JPH0247888B2 - Danseihyomenhasoshi - Google Patents

Danseihyomenhasoshi

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JPH0247888B2
JPH0247888B2 JP3923982A JP3923982A JPH0247888B2 JP H0247888 B2 JPH0247888 B2 JP H0247888B2 JP 3923982 A JP3923982 A JP 3923982A JP 3923982 A JP3923982 A JP 3923982A JP H0247888 B2 JPH0247888 B2 JP H0247888B2
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surface acoustic
acoustic wave
aluminum nitride
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nitride film
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Kazuo Tsubochi
Kazuyoshi Sukai
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02Details
    • H03H9/02535Details of surface acoustic wave devices
    • H03H9/02818Means for compensation or elimination of undesirable effects
    • H03H9/02834Means for compensation or elimination of undesirable effects of temperature influence
    • HELECTRICITY
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    • H03H9/02535Details of surface acoustic wave devices
    • H03H9/02543Characteristics of substrate, e.g. cutting angles
    • H03H9/02574Characteristics of substrate, e.g. cutting angles of combined substrates, multilayered substrates, piezoelectrical layers on not-piezoelectrical substrate

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  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Surface Acoustic Wave Elements And Circuit Networks Thereof (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、特性的に優れた新しい構造の弾性表
面波素子に関するものである。
弾性表面波(Surface Acoustic Wave)を利
用することにより各種の電気的信号を扱うための
弾性表面波素子を構成する構造(基板)としては
従来、 1 圧電体基板のみの構造(圧電体単結晶基板、
圧電セラミツク基板等)、 2 非圧電体基板上に圧電膜を形成した構造、 3 半導体基板上に圧電膜を形成した構造、 等が知られている。
ところで上述の2の多層構造としては、現在の
ところサフアイア基板上もしくはガラス基板上に
スパツタリング法等により酸化亜鉛膜(ZnO)を
形成した構造が知られているが、このZnO膜は以
下のような欠点が存在するため問題がある。
1 良質な膜が形成しにくいため圧電軸性等の点
で十分再現性のあるものが得られない。
2 高周波領域において弾性表面波の伝播損失が
多い。
3 弾性表面波伝播特性の分散が大きい。
4 弾性表面波の遅延時間τの温度変化率(1/
τ)・(∂τ/∂T)の制御が困難である。(T:
周囲温度) 本発明はこれらの問題点に対処してなされたも
のであり、弾性表面波に対する遅延時間温度係数
が正である弾性体基板上に窒化アルミニウム膜を
形成した弾性体構造(基板)を用いることを根本
的特徴とするもので、特にシリコン単結晶基板を
用いた弾性表面波素子を提供することを目的とす
るものである。
上記目的を達成するため、本発明の弾性表面波
素子は上記シリコン単結晶が(111)結晶面、又
は(110)結晶面、又は(001)結晶面と等価な面
から成り、窒化アルミニウム膜の圧電軸が上記シ
リコン単結晶に垂直あるいは水平になるように形
成され、上記窒化アルミニウム膜の圧電軸方向と
垂直あるいは水平な方向に弾性表面波を伝播させ
ることを要旨とする。
以下図面を参照して本発明の実施例を説明す
る。
第1図は本発明実施例による弾性表面波素子を
示す断面図で、1はシリコン単結晶基板で(111)
結晶面、(110)結晶面あるいは(001)結晶面と
等価な面でカツトされたものから成り、2はこの
シリコン単結晶基板1上に形成された窒化アルミ
ニウム膜でその圧電軸(C軸もしくは〔0001〕
軸)は上記シリコン単結晶基板1に垂直もしくは
平行になるように形成される。3,4は上記窒化
アルミニウム膜2表面に形成されたくし型状から
成る弾性表面波発生用電極および検出用電極で、
Hは窒化アルミニウム膜2の膜厚である。
以上の構造の弾性表面波素子に対して、窒化ア
ルミニウム膜2の圧電軸(C軸もしくは〔0001〕
軸)方向と垂直な方向に弾性表面波を伝播させた
時、第5図Aに示すような弾性表面波の速度分散
特性が得られた。同図において横軸は窒化アルミ
ニウム膜2の膜厚Hの規格化された厚さを2πH/
λ(ここでλは弾性表面波の波長)で示し、縦軸
は弾性表面波の位相速度Vpを示すものである。
同図においてaはシリコン単結晶基板1の(111)
面上で〔112〕軸方向と等価な方向に弾性表面波
を伝播させた時、bはシリコン単結晶基板1の
(110)面上で〔001〕軸方向と等価な方向に弾性
表面波を伝播させた時、Cはシリコン単結晶基板
1の(100)面上で〔011〕軸方向と等価な方向に
弾性表面波を伝播させた時の各特性を示してい
る。
同図から明らかなように位相速度Vpの分散は
少なく、しかも非常に大きな値の位相速度Vp
得られる。
また第6図Aはそれによつて得られた電気機械
結合係数の特性曲線を示すもので、横軸は2πH/
λで示し、縦軸は電気機械結合係数Kの二乗K2
を百分率で示すものである。同図において素子A
が第1図の構造に対応した形状を示しており、通
常弾性表面波を発生および検出させるに充分な
K2が得られ圧電性に優れていることを示してい
る。
さらに第7図A乃至Dはそれによつて得られた
弾性表面波に対する遅延時間温度係数(TCD)
の特性曲線を示すもので、横軸は2πH/λで示
し、縦軸は弾性表面波の遅延時間τの温度変化率
(1/τ)・(∂τ/∂T)をppm/℃単位で示すも
のである。同図においてAはシリコン単結晶基板
1の(111)面上で〔112〕軸方向と等価な方向
に弾性表面波を伝播させた時、以下同様にBは
(110)面上で〔001〕軸方向と等価な方向に伝播
させた時、Cは(100)面上で〔011〕軸方向と等
価な方向に伝播させた時、Dは(001)面上で
〔110〕軸方向と等価な方向に伝播させた時の各特
性を示している。ここでシリコン単結晶基板1は
正の遅延時間温度係数を示しているのに対し、窒
化アルミニウム膜2は逆に負の遅延時間温度係数
を有しているために、各々の総合特性は両者が補
償し合つた値となり、窒化アルミニウム膜2の膜
厚Hの変化に応じて変つてくる。膜厚Hを適当に
選ぶことにより遅延時間の温度変化率を零に近ず
けることができる。
次に第1図の構造の弾性表面波素子に対して、
窒化アルミニウム膜2の圧電軸(C軸もしくは
〔0001〕軸)方向と水平な方向に弾性表面波を伝
播させた時は、第5図に示すような弾性表面波の
速度分散特性が得られた。
同図においてdはシリコン単結晶基板1の
(001)面上で〔100〕軸方向と特価な方向に弾性
表面波を伝播させた時、同様にeは(110)面上
で〔001〕軸方向と等価な方向に伝播させた時の
各特性を示している。同図から明らかなように位
相速度Vpの分散は少なく、しかも非常に大きな
値の位相速度が得られる。
また第6図C,Dは、その時得られた電気機械
結合係数の特性曲線を示すもので、素子Aが第1
図の構造に対応した特性で、第6図Cは、シリコ
ン単結晶基板1の(110)面上で〔001〕軸方向と
等価な方向に弾性表面波を伝播させた時、同様に
第6図Dは(001)面上で〔001〕軸方向と等価な
方向に伝播させた時の各特性を示している。同図
から明らかなように、通常弾性表面波を発生およ
び検出させるに充分なK2が得られ圧電性に優れ
ていることを示している。
さらに第7図E,Fはその時得られた弾性表面
波に対する遅延時間温度係数(TCD)の特性曲
線を示すもので、Eはシリコン単結晶基板1の
(001)面上で〔100〕軸方向と等価な方向に弾性
表面波を伝播させた時、同様にFは(110)面上
で〔001〕軸方向と等価な方向に伝播させた時の
各特性を示している。第7図A乃至Fから明らか
なように、窒化アルミニウム膜2の膜厚Hを0.2
<2πH/λ<3.0の範囲に選ぶことにより遅延時
間の温度変化率を零に近ずけることができる。
第2図乃至第4図は本発明の他の実施例を示す
断面図で、第2図はシリコン単結晶基板1の表面
部に弾性表面波発生用電極3および検出用電極4
を形成した後、これらを覆うように窒化アルミニ
ウム膜2を形成した構造を示すものである。また
第3図はシリコン単結晶基板1の表面部に部分的
に第2電極として一対のしやへい電極7を形成し
た後、これらを覆うように窒化アルミニウム膜2
を形成しこの表面に第1電極として弾性表面波発
生用電極3および検出用電極4を形成した構造を
示すものである。
さらに第4図はシリコン単結晶基板1の表面部
に第1電極として弾性表面波発生用電極3および
検出用電極4を形成した後、これらを覆うように
窒化アルミニウム膜2を形成しこの部分に部分的
に第2電極として一対のしやへい電極7を形成し
た構造を示すものである。
以上の各構造の弾性表面波素子に対して、窒化
アルミニウム膜2の圧電軸方向と垂直な方向に弾
性表面波を伝播させた時、第6図A,Bに示すよ
うなK2特性が得られた。
同図において素子Bは第2図の構造に対応した
特性を、素子Cは第3図の構造に対応した特性
を、素子Dは第4図の構造に対応した各特性を示
しており、通常弾性表面波を発生および検出させ
るに充分なK2が得られ圧電性に優れていること
を示している。
同様に第2図乃至第4図の各構造の弾性表面波
素子に対して、窒化アルミニウム膜2の圧電軸方
向と水平な方向に弾性表面波を伝播させた時、第
6図C,Dに示すようなK2特性が得られた。
同図において第6図Cはシリコン単結晶基板1
の(110)面上で〔001〕軸方向と等価な方向に弾
性表面波を伝播させた時、同様に第6図Dは
(001)面上で〔100〕軸方向と等価な方向に伝播
させた時の各特性を示しており、通常弾性表面波
を発生および検出させるに充分なK2が得られ圧
電性に優れていることを示している。
第6図A乃至Dから明らかなように規格化膜厚
2πH/λを0.2〜6.0の範囲に選ぶことにより実用
上充分な値のK2値を得ることができ圧電性に優
れていることを示している。
各実施例で用いられた窒化アルミニウム膜はバ
ンドギヤツプが約6.2eVと大きく、また比抵抗が
1016Ωcm以上のものが容易に得られるので良好な
絶縁性を示す。この窒化アルミニウム膜は単結晶
であることが好ましいが、周知のMO−CVD技
術を用いることにより単結晶エピタキシヤル膜を
容易に形成することができる。
また従来においてのスパツタリング法等による
酸化亜鉛膜に比べ窒化アルミニウム膜は再現性に
優れ、膜質が均一なものが得られるので特に高周
波における伝搬損失を小さく抑えることができ
る。
特に上記窒化アルミニウム膜は弾性表面波に対
する遅延時間温度係数が負である特性を有してい
るので、シリコン単結晶基板のようにそれと逆に
遅延時間温度係数が正である性質を有している基
板上に形成すれば遅延時間温度係数は相互に補償
されるために、温度変化に対して安定な特性を得
ることができる。特に温度変化に対する素子の安
定性は共振器、発振器等の狭帯域信号処理素子に
おいて最も重要な性能であるが、上記各実施例構
造によれば温度変化に対して安定な動作を行なわ
せることができる。しかも高周波化、低損失化も
併せて計ることができる。
上記窒化アルミニウム膜を形成すべき基板とし
てはシリコン単結晶に限らず、遅延時間温度係数
が負である材料であれば任意のものを選択するこ
とができる。例えばシリコン単結晶上に二酸化シ
リコン膜等のシリコン表面保護膜を形成した基板
を用いることができる。
以上述べて明らかなように本発明によれば、弾
性表面波に対する遅延時間温度係数が正であるシ
リコン基板上に窒化アルミニウム膜を形成するよ
うにした弾性体構造を用いるものであるから、特
性的に優れた弾性表面波素子を得ることができ
る。
以上説明した本発明によれば次のような効果が
得られる。
1 弾性表面波速度が大きいため高周波での波長
が大きくなるので、くし型電極等の製造が容易
になる。
2 膜厚変動による周波数変動率が小さいため設
計した動作周波数に合わせた素子の構造が容易
となるので、歩留り向上によるコストダウンを
計ることができる。
3 弾性表面波素子の遅延時間を零に近ずけるこ
とができる。
4 絶縁性に富んだ窒化アルミニウム膜を容易に
得ることができ、またMO−CVD技術により
その単結晶エピタキシヤル膜の形成も容易とな
る。
なお本文実施例中で示した基板および基板上に
形成された窒化アルミニウム膜の結晶面および弾
性表面波を励振(伝播)させる結晶方向は、実施
例以外に適当な選択を行なつても同様の効果を得
ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
第1図乃至第4図はいずれも本発明実施例を示
す断面図、第5図A,B、第6図A〜Dおよび第
7図A〜Fはいずれも本発明により得られた結果
を示す特性図である。 1……シリコン単結晶、2……窒化アルミニウ
ム膜、3……弾性表面波発生用電極、4……弾性
表面波検出用電極、7……しやへい電極。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 弾性表面波に対する遅延時間温度係数が正で
    あるシリコン単結晶を主たる構成要素とする弾性
    体基板と、この弾性体基板上に形成されかつ圧電
    軸が配向した窒化アルミニウム膜と、これら所定
    位置に形成された電極とを含み、上記シリコン単
    結晶が(111)結晶面、又は(110)結晶面、又は
    (001)結晶面と等価な面から成り、窒化アルミニ
    ウム膜の圧電軸が上記シリコン単結晶に垂直ある
    いは水平になるように形成され、上記窒化アルミ
    ニウム膜の圧電軸方向と垂直あるいは水平な方向
    に弾性表面波を伝播させることを特徴とする弾性
    表面波素子。 2 上記シリコン単結晶が(111)結晶面と等価
    な面から成り、上記窒化アルミニウム膜の膜厚H
    が0.2<2πH/λ<2.5(ただし、λは弾性表面波の
    波長を示す)の範囲に属することを特徴とする特
    許請求の範囲第1項記載の弾性表面波素子。 3 上記シリコン単結晶が(110)結晶面と等価
    な面から成り、上記窒化アルミニウム膜の膜厚H
    が1<2πH/λ<3の範囲に属することを特徴と
    する特許請求の範囲第1項記載の弾性表面波素
    子。 4 上記シリコン単結晶が(001)結晶面と等価
    な面から成り、上記窒化アルミニウム膜の膜厚H
    が1<2πH/λ<2の範囲に属することを特徴と
    する特許請求の範囲第1項記載の弾性表面波素
    子。 5 上記窒化アルミニウム膜が単結晶エピタキシ
    ヤル膜から成ることを特徴とする特許請求の範囲
    第1項乃至第4項のいずれかに記載の弾性表面波
    素子。
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