JP2004072204A - 窒化アルミニウム圧電薄膜を用いた高周波弾性波素子 - Google Patents

Abstract

【課題】音速とｋ^２の大きい弾性波素子を実現する。
【解決手段】櫛型電極３を有する面内方向に分極したＡｌＮ圧電膜１の表面にくし型電極を設け、ＡｌＮ圧電膜１の上下にギャップを設け、ＡｌＮ圧電膜の厚さｈを電極ピッチＰより小さくする。
【効果】極めて大きい音速（＞９０００ｍ／ｓ）と比帯域幅（＞０．０２）を有するラム波型弾性波素子を実現することができる効果がある。また通常のプロセス装置で７．５ＧＨｚの高周波弾性波素子を製造することができる効果がある。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、通信機器等に用いられるラム波型弾性波共振器等弾性波素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高周波用途の弾性波共振器として、ダイアモンドを用いた弾性表面波素子が知られている（例えば、特許第０２８８５３４９号）。音速が８０００ｍ／ｓと大きいため、２．５ＧＨｚ帯の弾性波素子として利用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
通信機器用途の弾性波素子は、プロセス負荷の低減を考慮すると、より高音速が望まれる。最も高音速な材料であるダイアモンドは１００００ｍ／ｓ以上と非常に大きい音速を有するが、しかし圧電性を有さないため、圧電体を付加する必要があり、その結果、利用できる音速は８０００ｍ／ｓまで低化してしまうという問題がある。
【０００４】
通信機器用途のＳＡＷ素子では、より電気機械結合係数（ｋ^２）の大きい共振器を用いた方が低損失な電気特性にすることができる。高性能なＳＡＷ素子を作成する場合、ダイアモンドを用いた弾性表面波素子のｋ^２は２％以下であり、小さいという問題がある。
本発明の目的は、上記問題点を解決すること、すなわち、音速の非常に大きい（＞９０００ｍ／ｓ）弾性波素子を提供することである。第２の目的は、ｋ^２の大きい（＞２％）弾性波素子を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を主成分とする圧電膜と、前記圧電膜表面に形成され、少なくても二本以上の電極指を有する電極パターンとよりなるラム波型弾性波素子において、前記ＡｌＮ圧電膜の分極方位（ｃ軸）は圧電膜の法線とほぼ直交し、且つ電極指ともほぼ直交する方向であり、圧電膜の厚さは前記電極パターンの電極ピッチより薄いことを特徴とするラム波型弾性波素子により、解決する。ここでラム波型弾性波とは平板を伝搬する弾性波であり、平板の厚さ方向に対してほぼ均一なエネルギー分布を示す（例えば特許第２９３６２１０号）。
【０００６】
以下、本発明の作用を図を用いて説明する。
図１はラム波型弾性波素子の構造を説明する断面図である。
図２はラム波型弾性波の音速とｋ２の板厚依存性を示している。厚さｈのＡｌＮ圧電膜１の表面に周期Ｐで２種類の電位の電極指（３−１、３−２）が交互に形成されている。電極指の幅Ｌと各電極間間隙Ｓの比は２対３である。ＡｌＮ圧電膜１は矢印９で示された方向に分極したＡｌＮ圧電体を主成分とする物質で構成されている。
計算は、有限要素−解析解結合法（例えば礒部敦、疋田光孝、浅井健吾、住岡淳司「有限要素−解析解結合法による新モート゛型ＳＡＷの探索とその移動通信用素子への応用」電子情報通信学会論文誌　Ｃ−Ｉ　Ｖｏｌ．　Ｊ　８２−Ｃ−Ｉ　Ｎｏ．　１２　ｐｐ．　６９７−７０５　１９９９年１２月）に、仮想境界での電気開放と機械開放条件を加えることで計算を行なった。図２に示すように、ｈ＜Ｐのラム波型弾性波で、高音速（＞９０００ｍ／ｓ）、高ｋ^２　（＞２％）が得られることを見出した。図３はラム波型弾性波の音速とｋ^２の電極指方向依存性を示している。横軸はＡｌＮ圧電膜の分極方向と電極指の方向との成す角度を示している。分極方向と電極指の方向が直交（９０度）するとき、最も音速とｋ２が大きくなる。また５５°から１２５°の間の角度のとき、高ｋ^２　（＞２％）が得られる。
すなわち、ＬＮ圧電単結晶基板を電極指のピッチより薄くし、かつ分極方向と電極指の方向が５５°から１２５°の間の角度のとき、高音速で高ｋ^２のラム波型弾性波素子を形成することができる。
以上の考察により、一例として図１に示されるように、ギャップに挟まれた圧電膜１と、圧電膜１の表面に形成され、少なくても二本以上の電極指を有する櫛型電極パターン３を有し、圧電膜１の厚さｈが電極指３のピッチＰより小さい弾性波素子において、圧電膜１の主成分が窒化アルミニウムであり、圧電膜１の分極方向９が圧電膜の法線と垂直であり、且つ電極指３が圧電膜１の分極方向に対して５５〜１２５°の範囲の角度に設定されていることを特徴とする窒化アルミニウム圧電薄膜を用いた高周波弾性波素子を提案する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下本発明の好ましい実施例について詳細に説明する。
図４は本発明の第１実施例による一開口共振器の構成を示す平面図である。一開口共振器は、ＡｌＮ圧電薄膜１と、その表面に形成された櫛型電極と反射器とで形成されている。櫛型電極は、ＡｌＮ圧電薄膜１の分極方向９に対して平行な２本のバスバー２と、分極方向９に対して垂直な１１対の電極指３と、入出力端子４、５とで構成されている。入力端子４は１１本の電極指３−１に接続されたバスバー２−１に接続され、また出力端子は１２本の電極指３−２に接続されたバスバー２−２に接続され、入力側の電極指３−１と出力側の電極指３−２は交互に配置されている。櫛型電極の両側に反射器が設置されている。各反射器はＡｌＮ圧電薄膜の分極方向と平行な２本のバスバー６と、分極方向と垂直な１８本の反射電極指１０で構成され、全ての反射電極指１０の両端はバスバー６と接続されている。櫛型電極と入出力端子と反射器はＡｌ−０．７％Ｃｕ合金により形成されている。
【０００８】
図５は図４Ａ−Ａ’で示される部分の断面図である。ＡｌＮ圧電薄膜１の厚さｈは０．０３Ｐ（Ｐ＝２０μｍ）に設定されている。また電極指線幅Ｌは０．４Ｐである。ＡｌＮ圧電薄膜１は珪素単結晶基板７により支持されている。
このように構成された一開口共振器では、櫛型電極部のＡｌＮ圧電薄膜１の厚さが電極指ピッチＰより極めて小さいため、櫛型電極で励振された弾性振動は瞬時にＡｌＮ圧電薄膜１の裏面に到達し、そのため弾性表面波ではなくラム波として伝搬する。また、弾性表面波の弾性振動は電極から深さ方向に２Ｐ程度の範囲に分布するのに対し、本一開口共振器は電極に極めて近い領域（＜０．０３Ｐ）に集中するため、弾性表面波より大きい圧電効果を示す。さらに、ＡｌＮ圧電薄膜１の分極方向とラム波の伝播方向が一致しているため、弾性振動の主成分が縦波になり、いっそう高音速、強圧電効果となる。その結果、極めて大きい音速（＞９０００ｍ／ｓ）と比帯域幅（＞０．０２）を有するラム波型弾性波共振器を実現することが可能となる。
図６は他の実施例による一開口共振器の構成を示す平面図である。
図７は図６のＢ−Ｂ’で示される部分の断面図である。厚さｈ＝０．１ＰのＡｌＮ圧電薄膜１と、その表面に形成された櫛型電極と反射器と入出力端子と、凹部を有する珪素単結晶基板７で構成されている。第１実施例とは、珪素単結晶基板７の形状が異なっているが、全く同機能のラム波型弾性波共振器を実現している。
【０００９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、極めて大きい音速（＞９０００ｍ／ｓ）とｋ^２　（＞０．０２）を有するラム波型弾性波素子を実現することができる。
弾性表面波デバイスのプロセスで広く用いられているｉ線露光機の微細解像できる寸法は０．３０μｍ以上であるため、通常の弾性表面波デバイス（音速４０００ｍ／ｓ）の適用周波数は３．３ＧＨｚ以下、またダイアモンドを用いた弾性表面波デバイス（音速８０００ｍ／ｓ）でも６．７ＧＨｚ以下であるのに対して、本発明（音速９０００ｍ／ｓ）を用いることで、７．５ＧＨｚまで拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の弾性波素子の構造を説明する断面図。
【図２】本発明の弾性波素子の音速とｋ^２のＡｌＮ圧電薄膜膜厚依存性を示した図。
【図３】本発明の弾性波素子の音速とｋ^２のＡｌＮ圧電薄膜分極方向依存性を示した図。
【図４】本発明の実施の形態に係る弾性波共振器を示した斜視図。
【図５】図４のＡ−Ａ’部分の断面図。
【図６】本発明の実施の形態に係る弾性波共振器を示した斜視図。
【図７】図６のＢ−Ｂ’部分の断面図。
【符号の説明】
１…ＡｌＮ圧電薄膜。
２…バスバー。
３…電極指。
４、５…入出力端子。
６…反射器のバスバー。
７…珪素単結晶基板。
８…空隙。
９…ＡｌＮの分極方向。

Claims (1)

1. ギャップに挟まれた圧電膜と、前記圧電膜の表面に形成され、少なくても二本以上の電極指を有する櫛型電極パターンを有し、前記圧電膜の厚さが前記電極指のピッチより小さい弾性波素子において、
   前記圧電膜の主成分が窒化アルミニウムであり、前記圧電膜の分極方向が前記圧電膜の法線と垂直であり、且つ前記電極指が前記圧電膜の分極方向に対して５５〜１２５°の範囲の角度に設定されていることを特徴とする窒化アルミニウム圧電薄膜を用いた高周波弾性波素子。

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