JP2004297359A - 表面弾性波素子、周波数フィルタ、発振器、電子回路、及び電子機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】単結晶基板1と、この単結晶基板1上に形成された結晶膜からなるバッファー層2と、バッファー層2上に形成された六方晶系または三方晶系の結晶構造を有する圧電薄膜3とを備えてなる表面弾性波素子。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面弾性波素子、周波数フィルタ、発振器、電子回路、及び電子機器に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、携帯電話等の移動体通信を中心とした通信分野の著しい発展に伴い、表面弾性波素子及び該表面弾性波素子を利用した各種機器の需要が急速に拡大している。表面弾性波素子は、水晶等の単結晶物質を用いることで発展してきたものであるが、近年の更なる高周波化、或いは半導体素子との集積化を鑑みると、圧電薄膜からなる表面弾性波素子の開発が要求されている。
圧電薄膜を用いた表面弾性波素子としては、例えば、サファイヤ基板上に酸化亜鉛薄膜を形成したもの(例えば、特許文献1参照。)や、シリコン基板上にダイヤモンド状炭素膜を形成し、該炭素膜層上に圧電体膜として酸化亜鉛薄膜を形成したもの(例えば、特許文献2参照。)、さらには、サファイヤ基板上にニオブ酸リチウム薄膜を形成させたもの等が提案されている(例えば、非特許文献1参照。)。
【0003】
一方、前記のような表面弾性波素子を、シリコン基板上に半導体素子と共に集積化することは、表面弾性波素子を利用した各種機器の小型化、あるいは高性能化に有用であり、例えば、半導体素子を形成したシリコン基板上に、別に作製しておいた単結晶からなる表面弾性波素子を接合したものが提案されている(例えば、特許文献3参照。)。ただし、圧電薄膜を用いた表面弾性波素子を半導体素子と集積化した例はない。
【0004】
【特許文献1】
特開平7−50436号公報
【特許文献2】
特開平1−103310号公報
【特許文献3】
特開平6−120416号公報
【非特許文献1】
Appl.Phys.Lett. Vol.62(1993)pp.3046−3048
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来技術においては以下のような課題がある。
まず、サファイア基板上に酸化亜鉛薄膜やニオブ酸リチウム薄膜などを形成する場合、高品質なエピタキシャル薄膜を作製することは可能であるものの、サファイア基板はシリコン基板に比べ高価であるとともに、相補型金属酸化膜半導体(CMOS)などの半導体素子を形成することが困難であるといった課題がある。
【0006】
一方、シリコン基板上に酸化亜鉛薄膜、ニオブ酸リチウム薄膜などをエピタキシャルで形成することは困難である。また、これらを直接形成して表面弾性波素子を作製することができたとしても、シリコン基板は半導体であるため表面弾性波がシリコン基板中に漏洩してしまい、挿入損失が大きくなってしまう。
さらに、シリコン基板上に形成したダイアモンド状炭素膜上に酸化亜鉛薄膜、ニオブ酸リチウム薄膜やタンタル酸リチウム薄膜を形成する場合、やはり前記ダイヤモンド状炭素膜上に半導体素子を形成することが困難である。
【0007】
また、半導体素子を形成したシリコン基板上に、別に作製しておいた単結晶からなる表面弾性波素子を接合する場合では、表面弾性波素子の特性が材料のカット角で決まってしまう。これに対し、圧電薄膜を用いて表面弾性波素子を形成する場合は、その膜厚を制御することによって電気機械結合係数(以下、k2と表記する)や音速を制御することができるため、素子設計の自由度が高い。そこで、単結晶から表面弾性波素子を形成する際に、その単結晶を薄くしていけば、圧電薄膜を用いて形成した場合と同様にk2や音速等の特性を制御できると考えられるものの、単結晶の厚さを薄膜レベルにまでを薄くすることは現状ではほとんど不可能である。
【0008】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、圧電薄膜の膜質を良好にしたことで高性能なものとなり、また、単結晶基板に半導体素子を形成できることから半導体素子との集積化も可能となり、しかも単結晶基板中への表面弾性波の漏洩も防止した表面弾性波素子、さらにはこれを備えた周波数フィルタ、発振器、電子回路、及び電子機器を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため本発明の表面弾性波素子は、単結晶基板と、該単結晶基板上に形成された結晶膜からなるバッファー層と、該バッファー層上に形成された六方晶系または三方晶系の結晶構造を有する圧電薄膜とを備えてなることを特徴としている。
この表面弾性波素子によれば、結晶膜からなるバッファー層上に圧電薄膜を形成するので、圧電薄膜が例えばエピタキシャル膜となるなど良好な膜質のものとなり、したがって表面弾性波素子自体も高性能なものとなる。また、単結晶基板に半導体素子を形成できることから半導体素子との集積化が可能となり、その場合に、バッファー層が単結晶基板中への表面弾性波の漏洩を防止する機能を有することから、表面弾性波素子の特性が損なわれることなく良好に保持される。
【0010】
また、前記表面弾性波素子においては、前記単結晶基板が単結晶シリコン基板であるのが好ましい。
このようにすれば、単結晶シリコン基板は例えばサファイア基板等に比べ安価であることから、表面弾性波素子自体のコストを低く抑えることができる。
【0011】
なお、この場合に、前記単結晶シリコン基板は面方位(111)であるのが好ましい。
このようにすれば、これの上に形成される結晶膜からなるバッファー層の結晶配向の方位を、最適にすることができる。
【0012】
また、前記表面弾性波素子においては、前記バッファー層は、エピタキシャル膜であるのが好ましい。
このようにすれば、このバッファー層上に形成される圧電薄膜の膜質をより良好にすることができ、したがって表面弾性波素子自体についてもこれをより高性能なものにすることができる。
【0013】
また、前記表面弾性波素子においては、前記バッファー層は希土類酸化物からなるのが好ましい。
このようにすれば、圧電薄膜としてアルカリ金属を有する膜を形成し、また単結晶基板に半導体素子を形成した場合に、圧電薄膜中のアルカリ金属が単結晶基板中にまで拡散してしまうのをバッファー層で防止することができ、したがってアルカリ金属による半導体素子への悪影響を防止することができる。
【0014】
なお、この表面弾性波素子においては、前記単結晶基板の表面にシリコン酸化物からなる自然酸化膜が形成されているのが好ましい。
このようにすれば、この自然酸化膜中の酸素を消費しつつ成長することで、この自然酸化膜上に希土類酸化物からなるバッファー層がより良好に形成されるようになる。
【0015】
また、前記表面弾性波素子においては、前記圧電薄膜は、エピタキシャル膜であるのが好ましい。
このようにすれば、圧電薄膜が良好な膜質となることから、表面弾性波素子自体も高性能なものとなる。
【0016】
また、前記表面弾性波素子においては、前記六方晶系または三方晶系の結晶構造を有する圧電薄膜は、ZnO、AlN、LiTaO3、LiNbO3、LiNb1−xTaxO3、(0<x<1)のいずれかであるのが好ましい。
このようにすれば、所望の配向を有する圧電薄膜が効率良く形成されることにより、表面弾性波素子自体が高性能なものとなる。
【0017】
また、前記表面弾性波素子においては、前記バッファー層と圧電薄膜との間に、導電膜が設けられているのが好ましい。
このようにすれば、バッファー層の材質によって圧電薄膜がこのバッファー層上に直接配向しにくい場合にも、導電膜を介在させることで良好に配向しつつ成膜されるようになる。したがって、圧電薄膜として電気機械結合係数を高くすることができる材質を選択することができ、これにより表面弾性波素子自体が高性能なものとなる。
【0018】
なお、この表面弾性波素子においては、前記導電膜は金属または六方晶系酸化物からなるのが好ましく、特に六方晶系酸化物からなる場合には、酸素欠損による電子キャリア型の酸化亜鉛であるのが好ましい。
このようにすれば、特に導電膜が前記酸化亜鉛によって形成されている場合に、所望の配向を有する導電膜が単結晶基板上に効率良く形成されることにより、表面弾性波素子自体が高性能なものとなる。
【0019】
また、この表面弾性波素子においては、前記導電膜は、エピタキシャル膜であるのが好ましい。
このようにすれば、導電膜が良好な膜質となることから、表面弾性波素子自体も高性能なものとなる。
【0020】
本発明の周波数フィルタは、前記の表面弾性波素子が備える前記圧電薄膜、又は該圧電薄膜上に配設された保護膜の上に形成された第1の電極と、前記圧電薄膜又は前記保護膜の上に形成され、前記第1の電極に印加される電気信号によって前記圧電薄膜に生ずる表面弾性波の特定の周波数又は特定の帯域の周波数に共振して電気信号に変換する第2の電極と、を備えることを特徴としている。
この周波数フィルタによれば、圧電薄膜の電気機械結合係数が高いため、比帯域幅が広い良好なものとなる。
【0021】
本発明の発振器は、前記表面弾性波素子が備える前記圧電薄膜、又は該圧電薄膜上に配設された保護膜の上に形成され、印加される電気信号によって前記圧電薄膜に表面弾性波を発生させる電気信号印加用電極と、前記圧電薄膜又は前記保護膜の上に形成され、前記電気信号印加用電極によって発生される表面弾性波の特定の周波数成分又は特定の帯域の周波数成分を共振させる共振用電極とトランジスタとを含む発振回路と、を備えることを特徴としている。
この発振器によれば、表面弾性波素子が備える圧電薄膜の電気機械結合係数が高いため、伸長コイルを省略することができ、回路構成が簡単な発振器を提供することができる。また、トランジスタ等から構成される発振回路を備えているので、トランジスタとの集積化によって小型化されたものとなる。
【0022】
本発明の電子回路は、前記発振器と、該発振器に設けられている前記電気信号印加用電極に対して前記電気信号を印加する電気信号供給素子とを備えてなり、前記電気信号の周波数成分から特定の周波数成分を選択し、若しくは特定の周波数成分に変換し、又は、前記電気信号に対して所定の変調を与え、所定の復調を行い、若しくは所定の検波を行う機能を有することを特徴としている。
この電子回路によれば、発振器に備えられた表面弾性波素子を構成する圧電薄膜の電気機械結合係数が高く、発振回路との集積化が可能なため、小型で高性能なものとなる。
【0023】
本発明の電子機器は、前記の周波数フィルタ、発振器、電子回路のうち少なくとも1つを有することを特徴としている。
この電子機器によれば、圧電薄膜の電気機械結合係数が高いため、小型で、高性能なものとなる。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る表面弾性波素子、周波数フィルタ、発振器、電子回路並びに電子機器の実施形態を、図面を参照して説明する。
これらの図面は、いずれも概略図であり、各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各部材毎に縮尺を異ならせている。
【0025】
〔第1実施形態〕
図1に、第1実施形態である表面弾性波素子の構造を示す。
表面弾性波素子は、単結晶シリコン基板1と、バッファー層2と、圧電薄膜3と、保護膜としての酸化物又は窒化物からなる保護層4と、電極5とから構成されている。電極5はインターディジタル型電極(Inter−Digital Transducer:以下、「IDT電極」と表記する)であり、上部から観察すると、例えば後述する図4及び図5に示すインターディジタル型電極41、42、51、52、53のような形状を有するものである。
【0026】
このような構成からなる表面弾性波素子を製造するには、まず、単結晶シリコン基板1として自然酸化膜が表面に形成されたSi(111)基板を用意する。なお、ここで用意する単結晶シリコン基板1としては、予め薄膜トランジスタ(TFT)等の半導体素子を作製しておいたものとしてもよく、その場合には、得られる表面弾性波素子はこの半導体素子との集積化がなされたものとなる。
次に、この単結晶シリコン基板1上に、希土類酸化物であるY2O3の結晶膜によってバッファー層2を形成する。成膜方法については特に限定されることなく、例えばスパッタ法、蒸着法、MBE法等の公知の成膜法が採用可能であるが、本実施形態では蒸着法の一種であるレーザーアブレーション法を用いるものとする。
【0027】
ターゲットにはY2O3セラミックスを用い、成膜温度(基板温度)は650℃、成膜中の真空度は1.33×10−3Pa(1×10−5Torr)以下とする。なお、成膜条件についてはこれに限定されないのはもちろんである。また、特に単結晶シリコン基板1に予め半導体素子を形成している場合には、基板温度を下げ、バッファー層2上にレーザーを照射することでこれを部分的に加熱し、結晶化させるようにしてもよい。
このような条件のもとで成膜することにより、Y2O3薄膜は単結晶シリコン基板1上にエピタキシャル成長し、良好な配向、すなわち単結晶シリコン基板1と同じ(111)配向の結晶膜からなるバッファー層2となる。ここで、単結晶シリコン基板1として自然酸化膜が表面に形成されたものを用いているので、バッファー層2はこの表面の自然酸化膜の酸素を吸収しながら成長することにより、良好な状態でエピタキシャル成長するようになる。
【0028】
なお、このY2O3薄膜(バッファー層2)の膜厚については、後述するようにこれの上に圧電薄膜を成長させるうえで、下地として50nm以上であるのが好ましい。また、単結晶シリコン基板1中への表面弾性波の漏洩を防ぐためには、できるだけ厚いほうが好ましい。したがって、本実施形態ではバッファー層2の膜厚を1μmとした。ただし、これに限るものでないのはもちろんである。
【0029】
次いで、前記バッファー層2上に、三方晶系の結晶構造を有する圧電薄膜3としてニオブ酸リチウム(LiNbO3)薄膜を形成する。成膜方法については特に限定されることなく、例えばスパッタ法、蒸着法、MBE法、CVD法、さらにはスピンコート法や液滴吐出法(インクジェット法)等の液相プロセスなど、公知の成膜法が採用可能であるが、本実施形態ではレーザーアブレーション法を用いるものとする。
【0030】
成膜条件としては、成膜温度(基板温度)を500℃、酸素分圧を1.33Pa(0.01Torr)で作製することにより、下地のY2O3薄膜の結晶構造を継承してLiNbO3薄膜もエピタキシャル成長する。このとき、LiNbO3薄膜の配向はc軸配向である。なお、成膜条件についてはこれに限定されないのはもちろんである。
圧電薄膜3としてのLiNbO3薄膜を単結晶シリコン基板1上に直接形成しようとすると、格子のミスマッチやLiの拡散等によりエピタキシャル成長させることが難しいが、希土類酸化物をバッファー層2としたことによってこのLiNbO3薄膜(圧電薄膜3)の形成が可能になっている。
【0031】
なお、バッファー層2がアモルファスの場合にはLiNbO3薄膜はエピタキシャル成長しない。すなわち、結晶化した結晶膜であって、特にエピタキシャル成長したバッファー層2上に形成したことにより、LiNbO3薄膜(圧電薄膜3)もエピタキシャル成長したのである。
ここで、このLiNbO3薄膜(圧電薄膜3)をX線回折した結果を図2に示す。(a)は2θ−θスキャン、(b)はLiNbO3(006)ピークの半値幅(FWHM)、(c)はLiNbO3(0012)の極点図をそれぞれ表している。これらより、LiNbO3薄膜は(001)配向したエピタキシャル膜であることがわかる。また、半値幅も0.77°と良好な結晶性を示している。なお、ここでは省略したが、前記のバッファー層2をX線回折した結果から、Y2O3(400)の極点図も3つの極が見られ、このバッファー層2は(111)配向したY2O3のエピタキシャル薄膜となっていることが確認された。
【0032】
次に、保護膜4として、前記圧電薄膜3上にSiO2膜を例えばレーザーアブレーション法によって形成する。この保護膜4は、圧電薄膜3を雰囲気から保護して例えば雰囲気中の水分や不純物による影響を防ぐと同時に、圧電薄膜3の温度特性をコントロールする役割も果たす。なお、このような目的を満たす限り、保護膜の材質としてはSiO2に限定されるものではない。
その後、保護層4上に例えばアルミニウム薄膜を成膜し、続いてこれをパターニングすることにより、IDTと呼ばれる所望の形状の電極5を形成し、図1に示した表面弾性波素子を得る。
【0033】
このようにして得られた表面弾性波素子の特性を評価したところ、圧電薄膜3(LiNbO3薄膜)の膜厚を1μmとしたことにより、この圧電薄膜3の電気機械結合係数(k2)が3%という値が得られた。また、挿入損失は3dBという優れた値を示した。一方、比較のためエピタキシャル成長していない単なるc軸配向のLiNbO3薄膜を圧電薄膜3として形成し、その挿入損失を調べたところ8dBであった。したがって、この圧電薄膜3はエピタキシャル膜である方が、よりよい挿入損失特性を有することが確認された。これは、エピタキシャル膜の方が粒界における表面弾性波の散乱が少ないためと考えられる。
【0034】
このような表面弾性波素子にあっては、結晶膜からなるバッファー層2上に圧電薄膜3を形成するので、圧電薄膜3がエピタキシャル膜となって良好な膜質となり、したがって表面弾性波素子自体も高性能なものとなる。また、単結晶シリコン基板1に半導体素子を形成できることから、半導体素子との集積化が可能となり、よって小型の発振器への展開も可能となる。また、その場合に、バッファー層2が単結晶シリコン基板1中への表面弾性波の漏洩を防止する機能を有することから、表面弾性波素子の特性が損なわれることなく良好に保持される。
【0035】
また、単結晶基板として単結晶シリコン基板1を用いているので、これが例えばサファイア基板等に比べ安価であることから、表面弾性波素子自体のコストを低く抑えることができる。
また、単結晶シリコン基板1表面に自然酸化膜を残したままバッファー層2を形成しているので、自然酸化膜をフッ酸等で除去する工程を省略することができ、したがって生産性の向上を図ることができる。また、危険物であるフッ酸等を使用しなくてすむため、安全性の面でも有利になる。
また、単結晶シリコン基板1に半導体素子を形成した場合に、圧電薄膜3中のアルカリ金属が単結晶シリコン基板1中にまで拡散してしまうのをバッファー層2で防止することができ、したがってアルカリ金属による半導体素子への悪影響を防止することができる。
【0036】
なお、前記第1実施形態では希土類酸化物のバッファー層2としてY2O3を用いたが、これに代えて、Sc2O3、Yb2O3、Dy2O3、Ho2O3、Er2O3などを用いてもよい。
また、前記第1実施形態では六方晶系または三方晶系の結晶構造を有する圧電薄膜3としてLiNbO3薄膜を用いたが、これに代えて、ZnO薄膜、LiTaO3薄膜、LiNb1−xTaxO3薄膜(ただし、0<x<1)、AlN薄膜を用いても同様のな効果を得ることができる。特にAlN薄膜は、伝導する音速が高速であるため、表面弾性波素子の高周波化に好適となる。
【0037】
〔第2実施形態〕
図3に、第2実施形態である表面弾性波素子の構造を示す。この表面弾性波素子が先の第1実施形態の表面弾性波素子と異なるところは、前記バッファー層2と圧電薄膜3との間に、導電膜6が配設されている点である。
【0038】
導電膜6としては、本実施形態では六方晶系酸化物の酸素欠損したZnO薄膜を用いている。このZnO薄膜(導電膜6)は、前記のY2O3(111)エピタキシャル薄膜からなるバッファー層2上に、c軸配向にエピタキシャル成長したものとなっている。このようなZnO薄膜(導電膜6)は、例えばターゲット材としてZnOセラミックスを用い、酸素分圧を1.3Pa(0.01Torr)以下とし、結晶性の点から基板温度200℃以上とする成膜条件のもとで、レーザーアブレーション法で成膜されることによって得られる。このようにして得られたZnO薄膜は、酸素欠損が顕著となることにより、電子キャリア型の導電膜6となる。
【0039】
ここで、このようなZnO薄膜(導電膜6)については、単結晶シリコン基板1上に直接形成しようとしても、格子のミスマッチ等によってエピタキシャル成長させることが難しいものの、希土類酸化物をバッファー層22として用いることで可能になる。なお、バッファー層22がアモルファスの場合にはZnO薄膜はエピタキシャル成長しない。すなわち、結晶化した結晶膜であって、特にエピタキシャル成長したバッファー層2上に形成したことにより、ZnO薄膜(導電膜6)もエピタキシャル成長したのである。
【0040】
このようにして導電膜6を形成したら、この導電膜6上に、六方晶系の結晶構造を有する圧電薄膜3として、先と同様にしてZnO薄膜を形成する。ただし、ここではターゲット材としてLiを5mole%添加したZnOセラミックスを用いる。また、酸素分圧を13.3Pa(0.1Torr)とする。すると、このZnO薄膜(圧電薄膜3)は、先の実施形態1の場合と同様に、下地のZnO薄膜の結晶構造を継承してZnO薄膜もエピタキシャル成長する。このとき、ZnO薄膜の配向はc軸配向である。
次いで、先の第1実施形態例と同様にして保護膜4を形成し、さらにこの上に電極5を形成することにより、図3に示した表面弾性波素子を得る。
【0041】
このようにして得られた表面弾性波素子にあっては、特に導電膜6を形成し、この導電膜6上にZnO薄膜等による圧電薄膜3を形成するので、圧電薄膜3の膜厚を薄くしても高い電気機械結合係数(k2)を得ることができる。例えば、ZnO圧電薄膜3の膜厚を0.5μmと一定にし、導電膜6の有無で比較すると、導電膜が無い場合はk2が0.3%であるのに対し、導電膜がある方はk2が1%と高い値を示した。これはプロセス上有利である。また、挿入損失は4dBという優れた値を示した。なお、比較のためエピタキシャル成長していない単なるc軸配向のZnO薄膜を圧電薄膜3として形成し、その挿入損失を調べたところ9dBであった。したがって、この圧電薄膜3は先の第1実施形態と同様にエピタキシャル膜である方が、よりよい挿入損失特性を有することが確認された。
【0042】
このような表面弾性波素子にあっては、先の第1実施形態の表面弾性波素子と同様の効果を奏し、さらに、バッファー層2の材質によって圧電薄膜3がこのバッファー層2上に直接配向しにくい場合にも、導電膜6を介在させることで圧電薄膜3が良好に配向しつつ成膜するようになり、したがって、圧電薄膜3として電気機械結合係数を高くすることができる材質を選択することができ、これにより表面弾性波素子自体の高性能化を図ることができるといった効果も奏する。
【0043】
なお、前記第2実施形態では希土類酸化物のバッファー層2としてY2O3を用いたが、これに代えて、Sc2O3、Yb2O3、Dy2O3、Ho2O3、Er2O3などを用いてもよい。
また、前記第2実施形態では六方晶系または三方晶系の結晶構造を有する圧電薄膜3としてZnO薄膜を用いたが、これに代えて、LiNbO3薄膜、LiTaO3薄膜、LiNb1−xTaxO3薄膜(ただし、0<x<1)、AlN薄膜を用いてもよい。ここで、圧電薄膜3としてZnO薄膜を用いる場合には、これが絶縁性でなければならないため、先に述べたように成膜時、ターゲットにLiを添加し、あるいは成膜中酸素分圧を上げることによって酸素欠損を補償する必要がある。
また、前記第2実施形態では導電膜6として酸素欠損のZnOを用いたが、これに代えて、Al、Pt、Irなどの金属膜を用いても同様の効果を得ることができる。
さらに、前記第1、第2実施形態では、単結晶基板として単結晶シリコン基板を用いたが、例えばガリウム・ヒ素等の単結晶基板を用いてもよく、その場合にもここに半導体素子を形成して表面弾性波素子と半導体素子との集積化を図ることができる。
【0044】
〔第3実施形態〕
図4に、第3実施形態である周波数フィルタの外観を示す。
図4に示すように、周波数フィルタは基板40を有するものである。この基板40としては、例えば図1に示した表面弾性波素子を形成した基板、あるいは図3に示した表面弾性波素子を形成した基板が用いられている。すなわち、図1に示した表面弾性波素子を形成した基板の場合、単結晶シリコン基板1上にバッファー層2、圧電薄膜3、保護層4をこの順に積層して形成された基板であり、図3に示した表面弾性波素子を形成した基板の場合、単結晶シリコン基板1上にバッファー層2、導電膜6、圧電薄膜3、保護層4をこの順に積層して形成された基板である。
【0045】
基板40の上面には、IDT電極41及び42が形成されている。IDT電極41,42は、例えばAl又はAl合金によって形成されたもので、その厚みはIDT電極41,42のピッチの100分の1程度に設定されている。また、IDT電極41,42を挟むように、基板40の上面には吸音部43,44が形成されている。吸音部43,44は、基板40の表面を伝播する表面弾性波を吸収するものである。基板40上に形成されたIDT電極41には高周波信号源45が接続されており、IDT電極42には信号線が接続されている。
【0046】
前記構成において、高周波信号源45から高周波信号が出力されると、この高周波信号はIDT電極41に印加され、これによって基板40の上面に表面弾性波が発生する。この表面弾性波は、約5000m/s程度の速度で基板40上面を伝播する。IDT電極41から吸音部43側へ伝播した表面弾性波は、吸音部43で吸収されるが、IDT電極42側へ伝播した表面弾性波のうち、IDT電極42のピッチ等に応じて定まる特定の周波数又は特定の帯域の周波数の表面弾性波は電気信号に変換されて、信号線を介して端子46a,46bに取り出される。なお、前記特定の周波数又は特定の帯域の周波数以外の周波数成分は、大部分がIDT電極42を通過して吸音部44に吸収される。このようにして、本実施形態の周波数フィルタが備えるIDT電極41に供給した電気信号の内、特定の周波数又は特定の帯域の周波数の表面弾性波のみを得る(フィルタリングする)ことができる。
【0047】
〔第4実施形態〕
図5に、第4実施形態である発振器の外観を示す。
図5に示すように、発振器は基板50を有するものである。この基板50としては、先の第4実施形態と同様に、例えば図1に示した表面弾性波素子を形成した基板、あるいは図3に示した表面弾性波素子を形成した基板が用いられている。すなわち、図1に示した表面弾性波素子を形成した基板の場合、単結晶シリコン基板1上にバッファー層2、圧電薄膜3、保護層4をこの順に積層して形成された基板であり、図3に示した表面弾性波素子を形成した基板の場合、単結晶シリコン基板1上にバッファー層2、導電膜6、圧電薄膜3、保護層4をこの順に積層して形成された基板である。
【0048】
基板50上面には、IDT電極51が形成されており、さらに、IDT電極51を挟むように、IDT電極52,53が形成されている。IDT電極51〜53は、例えばAl又はAl合金によって形成されたもので、それぞれの厚みはIDT電極51〜53各々のピッチの100分の1程度に設定されている。IDT電極51を構成する一方の櫛歯状電極51aには、高周波信号源54が接続されており、他方の櫛歯状電極51bには、信号線が接続されている。なお、IDT電極51は、電気信号印加用電極に相当し、IDT電極52,53は、IDT電極51によって発生される表面弾性波の特定の周波数成分又は特定の帯域の周波数成分を共振させる共振用電極に相当する。
【0049】
前記構成において、高周波信号源54から高周波信号が出力されると、この高周波信号は、IDT電極51の一方の櫛歯状電極51aに印加され、これによって基板50の上面にIDT電極52側に伝播する表面弾性波及びIDT電極53側に伝播する表面弾性波が発生する。なお、この表面弾性波の速度は5000m/s程度である。これらの表面弾性波の内の特定の周波数成分の表面弾性波は、IDT電極52及びIDT電極53で反射され、IDT電極52とIDT電極53との間には定在波が発生する。この特定の周波数成分の表面弾性波がIDT電極52,53で反射を繰り返すことにより、特定の周波数成分又は特定の帯域の周波数成分が共振して、振幅が増大する。この特定の周波数成分又は特定の帯域の周波数成分の表面弾性波の一部は、IDT電極51の他方の櫛歯状電極51bから取り出され、IDT電極52とIDT電極53との共振周波数に応じた周波数(又はある程度の帯域を有する周波数)の電気信号が端子55aと端子55bに取り出すことができる。
【0050】
図6は、本発明の発振器(表面弾性波素子)をVCSO(Voltage Controlled SAW Oscillator:電圧制御SAW発振器)に応用した場合の一例を示す図であり、(a)は側面透視図であり、(b)は上面透視図である。
VCSOは、金属製(Al又はステンレススチール製)の筐体60内部に実装されて構成されている。基板61上には、IC(Integrated Circuit)62及び発振器63が実装されている。この場合、IC62は、外部の回路(不図示)から入力される電圧値に応じて、発振器63に印加する周波数を制御する発振回路である。
【0051】
発振器63は、基板64上に、IDT電極65a〜65cが形成されており、その構成は、図5に示した発振器とほぼ同様である。なお、基板64には、先の第4実施形態と同様に、例えば図1に示した表面弾性波素子を形成した基板、あるいは図3に示した表面弾性波素子を形成した基板が用いられている。
【0052】
基板61上には、IC62と発振器63とを電気的に接続するための配線66がパターニングされている。IC62及び配線66が例えば金線等のワイヤー線67によって接続され、発振器63及び配線66が金線等のワイヤー線68によって接続されることにより、IC62と発振器63とが配線66を介して電気的に接続されている。
【0053】
また、前記のVCSOは、IC62と発振器(表面弾性波素子)63を同一基板上に集積させて形成することも可能である。
図7に、IC62と発振器63とを集積させたVCSOの概略図を示す。なお、図7中においては、発振器63は、第1実施形態における表面弾性波素子の構造を有するものとし、図1及び図6と同一の構成部材には、同一の符号を付している。
図7に示すように、VCSOは、IC62と発振器63とにおいて、単結晶シリコン基板61(1)を共有させて形成されている。IC62と、発振器63に備えられた電極65aとは、図示しないものの電気的に接続されている。本実施形態では、IC62を構成するトランジスタとして、特に、TFT(薄膜トランジスタ)を採用している。
【0054】
IC62を構成するトランジスタとしてTFTを採用することにより、本実施形態では、まず、単結晶シリコン基板61上に発振器(表面弾性波素子)63を形成し、その後、単結晶シリコン基板61とは別の第2の基板上で形成したTFTを、単結晶シリコン基板61上に転写させて、TFTと発振器63を集積させることができる。したがって、基板上にTFTを直接形成させることが困難か、形成させることが適さない材料であっても、転写により好適に形成させることが可能となる。転写方法については、種々の方法が採用可能であるが、特に、特開平11−26733号公報に記載の転写方法が好適に採用できる。
【0055】
図6及び図7に示したVCSOは、例えば、図8に示すPLL回路のVCO(Voltage Controlled Oscillator)として用いられる。ここで、PLL回路について簡単に説明する。
【0056】
図8はPLL回路の基本構成を示すブロック図であり、この図8に示すようにPLL回路は、位相比較器71、低域フィルタ72、増幅器73、及びVCO74から構成されている。位相比較器71は、入力端子70から入力される信号の位相(又は周波数)とVCO74から出力される信号の位相(又は周波数)とを比較し、その差に応じて値が設定される誤差電圧信号を出力するものである。低域フィルタ72は、位相比較器71から出力される誤差電圧信号の位置の低周波成分のみを通過させるものであり、増幅器73は、低域フィルタ72から出力される信号を増幅するものである。VCO74は、入力された電圧値に応じて発振する周波数がある範囲で連続的に変化する発振回路である。
【0057】
このような構成のもとにPLL回路は、入力端子70から入力される位相(又は周波数)とVCO74から出力される信号の位相(又は周波数)との差が減少するように動作し、VCO74から出力される信号の周波数を入力端子70から入力される信号の周波数に同期させる。VCO74から出力される信号の周波数が入力端子70から入力される信号の周波数に同期すると、その後は一定の位相差を除いて入力端子70から入力される信号に一致し、また、入力信号の変化に追従するような信号を出力するようになる。
【0058】
〔第5実施形態〕
図9に、第5実施形態である電子回路の電気的構成をブロック図で示す。なお、図9に示す電子回路は、例えば、図10に示す携帯電話機100の内部に設けられる回路である。ここで、図10に示した携帯電話機100は、本発明の電子機器の一例としてのもので、アンテナ101、受話器102、送話器103、液晶表示部104、及び操作釦部105等を備えて構成されたものである。
【0059】
図9に示した電子回路は、前記携帯電話機100内に設けられる電子回路の基本構成を有したもので、送話器80、送信信号処理回路81、送信ミキサ82、送信フィルタ83、送信電力増幅器84、送受分波器85、アンテナ86a,86b、低雑音増幅器87、受信フィルタ88、受信ミキサ89、受信信号処理回路90、受話器91、周波数シンセサイザ92、制御回路93、及び入力/表示回路94を備えて構成されたものである。なお、現在実用化されている携帯電話機は、周波数変換処理を複数回行っているため、その回路構成はより複雑となっている。
【0060】
送話器80は、例えば音波信号を電気信号に変換するマイクロフォン等で実現されるもので、図10に示す携帯電話機100中の送話器103に相当するものである。送信信号処理回路81は、送話器80から出力される電気信号に対して、例えばD/A変換処理、変調処理等の処理を施す回路である。送信ミキサ82は、周波数シンセサイザ92から出力される信号を用いて送信信号処理回路81から出力される信号をミキシングするものである。なお、送信ミキサ82に供給される信号の周波数は、例えば380MHz程度である。送信フィルタ83は、中間周波数(以下、「IF」と表記する)の必要となる周波数の信号のみを通過させ、不要となる周波数の信号をカットするものである。なお、送信フィルタ83から出力される信号は、図示しない変換回路によってRF信号に変換されるようになっている。このRF信号の周波数は、例えば1.9GHz程度である。送信電力増幅器84は、送信フィルタ83から出力されるRF信号の電力を増幅し、送受分波器85へ出力するものである。
【0061】
送受分波器85は、送信電力増幅器84から出力されるRF信号をアンテナ86a,86bへ出力し、アンテナ86a,86bから電波の形で送信するものである。また、送受分波器85は、アンテナ86a,86bで受信した受信信号を分波して、低雑音増幅器87へ出力するものである。なお、送受信分波器85から出力される受信信号の周波数は、例えば2.1GHz程度である。低雑音増幅器87は、送受分波器85からの受信信号を増幅するものである。なお、低雑音増幅器87から出力される信号は、図示しない変換回路によってIFに変換されるようになっている。
【0062】
受信フィルタ88は、図示しない変換回路によって変換されたIFの必要となる周波数の信号のみを通過させ、不要となる周波数の信号をカットするものである。受信ミキサ89は、周波数シンセサイザ92から出力される信号を用いて、送信信号処理回路81から出力される信号をミキシングするものである。なお、受信ミキサ89に供給される中間周波数は、例えば190MHz程度である。受信信号処理回路90は、受信ミキサ89から出力される信号に対して、例えばA/D変換処理、復調処理等の処理を施す回路である。受話器91は、例えば電気信号を音波に変換する小型スピーカ等で実現されるもので、図10に示した携帯電話機100中の受話器102に相当するものである。
【0063】
周波数シンセサイザ92は、送信ミキサ82へ供給する信号(例えば、周波数380MHz程度)及び受信ミキサ89へ供給する信号(例えば、周波数190MHz)を生成する回路である。なお、周波数シンセサイザ92は、例えば760MHzの発振周波数で発信するPLL回路を備え、このPLL回路から出力される信号を分周して周波数が380MHzの信号を生成し、さらに分周して周波数が190MHzの信号を生成するようになっている。制御回路93は、送信信号処理回路81、受信信号処理回路90、周波数シンセサイザ92、及び入力/表示回路94を制御することにより、携帯電話機の全体動作を制御するものである。入力/表示回路94は、図10に示した携帯電話機100の使用者に対して機器の状態を表示したり、操作者の指示を入力するためのものであり、例えばこの携帯電話機100の液晶表示部104及び操作釦部105に相当するものである。
【0064】
以上の構成の電子回路において、送信フィルタ83及び受信フィルタ88として、図4に示した周波数フィルタが用いられている。フィルタリングする周波数(通過させる周波数)は、送信ミキサ82から出力される信号の内の必要となる周波数、及び、受信ミキサ89で必要となる周波数に応じて送信フィルタ83及び受信フィルタ88で個別に設定されている。また、周波数シンセサイザ92内に設けられるPLL回路は、図8に示したPLL回路のVCO74として、図5に示した発振器又は図6及び図7に示した発振器(VCSO)を設けたものである。
【0065】
以上、本発明の実施形態による表面弾性波素子、周波数フィルタ、発振器及びその製造方法、電子回路、及び電子機器(携帯電話機100)について説明したが、本発明は、前記実施形態に制限されず、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。
例えば、前記実施形態においては電子機器として携帯電話機を、電子回路として携帯電話機内に設けられる電子回路をその一例として挙げ、説明したが、本発明は携帯電話機に限定されることなく、種々の移動体通信機器及びその内部に設けられる電子回路に適用することができる。
【0066】
さらに、移動体通信機器のみならずBS及びCS放送を受信するチューナ等の据置状態で使用される通信機器及びその内部に設けられる電子回路にも適用することができる。さらには、通信キャリアとして空中を伝播する電波を使用する通信機器のみならず、同軸ケーブル中を伝播する高周波信号又は光ケーブル中を伝播する光信号を用いるHUB等の電子機器及びその内部に設けられる電子回路にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態に係る表面弾性波素子を示す側断面図である。
【図2】(a)〜(c)はLiNbO3薄膜のX線回折の結果図である。
【図3】第2の実施形態に係る表面弾性波素子を示す側断面図である。
【図4】第3の実施形態に係る周波数フィルタを示す斜視図である。
【図5】第4の実施形態に係る発振器を示す斜視図である。
【図6】図5の発振器をVCSOに応用した一例を示す概略図である。
【図7】図5の発振器をVCSOに応用した一例を示す概略図である。
【図8】PLL回路の基本構成を示すブロック図である。
【図9】第5の実施形態に係る電子回路の構成を示すブロック図である。
【図10】電子機器の実施形態としての携帯電話機を示す斜視図である。
【符号の説明】
1…単結晶シリコン基板(単結晶基板)、2…バッファー層、3…圧電薄膜、
4…保護膜、5…電極、6…導電膜
Claims (16)
- 単結晶基板と、該単結晶基板上に形成された結晶膜からなるバッファー層と、該バッファー層上に形成された六方晶系または三方晶系の結晶構造を有する圧電薄膜とを備えてなることを特徴とする表面弾性波素子。
- 前記単結晶基板が単結晶シリコン基板であることを特徴とする請求項1記載の表面弾性波素子。
- 前記単結晶シリコン基板は面方位(111)であることを特徴とする請求項2記載の表面弾性波素子。
- 前記バッファー層はエピタキシャル膜であることを特徴とする請求項2又は3のいずれかに記載の表面弾性波素子。
- 前記バッファー層は希土類酸化物からなることを特徴とする請求項2〜4のいずれかに記載の表面弾性波素子。
- 前記単結晶基板の表面にはシリコン酸化物からなる自然酸化膜が形成されていることを特徴とする請求項5記載の表面弾性波素子。
- 前記圧電薄膜はエピタキシャル膜であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の表面弾性波素子。
- 前記六方晶系または三方晶系の結晶構造を有する圧電薄膜は、ZnO、AlN、LiTaO3、LiNbO3、LiNb1−xTaxO3、(0<x<1)のいずれかであることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の表面弾性波素子。
- 前記バッファー層と圧電薄膜との間に、導電膜が設けられたことを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の表面弾性波素子。
- 前記導電膜は金属または六方晶系酸化物からなることを特徴とする請求項9記載の表面弾性波素子。
- 前記導電膜が六方晶系酸化物からなる場合に、この六方晶系酸化物は、酸素欠損による電子キャリア型の酸化亜鉛であることを特徴とする請求項10記載の表面弾性波素子。
- 前記導電膜はエピタキシャル膜であることを特徴とする請求項9〜11のいずれかに記載の表面弾性波素子。
- 請求項1〜12のいずれか一項に記載の表面弾性波素子が備える前記圧電薄膜、又は該圧電薄膜上に配設された保護膜の上に形成された第1の電極と、
前記圧電薄膜又は前記保護膜の上に形成され、前記第1の電極に印加される電気信号によって前記圧電薄膜に生ずる表面弾性波の特定の周波数又は特定の帯域の周波数に共振して電気信号に変換する第2の電極と、
を備えることを特徴とする周波数フィルタ。 - 請求項1〜12のいずれか一項に記載の表面弾性波素子が備える前記圧電薄膜、又は該圧電薄膜上に配設された保護膜の上に形成され、印加される電気信号によって前記圧電薄膜に表面弾性波を発生させる電気信号印加用電極と、
前記圧電薄膜又は前記保護膜の上に形成され、前記電気信号印加用電極によって発生される表面弾性波の特定の周波数成分又は特定の帯域の周波数成分を共振させる共振用電極とトランジスタとを含む発振回路と、
を備えることを特徴とする発振器。 - 請求項14記載の発振器と、
前記発振器に設けられている前記電気信号印加用電極に対して前記電気信号を印加する電気信号供給素子とを備えてなり、
前記電気信号の周波数成分から特定の周波数成分を選択し、若しくは特定の周波数成分に変換し、又は、前記電気信号に対して所定の変調を与え、所定の復調を行い、若しくは所定の検波を行う機能を有することを特徴とする電子回路。 - 請求項13記載の周波数フィルタ、請求項14記載の発振器、及び請求項15記載の電子回路のうち少なくとも1つを有することを特徴とする電子機器。
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