JP4186300B2 - 弾性表面波素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、弾性表面波特有の作用を用いたフィルタ、コンボルバ等の弾性表面波素子に関し、特に、電気機械結合係数に優れたＫＮｂＯ3 単結晶中のＫを一部置換したＫ1-xＺxＮｂＯ3 単結晶を圧電体層として用いた弾性表面波素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
弾性表面波素子とは、電気信号を弾性体表面を伝搬する弾性表面波（Surface Acoustic Wave ）に変換し、特定周波数の信号を取り出すものである。この弾性表面波が圧電体基板で効率良く励振、受信できることが見い出されて以来、電磁波にはない弾性表面波の優れた性質を利用してフィルタ、コンボルバ等をはじめとする種々の信号機能素子への応用が研究され、広い分野で実用化されている。この弾性表面波素子は、従来、ＬｉＮｂＯ3 、ＬｉＴａＯ3 等の圧電体単結晶上に、電気信号と弾性表面波との間の変換器として機能するすだれ状電極（Inter-digital Transducer）を形成することによって作製されていた。
【０００３】
ところで、弾性表面波素子においては、弾性体表面を伝搬する弾性波の音速ｖとすだれ状電極の電極幅ｗによって使用周波数ｆが決定される。その関係は、
ｆ＝ｖ／λ＝ｖ／４ｗ （λ：弾性表面波の波長） …… （１）
すなわち、電極幅ｗが小さく、音速ｖが大きい程、高周波帯域で使用できることになる。ところが、今後の通信の分野等で要求されるＧＨｚオーダーの高い周波数を得ようとすれば、電極幅に関しては微細加工技術の限界があることから、音速の大きい弾性体材料を選択する必要がある。音速の大きい弾性体材料の一例としてダイヤモンドがあり、特開昭６４−６２９１１号公報には、ダイヤモンド層上に圧電体層、電極層を順次積層した構造を持つ弾性表面波素子が開示されている。
【０００４】
一方、弾性表面波素子の弾性体材料に求められる他の条件として、電気信号と弾性表面波の間の変換能力を示す電気機械結合係数Ｋ2 が大きいことが挙げられる。Ｋ2 が大きい程、効率の良い弾性表面波素子が得られるというわけである。この観点から、圧電性磁器材料として従来より知られていたＫＮｂＯ3 が極めて大きな電気機械結合係数Ｋ2 を示すことが見い出され、実験によりこれが確認された。この実験によれば、これまで最も大きな電気機械結合係数Ｋ2 を持つとされていたＬｉＮｂＯ3 に比べて、ＫＮｂＯ3 単結晶のＫ2 は大きな値が得られることが確認され、特に、ＫＮｂＯ3 単結晶の特定の結晶面（（００１）面）の特定方向（［１００］）で、ＬｉＮｂＯ3 のＫ2 ＝０．０５５に対してＫ2 ＝０．５３と約１０倍の値が得られた（「ＫＮｂＯ3 圧電体単結晶を用いた超高結合弾性表面波の伝搬特性」、山之内和彦他、日本学術振興会弾性波素子技術第１５０委員会第５０回研究会資料、pp27-31（1996.11.27））。
【０００５】
なお、特開平７−９５００６号公報には、基板上にIII−Ｖ族化合物膜が設けられ、さらにその上に３種以上の元素から構成される複合酸化物膜が設けられた圧電体基板を有する弾性表面波素子が開示されている。そして、上記複合酸化物膜の例としてＫＮｂＯ3 が記載されている。ただし、この公報では、ＫＮｂＯ3 の電気機械結合係数Ｋ2 については何ら言及しておらず、ただ単に３種以上の元素で構成される複合酸化物膜の一例として挙げたにすぎない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、弾性表面波素子の弾性体材料としてＫＮｂＯ3 単結晶を用いれば、電気機械結合係数Ｋ2 が大きく、効率の良い弾性表面波素子が実現できる感触が得られた。しかしながら、それと同時に、Ｋ2 の値はＫＮｂＯ3 単結晶の結晶構造中における弾性表面波の伝搬方向に応じて種々に変化することも判明した。したがって、弾性表面波素子を作製するにあたり所望のＫ2 の値を得たい、あるいはＫ2 の値を制御したい、といった要求がある場合、弾性表面波の伝搬面を特定のＫＮｂＯ3 結晶方位面に合わせる必要がある。つまり、特定の結晶面に合わせてすだれ状電極を形成し、弾性表面波の伝搬面とその特定の結晶面を一致させなければならない。
【０００７】
ところが、ＫＮｂＯ3 単結晶のバルク材料を用いようとすると、ある特定の結晶方位を得るためには、予め結晶方位が判明しているＫＮｂＯ3 単結晶から特定の結晶面を切り出すという非常に煩雑な操作が必要であった。また、ＫＮｂＯ3 単結晶自体も結晶成長が難しく、工業材料として非常に高価なものであった。これらの理由から、ＫＮｂＯ3 単結晶のバルク材料は弾性表面波素子の材料として極めて使い難いものであった。
【０００８】
そこで、ＫＮｂＯ3 単結晶を、バルク材料ではなく、何らかの下地の上に積層した薄膜として使用するという考えに至ることになる。しかしながら、上記２つの公報に開示された技術では、ＫＮｂＯ3 を積層する下地はダイヤモンド層や
III−Ｖ族化合物膜に限定されており、これらダイヤモンド層やIII−Ｖ族化合物膜は格子整合性を持たないため、たとえこれらの下地の上にＫＮｂＯ3 を積層したところでそのＫＮｂＯ3 は下地層と格子整合されない。そのため、ダイヤモンド層やIII−Ｖ族化合物膜上には特定の結晶面を持つＫＮｂＯ3 単結晶が成長することはなく、電気機械結合係数Ｋ2 の値を制御し、所望の値を得ることは不可能である。
【０００９】
ところで、ＫＮｂＯ3 単結晶の薄膜は、レーザーアブレーション法、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ゾル−ゲル法など、各種の成膜法を用いることによって作製が可能である。しかしながら、ＫＮｂＯ3 自体の、特にＫと水分との反応性が高く、均質で平滑な表面を有する薄膜を得ることが困難なため、圧電特性が安定せず、特に、ＫＮｂＯ3 単結晶を使用する場合の最大の利点である大きな電気機械結合係数Ｋ2 の値がなかなか再現されない、という欠点を持っていた。
【００１０】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、単結晶バルク材料から特定の結晶面を切り出すような煩雑な操作を必要とせず、また、ＫＮｂＯ3 単結晶が持つ良好な圧電性能を損なうことなく、高効率化・広帯域化が可能で低コスト、かつ、成膜の再現性に優れた弾性表面波素子を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の弾性表面波素子は、一般式がＫ1-x Ｚx ＮｂＯ3 で表される単結晶が成長するようなバルク材料からなる下地基板と、この下地基板上に積層されたＫ1-xＺx ＮｂＯ3 単結晶からなる圧電体層と、この圧電体層の上面または下面に設けられた電極層、を有する構成とした。なお、ここで、ＺはＬｉ、Ｒｂ、Ｃｓのいずれかの元素であり、ｘは０．０００１≦ｘ≦０．５の範囲内の数値を示している。
【００１２】
言い換えると、本発明の技術思想は、（１）Ｋ1-xＺxＮｂＯ3 単結晶をバルクの形態ではなく薄膜の形態で圧電体層として用いること、（２）ＫＮｂＯ3 単結晶の持つ高い圧電性能を維持しながらも薄膜表面の平滑性を改善するために、ＫＮｂＯ3 単結晶中のＫの一部を他の周期律１族の元素に置換したこと、（３）Ｋ1-xＺxＮｂＯ3 単結晶を薄膜として積層する際にＫ1-xＺxＮｂＯ3 単結晶が自ずと特定の結晶面を持つように結晶成長するような、いわばＫ1-xＺxＮｂＯ3 に対する格子整合性が良好な下地材料を見い出したこと、にある。
なお、Ｋを他の周期律１族の元素に置換する程度は、ＫＮｂＯ3 単結晶の圧電性を維持し得る範囲という点から決定されるため、あくまでもＫが主体であり、その範囲が０．０００１≦ｘ≦０．５（０．０１％〜５０％）である。
【００１３】
したがって、上記（３）のような下地材料を用いることによって、その上に成長するＫ1-x Ｚx ＮｂＯ3 が特定の結晶面を持つ単結晶となり、その結晶面を弾性表面波の伝搬面とすることができる。その結果、この弾性表面波素子は大きな電気機械結合係数Ｋ２を持つことになるため、広帯域化、高効率化を図ることができる。また一般に、このＫ1-x Ｚx ＮｂＯ3 はＫＮｂＯ3 に比べて水分との反応性が低いため、膜の均質性と膜表面の平滑性が向上し、大きな電気機械結合係数Ｋ２の値を再現性良く得ることができる。膜の均質性と膜表面の平滑性の改善には、Ｚの元素としてＮａが特に有効である。なお、Ｋ1-x Ｚx ＮｂＯ3 単結晶からなる圧電体層の厚さは、５０〜５０００ｎｍ程度の範囲とすることが望ましい。
【００１４】
また、上記結晶面に関して具体的に言えば、より大きな電気機械結合係数Ｋ２を得るためには、特に、下地基板としてＫ1-x Ｚx ＮｂＯ3 単結晶のＸ軸を含む全ての結晶面が成長するようなバルク材料を用いることが望ましい。その場合、ＳｒＴｉＯ 3 、ＳｒＳｎＯ 3 、ＳｒＺｒＯ 3 、ＳｒＭｏＯ 3 、ＳｒＨｆＯ 3 、ＢａＭｏＯ 3 、ＭｇＯから選ばれる少なくとも１つ以上の単結晶化合物を用いることができる。なお、図６に示したように、Ｋ1-x Ｚx ＮｂＯ3 単結晶はＫ原子の位置が一定の割
合（ｘ）でＺ原子に置き換わった斜方晶であり、Ｘ軸をａ（Ｎａの場合、５．５１２Å）の稜方向、Ｙ軸をｃ（Ｎａの場合、３．８８５Å）の稜方向、Ｚ軸をｂ（Ｎａの場合、５．５７７Å）の稜方向と規定する。
【００１５】
ここで、下地基板の材料として、「Ｋ1-xＺxＮｂＯ3 単結晶のＸ軸を含む全ての結晶面が成長するようなバルク材料」という表現を用いたのは、以下のような意味である。
図７はＫＮｂＯ3 単結晶バルク材料の回転Ｙ板（Ｙ板とは、単位格子ａ（Ｋの場合、５．６９５Å）とｂ（Ｋの場合、５．７２１Å）の各稜を含む平面をいう）の回転角θと電気機械結合係数Ｋ2 の関係を示すものである。回転Ｙ板の回転角θとは、図６に示すように、回転Ｙ板、つまり（００１）面をＸ軸を中心として矢印Ａの向きに回転させた際の回転角θのことであり、（００１）面自体は回転角θ＝０°である。図７に示すように、ＫＮｂＯ3 の電気機械結合係数Ｋ2 が０．５３（５３％）と最大値を示すのは回転角θ＝０°の時であるが、回転角θ＝９０°（（０１０）面に相当）でも電気機械結合係数Ｋ2 は０．２（２０％）前後の値が得られ、ＬｉＮｂＯ3 のＫ2 ＝０．０５５に比べれば充分大きい。
このデータはあくまでもＫＮｂＯ3 単結晶に関するものであるが、この単結晶中のＫの一部を置換したＫ1-xＺxＮｂＯ3 単結晶も同様の傾向を示すと考えられる。
したがって、本発明においては、Ｋ2 の値が従来のＬｉＮｂＯ3 に比べて高い値を取るような全ての結晶面を含む表現として、（００１）面をＸ軸を中心として任意の角度に回転させた面、すなわち「Ｘ軸を含む全ての結晶面」という表現を用いた。
【００１６】
以上に挙げたＳｒＴｉＯ 3 、ＳｒＳｎＯ 3 、ＳｒＺｒＯ 3 、ＳｒＭｏＯ 3 、ＳｒＨｆＯ 3 、ＢａＭｏＯ 3 、ＭｇＯ等の材料は、Ｋ1-x Ｚx ＮｂＯ3 単結晶に対する格子整合性を元来有している。したがって、これらの化合物を下地基板に用いさえすれば、その上のＫ1-x Ｚx ＮｂＯ3 単結晶を特定の結晶面を持つように成長させることができるのである。例えばＳｒＴｉＯ3 を用いた場合、ＳｒＴｉＯ3 の結晶面を（１００）面にすれば、その上に成長するＫ1-x Ｚx ＮｂＯ3 は（００１）面となり、（００１）面を弾性表面波の伝搬面とすることができる。その結果、この弾性表面波素子は大きな電気機械結合係数Ｋ２を持つことになり、広帯域化、高効率化を図ることができる。
【００１７】
また、下地基板全体を上記のような特性を持つ単結晶バルク材料で構成することに代えて、下地基板にＳｉ、ＧａＡｓ等の一般の半導体基板を用い、この下地基板上にＫ1-xＺxＮｂＯ3 単結晶が成長するような材料からなるバッファ層を積層し、そのバッファ層の上にＫ1-xＺxＮｂＯ3 単結晶からなる圧電体層を積層する構成としてもよい。なお、このバッファ層は、５〜１０００ｎｍ程度の厚さの範囲とすることが望ましい。この構成の場合も、バッファ層として、上述したようなＫ1-xＺxＮｂＯ3 単結晶のＸ軸を含む全ての結晶面が成長するような材料を用いるのが効果的である。
【００１８】
さらに、上記の構成に加えて、下地基板とバッファ層との間に、音速の大きな結晶材料からなる音速バッファ層を設けてもよい。この音速の大きな結晶材料としては、サファイヤ、ＢＮから選ばれる少なくとも１つ以上の結晶化合物、またはＢ4Ｃ を用いることができる。このような音速バッファ層を設けた場合、弾性表面波が伝搬する基板表面で弾性表面波の伝搬速度が増大するため、上記（１）式中のｖが大きくなり、使用周波数ｆを大きくすることができる。すなわち、より高周波帯域での使用に好適な弾性表面波素子用基板とすることができる。この構造とする場合、バッファ層の厚さを５〜１０００ｎｍ程度として音速バッファ層の厚さを１００〜１０００ｎｍ程度とすることが望ましい。音速バッファ層の厚さがこれより小さくなると、弾性表面波の伝搬速度の増大に寄与しなくなってしまうからである。
【００１９】
そして、上記全ての構成に加えて、上記圧電体層上に例えばＳｉＯ2 からなる温度安定化層を積層してもよい。この構成とした場合、圧電体層表面がＳｉＯ2 層で覆われ、圧電体層と逆の温度係数を持つＳｉＯ2 が圧電体層と電極層の熱膨張差によって圧電体層に生じる歪みを緩和するため、弾性表面波素子の温度特性を安定化することができる。このＳｉＯ2 からなる温度安定化層の厚さは、１００〜１００００ｎｍ程度の範囲とすることが望ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、本発明の第１の実施の形態を図１を参照して説明する。
図１（ａ）、（ｂ）は本実施の形態の弾性表面波素子を示す図であり、本実施の形態の素子は入力信号から特定周波数の信号を取り出す弾性表面波フィルタの例である。
【００２１】
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、ＳｒＴｉＯ3 等の単結晶バルク材料からなる下地基板１２の上に、Ｋ1-xＮａxＮｂＯ3 単結晶（ただし、ｘ：０．０００１≦ｘ≦０．５）からなる圧電体層１３が積層されている。そして、圧電体層１３の上面にＡｌ等の金属からなるすだれ状電極１４ａ、１４ｂ（電極層）が形成されている。圧電体層１３の厚さは５００ｎｍ程度、電極１４ａ、１４ｂの厚さは２０〜５００ｎｍ程度である。なお、圧電体層１３の材料としては、Ｋ1-xＮａxＮｂＯ3の他、Ｋ1-xＬｉxＮｂＯ3、Ｋ1-xＲｂxＮｂＯ3、Ｋ1-xＣｓxＮｂＯ3を用いることができる。下地基板１２の材料としては、ＳｒＴｉＯ3の他、ＳｒＳｎＯ3、ＳｒＺｒＯ3、ＳｒＭｏＯ3、ＳｒＨｆＯ3、ＢａＭｏＯ3、ＭｇＯ、Ｐｔ、ＭｇＡｌ2Ｏ4、ＫＴａＯ3、ＧａＡｓ、Ｓｉから選ばれる少なくとも１つ以上の化合物を用いることができる。電極１４ａ、１４ｂの材料としては、Ａｌの他、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｗ、Ｃｕ等の金属およびこれらの合金を用いることができる。
【００２２】
すだれ状電極１４ａ、１４ｂは、図１（ａ）に示すように、処理すべき信号が入力される入力側電極１４ａと、選択された特定周波数の信号のみを出力する出力側電極１４ｂからなり、これら電極１４ａ、１４ｂが基板の両端に対向するように配置されている。各電極１４ａ、１４ｂは多数対の電極指を有しており、例えば弾性表面波の波長をλとしたとき、各電極指の幅ｗはλ／４、対数が３０、入力側電極１４ａと出力側電極１４ｂ間の距離Ｌが５０λ、である。
【００２３】
上記構成の弾性表面波フィルタ１１は、下地基板１２上に、レーザーアブレーション法、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ゾル−ゲル法等により圧電体層１３となるＫ1-xＮａxＮｂＯ3 単結晶を成膜し、蒸着、スパッタリング法等によりＡｌ膜を成膜した後、フォトリソグラフィー技術を用いてＡｌ膜をパターニングし、すだれ状電極１４ａ、１４ｂを形成することによって、作製することができる。
【００２４】
そして、この弾性表面波フィルタ１１においては、入力側電極１４ａに信号を入力すると、圧電体層１３の持つ圧電効果によって隣り合う電極指間に互いに逆位相の歪みが生じ、基板表面に弾性波が励起される。励起された弾性波は基板表面を伝搬し、出力側電極１４ｂで高周波信号に変換され、取り出される。
【００２５】
本実施の形態の弾性表面波フィルタ１１においては、下地基板１２にＳｒＴｉＯ3 等のＫ1-xＮａxＮｂＯ3 単結晶に対する格子整合性を有する材料を用いたことによって、圧電体層１３をなすＫ1-xＮａxＮｂＯ3 単結晶が特定の結晶面、例えば（００１）面を持つようにすることができる。その結果、この弾性表面波フィルタ１１は大きな電気機械結合係数Ｋ2 を持つことになり、広帯域、高効率の弾性表面波フィルタとすることができる。さらに、Ｋ1-xＮａxＮｂＯ3 はＫＮｂＯ3 に比べて水分との反応性が低いため、圧電体層１３の材料にＫ1-xＮａxＮｂＯ3 を用いたことで膜の均質性と膜表面の平滑性が向上し、大きな電気機械結合係数Ｋ2 を再現性良く得ることができる。
【００２６】
また、弾性表面波フィルタ１１の製造工程において、従来のようにＫＮｂＯ3 バルク単結晶を結晶成長させたり、ＫＮｂＯ3 単結晶から（００１）面を切り出すような困難な作業が不要となり、レーザーアブレーション法、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ゾル−ゲル法等の薄膜形成技術を用いてＫ1-xＮａxＮｂＯ3 圧電体層１３を容易に形成することができる。その結果、従来に比べて製造コストの低減を図ることができる。
【００２７】
（第２の実施の形態）
以下、本発明の第２の実施の形態を図２を参照して説明する。
図２は本実施の形態の弾性表面波フィルタ２１を示す断面図であるが、本実施の形態の弾性表面波フィルタが第１の実施の形態のフィルタと異なる点は、下地基板上に設けたバッファ層の上に圧電体層を積層した点である。
【００２８】
図２に示すように、Ｓｉ等の下地基板２２上に、ＢａＭｏＯ3 等の単結晶材料からなるバッファ層２５、Ｋ1-xＮａxＮｂＯ3 単結晶からなる圧電体層２３が順次積層されている。そして、圧電体層２３の上面にすだれ状電極２４ａ、２４ｂ（電極層）が形成されている。例えば、バッファ層２５の厚さは２０ｎｍ程度、圧電体層２３の厚さは５００ｎｍ程度、である。なお、下地基板２２の材料としては、Ｓｉの他、ＧａＡｓ等の一般の半導体材料を用いることができる。また、圧電体層２３の材料は、第１の実施の形態における圧電体層として用いた種々の単結晶材料を用いることができる。バッファ層２５の材料は、ＢａＭｏＯ3の他、ＭｇＯ、Ｐｔ、ＭｇＡｌ2Ｏ4、ＫＴａＯ3 から選ばれる少なくとも１つ以上の単結晶化合物、もしくはＳｉＮx を用いることができる。電極２４ａ、２４ｂの材料は第１の実施の形態と同様の金属を用いることができる。
【００２９】
本実施の形態の弾性表面波フィルタ２１においても、大きな電気機械結合係数Ｋ2 を持つことで高効率の弾性表面波フィルタが得られる、膜の均質性と膜表面の平滑性に優れた弾性表面波フィルタが得られる、という第１の実施の形態と同様の効果を奏することができる。さらに、本実施の形態の場合、第１の実施の形態と異なり、ＳｒＴｉＯ3 等の単結晶バルク材料を用意する必要がなく、ＢａＭｏＴｉＯ3 等の材料を薄膜状にして一般的な半導体基板の上に形成すればよいので、トランジスタＩＣ等の周辺回路素子と集積化を図ることができ、小型で軽量なモノリシック素子を実現することができるという利点をも有している。
【００３０】
（第３の実施の形態）
以下、本発明の第３の実施の形態を図３を参照して説明する。
図３は本実施の形態の弾性表面波フィルタ３１を示す断面図であるが、本実施の形態の弾性表面波フィルタが第１、第２の実施の形態のフィルタと異なる点は、下地基板上に音速バッファ層を設け、その上にバッファ層、圧電体層を順次積層した点である。
【００３１】
図３に示すように、Ｓｉ等の下地基板３２上に、サファイヤ等の音速の大きな材料からなる音速バッファ層３６、ＢａＭｏＯ3 等の単結晶材料からなるバッファ層３５、Ｋ1-xＮａxＮｂＯ3 単結晶からなる圧電体層３３が順次積層されている。そして、圧電体層３３の上面にすだれ状電極３４ａ、３４ｂ（電極層）が形成されている。例えば、音速バッファ層３６の厚さは１００ｎｍ程度、バッファ層３５の厚さは２０ｎｍ程度、圧電体層３３の厚さは５００ｎｍ程度、である。なお、音速バッファ層３６に用いる材料としては、サファイヤの他、ＢＮ 、Ｂ4Ｃ等を用いることができる。また、圧電体層３３、下地基板３２、バッファ層３５、電極３４ａ、３４ｂの材料は第２の実施の形態と同様のものを用いることができる。
【００３２】
特に、本実施の形態の弾性表面波フィルタ３１の場合、音速バッファ層３６を設けたことにより弾性表面波が伝搬する基板表面で弾性表面波の伝搬速度が増大するため、使用周波数を大きくすることができ、高周波帯域での使用に好適な弾性表面波フィルタとすることができる。
【００３３】
（第４の実施の形態）
以下、本発明の第４の実施の形態を図４を参照して説明する。
図４は本実施の形態の弾性表面波フィルタ４１を示す断面図であるが、本実施の形態の弾性表面波フィルタが第１〜第３の実施の形態のフィルタと異なる点は、圧電体層上に温度安定化層を形成した点である。
【００３４】
図４に示すように、ＳｒＴｉＯ3 等の単結晶バルク材料からなる下地基板４２の上にＫ1-xＮａxＮｂＯ3 単結晶からなる圧電体層４３が積層され、その上面にＡｌ等からなるすだれ状電極４４ａ、４４ｂ（電極層）が形成されている。そして、電極４４ａ、４４ｂの上方を含む圧電体層４３上の全面を覆うようにＳｉＯ2 からなる温度安定化層４７が形成されている。この温度安定化層４７の厚さは１０００ｎｍ程度、圧電体層４３の厚さは５００ｎｍ程度、である。
【００３５】
本実施の形態の弾性表面波フィルタ４１の場合、圧電体層４３表面がＳｉＯ2 からなる温度安定化層４７で覆われているが、ＳｉＯ2 がＫ1-xＮａxＮｂＯ3 と逆の温度係数を持ち、圧電体層４３と電極４４ａ、４４ｂとの熱膨張差によって圧電体層４３に生じる歪みを緩和するため、弾性表面波フィルタの温度特性を安定化することができる。
【００３６】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば上記実施の形態で挙げた各層の厚さ、電極の寸法等の具体的な数値はほんの一例にすぎず、適宜設計変更が可能である。そして、電極に関しては、圧電体層の上面側に設ける代わりに、圧電体層の下面側（下地基板やバッファ層との界面側）に設けてもよい。また、第４の実施の形態として、第１の実施の形態の積層構造の上にＳｉＯ2 層を設けた例を示したが、第２、第３の実施の形態の積層構造の上にＳｉＯ2 層を設けてもよいことは勿論である。さらに、弾性表面波素子として弾性表面波フィルタの例を挙げたが、電極の構成等を代えることによって、フィルタ以外にも弾性表面波コンボルバ等をはじめとする種々の通信機能素子に本発明を適用することができる。
【００３７】
【実施例】
次に、本発明の効果を実証する実施例について具体的に説明する。
ただし、以下の実施例は本発明の一態様を示すものであって、この発明を限定するものではなく、本発明の技術範囲において適宜変更可能である。
【００３８】
（実施例１）
実施例１は、上記第１の実施の形態の構造を持つ弾性表面波フィルタを用いてＳｒＴｉＯ3下地基板を用い、Ｋに対するＮａの置換割合を変化させた場合の素子特性上の影響、およびＫＮｂＯ3 圧電体層を用いた場合と比較した影響を調べたものである。
実施例１で用いた試料は、図５に示すように、入力側電極５４ａ、出力側電極５４ｂともに開口長が６７．５μｍ（１８λ）で一定のすだれ状Ａｌ電極（正規型電極）であり、測定用のプロービングパッド５８を設けた。弾性表面波の波長λを３．７５μｍとして、各電極指の幅を０．９３７５μｍ（λ／４）、対数を３０、入力側電極５４ａと出力側電極５４ｂ間の距離を０．１８７５ｍｍ（５０λ）と０．３７５ｍｍ（１００λ）の２種類、とした。そして、Ｋに対するＮａの置換割合（ｘ）を変えた４種類の試料（構成例１：ｘ＝０．０００１，構成例２：ｘ＝０．００１，構成例３：ｘ＝０．１，構成例４：ｘ＝０．５）を作製した。具体的な材料の組み合わせは表１に示す通りである。
【００３９】
ここで、Ｋ1-xＮａxＮｂＯ3 の成膜にはゾル−ゲル法を用いた。ゾルゲル液の作製方法と成膜条件は次の通りである。
予め、脱水蒸留した溶媒（メトキシエタノール）約１５０ｍｌに、エトキシカリウム、エトキシナトリウム、ペンタエトキシニオブの各化合物（全て高純度化学（株）製）を溶解させた。この溶液を１２４℃（溶媒の沸点）で２４時間還流した。その後、必要に応じ、金属の価数と等モルの配位子を加え、さらに１２４℃で６時間加熱撹拌（還流）し、液を安定化させた。反応が終了した時点で室温まで冷却し、溶媒を加え、濃度調整し、最終的に０．２モル／Ｌの４種類のＮａ置換ＫＮｂＯ3 ゾルゲル液（Ｋ1-xＮａxＮｂＯ3：ｘ＝０．０００１，０．００１，０．１，０．５）を得た。なお、Ｋ1-xＮａxＮｂＯ3 のｘを変えるには、個々のゾルゲル液をｘの値に応じて混合比を変えてミキシングしている。例えばｘ＝０．０００１の場合、エトキシカリウムを０．９９９９モル、エトキシナトリウムを０．０００１モル、ペンタエトキシニオブを１．００００モルとする。また、成膜は、各々に調整されたゾルゲル液をスピンナーによりＳｒＴｉＯ3単結晶基板上に塗布し、溶媒を１５０℃で乾燥後、大気中で８００℃の温度で焼成した。得られた膜厚は５００ｎｍであった。
【００４０】
また、比較例として、同じＳｒＴｉＯ3単結晶基板の上にＫＮｂＯ3 を形成したもの（比較例１）を作製した。
【００４１】
各試料につき、表１に示す伝搬方向における弾性表面波の伝搬速度ｖ、電気機械結合係数Ｋ2 、素子表面粗さＲａを測定した。
伝搬速度ｖは、入力側と出力側の電極間距離Ｌの異なる２つの試料（Ｌが５０λと１００λ）の入力側電極に高周波パルスをそれぞれ入力し、その出力側電極への到着時間差Δｔを測定し、伝搬路長の差ΔＬ（＝５０λ）から次式により求めた。測定は２５℃で行った。
ｖ＝ΔＬ／Δｔ ……（２）
【００４２】
電気機械結合係数Ｋ2 は、入力側と出力側の電極間の伝搬路上をＡｌで被覆した試料を別に用意し、Ａｌ被覆のない本試料とＡｌ被覆した別試料に対して双方の入力側電極に同位相の連続波を入力した時の出力側電極で得られる２つの出力信号の位相差Δφを測定し、次式により求めた。
ここで、ｖopenはＡｌが被覆されていない試料での伝搬速度、ｖshortはＡｌが被覆された試料での伝搬速度、ωは入力信号の角速度、ｄはＡｌで被覆された部分の長さ、である。測定は２５℃で行った。
【００４３】
素子表面粗さＲａは、触針式粗さ計（ＴＥＮＣＯＲ社製Ｐ−１）を用い、スキャン速度１０μｍ／ｓｅｃで２５０μｍの範囲の二乗平均粗さで評価した。
評価結果を表１に示す。
【００４４】
【表１】
【００４５】
この結果から明らかなように、構成例１〜４の場合、電気機械結合係数Ｋ2 は３〜６％と大きな値をとり、素子表面粗さＲａが３０〜１００Åの値をとることがわかった。また、Ｋ1-xＮａxＮｂＯ3 中のＮａの置換割合を大きくする程、電気機械結合係数Ｋ2 が小さく、素子表面粗さＲａが小さくなることがわかった。また、比較例１の試料では、電気機械結合係数Ｋ2 は４％であったが、素子表面粗さＲａが１６０Åと構成例１〜４に比べて大きい値であった。すなわち、構成例１〜４の試料は、弾性表面波の伝搬面とＫ1-xＮａxＮｂＯ3 単結晶の特定の結晶面が一致し、かつ、素子表面の平滑性が改良されたため、比較例１と同等以上の電気機械結合係数Ｋ2 を持ち、広帯域で低損失な特性を有することがわかった。
【００４６】
（実施例２）
実施例１ではＫと置換する元素としてＮａを用いたが、実施例２では他の置換元素を用いた場合の効果を調べた。
実施例２で用いた試料も素子構造に関しては実施例１の試料と同一である。そして、Ｋ1-xＺxＮｂＯ3 中の置換元素（Ｚ）として、ＫとＦｒを除く周期律１族の元素であるＬｉ、Ｒｂ、Ｃｓを用い、置換割合をｘ＝０．００１で一定とした３種類の試料（構成例５：Ｚ＝Ｌｉ，構成例６：Ｚ＝Ｒｂ，構成例７：Ｚ＝Ｃｓ）を作製した。評価結果を表２に示す。
【００４７】
【表２】
【００４８】
この結果から明らかなように、置換元素としてＬｉ、Ｒｂ、Ｃｓを用いた構成例５〜７における電気機械結合係数Ｋ2 は６％であり、置換元素としてＮａを用いた構成例２と同等の電気機械結合係数Ｋ2 を得ることができた。
【００４９】
（実施例３）
実施例３は、置換元素をＮａ、置換割合をｘ＝０．００１に固定した上で下地基板の材料を変え、本発明の効果を調べたものである。
実施例３で用いた試料も素子構造に関しては実施例１の試料と同一である。そして、置換元素をＮａ、置換割合をｘ＝０．００１に固定し、下地基板を種々に変えた１４種類の試料（構成例２：ＳｒＴｉＯ3（１００），構成例８：ＳｒＴｉＯ3（１１０），構成例９：ＳｒＴｉＯ3（１１１），構成例１０：ＳｒＳｎＯ3（１１０），構成例１１：ＳｒＺｒＯ3（００１），構成例１２：ＳｒＭｏＯ3（１１０），構成例１３：ＳｒＨｆＯ3（１１０），構成例１４：ＢａＭｏＯ3（１１０），構成例１５：ＭｇＯ（１００），構成例１６：Ｐｔ（１１１），構成例１７：ＭｇＡｌ2Ｏ4（１１０），構成例１８：ＫＴａＯ3（１１０），構成例１９：ＧａＡｓ（１１０），構成例２０：Ｓｉ（１１０））を作製した。一方、比較例として下地基板にガラス基板を用いた試料（比較例２）を作製した。評価結果を表３に示す。
【００５０】
【表３】
【００５１】
この結果から明らかなように、比較例２の場合、Ｋ1-xＮａxＮｂＯ3 との格子整合性を持たないガラス基板上にＫ1-xＮａxＮｂＯ3 を形成したことで特定の結晶面が得られず、伝搬速度ｖ、電気機械結合係数Ｋ2 ともに測定不能であった。これに対して、構成例２および構成例８〜２０の場合、電気機械結合係数Ｋ2 は２〜１１％の値をとることがわかった。したがって、構成例２および構成例８〜２０の試料では、従来に比べて大きい電気機械結合係数Ｋ2 が得られ、広帯域で低損失な特性を有することがわかった。
【００５２】
（実施例４）
実施例１〜３が下地基板バルク材料の上に直接圧電体層を形成したのに対し、実施例４は、上記第２の実施の形態の構造を持つ弾性表面波フィルタを用いて本発明特有のバッファ層を用いた場合の効果を調べたものである。
実施例４で用いた試料は電極構造に関しては実施例１の試料と同一である。
そして、置換元素をＮａ、置換割合をｘ＝０．００１に固定した上で、下地基板とバッファ層の組み合わせを代えた８種類の試料（構成例２１：ＢａＭｏＯ3／Ｓｉ，構成例２２：ＭｇＯ／Ｓｉ，構成例２３：Ｐｔ／Ｓｉ，構成例２４：ＳｉＮx／Ｓｉ，構成例２５：ＭｇＡｌ2Ｏ4／Ｓｉ，構成例２６：ＫＴａＯ3／Ｓｉ，構成例２７：ＢａＭｏＯ3／ＧａＡｓ，構成例２８：ＢａＭｏＯ3／Ａｌ2Ｏ3）を作製した。具体的な材料の組み合わせは表４に示す通りである。
【００５３】
例えば、構成例２１の場合、Ｋ1-xＮａxＮｂＯ3 の成膜に実施例１と同じゾル−ゲル法を用い、ＢａＭｏＯ3 の成膜にはレーザーアブレーション法を用いた。ＢａＭｏＯ3 成膜条件は、ターゲット：ＢａＭｏＯ3 、基板温度：６５０℃、使用レーザー：ＡｒＦ（波長：１９３ｎｍ）、レーザーパワー：４Ｊ／ｃｍ2 、１５Ｈｚ、雰囲気（酸素）：０．０５Torr、膜厚：２０ｎｍ、成膜時間２０分、とした。
【００５４】
各試料の評価項目は実施例１の場合と同一である。評価結果を表４に示す。
【００５５】
【表４】
【００５６】
この結果から明らかなように、構成例２１〜２８の場合には、電気機械結合係数Ｋ2 は２〜４％の範囲で大きな値をとることがわかった。したがって、構成例２１〜２８の試料は、弾性表面波の伝搬面とＫ1-xＮａxＮｂＯ3 単結晶の特定の結晶面が一致するため、従来の薄膜圧電材料では得られない広帯域で低損失な特性を有することがわかった。
【００５７】
（実施例５）
実施例５は、上記第３の実施の形態の構造を持つ弾性表面波フィルタを用いてバッファ層と下地基板の間に音速の大きなバッファ層を挿入した場合の効果を調べたものである。
実施例５で用いた試料も電極構造に関しては実施例１の試料と同一である。そして、下地基板をＳｉ（１１０）基板、バッファ層をＢａＭｏＯ3 （１１０）、圧電体層Ｋ1-xＺxＮｂＯ3 の置換元素ＺをＮａ、置換割合をｘ＝０．００１に固定した上で、音速バッファ層の種類を代えた３種類の試料（構成例２９：Ａｌ2Ｏ3，構成例３０：ＢＮ，構成例３１：Ｂ4Ｃ）を作製した。具体的な材料の組み合わせは表５に示す通りである。また、音速バッファ層がない場合の例として、比較例３（実施例４の構成例２１と同じ）を示した。
【００５８】
例えば、構成例２９の場合、Ｋ1-xＮａxＮｂＯ3 の成膜に実施例１と同じゾル−ゲル法を用い、ＢａＭｏＯ3 の成膜に実施例４と同じレーザーアブレーション法を用い、Ａｌ2Ｏ3の成膜にはスパッタリング法を用いた。Ａｌ2Ｏ3成膜条件は、ターゲット：Ａｌ2Ｏ3、基板温度：６５０℃、雰囲気圧：０．０１Torr、Ｏ2 ／Ａｒ：１／５、ＲＦパワー：３００Ｗ、成膜時間：３０分、膜厚：１００ｎｍ、とした。
【００５９】
各試料の評価項目は実施例１の場合と同一である。評価結果を表５に示す。
【００６０】
【表５】
【００６１】
この結果から明らかなように、構成例２９〜３１の場合、音速バッファ層がない比較例３と比べて伝搬速度ｖが１．５〜２．５倍大きくなった。したがって、構成例２９〜３１の試料は、比較例３の試料に比べて伝搬速度が大きくなったことにより、高周波帯域での使用が可能であることがわかった。
【００６２】
（実施例６）
実施例６は、上記第４の実施の形態の構造を持つ弾性表面波フィルタを用いて本発明特有の温度安定化層を用いた場合の効果を調べたものである。
実施例６で用いた試料も電極構造に関しては実施例１の試料と同一である。
そして、ＳｒＴｉＯ3 基板上にＫ1-xＮａxＮｂＯ3 を積層し、さらに温度安定化層としてＳｉＯ2 膜を積層した構成例３２を作製した（表６に示す通り）。温度安定化層がない場合の例として比較例４（実施例１の構成例２と同じ）を示した。
【００６３】
構成例３２の場合、Ｋ1-xＮａxＮｂＯ3 の成膜に実施例１と同じゾル−ゲル法を用い、ＳｉＯ2 の成膜にはスパッタリング法を用いた。ＳｉＯ2 成膜条件は、ターゲット：ＳｉＯ2 、基板温度：６５０℃、雰囲気圧：０．０１Torr、Ｏ2 ／Ａｒ：１／５、ＲＦパワー：３００Ｗ、膜厚：１００ｎｍ、成膜時間１０分、とした。
【００６４】
各試料の評価項目として、実施例１〜５の伝搬速度ｖと電気機械結合係数Ｋ2 に加え、周波数温度係数ＴＣＦを測定した。周波数温度係数ＴＣＦは、温度ＴをΔＴだけ変化させた時の遅延線型オシレータの発振周波数ｆの変化Δｆを測定し、次式により求めた。
ＴＣＦ＝（１／ｆ）・（Δｆ／ΔＴ） ……（４）
なお、測定は１０℃から６５℃の範囲で行った。
評価結果を表６に示す。
【００６５】
【表６】
【００６６】
この結果から明らかなように、温度安定化層を持つ構成例３２は、温度安定化層を持たない比較例４と比べて、伝搬速度はやや小さくなるものの、電気機械結合係数Ｋ2 は大きい値を維持しつつ、周波数温度係数ＴＣＦをはるかに小さくできることがわかった。したがって、構成例３２の試料は、比較例４の試料に比べて温度特性を安定化できることがわかった。
【００６７】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明の弾性表面波素子によれば、下地基板にＫ1-xＺxＮｂＯ3 単結晶に対する格子整合性を持つ材料を用いたことでＫ1-xＺxＮｂＯ3 単結晶が特定の結晶面を持つように成長させることができるため、弾性表面波素子が大きな電気機械結合係数Ｋ2 を持つことになり、広帯域化、高効率化を図ることができる。さらに、Ｋ1-xＺxＮｂＯ3 はＫＮｂＯ3 に比べて水分との反応性が低いため、圧電体層材料にＫ1-xＺxＮｂＯ3 を用いたことで膜の均質性と膜表面の平滑性が向上し、大きな電気機械結合係数Ｋ2 を再現性良く得ることができる。
また、素子を製造する際には、周知の薄膜形成技術を用いてＫ1-xＺxＮｂＯ3 圧電体層を容易に形成でき、従来に比べて製造コストを低減することができる。そして、音速バッファ層を下地基板上に設けることにより、高周波帯域化を図ることができる。さらに、Ｋ1-xＺxＮｂＯ3 圧電体層上に温度安定化層を設けることにより、温度特性の安定化を図ることができる。一方、Ｋ1-xＺxＮｂＯ3 圧電体層、バッファ層、音速バッファ層、温度安定化層等を一般的な半導体基板の上で薄膜として使用することで、トランジスタＩＣ等の周辺回路素子と集積化を図ることができ、小型で軽量な弾性表面波素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態の弾性表面波フィルタを示す、（ａ）斜視図、（ｂ）（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図、である。
【図２】 本発明の第２の実施の形態の弾性表面波フィルタを示す断面図である。
【図３】 本発明の第３の実施の形態の弾性表面波フィルタを示す断面図である。
【図４】 本発明の第４の実施の形態の弾性表面波フィルタを示す断面図である。
【図５】 本発明の実施例で用いた試料の弾性表面波フィルタを示す平面図である。
【図６】 本発明で圧電体層として用いるＫ1-xＺxＮｂＯ3 の結晶面を示す図である。
【図７】 ＫＮｂＯ3 単結晶の回転Ｙ板における回転角と電気機械結合係数の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１１，２１，３１，４１ 弾性表面波フィルタ
１２，２２，３２，４２ 下地基板
１３，２３，３３，４３ 圧電体層
１４ａ，１４ｂ，２４ａ，２４ｂ，３４ａ，３４ｂ，４４ａ，４４ｂ，５４ａ，５４ｂ すだれ状電極（電極層）
２５，３５ バッファ層
３６ 音速バッファ層
４７ 温度安定化層
【発明の属する技術分野】
本発明は、弾性表面波特有の作用を用いたフィルタ、コンボルバ等の弾性表面波素子に関し、特に、電気機械結合係数に優れたＫＮｂＯ3 単結晶中のＫを一部置換したＫ1-xＺxＮｂＯ3 単結晶を圧電体層として用いた弾性表面波素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
弾性表面波素子とは、電気信号を弾性体表面を伝搬する弾性表面波（Surface Acoustic Wave ）に変換し、特定周波数の信号を取り出すものである。この弾性表面波が圧電体基板で効率良く励振、受信できることが見い出されて以来、電磁波にはない弾性表面波の優れた性質を利用してフィルタ、コンボルバ等をはじめとする種々の信号機能素子への応用が研究され、広い分野で実用化されている。この弾性表面波素子は、従来、ＬｉＮｂＯ3 、ＬｉＴａＯ3 等の圧電体単結晶上に、電気信号と弾性表面波との間の変換器として機能するすだれ状電極（Inter-digital Transducer）を形成することによって作製されていた。
【０００３】
ところで、弾性表面波素子においては、弾性体表面を伝搬する弾性波の音速ｖとすだれ状電極の電極幅ｗによって使用周波数ｆが決定される。その関係は、
ｆ＝ｖ／λ＝ｖ／４ｗ （λ：弾性表面波の波長） …… （１）
すなわち、電極幅ｗが小さく、音速ｖが大きい程、高周波帯域で使用できることになる。ところが、今後の通信の分野等で要求されるＧＨｚオーダーの高い周波数を得ようとすれば、電極幅に関しては微細加工技術の限界があることから、音速の大きい弾性体材料を選択する必要がある。音速の大きい弾性体材料の一例としてダイヤモンドがあり、特開昭６４−６２９１１号公報には、ダイヤモンド層上に圧電体層、電極層を順次積層した構造を持つ弾性表面波素子が開示されている。
【０００４】
一方、弾性表面波素子の弾性体材料に求められる他の条件として、電気信号と弾性表面波の間の変換能力を示す電気機械結合係数Ｋ2 が大きいことが挙げられる。Ｋ2 が大きい程、効率の良い弾性表面波素子が得られるというわけである。この観点から、圧電性磁器材料として従来より知られていたＫＮｂＯ3 が極めて大きな電気機械結合係数Ｋ2 を示すことが見い出され、実験によりこれが確認された。この実験によれば、これまで最も大きな電気機械結合係数Ｋ2 を持つとされていたＬｉＮｂＯ3 に比べて、ＫＮｂＯ3 単結晶のＫ2 は大きな値が得られることが確認され、特に、ＫＮｂＯ3 単結晶の特定の結晶面（（００１）面）の特定方向（［１００］）で、ＬｉＮｂＯ3 のＫ2 ＝０．０５５に対してＫ2 ＝０．５３と約１０倍の値が得られた（「ＫＮｂＯ3 圧電体単結晶を用いた超高結合弾性表面波の伝搬特性」、山之内和彦他、日本学術振興会弾性波素子技術第１５０委員会第５０回研究会資料、pp27-31（1996.11.27））。
【０００５】
なお、特開平７−９５００６号公報には、基板上にIII−Ｖ族化合物膜が設けられ、さらにその上に３種以上の元素から構成される複合酸化物膜が設けられた圧電体基板を有する弾性表面波素子が開示されている。そして、上記複合酸化物膜の例としてＫＮｂＯ3 が記載されている。ただし、この公報では、ＫＮｂＯ3 の電気機械結合係数Ｋ2 については何ら言及しておらず、ただ単に３種以上の元素で構成される複合酸化物膜の一例として挙げたにすぎない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、弾性表面波素子の弾性体材料としてＫＮｂＯ3 単結晶を用いれば、電気機械結合係数Ｋ2 が大きく、効率の良い弾性表面波素子が実現できる感触が得られた。しかしながら、それと同時に、Ｋ2 の値はＫＮｂＯ3 単結晶の結晶構造中における弾性表面波の伝搬方向に応じて種々に変化することも判明した。したがって、弾性表面波素子を作製するにあたり所望のＫ2 の値を得たい、あるいはＫ2 の値を制御したい、といった要求がある場合、弾性表面波の伝搬面を特定のＫＮｂＯ3 結晶方位面に合わせる必要がある。つまり、特定の結晶面に合わせてすだれ状電極を形成し、弾性表面波の伝搬面とその特定の結晶面を一致させなければならない。
【０００７】
ところが、ＫＮｂＯ3 単結晶のバルク材料を用いようとすると、ある特定の結晶方位を得るためには、予め結晶方位が判明しているＫＮｂＯ3 単結晶から特定の結晶面を切り出すという非常に煩雑な操作が必要であった。また、ＫＮｂＯ3 単結晶自体も結晶成長が難しく、工業材料として非常に高価なものであった。これらの理由から、ＫＮｂＯ3 単結晶のバルク材料は弾性表面波素子の材料として極めて使い難いものであった。
【０００８】
そこで、ＫＮｂＯ3 単結晶を、バルク材料ではなく、何らかの下地の上に積層した薄膜として使用するという考えに至ることになる。しかしながら、上記２つの公報に開示された技術では、ＫＮｂＯ3 を積層する下地はダイヤモンド層や
III−Ｖ族化合物膜に限定されており、これらダイヤモンド層やIII−Ｖ族化合物膜は格子整合性を持たないため、たとえこれらの下地の上にＫＮｂＯ3 を積層したところでそのＫＮｂＯ3 は下地層と格子整合されない。そのため、ダイヤモンド層やIII−Ｖ族化合物膜上には特定の結晶面を持つＫＮｂＯ3 単結晶が成長することはなく、電気機械結合係数Ｋ2 の値を制御し、所望の値を得ることは不可能である。
【０００９】
ところで、ＫＮｂＯ3 単結晶の薄膜は、レーザーアブレーション法、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ゾル−ゲル法など、各種の成膜法を用いることによって作製が可能である。しかしながら、ＫＮｂＯ3 自体の、特にＫと水分との反応性が高く、均質で平滑な表面を有する薄膜を得ることが困難なため、圧電特性が安定せず、特に、ＫＮｂＯ3 単結晶を使用する場合の最大の利点である大きな電気機械結合係数Ｋ2 の値がなかなか再現されない、という欠点を持っていた。
【００１０】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、単結晶バルク材料から特定の結晶面を切り出すような煩雑な操作を必要とせず、また、ＫＮｂＯ3 単結晶が持つ良好な圧電性能を損なうことなく、高効率化・広帯域化が可能で低コスト、かつ、成膜の再現性に優れた弾性表面波素子を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の弾性表面波素子は、一般式がＫ1-x Ｚx ＮｂＯ3 で表される単結晶が成長するようなバルク材料からなる下地基板と、この下地基板上に積層されたＫ1-xＺx ＮｂＯ3 単結晶からなる圧電体層と、この圧電体層の上面または下面に設けられた電極層、を有する構成とした。なお、ここで、ＺはＬｉ、Ｒｂ、Ｃｓのいずれかの元素であり、ｘは０．０００１≦ｘ≦０．５の範囲内の数値を示している。
【００１２】
言い換えると、本発明の技術思想は、（１）Ｋ1-xＺxＮｂＯ3 単結晶をバルクの形態ではなく薄膜の形態で圧電体層として用いること、（２）ＫＮｂＯ3 単結晶の持つ高い圧電性能を維持しながらも薄膜表面の平滑性を改善するために、ＫＮｂＯ3 単結晶中のＫの一部を他の周期律１族の元素に置換したこと、（３）Ｋ1-xＺxＮｂＯ3 単結晶を薄膜として積層する際にＫ1-xＺxＮｂＯ3 単結晶が自ずと特定の結晶面を持つように結晶成長するような、いわばＫ1-xＺxＮｂＯ3 に対する格子整合性が良好な下地材料を見い出したこと、にある。
なお、Ｋを他の周期律１族の元素に置換する程度は、ＫＮｂＯ3 単結晶の圧電性を維持し得る範囲という点から決定されるため、あくまでもＫが主体であり、その範囲が０．０００１≦ｘ≦０．５（０．０１％〜５０％）である。
【００１３】
したがって、上記（３）のような下地材料を用いることによって、その上に成長するＫ1-x Ｚx ＮｂＯ3 が特定の結晶面を持つ単結晶となり、その結晶面を弾性表面波の伝搬面とすることができる。その結果、この弾性表面波素子は大きな電気機械結合係数Ｋ２を持つことになるため、広帯域化、高効率化を図ることができる。また一般に、このＫ1-x Ｚx ＮｂＯ3 はＫＮｂＯ3 に比べて水分との反応性が低いため、膜の均質性と膜表面の平滑性が向上し、大きな電気機械結合係数Ｋ２の値を再現性良く得ることができる。膜の均質性と膜表面の平滑性の改善には、Ｚの元素としてＮａが特に有効である。なお、Ｋ1-x Ｚx ＮｂＯ3 単結晶からなる圧電体層の厚さは、５０〜５０００ｎｍ程度の範囲とすることが望ましい。
【００１４】
また、上記結晶面に関して具体的に言えば、より大きな電気機械結合係数Ｋ２を得るためには、特に、下地基板としてＫ1-x Ｚx ＮｂＯ3 単結晶のＸ軸を含む全ての結晶面が成長するようなバルク材料を用いることが望ましい。その場合、ＳｒＴｉＯ 3 、ＳｒＳｎＯ 3 、ＳｒＺｒＯ 3 、ＳｒＭｏＯ 3 、ＳｒＨｆＯ 3 、ＢａＭｏＯ 3 、ＭｇＯから選ばれる少なくとも１つ以上の単結晶化合物を用いることができる。なお、図６に示したように、Ｋ1-x Ｚx ＮｂＯ3 単結晶はＫ原子の位置が一定の割
合（ｘ）でＺ原子に置き換わった斜方晶であり、Ｘ軸をａ（Ｎａの場合、５．５１２Å）の稜方向、Ｙ軸をｃ（Ｎａの場合、３．８８５Å）の稜方向、Ｚ軸をｂ（Ｎａの場合、５．５７７Å）の稜方向と規定する。
【００１５】
ここで、下地基板の材料として、「Ｋ1-xＺxＮｂＯ3 単結晶のＸ軸を含む全ての結晶面が成長するようなバルク材料」という表現を用いたのは、以下のような意味である。
図７はＫＮｂＯ3 単結晶バルク材料の回転Ｙ板（Ｙ板とは、単位格子ａ（Ｋの場合、５．６９５Å）とｂ（Ｋの場合、５．７２１Å）の各稜を含む平面をいう）の回転角θと電気機械結合係数Ｋ2 の関係を示すものである。回転Ｙ板の回転角θとは、図６に示すように、回転Ｙ板、つまり（００１）面をＸ軸を中心として矢印Ａの向きに回転させた際の回転角θのことであり、（００１）面自体は回転角θ＝０°である。図７に示すように、ＫＮｂＯ3 の電気機械結合係数Ｋ2 が０．５３（５３％）と最大値を示すのは回転角θ＝０°の時であるが、回転角θ＝９０°（（０１０）面に相当）でも電気機械結合係数Ｋ2 は０．２（２０％）前後の値が得られ、ＬｉＮｂＯ3 のＫ2 ＝０．０５５に比べれば充分大きい。
このデータはあくまでもＫＮｂＯ3 単結晶に関するものであるが、この単結晶中のＫの一部を置換したＫ1-xＺxＮｂＯ3 単結晶も同様の傾向を示すと考えられる。
したがって、本発明においては、Ｋ2 の値が従来のＬｉＮｂＯ3 に比べて高い値を取るような全ての結晶面を含む表現として、（００１）面をＸ軸を中心として任意の角度に回転させた面、すなわち「Ｘ軸を含む全ての結晶面」という表現を用いた。
【００１６】
以上に挙げたＳｒＴｉＯ 3 、ＳｒＳｎＯ 3 、ＳｒＺｒＯ 3 、ＳｒＭｏＯ 3 、ＳｒＨｆＯ 3 、ＢａＭｏＯ 3 、ＭｇＯ等の材料は、Ｋ1-x Ｚx ＮｂＯ3 単結晶に対する格子整合性を元来有している。したがって、これらの化合物を下地基板に用いさえすれば、その上のＫ1-x Ｚx ＮｂＯ3 単結晶を特定の結晶面を持つように成長させることができるのである。例えばＳｒＴｉＯ3 を用いた場合、ＳｒＴｉＯ3 の結晶面を（１００）面にすれば、その上に成長するＫ1-x Ｚx ＮｂＯ3 は（００１）面となり、（００１）面を弾性表面波の伝搬面とすることができる。その結果、この弾性表面波素子は大きな電気機械結合係数Ｋ２を持つことになり、広帯域化、高効率化を図ることができる。
【００１７】
また、下地基板全体を上記のような特性を持つ単結晶バルク材料で構成することに代えて、下地基板にＳｉ、ＧａＡｓ等の一般の半導体基板を用い、この下地基板上にＫ1-xＺxＮｂＯ3 単結晶が成長するような材料からなるバッファ層を積層し、そのバッファ層の上にＫ1-xＺxＮｂＯ3 単結晶からなる圧電体層を積層する構成としてもよい。なお、このバッファ層は、５〜１０００ｎｍ程度の厚さの範囲とすることが望ましい。この構成の場合も、バッファ層として、上述したようなＫ1-xＺxＮｂＯ3 単結晶のＸ軸を含む全ての結晶面が成長するような材料を用いるのが効果的である。
【００１８】
さらに、上記の構成に加えて、下地基板とバッファ層との間に、音速の大きな結晶材料からなる音速バッファ層を設けてもよい。この音速の大きな結晶材料としては、サファイヤ、ＢＮから選ばれる少なくとも１つ以上の結晶化合物、またはＢ4Ｃ を用いることができる。このような音速バッファ層を設けた場合、弾性表面波が伝搬する基板表面で弾性表面波の伝搬速度が増大するため、上記（１）式中のｖが大きくなり、使用周波数ｆを大きくすることができる。すなわち、より高周波帯域での使用に好適な弾性表面波素子用基板とすることができる。この構造とする場合、バッファ層の厚さを５〜１０００ｎｍ程度として音速バッファ層の厚さを１００〜１０００ｎｍ程度とすることが望ましい。音速バッファ層の厚さがこれより小さくなると、弾性表面波の伝搬速度の増大に寄与しなくなってしまうからである。
【００１９】
そして、上記全ての構成に加えて、上記圧電体層上に例えばＳｉＯ2 からなる温度安定化層を積層してもよい。この構成とした場合、圧電体層表面がＳｉＯ2 層で覆われ、圧電体層と逆の温度係数を持つＳｉＯ2 が圧電体層と電極層の熱膨張差によって圧電体層に生じる歪みを緩和するため、弾性表面波素子の温度特性を安定化することができる。このＳｉＯ2 からなる温度安定化層の厚さは、１００〜１００００ｎｍ程度の範囲とすることが望ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、本発明の第１の実施の形態を図１を参照して説明する。
図１（ａ）、（ｂ）は本実施の形態の弾性表面波素子を示す図であり、本実施の形態の素子は入力信号から特定周波数の信号を取り出す弾性表面波フィルタの例である。
【００２１】
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、ＳｒＴｉＯ3 等の単結晶バルク材料からなる下地基板１２の上に、Ｋ1-xＮａxＮｂＯ3 単結晶（ただし、ｘ：０．０００１≦ｘ≦０．５）からなる圧電体層１３が積層されている。そして、圧電体層１３の上面にＡｌ等の金属からなるすだれ状電極１４ａ、１４ｂ（電極層）が形成されている。圧電体層１３の厚さは５００ｎｍ程度、電極１４ａ、１４ｂの厚さは２０〜５００ｎｍ程度である。なお、圧電体層１３の材料としては、Ｋ1-xＮａxＮｂＯ3の他、Ｋ1-xＬｉxＮｂＯ3、Ｋ1-xＲｂxＮｂＯ3、Ｋ1-xＣｓxＮｂＯ3を用いることができる。下地基板１２の材料としては、ＳｒＴｉＯ3の他、ＳｒＳｎＯ3、ＳｒＺｒＯ3、ＳｒＭｏＯ3、ＳｒＨｆＯ3、ＢａＭｏＯ3、ＭｇＯ、Ｐｔ、ＭｇＡｌ2Ｏ4、ＫＴａＯ3、ＧａＡｓ、Ｓｉから選ばれる少なくとも１つ以上の化合物を用いることができる。電極１４ａ、１４ｂの材料としては、Ａｌの他、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｗ、Ｃｕ等の金属およびこれらの合金を用いることができる。
【００２２】
すだれ状電極１４ａ、１４ｂは、図１（ａ）に示すように、処理すべき信号が入力される入力側電極１４ａと、選択された特定周波数の信号のみを出力する出力側電極１４ｂからなり、これら電極１４ａ、１４ｂが基板の両端に対向するように配置されている。各電極１４ａ、１４ｂは多数対の電極指を有しており、例えば弾性表面波の波長をλとしたとき、各電極指の幅ｗはλ／４、対数が３０、入力側電極１４ａと出力側電極１４ｂ間の距離Ｌが５０λ、である。
【００２３】
上記構成の弾性表面波フィルタ１１は、下地基板１２上に、レーザーアブレーション法、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ゾル−ゲル法等により圧電体層１３となるＫ1-xＮａxＮｂＯ3 単結晶を成膜し、蒸着、スパッタリング法等によりＡｌ膜を成膜した後、フォトリソグラフィー技術を用いてＡｌ膜をパターニングし、すだれ状電極１４ａ、１４ｂを形成することによって、作製することができる。
【００２４】
そして、この弾性表面波フィルタ１１においては、入力側電極１４ａに信号を入力すると、圧電体層１３の持つ圧電効果によって隣り合う電極指間に互いに逆位相の歪みが生じ、基板表面に弾性波が励起される。励起された弾性波は基板表面を伝搬し、出力側電極１４ｂで高周波信号に変換され、取り出される。
【００２５】
本実施の形態の弾性表面波フィルタ１１においては、下地基板１２にＳｒＴｉＯ3 等のＫ1-xＮａxＮｂＯ3 単結晶に対する格子整合性を有する材料を用いたことによって、圧電体層１３をなすＫ1-xＮａxＮｂＯ3 単結晶が特定の結晶面、例えば（００１）面を持つようにすることができる。その結果、この弾性表面波フィルタ１１は大きな電気機械結合係数Ｋ2 を持つことになり、広帯域、高効率の弾性表面波フィルタとすることができる。さらに、Ｋ1-xＮａxＮｂＯ3 はＫＮｂＯ3 に比べて水分との反応性が低いため、圧電体層１３の材料にＫ1-xＮａxＮｂＯ3 を用いたことで膜の均質性と膜表面の平滑性が向上し、大きな電気機械結合係数Ｋ2 を再現性良く得ることができる。
【００２６】
また、弾性表面波フィルタ１１の製造工程において、従来のようにＫＮｂＯ3 バルク単結晶を結晶成長させたり、ＫＮｂＯ3 単結晶から（００１）面を切り出すような困難な作業が不要となり、レーザーアブレーション法、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ゾル−ゲル法等の薄膜形成技術を用いてＫ1-xＮａxＮｂＯ3 圧電体層１３を容易に形成することができる。その結果、従来に比べて製造コストの低減を図ることができる。
【００２７】
（第２の実施の形態）
以下、本発明の第２の実施の形態を図２を参照して説明する。
図２は本実施の形態の弾性表面波フィルタ２１を示す断面図であるが、本実施の形態の弾性表面波フィルタが第１の実施の形態のフィルタと異なる点は、下地基板上に設けたバッファ層の上に圧電体層を積層した点である。
【００２８】
図２に示すように、Ｓｉ等の下地基板２２上に、ＢａＭｏＯ3 等の単結晶材料からなるバッファ層２５、Ｋ1-xＮａxＮｂＯ3 単結晶からなる圧電体層２３が順次積層されている。そして、圧電体層２３の上面にすだれ状電極２４ａ、２４ｂ（電極層）が形成されている。例えば、バッファ層２５の厚さは２０ｎｍ程度、圧電体層２３の厚さは５００ｎｍ程度、である。なお、下地基板２２の材料としては、Ｓｉの他、ＧａＡｓ等の一般の半導体材料を用いることができる。また、圧電体層２３の材料は、第１の実施の形態における圧電体層として用いた種々の単結晶材料を用いることができる。バッファ層２５の材料は、ＢａＭｏＯ3の他、ＭｇＯ、Ｐｔ、ＭｇＡｌ2Ｏ4、ＫＴａＯ3 から選ばれる少なくとも１つ以上の単結晶化合物、もしくはＳｉＮx を用いることができる。電極２４ａ、２４ｂの材料は第１の実施の形態と同様の金属を用いることができる。
【００２９】
本実施の形態の弾性表面波フィルタ２１においても、大きな電気機械結合係数Ｋ2 を持つことで高効率の弾性表面波フィルタが得られる、膜の均質性と膜表面の平滑性に優れた弾性表面波フィルタが得られる、という第１の実施の形態と同様の効果を奏することができる。さらに、本実施の形態の場合、第１の実施の形態と異なり、ＳｒＴｉＯ3 等の単結晶バルク材料を用意する必要がなく、ＢａＭｏＴｉＯ3 等の材料を薄膜状にして一般的な半導体基板の上に形成すればよいので、トランジスタＩＣ等の周辺回路素子と集積化を図ることができ、小型で軽量なモノリシック素子を実現することができるという利点をも有している。
【００３０】
（第３の実施の形態）
以下、本発明の第３の実施の形態を図３を参照して説明する。
図３は本実施の形態の弾性表面波フィルタ３１を示す断面図であるが、本実施の形態の弾性表面波フィルタが第１、第２の実施の形態のフィルタと異なる点は、下地基板上に音速バッファ層を設け、その上にバッファ層、圧電体層を順次積層した点である。
【００３１】
図３に示すように、Ｓｉ等の下地基板３２上に、サファイヤ等の音速の大きな材料からなる音速バッファ層３６、ＢａＭｏＯ3 等の単結晶材料からなるバッファ層３５、Ｋ1-xＮａxＮｂＯ3 単結晶からなる圧電体層３３が順次積層されている。そして、圧電体層３３の上面にすだれ状電極３４ａ、３４ｂ（電極層）が形成されている。例えば、音速バッファ層３６の厚さは１００ｎｍ程度、バッファ層３５の厚さは２０ｎｍ程度、圧電体層３３の厚さは５００ｎｍ程度、である。なお、音速バッファ層３６に用いる材料としては、サファイヤの他、ＢＮ 、Ｂ4Ｃ等を用いることができる。また、圧電体層３３、下地基板３２、バッファ層３５、電極３４ａ、３４ｂの材料は第２の実施の形態と同様のものを用いることができる。
【００３２】
特に、本実施の形態の弾性表面波フィルタ３１の場合、音速バッファ層３６を設けたことにより弾性表面波が伝搬する基板表面で弾性表面波の伝搬速度が増大するため、使用周波数を大きくすることができ、高周波帯域での使用に好適な弾性表面波フィルタとすることができる。
【００３３】
（第４の実施の形態）
以下、本発明の第４の実施の形態を図４を参照して説明する。
図４は本実施の形態の弾性表面波フィルタ４１を示す断面図であるが、本実施の形態の弾性表面波フィルタが第１〜第３の実施の形態のフィルタと異なる点は、圧電体層上に温度安定化層を形成した点である。
【００３４】
図４に示すように、ＳｒＴｉＯ3 等の単結晶バルク材料からなる下地基板４２の上にＫ1-xＮａxＮｂＯ3 単結晶からなる圧電体層４３が積層され、その上面にＡｌ等からなるすだれ状電極４４ａ、４４ｂ（電極層）が形成されている。そして、電極４４ａ、４４ｂの上方を含む圧電体層４３上の全面を覆うようにＳｉＯ2 からなる温度安定化層４７が形成されている。この温度安定化層４７の厚さは１０００ｎｍ程度、圧電体層４３の厚さは５００ｎｍ程度、である。
【００３５】
本実施の形態の弾性表面波フィルタ４１の場合、圧電体層４３表面がＳｉＯ2 からなる温度安定化層４７で覆われているが、ＳｉＯ2 がＫ1-xＮａxＮｂＯ3 と逆の温度係数を持ち、圧電体層４３と電極４４ａ、４４ｂとの熱膨張差によって圧電体層４３に生じる歪みを緩和するため、弾性表面波フィルタの温度特性を安定化することができる。
【００３６】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば上記実施の形態で挙げた各層の厚さ、電極の寸法等の具体的な数値はほんの一例にすぎず、適宜設計変更が可能である。そして、電極に関しては、圧電体層の上面側に設ける代わりに、圧電体層の下面側（下地基板やバッファ層との界面側）に設けてもよい。また、第４の実施の形態として、第１の実施の形態の積層構造の上にＳｉＯ2 層を設けた例を示したが、第２、第３の実施の形態の積層構造の上にＳｉＯ2 層を設けてもよいことは勿論である。さらに、弾性表面波素子として弾性表面波フィルタの例を挙げたが、電極の構成等を代えることによって、フィルタ以外にも弾性表面波コンボルバ等をはじめとする種々の通信機能素子に本発明を適用することができる。
【００３７】
【実施例】
次に、本発明の効果を実証する実施例について具体的に説明する。
ただし、以下の実施例は本発明の一態様を示すものであって、この発明を限定するものではなく、本発明の技術範囲において適宜変更可能である。
【００３８】
（実施例１）
実施例１は、上記第１の実施の形態の構造を持つ弾性表面波フィルタを用いてＳｒＴｉＯ3下地基板を用い、Ｋに対するＮａの置換割合を変化させた場合の素子特性上の影響、およびＫＮｂＯ3 圧電体層を用いた場合と比較した影響を調べたものである。
実施例１で用いた試料は、図５に示すように、入力側電極５４ａ、出力側電極５４ｂともに開口長が６７．５μｍ（１８λ）で一定のすだれ状Ａｌ電極（正規型電極）であり、測定用のプロービングパッド５８を設けた。弾性表面波の波長λを３．７５μｍとして、各電極指の幅を０．９３７５μｍ（λ／４）、対数を３０、入力側電極５４ａと出力側電極５４ｂ間の距離を０．１８７５ｍｍ（５０λ）と０．３７５ｍｍ（１００λ）の２種類、とした。そして、Ｋに対するＮａの置換割合（ｘ）を変えた４種類の試料（構成例１：ｘ＝０．０００１，構成例２：ｘ＝０．００１，構成例３：ｘ＝０．１，構成例４：ｘ＝０．５）を作製した。具体的な材料の組み合わせは表１に示す通りである。
【００３９】
ここで、Ｋ1-xＮａxＮｂＯ3 の成膜にはゾル−ゲル法を用いた。ゾルゲル液の作製方法と成膜条件は次の通りである。
予め、脱水蒸留した溶媒（メトキシエタノール）約１５０ｍｌに、エトキシカリウム、エトキシナトリウム、ペンタエトキシニオブの各化合物（全て高純度化学（株）製）を溶解させた。この溶液を１２４℃（溶媒の沸点）で２４時間還流した。その後、必要に応じ、金属の価数と等モルの配位子を加え、さらに１２４℃で６時間加熱撹拌（還流）し、液を安定化させた。反応が終了した時点で室温まで冷却し、溶媒を加え、濃度調整し、最終的に０．２モル／Ｌの４種類のＮａ置換ＫＮｂＯ3 ゾルゲル液（Ｋ1-xＮａxＮｂＯ3：ｘ＝０．０００１，０．００１，０．１，０．５）を得た。なお、Ｋ1-xＮａxＮｂＯ3 のｘを変えるには、個々のゾルゲル液をｘの値に応じて混合比を変えてミキシングしている。例えばｘ＝０．０００１の場合、エトキシカリウムを０．９９９９モル、エトキシナトリウムを０．０００１モル、ペンタエトキシニオブを１．００００モルとする。また、成膜は、各々に調整されたゾルゲル液をスピンナーによりＳｒＴｉＯ3単結晶基板上に塗布し、溶媒を１５０℃で乾燥後、大気中で８００℃の温度で焼成した。得られた膜厚は５００ｎｍであった。
【００４０】
また、比較例として、同じＳｒＴｉＯ3単結晶基板の上にＫＮｂＯ3 を形成したもの（比較例１）を作製した。
【００４１】
各試料につき、表１に示す伝搬方向における弾性表面波の伝搬速度ｖ、電気機械結合係数Ｋ2 、素子表面粗さＲａを測定した。
伝搬速度ｖは、入力側と出力側の電極間距離Ｌの異なる２つの試料（Ｌが５０λと１００λ）の入力側電極に高周波パルスをそれぞれ入力し、その出力側電極への到着時間差Δｔを測定し、伝搬路長の差ΔＬ（＝５０λ）から次式により求めた。測定は２５℃で行った。
ｖ＝ΔＬ／Δｔ ……（２）
【００４２】
電気機械結合係数Ｋ2 は、入力側と出力側の電極間の伝搬路上をＡｌで被覆した試料を別に用意し、Ａｌ被覆のない本試料とＡｌ被覆した別試料に対して双方の入力側電極に同位相の連続波を入力した時の出力側電極で得られる２つの出力信号の位相差Δφを測定し、次式により求めた。
【００４３】
素子表面粗さＲａは、触針式粗さ計（ＴＥＮＣＯＲ社製Ｐ−１）を用い、スキャン速度１０μｍ／ｓｅｃで２５０μｍの範囲の二乗平均粗さで評価した。
評価結果を表１に示す。
【００４４】
【表１】
この結果から明らかなように、構成例１〜４の場合、電気機械結合係数Ｋ2 は３〜６％と大きな値をとり、素子表面粗さＲａが３０〜１００Åの値をとることがわかった。また、Ｋ1-xＮａxＮｂＯ3 中のＮａの置換割合を大きくする程、電気機械結合係数Ｋ2 が小さく、素子表面粗さＲａが小さくなることがわかった。また、比較例１の試料では、電気機械結合係数Ｋ2 は４％であったが、素子表面粗さＲａが１６０Åと構成例１〜４に比べて大きい値であった。すなわち、構成例１〜４の試料は、弾性表面波の伝搬面とＫ1-xＮａxＮｂＯ3 単結晶の特定の結晶面が一致し、かつ、素子表面の平滑性が改良されたため、比較例１と同等以上の電気機械結合係数Ｋ2 を持ち、広帯域で低損失な特性を有することがわかった。
【００４６】
（実施例２）
実施例１ではＫと置換する元素としてＮａを用いたが、実施例２では他の置換元素を用いた場合の効果を調べた。
実施例２で用いた試料も素子構造に関しては実施例１の試料と同一である。そして、Ｋ1-xＺxＮｂＯ3 中の置換元素（Ｚ）として、ＫとＦｒを除く周期律１族の元素であるＬｉ、Ｒｂ、Ｃｓを用い、置換割合をｘ＝０．００１で一定とした３種類の試料（構成例５：Ｚ＝Ｌｉ，構成例６：Ｚ＝Ｒｂ，構成例７：Ｚ＝Ｃｓ）を作製した。評価結果を表２に示す。
【００４７】
【表２】
この結果から明らかなように、置換元素としてＬｉ、Ｒｂ、Ｃｓを用いた構成例５〜７における電気機械結合係数Ｋ2 は６％であり、置換元素としてＮａを用いた構成例２と同等の電気機械結合係数Ｋ2 を得ることができた。
【００４９】
（実施例３）
実施例３は、置換元素をＮａ、置換割合をｘ＝０．００１に固定した上で下地基板の材料を変え、本発明の効果を調べたものである。
実施例３で用いた試料も素子構造に関しては実施例１の試料と同一である。そして、置換元素をＮａ、置換割合をｘ＝０．００１に固定し、下地基板を種々に変えた１４種類の試料（構成例２：ＳｒＴｉＯ3（１００），構成例８：ＳｒＴｉＯ3（１１０），構成例９：ＳｒＴｉＯ3（１１１），構成例１０：ＳｒＳｎＯ3（１１０），構成例１１：ＳｒＺｒＯ3（００１），構成例１２：ＳｒＭｏＯ3（１１０），構成例１３：ＳｒＨｆＯ3（１１０），構成例１４：ＢａＭｏＯ3（１１０），構成例１５：ＭｇＯ（１００），構成例１６：Ｐｔ（１１１），構成例１７：ＭｇＡｌ2Ｏ4（１１０），構成例１８：ＫＴａＯ3（１１０），構成例１９：ＧａＡｓ（１１０），構成例２０：Ｓｉ（１１０））を作製した。一方、比較例として下地基板にガラス基板を用いた試料（比較例２）を作製した。評価結果を表３に示す。
【００５０】
【表３】
この結果から明らかなように、比較例２の場合、Ｋ1-xＮａxＮｂＯ3 との格子整合性を持たないガラス基板上にＫ1-xＮａxＮｂＯ3 を形成したことで特定の結晶面が得られず、伝搬速度ｖ、電気機械結合係数Ｋ2 ともに測定不能であった。これに対して、構成例２および構成例８〜２０の場合、電気機械結合係数Ｋ2 は２〜１１％の値をとることがわかった。したがって、構成例２および構成例８〜２０の試料では、従来に比べて大きい電気機械結合係数Ｋ2 が得られ、広帯域で低損失な特性を有することがわかった。
【００５２】
（実施例４）
実施例１〜３が下地基板バルク材料の上に直接圧電体層を形成したのに対し、実施例４は、上記第２の実施の形態の構造を持つ弾性表面波フィルタを用いて本発明特有のバッファ層を用いた場合の効果を調べたものである。
実施例４で用いた試料は電極構造に関しては実施例１の試料と同一である。
そして、置換元素をＮａ、置換割合をｘ＝０．００１に固定した上で、下地基板とバッファ層の組み合わせを代えた８種類の試料（構成例２１：ＢａＭｏＯ3／Ｓｉ，構成例２２：ＭｇＯ／Ｓｉ，構成例２３：Ｐｔ／Ｓｉ，構成例２４：ＳｉＮx／Ｓｉ，構成例２５：ＭｇＡｌ2Ｏ4／Ｓｉ，構成例２６：ＫＴａＯ3／Ｓｉ，構成例２７：ＢａＭｏＯ3／ＧａＡｓ，構成例２８：ＢａＭｏＯ3／Ａｌ2Ｏ3）を作製した。具体的な材料の組み合わせは表４に示す通りである。
【００５３】
例えば、構成例２１の場合、Ｋ1-xＮａxＮｂＯ3 の成膜に実施例１と同じゾル−ゲル法を用い、ＢａＭｏＯ3 の成膜にはレーザーアブレーション法を用いた。ＢａＭｏＯ3 成膜条件は、ターゲット：ＢａＭｏＯ3 、基板温度：６５０℃、使用レーザー：ＡｒＦ（波長：１９３ｎｍ）、レーザーパワー：４Ｊ／ｃｍ2 、１５Ｈｚ、雰囲気（酸素）：０．０５Torr、膜厚：２０ｎｍ、成膜時間２０分、とした。
【００５４】
各試料の評価項目は実施例１の場合と同一である。評価結果を表４に示す。
【００５５】
【表４】
この結果から明らかなように、構成例２１〜２８の場合には、電気機械結合係数Ｋ2 は２〜４％の範囲で大きな値をとることがわかった。したがって、構成例２１〜２８の試料は、弾性表面波の伝搬面とＫ1-xＮａxＮｂＯ3 単結晶の特定の結晶面が一致するため、従来の薄膜圧電材料では得られない広帯域で低損失な特性を有することがわかった。
【００５７】
（実施例５）
実施例５は、上記第３の実施の形態の構造を持つ弾性表面波フィルタを用いてバッファ層と下地基板の間に音速の大きなバッファ層を挿入した場合の効果を調べたものである。
実施例５で用いた試料も電極構造に関しては実施例１の試料と同一である。そして、下地基板をＳｉ（１１０）基板、バッファ層をＢａＭｏＯ3 （１１０）、圧電体層Ｋ1-xＺxＮｂＯ3 の置換元素ＺをＮａ、置換割合をｘ＝０．００１に固定した上で、音速バッファ層の種類を代えた３種類の試料（構成例２９：Ａｌ2Ｏ3，構成例３０：ＢＮ，構成例３１：Ｂ4Ｃ）を作製した。具体的な材料の組み合わせは表５に示す通りである。また、音速バッファ層がない場合の例として、比較例３（実施例４の構成例２１と同じ）を示した。
【００５８】
例えば、構成例２９の場合、Ｋ1-xＮａxＮｂＯ3 の成膜に実施例１と同じゾル−ゲル法を用い、ＢａＭｏＯ3 の成膜に実施例４と同じレーザーアブレーション法を用い、Ａｌ2Ｏ3の成膜にはスパッタリング法を用いた。Ａｌ2Ｏ3成膜条件は、ターゲット：Ａｌ2Ｏ3、基板温度：６５０℃、雰囲気圧：０．０１Torr、Ｏ2 ／Ａｒ：１／５、ＲＦパワー：３００Ｗ、成膜時間：３０分、膜厚：１００ｎｍ、とした。
【００５９】
各試料の評価項目は実施例１の場合と同一である。評価結果を表５に示す。
【００６０】
【表５】
この結果から明らかなように、構成例２９〜３１の場合、音速バッファ層がない比較例３と比べて伝搬速度ｖが１．５〜２．５倍大きくなった。したがって、構成例２９〜３１の試料は、比較例３の試料に比べて伝搬速度が大きくなったことにより、高周波帯域での使用が可能であることがわかった。
【００６２】
（実施例６）
実施例６は、上記第４の実施の形態の構造を持つ弾性表面波フィルタを用いて本発明特有の温度安定化層を用いた場合の効果を調べたものである。
実施例６で用いた試料も電極構造に関しては実施例１の試料と同一である。
そして、ＳｒＴｉＯ3 基板上にＫ1-xＮａxＮｂＯ3 を積層し、さらに温度安定化層としてＳｉＯ2 膜を積層した構成例３２を作製した（表６に示す通り）。温度安定化層がない場合の例として比較例４（実施例１の構成例２と同じ）を示した。
【００６３】
構成例３２の場合、Ｋ1-xＮａxＮｂＯ3 の成膜に実施例１と同じゾル−ゲル法を用い、ＳｉＯ2 の成膜にはスパッタリング法を用いた。ＳｉＯ2 成膜条件は、ターゲット：ＳｉＯ2 、基板温度：６５０℃、雰囲気圧：０．０１Torr、Ｏ2 ／Ａｒ：１／５、ＲＦパワー：３００Ｗ、膜厚：１００ｎｍ、成膜時間１０分、とした。
【００６４】
各試料の評価項目として、実施例１〜５の伝搬速度ｖと電気機械結合係数Ｋ2 に加え、周波数温度係数ＴＣＦを測定した。周波数温度係数ＴＣＦは、温度ＴをΔＴだけ変化させた時の遅延線型オシレータの発振周波数ｆの変化Δｆを測定し、次式により求めた。
ＴＣＦ＝（１／ｆ）・（Δｆ／ΔＴ） ……（４）
なお、測定は１０℃から６５℃の範囲で行った。
評価結果を表６に示す。
【００６５】
【表６】
この結果から明らかなように、温度安定化層を持つ構成例３２は、温度安定化層を持たない比較例４と比べて、伝搬速度はやや小さくなるものの、電気機械結合係数Ｋ2 は大きい値を維持しつつ、周波数温度係数ＴＣＦをはるかに小さくできることがわかった。したがって、構成例３２の試料は、比較例４の試料に比べて温度特性を安定化できることがわかった。
【００６７】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明の弾性表面波素子によれば、下地基板にＫ1-xＺxＮｂＯ3 単結晶に対する格子整合性を持つ材料を用いたことでＫ1-xＺxＮｂＯ3 単結晶が特定の結晶面を持つように成長させることができるため、弾性表面波素子が大きな電気機械結合係数Ｋ2 を持つことになり、広帯域化、高効率化を図ることができる。さらに、Ｋ1-xＺxＮｂＯ3 はＫＮｂＯ3 に比べて水分との反応性が低いため、圧電体層材料にＫ1-xＺxＮｂＯ3 を用いたことで膜の均質性と膜表面の平滑性が向上し、大きな電気機械結合係数Ｋ2 を再現性良く得ることができる。
また、素子を製造する際には、周知の薄膜形成技術を用いてＫ1-xＺxＮｂＯ3 圧電体層を容易に形成でき、従来に比べて製造コストを低減することができる。そして、音速バッファ層を下地基板上に設けることにより、高周波帯域化を図ることができる。さらに、Ｋ1-xＺxＮｂＯ3 圧電体層上に温度安定化層を設けることにより、温度特性の安定化を図ることができる。一方、Ｋ1-xＺxＮｂＯ3 圧電体層、バッファ層、音速バッファ層、温度安定化層等を一般的な半導体基板の上で薄膜として使用することで、トランジスタＩＣ等の周辺回路素子と集積化を図ることができ、小型で軽量な弾性表面波素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態の弾性表面波フィルタを示す、（ａ）斜視図、（ｂ）（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図、である。
【図２】 本発明の第２の実施の形態の弾性表面波フィルタを示す断面図である。
【図３】 本発明の第３の実施の形態の弾性表面波フィルタを示す断面図である。
【図４】 本発明の第４の実施の形態の弾性表面波フィルタを示す断面図である。
【図５】 本発明の実施例で用いた試料の弾性表面波フィルタを示す平面図である。
【図６】 本発明で圧電体層として用いるＫ1-xＺxＮｂＯ3 の結晶面を示す図である。
【図７】 ＫＮｂＯ3 単結晶の回転Ｙ板における回転角と電気機械結合係数の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１１，２１，３１，４１ 弾性表面波フィルタ
１２，２２，３２，４２ 下地基板
１３，２３，３３，４３ 圧電体層
１４ａ，１４ｂ，２４ａ，２４ｂ，３４ａ，３４ｂ，４４ａ，４４ｂ，５４ａ，５４ｂ すだれ状電極（電極層）
２５，３５ バッファ層
３６ 音速バッファ層
４７ 温度安定化層
Claims (8)
- 一般式がＫ1-xＺxＮｂＯ3 （Ｚ：Ｌｉ，ＲｂまたはＣｓのいずれかの元素、ｘ：０．０００１≦ｘ≦０．５の範囲の数値）で表される単結晶が成長するようなバルク材料からなる下地基板と、該下地基板上に積層された前記Ｋ1-xＺxＮｂＯ3 単結晶からなる圧電体層と、該圧電体層の上面または下面に設けられた電極層、を有し、
前記下地基板のバルク材料が、ＳｒＴｉＯ 3 、ＳｒＳｎＯ 3 、ＳｒＺｒＯ 3 、ＳｒＭｏＯ 3 、ＳｒＨｆＯ 3 、ＢａＭｏＯ 3 、ＭｇＯから選ばれる少なくとも１つ以上の単結晶化合物からなることを特徴とする弾性表面波素子。 - 請求項１に記載の弾性表面波素子において、前記下地基板が、前記Ｋ1-xＺxＮｂＯ3 単結晶のＸ軸を含む全ての結晶面が成長するようなバルク材料からなることを特徴とする弾性表面波素子。
- 下地基板と、該下地基板上に積層され、一般式がＫ1-xＺxＮｂＯ3 （Ｚ：Ｌｉ，ＲｂまたはＣｓのいずれかの元素、ｘ：０．０００１≦ｘ≦０．５の範囲の数値）で表される単結晶が成長するような材料からなるバッファ層と、該バッファ層上に積層された前記Ｋ1-xＺxＮｂＯ3 単結晶からなる圧電体層と、該圧電体層の上面または下面に設けられた電極層、を有し、
前記下地基板のバルク材料が、ＳｒＴｉＯ 3 、ＳｒＳｎＯ 3 、ＳｒＺｒＯ 3 、ＳｒＭｏＯ 3 、ＳｒＨｆＯ 3 、ＢａＭｏＯ 3 、ＭｇＯから選ばれる少なくとも１つ以上の単結晶化合物からなり、
前記バッファ層の材料が、ＢａＭｏＯ 3 、ＭｇＯ、Ｐｔ、ＭｇＡｌ 2 Ｏ 4 、ＫＴａＯ 3 から選ばれる少なくとも１つ以上の単結晶化合物、もしくはＳｉＮ x からなることを特徴とする弾性表面波素子。 - 請求項３に記載の弾性表面波素子において、前記バッファ層が、前記Ｋ1-xＺxＮｂＯ3 単結晶のＸ軸を含む全ての結晶面が成長するような材料からなることを特徴とする弾性表面波素子。
- 請求項３または請求項４に記載の弾性表面波素子において、前記下地基板と前記バッファ層との間に、音速の大きな材料からなる音速バッファ層が設けられたことを特徴とする弾性表面波素子。
- 請求項５に記載の弾性表面波素子において、前記音速の大きな材料が、サファイヤ、ＢＮから選ばれる少なくとも１つ以上の結晶化合物、もしくはＢ4Ｃ からなることを特徴とする弾性表面波素子。
- 請求項１ないし６のいずれかに記載の弾性表面波素子において、前記圧電体層と逆の温度係数を持ち、前記圧電体層と前記電極層の熱膨張差によって圧電体層に生じる歪みを緩和する材料からなる温度安定化層が、前記圧電体層上に積層されたことを特徴とする弾性表面波素子。
- 請求項７に記載の弾性表面波素子において、前記歪みを緩和する材料がＳｉＯ2 であることを特徴とする弾性表面波素子。
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