JPH0388406A

JPH0388406A - 弾性表面波素子

Info

Publication number: JPH0388406A
Application number: JP1292008A
Authority: JP
Inventors: Toshiharu Tanaka; 敏晴田中; Kenichi Shibata; 賢一柴田; Kosuke Takeuchi; 孝介竹内; Masakazu Sakata; 雅一坂田; Hiroshi Okano; 寛岡野; Kazuhiko Kuroki; 黒木　和彦
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1989-04-11
Filing date: 1989-11-09
Publication date: 1991-04-12
Also published as: DE69021918D1; EP0392449B1; US5059847A; KR900017279A; EP0392449A1; DE69021918T2

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窒化アルミニウム圧電膜を用いた弾性表面波素
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えることによっ
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。

従来、特開昭５８−５９６１６号公報（ＨＯ３Ｈ９／２
５）、特開昭５８−５９６１７号公報（ＨＯ３Ｈ９／２
５）および特開昭５８−５９６１８号公報（ＨＯ３Ｈ９
／２５）に示されている如き、シリコン単結晶層上に窒
化アルミニウム圧電膜を形成した弾性表面波素子がある
。前記公報では窒化アルミニウム圧電膜のＣ軸をシリコ
ン単結晶層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）発明が解決しようとする課題ところで、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りができるだけ大きいこと
が望ましい。

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層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ない
。

そこで本発明は、窒化アルミニウム圧電膜のＣ軸をシリ
コン単結晶層に対して傾けることによって、電気機械結
合係数の大きい優れた弾性表面波素子を提供することを
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シリコン単結晶層と、シリコン単結晶層上に形
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、所定位置に形成される電極とを備える弾性表面波
素子であり、窒化アルミニウム圧電膜のＣ軸がシリコン
単結晶層表面に対して傾斜しているものである。

（ホ）作　用本発明による弾性表面波素子は上記のように槽底するこ
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）はシリコン単結晶層である。

（２）はシリコン単結晶層（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）はシリコン
単結晶層（２）表面の法線方向を示すＺ軸、（１ｃ）は
Ｘ軸（１ａ）およびＺ軸（１ｂ）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。（２１）は弾性表面波の伝播方向軸
（Ｘ軸（ｌａ））とシリコン単結晶層表面の法線軸（Ｚ
軸（ｌｂ））とを含む投影面（Ｘ−２面）へのＣ軸（２
ａ）の投影軸である。この投影軸（２ａ’）は伝播軸（
Ｘ軸（１ａ））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
、シリコン単結晶層（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、上記槽底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　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ　ｏｎ　５ｏｎｉｃｓ
　ａｎｄ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ、ｖｏｌ、５Ｕ−１
５，Ｎｏ４，０ｃｔｏｂｅｒ　１９６８．　ｐ２０９−
２１７“Ａ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　Ｅｓｔｉｍａｔｉ
ｎｇ　Ｏｐｔｉｍａｌ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｃｕｔｓ　ａ
ｎｄ　Ｐ　ｒｏｐａｇａｔｉｏｎ　Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ
　ｆｏｒ　Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｐ　１ｅｚｏ
ｅｌｅｃｔｒｉｃ　５ｕｒｆａｃｅ　Ｗａｖｅｓ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、ＡｌＮ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ＡｌＮ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”電子材料工業会編、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〜
第５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、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′）の特性曲線を
示すものである。

第３図に示す特性曲線は、シリコン単結晶層（１）が（
００１）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シリコン単結晶層（１）の［１０
０１軸であり、か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（すなわち、Ｃ軸（２
ａ）が投影軸（２ａ’）に等しいとき）のものであり、
窒化アルミニウム圧電膜（２）の膜厚をｈ、弾性表面波
の波長をλとすると、（Ａ）は２πｈ／λ＝２、（Ｂ）
は２πｈ／λ＝２．５、（Ｃ）は２πｈ／λ＝２．６の
場合の電気機械結合係数の特性曲線である。

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（Ｋ２）は、傾斜角（θ）が０度を越え、約６０度
以下の範囲において、傾斜角（θ）が０度、すなわち窒
化アルミニウム圧電膜（２）のＣ軸（２ａ）が弾性表面
波の伝播方向軸（Ｘ軸（ｌａ））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＝２．６）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（Ｋ１）は大きくなり
、傾斜角（θ）が約４０度で最高値を示し、約５３度ま
で０度における値よりも大きな値となっている。

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１．８以下では特
性曲線はピークを持たなくなる（図示せず）。

第４図に示す特性曲線は、シリコン単結晶層（１）が（
１１０）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シリコン単結晶層（１）の［００
１］軸であり、か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くすなわち、Ｃ軸（２
ａ）が投影軸（２ａ’）に等しいとき）のものであり、
窒化アルミニウム圧電膜（２）の膜厚をｈ、弾性表面波
の波長をλとすると、（Ｄ）は２πｈ／λ＝１．８、（
Ｅ）は２πｈ／λ＝２．６の場合の電気機械結合係数の
特性曲線である。

これら特性曲線（Ｄ　）（Ｅ　）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すは
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（Ｋ
２）は、傾斜角（θ）が０度を越え、約６０度以下の範
囲において、傾斜角（θ）が０度、すなわち窒化アルミ
ニウム圧電膜（２）のＣ軸（２ａ）が弾性表面波の伝播
方向軸（Ｘ軸（ｌａ））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（Ｅ）（２πｈ／λ＝２
．６）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（Ｋ２）は大きくなり、傾斜角
（θ）が約３５度で最高値を示し、約５５度まで０度に
おける値よりも大きな値となっている。

さらに、第５図はシリコン単結晶層（１）が（１１１）
結晶面もしくはそれと等価な面からなり、弾性表面波の
伝播方向軸がシリコン単結晶層（１）の［１１’２１軸
であり、かつ窒化アルミニウム圧電膜（２）のＣ軸（２
ａ）が投影面内にあるとき（すなわち、Ｃ軸（２ａ）が
投影軸（２ａ　’　）に等しいとき）の電気機械結合係
数の特性曲線である。（Ｆ）は２πｈ／λ＝２．５、（
Ｇ）は２πｈ／λ＝２．６の場合である。第５図より、
傾斜角（θ）が２０〜６０度の範囲にある時、電気機械
結合係数（Ｋ２）は約１％を超える高い値となっている
ことがわかる。

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　”）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〉は投影面外にあってもよい。

（ト）発明の詳細な説明したように、本発明はシリコンＩｌｉ結品層上に
、単結晶もしくはＣ軸配向窒化アルミニウム圧電膜をＣ
軸がシリコン単結晶層表面に対して傾斜するように形成
することにより、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示す図、
第２図は本発明による弾性表面波素子を収納したパッケ
ージの外観を示す図、第３図、第４図及び第５図は傾斜
角（θ）に対する電気機械結合係数（Ｋ２）の特性曲線
を示す図である。（１）・・・シリコン単結晶層、（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）　、（ｌ
ｂ）・・・法線軸（Ｚ軸）　、（２ａ）・・・Ｃ軸、（
２ａ’）・・・投影軸。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）　シリコン単結晶層と、該シリコン単結晶層上に
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、所定位置に形成される電極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シリコ
ン単結晶層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軸の投影軸が前記伝播方向軸に対
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）　前記シリコン単結晶層は（００１）結晶面もし
くはそれと等価な面からなり、前記伝播方向軸は前記シ
リコン単結晶層の（１００）軸であることを特徴とする
請求項１記載の弾性表面波素子。
（３）　前記Ｃ軸は前記投影面内にあり、前記傾斜角（
θ）が０゜＜θ≦６０゜の範囲にあり、かつ前記窒化ア
ルミニウム圧電膜の膜厚（ｈ）が２πｈ／λ≧１．８（
ただし、λは弾性表面波の波長を示す）の範囲にあるこ
とを特徴とする請求項２記載の弾性表面波素子。
（４）　前記シリコン単結晶層は（１１０）結晶面もし
くはそれと等価な面からなり、前記伝播方向軸は前記シ
リコン単結晶層の（００１）軸であることを特徴とする
請求項１記載の弾性表面波素子。
（５）　前記Ｃ軸は前記投影面内にあり、前記傾斜角（
θ）が０゜＜θ≦６０゜の範囲にあり、かつ前記窒化ア
ルミニウム圧電膜の膜厚（ｈ）が２πｈ／λ≧１．８（
ただし、λは弾性表面波の波長を示す）の範囲にあるこ
とを特徴とする請求項４記載の弾性表面波素子。
（６）　前記シリコン単結晶層は（１１１）結晶面もし
くはそれと等価な面からなり、前記伝播方向軸は前記シ
リコン単結晶層の（１１２）軸であることを特徴とする
請求項１記載の弾性表面波素子。
（７）　前記Ｃ軸は前記投影面内にあり、前記傾斜角（
θ）が２０゜≦θ≦６０゜の範囲にあり、かつ前記窒化
アルミニウム圧電膜の膜厚（ｈ）が２πｈ／λ≧２．５
（ただし、λは弾性表面波の波長を示す）の範囲にある
ことを特徴とする請求項６記載の弾性表面波素子。