JPH0220910A - Surface acoustic wave device - Google Patents
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Landscapes
- Surface Acoustic Wave Elements And Circuit Networks Thereof (AREA)
Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔概 要〕
圧電薄膜を用いた弾性表面波ディバイスに関し、１ＧＨ
ｚ〜２０ＧＨｚのマイクロ波領域にて使用されるタイミ
ング抽出用フィルタやバンドパスフィルタを実現するた
めの高安定且つ製造容易な弾性表面波ディバイスを提供
することを目的とし、第１発明にあっては、単結晶半導
体基板上に形成したダイヤモンド結晶体薄膜上に窒化ア
ルミニウム薄膜を形成して３層複合構造とし、窒化アル
ミニウム薄膜上にインターディジタル・トランスデュー
サ電極を形成し、ダイヤモンド結晶体薄膜の膜厚りと窒
化アルミニウム薄膜の膜厚Ｈとの関係をＤ≧４Ｈとし、
窒化アルミニウム薄膜の膜厚Ｈを３．５≦ｋＨ≦５．０
（ｋは波数）の範囲内とすることにより、３次レイリー
波を実質的にダイヤモンド単結晶薄膜と窒化アルミニウ
ム薄膜との２層膜内に閉じ込めると共にスプリアスとな
る１次レイリー波の結合度を抑圧する構成とする。[Detailed Description of the Invention] [Summary] Regarding a surface acoustic wave device using a piezoelectric thin film, 1GH
An object of the first invention is to provide a highly stable and easy-to-manufacture surface acoustic wave device for realizing a timing extraction filter and a bandpass filter used in the microwave region of z to 20 GHz. , an aluminum nitride thin film is formed on a diamond crystal thin film formed on a single crystal semiconductor substrate to form a three-layer composite structure, an interdigital transducer electrode is formed on the aluminum nitride thin film, and the thickness of the diamond crystal thin film is increased. and the film thickness H of the aluminum nitride thin film is set as D≧4H,
The thickness H of the aluminum nitride thin film is 3.5≦kH≦5.0
(k is the wave number), the third-order Rayleigh waves are substantially confined within the two-layer film of the diamond single-crystal thin film and the aluminum nitride thin film, and the degree of coupling of the first-order Rayleigh waves that become spurious is suppressed. The configuration is as follows.
また、第２発明にあっては、ダイヤモンド結晶体と該ダ
イヤモンド結晶体上に形成した二酸化シリコン薄膜と該
二酸化シリコン薄膜上に形成した窒化アルミニウム圧電
薄膜とからなる３層構造内に高次レイリー波モードの弾
性表面波を伝播させる構成とし、且つ、二酸化シリコン
薄膜の膜厚りが窒化アルミニウム圧電薄膜の膜厚Ｈに対
し、０．０１Ｈ≦Ｄ≦０． Ｉ Ｈ
の範囲内となるように構成する。Further, in the second invention, high-order Rayleigh waves are generated within a three-layer structure consisting of a diamond crystal, a silicon dioxide thin film formed on the diamond crystal, and an aluminum nitride piezoelectric thin film formed on the silicon dioxide thin film. The configuration is such that the surface acoustic wave of the mode propagates, and the thickness of the silicon dioxide thin film is 0.01H≦D≦0 with respect to the thickness H of the aluminum nitride piezoelectric thin film. Configure so that it is within the range of IH.
本発明は圧電薄膜を用いた弾性表面波ディバイス（以下
、ＳＡＷディバイスという）に関し、更に詳しくは、数
ＧＨｚ〜２０ＧＨ２のマイクロ波領域にて使用されるタ
イミング抽出用フィルタやバンドパスフィルタを実現す
るための高安定且つ製造容易なＳＡＷディバイスの構造
に関する。The present invention relates to a surface acoustic wave device (hereinafter referred to as a SAW device) using a piezoelectric thin film, and more specifically, to realize a timing extraction filter or a bandpass filter used in the microwave range of several GHz to 20 GHz. The present invention relates to a highly stable and easy-to-manufacture SAW device structure.
〔従来の技術及び発明が解決しようとする課題〕光通信
の普及に伴い、伝送情報量が増々増加する傾向にあり、
それに伴って伝送信号の周波数はマイクロ波領域へと拡
大しつつある。現在では数ＧＨｚ〜２０ＧＨｚという超
大容量光伝送方式の開発が進められているが、数Ｇ１１
ｚ〜２０ＧＨｚ用の光中継器には数ＧＨｚ〜２０ ＧＨ
ｚ用タイミング抽出フィルタやバンドパスフィルタが必
要であることから、数ＧＨｚ〜２０ＧＨ２帯の高安定な
タイミング抽出用フィルタやバンドパスフィルタをＳＡ
Ｗディバイスにより実現することが課題となっている。[Problems to be solved by conventional techniques and inventions] With the spread of optical communications, the amount of transmitted information tends to increase.
Along with this, the frequency of transmission signals is expanding into the microwave region. Currently, the development of ultra-high capacity optical transmission systems of several GHz to 20 GHz is underway, but
Several GHz to 20 GHz for optical repeaters for z to 20 GHz
Since a timing extraction filter and a bandpass filter for z are required, highly stable timing extraction filters and bandpass filters in the several GHz to 20GHz2 band are available as SA.
The challenge is to realize this using W devices.
一般に、ＳＡＷディバイスに用いられるインターディジ
クル・トランスデユーサ電極（ＩＤＴ電極）の電極指幅
ｄと伝播されるＳＡＷの波長λとはｄ−λ／４の関係に
あるから、伝播されるＳＡＷの位相速度Ｖｐと周波数ｆ
とＩＤＴ電極の電極指幅ｄとはｆ＝Ｖｐ／４ｄの関係に
ある。In general, the electrode finger width d of an interdiscicle transducer electrode (IDT electrode) used in a SAW device and the wavelength λ of the propagated SAW have a relationship of d - λ/4. Phase velocity Vp and frequency f
and the electrode finger width d of the IDT electrode have a relationship of f=Vp/4d.
遠紫外線を光源としたフォトリングラフィ法や電子ビー
ム法を利用してＩＤＴ電極を形成する場合、ＩＤＴ電極
の電極指幅ｄを小さくすることには限度があるため、周
波数ｆが数ＧＨ２〜２Ｑ ＧＨｚのＳＡＷディバイスを
実現するためにはＳＡＷの位相速度Ｖｐを高める必要が
生じる。When forming an IDT electrode using a photolithography method or an electron beam method using far ultraviolet light as a light source, there is a limit to reducing the electrode finger width d of the IDT electrode, so the frequency f is several GH2 to 2Q. In order to realize a GHz SAW device, it is necessary to increase the phase velocity Vp of the SAW.
近年、Ｇ１１ｚ帯ＳＡＷフイルタを実現すべく多くの研
究が進められており、多くの提案がなされているが、実
用化に至っているのは弾性表面波（ＳＡＷ）の位相速度
（伝播速度）Ｖｐが約５０００ｍ／ｓの１．３ ＧＨｚ
帯ＳＡＷフィルタぐらいである。この従来の１．３Ｇｌ
（ｚ帯ＳＡＷフィルタにおいては、ＥＤＴ電極の電極指
幅ｄ（ｄ＝λ／４）を約０．７μｍとすることができる
ので、遠紫外線を光源としたフォトリソグラフィ技術を
用いて電極パターンを形成することができる。In recent years, much research has been carried out to realize G11z band SAW filters, and many proposals have been made, but the only one that has reached practical use is the phase velocity (propagation velocity) Vp of surface acoustic waves (SAW). 1.3 GHz at approximately 5000m/s
It's about the same as a band SAW filter. This conventional 1.3Gl
(In the z-band SAW filter, the electrode finger width d (d=λ/4) of the EDT electrode can be approximately 0.7 μm, so the electrode pattern is formed using photolithography technology using deep ultraviolet light as the light source. can do.
しかし、従来のＳＡＷフィルタの構造で例えば７ＧＨｚ
用ＳＡＷフイルタを実現しようとすると、ＩＤＴ電極の
電極指幅ｄを遠紫外線露光フォトリソグラフィ法によっ
て形成可能な最小値０．３５μｍよりも小さくする必要
があるため、遠紫外線露光フォトリソグラフィ法では実
現不可能となる。However, with the structure of the conventional SAW filter, for example, 7GHz
In order to realize a SAW filter for use in commercial applications, it is necessary to make the electrode finger width d of the IDT electrode smaller than the minimum value of 0.35 μm that can be formed using deep ultraviolet exposure photolithography. It becomes possible.
したがって、本発明は、数ＧＨｚ〜２０ＧＨｚのマイク
ロ波領域にて使用されるタイミング抽出用フィルタやバ
ンドパスフィルタを実現するための高安定且つ製造容易
なＳＡＷディバイスを提供することを目的とする。Therefore, an object of the present invention is to provide a highly stable and easily manufactured SAW device for realizing a timing extraction filter and a bandpass filter used in the microwave region of several GHz to 20 GHz.
上記目的を達成するために、第１発明にあっては、単結
晶半導体基板上に形成したダイヤモンド結晶体薄膜上に
窒化アルミニウム薄膜を形成して３層複合構造とし、窒
化アルミニウム薄膜上にインターディジタル・トランス
デューサ電極を形成し、ダイヤモンド結晶体薄膜の膜厚
りと窒化アルミニウム薄膜の膜厚Ｈとの関係をＤ≧４Ｈ
とし、窒化アルミニウム薄膜の膜厚Ｈを３．５≦ｋＨ≦
５．０（ｋは波数）の範囲内とすることにより、３次レ
イリー波モードのＳＡＷを実質的にダイヤモンド結晶体
薄膜と窒化アルミニウム薄膜との２層膜内に閉じ込める
と共にスプリアスとなる１次レイリー波モードのＳＡＷ
の結合度を抑圧する構成とする。In order to achieve the above object, in the first invention, an aluminum nitride thin film is formed on a diamond crystal thin film formed on a single crystal semiconductor substrate to form a three-layer composite structure, and an interdigital layer is formed on the aluminum nitride thin film. - Form a transducer electrode, and determine the relationship between the thickness of the diamond crystal thin film and the thickness H of the aluminum nitride thin film by D≧4H.
and the thickness H of the aluminum nitride thin film is 3.5≦kH≦
5.0 (k is the wave number), the third-order Rayleigh wave mode SAW is substantially confined within the two-layer film of the diamond crystal thin film and the aluminum nitride thin film, and the first-order Rayleigh wave mode that becomes spurious is Wave mode SAW
The configuration is such that the degree of coupling is suppressed.
また、上記目的を達成するために、第２発明にあっては
、ダイヤモンド結晶体と該ダイヤモンド結晶体上に形成
した二酸化シリコン薄膜と該二酸化シリコン薄膜上に形
成した窒化アルミニウム圧電薄膜とからなる３層構造内
で高次レイリー波モードのＳＡＷを伝播させる圧電薄膜
ＳＡＷディバイスであって、二酸化シリコン薄膜の膜厚
りが窒化アルミニウム圧電薄膜の膜厚Ｈに対し、０．０
１Ｈ≦Ｄ≦０． Ｉ Ｈ
の範囲内となるように構成する。Further, in order to achieve the above object, the second invention provides a three-dimensional structure comprising a diamond crystal body, a silicon dioxide thin film formed on the diamond crystal body, and an aluminum nitride piezoelectric thin film formed on the silicon dioxide thin film. A piezoelectric thin film SAW device that propagates SAW in a higher-order Rayleigh wave mode within a layered structure, wherein the thickness of the silicon dioxide thin film is 0.0 with respect to the thickness H of the aluminum nitride piezoelectric thin film.
1H≦D≦0. Configure so that it is within the range of IH.
第１発明に係るＳＡＷディバイスにおいては、ＥＤＴ電
極をＡＩＮ薄膜上に設けてダイヤモンド結晶体薄膜の膜
厚りとＡＩＮ薄膜の膜厚Ｈとの関係をＤ≧４Ｈとし且つ
ＡＩＮ薄膜の膜厚Ｈを３．５≦ｋＨ≦５．０の範囲内と
するので、３次レイリー波を実質的にダイヤモンド結晶
体薄膜とＡＩＮ薄膜との２層膜内のみに閉じ込めて約１
００００ｍ／ｓ以上の位相速度で伝播させることが可能
となる。In the SAW device according to the first invention, the EDT electrode is provided on the AIN thin film so that the relationship between the thickness of the diamond crystal thin film and the thickness H of the AIN thin film is D≧4H, and the thickness H of the AIN thin film is Since it is within the range of 3.5≦kHz≦5.0, the third-order Rayleigh wave is substantially confined only within the two-layer film of the diamond crystal thin film and the AIN thin film, and approximately 1
It becomes possible to propagate at a phase velocity of 0,000 m/s or more.
したがって、数ＧＨｚ〜１０ＧＨｚ用のＳＡＷフィルタ
とする場合に遠紫外線露光フォトリソグラフィ法によっ
てＩＤＴ電極を容易に形成することができ、また、１０
ＧＨｚ〜２０ ＧＨｚ用のＳＡＷフィルタとする場合
に電子ビーム法によってＩＤＴ電極を容易に形成するこ
とができる。Therefore, when making a SAW filter for several GHz to 10 GHz, an IDT electrode can be easily formed by deep ultraviolet exposure photolithography.
In the case of a SAW filter for GHz to 20 GHz, an IDT electrode can be easily formed by an electron beam method.
更に、上記構成により、実効的電気機械結合係数に２ｏ
ｆｆをＳＴカット水晶の実効的電気機械結合係数と同等
の０．１５％以上とすることができるので、数ＧＨｚ〜
２０ＧＨｚ用狭帯域ＳＡＷフィルタとして必要な負荷Ｑ
Ｌ＝ １０００の条件を満たすことができる。Furthermore, with the above configuration, the effective electromechanical coupling coefficient is 2o.
Since ff can be set to 0.15% or more, which is equivalent to the effective electromechanical coupling coefficient of ST-cut crystal, it is possible to
Load Q required for 20GHz narrowband SAW filter
The condition of L=1000 can be satisfied.
更に、上記構成により、スプリアスとなるレイリー波基
本モードの励振を抑圧することができるので、高安定な
数Ｇｌ（ｚ〜２０ＧＨｚ帯タイミング抽出用狭帯域ＳＡ
Ｗフィルタやバンドパスフィルタを実現できることとな
る。Furthermore, with the above configuration, it is possible to suppress the excitation of the fundamental mode of the Rayleigh wave that causes spurious waves, so it is possible to suppress the excitation of the fundamental mode of the Rayleigh wave, which causes spurious waves.
This makes it possible to realize a W filter or a bandpass filter.
更に、上記構成のＳＡＷディバイスは単結晶半導体基板
を有しているので、周辺のＬＳＩとの一体化が可能であ
り、ＬＳＩとの電気的接続のためのボンディング工程を
なくすることができる。したがって、回路の小型化及び
製造プロセスの簡素化を達成することができる。Furthermore, since the SAW device having the above structure has a single crystal semiconductor substrate, it can be integrated with a peripheral LSI, and a bonding process for electrical connection with the LSI can be eliminated. Therefore, it is possible to achieve miniaturization of the circuit and simplification of the manufacturing process.
一方、第２発明に係るＳＡＷディバイスにおいては、ダ
イヤモンド結晶体と該ダイヤモンド結晶体上に形成した
二酸化シリコン薄膜と該二酸化シリコン薄膜上に形成し
た窒化アルミニウム圧電薄膜とからなる３層構造内で高
次レイリー波モードのＳＡＷを伝播させる構成とされ、
且つ、二酸化シリコン薄膜の膜厚りが窒化アルミニウム
圧電薄膜の膜厚Ｈに対し、０．０１Ｈ≦Ｄ≦０．１Ｈの
範囲内となるように構成されるので、３層構造内でＳＡ
Ｗを約１００００ｍ／ｓ以上の位相速度で伝播させるこ
とが可能となる。したがって、数ＧＨｚ〜１ＱＧＨｚ用
のＳＡＷフィルタとする場合に遠紫外線露光フォトリソ
グラフィ法によってＩＤＴ電極を容易に形成することが
でき、また、１０ＧＨｚ〜２０ＧＨｚ用のＳＡＷフィル
タとする場合に電子ビーム法によってＩＤＴ電極を容易
に形成することができる。On the other hand, in the SAW device according to the second invention, high order It is configured to propagate SAW in Rayleigh wave mode,
In addition, since the thickness of the silicon dioxide thin film is within the range of 0.01H≦D≦0.1H with respect to the thickness H of the aluminum nitride piezoelectric thin film, SA in the three-layer structure is
It becomes possible to propagate W at a phase velocity of about 10,000 m/s or more. Therefore, when making a SAW filter for several GHz to 1 QGHz, IDT electrodes can be easily formed by deep ultraviolet exposure photolithography, and when making a SAW filter for 10 GHz to 20 GHz, IDT electrodes can be easily formed by electron beam method. Electrodes can be easily formed.
更に、上記構成により、実効的電気機械結合係数に２゜
、ｆ−を０．１％以上とすることができるので、数Ｇ１
１ｚ〜２０ＧＨｚ用狭帯域ＳＡＷフィルタとじて必要な
負荷Ｑ、＃１０００の条件を満たすことができる。Furthermore, with the above configuration, the effective electromechanical coupling coefficient can be set to 2° and f- to 0.1% or more, so the number G1
The narrow band SAW filter for 1z to 20GHz can satisfy the requirements of load Q and #1000.
更に、上記構成により、アモルファス膜であるＳｉｎ、
薄膜上にＡＩＮ薄膜をＰＶＤ法（物理蒸着法）やＣＶＤ
法（化学気相成長法）によって容易にＣ軸配向成長をさ
せることができるので、良好なＣ軸配向のＡＩＮ薄膜の
形成が容易になり、高安定なＳＡＷディバイスの製造が
容易になる。Furthermore, with the above configuration, an amorphous film of Sin,
AIN thin film on thin film by PVD method (physical vapor deposition method) or CVD method
Since C-axis oriented growth can be easily achieved by the method (chemical vapor deposition method), it becomes easy to form an AIN thin film with good C-axis orientation, and it becomes easy to manufacture highly stable SAW devices.
以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する
。Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.
玉上光皿卓災隻開
以下に、第１発明を７ＧＩｌｚ帯用ＳＡＷディバイスに
適用した場合の一実施例を説明する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Below, an embodiment in which the first invention is applied to a 7GIlz band SAW device will be described.
現在の遠紫外線露光フォトリソグラフィ法で実現可能な
ＩＤＴ電極の最小電極指幅ｄは約０．３５μｍであるか
ら、遠紫外線露光フォトリソグラフィ法を用いてＩＤＴ
電極を形成することができる７ＧＨｚ用ＳＡＷフイルタ
を実現するためには、ＳＡＷの伝播速度（位相速度）Ｖ
ｐを約１００００ｔａ／ｓ ＣＶｐ＝７ＧＨｚｘ４ｄ
≧９８００ｍ／ｓ ＃１００００ｍ／ｓ）にする必要が
ある。Since the minimum electrode finger width d of the IDT electrode that can be realized using the current deep ultraviolet exposure photolithography method is about 0.35 μm, it is possible to
In order to realize a 7 GHz SAW filter that can form electrodes, the SAW propagation velocity (phase velocity) V
p about 10000ta/s CVp=7GHzx4d
≧9800m/s #10000m/s).
また、７ＧＨｚ帯のタイミング抽出用フィルタとして用
いるための狭帯域ＳＡＷフィルタ（負荷ＱＬ＃ ｌ Ｏ
ＯＯ）を実現するためには、ＳＡＷの実効的電気機械結
合係数Ｋ”ａｆｆを０．１％以上にする必要があり、水
晶ＳＡＷフィルタで用いられているＳＴカット水晶の実
効的電気機械結合係数と同程度、すなわち０．１５％以
上（Ｋ”。１．≧０．１５％）にすることが好ましい。In addition, a narrowband SAW filter (load QL# l O
In order to realize OO), the effective electromechanical coupling coefficient K”aff of the SAW needs to be 0.1% or more, and the effective electromechanical coupling coefficient of the ST cut crystal used in the crystal SAW filter It is preferable to make it approximately the same as, that is, 0.15% or more (K''.1.≧0.15%).
一方、ＬＳＩの基板として（１００）面又は（１１０）
面Ｓｉ単結晶や（１００）面ＧａＡｓ単結晶等が用いら
れていることを考慮すると、ＳＡＷディバイスを周辺の
ＬＳＩと一体に形成できるようにするためには、ＳＡＷ
ディバイスも直接Ｓｉ単結晶やＧａＡｓ単結晶等からな
る単結晶半導体基板上に実現する必要がある。On the other hand, as an LSI substrate, (100) or (110)
Considering that plane Si single crystals, (100) plane GaAs single crystals, etc. are used, in order to be able to form SAW devices integrally with surrounding LSIs, SAW
The device also needs to be directly realized on a single crystal semiconductor substrate made of Si single crystal, GaAs single crystal, or the like.
しかしながら、Ｓｉ単結晶は非圧電性の立方晶系結晶で
ありＧａＡｓ単結晶は弱圧電性の立方晶系結晶であるた
め、Ｓｉ単結晶やＧａＡｓ単結晶からなる単結晶半導体
基板上に直接ＩＤＴ電極を設けてもＳＡＷは励起されな
いか或いは励起の度合いが弱い。それ故、少なくともＳ
ｉ単結晶やＧａＡｓ単結晶からなる単結晶半導体基板と
圧電薄膜とを有する複合基板構造のＳＡＷディバイスを
実現する必要がある。However, since the Si single crystal is a non-piezoelectric cubic crystal and the GaAs single crystal is a weak piezoelectric cubic crystal, IDT electrodes can be directly connected to the single crystal semiconductor substrate made of Si single crystal or GaAs single crystal. Even if SAW is provided, the SAW is not excited or the degree of excitation is weak. Therefore, at least S
It is necessary to realize a SAW device having a composite substrate structure having a single crystal semiconductor substrate made of i single crystal or GaAs single crystal and a piezoelectric thin film.
以上の目標をまとめると、ＳＡＷディバイスに要求され
る特性は、
■ Ｖｐ＃１００００ｍ／ｓであること。To summarize the above goals, the characteristics required of a SAW device are: (1) Vp #10000m/s.
■ Ｋ”ａ ｆ ｆ≧０．１５％であること。■ K”a f f≧0.15%.
■ 少なくとも単結晶半導体基板と圧電薄膜とを有する
複合基板構造であること。(2) It must have a composite substrate structure having at least a single crystal semiconductor substrate and a piezoelectric thin film.
等となる。etc.
圧電薄膜材料としては、ＺｎＯ薄膜やＡ７！Ｎ薄膜等が
考えられる。ＺｎＯ薄膜は早くから研究されてきた膜で
ある。そこで、ＺｎＯ薄膜とＳｉ単結晶との２層構造を
考えることとする。Examples of piezoelectric thin film materials include ZnO thin film and A7! N thin film etc. can be considered. ZnO thin films have been studied for a long time. Therefore, a two-layer structure of a ZnO thin film and a Si single crystal will be considered.
第４図はＺｎＯ薄膜とＳｉ単結晶との２層構造及び座標
軸を示しており、第８図は第４図の構造におけるＳＡＷ
の分散特性の解析結果を示したものである。第８図から
、５ＡＷ（レイリー波及びセザワ波）の波数にとＺｎＯ
薄膜の膜厚Ｈとの積ｋＨに対する５ＡＷ（レイリー波及
びセザワ波）の伝搬速度（位相速度）Ｖｐの依存性が判
る。Figure 4 shows the two-layer structure of ZnO thin film and Si single crystal and the coordinate axes, and Figure 8 shows the SAW in the structure of Figure 4.
This shows the analysis results of the dispersion characteristics of . From Figure 8, the wave number of 5AW (Rayleigh wave and Sezawa wave) and ZnO
The dependence of the propagation velocity (phase velocity) Vp of 5AW (Rayleigh waves and Sezawa waves) on the product kH with the film thickness H of the thin film can be seen.
ＺｎＯ薄膜をスパッタリングによりＣ軸配向させるため
には、実際にはＺｎＯ薄膜と５ｉ０２薄膜とＳｉ単結晶
との３層構成にする必要があるが、Ｓ ｉ ０２薄膜は
十分薄くするため、ＳＡＷ特性に大きな影響を及ぼさな
い。したがって、ＺｎＯ薄膜とＳｉ単結晶との２層構造
におけるＳＡＷの分散特性を解析しても本質からは外れ
ない。In order to orient the C-axis of a ZnO thin film by sputtering, it is actually necessary to have a three-layer structure consisting of a ZnO thin film, a 5i02 thin film, and a Si single crystal, but in order to make the Si02 thin film sufficiently thin, it is difficult to improve the SAW characteristics. No major impact. Therefore, analyzing the dispersion characteristics of SAW in a two-layer structure of a ZnO thin film and a Si single crystal does not deviate from the essence.
第８図から判るように、レイリー波及びセザワ波のどち
らを用いても、位相速度Ｖｐは２７００ＩＩＩ／ｓ≦Ｖ
ｐ≦５５００ｒｎ／ｓの範囲内となるので、第１発明の
目標であるｖｐ＃１００００ＩＩｌ八を達成できない。As can be seen from Fig. 8, whether Rayleigh waves or Sezawa waves are used, the phase velocity Vp is 2700III/s≦V
Since p≦5500rn/s, the goal of the first invention, vp#10000IIl8, cannot be achieved.
これは、ＺｎＯのみの膜厚すべり波の位相速度が約２７
００ｍ／ｓと遅いことに起因している。それ故、ＺｎＯ
薄膜を利用することは望ましくない。This means that the phase velocity of the film thickness shear wave of only ZnO is approximately 27
This is due to the slow speed of 00 m/s. Therefore, ZnO
It is undesirable to utilize thin films.
一方、Ａ６Ｎ薄膜は圧電性の点ではＺｎＯ薄膜に劣るが
、それ自体のＳＡＷの位相速度Ｖｐが約５６００ｍ／ｓ
、バルク膜厚すベリ波の位相速度Ｖｐが約６０００ｍ／
ｓと高速性を有しており、有望である。On the other hand, although the A6N thin film is inferior to the ZnO thin film in terms of piezoelectricity, its own SAW phase velocity Vp is approximately 5600 m/s.
, the bulk film thickness and the phase velocity Vp of the Veri wave are approximately 6000 m/
It has high speed and is promising.
そこで、ＡＩＮ薄膜とＳｉ単結晶との２層構造を考える
こととする。第９図はＡＩＮ薄膜とＳｉ単結晶との２層
構造におけるＳＡＷの分散特性を示したものである。Ａ
ＩＮ薄膜とＳｉ単結晶との２層構造と座標軸との関係は
第４図と同様である。Therefore, a two-layer structure of an AIN thin film and a Si single crystal will be considered. FIG. 9 shows the dispersion characteristics of SAW in a two-layer structure of an AIN thin film and a Si single crystal. A
The relationship between the two-layer structure of the IN thin film and the Si single crystal and the coordinate axes is the same as that shown in FIG. 4.
第９図から、ＡＩＮ薄膜とＳｉ単結晶との２層構造にお
ける位相速度Ｖｐは４９００ＩＩＩ／ｓ＜Ｖｐ＜ ５６
００ｎ八となり、やはり目標の実現は不可能であること
が判る。これは、基板として用いられているＳｉ単結晶
の膜厚すべり波の位相速度Ｖｐが約５８４０ｍ／ｓ（レ
イリー波ではｖｐ＝４９１０ｓ／ｓ）と遅く、且つ、Ａ
ＩＮ薄膜自体のレイリー波の位相速度Ｖｐも小さいため
である。From Figure 9, the phase velocity Vp in the two-layer structure of AIN thin film and Si single crystal is 4900III/s<Vp<56
00n8, which shows that it is impossible to achieve the goal. This is because the phase velocity Vp of the film thickness shear wave of the Si single crystal used as the substrate is slow at about 5840 m/s (vp = 4910 s/s for Rayleigh waves), and A
This is because the phase velocity Vp of the Rayleigh wave of the IN thin film itself is also small.
同様の問題が、立方晶系に属するＧａＡｓ単結晶を用い
た場合にも生じる。第１０図はＡＩＮ薄膜とＧａＡｓ単
結晶との２層構造におけるＳＡＷの分散特性を示したも
のである。第１Ｏ図から判るように、位相速度Ｖｐは２
７００ｓ／ｓ＜Ｖｐ＜３１００ｓ／ｓの範囲内であり、
それ以上の速度（約３０８６ｓ／ｓ）ではＳＡＷがＧａ
Ａｓ単結晶のバルク波と結合し、漏洩表面波となってし
まう。A similar problem occurs when a GaAs single crystal belonging to the cubic system is used. FIG. 10 shows the dispersion characteristics of SAW in a two-layer structure of an AIN thin film and a GaAs single crystal. As can be seen from Figure 1O, the phase velocity Vp is 2
700s/s<Vp<3100s/s,
At higher speeds (approximately 3086 s/s), the SAW becomes Ga
It combines with the bulk wave of the As single crystal and becomes a leaky surface wave.
以上の解析結果からＳｉ単結晶やＧａＡｓ単結晶は弾性
体としては不適当であることが判る。それ故、ＳＡＷを
Ｓｉ単結晶やＧａＡｓ単結晶中に浸透させないことが望
ましい。From the above analysis results, it is clear that Si single crystal and GaAs single crystal are inappropriate as elastic bodies. Therefore, it is desirable not to allow SAW to penetrate into Si single crystal or GaAs single crystal.
そこで、第５図に示す３層構造のＳＡＷディバイスを考
え、上層（１）と中間層（ＩＩ）の２層内にのみＳＡＷ
を閉じ込めることとする。上層（１）はＣ軸配向のＡＩ
Ｎ薄膜とする。Ｃ軸配向のＡＩＮ薄膜はマグネトロンス
パッタリング等のＰＶＤ法又はＣＶＤ法により形成する
ことができる。上層（Ｉ）のレイリー波及びバルクすベ
リ波の位相速度をそれぞれＶ、、、Ｖ、、とし、中間層
（ＩＩ）のレイリー波及びバルク膜厚すベリ波の位相速
度をそれぞれＶ□、ｖｏとすれば、Ｖ ＩＩＩ＜Ｖ＋ｉ
Ｖ□＜ＶＺＳの関係が成立するとき、１次レイリー波に
加えて、１次レイリー波よりも音速の速い３次レイリー
波も励起されることに着目する。Therefore, considering a SAW device with a three-layer structure shown in Fig. 5, SAW is used only in the two layers, the upper layer (1) and the intermediate layer (II).
shall be confined. Upper layer (1) is C-axis oriented AI
It is made of N thin film. The C-axis oriented AIN thin film can be formed by a PVD method such as magnetron sputtering or a CVD method. Let the phase velocities of the Rayleigh wave and the bulk Buri wave of the upper layer (I) be V, , , V, , respectively, and the phase velocities of the Rayleigh wave and the bulk Buri wave of the intermediate layer (II) be V□ and vo, respectively. Then, VIII<V+i
It is noted that when the relationship V□<VZS is established, in addition to the first-order Rayleigh wave, a third-order Rayleigh wave having a faster sound speed than the first-order Rayleigh wave is also excited.
更に、中間層（ＩＩ）としてはダイヤモンド単結晶薄膜
或いはダイヤモンド多結晶薄膜に着目する。Further, as the intermediate layer (II), attention is focused on a diamond single crystal thin film or a diamond polycrystalline thin film.
ダイヤモンド単結晶或いはダイヤモンド多結晶薄膜はメ
タンガスと水素ガス（ＣＨ，＋１（２）を用いたＣＶＤ
法やイオンビームスパッタリング等によるＰＶＤ法によ
り単結晶半導体基板上やガラス基板上に人工的に形成す
ることができる。これらダイヤモンド結晶体薄膜のレイ
リー波の位相速度Ｖｐは約１１５００ｍへ、バルク膜厚
すベリ波の位相速度Ｖｐは約１２８００ｍ／ｓと超高速
性を有する。Diamond single crystal or diamond polycrystal thin film is produced by CVD using methane gas and hydrogen gas (CH, +1(2)).
It can be artificially formed on a single crystal semiconductor substrate or a glass substrate by a PVD method using a method or ion beam sputtering. The phase velocity Vp of Rayleigh waves in these diamond crystal thin films is about 11,500 m/s, and the phase velocity Vp of Berry waves in the bulk film is about 12,800 m/s, which are extremely high speeds.
よって、第１発明では、Ｓｉ単結晶やＧａＡｓ単結晶等
の単結晶半導体基板とダイヤモンド結晶体薄膜とＡＩＮ
薄膜との３層構造を用いることとする。Therefore, in the first invention, a single crystal semiconductor substrate such as a Si single crystal or a GaAs single crystal, a diamond crystal thin film, and an AIN
A three-layer structure with a thin film will be used.
第６図は（Ｓｔ又はＧａＡｓ）単結晶とダイヤモンド結
晶体薄膜とＡＩＮ薄膜との３層構造及び座標軸を示した
ものである。この３層複合構造において、ダイヤモンド
結晶体薄膜の膜厚をＤとし、ＡＩＮ薄膜の膜厚をＨとす
ると、第７図（ａ）に示すように、ダイヤモンド結晶体
薄膜の膜厚りがＡＩＮ膜の膜厚Ｈに比べてＤＨとなれば
、ＳＡＷはＳｉ又はＧａＡｓの結晶内まで浸透してＧａ
Ａｓ又はＳｉのバルク波と強く結合することとなるので
、目標値である■ｐ＃１ｏｏｏｏＩｌｌ／ｓを実現する
ことができない。FIG. 6 shows the three-layer structure and coordinate axes of a (St or GaAs) single crystal, a diamond crystal thin film, and an AIN thin film. In this three-layer composite structure, if the thickness of the diamond crystal thin film is D and the thickness of the AIN thin film is H, then the thickness of the diamond crystal thin film is the same as that of the AIN film, as shown in FIG. If the film thickness is DH compared to the film thickness H, the SAW will penetrate into the Si or GaAs crystal and
Since it will be strongly coupled with the bulk wave of As or Si, the target value of ■p#1oooIll/s cannot be achieved.
一方、第７図（ｂｌに示すように、ＤＨとすれば、ＳＡ
Ｗがダイヤモンド結晶体薄膜とＡＩＮ薄膜との２層膜内
のみに閉じ込められることとなるので、１００００ｓ／
ｓ以上の位相速度を有する超音速ＳＡＷを実現すること
ができる。On the other hand, as shown in Figure 7 (bl), if DH is
Since W is confined only within the two-layer film of the diamond crystal thin film and the AIN thin film, the 10,000 s/
A supersonic SAW having a phase velocity of s or more can be realized.
そこで、先ず、ダイヤモンド結晶体薄膜は十分膜厚が厚
い（Ｄ Ｈ）として、ダイヤモンド結晶体薄膜とＡＩ
Ｎ薄膜との２層構造を伝播するＳＡＷを解析することと
する。Therefore, first, assuming that the diamond crystal thin film is sufficiently thick (D H), the diamond crystal thin film and the AI
Let us analyze a SAW propagating through a two-layer structure with an N thin film.
ＳＡＷは基板面に平行に、すなわち（１００）方向へ伝
播するとする。解析は、場の方程式に各境界面における
境界条件を適用して、大型計算機を用いて求めることが
できる。It is assumed that the SAW propagates parallel to the substrate surface, that is, in the (100) direction. The analysis can be performed using a large-scale computer by applying the boundary conditions at each boundary surface to the field equations.
第１１図はダイヤモンド結晶体薄膜とＡｌＮｉ膜との２
層構造におけるＡＩＮ薄膜の膜厚ＨとＳＡＷの波数にと
の積ｋＨに対するＳＡＷの分散特性の解析結果を示した
ものである。Fig. 11 shows two types of diamond crystal thin film and AlNi film.
This figure shows the analysis results of the dispersion characteristics of the SAW with respect to the product kHz of the thickness H of the AIN thin film in the layered structure and the wave number of the SAW.
第１１図において、曲線すはレイリー波の基本波モード
を示す。この波はＡＩＮ薄膜内で対称ラム波の如く振る
舞う。一方、曲線ａは３次レイリー波モードであり、ｋ
Ｈ≧１．７で励振される。In FIG. 11, the curved line represents the fundamental wave mode of the Rayleigh wave. This wave behaves like a symmetrical Lamb wave within the AIN thin film. On the other hand, curve a is the third-order Rayleigh wave mode, and k
It is excited when H≧1.7.
ｋＨ≦６の範囲内では、レイリー波の５次以上のモード
及びセザワ波の高次モードは全てダイヤモンド結晶体薄
膜内でバルク波と結合し、漏洩表面波となる。In the range of kHz≦6, all of the fifth-order or higher-order modes of Rayleigh waves and the higher-order modes of Sezawa waves combine with the bulk waves within the diamond crystal thin film to become leaky surface waves.
第１１図から、Ｖｐ＃ｌｏ０００ｍ八を満たす条件は、
１次レイリー波を用いた場合０≦ｋＨ≦０．４となり、
３次レイリー波を用いた場合１．７〈ｋＨ≦５．０とな
る。From Figure 11, the conditions that satisfy Vp#lo000m8 are:
When first-order Rayleigh waves are used, 0≦kH≦0.4,
When a third-order Rayleigh wave is used, 1.7〈kHz≦5.0.
そこで、まず、レイリー波を用いる場合を考えることと
し、負荷ＱＬ＝ １０００の条件を満たすための実効的
電気機械結合係数Ｋ”ｅｆｆの目標値（Ｋ”ａｆｆ≧０
．１５）の実現可能性について考察する。Therefore, first, we will consider the case where Rayleigh waves are used, and the target value of the effective electromechanical coupling coefficient K''eff to satisfy the condition of load QL = 1000 (K''aff≧0
．． Consider the feasibility of 15).
レイリー波における実効的電気機械結合係数に２゜１１
のｋＨ依存性を考察する場合、電極の配置形態としては
４通りを考えることができる。すなわち、第１の形態は
ダイヤモンド結晶体薄膜とＡＩＮ薄膜との境界面上にＩ
ＤＴ電極を設けた構成であり、第２の配置形態はＩＤＴ
電極をＡＩ！Ｎ薄膜上に形成した構成であり、第３の形
態はダイヤモンド結晶体薄膜とＡｊｌ’Ｎｉ膜との境界
面上にＩＤＴ電極を設は且つＡＩＮ薄膜上に接地電極を
設けた構成であり、第４の配置形態はＡＩＮ薄膜上にＩ
ＤＴ電極を設けてダイヤモンド結晶体薄膜とＡＩＮ薄膜
との境界面上に接地電極を設けた構成である。The effective electromechanical coupling coefficient in Rayleigh waves is 2°11.
When considering the kHz dependence of , there are four possible electrode arrangements. That is, in the first form, I
This is a configuration in which a DT electrode is provided, and the second arrangement form is an IDT electrode.
AI electrodes! In the third form, an IDT electrode is provided on the interface between the diamond crystal thin film and the Ajl'Ni film, and a ground electrode is provided on the AIN thin film. The arrangement form of No. 4 is I on the AIN thin film.
This configuration has a DT electrode and a ground electrode on the interface between the diamond crystal thin film and the AIN thin film.
第１２図及び第１３図は上述した４通りの電極配置形態
を採用した場合のレイリー波における実効的電気機械結
合係数Ｋ”ａｆｆのｋＨ依存性の解析結果を示したもの
である。実効的電気機械結合係数Ｋ”ｅｆｆは圧電的に
ＳＡＷを励振できる強さに関するバロメータとなる。Figures 12 and 13 show the analysis results of the kHz dependence of the effective electromechanical coupling coefficient K''aff in Rayleigh waves when the four electrode arrangement configurations described above are adopted. The mechanical coupling coefficient K''eff is a barometer regarding the strength with which the SAW can be excited piezoelectrically.
狭帯域ＳＡＷフィルタとするための負荷ＱＬ＃。Load QL# for narrowband SAW filter.
１０００の一条件を満たすためには実効的電気機械結合
係数に２ｍｔｆ≧０．１５％とする必要があるため、上
述した０≦ｋＨ≦０．４の条件を満たすためには、第１
３図に示すＩＤＴ電極配置形態の場合、ｋＨは０．３〜
０．４のごく限られた範囲内となり、この範囲内に膜厚
を制御することは困難である。In order to satisfy one condition of 1000, it is necessary to set the effective electromechanical coupling coefficient to 2 mtf≧0.15%.
In the case of the IDT electrode arrangement shown in Figure 3, the kHz is 0.3~
It falls within a very limited range of 0.4, and it is difficult to control the film thickness within this range.
更に、第１４図はレイリー波の変位の相対振幅の深さ（
Ｚ軸方向）依存性を解析した結果を示したものである。Furthermore, Figure 14 shows the depth of the relative amplitude of the Rayleigh wave displacement (
This figure shows the results of analyzing the dependence (in the Z-axis direction).
第１４図において、横軸は、ダイヤモンド結晶体薄膜と
ＡＩＮ薄膜との境界面からのＺ軸方向の距離をＡＩＮ薄
膜の膜厚Ｈで除した値Ｚ／Ｈを示しており、縦軸はレイ
リー波の変位の相対振幅値を示している。第１４図にお
いて、実線の曲線はＸ軸成分についての相対振幅値Ｕｚ
であり、破線の曲線はＸ軸成分の相対振幅値Ｕｘである
。In FIG. 14, the horizontal axis represents the value Z/H obtained by dividing the distance in the Z-axis direction from the interface between the diamond crystal thin film and the AIN thin film by the film thickness H of the AIN thin film, and the vertical axis represents the Rayleigh value. It shows the relative amplitude value of the wave displacement. In FIG. 14, the solid curve represents the relative amplitude value Uz for the X-axis component.
The broken line curve is the relative amplitude value Ux of the X-axis component.
第１４図から判るように、ｋＨ≦０．４とした場合、レ
イリー波はダイヤモンド結晶体薄膜内の深くまで浸透す
るので、レイリー波をダイヤモンド結晶体薄膜とＡＩＮ
薄膜との２層内のみに閉じ込めるためにはダイヤモンド
結晶体薄膜の膜厚りはＡＡＮ薄膜の膜厚Ｈに対し６倍よ
り溝かに大きく（Ｄ ６Ｈ）する必要がある。これは
、製造上難しく、また、製造工程並びにコストの点から
好ましくない。それ故、レイリー波を用いてＶｐζ１０
０００ｍ／ｓ及びＫ”ｍｆｆ≧０．１５％の目標を実現
することは不可能と考えられる。As can be seen from Fig. 14, when kHz≦0.4, the Rayleigh waves penetrate deep into the diamond crystal thin film, so the Rayleigh waves can be transferred between the diamond crystal thin film and the AIN.
In order to confine it only within the two layers with the thin film, the thickness of the diamond crystal thin film needs to be six times larger (D 6H) than the thickness H of the AAN thin film. This is difficult to manufacture and is also undesirable from the viewpoint of manufacturing process and cost. Therefore, using Rayleigh waves, Vpζ10
It is considered impossible to realize the targets of 000 m/s and K''mff≧0.15%.
したがって、第１発明においては広範囲に膜厚の制御が
可能な３次レイリー波を用いることとする。第１５図及
び第１６図は４通りの電極配置形態で３次レイリー波を
用いる場合の実効的電気機械結合係数に”ｏｆｆのｋＨ
依存性を解析した結果を示したものである。Therefore, in the first invention, a third-order Rayleigh wave is used, which allows the film thickness to be controlled over a wide range. Figures 15 and 16 show the effective electromechanical coupling coefficient in kHz of "off" when using third-order Rayleigh waves with four electrode arrangement configurations.
This shows the results of dependency analysis.
第１５図において、曲線ＣはＡＩＮ薄膜上にＩＤＴ電極
を配置した場合の実効的電気機械結合係数Ｋ”ａｆｆの
ｋＨ依存性を示しており、曲線ｄはダイヤモンド結晶体
薄膜とＡ７７Ｎｉ膜との境界面上にＩＤＴ電極を配置し
た場合の実効的電気機械結合係数Ｋ”ｍｆｆのｋＨ依存
性を示している。In FIG. 15, curve C shows the kH dependence of the effective electromechanical coupling coefficient K''aff when the IDT electrode is placed on the AIN thin film, and the curve d shows the boundary between the diamond crystal thin film and the A77Ni film. It shows the kH dependence of the effective electromechanical coupling coefficient K''mff when IDT electrodes are arranged on the surface.
また、第１６図において、曲線ｅはＡｆＮ薄膜上にＩＤ
Ｔ電極を配置し且つダイヤモンド結晶体薄膜とＡＩＮ薄
膜との境界面上に接地電極を配置した場合の実効的電気
機械結合係数Ｋ”ａｆｆのｋＨ依存性を示しており、曲
線ｆはダイヤモンド結晶体薄膜とＡＩＮ薄膜との境界面
上にＩＤＴ電極を配置し且つ、ＩＮ薄膜上に接地電極を
配置した場合の実効的電気機械結合係数Ｋ”ａｆｆのｋ
Ｈ依存性を示している。In addition, in FIG. 16, the curve e indicates the ID on the AfN thin film.
It shows the kH dependence of the effective electromechanical coupling coefficient K''aff when a T electrode is arranged and a ground electrode is arranged on the interface between the diamond crystal thin film and the AIN thin film, and the curve f is the diamond crystal thin film. k of the effective electromechanical coupling coefficient K''aff when an IDT electrode is placed on the interface between the thin film and the AIN thin film and a ground electrode is placed on the IN thin film
It shows H dependence.
前述したように、３次レイリー波を用いてＶｐ＃１００
００ｍ／ｓの条件を満たすためには少なくともＡＩＮ薄
膜の膜厚Ｈを１．７ ＜ ｋ Ｈ≦５．０の範囲内とす
る必要がある（第１１図参照）。したがって、第１５図
及び第１６図から、ＩＤＴ電極をＡＩ！Ｎ薄膜上に形成
する場合（図の曲線ｃ、ｅの場合）に３次レイリー波を
用いてＶ ｐ＃ １００００ｍ／ｓ及びに２＊ｆｆ≧０
．１５％の条件を満たすためには、／ＩＮ薄膜の膜厚Ｈ
を３．５≦ｋＨ≦５．０の範囲内に制御する必要がある
。As mentioned above, Vp#100 is generated using third-order Rayleigh waves.
In order to satisfy the condition of 00 m/s, at least the thickness H of the AIN thin film must be within the range of 1.7<kH≦5.0 (see FIG. 11). Therefore, from FIGS. 15 and 16, it is clear that the IDT electrode is AI! When forming on an N thin film (in the case of curves c and e in the figure), using third-order Rayleigh waves, V p# 10000 m/s and 2*ff≧0
．． In order to satisfy the condition of 15%, the film thickness H of the /IN thin film must be
It is necessary to control it within the range of 3.5≦kHz≦5.0.
一方、ＩＤＴ電極をＡｔ’Ｎｉ膜とダイヤモンド結晶体
薄膜との境界面上に配置した場合（図の曲線ｄ、ｆの場
合）、３次レイリー波を用いてＶｐ′−１００００ｍ＋
／ｓ及びＫ”ｍｆｆ ≧０．１５％の条件を満たすため
には、ＡＩＶＮ薄膜の膜厚Ｈを４．３≦ｋＨ≦５．０の
狭い範囲内に制御する必要がある。このように、ＩＤＴ
電極をＡｆｆｉＮ薄膜上に設ける場合に比べると、ＡＩ
Ｎ薄膜の膜厚を制御できる範囲が狭まいので、ＡＩＮ薄
膜の膜厚制御が困難である。On the other hand, when the IDT electrode is placed on the interface between the At'Ni film and the diamond crystal thin film (in the case of curves d and f in the figure), Vp'-10000m+
/s and K"mff ≧0.15%, it is necessary to control the thickness H of the AIVN thin film within a narrow range of 4.3≦kHz≦5.0. In this way, IDT
Compared to the case where the electrode is provided on the AffiN thin film, the AI
Since the range in which the thickness of the N thin film can be controlled is narrow, it is difficult to control the thickness of the AIN thin film.
一方、３次レイリー波を利用したＳＡＷディバイスにお
いては、他モードも同時に励振されてレイリー波の基本
波モード（１次レイリー波）がスプリアスとなる。この
１次レイリー波を完全に抑圧することは不可能であるが
、できる限りその励振強度を小さくし、スプリアスレベ
ルを小さくすることが望ましい。On the other hand, in a SAW device that uses tertiary Rayleigh waves, other modes are simultaneously excited and the fundamental wave mode (first Rayleigh wave) of the Rayleigh waves becomes spurious. Although it is impossible to completely suppress this primary Rayleigh wave, it is desirable to reduce its excitation intensity as much as possible and reduce the spurious level.
そこで、再び第１２図及び第１３図を参照すると、Ａｆ
ｆＮ薄膜とダイヤモンド結晶体薄膜との境界面上にＩＤ
Ｔ電極を形成した場合には、４．３≦ｋＨ≦５．０の範
囲内において１次レイリー波の実効的電気機械結合係数
Ｋ”ａｆｆは０．８％≦Ｋ”ａｆｆ≦１．０％となり、
３次レイリー波の実効的電気機械結合係数に２ａｆｆの
４〜５倍強となる。一方、ＩＤＴ電極をＡ Ｉ Ｎ３膜
上に形成した場合には、３．５≦ｋＨ≦５．０の範囲内
において１次レイリー波の実効的電気機械結合係数Ｋ”
ｏｆｆが０．０５％≦Ｋ”＊ｆｆ≦０．１５％となり、
３次レイリー波と同程度になる。したがって、スプリア
スとしての１次レイリー波の結合度を抑圧するためには
ＩＤＴ電極をＡＪＮ薄膜上に形成する必要がある。Therefore, referring again to FIGS. 12 and 13, Af
ID on the interface between the fN thin film and the diamond crystal thin film.
When a T electrode is formed, the effective electromechanical coupling coefficient K”aff of the primary Rayleigh wave is 0.8%≦K”aff≦1.0% within the range of 4.3≦kH≦5.0. Then,
The effective electromechanical coupling coefficient of the third-order Rayleigh wave is 4 to 5 times stronger than 2aff. On the other hand, when the IDT electrode is formed on the A I N3 film, the effective electromechanical coupling coefficient K of the primary Rayleigh wave within the range of 3.5≦kH≦5.0.
off becomes 0.05%≦K”*ff≦0.15%,
It becomes comparable to the third-order Rayleigh wave. Therefore, in order to suppress the degree of coupling of primary Rayleigh waves as spurious waves, it is necessary to form an IDT electrode on the AJN thin film.
よって、Ｓｉ単結晶又はＧａＡｓ単結晶とダイヤモンド
結晶体薄膜とＡｆＮ薄膜との３層構造において、スプリ
アスとしての１次レイリー波の励振を抑圧しつつ３次レ
イリー波の位相速度Ｖｐの目標値（Ｖｐ＃１００００ｍ
／ｓ）及び実効的電気機械結合係数Ｋ”ｅｆｆの目標値
（Ｋ”ａｆｆ≧０．１５％）を容易に実現するためには
、ＩＤＴ電極をＡＩＮ薄膜上に形成し、且つ、ＡＩＮ薄
膜の膜厚Ｈが３．５≦ｋＨ≦５．０という条件を満足す
るように、マグネトロンスパンタリング法等によりＣ軸
配向のＡＩＮ薄膜をダイヤモンド結晶体薄膜上に形成す
ればよいことが判る。Therefore, in a three-layer structure of a Si single crystal or a GaAs single crystal, a diamond crystal thin film, and an AfN thin film, the target value of the phase velocity Vp of the third-order Rayleigh wave (Vp #10000m
/s) and the target value of the effective electromechanical coupling coefficient K”eff (K”aff≧0.15%), the IDT electrode is formed on the AIN thin film, and the It can be seen that a C-axis oriented AIN thin film may be formed on a diamond crystalline thin film by magnetron sputtering or the like so that the film thickness H satisfies the condition of 3.5≦kH≦5.0.
次に、３次レイリー波を実質的にダイヤモンド結晶体薄
膜とＡＩＮ薄膜との２層膜内に閉じ込めるために必要な
ダイヤモンド結晶体薄膜の膜厚りについて考える。Next, consider the thickness of the diamond crystal thin film required to substantially confine the tertiary Rayleigh wave within the two-layer film of the diamond crystal thin film and the AIN thin film.
第１７図ないし第１９図は、ｋＨを３．０，４．０及び
６．０としたときのＳＡＷの相対変位振幅の深さ（Ｚ方
向）依存性についての解析結果を示したものである。ま
た、第２０図は、ｋＨを１．８゜３、０及び６．０とし
たときのＳＡＷの相対電位の深さ（Ｚ方向）依存性につ
いての解析結果を示したものである。Figures 17 to 19 show the analysis results of the depth (Z direction) dependence of the relative displacement amplitude of the SAW when kHz was set to 3.0, 4.0, and 6.0. . Further, FIG. 20 shows the analysis results regarding the depth (Z direction) dependence of the relative potential of the SAW when the kHz was set to 1.8°3, 0, and 6.0.
第１７図ないし第２０図に示す解析結果から、３次レイ
リー波をダイヤモンド結晶体薄膜とＡＩＮ薄膜の２層膜
内に閉じ込めるために必要なダイヤモンド結晶体薄膜の
膜厚りとＡＩＮ薄膜の膜厚Ｈとの関係は、Ｄ≧４Ｈとす
れば十分であることが判る。From the analysis results shown in Figures 17 to 20, we found that the thickness of the diamond crystal thin film and the thickness of the AIN thin film are required to confine the third-order Rayleigh wave within the two-layer film of the diamond crystal thin film and the AIN thin film. It can be seen that the relationship with H is sufficient if D≧4H.
以上の解析結果から、基板構成をＳｉ単結晶、ＧａＡｓ
単結晶等の単結晶半導体基板とダイヤモンド結晶体薄膜
とＡＩＮ薄膜との３層構造とし、ＩＤＴ電極をＡＩＮ″
ｉＲ膜上に設け、ダイヤモンド結晶体薄膜の膜厚り及び
／ＩＮ薄膜の膜Ｗ、ＨがＤ≧４Ｈ及び３．５≦ｋＨ≦５
．０となるように構成することにより、１００００＃ｌ
／Ｓ≦Ｖｐ≦１１０００Ｉｌ／ｓ及び０．１５％≦に２
ａｆｆ≦０．３％の条件を満たす７Ｇ）ｌｚ用狭帯域Ｓ
ＡＷフィルタを実現できることが判る。しかも、ＩＤＴ
電極をＡＩＮ薄膜上に設けてＡＩＮ薄膜の膜厚Ｈを３．
５≦ｋＨ≦５．０とすることにより、スプリアスとして
の１次レイリー波の結合度を抑圧することができるので
、高安定なＩＧＨｚ用狭帯域ＳＡＷフィルタを提供する
ことができる。From the above analysis results, the substrate composition is Si single crystal, GaAs
It has a three-layer structure consisting of a single crystal semiconductor substrate such as a single crystal, a diamond crystal thin film, and an AIN thin film, and the IDT electrode is made of AIN''.
Provided on the iR film, the film thickness of the diamond crystal thin film and the films W and H of the /IN thin film are D≧4H and 3.5≦kH≦5.
．． By configuring it so that it is 0, 10000#l
/S≦Vp≦11000Il/s and 0.15%≦2
Narrowband S for 7G) lz that satisfies the condition of aff≦0.3%
It can be seen that an AW filter can be realized. Moreover, I.D.T.
An electrode is provided on the AIN thin film, and the film thickness H of the AIN thin film is set to 3.
By setting 5≦kHz≦5.0, it is possible to suppress the degree of coupling of primary Rayleigh waves as spurious waves, and therefore it is possible to provide a highly stable narrowband SAW filter for IGHz.
このＳＡＷディバイスを７ＧＨｚ用とした場合に、ＩＤ
Ｔ電極の電極指幅ｄを０．３５７μｍ≦ｄ≦０、３９３
μｍとすることができるので、遠紫外線露光器を用いた
フォトリソグラフィ法によって容易に電極パターンを形
成することができる。When this SAW device is used for 7GHz, the ID
The electrode finger width d of the T electrode is 0.357 μm≦d≦0, 393
Since the thickness can be set to .mu.m, an electrode pattern can be easily formed by photolithography using a deep ultraviolet exposure device.
第１図及び第２図はＡＩＮ薄膜上にＩＤＴ電極を設けた
ＳＡＷディバイスの断面構造を模式的に示したものであ
る。第３図はＡＩＮ薄膜上にＩＤＴ電極を設は且つダイ
ヤモンド結晶体薄膜とＡｆＮｌ膜との境界面上に接地電
極を設けたＳＡＷディバイスの断面構造を模式的に示し
たものである。FIGS. 1 and 2 schematically show the cross-sectional structure of a SAW device in which an IDT electrode is provided on an AIN thin film. FIG. 3 schematically shows the cross-sectional structure of a SAW device in which an IDT electrode is provided on the AIN thin film and a ground electrode is provided on the interface between the diamond crystal thin film and the AfNl film.
これらの図において、１はＳｉ単結晶、ＧａＡｓ単結晶
等からなる単結晶半導体基板、２はダイヤモンド結晶体
薄膜、３はＣ軸配向のＡ！！Ｎ薄膜、４は正規形ＩＤＴ
電極である。第３図に示すＳＡＷディバイスにおいては
、ダイヤモンド結晶体薄膜とＡ Ｉ Ｎ薄膜との境界面
上に接地電極５が形成されている。これらの実施例にお
いて、ダイヤモンド結晶体薄膜２の膜厚り及びＡＩＮ薄
膜３の膜厚Ｈは、３．５≦ｋＨ≦５．０．Ｄ≧４Ｈの条
件を満たすように設定される。In these figures, 1 is a single crystal semiconductor substrate made of Si single crystal, GaAs single crystal, etc., 2 is a diamond crystal thin film, and 3 is C-axis oriented A! ! N thin film, 4 is normal IDT
It is an electrode. In the SAW device shown in FIG. 3, a ground electrode 5 is formed on the interface between the diamond crystal thin film and the AIN thin film. In these examples, the film thickness of the diamond crystal thin film 2 and the film thickness H of the AIN thin film 3 are 3.5≦kH≦5.0. It is set to satisfy the condition D≧4H.
第１図ないし第３図から判るように、ＳＡＷディバイス
はＳｉ単結晶、ＧａＡｓ単結晶等からなる単結晶半導体
基板１を有しているので、単結晶半導体基板１を共通基
板として周辺のＬＳＩ（図示せず）と一体に形成するこ
とが可能であり、また、ＬＳＩとの電気的接続はＡ ｌ
％ Ａ ｕ等の導体薄膜６によって容易に行なうこと
ができる。As can be seen from FIGS. 1 to 3, the SAW device has a single crystal semiconductor substrate 1 made of Si single crystal, GaAs single crystal, etc., so the peripheral LSI ( (not shown), and the electrical connection with the LSI can be made using Al
This can be easily done using a conductive thin film 6 such as % Au.
策主主凱■実施■
上述した第１発明の構造によれば、遠紫外線を光源とし
たフォトリソグラフィを用いた場合に７〜１０ＧＨｚの
ＳＡＷフィルタを実現することができ、また、電子ビー
ムを用いた場合に１０〜２０ＧＨｚのＳＡＷフィルタを
実現することができるが、人工ダイヤモンド多結晶薄膜
又は人工ダイヤモンド単結晶上にＡＩＮ薄膜をＰＶＤ法
又はＣＶＤ法により蒸着させる際に、Ｃ軸配向した特性
が良好なＡＩＮ薄膜を人工ダイヤモンド上に成長させる
ことが難しいという製造上の欠点を有している。Implementation ■ According to the structure of the first invention described above, it is possible to realize a SAW filter of 7 to 10 GHz using photolithography using far ultraviolet light as a light source, and it is also possible to realize a SAW filter of 7 to 10 GHz using an electron beam. However, when an AIN thin film is deposited on an artificial diamond polycrystalline thin film or an artificial diamond single crystal by a PVD method or a CVD method, it is possible to realize a SAW filter of 10 to 20 GHz if It has a manufacturing drawback in that it is difficult to grow a thin AIN film on artificial diamond.
そこで、第２発明においては、アモルファスの基板に対
しては基板に垂直な方向にＣ軸が配向するというブラベ
（Ｂｒａｖａｉｓ）の経験則を利用する。Therefore, in the second invention, Bravais' empirical rule that for an amorphous substrate, the C axis is oriented in a direction perpendicular to the substrate is used.
例えば、パイレックスガラスや溶融石英上には酸化亜鉛
（Ｚ ｎ Ｏ）やＡＩＮ圧電薄膜を容易にＣ軸配向させ
ることができる。For example, zinc oxide (Z n O) or AIN piezoelectric thin films can be easily C-axis oriented on Pyrex glass or fused silica.
そこで、ダイヤモンド単結晶上にアモルファス膜として
のＳｉＯ□薄膜をＰＶＤ法やＣＶＤ法等により蒸着させ
、この５１０２薄膜上にＡβＮ薄膜をＣ軸配向させるこ
とにより、ＡｌＮｉ膜の形成を容易化する。Therefore, an SiO□ thin film as an amorphous film is deposited on a diamond single crystal by a PVD method, a CVD method, etc., and an AβN thin film is C-axis oriented on this 5102 thin film, thereby facilitating the formation of an AlNi film.
しかし、５ｔｏｚＦｉｌ膜内を伝搬するバルク波の音速
はＡＩＮ薄膜内を伝搬するバルク波の音速の約１／２と
極めて低速である。一般に、３層構造を有するＳＡＷに
おいては、第２１図のように、上から第１層Ｉ、第２層
■及び第３層■内の膜厚すべり波の伝搬速度ｖＩ ＊
ｖＺ ＋ ”’ｌがｖ、＜Ｖ２＜ｖｌの関係にある
ときにはレイリー波の基本波モード及びその高次波モー
ドのＳＡＷが伝搬するが、第２２図のように、第１層Ｉ
、第２層■及び第３層■内の膜厚すべり波の伝搬速度ｖ
ｌ ｒ ｖＺ ＋Ｖ、がｖｔ Ｖ、＜Ｖ３の関係にあ
るときにはレイリー波基本波モードのＳＡＷのみが第１
ＮＩ及び第２層■内にのみ伝搬する。However, the sound speed of the bulk wave propagating within the 5tozFil film is extremely low, approximately 1/2 of the sound speed of the bulk wave propagating within the AIN thin film. Generally, in a SAW having a three-layer structure, as shown in FIG.
When vZ + "'l is in the relationship v, <V2<vl, the fundamental wave mode of the Rayleigh wave and its higher-order wave mode SAW propagate, but as shown in Fig. 22, the first layer I
, the propagation velocity v of the film thickness shear wave in the second layer ■ and the third layer ■
When l r vZ +V, is in the relationship vt V, < V3, only the Rayleigh wave fundamental wave mode SAW is the first
Propagates only within NI and layer 2 ■.
そこで、第２層である５ｉｎ２薄膜の膜厚りを第１層で
ある／ＩＮ薄膜の膜厚Ｈに対して所定の範囲内に制御し
得るならば、音速１００００ ｐａｌｓ以上の超高速な
３次レイリー波モードのＳＡＷが伝搬可能と考えること
ができる。このような視点に立って、製造可能な膜厚で
あり且つ３次レイリー波モードを３層内に閉じ込めて伝
搬させることができる適切なＳｉＯ□薄膜の膜厚を検討
することとする。Therefore, if the thickness of the 5in2 thin film that is the second layer can be controlled within a predetermined range with respect to the film thickness H of the first layer /IN thin film, it is possible to control the thickness of the 5in2 thin film that is the second layer within a predetermined range. It can be considered that SAW in Rayleigh wave mode can be propagated. From this point of view, we will examine the appropriate thickness of the SiO□ thin film that is manufacturable and allows the third-order Rayleigh wave mode to be confined and propagated within the three layers.
第２３図は第２発明によるＳＡＷディバイスの基本構造
を模式的に示したものであり、ＳＡＷディバイスは上か
らＡＩＮ薄膜１１（膜厚Ｈ）と５ｉｎｔ薄膜１２（膜厚
Ｄ＝ξＨ）と人工ダイヤモンド多結晶体又は人工ダイヤ
モンド単結晶体からなるダイヤモンド結晶体薄膜１３と
を有している。座標軸は図のようにＸ軸、Ｚ軸をとり、
Ｙ軸は紙面に垂直な方向とする。ここで、ダイヤモンド
結晶体１３のカット面を（００１）面とし、／ＩＮ薄膜
１１はＸ軸方向にＣ軸配向した膜すなわち（０００１）
面とし、ＳＡＷをＸ軸方向に伝搬させることとした。FIG. 23 schematically shows the basic structure of the SAW device according to the second invention. The diamond crystal thin film 13 is made of a polycrystal or an artificial diamond single crystal. The coordinate axes are the X axis and Z axis as shown in the figure,
The Y axis is perpendicular to the plane of the paper. Here, the cut plane of the diamond crystal body 13 is the (001) plane, and the /IN thin film 11 is a film with the C-axis oriented in the X-axis direction, that is, the (0001) plane.
It was decided that the SAW would be propagated in the X-axis direction.
第２４図は第２３図に示す構造における３次レイリー波
モードのＳＡＷの速度分散特性、すなわち、ＡＩＮ薄膜
の膜厚ＨとＳＡＷの波数にとの積ｋＨに対する位相速度
（ｓ＋／ｓ）の依存性を示したものである。また、第２
５図はＳｉｎ！薄膜のパラメータξに対する位相速度Ｖ
ｐの変化率を示したものである。ここではξ＝０におけ
る位相速度（音速）を基準としている。第２４図及び第
２５図から、次のことが判明する。Figure 24 shows the velocity dispersion characteristics of the third-order Rayleigh wave mode SAW in the structure shown in Figure 23, that is, the dependence of the phase velocity (s+/s) on the product kHz of the AIN thin film thickness H and the SAW wave number. It shows the gender. Also, the second
Figure 5 is Sin! Phase velocity V for thin film parameter ξ
It shows the rate of change of p. Here, the phase velocity (sound velocity) at ξ=0 is used as a reference. The following is clear from FIGS. 24 and 25.
（１１ξ＝ｏ、ｏｏｏｔ〜０．００１では３次レイリー
波の位相速度は殆ど不変である。(When 11ξ=o, ooot~0.001, the phase velocity of the third-order Rayleigh wave is almost unchanged.
（２１ｋ Ｈ＝ ３．５の位置に位相速度Ｖｐの変化率
ΔＶｐ／Ｖｐの極大点があり、ξが大きくなるに従って
ｋＨが小さくなる方向すなわち波長λがλＨとなる方向
にシフトする。(21k There is a maximum point of the rate of change ΔVp/Vp of the phase velocity Vp at the position of H=3.5, and as ξ increases, it shifts in the direction in which kh decreases, that is, in the direction in which the wavelength λ becomes λH.
（３） ｋ Ｈ＃ ３．５とした場合にξ＃０．０１
で位相速度Ｖｐの変化率ΔＶｐ／Ｖｐ（減少率）は−０
，２％、ξ＝０．０５で−１，０％、ξ＝０．１で＝２
．５％、ξ＝０．２で−７，７％となる。(3) When k H# is 3.5, ξ#0.01
The rate of change ΔVp/Vp (decrease rate) of the phase velocity Vp is −0.
,2%, -1,0% at ξ=0.05, =2 at ξ=0.1
．． 5% and -7.7% at ξ=0.2.
以上のことから、ξ〉０．１では位相速度が著しく減少
し、且つ、位相速度１００００ｍ／ｓ以上の領域がｋＨ
≦３．７の限られた範囲内となるため、利用上好ましく
ないことが判る。現在、遠紫外線フォトリソグラフィ法
により実現可能なＩＤＴ電極の電極指幅ｄはｄ≧０．３
μｍであり、また、ＩＤＴ電極の電極指幅ｄとＳＡＷの
位相速度■とはｄ＝Ａ・■／νの関係を有するから、Ｓ
ＡＷの位相速度は遠紫外線フォトリソグラフィ法を用い
て１〜１０ＧＨｚ帯のＳＡＷディバイスを実現できるか
どうかに関係しているが、ＳＡＷディバイスとして第２
発明による素子を適用する場合には、更に、圧電性の強
さを示す実効的電気機械結合係数Ｋ”ｏｆｆのＳｉ０ｇ
薄膜による影響も検討する必要がある。From the above, when ξ〉0.1, the phase velocity decreases significantly, and the region where the phase velocity is 10,000 m/s or more is kHz.
Since it falls within a limited range of ≦3.7, it can be seen that it is not preferable for use. Currently, the electrode finger width d of IDT electrodes that can be realized by deep ultraviolet photolithography is d≧0.3.
μm, and since the electrode finger width d of the IDT electrode and the SAW phase velocity ■ have a relationship of d=A・■/ν, S
The phase velocity of AW is related to whether SAW devices in the 1 to 10 GHz band can be realized using deep ultraviolet photolithography, but it is
When applying the device according to the invention, Si0g with an effective electromechanical coupling coefficient K”off indicating the piezoelectric strength
It is also necessary to consider the effects of thin films.
第２３図の３層構造に対するＩＤＴ電極の配置場所の態
様としては２種類が考えられる。第２６図はアルミニウ
ム（ＡＩ）のＩＤＴ電極ＰをＡ Ｉ Ｎ３膜ｌｌ上に蒸
着形成した第２発明の一実施例を示しており、第２７図
はＡＡのＩＤＴ電極Ｐを、６７２Ｎ薄膜１１とＳｉＯ□
薄膜１２との境界に設けた第２発明の他の実施例を示し
ている。There are two possible ways to arrange the IDT electrodes in the three-layer structure shown in FIG. 23. FIG. 26 shows an embodiment of the second invention in which an aluminum (AI) IDT electrode P is formed by vapor deposition on an AI N3 film ll, and FIG. SiO□
Another embodiment of the second invention provided at the boundary with the thin film 12 is shown.
第２８図は第２６図の配置構成の場合の実効的電気機械
結合係数Ｋ”ａｆｆのｋＨ依存性を示したものであり、
第２９図は第２７図の配置構成の場合の実効的電気機械
結合係数に２゜、ｆのｋ Ｈ依存性を示したものである
。第２８図から、ξ≦０．００１ではＫ”ａｆｆはξ−
０の場合と殆ど変わらないが、少なくとも３．２≦ｋＨ
≦４．７の範囲内ではξの増大に従ってに！ｌｌｆｆは
増大し、ξ＝０．０５を境にしてその後急速に減少する
ことが判る。したがって、ＳｉＯ□薄膜１２の膜厚を限
られた範囲内で制御すればＫ”ａｆｆが増大するため、
ＡＩＮ薄膜１１と人工ダイヤモンド結晶体薄膜１３との
間にＳｉｎ。FIG. 28 shows the kH dependence of the effective electromechanical coupling coefficient K''aff in the case of the arrangement shown in FIG.
FIG. 29 shows the k H dependence of the effective electromechanical coupling coefficient of 2° and f for the arrangement shown in FIG. 27. From Fig. 28, when ξ≦0.001, K”aff is ξ−
There is almost no difference from the case of 0, but at least 3.2≦kH
Within the range of ≦4.7, as ξ increases! It can be seen that llff increases and then rapidly decreases after reaching ξ=0.05. Therefore, if the thickness of the SiO□ thin film 12 is controlled within a limited range, K”aff will increase.
Sin between the AIN thin film 11 and the artificial diamond crystal thin film 13.
薄膜１２を中間層として介在させることが有利であるこ
とが判る。但し、ξ〉０．１ではＫ”ａｆｆが急速に減
少するため、ξ〉０．１の範囲内での制御は好ましくな
い。It turns out to be advantageous to interpose the thin film 12 as an intermediate layer. However, since K''aff decreases rapidly when ξ>0.1, control within the range of ξ>0.1 is not preferable.
一方、第２９図からも、３．７≦ｋＨ≦４．７の範囲内
においてはξの増大に伴ってに２゜ｆｆが増大すること
が判る。したがって、ＡＩＮ薄膜１１と人エダイヤモン
ド結晶体薄膜１３との間に５ｉｎ２薄膜１２を中間層と
して介在させることが有利であることが判る。但し、ξ
〉０．１ではＫ”＊ｆｆが減少するため、ξ〉０．１の
範囲内での制御は好ましくない。On the other hand, it can be seen from FIG. 29 that 2°ff increases as ξ increases within the range of 3.7≦kHz≦4.7. Therefore, it can be seen that it is advantageous to interpose the 5in2 thin film 12 as an intermediate layer between the AIN thin film 11 and the diamond crystal thin film 13. However, ξ
Since K''*ff decreases when ξ>0.1, control within the range of ξ>0.1 is not preferable.
以上の如く、ＳＡＷの位相速度の分散性及び実効的電気
機械結合係数の２点について検討を進めた結果、次の条
件を満たせばＶｐ≧１００００ｍ／ｓ ％ Ｋ”ｍｔｔ
≧０．１％の特性を有するＳＡＷディバイスを実現し
得ることが判明した。As mentioned above, as a result of studying the two points of SAW phase velocity dispersion and effective electromechanical coupling coefficient, we found that if the following conditions are met, Vp≧10000 m/s % K”mtt
It has been found that SAW devices with characteristics of ≧0.1% can be realized.
（１１ＳｉＯ□薄膜の膜厚りをＡＩＮ薄膜の膜厚Ｈの１
／１００〜１／１０内で制御する。（０，０１≦ξ≦０
．１）
（２１／ｌ！Ｎ薄膜上にＩＤＴ電極を設ける場合には、
３．２≦ｋＨ≦４．７となるようＡＩＮ薄膜の膜厚Ｈを
制御する。(The film thickness of the 11SiO□ thin film is 1 of the film thickness H of the AIN thin film.
Control within /100 to 1/10. (0,01≦ξ≦0
．． 1) When providing an IDT electrode on a (21/l!N thin film),
The thickness H of the AIN thin film is controlled so that 3.2≦kH≦4.7.
＋３１ＡＩＮ薄膜とＳ ｉ Ｏ２薄膜との間にＩＤＴ電
極を設ける場合には、３．７≦ｋＨ≦４．７となるよう
／’ｔ’Ｎ薄膜の膜厚Ｈを制御する。When an IDT electrode is provided between the +31AIN thin film and the S i O2 thin film, the thickness H of the /'t'N thin film is controlled so that 3.7≦kH≦4.7.
例えば、第２６図の構成による１ＱＧｌｌｚのＳＡＷデ
ィバイスは下記第１表に例示する２種類の数値設定によ
って容易に実現することができる。For example, a 1QGllz SAW device with the configuration shown in FIG. 26 can be easily realized by using two types of numerical settings illustrated in Table 1 below.
第１表
また、第２６図の構成による５ＧＨｚのＳＡＷディバイ
スは下記第２表に例示する２種類の数値設定によって容
易に実現することができる。Table 1 Furthermore, a 5 GHz SAW device having the configuration shown in FIG. 26 can be easily realized by using the two types of numerical settings illustrated in Table 2 below.
第２表
なお、第２発明に係るＳＡＷディバイスを構築するに際
しては、第２６−及び第２７図に概略的に示すように、
第１発明の実施例と同様にＳｔ、ＧａＡｓ等の半導体基
板１４上にダイヤモンド結晶体薄膜１３、Ｓｉｎ、薄膜
１２及びＡＩＮ薄膜１１の３層構造を形成することが好
ましい。Table 2 Note that when constructing the SAW device according to the second invention, as schematically shown in FIGS. 26-27,
As in the embodiment of the first invention, it is preferable to form a three-layer structure of a diamond crystal thin film 13, a Sin thin film 12, and an AIN thin film 11 on a semiconductor substrate 14 made of St, GaAs, or the like.
以上の説明から明らかなように、第１発明及び第２発明
の構成によれば、数ＧＨｚ〜２０ＧＨｚのマイクロ波領
域にて使用されるタイミング抽出用フィルタやバンドパ
スフィルタを実現するための高安定且つ製造容易なＳＡ
Ｗディバイスを提供することができる。As is clear from the above description, the configurations of the first and second inventions provide high stability for realizing timing extraction filters and bandpass filters used in the microwave range of several GHz to 20 GHz. SA that is also easy to manufacture
W devices can be provided.
第１図は第１発明の一実施例を示すＳＡＷディバイスの
概略縦断面図、
第２図は第１図に示すＳＡＷディバイスの正規形ＩＤＴ
電極を横切る方向の断面図、
第３図は第１発明の他の実施例を示すＳＡＷディバイス
の縦断面図、
第４図はＺｎＯ薄膜とＳｔ単結晶との２層構造及び座標
軸を示す図、
第５図はＳｔ又はＧａＡｓ単結晶と２つの薄膜層との３
層構造及び座標軸を示す図、
第６図はＳｉ又はＧａＡｓ単結晶とダイヤモンド単結晶
薄膜とＡＩＮ薄膜との３層構造及び座標軸を示す図、
第７図はＡｌＮ３膜に対するダイヤモンド結晶体薄膜の
膜厚とＳＡＷの浸透深さとの関係を示す図、
第８図はＺｎＯ薄膜とＳｉ単結晶との２層構造における
ＳＡＷの位相速度のｋＨ依存性を示す図、第９図は（０
００１）面ＡＩＮ薄膜と（ＯＯｌ）面（１００）方向Ｓ
ｉ単結晶との２層構造におけるＳＡＷの位相速度のｋＨ
依存性を示す図、第１Ｏ図は（ＯＯ０１）面／ＩＮ薄膜
と（００１）面（１００）方向ＱａＡｓ単結晶との２層
構造におけるＳＡＷの位相速度のｋＨ依存性を示す図、
第１１図は（ＯＯ０１）面ＡＩＮ薄膜と（００１）面（
１００）方向ダイヤモンド結晶体薄膜との２層構造にお
けるＳＡＷの位相速度のｋＨ依存性を示す図、
第１２図及び第１３図はそれぞれ（０００１）面Ａ７！
Ｎ薄膜と（１００）面（１００）方向ダイヤモンド結晶
体薄膜との２層構造におけるレイリー波の実効的電気機
械結合係数Ｋ”ｏｆｆのｋＨ依存性を示す図、
第１４図は（０００１）面ＡＩＮ薄膜と（１００）面（
１００）方向ダイヤモンド結晶体薄膜との２層構造にお
けるレイリー波の変位の相対振幅の深さ依存性を示す図
、
第１５図及び第１６図はそれぞれ（０００１）面ＡＩＮ
薄膜と（１００）面（１００）方向ダイヤモンド結晶体
薄膜との２層構造における３次レイリー波の実効的電気
機械結合係数に’ｓｆｆのｋＨ依存性を示す図、
第１７図から第１９図までは（０００１）面、ＩＮ薄膜
と（００１）面（１００）方向ダイヤモンド結晶体薄膜
との２層構造におけるｋＨを３．０．４．０及び６．０
としたときの３次レイリー波の変位の相対振幅の深さ依
存性を示す図、第２０図は（０００１）面ＡｆＮ薄膜と
（００１）面（１００）方向ダイヤモンド結晶体薄膜と
の２層構造における３次レイリー波の相対電位の深さ依
存性を示す図、
第２１図及び第２２図はそれぞれ３層構造における膜厚
すベリ波の速度関係を示す図、第２３図は第２発明に係
るＳＡＷディバイスの基本構成を示す図、
第２４図は３次レイリー波の速度分散特性を示す図、
第２５図はＳｉｎ、薄膜の膜厚パラメータξに対する３
次レイリー波の位相速度の変化率を示す図、
第２６図は第２発明の一実施例を示すＳＡＷディバイス
の要部断面図、
第２７図は第２発明の他の実施例を示すＳＡＷディバイ
スの要部断面図、
第２８図は第２６図の３層構造における３次レイリー波
の実効的電気機械結合係数Ｋ”ｅｆｆのｋＨ依存性を示
す図、
第２９図は第２７図の３層構造における３次レイリー波
の実効的電気機械結合係数Ｋ”ｏｆｆのｋＨ依存性を示
す図である。
図において、１．１４は単結晶半導体基板、２．１３は
ダイヤモンド結晶体薄膜、３．１１はＡＩＮ薄膜、４．
ＰはＩＤＴ電極、５は接地電極、６は導体薄膜、１２は
Ｓｉｎ、薄膜をそれぞれ示す。FIG. 1 is a schematic vertical cross-sectional view of a SAW device showing an embodiment of the first invention, and FIG. 2 is a normal IDT of the SAW device shown in FIG.
3 is a longitudinal sectional view of a SAW device showing another embodiment of the first invention; FIG. 4 is a diagram showing a two-layer structure of a ZnO thin film and an St single crystal and coordinate axes; Figure 5 shows a three-dimensional structure of St or GaAs single crystal and two thin film layers.
Figure 6 is a diagram showing the layer structure and coordinate axes. Figure 6 is a diagram showing the three-layer structure and coordinate axes of Si or GaAs single crystal, diamond single crystal thin film, and AIN thin film. Figure 7 is the film thickness of the diamond crystal thin film relative to the AlN3 film. Figure 8 is a diagram showing the kHz dependence of the SAW phase velocity in a two-layer structure of a ZnO thin film and a Si single crystal, and Figure 9 is a diagram showing the relationship between SAW penetration depth and SAW penetration depth.
001) plane AIN thin film and (OOl) plane (100) direction S
i Phase velocity of SAW in two-layer structure with single crystal kH
A diagram showing the dependence, Figure 1O is a diagram showing the kHz dependence of the SAW phase velocity in a two-layer structure of an (OO01) plane/IN thin film and a (001) plane (100) direction QaAs single crystal. is (OO01) plane AIN thin film and (001) plane (
Figures 12 and 13 are diagrams showing the kHz dependence of the SAW phase velocity in a two-layer structure with a diamond crystal thin film in the (0001) plane A7!
A diagram showing the kH dependence of the effective electromechanical coupling coefficient K”off of Rayleigh waves in a two-layer structure of an N thin film and a diamond crystal thin film in the (100) plane. Figure 14 shows the (0001) plane AIN. Thin film and (100) plane (
Figures 15 and 16 are diagrams showing the depth dependence of the relative amplitude of Rayleigh wave displacement in a two-layer structure with a diamond crystal thin film in the (0001) plane.
Figures 17 to 19 show the kHz dependence of 'sff on the effective electromechanical coupling coefficient of the third-order Rayleigh wave in a two-layer structure of a thin film and a (100)-oriented diamond crystal thin film. is the (0001) plane, and the kHz in the two-layer structure of the IN thin film and the (001) plane (100) direction diamond crystal thin film is 3.0, 4.0 and 6.0.
Figure 20 shows the depth dependence of the relative amplitude of the displacement of the third-order Rayleigh wave when Figures 21 and 22 are diagrams showing the relationship between the film thickness and the velocity of the Berry wave in a three-layer structure, respectively. A diagram showing the basic configuration of such a SAW device, FIG. 24 is a diagram showing the velocity dispersion characteristics of third-order Rayleigh waves, and FIG. 25 is a diagram showing the velocity dispersion characteristics of the third-order Rayleigh wave.
A diagram showing the rate of change in the phase velocity of the next Rayleigh wave. FIG. 26 is a sectional view of a main part of a SAW device showing an embodiment of the second invention. FIG. 27 is a SAW device showing another embodiment of the second invention. 28 is a diagram showing the kHz dependence of the effective electromechanical coupling coefficient K"eff of the third-order Rayleigh wave in the three-layer structure shown in FIG. 26, and FIG. FIG. 3 is a diagram showing the kHz dependence of the effective electromechanical coupling coefficient K''off of the third-order Rayleigh wave in the structure. In the figure, 1.14 is a single crystal semiconductor substrate, 2.13 is a diamond crystal thin film, 3.11 is an AIN thin film, and 4.
P is an IDT electrode, 5 is a ground electrode, 6 is a conductive thin film, and 12 is a Sin thin film.
Claims (1)
結晶体薄膜（２）上に窒化アルミニウム薄膜（３）を形
成して３層複合構造とし、 窒化アルミニウム薄膜（３）上にインターディジタル・
トランスデューサ電極（４）を形成し、ダイヤモンド結
晶体薄膜（２）の膜厚Ｄと窒化アルミニウム薄膜（３）
の膜厚Ｈとの関係をＤ≧４Ｈとし、且つ、窒化アルミニ
ウム薄膜（３）の膜厚Ｈを３．５≦ｋＨ≦５．０（ｋは
波数）の範囲内としたことを特徴とする弾性表面波ディ
バイス。 ２．ダイヤモンド結晶体（１３）と該ダイヤモンド結晶
体上に形成した二酸化シリコン薄膜（１２）と該二酸化
シリコン薄膜上に形成した窒化アルミニウム圧電薄膜（
１１）とからなる３層構造内で高次レイリー波モードの
弾性表面波を伝播させる弾性表面波ディバイスであって
、 二酸化シリコン薄膜（１２）の膜厚Ｄを窒化アルミニウ
ム圧電薄膜（１１）の膜厚Ｈに対し、 ０．０１Ｈ≦Ｄ≦０．１Ｈ としたことを特徴とする弾性表面波ディバイス。 ３．窒化アルミニウム圧電薄膜（１１）上にインターデ
ィジタル・トランスデューサ電極（Ｐ）を形成し、窒化
アルミニウム圧電薄膜（１１）の膜厚Ｈを、３．２≦ｋ
Ｈ≦４．７ （ｋは波数） としたことを特徴とする請求項２記載の弾性表面波ディ
バイス。 ４．窒化アルミニウム圧電薄膜（１１）と二酸化シリコ
ン薄膜（１２）との境界面にインターディジタル・トラ
ンスデューサ電極（Ｐ）を形成し、窒化アルミニウム圧
電薄膜（１１）の膜厚Ｈを、 ３．７≦ｋＨ≦４．７ （ｋは波数） としたことを特徴とする請求項２記載の弾性表面波ディ
バイス。 ５．ダイヤモンド結晶体（１３）を単結晶半導体基板（
１４）上に形成した請求項２記載の弾性表面波ディバイ
ス。[Claims] 1. An aluminum nitride thin film (3) is formed on a diamond crystal thin film (2) formed on a single crystal semiconductor substrate (1) to form a three-layer composite structure, and an interdigital layer is formed on the aluminum nitride thin film (3).
A transducer electrode (4) is formed, and the thickness D of the diamond crystal thin film (2) and the aluminum nitride thin film (3) are
The relationship between the film thickness H and the aluminum nitride thin film (3) is D≧4H, and the film thickness H of the aluminum nitride thin film (3) is within the range of 3.5≦kH≦5.0 (k is a wave number). Surface acoustic wave device. 2. A diamond crystal (13), a silicon dioxide thin film (12) formed on the diamond crystal, and an aluminum nitride piezoelectric thin film (12) formed on the silicon dioxide thin film.
11) A surface acoustic wave device that propagates surface acoustic waves in a higher-order Rayleigh wave mode within a three-layer structure consisting of A surface acoustic wave device characterized in that the thickness H satisfies 0.01H≦D≦0.1H. 3. An interdigital transducer electrode (P) is formed on the aluminum nitride piezoelectric thin film (11), and the film thickness H of the aluminum nitride piezoelectric thin film (11) is set to 3.2≦k.
3. The surface acoustic wave device according to claim 2, wherein H≦4.7 (k is a wave number). 4. An interdigital transducer electrode (P) is formed on the interface between the aluminum nitride piezoelectric thin film (11) and the silicon dioxide thin film (12), and the film thickness H of the aluminum nitride piezoelectric thin film (11) is set to 3.7≦kH≦ 4.7 (k is a wave number) The surface acoustic wave device according to claim 2. 5. A diamond crystal body (13) is attached to a single crystal semiconductor substrate (
14) The surface acoustic wave device according to claim 2, formed on.
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63216391A JPH0220910A (en) | 1988-03-17 | 1988-09-01 | Surface acoustic wave device |
| EP19890903218 EP0363495A4 (en) | 1988-03-17 | 1989-03-16 | Surface acoustic wave device |
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| US07/900,771 US5235233A (en) | 1988-03-17 | 1992-06-22 | Surface acoustic wave device |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6178988 | 1988-03-17 | ||
| JP63-61789 | 1988-03-17 | ||
| JP63216391A JPH0220910A (en) | 1988-03-17 | 1988-09-01 | Surface acoustic wave device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| JPH0220910A true JPH0220910A (en) | 1990-01-24 |
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ID=26402867
Family Applications (1)
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| JP63216391A Pending JPH0220910A (en) | 1988-03-17 | 1988-09-01 | Surface acoustic wave device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0220910A (en) |
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- 1988-09-01 JP JP63216391A patent/JPH0220910A/en active Pending
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