JPH04109709A - 弾性表面波素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）産業上の利用分野 本発明はサファイア単結晶基板上に窒化アルミニウム圧
電膜を形成した弾性表面波素子に関するものである。

（ロ）従来の技術 弾性表面波素子は小形で、しかも温度及び経年変化に対
して安定である上、櫛型電極の形状を変よることによっ
て、任意のフィルター特性が得られる為、例えばテレビ
ジョン受像機のＩＦフィルター、衛星放送用のＩＦフィ
ルター、ＶＴＲのＲＦコンバータ発信器等に広く応用さ
れている。

弾性表面波素子においては、電気エネルギーを弾性表面
波（機械）エネルギーに変換する際の効率を表わす電気
機械結合係数（Ｋ″）ができるだけ大きいことが望まし
い。

本願出願人は、特開平１　１０６５１４号公報（ＨＯ３
Ｈ９／　２５　）及び特開平１−１２５０１２号公報（
ＨＯ３Ｈ９／２５）にて、基板上に弾性表面波の数波要
分の厚さ（例えば、２０〜３０ｐｍ）の窒化アルミニウ
ム圧電膜を形成した弾性表面波素子において、窒化アル
ミニウム圧電膜のＣ軸配向方向を圧電膜法線に対して傾
けた弾性表面波素子を提案した。この弾性表面波素子に
よれば、従来の弾性表面波素子よりも高い電気機械結合
係数を得ることができる。

従来、サファイア単結晶基板上に窒化アルミニウム圧電
膜を形成した弾性表面波素子としては、特開昭５８−１
５６２１５号公報（ＨＯ３Ｈ９／２５）に示されている
ものが知られている。この弾性表面波素子は、窒化アル
ミニウム圧電膜が弾性表面波の１波長以下の厚みで形成
されている。

圧電膜がこのような弾性表面波の数波長以下の厚さの薄
膜である場合、電気機械結合係数は圧電膜の結晶構造や
膜厚等の特性のみならず、基板の結晶構造等に関係する
。そして、上記公報では、窒化アルミニウム圧電膜のＣ
軸をサファイア単結晶基板に対して平行あるいは垂直に
なるよう形成して、窒化アルミニウム圧電膜の膜厚の最
適条件についての考察が為されている。

（ハ）考案が解決しようとする課題 しかしながら、上記公報においては、窒化アルミニウム
圧電膜のＣ軸がシリコン単結晶基板に対して平行もしく
は垂直にした場合のみについて開示されているに過ぎず
、この場合の電気機械結合係数は最適な条件において０
　：　８　％であった。

そこで本発明は、サファイア単結晶基板上に弾性表面波
の数波長以下の窒化アルミニウム圧電膜を弾性表面波の
数波長以下の厚みで形成した弾性表面波素子においても
、窒化アルミニウム圧電膜のＣ軸をサファイア単結晶基
板に対して傾けることによって、従来よりも電気機械結
合係数の大きい弾性表面波素子を実現することを目的と
するものである。

（ニ）課題を解決するための手段 本発明はサファイア単結晶基板と、該サファイア単結晶
基板上に形成される単結晶もしくはＣ軸配向窒化アルミ
ニウム圧電膜とを備える弾性表面波素子であって、弾性
表面波の伝播方向軸と前記サファイア単結晶基板表面の
法線軸とを含む投影面へのｉｉｊ記窒化アルミニウム圧
電膜のＣ軸の投影軸が前記法線軸に対して所定の傾斜角
（θ）を有することを特徴とする。

（ホ）作　用 本発明による弾性表面波素子は上記のように構成するこ
とにより電気機械結合係数が向上する。

（へ）実施例 本発明の一実施例を図面に従い説明する。

第１図は本発明による弾性表面波素子の構造を示す図で
ある。（１）はサファイア単結晶基板である６（２）は
サファイア単結晶基板（１）上にＣＶＤ法あるいはスパ
ッタリング法等により形成された単結晶もしくはＣ軸配
向性の窒化アルミニウム圧電膜である。（１ａ）は弾性
表面波の伝播方向を示すＸ軸、（１ｂ）はサファイア単
結晶基板（１）表面の法線方向を示すＺ軸、（ＩＣ）は
Ｘ軸（１ａ）および２軸（ｌｂ）に対して垂直な方向を
示すＹ軸である。（２ａ）は窒化アルミニウム圧電膜（
２）のＣ軸である。（２ａ’）は弾性表面波の伝播方向
軸（Ｘ軸（ｌａ））とサファイア単結晶基板表面の法線
軸（Ｚ軸（ｌｂ））とを含む投影面（Ｘ−Ｚ面）へのＣ
軸（２ａ）の投影軸である。この投影軸（２ａ　’　）
は法線軸（Ｚ軸（ｌｂ））に対して所定の傾斜角（θ）
を有している。

（３）は櫛形の送信電極、（４）は櫛形の受信電極であ
り、窒化アルミニウム圧電膜（２）上に互いに対向して
形成される。弾性表面波は送信電極（３）から受信電極
（４）に向かって矢印（Ｗ）の方向、すなわちＸ軸（１
ａ）方向に伝播する。

なお、本実施例では送信電極（３）および受信電極（４
）は窒化アルミニウム圧電膜（２）上に形成しているが
、サファイア単結晶基板（１）と窒化アルミニウム圧電
膜（２）との間に形成してもよい。

第２図は第１図に示す実施例の弾性表面波素子を収納し
たパッケージの外観図である。入力端子（５）（５“）
は弾性表面波素子上の送信電極（３）に、出力端子（６
）（６°）は弾性表面波素子上の受信電極（４）にそれ
ぞれ電気的に接続されている。

外部から電気信号が入力端子（５）（５’）に入力され
ると、送信電極（３）から入力信号に応じた弾性表面波
が励振される。そして弾性表面波は受信電極（４）で受
信され、再び電気信号として出力端子（６）（６’）か
ら出力される。

次に、上記構成の弾性表面波素子の電気機械結合係数に
ついて調べた結果について説明する。

電気機械結合係数の算出に際しては、例えば、Ｉ　Ｅ　
Ｅ　Ｅ　　Ｔ　ｒａｎｓａｃｔｉｏｎ　ｏｎ　５ｏｎｉ
ｃｓ　ａｎｄ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ、ｖｏｌ、５Ｕ
−１５，Ｎｏ４，０ｃｔｏｂｅｒ　１９６８．　ｐ２０
９−２１７”Ａ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　Ｅｓｔｉｍａ
ｔｉｎｇ　Ｏｐｔｉｍａｌ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｃｕｔｓ
　ａｎｄ　Ｐ　ｒｏｐａｇａｔｉｏｎ　Ｄｉｒ−ｅｃｔ
ｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｐ　１
ｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　５ｕｒｆａ、ｃｅ　Ｗａｖｅ
ｓに開示された計算手法を用いることが出来る。

斯種計算手法は、窒化アルミニウム圧電膜の異方性及び
圧電性を考慮した圧電基本式、ニュートンの運動方程式
、マックスウェルの電磁方程式等を、数値解析により解
くものであり、これによって窒化アルミニウム圧電膜の
表面を電気的に短絡したときの表面波伝播速度ｖｍと、
自由表面での伝播速度Ｖｆとが算出される。

そして、このＶｍ、Ｖｆから電気機械結合係数は、“表
面波デバイスとその応用”電子材料工業全編、１６頁に
も開示されている様に、次式によって計算される。

Ｋ　”＝　２　（Ｖ　ｆ　−Ｖｍ）／　Ｖ　ｆ第３図は
、第１図に示されるような構造の弾性表面波素子におい
て、サファイア単結晶基板（１）が（０００１）結晶面
もしくはそれと等価な面からなり、弾性表面波の伝播方
向軸がサファイア単結晶層（１）の［１−１００］軸も
しくはそれと等価な軸であり、且つ窒化アルミニウム圧
電膜（２）のＣ軸（２ａ）が投影面内にあるとき（Ｃ軸
（２ａ）が投影軸（２ａ　’　）に等しいとき）、傾斜
角（θ）を０度から９０度の範囲で変化させたときの電
気機械結合係数（Ｋりの特性曲線を示すものである。（
Ａ）は２πｈ／λ＝２．０、（Ｂ）は２πｈ／λ＝３．
０、（Ｃ）は２πｈ／λ＝４．０の場合の電気機械結合
係数の特性曲線である。ただし、ｈは窒化アルミニウム
圧電膜（２）の膜厚、λは弾性表面波の波長を表す。

これら特性曲線（Ａ　）（Ｂ　）（Ｃ）は何れも傾斜角
（θ）が０度から大きくなるに従い電気機械結合係数（
Ｋ″）は増加し、ある傾斜角（θ）になるとピークに達
し、その後減少している。この特性から、電気機械結合
係数（Ｋ８）は、特性曲線（Ａ）では傾斜角（θ）が約
４４度〜９０度、（Ｂ）では約３６度〜９０度、そして
（Ｃ）では約３４度〜９０度の範囲において、傾斜角（
θ）が９０度、すなわち窒化アルミニウム圧電膜（２）
のＣ軸（２ａ）が、サファイア単結晶基板（２）と平行
のときよりも大きくなることがわかる。例えば特性曲線
（Ｃ）（２πｈ／λ＝４．０）においては、傾斜角（θ
）が０度より大きくなるに従い電気機械結合係数（Ｋり
は大きくなり、傾斜角（θ）が約５０度で最高値１．０
％を示している。

また、２πｈ／λの値が小さい捏持性曲線のピークはな
だらかになっており、２πｈ／λが約２．０より小さく
なると特性曲線はピークを持たなくなる。

このように、２πｈ／λが２．０以上で、傾斜角（θ）
が３０度≦θ＜９０度の範囲にある時、（Ｋ″）が約０
．５％を超える高い値の電気機械結合係数（Ｋ　”）を
持つ弾性表面波素子が得られる。

第４図は第３図の場合に高い効果が得られる３０度≦θ
＜９０度の角度領域をハツチングを施して示したもので
ある。このように結晶軸を中心として対称の関係にある
角度範囲で全く同じ効果が得られるのは、結晶学的にも
明らかである。

なお、本実施例では傾斜角（θ）に対する電気機械結合
係数（Ｋりの特性を、窒化アルミニウム圧電膜（２）の
Ｃ軸（２ａ）が投影面内にある場合について説明したが
、Ｃ軸（２ａ）は投影面から外にずれた場合にも略同様
の結果が得られる。

（ト）発明の詳細 な説明したように、本発明はサファイア単結晶基板上に
、単結晶もしくはＣ軸配向窒化アルミニウム圧電膜を形
成した弾性表面波素子において、窒化アルミニウム圧電
膜のＣ軸をサファイア単結晶基板表面にすして傾斜させ
ることにより、従来よりも電気機械結合係数が大きい優
れた特性を有する弾性表面波素子を実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による弾性表面波素子の構造をｊ（す図
、第２図は本発明による弾性表面波素ｆを収納したパッ
ケージの外観を示す図、第３図は傾斜角（θ）に対する
電気機械結合係数（Ｋ’）の特性曲線を示す図、第４図
は高い電気機械結合係数が得られる傾斜角の範囲を示す
図である。 （１）・・・サファイア単結晶基板、（２）・・・窒化
アルミニウム圧電膜、（３）・・・送信電極、（４）・
・・受信電極、（１ａ）・・・伝播方向軸（Ｘ軸）、（
ｌｂ）・・・法線軸（Ｚ軸）　、Ｃ２ａ＞−Ｃ軸、（２
ａ　’　）−・投影軸。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）サファイア単結晶基板と、該サファイア単結晶基
   板上に形成される単結晶もしくはＣ軸配向窒化アルミニ
   ウム圧電膜とを備える弾性表面波素子において、弾性表
   面波の伝播方向軸と前記サファイア単結晶基板表面の法
   線軸とを含む投影面への前記窒化アルミニウム圧電膜の
   Ｃ軸の投影軸が前記法線軸に対して所定の傾斜角（θ）
   を有することを特徴とする弾性表面波素子。
2. （２）前記サファイア単結晶基板は（０００１）結晶面
   もしくはそれと等価な面からなることを特徴とする請求
   項１記載の弾性表面波素子。
3. （３）前記窒化アルミニウム圧電膜の膜厚（ｈ）が２π
   ｈ／λ≧２．０（ただし、λは弾性表面波の波長を示す
   ）の範囲に設定されていることを特徴とする請求項２記
   載の弾性表面波素子。
4. （４）前記Ｃ軸は前記投影面内にあり、前記傾斜角（θ
   ）が３０度≦θ＜９０度の範囲に設定されていることを
   特徴とする請求項３記載の弾性表面波素子。
5. （５）前記伝播方向軸は前記サファイア単結晶基板の［
   １■００］軸もしくはそれと等価な軸であることを特徴
   とする請求項４記載の弾性表面波素子。