通信用共振素子の格段の高周波化を可能にする新しい圧電薄膜共振デバイスの研究

2000 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11305025
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 中村 僖良 東北大学, 大学院・工学研究科, 教授 (00005365)
• 研究分担者: 山田 顕 東北大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (80134021)
• キーワード: 圧電共振子 / 音響多層膜 / ZnO薄膜 / LiTaO_3結晶 / MBE

研究概要

本研究の目的は、20GHz程度の高周波まで使え高度集積化が可能な共振素子の開拓を目指して、λ/4音響多層膜を用いた新しい超高周波圧電薄膜共振デバイスの研究を行うことにある。本年度に得られた成果、知見を以下に要約する。
1.電子ビーム蒸着装置およびマルチタッゲット・RFスパッタ装置による音響多層膜および圧電膜の成長と評価の研究を行った。1μm以下の薄膜の音響特性(音速および音響インピーダンス)を評価する方法として、圧電振動子の表面に膜を付け、膜付け前後のオーバートーン共振周波数の変化から評価する方法を提案・開発し、成膜方法および成膜条件による音響特性の違いを明らかにした。
2.高インピーダンス層と低インピーダンス層の順序を入れ替えたλ/4モード構成について、共振尖鋭度Qや実効的電気機械結合係数のインピーダンス比および層数依存性を理論解析した。その結果、λ/2モード構成よりも圧電膜は薄くてよいが、電気機械結合係数は少し小さいことが明らかになった。
3.圧電膜中にエネルギーを閉じ込めた形で表面に沿って伝搬する弾性波の分散特性を解析し、有限寸法電極にエネルギーが閉じ込められた振動を生じさせることが可能であることを示した。また、複数のエネルギー閉じ込め型共振器を互いに音響的に結合させたフィルタを提案した。
4.素子製作上は、圧電膜も含めて層を2種類だけにすることが望ましいことから、ZnO膜を圧電膜およびλ/4高音響インピーダンス層として、SiO_2をλ/4低音響インピーダンス層として用いる構成を提案し、理論解析を行った。また実際に、5層の多層膜からなるZnO圧電薄膜共振子を試作し、1-20GHz帯デバイスとして有望であることを示した。

研究成果

• [文献書誌] Hirofumi Kanbara: "Analysis of Piezoelectric Thin Film Resonators with Acoustic Quarter-Wave Multilayers"Jpn.J.Appl.Phys.. Vol.39 No.5B. 3049-3053 (2000)
• [文献書誌] Kiyoshi Nakamura: "ZnO Film Growth on (0112) LiTaO_3 by Electron Cyclotron Resonance-Assisted Molecular Beam Epitaxy and Determination of Its Polarity"Jpn.J.Appl.Phys.. Vol.39 No.6A. L534-L536 (2000)
• [文献書誌] Kiyoshi Nakamura: "Growth of ZnO Films on (012) LiTaO_3 by ECR-MBE and Determination of Their Polarity"Proc.of ISAF 2000, July 30-August 2,2000. (2000)
• [文献書誌] 小林英晃: "オーバートーン厚み振動子を利用した薄膜の音響特性評価"信学技報. US2000-53. (2000)
• [文献書誌] 小林英晃: "オーバートーン厚み振動子を利用した薄膜の音響特性評価"2000年電子情報通信学会基礎・境界ソサイエティ大会講演論文集. 192 (2000)
• [文献書誌] Kiyoshi Nakamura: "Evaluation of Acoutic Properties of Thin Films Using Piezoelectric Overtone Thickness-Mode Resonators"Proc.2000 IEEE International Ultrasonics Symposium. (2000)