JP2005265423A

JP2005265423A - 表面弾性波デバイス

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Publication number: JP2005265423A
Application number: JP2004073804A
Authority: JP
Inventors: Naoteru Shigekawa; 直輝重川; Kazumi Nishimura; 一巳西村
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2004-03-16
Filing date: 2004-03-16
Publication date: 2005-09-29

Abstract

【課題】ガスセンサとして用いられる、櫛形電極を有する表面弾性波デバイスであって、高感度化、高精度化及び集積化を可能とする表面弾性波デバイスを提供すること。
【解決手段】サファイア（０００１）基板１−０上に、表面弾性波の反射手段となるメサ端面１−７を有し、（０００１）方向に配向する高抵抗ＧａＮからなる伝搬層１−２を形成し、伝搬層１−２上に、２組の櫛形電極１−４、１−５と、特定の気体分子を選択的に吸着するガス吸着層１−６とを形成することによって、ガスセンサとして用いられる、表面弾性波デバイスを構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電性材料からなる伝搬層上に櫛形電極を形成することにより形成される表面弾性波（以下、ＳＡＷと略記する）デバイスに関し、特に、ガスセンサとして用いられるＳＡＷデバイスに関する。

従来のＳＡＷデバイスからなるガスセンサについて説明する。

［第１の従来例］
図３は、第１の従来例であるガスセンサ（例えば水素センサ）の構造を示す説明図である。図中、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のａ−ａ’断面図である。同図において、圧電性材料からなる基板（例えば１２８度回転Ｙカットニオブ酸リチウム基板）３−０上に、電極長２μｍ、電極間隔２μｍ、電極幅５００μｍ、対数（対の数）４０の２組の櫛形電極３−４及び３−５が、距離２．５ｍｍを伴って対向する位置（Ｘ方向）に形成され、両櫛形電極間にＳＡＷの行路が形成される。櫛形電極の各組においては、２つの単一櫛形電極が、一方の櫛の歯の間に他方の櫛の歯が介在する形で配置されていて、この構成は、本発明に係るＳＡＷデバイスを含めて、以下の例においても同様である。単一櫛形電極の歯の数を櫛形電極の対数とする。上記「電極長」は櫛の歯の幅であり、「電極間隔」は一方の単一櫛形電極の歯と他方の単一櫛形電極の歯との間の間隔であり、「電極幅」は一方の単一櫛形電極の歯が他方の単一櫛形電極の歯と対向する部分の長さである。更に、ＳＡＷの行路上の基板３−０表面に、特定のガス分子を吸着する性質を有するガス吸着層３−６（例えば水素センサにおいては厚さ２０ｎｍのＰｄからなる層）が局所的に形成される。

本デバイスは中心周波数ｆ_０のバンドパスフィルタとして機能する。ここでｆ_０は、電極長Ｌ、電極間隔Ｓ、ＳＡＷの伝搬遠度ｖ_０によってｆ_０＝ｖ_０/(２(Ｌ＋Ｓ)）により規定される。本従来例で用いられる１２８度回転Ｙカットニオブ酸リチウム基板においては、Ｘ方向のＳＡＷの伝搬速度ｖ_０は３９９２ｍ/ｓであるため、ｆ_０＝４９９ＭＨｚとなる。

櫛形電極の一方（例えば３−４）に交流の電気信号を入力する（櫛形電極を構成する２つの単一櫛形電極間に交流の電気信号を印加する）。電気信号の周波数がｆ_０の場合に最も効率よくＳＡＷが励振される。基板３−０中に励振されるＳＡＷの成分は基板３−０の表面付近を櫛形電極３−５方向へ伝搬する。櫛形電極３−５においてＳＡＷは電気信号に変換されデバイス外部へ出力される。

本デバイスが検出対象であるガス雰囲気にさらされると、ガス吸着層３−６にガス分子が吸着しガス吸着層３−６の質量が変化する。その結果、質量負荷効果によってガス吸着層３−６直下のＳＡＷ伝搬速度が変化する。伝搬速度の変化は、例えば櫛形電極間（３−４と３−５との間）の伝搬遅延時間の変化として検出される。ＳＡＷの伝搬速度は環境温度によっても変化するため、本実施の形態においては、同一の寸法を有し、ガス吸着層が形成されていないＳＡＷデバイスを参照用デバイスとして用い、両デバイス間の伝搬遅延時間の差を測定することによって、ガス吸着による伝搬遅延時間の変化を知ることができ、小型かつ堅牢な高精度ガスセンサとしての機能が実現する。

本従来例のセンサとしての機能はガス吸着層３−６直下のＳＡＷ伝搬速度の変化に基づくため、その感度はＳＡＷの行路を覆うガス吸着層３−６の長さに依存する。則ち、ガス吸着層３−６の長さはＳＡＷ行路長（櫛形電極３−４、３−５間の距離）によって制限される。本従来例においては、ＳＡＷの行路長は２．５ｍｍであるが、その行路が基板３−０のＸ軸方向に形成されるのであるから、実現可能な行路長は用いられるチップサイズ、更には基板の直径により制限される。例えば直径３インチの基板においては、行路長の上限値は７．６２ｃｍとなる。

更に、本従来例においては、櫛形電極３−４において励振されたＳＡＷの一部は、櫛形電極３−５とは逆方向のデバイス外部へ漏洩する。また、櫛形電極３−５方向へ伝搬したＳＡＷのエネルギーは全て電気信号に変換されるわけではなく、その一部は櫛形電極３−５を通過し、デバイス外部へ漏洩する。これらのＳＡＷは、本デバイスに近接して他のＳＡＷデバイスを形成する場合、近接するデバイスの櫛形電極に到達し、そこで電気信号に変換される可能性がある。

則ち、本実施の形態においてはＳＡＷデバイス間の分離が不十分であり、本従来例によるＳＡＷデバイスを複数個集積し種々のガスに対するセンサ機能を実現する場合、個々のデバイスを実装用基板にハイブリッド実装する事が必要となる。

［第２の従来例］
第２の従来例であるガスセンサとしての機能を有するＳＡＷデバイスの構造を説明する。本構造は、下記非特許文献１において開示されたものであり、図４がその構造を示す説明図である。同図において、圧電性材料である直径１０ｍｍの水晶球４−１上に、Ｚ軸を中心軸とする赤道上をＳＡＷが周回するように電極長１７．５μｍ、電極幅７００μｍの１０対の櫛形電極一組４−４が形成されている。更に水晶球４−１の球面上に所定のガス分子（本従来例では水素）を選択的に吸着するガス吸着層（本従来例では厚さ２０ｎｍのＰｄ）４−６が形成されている。

本デバイスが水素雰囲気にさらされると、ガス吸着層４−６へ水素分子の吸着が生じ、ガス吸着層４−６の質量が増加する。赤道上を周回するＳＡＷの伝搬速度はその影響を受けて変化する。本従来例においては、ＳＡＷは複数回（回数が多いほと感度が向上する）赤道上を周回し、その間ガス吸着層４−６の質量変化を受け続けるのであるから、ＳＡＷ行路長は実効的に著しく大きい。則ち、高感度を有するセンサ機能の実現が期待される。

ところが、ガスセンサの感度は周波数ｆ_０の三乗に比例するため、高感度を実現させるためには、長い行路長に加えて、高い周波数ｆ_０での動作が要求される。高い周波数ｆ_０を実現する手段としては櫛形形電極の微細化が不可欠であり、第１の従来例と同様に電極長を２μｍ程度まで微細化することが望ましい。しかしながら本従来例においては櫛形電極４−４の電極長は１７．５μｍと著しく長い。曲率を有する面である球面上へ櫛形電極が形成されるのであるから、原理的に微細な櫛形電極パターンの形成は著しく困難である。

更に、上述の通り、高精度なセンサ機能を実現するためには温度変化を補正するための参照用デバイスが不可欠であるが、本従来例においては、同一球面上に参照用のデバイスの作成が不可能である。代替手法としては、球面上に熱電対などの温度センサを形成し、測定された水晶球表面の温度と予め測定した温度補正係数から温度補正を行うという手法が考えられるが、参照用デバイスを用いて行う補正と比較して精度が低いという問題がある。

更に、同一水晶球上には１種類のガスを検出するセンサのみが形成可能であるので、ＳＡＷデバイスを複数個集積し種々のガスに対するセンサ機能を実現する場合、個々のデバイスを実装用基板にハイブリッド実装する事が必要となる。

則ち、第２の従来例においては、実効的に長いガス吸着層を実現できるという特徴があるものの、平坦な基板上にセンサを形成する場合と比較して、櫛形電極の微細化が困難、同一球面上に参照用デバイスの作成が不可能であるため高精度化が困難、集積化のためにはハイブリッド実装が必要、という問題点が存在する。

「第２４回超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウム（平成１５年１１月１２日東京）」予稿集ｐｐ．４７−４８．

このように、従来のガスセンサとしての機能を有するＳＡＷデバイスにおいては、実効的に長いＳＡＷ行路長の実現、櫛形電極の微細化、参照用デバイスの形成、を同時に実現し得ないという問題点、及び、同一基板もしくは同一球面上でＳＡＷデバイスの集積化が困難であるという問題点があった。

本発明はこの問題点を解決するためになされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、ガスセンサとしての高感度化、高精度化及び集積化を可能とする表面弾性波デバイスを提供することである。

本発明においては、上記課題を解決するために、請求項１に記載のように、
基板上に形成され、圧電性材料からなる伝搬層と、前記伝搬層中に表面弾性波を励振する櫛形電極と、前記伝搬層の表面弾性波を電気信号に変換する、前記櫛形電極とは必ずしも異ならない櫛形電極と、前記伝搬層の表面に形成され特定の気体分子を選択的に吸着するガス吸着層とを構成要素とする表面弾性波デバイスにおいて、
前記伝搬層における表面弾性波の伝搬速度が面内等方性を有し、前記伝搬層を伝搬する表面弾性波を特定の箇所で特定の方向に反射する反射手段が設けられていることを特徴とする表面弾性波デバイスを構成する。

また、本発明においては、請求項２に記載のように、
前記伝搬層における表面弾性波の伝搬速度が前記基板中の音速よりも低く、前記反射手段が前記伝搬層のメサ端面であることを特徴とする請求項１に記載の表面弾性波デバイスを構成する。

また、本発明においては、請求項３に記載のように、
前記基板が（０００１）サファイア基板もしくは（０００１）ＳｉＣ基板であり、前記伝搬層が、（０００１）方向に配向する III 族元素の窒化物であるＢ_ｘＡｌ_ｙＧａ_ｚＩｎ_ｕＮ（ここに、０≦ｘ、０≦ｙ、０≦ｚ、０≦ｕ、ｘ＋ｙ＋ｚ＋ｕ＝１である）からなる結晶層または複数の前記結晶層の積層体であることを特徴とする、請求項１または２に記載の表面弾性波デバイスを構成する。

表面弾性波を反射する手段を設けることにより、表面弾性波の行路長を長くすることができ、ガスセンサとしての高感度化、高精度化及び集積化を可能とする表面弾性波デバイスを提供することができる。

次に、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。

［実施の形態１］
図１は本発明に係る第１の実施の形態を示す説明図である。図中、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のａ−ａ’断面図である。同図において、１−０はサファイア（０００１）基板、１−２は、圧電性材料からなる伝搬層である、例えばＭＯＣＶＤ法もしくはＭＢＥ法により形成される（０００１）方向に配向する高抵抗ＧａＮからなる伝搬層、１−３は、例えば塩素系ガスによるドライエッチングにより伝搬層１−２を基板までエッチングすることにより形成されるメサ構造、１−４及び１−５は、それぞれ、所定の電極長（例えば２μｍ）、電極間隔（例えば２μｍ）、電極幅（例えば５００μｍ）、対数（例えば４０）を有する櫛形電極である。１−６は特定の気体分子を選択的に吸着するガス吸着層である。

本実施の形態のガスセンサとしての動作原理は上記第１の従来例と同様である。則ち、一方の櫛形電極（例えば１−４）に周波数ｆ_０（本実施の形態では５８９ＭＨｚ）の電気信号を入力し、伝搬層１−２中にＳＡＷを励振する。励振されたＳＡＷは伝搬層１−２中を伝搬し、伝搬層１−２を伝搬する表面弾性波を特定の箇所で特定の方向に反射する反射手段であるメサ端面１−７によって全反射され、櫛形電極１−５方向へ伝搬する。櫛形電極１−５において、ＳＡＷは入力信号と同一周波数の電気信号に変換され出力される。ＳＡＷの行路である伝搬層１−２表面上にガス吸着層１−６が形成されており、所定の気体分子吸着時に、ガス吸着層１−６の質量変化によってＳＡＷの伝搬遅延時間が変化する。則ち、ガスセンサとしての機能が実現する。なお、上記の使用状態においては、櫛形電極１−４が伝搬層中に表面弾性波を励振する櫛形電極であり、櫛形電極１−５が伝搬層の表面弾性波を電気信号に変換する櫛形電極である。

本実施の形態においては、伝搬層１−２はＳＡＷの伝搬速度が面内等方性を有する圧電性材料である（０００１）ＧａＮから形成されているのであるから、メサ端面１−７による反射後もＳＡＷの波面は崩れることなく他方の櫛形電極１−５に到達する。

本実施の形態においては、ｆ_０から求まるＳＡＷの伝搬速度は４７２０ｍ/ｓである。（０００１）サファイア基板１−０中の音速は５５５０ｍ/ｓであり、その値はＳＡＷの伝搬速度よりも大きい。従って、サファイア基板１−０はＳＡＷを伝搬層１−２中に閉じこめる作用を有し、メサ構造の外部へのＳＡＷの漏洩は抑制される。従って、多数のセンサを同一基板上に形成し、複数種のガス分子に対してのセンサ機能を１チップで実現する場合においても、各センサ内で励振されたＳＡＷは各センサ内部に閉じこめられるので、センサ間での混信、それによる誤動作の可能性は著しく低く、従って高精度なセンサ機能が実現する。

本実施の形態においては、１つの特定の箇所にあるメサ端面１−７でＳＡＷが反射される場合について説明しているが、それを拡張し、所定の個数のメサ端面を適宜配置した構成とすることにより、ＳＡＷの行路が折り返され、任意のデバイス形状が実現する。その結果、チップサイズ或いはウェハ直径とは無関係に所望のＳＡＷ行路長を有するガスセンサが実現する。

本実施の形態においては、第１の従来例と同様に、平面基板上にＳＡＷデバイスが作成されるのであるから、所望の精度による櫛形電極の微細化が可能である。更に、ガス吸着層を形成することなく同一形状のデバイスを作成することにより参照用デバイスが実現する。

［実施の形態２］
図２は本発明に係る第２の実施の形態を示す説明図である。図中、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のａ−ａ’断面図である。同図において、２−０はサファイア（０００１）基板、２−２は、圧電性材料からなる伝搬層である、例えばＭＯＣＶＤ法もしくはＭＢＥ法により形成される（０００１）方向に配向する高抵抗ＧａＮからなる伝搬層、２−３は、例えば塩素系ガスによるドライエッチングにより伝搬層２−２を基板までエッチングすることにより形成されるメサ構造、２−４は所定の電極長（例えば２μｍ）、電極間隔（例えば２μｍ）、電極幅（例えば５００μｍ）、対数５（例えば４０）を有する櫛形電極、２−６は特定の気体分子を選択的に吸着するガス吸着層、２−７、２−８、２−９、２−１０はＳＡＷを所定の方向へ全反射するメサ端面である。メサ端面２−７、２−８、２−９、２−１０は、伝搬層２−２を伝搬する表面弾性波を特定の箇所で特定の方向に反射する反射手段を構成している。

本実施の形態においては、櫛形電極２−４において励振されたＳＡＷは伝搬層２−２中を伝搬する過程で４箇所のメサ端面２−７、２−８、２−９、２−１０において全反射された後、再び櫛形電極２−４に到達する。第１の実施の形態と同様に伝搬層２−２はＳＡＷの伝搬速度が面内等方性を有する圧電性材料である（０００１）ＧａＮから形成されているのであるから、各メサ端面による反射後もＳＡＷの波面は崩れることはない。従って、本実施の形態においては、ＳＡＷはループ状の行路を複数回周回し、著しく長い行路長が実現する。則ち、高感度を有するガスセンサとしての機能が実現する。なお、櫛形電極２−４は、伝搬層中に表面弾性波を励振する櫛形電極であるとともに、伝搬層の表面弾性波を電気信号に変換する櫛形電極でもある。

なお、本実施の形態におけるメサ構造は例えば差し渡しで数ｍｍ程度の大きさを有するが、センサの設置条件などにより任意の形状とする事が可能である。

本実施の形態においても、櫛形電極及びＳＡＷ行路がメサ構造上に形成されており、かつ、サファイア基板はＳＡＷを伝搬層中に閉じこめる作用を有するので、ＳＡＷのデバイス外部への漏洩は生じ得ない。従って、多数のセンサを同一基板上に形成し、複数種のガス分子に対してのセンサ機能を１チップで実現する場合においても、センサ間での混信、それによる誤動作の可能性は著しく低く、従って高精度なセンサ機能が実現する。

本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、所定の箇所にメサ端面を適宜配置することにより、任意のデバイス形状が実現する。更に、平面基板上にＳＡＷデバイスが作成されるのであるから、所望の精度による櫛形電極の微細化が可能である。更に、ガス吸着層を形成せずに同一形状のデバイスを作成することにより参照用デバイスが実現する。

以上、（０００１）サファイア基板上にＭＯＣＶＤ法もしくはＭＢＥ法により形成される（０００１）高抵抗ＧａＮからなる伝搬層について、本発明の実施の形態に関する説明を行ったが、他の材料・手法・構造によっても本発明の効果を実現できる。基板としては、高いＳＡＷ伝搬速度（６８３０ｍ/ｓ）を有するＳｉＣ基板を用いることが可能である。また、伝搬層としては、例えば、ＧａＮではなく、ＡｌＮ、ＩｎＮ、或いはＡｌＧａＮ等これらの混晶、或いはこれらの積層構造により形成することが可能である。則ち、伝搬層として、（０００１）方向に配向する III 族元素の窒化物であるＢ_ｘＡｌ_ｙＧａ_ｚＩｎ_ｕＮ（ここに、０≦ｘ、０≦ｙ、０≦ｚ、０≦ｕ、ｘ＋ｙ＋ｚ＋ｕ＝１である）からなる結晶層または複数の前記結晶層の積層体を用いる事ができる。例えば、スパッタ法により（０００１）方向に配向するＡｌＮからなる伝搬層を形成することが可能である。伝搬層形成がスパッタ法による場合は、基板上に予め所定の櫛形電極を形成し、それらを覆うように伝搬層を形成するという手法が可能である。

また、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ等の基板上にＡｌＧａＮ／ＧａＮからなるヘテロ構造を作成し、それを加工することにより電界効果トランジスタが実現することは既知の事実である。本発明によるＳＡＷデバイスをそれらトランジスタと同一基板上で集積すれば、高度なセンサ機能が実現することは明らかである。

本発明に係る第１の実施の形態を示す説明図である。本発明に係る第２の実施の形態を示す説明図である。第１の従来例を示す説明図である。第２の従来例を示す説明図である。

符号の説明

１−０…基板、１−２…伝搬層、１−３…メサ構造、１−４、１−５…櫛形電極、１−６…ガス吸着層、１−７…メサ端面、２−０…基板、２−２…伝搬層、２−３…メサ構造、２−４…櫛形電極、２−６…ガス吸着層、２−７、２−８、２−９、２−１０…メサ端面、３−０…基板、３−４、３−５…櫛形電極、３−６…ガス吸着層、４−１…水晶球、４−４…櫛形電極、４−６…ガス吸着層。

Claims

基板上に形成され、圧電性材料からなる伝搬層と、前記伝搬層中に表面弾性波を励振する櫛形電極と、前記伝搬層の表面弾性波を電気信号に変換する、前記櫛形電極とは必ずしも異ならない櫛形電極と、前記伝搬層の表面に形成され特定の気体分子を選択的に吸着するガス吸着層とを構成要素とする表面弾性波デバイスにおいて、
前記伝搬層における表面弾性波の伝搬速度が面内等方性を有し、前記伝搬層を伝搬する表面弾性波を特定の箇所で特定の方向に反射する反射手段が設けられていることを特徴とする表面弾性波デバイス。
前記伝搬層における表面弾性波の伝搬速度が前記基板中の音速よりも低く、前記反射手段が前記伝搬層のメサ端面であることを特徴とする請求項１に記載の表面弾性波デバイス。
前記基板が（０００１）サファイア基板もしくは（０００１）ＳｉＣ基板であり、前記伝搬層が、（０００１）方向に配向する III 族元素の窒化物であるＢ_ｘＡｌ_ｙＧａ_ｚＩｎ_ｕＮ（ここに、０≦ｘ、０≦ｙ、０≦ｚ、０≦ｕ、ｘ＋ｙ＋ｚ＋ｕ＝１である）からなる結晶層または複数の前記結晶層の積層体であることを特徴とする、請求項１または２に記載の表面弾性波デバイス。