＶＣＯの製造
工程を説明するための断面図であり、（Ｅ）は、第３実
施例のＶＣＯを示す断面図である。

【図１０】第３実施例における蓄積電荷量の履歴曲線を
示すグラフである。

【図１１】第４実施例のＶＣＯを示す断面図である。

【図１２】第４実施例におけるインピーダンスの印加電
圧依存性を示すグラフである。

【図１３】位相同期ループの概念図である。

【図１４】可変容量素子の接続によるインピーダンス虚
数部の周波数応答曲線の変化を示すグラフである。

【符号の説明】

１ダイヤフラム２Ｓｉ基板２１ＫＮｂＯ₃単結晶基板３バッファ層４下地電極５、５１、５２強誘電性・圧電性薄膜５３反強誘電性薄膜５４誘電体薄膜６１、６２上部電極６３櫛形電極１０ダイボンド剤１１パッケージ１２ワイヤ１３蓋１００位相差検出器１０１ループフィルタ１０２増幅器１０３ＶＣＯ２００能動回路２０１発振素子２０２可変容量素子Ａ、Ｂ、Ｃ外部接続端子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電バルク振動素子または弾性表面波共
振器を備える発振素子と、一対の電極に挟まれた強誘電
性薄膜または反強誘電性薄膜を備える可変容量素子とを
有し、前記発振素子と前記可変容量素子とが直列接続さ
れており、前記可変容量素子の両端に印加される制御電
圧によりインピーダンス特性が制御される電圧制御発振
器。
【請求項２】一対の電極に挟まれた圧電性薄膜を有す
る圧電バルク振動素子と、一対の電極に挟まれた強誘電
性薄膜または反強誘電性薄膜を有する可変容量素子と
が、基板上に隣接して配置されている請求項１の電圧制
御発振器。
【請求項３】圧電性薄膜および櫛型電極を備える弾性
表面波共振器と、一対の電極に挟まれた強誘電性薄膜ま
たは反強誘電性薄膜を備える可変容量素子とが、基板上
に隣接して配置されている請求項１の電圧制御発振器。
【請求項４】前記可変容量素子に、強誘電性薄膜また
は反強誘電性薄膜の蓄積電荷量の履歴曲線における飽和
電圧以上の電圧を印加した後、制御電圧を印加するか、
または、前記飽和電圧を印加した状態で、その飽和電圧
とは逆極性の制御電圧を印加することによりインピーダ
ンス特性が制御される請求項１〜３のいずれかの電圧制
御発振器。
【請求項５】前記強誘電性薄膜および前記反強誘電性
薄膜がエピタキシャル膜である請求項１〜４のいずれか
の電圧制御発振器。
【請求項６】前記強誘電性薄膜がＰｂ含有ペロブスカ
イト結晶またはＢａＴｉＯ₃結晶を含み、前記反強誘電
性薄膜がＰｂＺｒＯ₃結晶を含む請求項１〜５のいずれ
かの電圧制御発振器。
【請求項７】位相同期ループにおける電圧制御発振器
として用いられる際に、位相同期ループを動作させると
きの入力設定周波数が、前記可変容量素子に飽和電圧を
印加したときの発振周波数と一致するか、または、前記
可変容量素子に、前記飽和電圧以上の電圧が印加された
後に位相同期ループで使用される請求項１〜６のいずれ
かの電圧制御発振器。