JPH027525B2 - - Google Patents

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JPH027525B2
JPH027525B2 JP56153827A JP15382781A JPH027525B2 JP H027525 B2 JPH027525 B2 JP H027525B2 JP 56153827 A JP56153827 A JP 56153827A JP 15382781 A JP15382781 A JP 15382781A JP H027525 B2 JPH027525 B2 JP H027525B2
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JP
Japan
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surface acoustic
acoustic wave
oxide film
silicon
zinc oxide
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JP56153827A
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Takeshi Okamoto
Ryuichi Asai
Shoichi Minagawa
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Faurecia Clarion Electronics Co Ltd
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Clarion Co Ltd
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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
    • 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
    • H03H9/02543Characteristics 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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  • 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、高効率で動作しかつ小さな温度係数
を有する構造の表面弾性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。
表面弾性波素子用圧電基板としてはニオブ酸リ
チウム(LiNbO3)のような圧電単結晶、ジルコ
ンチタン酸鉛(PZT)のような圧電セラミツク
ス、非圧電基板上に設けるようにした酸化亜鉛
(ZnO)のような圧電薄膜が知られている。これ
らのうち、ニオブ酸リチウムは電気機械結合係数
Kが大きくかつ表面波伝播損失が小さいが、温度
係数が大きいという欠点を有している。また圧電
セラミツクスは電気機械結合係数Kは大きいが焼
結体のために、高周波になる程表面波伝播損失が
大きくなる欠点がある。さらに以上の圧電単結晶
および圧電セラミツクスは自身の単一機能しか有
していないために用途が限定され、ICと組み合
わせて新しい機能を備えたデバイスを製造するこ
とは困難である。
この点上記圧電薄膜は第1図に示すように、シ
リコン基板1のような非圧電基板上に酸化亜鉛膜
2等が設けられこの表面に電極3,4が設けられ
て素子が構成されるので、シリコン基板1上に他
の半導体素子を形成することにより新しい機能を
備えたデバイスの実現が可能となる。
しかしながら圧電薄膜を用いた表面弾性波素子
は、電気機械結合係数Kが上記圧電単結晶および
圧電セラミツクスの場合よりも小さいために、効
率良く動作しないという欠点がある。また温度係
数が比較的大きいために、信号の遅延時間を問題
とするデバイスに対しては適用しにくいという欠
点がある。
本発明は以上の問題に対処してなされたもの
で、弾性体と接するようにほぼ(110)面と等価
な面から成るシリコン層を設け、このシリコン層
上に酸化亜鉛膜を形成し、この酸化亜鉛膜に接し
て電極を形成す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図は本発明の一実施例による表面弾性波素
子を示す断面図で、7は弾性体で例えば二酸化シ
リコン、サフアイヤから成り、5は弾性体7に接
して設けられたシリコン層で(110)面と等価な
面から成り、6はシリコン層5上に形成され圧電
軸がシリコン層5面に垂直になるように形成され
た酸化亜鉛膜、8,9は酸化亜鉛膜6表面に形成
されたくし型電極である。
上記酸化亜鉛膜6は周知のスパツタ法、CVD
法等の手段で形成され、またくし型電極8,9は
アルミニユウム等の金属が周知の蒸着法等により
形成される。
以上の構造の表面弾性波素子の入力電極8に対
し、上記シリコン5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6表面を伝播し
て出力電極9に至る。
第3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6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を百分率で示している。第2
図の本発明実施例構造において、シリコン層5と
酸化亜鉛膜6間の境界近傍の導電率が高い場合に
は、電気機械結合係数Kの二乗値K2は第3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はニオブ酸リチウム(LiNbO3)基
板におけるK2の最大値を示すもので、約5.5%の
値となる。
第3図の特性から明らかなように、シリコン5
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6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。
なお、上記セザワ波は、例えば第2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。
セザワ波を用いた場合の電気機械結合係数k2
特性は第3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、December1976」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4図は本発明の他の実施例による表面弾性波
素子を示す断面図で、5′はシリコン基板で
(100)面と等価な面でカツトされたものから成
り、その他第2図と同一番号で示してある。
以上の構造の表面弾性波素子の入力電極8に対
しては、シリコン5′の〔011〕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。
第5図は以上の実施例によつて得られた特性曲
線を示すもので、上記構造においてシリコン基板
5′と酸化亜鉛膜6間の境界近傍の導電率が高い
場合には、電気機械結合係数Kの二乗値K2は曲
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はニオブ酸リチウム(LiNbO3)基
板におけるK2の最大値を示すもので、約5.5%の
値となる。
第5図の特性から明らかなように、シリコン
5′の〔011〕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6の膜厚hを0.9<
2πh/λ<3.5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。
以上の各実施例において弾性体7として特にサ
フアイヤを用いた場合には、このサフアイヤ上に
SOS(Silicon on Sapphire)技術により単結晶シ
リコン層5を容易にエピタキシヤル成長させるこ
とができるので、このようにして得られたSOS基
板を用いることにより同一基板上へ表面弾性素子
と半導体素子とを同一プロセスで製造できるとい
う利点がある。
前述のように、シリコン層5と酸化亜鉛膜6間
の境界近傍の導電率が高いということは第6図の
ようにその境界部に金属膜10を形成した構造で
も同じ効果が得られることを意味している。また
シリコン層5がエピタキシヤル成長層を有してい
るような場合でも、バルク抵抗を下げることがで
きるので同じ効果を得ることができる。
弾性体7として二酸化シリコンを用いた場合に
は、シリコン層5と酸化亜鉛膜6とで決定する素
子の温度係数を打ち消す方向に働くために、素子
全体としては小さな温度係数を持たせることがで
きる。したがつて遅延時間温度係数を低減させる
ことができる。
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
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3,5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。
さらに本発明の他の実施例として第7図のよう
に、くし型電極8,9はシリコン層5上に設けた
構造にすることができる。またそのくし型電極
8,9に対向した酸化亜鉛膜6上に金属膜10を
付着させた第8図のような構造にすることができ
る。
以上の各実施例において、シリコン層5を保護
するために保護膜として二酸化シリコンを用いて
もよい。
本文実施例中では酸化亜鉛膜6の圧電軸がシリ
コン層5面に対して垂直に形成された場合を示し
たが、シリコン層5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。またシリコン層5の結晶面および表
面弾性波を励振すべき伝播軸は、それぞれ(110)
面、(100)面および〔001〕軸方向、〔011〕軸方
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。
以上説明して明らかなように本発明によれば、
弾性体と接するように所定の結晶面から成るシリ
コン層を設け、このシリコン層上に酸化亜鉛膜を
形成し、この酸化亜鉛膜に接して電極を形成する
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。このように電気機械結合係数
を大きく設定できるので、表面弾性波トランスジ
ユーサのインピーダンスを小さくできて整合がと
り易くなるため高効率で動作し得る表面弾性波素
子が実現できる。またこれと共に表面弾性波トラ
ンスジユーサの電極対数を少なくすることができ
るので、素子の小型化が可能となりコストダウン
を計ることができる。
さらに弾性体を設けることにより温度係数を小
さくすることができるので、表面弾性波素子の安
定な動作を行わせることができる。
本発明のように表面弾性波として特にセザワ波
を用いる場合は、その位相速度が大なる性質を利
用して特に高周波用素子の実現を計る場合有利と
なる。
本発明はSOS基板等のIC用基板と共通の材料
を用いることにより、小型化、高集積化された新
しい機能を有するデバイスが得られるので広範囲
な用途に適用して効果的である。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来例を示す断面図、第2図、第4
図、第6図、第7図および第8図はいずれも本発
明実施例を示す断面図、第3図および第5図は共
に本発明により得られた結果を示す特性図であ
る。 5,5′…シリコン層、6…酸化亜鉛膜、7…
弾性体、8,9…くし型電極、10…金属膜。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 弾性体と、この弾性体に接するほぼ(110)
    面と等価な面から成るシリコン層と、このシリコ
    ン層上に形成された酸化亜鉛膜と、この酸化亜鉛
    膜上又は上記シリコン層と酸化亜鉛膜との境界面
    に形成された電極とを含み、上記シリコンのほぼ
    [001]軸方向と等価な方向に表面弾性波を伝播さ
    せ、上記表面弾性波としてセザワ波を用い、上記
    酸化亜鉛膜の膜厚hを上記表面弾性波の波長をλ
    として0.9<2πh/λ<3.0の範囲に選定し、上記
    酸化亜鉛膜の圧電軸がシリコン層面に対して垂直
    又は垂直方向に対して10度以下の傾きをもつこと
    を特徴とする表面弾性波素子。 2 弾性体と、この弾性体に接するほぼ(110)
    面と等価な面から成るシリコン層と、このシリコ
    ン層上に形成された酸化亜鉛膜と、この酸化亜鉛
    膜上に形成された電極とを含み、上記シリコンの
    ほぼ[001]軸方向と等価な方向に表面弾性波を
    伝播させ、上記表面弾性波としてセザワ波を用
    い、上記酸化亜鉛膜の膜厚hを上記表面弾性波の
    波長をλとして0.9<2πh/λ<3.0の範囲に選定
    し、上記酸化亜鉛膜の圧電軸がシリコン層面に対
    して垂直又は垂直方向に対して10度以下の傾きを
    もつとともに、上記酸化亜鉛膜とシリコン層との
    間に形成された金属膜を備えたことを特徴とする
    表面弾性波素子。 3 弾性体と、この弾性体に接するほぼ(110)
    面と等価な面から成るシリコン層と、このシリコ
    ン層上に形成された酸化亜鉛膜と、上記シリコン
    層と酸化亜鉛膜との境界面に形成された電極とを
    含み、上記シリコンのほぼ[001]軸方向と等価
    な方向に表面弾性波を伝播させ、上記表面弾性波
    としてセザワ波を用い、上記酸化亜鉛膜の膜厚h
    を上記表面弾性波の波長をλとして0.9<2πh/λ
    <3.0の範囲に選定し、上記酸化亜鉛膜の圧電軸
    がシリコン層面に対して垂直又は垂直方向に対し
    て10度以下の傾きをもつとともに、上記酸化亜鉛
    膜上に形成された金属膜を備えたことを特徴とす
    る表面弾性波素子。 4 上記弾性体がサフアイヤで、上記シリコンが
    エピタキシヤル層で形成されたことを特徴とする
    特許請求の範囲第1項に記載の表面弾性波素子。 5 上記弾性体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1項に記載の表面弾
    性波素子。 6 上記弾性体がサフアイヤから成ることを特徴
    とする特許請求の範囲第1項に記載の表面弾性波
    素子。 7 上記シリコン上に酸化膜をもつていることを
    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。 8 上記弾性体がサフアイヤで、上記シリコンが
    エピタキシヤル層で形成されたことを特徴とする
    特許請求の範囲第2項に記載の表面弾性波素子。 9 上記弾性体がサフアイヤで、上記シリコンが
    エピタキシヤル層で形成されたことを特徴とする
    特許請求の範囲第3項に記載の表面弾性波素子。 10 上記弾性体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2項に記載の表面
    弾性波素子。 11 上記弾性体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項に記載の表面
    弾性波素子。 12 上記弾性体がサフアイヤから成ることを特
    徴とする特許請求の範囲第2項に記載の表面弾性
    波素子。 13 上記弾性体がサフアイヤから成ることを特
    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。 14 上記シリコン上に酸化膜をもつていること
    を特徴とする特許請求の範囲第2項に記載の表面
    弾性波素子。 15 上記シリコン上に酸化膜をもつていること
    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。 16 上記シリコン上に酸化膜をもつていること
    を特徴とする特許請求の範囲第4項に記載の表面
    弾性波素子。 17 上記シリコン上に酸化膜をもつていること
    を特徴とする特許請求の範囲第5項に記載の表面
    弾性波素子。 18 上記シリコン上に酸化膜をもつていること
    を特徴とする特許請求の範囲第6項に記載の表面
    弾性波素子。
JP56153827A 1981-03-05 1981-09-30 表面弾性波素子 Granted JPS5856515A (ja)

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JP56153827A JPS5856515A (ja) 1981-03-05 1981-09-30 表面弾性波素子
JP56153825A JPS5856513A (ja) 1981-03-05 1981-09-30 表面弾性波素子
JP56153826A JPS5856514A (ja) 1981-03-05 1981-09-30 表面弾性波素子
JP56160062A JPS5861686A (ja) 1981-03-05 1981-10-09 表面弾性波素子
JP56163148A JPS5863214A (ja) 1981-03-05 1981-10-12 表面弾性波素子
US06/354,430 US4449107A (en) 1981-03-05 1982-03-03 Surface elastic wave element
FR8203628A FR2509927B1 (fr) 1981-03-05 1982-03-04 Element a onde elastique de surface
GB8206465A GB2095948B (en) 1981-03-05 1982-03-04 Surface elastic wave element
NL8200935A NL8200935A (nl) 1981-03-05 1982-03-05 Oppervlakte-elastisch golfelement.
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FR8216922A FR2514567B1 (fr) 1981-03-05 1982-10-08 Element a onde elastique de surface
DE19823237358 DE3237358A1 (de) 1981-03-05 1982-10-08 Element fuer elastische oberflaechenwellen
GB08228854A GB2110033B (en) 1981-03-05 1982-10-08 Surface elastic wave element
NL8203917A NL8203917A (nl) 1981-03-05 1982-10-08 Element voor elastische oppervlaktegolven.

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