JP3704017B2 - 弾性表面波素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、弾性表面波特有の作用を用いたフィルタ、コンボルバ等の弾性表面波素子に関し、特に、ＫＮｂＯ3 単結晶を圧電体層として用い、電気機械結合係数や挿入損失によって表される伝送特性が優れた弾性表面波素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
弾性表面波素子とは、電気信号を弾性体表面を伝播する弾性表面波（Surface Acoustic Wave ）に変換し、特定周波数の信号を取り出すものである。この弾性表面波が圧電体により効率良く励振、受信できることが見い出されて以来、電磁波にはない弾性表面波の優れた性質を利用してフィルタ、コンボルバ等をはじめとする種々の信号機能素子への応用が研究され、広い分野で実用化されている。
図１０に示すように、この弾性表面波素子１４１は、従来、ＬｉＮｂＯ3 、ＬｉＴａＯ3 等からなる圧電体単結晶のブロック１４３上に、電気信号と弾性表面波との間の変換器として機能する櫛歯状電極（Inter-digital Transducer）１１４ａ．１１４ｂを形成することによって作製されていた。
【０００３】
この弾性表面波素子１４１は、弾性体表面を伝播する弾性波の音速ｖと櫛歯状電極１１４ａ．１１４ｂの電極幅ｗとによって適用周波数ｆが決定される。その関係は下記式（１）によって表される。
ｆ＝ｖ／λ＝ｖ／４ｗ （λは弾性表面波の波長） …… （１）
すなわち、電極幅ｗが小さく、音速ｖが大きい程、高周波帯域で使用できることになる。そこでこれを、今後の通信分野等で要求されるＧＨｚ オーダーの高い周波数帯域で用いようとすれば、電極幅に関しては微細加工技術の限界があるので、音速の大きい弾性体材料を選択する必要がある。音速の大きい弾性体材料の一例としてダイヤモンドがあり、特開昭６４−６２９１１号公報には、ダイヤモンド層の上に圧電体層、電極を順次形成した構造を持つ弾性表面波素子が提案されている。
【０００４】
一方、弾性表面波素子の弾性体材料に求められる他の条件として、電気信号と弾性表面波の間の変換効率を示す電気機械結合係数Ｋ2 が大きいことが挙げられる。電気機械結合係数Ｋ2 が大きい程、伝送効率の良い弾性表面波素子が得られる。そこで電気機械結合係数Ｋ2 が大きい素材が探索された結果、圧電性磁器材料として知られるＫＮｂＯ3 が極めて大きな電気機械結合係数Ｋ2 を示すことが見出された。このＫＮｂＯ3 の単結晶は、従来最も大きな電気機械結合係数Ｋ2 を有するとされていたＬｉＮｂＯ3 に比べて、より大きな電気機械結合係数値が得られることが確認され、特に、ＫＮｂＯ3 単結晶の特定の結晶面である（００１）面の〈１００〉軸方向を用いた場合には、ＬｉＮｂＯ3 のＫ2 ＝０．０５５に対してＫ2 ＝０．５３と約１０倍の値が得られた（「ＫＮｂＯ3 圧電体単結晶を用いた超高結合弾性表面波の伝播特性」、山之内和彦他、日本学術振興会弾性波素子技術第１５０委員会第５０回研究会資料、pp27-31（1996.11.27））。
【０００５】
なお、特開平７−９５００６号公報には、基板上にＩＩＩ −Ｖ族化合物膜が形成され、更にその上に３種以上の元素からなる複合酸化物膜が形成された圧電体基板を有する弾性表面波素子が開示されている。そして、上記複合酸化物膜の例としてＫＮｂＯ3 が記載されている。ただし、この公報では、ＫＮｂＯ3 の電気機械結合係数Ｋ2 については何ら言及しておらず、ただ単に３種以上の元素で構成される複合酸化物膜の一例として挙げているにすぎない。
【０００６】
前記のように、弾性表面波素子の圧電体材料としてＫＮｂＯ3 単結晶を用いれば、電気機械結合係数Ｋ2 が大きく、伝送効率の良い弾性表面波素子が実現できる可能性が認められた。しかしそれと同時に、ＫＮｂＯ3 単結晶におけるＫ2 の値は、その結晶構造中における弾性表面波の伝播方向に応じて種々に変化することも判明した。そこで、所望のＫ2 値を有する弾性表面波素子を作製しようとする場合、あるいはＫ2 の値を制御しようとする場合には、電極を形成する面における弾性表面波の伝播方向とＫＮｂＯ3 単結晶の配向方向とを整合させる必要がある。つまり、特定の配向方向を有する結晶面上に、その配向方向に合わせて櫛歯状電極を形成する必要がある。
【０００７】
ところで、ある特定の配向方向を有する結晶面を得るためには、予め結晶方向が判明しているＫＮｂＯ3 単結晶のブロックから図６に示すように、特定の角度θで結晶面をカットオフする（切り出す）という非常に煩雑な操作が必要になる。また、ＫＮｂＯ3 単結晶自体も大きいブロックに成長させることは困難で、工業材料として非常に高価なものである。これらの理由から、ＫＮｂＯ3 単結晶を基材とする弾性表面波素子を実用化することは極めて困難であった。
【０００８】
そこで、ＫＮｂＯ3 単結晶の特定面を結晶ブロックからカットオフするのではなく、何らかの下地基板の上に成膜した薄膜として形成する方法が探索された。しかし、ガラス、Ｐｔ、Ａｌ2Ｏ3、ＧａＡｓ、Ｓｉ等の一般的な基板材料の上に直接ＫＮｂＯ3 をスパッタリングやゾルゲル法等により成膜しても、上下層の結晶どうしの格子整合がとれないため、ＫＮｂＯ3 の単結晶はエピタキシャルに成長しない。この問題を解決するために、PIONEER R&D Vol.7 No.1，「ＳＨＧ用非線形光学結晶薄膜の気相成長」（文献１）およびMat. Res. Soc. Symp. Proc.Vol.271.1992 Materials Research Society,"THE GROWTH OF SINGLE CRYSTAL-LIKE AND POLYCRYSTAL KNbO3 FILMS VIA SOL-GEL PROCESS"（文献２）は、図７に示すように、ペロブスカイト型の結晶構造を持つＳｒＴｉＯ3単結晶のブロックから切り出した下地基板１１２の面上に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）またはゾルゲル法を用いてＫＮｂＯ3 薄膜からなる圧電体層１１３を成膜し、この上に入力側電極１１４ａおよび出力側電極１１４ｂを形成した弾性表面波素子１１１を開示している。また特開平１１−１１６３９７号公報は、図８に示すように、ＬｉＴａＯ3 単結晶のブロックから切り出した下地基板１２２の面上に、例えば物理蒸着法（ＰＶＤ法）によりＫＮｂＯ3 薄膜からなる圧電体層１１３を成膜し、この上に入力側電極１１４ａおよび出力側電極１１４ｂを形成した弾性表面波素子１２１を開示している。
【０００９】
しかしこれらは、いずれも特性的には優れた結果が得られるものの、下地基板１１２または１２２として用いるＳｒＴｉＯ3 にせよＬｉＴａＯ3 にせよ、いずれも大きな（大口径の）単結晶としてブロックに成長させることが難しいために高価であり、実用化は困難であった。また下地基板１１２または１２２と圧電体層１１３との結晶配向の整合性を高めるためには下地基板のカットオフ等の煩雑な加工も必要であった。
【００１０】
そこで本発明者らは先に、特願平１１−８０５５３号において、図９に示すように、ＳｒＴｉＯ3 、ＭｇＯ、Ｐｔ、Ａｌ2Ｏ3、ＧａＡｓ、Ｓｉなどのブロックからなる下地基板１３２と、この下地基板上に成膜された一般式ＳｒＺＯ3 で表されるＳｒＴｉＯ3 、ＳｒＺｒＯ3 、ＳｒＭｏＯ3 、ＳｒＳｎＯ3 、ＳｒＨｆＯ3 等のペロブスカイト型化合物からなるバッファ層１３５と、このバッファ層上に成膜されたＫＮｂＯ3 単結晶からなる圧電体層１１３と、この圧電体層の上面または下面に設けられた入力側電極１１４ａ，出力側電極１１４ｂとを有する弾性表面波素子１３１を提供した。
【００１１】
前記特願平１１−８０５５３号に提供した弾性表面波素子１３１は、ペロブスカイト型の結晶構造を有するＫＮｂＯ3 単結晶からなる圧電体層１１３に接する下層として、格子整合性が良好な一般式ＳｒＺＯ3 で表されるペロブスカイト型化合物を用いたことにより、比較的容易に入手し得る下地基板１３２を用いながら、結晶配向特性の優れたＫＮｂＯ3 圧電体層１１３が薄膜として得られ、この結果、電気機械結合係数Ｋ2 が向上した弾性表面波素子が得られるようになった。しかも、この弾性表面波素子は、ゾルゲル法、レーザアブレーション法、スパッタリング、ＣＶＤ法等、従来から一般に用いられている成膜技術が容易に適用できるので、単結晶ブロックのカットオフ等に比べて遙かに容易かつ低コストに製造でき、更に、前記ＫＮｂＯ3 圧電体層１１３の上に温度安定化層（図示せず）を成膜すれば、温度変化に対する周波数安定性にも優れた弾性表面波素子が得られる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし前記特願平１１−８０５５３号に開示した技術は、あくまでバッファ層１３５となるＳｒＺＯ3 化合物が下地基板１３２上に良好なペロブスカイト型の結晶格子を形成することが前提となる。しかし実際には、基板材料として通常用いられ安価なＡｌ2Ｏ3、Ｓｉ等の上にＳｒＺＯ3 化合物を成膜しても、常に良好なペロブスカイト型の結晶格子を形成するとは限らず、電気機械結合係数および挿入損失によって示される伝送特性が必ずしも満足できるものではなかった。
本発明は前記の課題を解決するためになされたものであって、従ってその目的は、安価な下地基板を用い、しかも優れた電気機械結合係数および挿入損失を有する弾性表面波素子を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために本発明は、Ａｌ ２ Ｏ ３ の単結晶からなる下地基板と、この下地基板上に成膜されたＬｉＴａＯ３ 結晶からなるバッファ層と、このバッファ層上に成膜されたＫＮｂＯ３ 単結晶からなる圧電体層と、この圧電体層に接して配設された電極とを有し、Ａｌ ２ Ｏ ３ 結晶面（１１−２０）からの傾斜角が０．５°〜５°となるように前記下地基板がカットオフされてなることを特徴とする弾性表面波素子を提供する。
【００１４】
本発明の前記弾性表面波素子は、ＫＮｂＯ3 単結晶を良好にエピタキシャル成長させることができるＬｉＴａＯ3 結晶を、その結晶格子が１方向に配向した薄膜として下地基板上に成膜してなるものであるので、高価なＫＮｂＯ3 単結晶やＬｉＴａＯ3 結晶のブロックを基板材料として用いることなく、またこれらの基板材料のブロックを配向面や配向軸を選んでカットオフする煩雑な加工も必要なく、しかも性能的にはＫＮｂＯ3 単結晶単体や、ＬｉＴａＯ3 結晶を基板材料としてこの上にＫＮｂＯ3 単結晶膜を成膜した場合と同様に優れた電気機械結合係数および挿入損失を得ることができる。
【００１５】
また、下地基板として用いるＡｌ２Ｏ３の単結晶、すなわちサファイアは、前記バッファ層となるＬｉＴａＯ３ 結晶がエピタキシャル成長可能な基板材料として６インチほどの大口径のものが生産されており、安価かつ容易に入手でき、また結晶格子整合効果も高い。
【００１６】
さらに本発明は、下地基板であるＡｌ２Ｏ３結晶面（１１−２０）からの傾斜角が０．５°〜５°となるように前記下地基板がカットオフされていることを特徴としている。また、ＫＮｂＯ３ 単結晶の結晶面が（０１０）であることが好ましい。
カットオフ、すなわち結晶格子の特定の面から特定の傾斜角（オフセット角）を設けて面を切り出すことによって、圧電体層のＫＮｂＯ３ 単結晶は、結晶格子が所定の方向に整列配向する、いわゆるエピタキシャル成長が促進され、この弾性表面波素子の電気機械結合係数Ｋ２ および挿入損失ＩＬを大幅に改善することができる。このオフセット角は０．５°〜５°の範囲内とすることが好ましい。
【００１７】
前記において圧電体層は、電界印加による分極処理を施されていることが好ましい。
これによって、この弾性表面波素子の電気機械結合係数Ｋ2 および挿入損失ＩＬは更に向上する。電界印加は、加熱下に圧電体層の厚み方向に電圧を印加することによって行うことができる。この際の温度は１００℃〜８００℃の範囲内、電圧は１００V 〜１０kVの範囲内とすることが好ましい。
【００１８】
前記において圧電体層の上層には、温度変化に対して周波数特性を安定化させる温度安定化層が設けられていることが好ましい。またこの温度安定化層は、ＳｉＯ2 からなることが好ましい。
圧電体層の上層に温度安定化層を設けることによって周波数温度係数ＴＣＦが小さくなり、温度変化に抗して安定した周波数特性を有する弾性表面波素子が得られる。ＳｉＯ2 層は、圧電体層の熱的歪みを緩和し弾性表面波素子の周波数温度係数ＴＣＦを小さくする効果がある。この温度安定化層の厚みは１００nm〜１００００nmの範囲内とすることが好ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を実施例により図面を用いて具体的に説明する。ただし以下の実施例は本発明を何ら制限するものではない。
（実施例１）
図１は、本発明の弾性表面波素子の一実施例を示している。この弾性表面波素子１１は、入力信号から特定周波数の信号を取り出す弾性表面波フィルタとしての機能を有している。
【００２０】
図１に示すように、この弾性表面波素子１１は、下地基板１２上に順次、バッファ層１３、および圧電体層１４が成膜され、この圧電体層１４に接して、間隙Ｌを隔てて櫛歯状の電極１５ａ，１５ｂが配設されてなっている。
下地基板１２はＡｌ2Ｏ3単結晶、すなわちサファイアのブロックからなり、成膜面におけるＡｌ2Ｏ3単結晶の結晶面および櫛歯状電極の方向、すなわち弾性表面波の伝播する方向（図１のＬ方向）に垂直な方向での結晶軸の配向は（１１−２０）〈２−２１〉となっている。この結晶面は通称サファイアＡ面と呼ばれ、ＬｉＴａＯ3 結晶がエピタキシャル成長可能な結晶格子を有している。
バッファ層１３は、ＬｉＴａＯ3 結晶からなり、その結晶面および前記サファイア結晶軸〈２−２１〉方向にエピタキシャル成長する結晶軸の配向は（１１−２０）〈２−２１〉となっている。
圧電体層１４は、ＫＮｂＯ3 単結晶からなり、その結晶面および前記サファイア，ＬｉＴａＯ3 結晶軸〈２−２１〉方向にエピタキシャル成長する結晶軸の配向は（０１０）〈００１〉となっている。
【００２１】
実施例１の電極１５ａ，１５ｂは、いずれもＡｌ薄膜からなり、かつ一対の櫛歯状の電極枝が間隙を隔てて組み合わされてなっている。本発明の弾性表面波素子において電極１５ａ、１５ｂは、Ａｌの他に、例えばＴｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｗ、Ｃｕ等の金属およびこれらの合金を用いて形成することができる。
この電極１５ａ、１５ｂは、図１に示すように、処理すべき信号が入力される入力側電極１５ａと、選択された特定周波数の信号のみを出力する出力側電極１５ｂとからなり、これら電極１５ａ、１５ｂは基板の両端に対向するように配置されている。それぞれの電極１５ａ、１５ｂは互いに対向する多数対の電極枝を有しており、例えば弾性表面波の波長をλとするとき、各電極枝の幅ｗはλ／４、電極枝対の数は３０、入力側電極１５ａと出力側電極１５ｂとの距離Ｌは５０λとされる。
【００２２】
この実施例１の弾性表面波素子１１は、下地基板１２上に順次、バッファ層１３、および圧電体層１４を成膜し、この圧電体層１４の上に、間隙Ｌを隔てて櫛歯状の電極１５ａ，１５ｂを形成して作製した。
下地基板１２の成膜面として、Ａｌ2Ｏ3単結晶の（１１−２０）面、すなわちサファイアＡ面を用いた。
バッファ層１３は、イソプロポキシリチウムおよびペンタイソプロポキシタンタルを出発原料としてＬｉＴａＯ3 のゾルゲル液を調製し、スピンコータを用いて前記の下地基板１２上に塗布し、１５０℃で乾燥後に大気中８００℃で焼成するゾルゲル法により成膜した。このバッファ層１３の膜厚は１００nmであった。圧電体層１４は、エトキシカリウムおよびペンタエトキシニオブを出発原料としてＫＮｂＯ3 のゾルゲル液を調製し、スピンコータを用いて前記バッファ層１３上に塗布し、１５０℃で乾燥後に大気中８００℃で焼成するゾルゲル法により成膜した。この圧電体層１４の膜厚は２０００nmであった。
入力側および出力側電極１５ａ、１５ｂは、前記圧電体層１４上に蒸着、スパッタリング等によりＡｌ膜を成膜した後、フォトリソグラフィー技術を用いてパターニングして形成した。
【００２３】
上記の弾性表面波素子１１は、下地基板１２と圧電体層１４との間にこれらの結晶格子の整合性を向上させるＬｉＴａＯ3 結晶層がバッファ層１３として設けられているので、バッファ層の結晶自体が良好にエピタキシャル成長しており、従ってこの上に成膜された圧電体層１４のＫＮｂＯ3 単結晶も１方向に配向しエピタキシャル成長していることが認められた。すなわち図３に示すように、上記の弾性表面波素子１１についてθ−２θ法により測定したＸ線回折チャートは、ゾルゲル法により成膜した圧電体層１４のＫＮｂＯ3 単結晶が１方向に良好に配向していることを示している。また、下地基板１２，バッファ層１３および圧電体層１４のそれぞれの結晶軸の配向についてはポールフィギュア法により測定したＸ線回折チャートにより確認した。
【００２４】
この実施例１の弾性表面波素子１１は、弾性表面波フィルタとして機能するものであり、入力側電極１５ａの対向する電極枝間に交流信号を入力すると、隣り合う電極枝間の圧電体層１４の表面に圧電効果によって互いに逆位相の物理的歪みが生じ、基板表面に固有振動数を有する弾性波が励起される。励起された弾性波は基板表面を結晶軸に沿って伝播し、出力側電極１５ｂの対向する電極枝間において前記弾性波の波長に対応した高周波電気信号に変換されて出力される。
【００２５】
実施例１の弾性表面波素子について、入力信号に対する弾性波生成効率の指標となる電気機械結合係数Ｋ2 、および入・出力間の伝送エネルギー損失の指標となる挿入損失ＩＬを測定した。
電気機械結合係数Ｋ2 の測定は、入力側と出力側の電極間の伝播路上をＡｌで被覆した試料を別に用意し、Ａｌ被覆のない供試試料とＡｌ被覆した参照試料に対して双方の入力側電極に同位相の連続波を入力した時の出力側電極で得られる２つの出力信号の位相差Δφを測定し、次式により求めた。
ここで、ｖopenはＡｌが被覆されていない供試試料での伝播速度、ｖshortはＡｌが被覆された参照試料での伝播速度、ωは入力信号の角速度、ｄはＡｌで被覆された部分の長さである。測定は２５℃で行った。
なお、上記の伝播速度ｖは、入力側と出力側の電極間距離Ｌの異なる２つの試料（Ｌが５０λと１００λ）の入力側電極に高周波パルスをそれぞれ入力し、その出力側電極への到着時間差Δｔを測定し、伝播路長の差ΔＬ（＝５０λ）から次式により求めた。測定は２５℃で行った。
ｖ＝ΔＬ／Δｔ ……（３）
また挿入損失ＩＬの測定は、５０Ω系ベクトル・ネットワーク・アナライザ（ＨＰ８７５２Ｃ）により、整合回路を用いずに測定した。なお、挿入損失ＩＬは次式により定義される。
ＩＬ＝−２０ｌｏｇ10｜Ｓ21｜ ［ｄＢ］ ……（４）
（Ｓij：Ｓパラメータ）
【００２６】
実施例１について、中心周波数が１GHz となる電極パターンを用いて測定した電気機械結合係数Ｋ2 および挿入損失ＩＬの測定結果を表１に示す。
実施例１の弾性表面波素子１１は、圧電体層１４のＫＮｂＯ3 単結晶が１方向に良好に配向した結果として、電気機械結合係数Ｋ2 および挿入損失ＩＬがいずれも良好な値を示した。
【００２７】
（実施例２）
図２は、本発明の弾性表面波素子の他の一実施例を示している。この弾性表面波素子２１は、入力信号から特定周波数の信号を取り出す弾性表面波フィルタとしての機能を有している。図２において、図１で説明した実施例１の弾性表面波素子と同様の要素は、図１と同じ番号を付しその説明を省略または簡略化する。
【００２８】
図２に示す実施例２の弾性表面波素子２１は、下地基板１２上に順次、バッファ層２３、および圧電体層１４が成膜され、この圧電体層１４に接して、間隙Ｌを隔てて櫛歯状の電極１５ａ，１５ｂが配設されてなっている。
この実施例において前記下地基板１２、圧電体層１４および電極１５ａ、１５ｂは実施例１のものと同様である。
バッファ層２３は、スパッタリングにより成膜されたＬｉＴａＯ3 結晶の薄膜からなり、その結晶面および下地基板のサファイア結晶軸〈２−２１〉方向にエピタキシャル成長する結晶軸の配向は（１１−２０）〈２−２１〉となっている。
【００２９】
この実施例２の弾性表面波素子２１は、下地基板１２上にバッファ層２３をスパッタリングにより成膜した以外は実施例１と同様にして作製した。
バッファ層２３は、ＬｉＴａＯ3 をターゲットとし、基板温度８００℃、Ａｒ＋Ｏ2 混合ガス雰囲気中でスパッタリングを行って成膜した。このバッファ層２３の膜厚は３０nmであった。
【００３０】
上記の弾性表面波素子２１は、バッファ層１３をゾルゲル法により成膜した実施例１と同様に、この上に成膜された圧電体層１４のＫＮｂＯ3 単結晶が１方向に配向し良好にエピタキシャル成長していることが認められた。すなわち図４に示すように、上記の弾性表面波素子２１についてθ−２θ法により測定したＸ線回折チャートは、圧電体層１４のＫＮｂＯ3 単結晶が１方向に良好に配向していることを示している。また下地基板１２、バッファ層２３および圧電体層１４のそれぞれの結晶軸の配向については、ポールフィギュア法により測定したＸ線回折チャートにより確認した。
この結果、実施例２の弾性表面波素子２１は、実施例１と同様にして測定した電気機械結合係数Ｋ2 および挿入損失ＩＬがいずれも良好な値を示した。測定結果を表１に示す。
【００３１】
（比較例１）
実施例１に対する比較例１として、ＳｒＴｉＯ3 （１１０）のブロックを下地基板として用い、この上にゾルゲル法を用いて膜厚１００nmのＳｒＳｎＯ3 からなるバッファ層を成膜し、この上にゾルゲル法を用いて膜厚２０００nmのＫＮｂＯ3 単結晶（０１０）からなる圧電体層を成膜した弾性表面波素子を作製した。電気機械結合係数Ｋ2 および挿入損失ＩＬを実施例１と同様にして測定した結果を表１に示す。
【００３２】
（比較例２）
実施例１に対する比較例２として、Ａｌ2Ｏ3（１−１０２）を下地基板として用い、この上にゾルゲル法を用いて膜厚１００nmのＳｒＳｎＯ3 からなるバッファ層を成膜し、この上にゾルゲル法を用いて膜厚２０００nmのＫＮｂＯ3 単結晶（０１０）からなる圧電体層を成膜した弾性表面波素子を作製した。電気機械結合係数Ｋ2 および挿入損失ＩＬを実施例１と同様にして測定した結果を表１に示す。
【００３３】
（比較例３）
実施例１に対する比較例３として、Ａｌ2Ｏ3（１１−２０）を下地基板として用い、この上にゾルゲル法を用いて膜厚１００nmのＳｒＳｎＯ3 からなるバッファ層を成膜し、この上にゾルゲル法を用いて膜厚２０００nmのＫＮｂＯ3 単結晶（０１０）からなる圧電体層を成膜した弾性表面波素子を作製した。電気機械結合係数Ｋ2 および挿入損失ＩＬを実施例１と同様にして測定した結果を表１に示す。
【００３４】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
【００３５】
表１において、比較例１はＳｒＴｉＯ3 のブロックを下地基板を用いたことによって良好な電気機械結合係数Ｋ2 および挿入損失ＩＬが得られたものであって、逆に、実施例１および実施例２に例示される本発明の弾性表面波素子は、安価なＡｌ2Ｏ3 下地基板を用いながら、高価なＳｒＴｉＯ3 下地基板を用いた比較例１と同等またはそれ以上の特性を得ることを目的とするものであり、実施例１および実施例２はいずれもこの目的を達成していることが確認された。
比較例２および比較例３は下地基板としてそれぞれＡｌ2Ｏ3（１−１０２）およびＡｌ2Ｏ3（１１−２０）を用いているが、この場合にはバッファ層としてＳｒＳｎＯ3 を用いたことにより下地基板上のＳｒＳｎＯ3 の結晶軸が互いに直交する２方向に成長し、これに伴って圧電体層１４のＫＮｂＯ3 （０１０）面も〈１００〉軸が２方向となり、弾性表面波が伝播する方向と伝播しない方向とが混在し、結果として電気機械結合係数Ｋ2 が小さくなり、特に比較例３では電気機械結合係数Ｋ2 も挿入損失ＩＬも検知できない状態となった。表１ではこの結果を「なし」と表記した。
【００３６】
（実施例３および実施例４）
実施例３および実施例４は、実施例１と同様の構成であるが、ただし下地基板であるＡｌ2Ｏ3単結晶板の成膜面を（１１−２０）面から傾斜してカットオフした場合を示している。この内、実施例３は、Ａｌ2Ｏ3単結晶板の（１１−２０）面をオフセット角（（１１−２０）面からの傾斜角）が１°となるように、また実施例４は、オフセット角が５°となるようにカットオフした。
実施例３および実施例４はそれぞれ、前記カットオフした下地基板の上に実施例１と同様にして順次、バッファ層１３、および圧電体層１４を成膜し、この上に電極１５ａ，１５ｂを形成して作製した。
【００３７】
作製した実施例３および実施例４について、実施例１と同様にして電気機械結合係数Ｋ2 および挿入損失ＩＬを測定した。結果を表２に示す。
表２から、実施例３および実施例４は下地基板にオフセット角を設けたことによって、他の構成は同一である実施例１に比べ、電気機械結合係数Ｋ2 および／または挿入損失ＩＬが更に改善されていることがわかる。
【００３８】
（実施例５〜実施例８）
実施例５〜実施例８は、それぞれ前記実施例１〜実施例４の弾性表面波素子について、圧電体層１４に分極処理を施した場合を示している。
この分極処理は、弾性表面波素子の表裏面すなわち圧電体層１４の上面および下地基板１２の背面にそれぞれＡｕをスパッタリングして電極層を成膜し、試料を７００℃に保持した状態で前記電極層に３kVの電圧を印加して行った。
作製した実施例５〜実施例８について、実施例１と同様にして電気機械結合係数Ｋ2 および挿入損失ＩＬを測定した。結果を表３に示す。
【００３９】
表３の結果から、実施例５〜実施例８の弾性表面波素子は、分極処理が施されていない実施例１〜実施例４に比べてそれぞれ電気機械結合係数Ｋ2 および挿入損失ＩＬがいずれも大幅に改善されている。
【００４０】
（実施例９）
図５は実施例９の弾性表面波素子３１を示している。図５においてこの実施例９は、実施例５の弾性表面波素子の分極処理された圧電体層３４の上層に温度安定化層３６が成膜されている。温度安定化層３６の成膜は、試料の圧電体層３４上にＳｉＯ2 をターゲットとしてスパッタリングにより行った。ＳｉＯ2 膜の膜厚は１０００nmとした。
作製した実施例９について、実施例１と同様にして電気機械結合係数Ｋ2 および挿入損失ＩＬを測定した。測定結果を表４に示す。
【００４１】
また実施例９について、温度安定化層３６を有しない以外は同様な構成を有する実施例５と比較して、周波数温度係数ＴＣＦを測定した。
この周波数温度係数ＴＣＦは、温度ＴをΔＴだけ変化させた時の遅延線型オシレータの発振周波数ｆの変化Δｆを測定し、次式により求めた。
ＴＣＦ＝（１／ｆ）・（Δｆ／ΔＴ） ……（５）
すなわち、ＴＣＦの絶対値が小さい程、温度変化に対する周波数特性が安定していることを示す。なお、測定は１０℃から６５℃の範囲で行った。測定結果を表４に示す。
【００４２】
表４の結果から、温度安定化層３６は弾性表面波素子の電気機械結合係数Ｋ2 および挿入損失ＩＬに悪影響を与えることなく、温度変化に対して周波数特性を安定化させていることがわかる。
【００４３】
前記各実施例は、下地基板としてＡｌ2Ｏ3の単結晶を用いている。Ａｌ2Ｏ3単結晶は下地基板として好ましい素材ではあるが、他にＭｇＯ、Ｐｔ、ＧａＡｓ等を下地基板として用いても同様の結果が得られることを確認した。
【００４４】
【発明の効果】
本発明の弾性表面波素子は、下地基板とＫＮｂＯ3 圧電体層との間にＬｉＴａＯ3 結晶からなるバッファ層が設けられているので、ＫＮｂＯ3 圧電体層の結晶格子の配向性が改善され、より高い伝送特性（電気機械結合係数Ｋ2 および／または挿入損失ＩＬ）を有する弾性表面波素子が安定的に得られるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例を示す斜視図。
【図２】 本発明の他の一実施例を示す断面図。
【図３】 本発明の一実施例におけるＸ線回折チャート。
【図４】 本発明の他の一実施例におけるＸ線回折チャート。
【図５】 本発明の更に他の一実施例を示す断面図。
【図６】 結晶面のカットオフを示す概念図。
【図７】 弾性表面波素子の先行技術の一例を示す斜視図。
【図８】 弾性表面波素子の他の先行技術を示す断面図。
【図９】 弾性表面波素子の更に他の先行技術を示す断面図。
【図１０】弾性表面波素子の更に他の先行技術を示す斜視図。
【符号の説明】
１１…弾性表面波素子
１２…下地基板
１３…バッファ層
１４…圧電体層
１５ａ…入力側電極 １５ｂ…出力側電極
２１…弾性表面波素子
２３…バッファ層
３１…弾性表面波素子
３４…圧電体層
３６…温度安定化層
【発明の属する技術分野】
本発明は、弾性表面波特有の作用を用いたフィルタ、コンボルバ等の弾性表面波素子に関し、特に、ＫＮｂＯ3 単結晶を圧電体層として用い、電気機械結合係数や挿入損失によって表される伝送特性が優れた弾性表面波素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
弾性表面波素子とは、電気信号を弾性体表面を伝播する弾性表面波（Surface Acoustic Wave ）に変換し、特定周波数の信号を取り出すものである。この弾性表面波が圧電体により効率良く励振、受信できることが見い出されて以来、電磁波にはない弾性表面波の優れた性質を利用してフィルタ、コンボルバ等をはじめとする種々の信号機能素子への応用が研究され、広い分野で実用化されている。
図１０に示すように、この弾性表面波素子１４１は、従来、ＬｉＮｂＯ3 、ＬｉＴａＯ3 等からなる圧電体単結晶のブロック１４３上に、電気信号と弾性表面波との間の変換器として機能する櫛歯状電極（Inter-digital Transducer）１１４ａ．１１４ｂを形成することによって作製されていた。
【０００３】
この弾性表面波素子１４１は、弾性体表面を伝播する弾性波の音速ｖと櫛歯状電極１１４ａ．１１４ｂの電極幅ｗとによって適用周波数ｆが決定される。その関係は下記式（１）によって表される。
ｆ＝ｖ／λ＝ｖ／４ｗ （λは弾性表面波の波長） …… （１）
すなわち、電極幅ｗが小さく、音速ｖが大きい程、高周波帯域で使用できることになる。そこでこれを、今後の通信分野等で要求されるＧＨｚ オーダーの高い周波数帯域で用いようとすれば、電極幅に関しては微細加工技術の限界があるので、音速の大きい弾性体材料を選択する必要がある。音速の大きい弾性体材料の一例としてダイヤモンドがあり、特開昭６４−６２９１１号公報には、ダイヤモンド層の上に圧電体層、電極を順次形成した構造を持つ弾性表面波素子が提案されている。
【０００４】
一方、弾性表面波素子の弾性体材料に求められる他の条件として、電気信号と弾性表面波の間の変換効率を示す電気機械結合係数Ｋ2 が大きいことが挙げられる。電気機械結合係数Ｋ2 が大きい程、伝送効率の良い弾性表面波素子が得られる。そこで電気機械結合係数Ｋ2 が大きい素材が探索された結果、圧電性磁器材料として知られるＫＮｂＯ3 が極めて大きな電気機械結合係数Ｋ2 を示すことが見出された。このＫＮｂＯ3 の単結晶は、従来最も大きな電気機械結合係数Ｋ2 を有するとされていたＬｉＮｂＯ3 に比べて、より大きな電気機械結合係数値が得られることが確認され、特に、ＫＮｂＯ3 単結晶の特定の結晶面である（００１）面の〈１００〉軸方向を用いた場合には、ＬｉＮｂＯ3 のＫ2 ＝０．０５５に対してＫ2 ＝０．５３と約１０倍の値が得られた（「ＫＮｂＯ3 圧電体単結晶を用いた超高結合弾性表面波の伝播特性」、山之内和彦他、日本学術振興会弾性波素子技術第１５０委員会第５０回研究会資料、pp27-31（1996.11.27））。
【０００５】
なお、特開平７−９５００６号公報には、基板上にＩＩＩ −Ｖ族化合物膜が形成され、更にその上に３種以上の元素からなる複合酸化物膜が形成された圧電体基板を有する弾性表面波素子が開示されている。そして、上記複合酸化物膜の例としてＫＮｂＯ3 が記載されている。ただし、この公報では、ＫＮｂＯ3 の電気機械結合係数Ｋ2 については何ら言及しておらず、ただ単に３種以上の元素で構成される複合酸化物膜の一例として挙げているにすぎない。
【０００６】
前記のように、弾性表面波素子の圧電体材料としてＫＮｂＯ3 単結晶を用いれば、電気機械結合係数Ｋ2 が大きく、伝送効率の良い弾性表面波素子が実現できる可能性が認められた。しかしそれと同時に、ＫＮｂＯ3 単結晶におけるＫ2 の値は、その結晶構造中における弾性表面波の伝播方向に応じて種々に変化することも判明した。そこで、所望のＫ2 値を有する弾性表面波素子を作製しようとする場合、あるいはＫ2 の値を制御しようとする場合には、電極を形成する面における弾性表面波の伝播方向とＫＮｂＯ3 単結晶の配向方向とを整合させる必要がある。つまり、特定の配向方向を有する結晶面上に、その配向方向に合わせて櫛歯状電極を形成する必要がある。
【０００７】
ところで、ある特定の配向方向を有する結晶面を得るためには、予め結晶方向が判明しているＫＮｂＯ3 単結晶のブロックから図６に示すように、特定の角度θで結晶面をカットオフする（切り出す）という非常に煩雑な操作が必要になる。また、ＫＮｂＯ3 単結晶自体も大きいブロックに成長させることは困難で、工業材料として非常に高価なものである。これらの理由から、ＫＮｂＯ3 単結晶を基材とする弾性表面波素子を実用化することは極めて困難であった。
【０００８】
そこで、ＫＮｂＯ3 単結晶の特定面を結晶ブロックからカットオフするのではなく、何らかの下地基板の上に成膜した薄膜として形成する方法が探索された。しかし、ガラス、Ｐｔ、Ａｌ2Ｏ3、ＧａＡｓ、Ｓｉ等の一般的な基板材料の上に直接ＫＮｂＯ3 をスパッタリングやゾルゲル法等により成膜しても、上下層の結晶どうしの格子整合がとれないため、ＫＮｂＯ3 の単結晶はエピタキシャルに成長しない。この問題を解決するために、PIONEER R&D Vol.7 No.1，「ＳＨＧ用非線形光学結晶薄膜の気相成長」（文献１）およびMat. Res. Soc. Symp. Proc.Vol.271.1992 Materials Research Society,"THE GROWTH OF SINGLE CRYSTAL-LIKE AND POLYCRYSTAL KNbO3 FILMS VIA SOL-GEL PROCESS"（文献２）は、図７に示すように、ペロブスカイト型の結晶構造を持つＳｒＴｉＯ3単結晶のブロックから切り出した下地基板１１２の面上に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）またはゾルゲル法を用いてＫＮｂＯ3 薄膜からなる圧電体層１１３を成膜し、この上に入力側電極１１４ａおよび出力側電極１１４ｂを形成した弾性表面波素子１１１を開示している。また特開平１１−１１６３９７号公報は、図８に示すように、ＬｉＴａＯ3 単結晶のブロックから切り出した下地基板１２２の面上に、例えば物理蒸着法（ＰＶＤ法）によりＫＮｂＯ3 薄膜からなる圧電体層１１３を成膜し、この上に入力側電極１１４ａおよび出力側電極１１４ｂを形成した弾性表面波素子１２１を開示している。
【０００９】
しかしこれらは、いずれも特性的には優れた結果が得られるものの、下地基板１１２または１２２として用いるＳｒＴｉＯ3 にせよＬｉＴａＯ3 にせよ、いずれも大きな（大口径の）単結晶としてブロックに成長させることが難しいために高価であり、実用化は困難であった。また下地基板１１２または１２２と圧電体層１１３との結晶配向の整合性を高めるためには下地基板のカットオフ等の煩雑な加工も必要であった。
【００１０】
そこで本発明者らは先に、特願平１１−８０５５３号において、図９に示すように、ＳｒＴｉＯ3 、ＭｇＯ、Ｐｔ、Ａｌ2Ｏ3、ＧａＡｓ、Ｓｉなどのブロックからなる下地基板１３２と、この下地基板上に成膜された一般式ＳｒＺＯ3 で表されるＳｒＴｉＯ3 、ＳｒＺｒＯ3 、ＳｒＭｏＯ3 、ＳｒＳｎＯ3 、ＳｒＨｆＯ3 等のペロブスカイト型化合物からなるバッファ層１３５と、このバッファ層上に成膜されたＫＮｂＯ3 単結晶からなる圧電体層１１３と、この圧電体層の上面または下面に設けられた入力側電極１１４ａ，出力側電極１１４ｂとを有する弾性表面波素子１３１を提供した。
【００１１】
前記特願平１１−８０５５３号に提供した弾性表面波素子１３１は、ペロブスカイト型の結晶構造を有するＫＮｂＯ3 単結晶からなる圧電体層１１３に接する下層として、格子整合性が良好な一般式ＳｒＺＯ3 で表されるペロブスカイト型化合物を用いたことにより、比較的容易に入手し得る下地基板１３２を用いながら、結晶配向特性の優れたＫＮｂＯ3 圧電体層１１３が薄膜として得られ、この結果、電気機械結合係数Ｋ2 が向上した弾性表面波素子が得られるようになった。しかも、この弾性表面波素子は、ゾルゲル法、レーザアブレーション法、スパッタリング、ＣＶＤ法等、従来から一般に用いられている成膜技術が容易に適用できるので、単結晶ブロックのカットオフ等に比べて遙かに容易かつ低コストに製造でき、更に、前記ＫＮｂＯ3 圧電体層１１３の上に温度安定化層（図示せず）を成膜すれば、温度変化に対する周波数安定性にも優れた弾性表面波素子が得られる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし前記特願平１１−８０５５３号に開示した技術は、あくまでバッファ層１３５となるＳｒＺＯ3 化合物が下地基板１３２上に良好なペロブスカイト型の結晶格子を形成することが前提となる。しかし実際には、基板材料として通常用いられ安価なＡｌ2Ｏ3、Ｓｉ等の上にＳｒＺＯ3 化合物を成膜しても、常に良好なペロブスカイト型の結晶格子を形成するとは限らず、電気機械結合係数および挿入損失によって示される伝送特性が必ずしも満足できるものではなかった。
本発明は前記の課題を解決するためになされたものであって、従ってその目的は、安価な下地基板を用い、しかも優れた電気機械結合係数および挿入損失を有する弾性表面波素子を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために本発明は、Ａｌ ２ Ｏ ３ の単結晶からなる下地基板と、この下地基板上に成膜されたＬｉＴａＯ３ 結晶からなるバッファ層と、このバッファ層上に成膜されたＫＮｂＯ３ 単結晶からなる圧電体層と、この圧電体層に接して配設された電極とを有し、Ａｌ ２ Ｏ ３ 結晶面（１１−２０）からの傾斜角が０．５°〜５°となるように前記下地基板がカットオフされてなることを特徴とする弾性表面波素子を提供する。
【００１４】
本発明の前記弾性表面波素子は、ＫＮｂＯ3 単結晶を良好にエピタキシャル成長させることができるＬｉＴａＯ3 結晶を、その結晶格子が１方向に配向した薄膜として下地基板上に成膜してなるものであるので、高価なＫＮｂＯ3 単結晶やＬｉＴａＯ3 結晶のブロックを基板材料として用いることなく、またこれらの基板材料のブロックを配向面や配向軸を選んでカットオフする煩雑な加工も必要なく、しかも性能的にはＫＮｂＯ3 単結晶単体や、ＬｉＴａＯ3 結晶を基板材料としてこの上にＫＮｂＯ3 単結晶膜を成膜した場合と同様に優れた電気機械結合係数および挿入損失を得ることができる。
【００１５】
また、下地基板として用いるＡｌ２Ｏ３の単結晶、すなわちサファイアは、前記バッファ層となるＬｉＴａＯ３ 結晶がエピタキシャル成長可能な基板材料として６インチほどの大口径のものが生産されており、安価かつ容易に入手でき、また結晶格子整合効果も高い。
【００１６】
さらに本発明は、下地基板であるＡｌ２Ｏ３結晶面（１１−２０）からの傾斜角が０．５°〜５°となるように前記下地基板がカットオフされていることを特徴としている。また、ＫＮｂＯ３ 単結晶の結晶面が（０１０）であることが好ましい。
カットオフ、すなわち結晶格子の特定の面から特定の傾斜角（オフセット角）を設けて面を切り出すことによって、圧電体層のＫＮｂＯ３ 単結晶は、結晶格子が所定の方向に整列配向する、いわゆるエピタキシャル成長が促進され、この弾性表面波素子の電気機械結合係数Ｋ２ および挿入損失ＩＬを大幅に改善することができる。このオフセット角は０．５°〜５°の範囲内とすることが好ましい。
【００１７】
前記において圧電体層は、電界印加による分極処理を施されていることが好ましい。
これによって、この弾性表面波素子の電気機械結合係数Ｋ2 および挿入損失ＩＬは更に向上する。電界印加は、加熱下に圧電体層の厚み方向に電圧を印加することによって行うことができる。この際の温度は１００℃〜８００℃の範囲内、電圧は１００V 〜１０kVの範囲内とすることが好ましい。
【００１８】
前記において圧電体層の上層には、温度変化に対して周波数特性を安定化させる温度安定化層が設けられていることが好ましい。またこの温度安定化層は、ＳｉＯ2 からなることが好ましい。
圧電体層の上層に温度安定化層を設けることによって周波数温度係数ＴＣＦが小さくなり、温度変化に抗して安定した周波数特性を有する弾性表面波素子が得られる。ＳｉＯ2 層は、圧電体層の熱的歪みを緩和し弾性表面波素子の周波数温度係数ＴＣＦを小さくする効果がある。この温度安定化層の厚みは１００nm〜１００００nmの範囲内とすることが好ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を実施例により図面を用いて具体的に説明する。ただし以下の実施例は本発明を何ら制限するものではない。
（実施例１）
図１は、本発明の弾性表面波素子の一実施例を示している。この弾性表面波素子１１は、入力信号から特定周波数の信号を取り出す弾性表面波フィルタとしての機能を有している。
【００２０】
図１に示すように、この弾性表面波素子１１は、下地基板１２上に順次、バッファ層１３、および圧電体層１４が成膜され、この圧電体層１４に接して、間隙Ｌを隔てて櫛歯状の電極１５ａ，１５ｂが配設されてなっている。
下地基板１２はＡｌ2Ｏ3単結晶、すなわちサファイアのブロックからなり、成膜面におけるＡｌ2Ｏ3単結晶の結晶面および櫛歯状電極の方向、すなわち弾性表面波の伝播する方向（図１のＬ方向）に垂直な方向での結晶軸の配向は（１１−２０）〈２−２１〉となっている。この結晶面は通称サファイアＡ面と呼ばれ、ＬｉＴａＯ3 結晶がエピタキシャル成長可能な結晶格子を有している。
バッファ層１３は、ＬｉＴａＯ3 結晶からなり、その結晶面および前記サファイア結晶軸〈２−２１〉方向にエピタキシャル成長する結晶軸の配向は（１１−２０）〈２−２１〉となっている。
圧電体層１４は、ＫＮｂＯ3 単結晶からなり、その結晶面および前記サファイア，ＬｉＴａＯ3 結晶軸〈２−２１〉方向にエピタキシャル成長する結晶軸の配向は（０１０）〈００１〉となっている。
【００２１】
実施例１の電極１５ａ，１５ｂは、いずれもＡｌ薄膜からなり、かつ一対の櫛歯状の電極枝が間隙を隔てて組み合わされてなっている。本発明の弾性表面波素子において電極１５ａ、１５ｂは、Ａｌの他に、例えばＴｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｗ、Ｃｕ等の金属およびこれらの合金を用いて形成することができる。
この電極１５ａ、１５ｂは、図１に示すように、処理すべき信号が入力される入力側電極１５ａと、選択された特定周波数の信号のみを出力する出力側電極１５ｂとからなり、これら電極１５ａ、１５ｂは基板の両端に対向するように配置されている。それぞれの電極１５ａ、１５ｂは互いに対向する多数対の電極枝を有しており、例えば弾性表面波の波長をλとするとき、各電極枝の幅ｗはλ／４、電極枝対の数は３０、入力側電極１５ａと出力側電極１５ｂとの距離Ｌは５０λとされる。
【００２２】
この実施例１の弾性表面波素子１１は、下地基板１２上に順次、バッファ層１３、および圧電体層１４を成膜し、この圧電体層１４の上に、間隙Ｌを隔てて櫛歯状の電極１５ａ，１５ｂを形成して作製した。
下地基板１２の成膜面として、Ａｌ2Ｏ3単結晶の（１１−２０）面、すなわちサファイアＡ面を用いた。
バッファ層１３は、イソプロポキシリチウムおよびペンタイソプロポキシタンタルを出発原料としてＬｉＴａＯ3 のゾルゲル液を調製し、スピンコータを用いて前記の下地基板１２上に塗布し、１５０℃で乾燥後に大気中８００℃で焼成するゾルゲル法により成膜した。このバッファ層１３の膜厚は１００nmであった。圧電体層１４は、エトキシカリウムおよびペンタエトキシニオブを出発原料としてＫＮｂＯ3 のゾルゲル液を調製し、スピンコータを用いて前記バッファ層１３上に塗布し、１５０℃で乾燥後に大気中８００℃で焼成するゾルゲル法により成膜した。この圧電体層１４の膜厚は２０００nmであった。
入力側および出力側電極１５ａ、１５ｂは、前記圧電体層１４上に蒸着、スパッタリング等によりＡｌ膜を成膜した後、フォトリソグラフィー技術を用いてパターニングして形成した。
【００２３】
上記の弾性表面波素子１１は、下地基板１２と圧電体層１４との間にこれらの結晶格子の整合性を向上させるＬｉＴａＯ3 結晶層がバッファ層１３として設けられているので、バッファ層の結晶自体が良好にエピタキシャル成長しており、従ってこの上に成膜された圧電体層１４のＫＮｂＯ3 単結晶も１方向に配向しエピタキシャル成長していることが認められた。すなわち図３に示すように、上記の弾性表面波素子１１についてθ−２θ法により測定したＸ線回折チャートは、ゾルゲル法により成膜した圧電体層１４のＫＮｂＯ3 単結晶が１方向に良好に配向していることを示している。また、下地基板１２，バッファ層１３および圧電体層１４のそれぞれの結晶軸の配向についてはポールフィギュア法により測定したＸ線回折チャートにより確認した。
【００２４】
この実施例１の弾性表面波素子１１は、弾性表面波フィルタとして機能するものであり、入力側電極１５ａの対向する電極枝間に交流信号を入力すると、隣り合う電極枝間の圧電体層１４の表面に圧電効果によって互いに逆位相の物理的歪みが生じ、基板表面に固有振動数を有する弾性波が励起される。励起された弾性波は基板表面を結晶軸に沿って伝播し、出力側電極１５ｂの対向する電極枝間において前記弾性波の波長に対応した高周波電気信号に変換されて出力される。
【００２５】
実施例１の弾性表面波素子について、入力信号に対する弾性波生成効率の指標となる電気機械結合係数Ｋ2 、および入・出力間の伝送エネルギー損失の指標となる挿入損失ＩＬを測定した。
電気機械結合係数Ｋ2 の測定は、入力側と出力側の電極間の伝播路上をＡｌで被覆した試料を別に用意し、Ａｌ被覆のない供試試料とＡｌ被覆した参照試料に対して双方の入力側電極に同位相の連続波を入力した時の出力側電極で得られる２つの出力信号の位相差Δφを測定し、次式により求めた。
なお、上記の伝播速度ｖは、入力側と出力側の電極間距離Ｌの異なる２つの試料（Ｌが５０λと１００λ）の入力側電極に高周波パルスをそれぞれ入力し、その出力側電極への到着時間差Δｔを測定し、伝播路長の差ΔＬ（＝５０λ）から次式により求めた。測定は２５℃で行った。
ｖ＝ΔＬ／Δｔ ……（３）
また挿入損失ＩＬの測定は、５０Ω系ベクトル・ネットワーク・アナライザ（ＨＰ８７５２Ｃ）により、整合回路を用いずに測定した。なお、挿入損失ＩＬは次式により定義される。
ＩＬ＝−２０ｌｏｇ10｜Ｓ21｜ ［ｄＢ］ ……（４）
（Ｓij：Ｓパラメータ）
【００２６】
実施例１について、中心周波数が１GHz となる電極パターンを用いて測定した電気機械結合係数Ｋ2 および挿入損失ＩＬの測定結果を表１に示す。
実施例１の弾性表面波素子１１は、圧電体層１４のＫＮｂＯ3 単結晶が１方向に良好に配向した結果として、電気機械結合係数Ｋ2 および挿入損失ＩＬがいずれも良好な値を示した。
【００２７】
（実施例２）
図２は、本発明の弾性表面波素子の他の一実施例を示している。この弾性表面波素子２１は、入力信号から特定周波数の信号を取り出す弾性表面波フィルタとしての機能を有している。図２において、図１で説明した実施例１の弾性表面波素子と同様の要素は、図１と同じ番号を付しその説明を省略または簡略化する。
【００２８】
図２に示す実施例２の弾性表面波素子２１は、下地基板１２上に順次、バッファ層２３、および圧電体層１４が成膜され、この圧電体層１４に接して、間隙Ｌを隔てて櫛歯状の電極１５ａ，１５ｂが配設されてなっている。
この実施例において前記下地基板１２、圧電体層１４および電極１５ａ、１５ｂは実施例１のものと同様である。
バッファ層２３は、スパッタリングにより成膜されたＬｉＴａＯ3 結晶の薄膜からなり、その結晶面および下地基板のサファイア結晶軸〈２−２１〉方向にエピタキシャル成長する結晶軸の配向は（１１−２０）〈２−２１〉となっている。
【００２９】
この実施例２の弾性表面波素子２１は、下地基板１２上にバッファ層２３をスパッタリングにより成膜した以外は実施例１と同様にして作製した。
バッファ層２３は、ＬｉＴａＯ3 をターゲットとし、基板温度８００℃、Ａｒ＋Ｏ2 混合ガス雰囲気中でスパッタリングを行って成膜した。このバッファ層２３の膜厚は３０nmであった。
【００３０】
上記の弾性表面波素子２１は、バッファ層１３をゾルゲル法により成膜した実施例１と同様に、この上に成膜された圧電体層１４のＫＮｂＯ3 単結晶が１方向に配向し良好にエピタキシャル成長していることが認められた。すなわち図４に示すように、上記の弾性表面波素子２１についてθ−２θ法により測定したＸ線回折チャートは、圧電体層１４のＫＮｂＯ3 単結晶が１方向に良好に配向していることを示している。また下地基板１２、バッファ層２３および圧電体層１４のそれぞれの結晶軸の配向については、ポールフィギュア法により測定したＸ線回折チャートにより確認した。
この結果、実施例２の弾性表面波素子２１は、実施例１と同様にして測定した電気機械結合係数Ｋ2 および挿入損失ＩＬがいずれも良好な値を示した。測定結果を表１に示す。
【００３１】
（比較例１）
実施例１に対する比較例１として、ＳｒＴｉＯ3 （１１０）のブロックを下地基板として用い、この上にゾルゲル法を用いて膜厚１００nmのＳｒＳｎＯ3 からなるバッファ層を成膜し、この上にゾルゲル法を用いて膜厚２０００nmのＫＮｂＯ3 単結晶（０１０）からなる圧電体層を成膜した弾性表面波素子を作製した。電気機械結合係数Ｋ2 および挿入損失ＩＬを実施例１と同様にして測定した結果を表１に示す。
【００３２】
（比較例２）
実施例１に対する比較例２として、Ａｌ2Ｏ3（１−１０２）を下地基板として用い、この上にゾルゲル法を用いて膜厚１００nmのＳｒＳｎＯ3 からなるバッファ層を成膜し、この上にゾルゲル法を用いて膜厚２０００nmのＫＮｂＯ3 単結晶（０１０）からなる圧電体層を成膜した弾性表面波素子を作製した。電気機械結合係数Ｋ2 および挿入損失ＩＬを実施例１と同様にして測定した結果を表１に示す。
【００３３】
（比較例３）
実施例１に対する比較例３として、Ａｌ2Ｏ3（１１−２０）を下地基板として用い、この上にゾルゲル法を用いて膜厚１００nmのＳｒＳｎＯ3 からなるバッファ層を成膜し、この上にゾルゲル法を用いて膜厚２０００nmのＫＮｂＯ3 単結晶（０１０）からなる圧電体層を成膜した弾性表面波素子を作製した。電気機械結合係数Ｋ2 および挿入損失ＩＬを実施例１と同様にして測定した結果を表１に示す。
【００３４】
【表１】
表１において、比較例１はＳｒＴｉＯ3 のブロックを下地基板を用いたことによって良好な電気機械結合係数Ｋ2 および挿入損失ＩＬが得られたものであって、逆に、実施例１および実施例２に例示される本発明の弾性表面波素子は、安価なＡｌ2Ｏ3 下地基板を用いながら、高価なＳｒＴｉＯ3 下地基板を用いた比較例１と同等またはそれ以上の特性を得ることを目的とするものであり、実施例１および実施例２はいずれもこの目的を達成していることが確認された。
比較例２および比較例３は下地基板としてそれぞれＡｌ2Ｏ3（１−１０２）およびＡｌ2Ｏ3（１１−２０）を用いているが、この場合にはバッファ層としてＳｒＳｎＯ3 を用いたことにより下地基板上のＳｒＳｎＯ3 の結晶軸が互いに直交する２方向に成長し、これに伴って圧電体層１４のＫＮｂＯ3 （０１０）面も〈１００〉軸が２方向となり、弾性表面波が伝播する方向と伝播しない方向とが混在し、結果として電気機械結合係数Ｋ2 が小さくなり、特に比較例３では電気機械結合係数Ｋ2 も挿入損失ＩＬも検知できない状態となった。表１ではこの結果を「なし」と表記した。
【００３６】
（実施例３および実施例４）
実施例３および実施例４は、実施例１と同様の構成であるが、ただし下地基板であるＡｌ2Ｏ3単結晶板の成膜面を（１１−２０）面から傾斜してカットオフした場合を示している。この内、実施例３は、Ａｌ2Ｏ3単結晶板の（１１−２０）面をオフセット角（（１１−２０）面からの傾斜角）が１°となるように、また実施例４は、オフセット角が５°となるようにカットオフした。
実施例３および実施例４はそれぞれ、前記カットオフした下地基板の上に実施例１と同様にして順次、バッファ層１３、および圧電体層１４を成膜し、この上に電極１５ａ，１５ｂを形成して作製した。
【００３７】
作製した実施例３および実施例４について、実施例１と同様にして電気機械結合係数Ｋ2 および挿入損失ＩＬを測定した。結果を表２に示す。
表２から、実施例３および実施例４は下地基板にオフセット角を設けたことによって、他の構成は同一である実施例１に比べ、電気機械結合係数Ｋ2 および／または挿入損失ＩＬが更に改善されていることがわかる。
【００３８】
（実施例５〜実施例８）
実施例５〜実施例８は、それぞれ前記実施例１〜実施例４の弾性表面波素子について、圧電体層１４に分極処理を施した場合を示している。
この分極処理は、弾性表面波素子の表裏面すなわち圧電体層１４の上面および下地基板１２の背面にそれぞれＡｕをスパッタリングして電極層を成膜し、試料を７００℃に保持した状態で前記電極層に３kVの電圧を印加して行った。
作製した実施例５〜実施例８について、実施例１と同様にして電気機械結合係数Ｋ2 および挿入損失ＩＬを測定した。結果を表３に示す。
【００３９】
表３の結果から、実施例５〜実施例８の弾性表面波素子は、分極処理が施されていない実施例１〜実施例４に比べてそれぞれ電気機械結合係数Ｋ2 および挿入損失ＩＬがいずれも大幅に改善されている。
【００４０】
（実施例９）
図５は実施例９の弾性表面波素子３１を示している。図５においてこの実施例９は、実施例５の弾性表面波素子の分極処理された圧電体層３４の上層に温度安定化層３６が成膜されている。温度安定化層３６の成膜は、試料の圧電体層３４上にＳｉＯ2 をターゲットとしてスパッタリングにより行った。ＳｉＯ2 膜の膜厚は１０００nmとした。
作製した実施例９について、実施例１と同様にして電気機械結合係数Ｋ2 および挿入損失ＩＬを測定した。測定結果を表４に示す。
【００４１】
また実施例９について、温度安定化層３６を有しない以外は同様な構成を有する実施例５と比較して、周波数温度係数ＴＣＦを測定した。
この周波数温度係数ＴＣＦは、温度ＴをΔＴだけ変化させた時の遅延線型オシレータの発振周波数ｆの変化Δｆを測定し、次式により求めた。
ＴＣＦ＝（１／ｆ）・（Δｆ／ΔＴ） ……（５）
すなわち、ＴＣＦの絶対値が小さい程、温度変化に対する周波数特性が安定していることを示す。なお、測定は１０℃から６５℃の範囲で行った。測定結果を表４に示す。
【００４２】
表４の結果から、温度安定化層３６は弾性表面波素子の電気機械結合係数Ｋ2 および挿入損失ＩＬに悪影響を与えることなく、温度変化に対して周波数特性を安定化させていることがわかる。
【００４３】
前記各実施例は、下地基板としてＡｌ2Ｏ3の単結晶を用いている。Ａｌ2Ｏ3単結晶は下地基板として好ましい素材ではあるが、他にＭｇＯ、Ｐｔ、ＧａＡｓ等を下地基板として用いても同様の結果が得られることを確認した。
【００４４】
【発明の効果】
本発明の弾性表面波素子は、下地基板とＫＮｂＯ3 圧電体層との間にＬｉＴａＯ3 結晶からなるバッファ層が設けられているので、ＫＮｂＯ3 圧電体層の結晶格子の配向性が改善され、より高い伝送特性（電気機械結合係数Ｋ2 および／または挿入損失ＩＬ）を有する弾性表面波素子が安定的に得られるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例を示す斜視図。
【図２】 本発明の他の一実施例を示す断面図。
【図３】 本発明の一実施例におけるＸ線回折チャート。
【図４】 本発明の他の一実施例におけるＸ線回折チャート。
【図５】 本発明の更に他の一実施例を示す断面図。
【図６】 結晶面のカットオフを示す概念図。
【図７】 弾性表面波素子の先行技術の一例を示す斜視図。
【図８】 弾性表面波素子の他の先行技術を示す断面図。
【図９】 弾性表面波素子の更に他の先行技術を示す断面図。
【図１０】弾性表面波素子の更に他の先行技術を示す斜視図。
【符号の説明】
１１…弾性表面波素子
１２…下地基板
１３…バッファ層
１４…圧電体層
１５ａ…入力側電極 １５ｂ…出力側電極
２１…弾性表面波素子
２３…バッファ層
３１…弾性表面波素子
３４…圧電体層
３６…温度安定化層
Claims (5)
- Ａｌ ２ Ｏ ３ の単結晶からなる下地基板と、この下地基板上に成膜されたＬｉＴａＯ３ 結晶からなるバッファ層と、このバッファ層上に成膜されたＫＮｂＯ３ 単結晶からなる圧電体層と、この圧電体層に接して配設された電極とを有し、Ａｌ ２ Ｏ ３ 結晶面（１１−２０）からの傾斜角が０．５°〜５°となるように前記下地基板がカットオフされてなることを特徴とする弾性表面波素子。
- 前記ＫＮｂＯ３ 単結晶の結晶面が（０１０）であることを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波素子。
- 前記圧電体層が、電界印加による分極処理を施されてなることを特徴とする請求項１または２に記載の弾性表面波素子。
- 前記圧電体層の上層に、温度変化に対して周波数特性を安定化させる温度安定化層が設けられたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の弾性表面波素子。
- 前記温度安定化層がＳｉＯ２ からなることを特徴とする請求項４に記載の弾性表面波素子。
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