2023 Fiscal Year Research-status Report
分極反転構造巨大圧電性他元素ドープAlN薄膜の創成と高周波弾性波フィルタへの応用
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22K14288
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| Research Institution | University of Yamanashi |
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Principal Investigator |
鈴木 雅視 山梨大学, 大学院総合研究部, 助教 (60763852)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | AlN薄膜 / 弾性波 / 分極反転構造 / BAW共振子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
我々の周りには様々な周波数の通信用電波が飛び交っており，周波数フィルタはテレビ，携帯電話，無線LAN等に必要不可欠である。一方，スマートフォンやタブレット等の急速な発達・普及，センサネットワーク社会等を実現するために，大容量・高速で通信可能な高周波数帯を用いる通信システムへの移行が予想される。よって次世代周波数フィルタも高周波化が必須である。現在，バルク弾性波(BAW)フィルタはスマートフォン内部に数10個搭載され，移動体通信産業を支える極めて重要な役割を果たしているが，高周波電波通信に対応する次世代BAWフィルタには「4 GHz以上の高周波動作」「広い通過帯域幅（電気機械結合係数=10%以上）」「高い急峻性（Q値=1,000以上）」「高い耐電力性（1 W以上）」の両立が求められる。しかし，従来の圧電薄膜材料（AlN圧電膜），デバイス構造（電極/AlN圧電膜/電極）ではこれらの性能を両立することは困難である。一方で，n層分極反転構造BAWフィルタでは，n次モードで共振する。従来構造と同膜厚でn層の分極反転膜を形成した場合，動作周波数は従来構造のn倍となり，高周波化が可能となる。また，1層分の層厚を保ったまま層数を増やしても動作周波数は変化しない。よって膜厚も十分に確保できるため，耐電力性や機械的耐久性の向上に繋がると考えられる。そこで本研究では，「分極反転構造」からなる新たなAlN系圧電膜の創成とその膜を用いた5～10 GHzで動作可能な高次モード共振BAWフィルタの開発に挑戦する。
具体的には。以下の理論的・実験的検討を行う。
・数値，理論解析による分極反転多層膜BAWデバイスの最適構造探索
・AlN系膜における分極制御技術の開発および分極反転多層構造膜の形成
・5 GHz以上で動作する分極反転多層膜BAWデバイスの形成・特性評価
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2023年度には以下の研究成果が得られた。
①有限要素法（FEM）による分極反転多層膜SMR型BAW共振子の解析
分極反転層数を変化させたAlN薄膜SMR型BAW共振子の周波数特性を2次元FEM解析した。2022年度の一次元解析と同様に層数が増えるにつれて帯域幅が増加すること確認した。また分極反転層数増加に伴いAlN膜の弾性定数および音響インピーダンスが疑似的に増加し，それによりAlN膜に集中するBAWエネルギーが増え，基板に漏洩するエネルギーは低減されることが帯域幅の改善の要因であることを明らかにした。
②AlN系膜における分極制御技術の開発および分極反転多層構造膜の形成
2022年度に達成したSiAlN/AlN膜からなる2層，4層分極反転構造膜をSMR型BAW共振子用の基板である音響反射多層膜/Si基板上に同様に形成し，周波数特性を評価した。2,4層分極反転SiAlN/AlN膜SMRではAlN単層膜より約2,4倍の膜厚を有するにも関わらず，同周波数帯の5GHz付近でそれぞれ2次モード，4次モード共振が観測された。共振の急峻性を示すQ値は構造に違いはほぼなく約300であり，分極反転構造を用いるとデバイスの大きさを確保しつつ，共振周波数およびQ値が維持できることが実験的に実証できた。また，2層SiAlN/AlN膜の帯域幅はAlN単層膜より大きくなり，数値解析で発見した分極反転構造によるBAWの集中に起因する帯域幅の改善が実験的にも観測された。しかし4層まで多層化すると帯域幅はわずかに減少した。これはSiAlN膜での圧電性の低下が要因だと考えられる。
以上の結果から，目標達成には解決すべき課題があるが，おおむね順調に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
①分極反転多層膜BAWデバイスの最適構造探索の続き
引き続き分極反転構造AlN薄膜SMR型BAW共振子周波数特性を1次元，2次元解析を行い，より高周波（10GHz以上）動作時の分極反転構造，電極構造，音響ブラッグ反射層の最適設計を検討する。
②高品質分極反転膜の形成方法探索と10GHz付近で動作する分極反転多層構造BAW共振子の形成・特性評価
積層毎の膜質劣化を抑えるための成膜条件のさらなる探索（成膜ガス比等）と連続成膜の検討を行うことでより高品質な多層膜の形成を目指す。また10GHz付近で動作可能な分極反転構造SiAlN/AlN薄膜SMR型BAW共振子を形成，評価することで，分極反転構造の利点が5 GHz以上のさらなる高周波動作でより強調されるのか実験的に考察する。
これらで得られた研究成果を取り纏め、論文投稿・学会発表を行う。
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| Causes of Carryover |
2023年度はこれまでに準備してきた材料や部品により実験を進めることができた，また納期が2023年度間に合わない物品があったため次年度使用額が生じた。2023年度より購入準備を進めている希土類金属-Al合金ターゲットや連続成膜が実施できる実験装置を立ち上げる費用，および国際学会での旅費にあてる予定である。
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