JPH0481398B2 - - Google Patents
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- Publication number
- JPH0481398B2 JPH0481398B2 JP20972584A JP20972584A JPH0481398B2 JP H0481398 B2 JPH0481398 B2 JP H0481398B2 JP 20972584 A JP20972584 A JP 20972584A JP 20972584 A JP20972584 A JP 20972584A JP H0481398 B2 JPH0481398 B2 JP H0481398B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- zinc oxide
- thin film
- voltage
- oxide thin
- resistivity
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
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Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
- B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
- B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
- B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
- B06B1/0644—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element
- B06B1/0662—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element with an electrode on the sensitive surface
- B06B1/0677—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element with an electrode on the sensitive surface and a high impedance backing
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Piezo-Electric Transducers For Audible Bands (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の利用分野〕
本発明は酸化亜鉛ZnOを用いた薄膜圧電素子に
関するものである。
関するものである。
酸化亜鉛（ZnO）は、厚み縦振動の電気機械結
合係数がバルク単結晶の場合で0.30と割合に大き
く、比較的簡単に薄膜化できるために、高周波超
音波変換器として広く応用されている。酸化亜鉛
薄膜の製造方法としては、気相成長（CVD）法
スパツタ法等があるが、スパツタ法が主流であ
る。スパツタ法にも直流スパツタ法、高周波スパ
ツタ法があり、また酸化亜鉛ZnO自体をターゲツ
トとしてスパツタを行う方法、あるいは亜鉛板を
ターゲツトとして酸素雰囲気中でスパツタを行う
反応性スパツタ法等の種々の作成方法がある。し
かしいずれの方法を用いても薄膜化したことによ
りバルク単結晶の場合に比べて電気音響変換特性
は劣化する。したがつて大きな音響出力を得るた
めには印加する電圧を高くする必要があり、この
印加電圧に対する耐圧の高い薄膜を作成すること
が重要となる。酸化亜鉛は酸素欠陥型半導体であ
るため、その比抵抗等の電気的特性はスパツタ時
の雰囲気、ガス圧等の作成条件に大きく依存す
る。そのため、高比抵抗、高耐圧の酸化亜鉛薄膜
の作成条件の検討が従来より行なわれてきた。し
かし、比抵抗絶縁耐圧等の電気的特性は同一条件
で作成した場合でもばらつきが大きい。そのた
め、実際に作成した薄膜の絶縁耐圧が低いことが
あり寿命等の安定性の面で問題があつた。したが
つて薄膜の絶縁耐圧を非破壊で評価する必要があ
る。
合係数がバルク単結晶の場合で0.30と割合に大き
く、比較的簡単に薄膜化できるために、高周波超
音波変換器として広く応用されている。酸化亜鉛
薄膜の製造方法としては、気相成長（CVD）法
スパツタ法等があるが、スパツタ法が主流であ
る。スパツタ法にも直流スパツタ法、高周波スパ
ツタ法があり、また酸化亜鉛ZnO自体をターゲツ
トとしてスパツタを行う方法、あるいは亜鉛板を
ターゲツトとして酸素雰囲気中でスパツタを行う
反応性スパツタ法等の種々の作成方法がある。し
かしいずれの方法を用いても薄膜化したことによ
りバルク単結晶の場合に比べて電気音響変換特性
は劣化する。したがつて大きな音響出力を得るた
めには印加する電圧を高くする必要があり、この
印加電圧に対する耐圧の高い薄膜を作成すること
が重要となる。酸化亜鉛は酸素欠陥型半導体であ
るため、その比抵抗等の電気的特性はスパツタ時
の雰囲気、ガス圧等の作成条件に大きく依存す
る。そのため、高比抵抗、高耐圧の酸化亜鉛薄膜
の作成条件の検討が従来より行なわれてきた。し
かし、比抵抗絶縁耐圧等の電気的特性は同一条件
で作成した場合でもばらつきが大きい。そのた
め、実際に作成した薄膜の絶縁耐圧が低いことが
あり寿命等の安定性の面で問題があつた。したが
つて薄膜の絶縁耐圧を非破壊で評価する必要があ
る。
絶縁耐圧を非破壊で評価する試みとしては、絶
縁破壊電圧とtanδとの関係に着目した方法が、電
子通信学会論文誌、J65−Ａ，1217（1982年）にお
ける『ZnO圧電膜超音波トランスデユーサの励振
周波数電圧に対する絶縁破壊特性』と題する文献
において論じられている。しかし、tanδは誘電損
失及び導電率という２つの情報を含んでおり、し
かも導電率は印加電圧に依存する量であるが、こ
の点については詳しくふれられていない。
縁破壊電圧とtanδとの関係に着目した方法が、電
子通信学会論文誌、J65−Ａ，1217（1982年）にお
ける『ZnO圧電膜超音波トランスデユーサの励振
周波数電圧に対する絶縁破壊特性』と題する文献
において論じられている。しかし、tanδは誘電損
失及び導電率という２つの情報を含んでおり、し
かも導電率は印加電圧に依存する量であるが、こ
の点については詳しくふれられていない。
そこで本発明の目的は、非破壊で酸化亜鉛薄膜
の絶縁耐圧を確実に評価し、その範囲を規定する
ことにより絶縁耐圧が高く実用上安定に使用でき
る圧電素子を提供することにある。
の絶縁耐圧を確実に評価し、その範囲を規定する
ことにより絶縁耐圧が高く実用上安定に使用でき
る圧電素子を提供することにある。
上記目的を達成するため酸化亜鉛薄膜の電気的
特性を詳細に調べた結果、特定の電界印加時の比
抵抗と絶縁破壊電圧との間に相関のあることが実
験により明らかになつた。この相関関係を用いて
絶縁耐圧を評価、選択することにより、耐圧の高
い薄膜を用いた変換器を提供することが可能であ
る。
特性を詳細に調べた結果、特定の電界印加時の比
抵抗と絶縁破壊電圧との間に相関のあることが実
験により明らかになつた。この相関関係を用いて
絶縁耐圧を評価、選択することにより、耐圧の高
い薄膜を用いた変換器を提供することが可能であ
る。
本発明になる圧電素子は、およそ3V／μｍの
電界印加時の比抵抗が105Ω・cm以上であること
に特徴がある。
電界印加時の比抵抗が105Ω・cm以上であること
に特徴がある。
以下、本発明を実験例を参照しながら詳しく説
明する。
明する。
第１図に比抵抗、絶縁耐圧を測定評価するため
の試料の断面図をしめす。
の試料の断面図をしめす。
石英ガラス板１（20mm×20mm×１mmｔ）の端面
を光学研磨し、電極としてクロム及び金２を蒸着
した。この電極上に高周波マグネトロンスパツタ
リングにより膜厚約1μｍの酸化亜鉛薄膜３を形
成した。スパツタ条件は、基板温度を140〜300
℃、ガス圧を１〜10Paの範囲で適宜変えた。さ
らに、２mm角の穴が20ケあいたモリブデンMoマ
スクを用いてクロム及び金を蒸着し上部電極４と
した。
を光学研磨し、電極としてクロム及び金２を蒸着
した。この電極上に高周波マグネトロンスパツタ
リングにより膜厚約1μｍの酸化亜鉛薄膜３を形
成した。スパツタ条件は、基板温度を140〜300
℃、ガス圧を１〜10Paの範囲で適宜変えた。さ
らに、２mm角の穴が20ケあいたモリブデンMoマ
スクを用いてクロム及び金を蒸着し上部電極４と
した。
まず両電極間に上部電極４側を＋にして0.1V
から絶縁破壊を起すまで直流電圧を徐々に印加
し、各電圧印加時に流れる電流値を測定した。そ
の結果第２図に示すようなＶ−特性が得られ、
電流は電圧に対し非線型であることがわかつた。
から絶縁破壊を起すまで直流電圧を徐々に印加
し、各電圧印加時に流れる電流値を測定した。そ
の結果第２図に示すようなＶ−特性が得られ、
電流は電圧に対し非線型であることがわかつた。
同一基板上の多数の個所について同様の測定を
行つたところ、絶縁破壊電圧には３〜4Vのばら
つきがあつた。
行つたところ、絶縁破壊電圧には３〜4Vのばら
つきがあつた。
次に、条件を変えて作成した多数の試料に対し
て同様の実験を行い、各々についてＶ−特性を
測定した。その結果、絶縁破壊電圧は作成条件に
も大きく依存することが明らかになつた。
て同様の実験を行い、各々についてＶ−特性を
測定した。その結果、絶縁破壊電圧は作成条件に
も大きく依存することが明らかになつた。
以上得られた結果から、各電界印加時の比抵抗
と絶縁破壊電圧の関係を調べてみたところ、第３
図に示すように、1V印加時では相関はあるもの
のかなりデータが分散しているのに対し、4V印
加時ではかなり強い相関があることがわかつた。
次に各電界印加時での比抵抗ρの対数logρと絶縁
破壊電圧Ｖとの相関係数を計算した。その結果を
第４図に示しているが、この図からわかるように
比抵抗と絶縁破壊電圧との相関は、比抵抗測定の
ための印加電界を3V／μｍ以上とすることによ
り非常に強くなつている。したがつて、3V／μ
ｍ以上の電界を印加して比抵抗を測定することに
より、絶縁破壊電圧が予測できることが明らかに
なつた。
と絶縁破壊電圧の関係を調べてみたところ、第３
図に示すように、1V印加時では相関はあるもの
のかなりデータが分散しているのに対し、4V印
加時ではかなり強い相関があることがわかつた。
次に各電界印加時での比抵抗ρの対数logρと絶縁
破壊電圧Ｖとの相関係数を計算した。その結果を
第４図に示しているが、この図からわかるように
比抵抗と絶縁破壊電圧との相関は、比抵抗測定の
ための印加電界を3V／μｍ以上とすることによ
り非常に強くなつている。したがつて、3V／μ
ｍ以上の電界を印加して比抵抗を測定することに
より、絶縁破壊電圧が予測できることが明らかに
なつた。
以上の実験は膜厚を1μｍ一定として実験を行
つた。そこで次に膜厚を3μｍとして同様の実験
を行つた。その結果、同電界印加時の比抵抗と絶
縁破壊電圧の間には1μｍの場合と同様の相関関
係があることが明らかになつた。
つた。そこで次に膜厚を3μｍとして同様の実験
を行つた。その結果、同電界印加時の比抵抗と絶
縁破壊電圧の間には1μｍの場合と同様の相関関
係があることが明らかになつた。
そこで実際に比抵抗の異なる酸化亜鉛薄膜を用
いた変換器を多数作成し、超音波パルス発生実験
を行つた。
いた変換器を多数作成し、超音波パルス発生実験
を行つた。
第５図に、形成した超音波変換器の構造を示し
た。まず石英ガラスロツド１０（10mmφ×10mm）
の両端面を鏡面研磨し、電極としてクロム及び金
１１を蒸着した。この電極上に高周波マグネトロ
ンスパツタリングにより膜厚約4μｍの酸化亜鉛
薄膜１２を形成した。スパツタ条件は、基板温度
を220，300℃としガス圧を１，３，6Paとして多
数の試料を作成した。この薄膜上に２mmφの穴の
あいたモリブデンMoマスクを用いて上部電極１
３を形成した。
た。まず石英ガラスロツド１０（10mmφ×10mm）
の両端面を鏡面研磨し、電極としてクロム及び金
１１を蒸着した。この電極上に高周波マグネトロ
ンスパツタリングにより膜厚約4μｍの酸化亜鉛
薄膜１２を形成した。スパツタ条件は、基板温度
を220，300℃としガス圧を１，３，6Paとして多
数の試料を作成した。この薄膜上に２mmφの穴の
あいたモリブデンMoマスクを用いて上部電極１
３を形成した。
これらの試料に対して3V／μｍの電界を印加
し、その時流れる電流値を測定して比抵抗を求め
たところ、その比抵抗は８×103〜１×107Ω・cm
まで分散していた。
し、その時流れる電流値を測定して比抵抗を求め
たところ、その比抵抗は８×103〜１×107Ω・cm
まで分散していた。
上記比抵抗の異なる変換器に対し、両電極間に
0.2〜1.2GHzのバースト波を印加して超音波パル
スを発生させる実験を行つたところ、比抵抗の低
いものは測定を繰り返すうちに絶縁破壊を起し
た。
0.2〜1.2GHzのバースト波を印加して超音波パル
スを発生させる実験を行つたところ、比抵抗の低
いものは測定を繰り返すうちに絶縁破壊を起し
た。
そこで絶縁破壊を起した変換器の割合を調べ
た。3V／μｍ印加時の比抵抗が１×106Ω・cm以
上の変換器では絶縁破壊を起したものはなく、５
×105〜106Ω・cmでは２％、105〜５×105Ω・cm
の場合でも７％と少ないのに対し、５×104〜105
Ω・cmでは30％と急激に絶縁破壊を起こすものの
数が増え、104〜５×104Ω・cmでは約50％となり
それ以下では半数以上が絶縁破壊を起こした。し
たがつて、3V／μｍ印加時の比抵抗が105Ω・cm
以上の酸化亜鉛薄膜を有する変換器であれば、ほ
ぼ安定に使用できることは明らかである。
た。3V／μｍ印加時の比抵抗が１×106Ω・cm以
上の変換器では絶縁破壊を起したものはなく、５
×105〜106Ω・cmでは２％、105〜５×105Ω・cm
の場合でも７％と少ないのに対し、５×104〜105
Ω・cmでは30％と急激に絶縁破壊を起こすものの
数が増え、104〜５×104Ω・cmでは約50％となり
それ以下では半数以上が絶縁破壊を起こした。し
たがつて、3V／μｍ印加時の比抵抗が105Ω・cm
以上の酸化亜鉛薄膜を有する変換器であれば、ほ
ぼ安定に使用できることは明らかである。
さらに、3V／μｍ印加時の比抵抗が５×105
Ω・cm以上であればさらに安定性が向上し、106
Ω・cm以上であれば尚信頼性が高いことも明らか
である。
Ω・cm以上であればさらに安定性が向上し、106
Ω・cm以上であれば尚信頼性が高いことも明らか
である。
以上説明したように、本発明によれば、酸化亜
鉛薄膜を用いる圧電素子において、およそ3V／
μｍ印加時の比抵抗が105Ω・cm以上の酸化亜鉛
薄膜を有するものを選択したので、絶縁耐圧が高
く印加電圧に対する安定性に優れた圧電素子を実
現することが可能である。
鉛薄膜を用いる圧電素子において、およそ3V／
μｍ印加時の比抵抗が105Ω・cm以上の酸化亜鉛
薄膜を有するものを選択したので、絶縁耐圧が高
く印加電圧に対する安定性に優れた圧電素子を実
現することが可能である。
第１図は比抵抗、絶縁耐圧を評価するために作
成した試料の断面図、第２図は印加電圧と流れる
電流の関係を示す図、第３図は比抵抗と絶縁破壊
電圧の関係を示す図、第４図は比抵抗の対数と絶
縁破壊電圧との相関係数を、比抵抗を評価するた
めの印加電界に対して示した図、第５図は超音波
パルスを発生させるために作成した試料の断面
図。 １……石英ガラス板、２，１１……クロム及び
金電極、３，１２……酸化亜鉛薄膜、４，１３…
…上部電極、１０……石英ガラスロツド。
成した試料の断面図、第２図は印加電圧と流れる
電流の関係を示す図、第３図は比抵抗と絶縁破壊
電圧の関係を示す図、第４図は比抵抗の対数と絶
縁破壊電圧との相関係数を、比抵抗を評価するた
めの印加電界に対して示した図、第５図は超音波
パルスを発生させるために作成した試料の断面
図。 １……石英ガラス板、２，１１……クロム及び
金電極、３，１２……酸化亜鉛薄膜、４，１３…
…上部電極、１０……石英ガラスロツド。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 基板上に形成された電極膜、該電極膜上に形
成された酸化亜鉛薄膜、および該酸化亜鉛薄膜上
に形成された上部電極を有する圧電素子におい
て、およそ3V／μｍの直流電界を印加したとき
の上記酸化亜鉛薄膜の比抵抗が105Ω・cm以上で
あることを特徴とする圧電素子。 ２ 上記酸化亜鉛薄膜は、高周波スパツタリング
により形成されることを特徴とする特許請求の範
囲第１項に記載の圧電素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20972584A JPS6188700A (ja) | 1984-10-08 | 1984-10-08 | 圧電素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20972584A JPS6188700A (ja) | 1984-10-08 | 1984-10-08 | 圧電素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6188700A JPS6188700A (ja) | 1986-05-06 |
| JPH0481398B2 true JPH0481398B2 (ja) | 1992-12-22 |
Family
ID=16577607
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP20972584A Granted JPS6188700A (ja) | 1984-10-08 | 1984-10-08 | 圧電素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6188700A (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0478471A (ja) * | 1990-07-19 | 1992-03-12 | Shimada Phys & Chem Ind Co Ltd | 超音波振動体及びその製造方法 |
-
1984
- 1984-10-08 JP JP20972584A patent/JPS6188700A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6188700A (ja) | 1986-05-06 |
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