JPH025327B2 - - Google Patents
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- JPH025327B2 JPH025327B2 JP56031562A JP3156281A JPH025327B2 JP H025327 B2 JPH025327 B2 JP H025327B2 JP 56031562 A JP56031562 A JP 56031562A JP 3156281 A JP3156281 A JP 3156281A JP H025327 B2 JPH025327 B2 JP H025327B2
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- surface acoustic
- acoustic wave
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
- H03H9/02—Details
- H03H9/02535—Details of surface acoustic wave devices
- H03H9/02818—Means for compensation or elimination of undesirable effects
- H03H9/02834—Means for compensation or elimination of undesirable effects of temperature influence
-
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- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
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- H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
- H03H9/02—Details
- H03H9/02535—Details of surface acoustic wave devices
- H03H9/02543—Characteristics of substrate, e.g. cutting angles
- H03H9/02574—Characteristics of substrate, e.g. cutting angles of combined substrates, multilayered substrates, piezoelectrical layers on not-piezoelectrical substrate
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- Physics & Mathematics (AREA)
- 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、高効率で動作し得る構造の表面弾性
波素子に関するものである。
波素子に関するものである。
弾性体表面に沿つて伝播する表面弾性波を利用
した各種表面弾性波素子が最近盛んに開発されつ
つある。この理由としては、第1に表面弾性波は
物質表面に集中して伝播する波動であること、第
2にその伝播速度は電磁波速度の約10-5倍であ
り、素子の小型化と高密度化が可能であること、
第3にICと組み合わせた新しい素子の実現が期
待できること、等が挙げられる。
した各種表面弾性波素子が最近盛んに開発されつ
つある。この理由としては、第1に表面弾性波は
物質表面に集中して伝播する波動であること、第
2にその伝播速度は電磁波速度の約10-5倍であ
り、素子の小型化と高密度化が可能であること、
第3にICと組み合わせた新しい素子の実現が期
待できること、等が挙げられる。
第1図は従来の表面弾性波素子の一例を示すも
ので、1はLiNbO3から成る圧電性単結晶基板、
2,3はその表面に設けられたくし型電極であ
り、例えば2は入力電極、3は出力電極として使
用される。ここで入力電極2から励振された表面
弾性波は上記LiNbO3圧電性単結晶基板1表面を
伝播して出力電極3から取り出される。
ので、1はLiNbO3から成る圧電性単結晶基板、
2,3はその表面に設けられたくし型電極であ
り、例えば2は入力電極、3は出力電極として使
用される。ここで入力電極2から励振された表面
弾性波は上記LiNbO3圧電性単結晶基板1表面を
伝播して出力電極3から取り出される。
以上の構造の表面弾性波素子は、電気機械結合
係数Kが大きいため、くし型電極を備えたフイル
タ等に適用した場合は広帯域特性が実現でき、マ
ツチングが取り易く、挿入損失も小さくでき、ま
たくし型電極のくしの数も少なくできるので、素
子の小型化が実現できてコストダウンが計れる等
の多くの利点を有している。しかしながらその反
面、基板がLiNbO3単一材料から構成されている
ために、素子の伝播速度および電気機械結合係数
が表面の結晶軸方向、それに対する表面弾性波の
伝播方向によつて固定化されてしまう欠点を有し
ている。
係数Kが大きいため、くし型電極を備えたフイル
タ等に適用した場合は広帯域特性が実現でき、マ
ツチングが取り易く、挿入損失も小さくでき、ま
たくし型電極のくしの数も少なくできるので、素
子の小型化が実現できてコストダウンが計れる等
の多くの利点を有している。しかしながらその反
面、基板がLiNbO3単一材料から構成されている
ために、素子の伝播速度および電気機械結合係数
が表面の結晶軸方向、それに対する表面弾性波の
伝播方向によつて固定化されてしまう欠点を有し
ている。
本発明は以上の問題に対処してなされたもの
で、基板材料としてほぼ(110)面と等価な面で
カツトされたシリコンを用いこの上に酸化亜鉛膜
から成る圧電膜を形成し、必要に応じて両者間に
誘電体膜を介在させる上記シリコン基板のほぼ
[001]軸方向と等価な方向に表面弾性波としてセ
ザワ波を伝播させるようにした構造の表面弾性波
素子を提供するものである。以下図面を参照して
本発明実施例を説明する。第2図は本発明実施例
による表面弾性波素子を示す断面図で、4はシリ
コン基板で(110)面と等価な面でカツトされた
ものから成り、5はその上に形成され圧電軸がシ
リコン基板4面に垂直になるように形成された酸
化亜鉛膜、6,7はこの表面に設けられたくし型
電極である。
で、基板材料としてほぼ(110)面と等価な面で
カツトされたシリコンを用いこの上に酸化亜鉛膜
から成る圧電膜を形成し、必要に応じて両者間に
誘電体膜を介在させる上記シリコン基板のほぼ
[001]軸方向と等価な方向に表面弾性波としてセ
ザワ波を伝播させるようにした構造の表面弾性波
素子を提供するものである。以下図面を参照して
本発明実施例を説明する。第2図は本発明実施例
による表面弾性波素子を示す断面図で、4はシリ
コン基板で(110)面と等価な面でカツトされた
ものから成り、5はその上に形成され圧電軸がシ
リコン基板4面に垂直になるように形成された酸
化亜鉛膜、6,7はこの表面に設けられたくし型
電極である。
第3図は本発明の他の実施例を示すもので、8
はシリコン基板4と酸化亜鉛膜5間に形成した誘
電体膜で例えば二酸化シリコン膜から成るもので
ある。この二酸化シリコン膜は上記シリコン基板
4を酸化性雰囲気中で熱処理することにより形成
することができる。
はシリコン基板4と酸化亜鉛膜5間に形成した誘
電体膜で例えば二酸化シリコン膜から成るもので
ある。この二酸化シリコン膜は上記シリコン基板
4を酸化性雰囲気中で熱処理することにより形成
することができる。
第2図および第3図に示した表面弾性波素子は
以下のようなプロセスで製造した。
以下のようなプロセスで製造した。
(110)面と等価な面でカツトしたシリコン基
板4を用意し、この上にRFスパツタ法により膜
厚6.8μmのC軸配向の酸化亜鉛膜5を形成する。
第3図の実施例の場合は、この前に上述のような
熱処理により予め二酸化シリコン膜の誘電体膜8
を形成しておく。次に上記酸化亜鉛膜5上にDC
スパツタ法により、全面にアルミニユウム膜を形
成し続いてフオトエツチング法により不要部を除
去してくし型構造の電極6,7を形成し、6を入
力電極、7を出力電極として用いる。ここでくし
型電極のくしの幅は約6μm、電極周期は約24μm
に形成した。
板4を用意し、この上にRFスパツタ法により膜
厚6.8μmのC軸配向の酸化亜鉛膜5を形成する。
第3図の実施例の場合は、この前に上述のような
熱処理により予め二酸化シリコン膜の誘電体膜8
を形成しておく。次に上記酸化亜鉛膜5上にDC
スパツタ法により、全面にアルミニユウム膜を形
成し続いてフオトエツチング法により不要部を除
去してくし型構造の電極6,7を形成し、6を入
力電極、7を出力電極として用いる。ここでくし
型電極のくしの幅は約6μm、電極周期は約24μm
に形成した。
以上のようなプロセスで得られた表面弾性波素
子の入力電極6に対し、上記シリコン基板4の
[001]軸方向と等価な方向に表面弾性波としてセ
ザワ波を励振させる。これにより表面弾性波は酸
化亜鉛膜5表面を伝播して出力電極7に至る。
子の入力電極6に対し、上記シリコン基板4の
[001]軸方向と等価な方向に表面弾性波としてセ
ザワ波を励振させる。これにより表面弾性波は酸
化亜鉛膜5表面を伝播して出力電極7に至る。
第4図は以上の本発明実施例によつて得られた
特性曲線を示すもので、横軸は酸化亜鉛膜5の膜
厚hの規格化された厚さを2πh/λ(ここでλは
表面弾性波の波長)で示し、縦軸は電気機械結合
係数kの二乗値k2を百分率で示す。第2図の構造
においてシリコン基板4と酸化亜鉛膜5との境界
面近傍の導電率が高い場合、および第3図の構造
においてシリコン基板4表面の導電率が高くて誘
電体膜8の膜厚Hが酸化亜鉛膜5の膜厚hに比べ
て小さい場合には、第4図の特性において曲線A
のような変化をする。なおこの曲線Aは表面弾性
波のうち上記のようなセザワ波についての曲線を
示している。また直線BはLiNbO3基板を用いた
場合のk2の最大値5.5%を示すものである。
特性曲線を示すもので、横軸は酸化亜鉛膜5の膜
厚hの規格化された厚さを2πh/λ(ここでλは
表面弾性波の波長)で示し、縦軸は電気機械結合
係数kの二乗値k2を百分率で示す。第2図の構造
においてシリコン基板4と酸化亜鉛膜5との境界
面近傍の導電率が高い場合、および第3図の構造
においてシリコン基板4表面の導電率が高くて誘
電体膜8の膜厚Hが酸化亜鉛膜5の膜厚hに比べ
て小さい場合には、第4図の特性において曲線A
のような変化をする。なおこの曲線Aは表面弾性
波のうち上記のようなセザワ波についての曲線を
示している。また直線BはLiNbO3基板を用いた
場合のk2の最大値5.5%を示すものである。
第4図の特性から明らかなように、シリコン基
板4の[001]軸方向と等価な方向に表面弾性波
を伝播させた場合、酸化亜鉛膜5の膜厚hを0.9
<2πh/λ<3.0の範囲となるように選ぶことによ
り、高効率で動作させ得る大きな値の電気機械結
合係数を得ることができる。例えば横軸の2πh/
λ=1.78に選ぶことによりk2=6%という値を得
ることができた。これは理論値とほぼ一致した値
である。
板4の[001]軸方向と等価な方向に表面弾性波
を伝播させた場合、酸化亜鉛膜5の膜厚hを0.9
<2πh/λ<3.0の範囲となるように選ぶことによ
り、高効率で動作させ得る大きな値の電気機械結
合係数を得ることができる。例えば横軸の2πh/
λ=1.78に選ぶことによりk2=6%という値を得
ることができた。これは理論値とほぼ一致した値
である。
なお、上記セザワ波は、例えば第3図の構造に
おいて存在する複数のモードの表面弾性波のう
ち、2次の高次モードのものである。因みに1次
の基本モードのものはレーリー波と言われる。例
えば「1977年 Ultrasonic Symposium
Proceedings IEE」第814頁乃至第818頁のFig、
4において、1stがレーリー波で、2ndがセザワ波
である。
おいて存在する複数のモードの表面弾性波のう
ち、2次の高次モードのものである。因みに1次
の基本モードのものはレーリー波と言われる。例
えば「1977年 Ultrasonic Symposium
Proceedings IEE」第814頁乃至第818頁のFig、
4において、1stがレーリー波で、2ndがセザワ波
である。
セザワ波を用いた場合の電気機械結合係数k2の
特性は第4図に示すようになるが、レーリー波を
用いた場合は、例えば「National Technical
Report、December 1976」第905頁乃至第923頁
の第19図に示す特性となり、本発明のようにセ
ザワ波を用いた方が明らかに電気−機械結合係数
k2が大きい。この係数は表面弾性波装置にとつて
非常に重要なパラメータであり、表面弾性波トラ
ンスジユーサの効率、帯域幅等に大きな影響を与
えるので、セザワ波を用いる実用上の効果は多大
である。
特性は第4図に示すようになるが、レーリー波を
用いた場合は、例えば「National Technical
Report、December 1976」第905頁乃至第923頁
の第19図に示す特性となり、本発明のようにセ
ザワ波を用いた方が明らかに電気−機械結合係数
k2が大きい。この係数は表面弾性波装置にとつて
非常に重要なパラメータであり、表面弾性波トラ
ンスジユーサの効率、帯域幅等に大きな影響を与
えるので、セザワ波を用いる実用上の効果は多大
である。
第5図は本発明の他の実施例によつて得られた
特性曲線を示すものでRFスパツタ法により形成
された酸化亜鉛膜5の物質定数を酸化亜鉛単結晶
の物質定数で近似(代用)することにより得られ
た特性を示している。第4図に比べて第5図の特
性は膜厚が0.92πh/λ2.5の範囲内でk2の値
がわずか小さくなるが、1.18<2πh/λ<1.97の
範囲内では直線B(LiNbO3の場合)よりも大き
なk2値を示している。
特性曲線を示すものでRFスパツタ法により形成
された酸化亜鉛膜5の物質定数を酸化亜鉛単結晶
の物質定数で近似(代用)することにより得られ
た特性を示している。第4図に比べて第5図の特
性は膜厚が0.92πh/λ2.5の範囲内でk2の値
がわずか小さくなるが、1.18<2πh/λ<1.97の
範囲内では直線B(LiNbO3の場合)よりも大き
なk2値を示している。
電気機械結合係数kは酸化亜鉛膜5の膜厚h、
シリコン基板4のカツト面あるいは表面弾性波の
伝播軸等を変化させることにより、任意に設定す
ることができる。
シリコン基板4のカツト面あるいは表面弾性波の
伝播軸等を変化させることにより、任意に設定す
ることができる。
シリコン基板4と酸化亜鉛膜5との間に介在さ
せた誘電体膜8はシリコン基板4の表面特性を安
定化させる働きをし、安定な素子動作を行わせる
点で効果的である。
せた誘電体膜8はシリコン基板4の表面特性を安
定化させる働きをし、安定な素子動作を行わせる
点で効果的である。
なお本文実施例中では酸化亜鉛膜5の圧電軸が
シリコン基板4に対して垂直に形成された場合を
示したが、基板面に垂直な方向からの傾きがほぼ
10度以下の圧電軸の場合にもほぼ同等の特性が得
られることを確かめた。またシリコン基板4のカ
ツト面および表面弾性波を励振すべき伝播軸は、
それぞれ(110)面と等価な面およびシリコン基
板4の[001]軸方向と等価な方向から数度ずれ
ている場合にもほぼ同等の特性が得られることが
わかつた。
シリコン基板4に対して垂直に形成された場合を
示したが、基板面に垂直な方向からの傾きがほぼ
10度以下の圧電軸の場合にもほぼ同等の特性が得
られることを確かめた。またシリコン基板4のカ
ツト面および表面弾性波を励振すべき伝播軸は、
それぞれ(110)面と等価な面およびシリコン基
板4の[001]軸方向と等価な方向から数度ずれ
ている場合にもほぼ同等の特性が得られることが
わかつた。
表面弾性波を伝播させる方向はシリコン基板4
の[001]軸方向と等価な方向以外の方向に選ん
だ場合にも高効率な動作が期待される。
の[001]軸方向と等価な方向以外の方向に選ん
だ場合にも高効率な動作が期待される。
また現在圧電体材料として広く利用されている
もののk2の一例は下記に示す通りで、LiNbO3は
他の材料 128゜Y LiNbO3 k2=5.5% YZ LiNbO3 k2=4.8% LiTaO3 k20.8% 水 晶 k20.2% と比較して1桁大きなk2を有しているが、本発明
のセザワ波を用いたZnO/Si構造の装置ではk2の
最大値はLiNbO3よりも大きく、ZnO膜の膜厚h
を0.9<2πh/λ<3.0以外に選んだ場合にも、
LiNbO3以外の広く利用されている圧電材料より
も大きなk2が得られるので、第4図のようにZnO
膜の膜厚によりk2が変化するとしても、大きな利
点が得られる。
もののk2の一例は下記に示す通りで、LiNbO3は
他の材料 128゜Y LiNbO3 k2=5.5% YZ LiNbO3 k2=4.8% LiTaO3 k20.8% 水 晶 k20.2% と比較して1桁大きなk2を有しているが、本発明
のセザワ波を用いたZnO/Si構造の装置ではk2の
最大値はLiNbO3よりも大きく、ZnO膜の膜厚h
を0.9<2πh/λ<3.0以外に選んだ場合にも、
LiNbO3以外の広く利用されている圧電材料より
も大きなk2が得られるので、第4図のようにZnO
膜の膜厚によりk2が変化するとしても、大きな利
点が得られる。
さらにシリコン基板と酸化亜鉛膜との境界面近
傍の導電率が高い場合以外でも高効率な動作が期
待でき、またくし型構造電極を配置しない場合で
も、シリコン基板と酸化亜鉛膜内に発生する電気
的ポテンシヤルを利用するような素子において、
高効率で動作し得る表面弾性波素子の実現が期待
される。
傍の導電率が高い場合以外でも高効率な動作が期
待でき、またくし型構造電極を配置しない場合で
も、シリコン基板と酸化亜鉛膜内に発生する電気
的ポテンシヤルを利用するような素子において、
高効率で動作し得る表面弾性波素子の実現が期待
される。
以上説明して明らかなように本発明によれば、
基板材料として(110)面と等価な面でカツトさ
れたシリコンを用いこの上に酸化亜鉛膜からなる
圧電膜を形成し、必要に応じて両者間に誘電体膜
を介在させるように構成するものであるから、電
気機械結合係数に柔軟性を持たせることができ任
意な値に設定することができる。したがつて、く
し型電極を備えたフイルタ等に適用した場合には
広帯域特性が実現でき、マツチングが取り易く、
挿入損失も小さくでき、またくし型電極のくしの
数も少なくできるので、素子の小型化が実現でき
てコストダウンが計れる等の多くの利点を維持し
たままで、高効率で動作し得る表面弾性波素子を
得ることができる。
基板材料として(110)面と等価な面でカツトさ
れたシリコンを用いこの上に酸化亜鉛膜からなる
圧電膜を形成し、必要に応じて両者間に誘電体膜
を介在させるように構成するものであるから、電
気機械結合係数に柔軟性を持たせることができ任
意な値に設定することができる。したがつて、く
し型電極を備えたフイルタ等に適用した場合には
広帯域特性が実現でき、マツチングが取り易く、
挿入損失も小さくでき、またくし型電極のくしの
数も少なくできるので、素子の小型化が実現でき
てコストダウンが計れる等の多くの利点を維持し
たままで、高効率で動作し得る表面弾性波素子を
得ることができる。
本発明は特にシリコン基板として集積回路用基
板と共通の基板を用いることにより、小型化、高
密度化された素子を得ることができるので効果的
である。
板と共通の基板を用いることにより、小型化、高
密度化された素子を得ることができるので効果的
である。
第1図は従来素子を示す断面図、第2図および
第3図は共に本発明実施例を示す断面図、第4図
および第5図は本発明によつて得られた結果を示
す特性図である。 4……シリコン基板、5……酸化亜鉛膜、6,
7……くし型構造電極、8……誘電体膜。
第3図は共に本発明実施例を示す断面図、第4図
および第5図は本発明によつて得られた結果を示
す特性図である。 4……シリコン基板、5……酸化亜鉛膜、6,
7……くし型構造電極、8……誘電体膜。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1 (110)面と等価な面でカツトされたシリコ
ン基板と、このシリコン基板上に形成された酸化
亜鉛膜と、この酸化亜鉛膜表面における上記シリ
コン基板の反対側表面に設けられた電極とを含
み、上記シリコン基板のほぼ[001]軸方向と等
価な方向に表面弾性波を伝播させるように構成
し、かつ上記表面弾性波としてセザワ波を用い、
かつ上記酸化亜鉛膜の圧電軸がシリコン基板面に
対して垂直又は垂直方向に対して10度以下の傾き
をもち、かつ上記酸化亜鉛膜の膜厚hが0.9<
2πh/λ<3.0(ただし、λは表面弾性波の波長を
示す)の範囲に属することを特徴とする表面弾性
波素子。 2 上記電極がくし型構造を有することを特徴と
する特許請求の範囲第1項に記載の表面弾性波素
子。 3 (110)面と等価な面でカツトされたシリコ
ン基板と、このシリコン基板上に形成された誘電
体膜と、この誘電体膜上に形成された酸化亜鉛膜
と、この酸化亜鉛膜表面における上記誘電体膜の
反対側表面に設けられた電極とを含み、上記シリ
コン基板のほぼ[001]軸方向と等価な方向に表
面弾性波を伝播させるように構成し、かつ上記表
面弾性波としてセザワ波を用い、かつ上記酸化亜
鉛膜の圧電軸がシリコン基板面に対して垂直又は
垂直方向に対して10度以下の傾きをもち、かつ上
記酸化亜鉛膜の膜厚hが0.9<2πh/λ<3.0(ただ
し、λは表面弾性波の波長を示す)の範囲に属す
ることを特徴とする表面弾性波素子。 4 上記電極がくし型構造を有することを特徴と
する特許請求の範囲第3項に記載の表面弾性波素
子。 5 上記誘電体膜が二酸化シリコンから成ること
を特徴とする特許請求の範囲第3項及び第4項の
いずれかに記載の表面弾性波素子。
Priority Applications (16)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP56031562A JPS57145419A (en) | 1981-03-05 | 1981-03-05 | Surface acoustic wave element |
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