JPH027526B2 - - Google Patents
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- JPH027526B2 JPH027526B2 JP56163148A JP16314881A JPH027526B2 JP H027526 B2 JPH027526 B2 JP H027526B2 JP 56163148 A JP56163148 A JP 56163148A JP 16314881 A JP16314881 A JP 16314881A JP H027526 B2 JPH027526 B2 JP H027526B2
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- oxide film
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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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- 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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- 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。
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。
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。
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。
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。
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、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基板を用いこのシリコン基
板上に誘電体膜を形成し、少なくともこの誘電体
膜表面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。
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基板を用いこのシリコン基
板上に誘電体膜を形成し、少なくともこの誘電体
膜表面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、５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、７はそ
のシリコン基板５上に部分的に形成された誘電体
膜で例えば二酸化シリコンから成り、６はシリコ
ン基板５および誘電体膜７表面に形成され圧電軸
がシリコン基板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。
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、５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、７はそ
のシリコン基板５上に部分的に形成された誘電体
膜で例えば二酸化シリコンから成り、６はシリコ
ン基板５および誘電体膜７表面に形成され圧電軸
がシリコン基板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および誘電体膜７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。
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。
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。
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。
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
表面の〔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。
表面の〔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。
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。
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。
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３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３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。
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図と同一部分は同一番号で示して
ある。
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図と同一部分は同一番号で示して
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。
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。
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。
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′表面の〔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。
５′表面の〔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。
上述のように、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ということは、第６
図のように上記シリコン基板５と酸化亜鉛膜６間
の境界部の電極８，９との対応部に金属膜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。
間の境界近傍の導電率が高いということは、第６
図のように上記シリコン基板５と酸化亜鉛膜６間
の境界部の電極８，９との対応部に金属膜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。
またシリコン基板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
とができるので第２図の構造と同じ効果を得るこ
とができる。
有しているような場合でもバルク抵抗を下げるこ
とができるので第２図の構造と同じ効果を得るこ
とができる。
第７図は本発明の他の実施例を示すもので、表
面弾性波の波長より十分小さな膜厚を有する二酸
化シリコン等の誘電体膜１１を、シリコン５，
５′の全表面に一様に形成した構造を示し、この
構造でも第２図および第４図の構造と同じ効果を
得ることができる。
面弾性波の波長より十分小さな膜厚を有する二酸
化シリコン等の誘電体膜１１を、シリコン５，
５′の全表面に一様に形成した構造を示し、この
構造でも第２図および第４図の構造と同じ効果を
得ることができる。
以上のように構成することにより、誘電体膜１
１を構成している二酸化シリコンはシリコン基板
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。
１を構成している二酸化シリコンはシリコン基板
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。
さらにまた本発明の他の実施例として、くし型
電極はシリコン基板または誘電体膜上に設けた構
造にすることができる。またそのくし型電極に対
向した酸化亜鉛膜上に金属膜を付着させた構造に
しても良い。
電極はシリコン基板または誘電体膜上に設けた構
造にすることができる。またそのくし型電極に対
向した酸化亜鉛膜上に金属膜を付着させた構造に
しても良い。
本文実施例中では酸化亜鉛膜６の圧電軸がシリ
コン基板５に対して垂直に形成された場合を示し
たが、基板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。またシリコン基板５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、（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。
コン基板５に対して垂直に形成された場合を示し
たが、基板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。またシリコン基板５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、（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、
基板材料としての所定の結晶面でカツトされたシ
リコン基板を用いこのシリコン基板上に誘電体膜
を形成し、少なくともこの誘電体膜表面に酸化亜
鉛膜を形成し、この酸化亜鉛膜表面に電極を形成
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。また誘電体膜を設ける
ことにより温度係数を小さくすることができる。
基板材料としての所定の結晶面でカツトされたシ
リコン基板を用いこのシリコン基板上に誘電体膜
を形成し、少なくともこの誘電体膜表面に酸化亜
鉛膜を形成し、この酸化亜鉛膜表面に電極を形成
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。また誘電体膜を設ける
ことにより温度係数を小さくすることができる。
このように電気機械結合係数を大きくすること
ができるので、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。
ができるので、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。
またそ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ため、素子の
小型化が可能になりコストダウンを計ることがで
きる。
電極対数を少なくすることができるため、素子の
小型化が可能になりコストダウンを計ることがで
きる。
さらに温度係数が小さくなることで表面弾性波
素子の安定な動作を行わせることができる。
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
特に高周波用素子の実現を計る場合有利となる。
を用いる場合は、その位相速度が大なる性質を利
特に高周波用素子の実現を計る場合有利となる。
本発明は特にシリコン基板としてIC用基板と
共通の基板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。
共通の基板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。
第１図は従来例を示す断面図、第２図、第４
図、第６図および第７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′…シリコン基板、６…酸化亜鉛膜、７，
１１…誘電体膜、８，９…くし型電極、１０…金
属膜。
図、第６図および第７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′…シリコン基板、６…酸化亜鉛膜、７，
１１…誘電体膜、８，９…くし型電極、１０…金
属膜。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ ほぼ（110）面と等価な面でカツトされたシ
リコン基板と、このシリコン基板の表面部に部分
的に形成された誘電体膜と、この誘電体膜を覆う
ように上記シリコン基板上に形成された酸化亜鉛
膜と、この酸化亜鉛膜上に形成された電極とを含
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としてセザワ波を伝播さ
せ、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上記シリコン基板
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 ほぼ（110）面と等価な面でカツトされたシ
リコン基板と、このシリコン基板の表面部に部分
的に形成された誘電体膜と、この誘電体膜を覆う
ように上記シリコン基板上に形成された酸化亜鉛
膜と、この酸化亜鉛膜上に形成された電極と、上
記シリコン基板と酸化亜鉛膜間の電界部の上記電
極との対応部に設けた金属膜とを含み、上記シリ
コン基板のほぼ［001］軸方向と等価な方向に表
面弾性波としてセザワ波を伝播させ、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
鉛膜の圧電軸が上記シリコン基板に対して垂直又
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。 ３ 上記誘電体膜が二酸化シリコンから成ること
を特徴とする請求項１に記載の表面弾性波素子。 ４ 上記誘電体膜が二酸化シリコンから成ること
を特徴とする請求項２に記載の表面弾性波素子。
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