(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２価元素と４価元素を含有する窒化アルミニウム膜からなる圧電膜と、
前記圧電膜を伝搬する弾性波を励振する電極と、を備え、
前記２価元素と前記４価元素の組み合わせは、カルシウムとチタン、カルシウムとジルコニウム、カルシウムとハフニウム、マグネシウムとチタン、マグネシウムとジルコニウム、マグネシウムとハフニウム、ストロンチウムとハフニウム、亜鉛とチタン、亜鉛とジルコニウム、又は亜鉛とハフニウムのいずれかであることを特徴とする弾性波デバイス。
【請求項２】
２価元素と５価元素を含有する窒化アルミニウム膜からなる圧電膜と、
前記圧電膜を伝搬する弾性波を励振する電極と、を備え、
前記２価元素と前記５価元素の組み合わせは、マグネシウムとタンタル、マグネシウムとニオブ、マグネシウムとバナジウム、亜鉛とタンタル、亜鉛とニオブ、又は亜鉛とバナジウムのいずれかであることを特徴とする弾性波デバイス。
【請求項３】
２価元素と４価元素、または、２価元素と５価元素を含有する窒化アルミニウム膜からなる圧電膜と、
前記圧電膜を伝搬する弾性波を励振する電極と、を備え、
前記圧電膜は、圧電定数ｅ３３の値が１．５５Ｃ／ｍ２より大きいことを特徴とする弾性波デバイス。
【請求項４】
２価元素と４価元素、または、２価元素と５価元素を含有する窒化アルミニウム膜からなる圧電膜と、
前記圧電膜を伝搬する弾性波を励振する電極と、を備え、
前記圧電膜は、ａ軸方向の格子定数とｃ軸方向の格子定数との比が１．６より小さいことを特徴とする弾性波デバイス。
【請求項５】
２価元素と４価元素を含有する窒化アルミニウム膜からなる圧電膜と、
前記圧電膜を伝搬する弾性波を励振する電極と、を備え、
前記２価元素と前記４価元素の合計濃度は、前記２価元素、前記４価元素、及び前記窒化アルミニウム膜におけるアルミニウムの原子数の総量を１００原子％とした場合に、３原子％以上且つ３５原子％以下であることを特徴とする弾性波デバイス。
【請求項６】
２価元素と４価元素を含有する窒化アルミニウム膜からなる圧電膜と、
前記圧電膜を伝搬する弾性波を励振する電極と、を備え、
前記２価元素と前記４価元素の合計濃度に対する前記４価元素の濃度の比は、前記２価元素、前記４価元素、及び前記窒化アルミニウム膜におけるアルミニウムの原子数の総量を１００原子％とした場合に、０．３５以上且つ０．７５以下であることを特徴とする弾性波デバイス。
【請求項７】
２価元素と４価元素、または、２価元素と５価元素を含有する窒化アルミニウム膜からなる圧電膜と、
前記圧電膜を伝搬する弾性波を励振する電極と、を備え、
前記圧電膜は、ｃ軸配向性を有する結晶構造であることを特徴とする弾性波デバイス。
【請求項８】
前記２価元素と前記４価元素、または、前記２価元素と前記５価元素は、前記窒化アルミニウム膜のアルミニウムサイトに置換されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項記載の弾性波デバイス。
【請求項９】
誘電率を大きくさせること及び音速を遅くさせることの少なくとも一方に寄与する元素を含有する窒化アルミニウム膜からなる圧電膜と、
前記圧電膜を伝搬する弾性波を励振する電極と、を備え、
共振周波数が１．５ＧＨｚ以下であることを特徴とする弾性波デバイス。
【請求項１０】
前記圧電膜は、誘電率ε３３が８．４２×１０−１１Ｆ／ｍより大きいことを特徴とする請求項９記載の弾性波デバイス。
【請求項１１】
前記圧電膜は、音速が１１４０４ｍ／ｓより遅いことを特徴とする請求項９または１０記載の弾性波デバイス。
【請求項１２】
前記圧電膜は、前記元素として２価元素と４価元素を含有することを特徴とする請求項９から１１のいずれか一項記載の弾性波デバイス。
【請求項１３】
前記２価元素は、カルシウム、マグネシウム、ストロンチウム、及び亜鉛のうちの少なくとも１つであり、前記４価元素は、チタン、ジルコニウム、及びハフニウムのうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１２記載の弾性波デバイス。
【請求項１４】
前記圧電膜は、前記元素として３価元素を含有することを特徴とする請求項９から１１のいずれか一項記載の弾性波デバイス。
【請求項１５】
前記３価元素は、イットリウム及びスカンジウムの少なくとも一方であることを特徴とする請求項１４記載の弾性波デバイス。
【請求項１６】
前記圧電膜は、ｃ軸配向性を有する結晶構造であることを特徴とする請求項１から６および８から１５のいずれか一項記載の弾性波デバイス。
【請求項１７】
前記圧電膜の弾性定数の温度係数とは逆符号の温度係数を持つ温度補償膜を備えることを特徴とする請求項１から１６のいずれか一項記載の弾性波デバイス。
【請求項１８】
前記温度補償膜は、前記圧電膜に接していることを特徴とする請求項１７記載の弾性波デバイス。
【請求項１９】
前記温度補償膜は、酸化シリコンを主成分とすることを特徴とする請求項１７または１８記載の弾性波デバイス。
【請求項２０】
前記電極は、前記圧電膜を挟んで対向する上部電極と下部電極であることを特徴とする請求項１から１９のいずれか一項記載の弾性波デバイス。
【請求項２１】
前記圧電膜の弾性定数の温度係数とは逆符号の温度係数を持つ温度補償膜と、前記温度補償膜の上面及び下面それぞれに設けられ、互いに電気的に短絡した導電膜と、を備えることを特徴とする請求項２０記載の弾性波デバイス。
【請求項２２】
前記圧電膜と、前記圧電膜を挟んで対向する上部電極と下部電極である前記電極と、を含む第１圧電薄膜共振子と第２圧電薄膜共振子とを有し、
前記第１圧電薄膜共振子と前記第２圧電薄膜共振子とは積み重なって設けられ、前記第１圧電薄膜共振子に含まれる前記上部電極と前記第２圧電薄膜共振子に含まれる前記下部電極との間にデカプラ膜が設けられていることを特徴とする請求項１から１９のいずれか一項記載の弾性波デバイス。
【請求項２３】
前記電極は、前記圧電膜上に設けられた櫛型電極であることを特徴とする請求項１から１９のいずれか一項記載の弾性波デバイス。
【請求項２４】
前記電極によって励振される前記弾性波は、弾性表面波又はラム波であることを特徴とする請求項２３記載の弾性波デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性波デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話に代表される無線通信機器の普及により、弾性表面波（ＳＡＷ：Surface Acoustic Wave）あるいは厚み振動波（ＢＡＷ：Bulk Acoustic Wave）を用いた弾性波デバイスを複数組み合わせたフィルタが開発されている。ＳＡＷあるいはＢＡＷを利用したフィルタは、誘電体フィルタに比べて、外形が小さく、高いＱを有するため、小型で急峻なスカート特性が要求される携帯電話等の無線通信機器の高周波用部品に適している。また、ＳＡＷあるいはＢＡＷを用いた弾性波デバイスを発展させたデバイスとして、ラム波（Lamb Wave）を用いた弾性波デバイスが提案されている。
【０００３】
近年、フィルタの高性能化の要望が大きく、例えばフィルタ特性の広帯域化が求められている。フィルタ特性の広帯域化は、フィルタに用いられる弾性波デバイスの電気機械結合係数を大きくすることで実現できる。弾性波デバイスの電気機械結合係数を大きくすることは、電気機械結合係数の大きな圧電膜を用いることで実現できる。
【０００４】
例えば非特許文献１には、圧電膜として窒化アルミニウム膜を用いた場合において、窒化アルミニウム膜のｃ軸配向性を制御することで、弾性波デバイスの電気機械結合係数を向上できることが記載されている。例えば特許文献１には、アルカリ土類金属及び／又は希土類金属を含有する窒化アルミニウム膜を圧電膜に用いることで、弾性波デバイスの電気機械結合係数を向上できることが記載されている。また、例えば特許文献２には、所定範囲内の含有率でスカンジウムを含有する窒化アルミニウム膜を圧電膜に用いることで、弾性波デバイスの圧電応答性を向上できることが記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Rajan S. Naik, 外１０名, “Measurements of the Bulk, C-Axis Electromechanical Coupling Constant as a Function of AlN Film Quality”, IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS, FERROELECTRICS AND FREQUENCY CONTROL, 2000, vol. 47, p. 292-296
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−３４４２７９号公報
【特許文献２】特開２００９−１０９２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、非特許文献１は、窒化アルミニウム膜自体の電気機械結合係数を向上させる技術であることから、窒化アルミニウム膜の材料特性から得られる電気機械結合係数より大きな値を得ることはできない。また、特許文献１は、ｃ軸配向窒化アルミニウム粒子間の粒界の結合密度を高めることで電気機械結合係数を向上させる技術であることから、窒化アルミニウム膜の材料特性から得られる電気機械結合係数より大きな値を得ることはできない。
【０００８】
または、弾性波デバイスは、共振周波数が低くなるほど大型化してしまい、コスト高を招くということが生じる。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、大きな電気機械結合係数を有する弾性波デバイスを得ること、又は、弾性波デバイスの大型化を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、２価元素と４価元素を含有する窒化アルミニウム膜からなる圧電膜と、前記圧電膜を伝搬する弾性波を励振する電極と、を備え、前記２価元素と前記４価元素の組み合わせは、カルシウムとチタン、カルシウムとジルコニウム、カルシウムとハフニウム、マグネシウムとチタン、マグネシウムとジルコニウム、マグネシウムとハフニウム、ストロンチウムとハフニウム、亜鉛とチタン、亜鉛とジルコニウム、又は亜鉛とハフニウムのいずれかであることを特徴とする弾性波デバイスである。
【００１１】
本発明は、２価元素と５価元素を含有する窒化アルミニウム膜からなる圧電膜と、前記圧電膜を伝搬する弾性波を励振する電極と、を備え、前記２価元素と前記５価元素の組み合わせは、マグネシウムとタンタル、マグネシウムとニオブ、マグネシウムとバナジウム、亜鉛とタンタル、亜鉛とニオブ、又は亜鉛とバナジウムのいずれかであることを特徴とする弾性波デバイスである。
【００１２】
本発明は、２価元素と４価元素、または、２価元素と５価元素を含有する窒化アルミニウム膜からなる圧電膜と、前記圧電膜を伝搬する弾性波を励振する電極と、を備え、前記圧電膜は、圧電定数ｅ３３の値が１．５５Ｃ／ｍ２より大きいことを特徴とする弾性波デバイスである。
【００１３】
本発明は、２価元素と４価元素、または、２価元素と５価元素を含有する窒化アルミニウム膜からなる圧電膜と、前記圧電膜を伝搬する弾性波を励振する電極と、を備え、前記圧電膜は、ａ軸方向の格子定数とｃ軸方向の格子定数との比が１．６より小さいことを特徴とする弾性波デバイスである。
【００１４】
本発明は、２価元素と４価元素を含有する窒化アルミニウム膜からなる圧電膜と、前記圧電膜を伝搬する弾性波を励振する電極と、を備え、前記２価元素と前記４価元素の合計濃度は、前記２価元素、前記４価元素、及び前記窒化アルミニウム膜におけるアルミニウムの原子数の総量を１００原子％とした場合に、３原子％以上且つ３５原子％以下であることを特徴とする弾性波デバイスである。
【００１５】
本発明は、２価元素と４価元素を含有する窒化アルミニウム膜からなる圧電膜と、前記圧電膜を伝搬する弾性波を励振する電極と、を備え、前記２価元素と前記４価元素の合計濃度に対する前記４価元素の濃度の比は、前記２価元素、前記４価元素、及び前記窒化アルミニウム膜におけるアルミニウムの原子数の総量を１００原子％とした場合に、０．３５以上且つ０．７５以下であることを特徴とする弾性波デバイスである。
【００１６】
本発明は、２価元素と４価元素、または、２価元素と５価元素を含有する窒化アルミニウム膜からなる圧電膜と、前記圧電膜を伝搬する弾性波を励振する電極と、を備え、前記圧電膜は、ｃ軸配向性を有する結晶構造であることを特徴とする弾性波デバイスである。
【００１７】
上記構成において、前記２価元素と前記４価元素、または、前記２価元素と前記５価元素は、前記窒化アルミニウム膜のアルミニウムサイトに置換されている構成とすることができる。
【００２０】
本発明は、誘電率を大きくさせること及び音速を遅くさせることの少なくとも一方に寄与する元素を含有する窒化アルミニウム膜からなる圧電膜と、前記圧電膜を伝搬する弾性波を励振する電極と、を備え、共振周波数が１．５ＧＨｚ以下であることを特徴とする弾性波デバイスである。本発明によれば、弾性波デバイスの大型化を抑制することができる。
【００２１】
上記構成において、前記圧電膜は、誘電率ε３３が８．４２×１０−１１Ｆ／ｍより大きい構成とすることができる。
【００２２】
上記構成において、前記圧電膜は、音速が１１４０４ｍ／ｓより遅い構成とすることができる。
【００２３】
上記構成において、前記圧電膜は、前記元素として２価元素と４価元素を含有する構成とすることができる。
【００２４】
前記２価元素は、カルシウム、マグネシウム、ストロンチウム、及び亜鉛のうちの少なくとも１つであり、前記４価元素は、チタン、ジルコニウム、及びハフニウムのうちの少なくとも１つである構成とすることができる。
【００２５】
上記構成において、前記圧電膜は、前記元素として３価元素を含有する構成とすることができる。
【００２６】
上記構成において、前記３価元素は、イットリウム及びスカンジウムの少なくとも一方である構成とすることができる。
【００２７】
上記構成において、前記圧電膜は、ｃ軸配向性を有する結晶構造である構成とすることができる。
【００２８】
上記構成において、前記圧電膜の弾性定数の温度係数とは逆符号の温度係数を持つ温度補償膜を備える構成とすることができる。
【００２９】
上記構成において、前記温度補償膜は、前記圧電膜に接している構成とすることができる。
【００３０】
上記構成において、前記温度補償膜は、酸化シリコンを主成分とする構成とすることができる。
【００３１】
上記構成において、前記電極は、前記圧電膜を挟んで対向する上部電極と下部電極である構成とすることができる。
【００３２】
上記構成において、前記圧電膜の弾性定数の温度係数とは逆符号の温度係数を持つ温度補償膜と、前記温度補償膜の上面及び下面それぞれに設けられ、互いに電気的に短絡した導電膜と、を備える構成とすることができる。
【００３３】
上記構成において、前記圧電膜と、前記圧電膜を挟んで対向する上部電極と下部電極である前記電極と、を含む第１圧電薄膜共振子と第２圧電薄膜共振子とを有し、前記第１圧電薄膜共振子と前記第２圧電薄膜共振子とは積み重なって設けられ、前記第１圧電薄膜共振子に含まれる前記上部電極と前記第２圧電薄膜共振子に含まれる前記下部電極との間にデカプラ膜が設けられている構成とすることができる。
【００３４】
上記構成において、前記電極は、前記圧電膜上に設けられた櫛型電極である構成とすることができる。
【００３５】
上記構成において、前記電極によって励振される弾性波は、弾性表面波又はラム波である構成とすることができる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によれば、大きな電気機械結合係数を有する弾性波デバイスを得ること、又は、弾性波デバイスの大型化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】図１は、シミュレーションに用いた窒化アルミニウムの構造を示す図である。
【図２】図２（ａ）は、実施例１に係る弾性波デバイスの上面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ間の断面図であり、図２（ｃ）は、図２（ａ）のＢ−Ｂ間の断面図である。
【図３】図３（ａ）から図３（ｈ）は、実施例１に係る弾性波デバイスの製造方法を説明するための断面図である。
【図４】図４（ａ）は、第１ＦＢＡＲの共振特性のシミュレーション結果であり、図４（ｂ）は、第２ＦＢＡＲの共振特性のシミュレーション結果である。
【図５】図５は、第１ドープ窒化アルミニウムのバンド構造のシミュレーション結果である。
【図６】図６は、第２ドープ窒化アルミニウムのバンド構造のシミュレーション結果である。
【図７】図７は、第３ドープ窒化アルミニウムのバンド構造のシミュレーション結果である。
【図８】図８は、圧電定数ｅ３３と電気機械結合係数ｋ２との関係を示した図である。
【図９】図９は、ａ軸方向の格子定数とｃ軸方向の格子定数との比（ｃ／ａ）の値と電気機械結合係数ｋ２との関係を示した図である。
【図１０】図１０（ａ）は、２価元素にマグネシウムを４価元素にハフニウムを用いた場合、図１０（ｂ）は、２価元素にマグネシウムを４価元素にチタンを用いた場合の電気機械結合係数ｋ２の置換濃度依存性を示す図である。
【図１１】図１１は、実施例１の変形例１に係る弾性波デバイスの断面図である。
【図１２】図１２（ａ）は、第３ＦＢＡＲの共振特性のシミュレーション結果であり、図１２（ｂ）は、第４ＦＢＡＲの共振特性のシミュレーション結果である。
【図１３】図１３は、第５ＦＢＡＲの共振特性のシミュレーション結果である。
【図１４】図１４は、第４ドープ窒化アルミニウムのバンド構造のシミュレーション結果である。
【図１５】図１５は、第５ドープ窒化アルミニウムのバンド構造のシミュレーション結果である。
【図１６】図１６は、圧電定数ｅ３３と電気機械結合係数ｋ２との関係を示した図である。
【図１７】図１７は、ａ軸方向の格子定数とｃ軸方向の格子定数との比（ｃ／ａ）の値と電気機械結合係数ｋ２との関係を示した図である。
【図１８】図１８は、２価元素にマグネシウムを５価元素にタンタルを用いた場合の電気機械結合係数ｋ２の置換濃度依存性を示す図である。
【図１９】図１９は、第６ＦＢＡＲの共振特性のシミュレーション結果である。
【図２０】図２０（ａ）は、ＭｇとＺｒの合計置換濃度と圧電定数の増加率との関係を示す図であり、図２０（ｂ）は、図２０（ａ）からＭｇとＺｒの置換濃度の比率が１：１近傍であるデータを抽出した図である。
【図２１】図２１（ａ）は、ＭｇとＺｒの置換濃度の比と圧電定数の増加率との関係を示す図であり、図２１（ｂ）は、図２１（ａ）からＭｇとＺｒの合計置換濃度が３原子％以上且つ１０原子％以下であるデータを抽出した図である。
【図２２】図２２（ａ）及び図２２（ｂ）は、２価元素と４価元素の合計置換濃度と圧電定数の増加率との関係を示す図である。
【図２３】図２３は、ＭｇとＺｒの合計置換濃度とｃ／ａの値との関係を示す図である。
【図２４】図２４（ａ）は、比較例３のＦＢＡＲの共振周波数と共振部の規格化膜厚との関係を示す図であり、図２４（ｂ）は、共振周波数と共振部の規格化面積との関係を示す図である。
【図２５】図２５（ａ）は、Ｓｃの置換濃度と誘電率ε３３との関係を示す図であり、図２５（ｂ）は、Ｓｃの置換濃度と音速Ｖとの関係を示す図である。
【図２６】図２６（ａ）は、実施例４のＦＢＡＲの共振周波数と共振部の規格化膜厚との関係を示す図であり、図２６（ｂ）は、共振周波数と共振部の規格化面積との関係を示す図である。
【図２７】図２７（ａ）は、実施例４の変形例１に係る弾性波デバイスの断面図であり、図２７（ｂ）は、実施例４の変形例２に係る弾性波デバイスの断面図である。
【図２８】図２８（ａ）は、実施例４の変形例１及び変形例２の共振周波数と共振部の規格化膜厚との関係を示す図であり、図２８（ｂ）は、共振周波数と共振部の規格化面積との関係を示す図である。
【図２９】図２９（ａ）は、第１変形例に係るＦＢＡＲの断面図であり、図２９（ｂ）は、第２変形例に係るＦＢＡＲの断面図であり、図２９（ｃ）は、ＳＭＲの断面図である。
【図３０】図３０は、ＣＲＦの断面図である。
【図３１】図３１（ａ）は、弾性表面波デバイスの上面図であり、図３１（ｂ）は、図３１（ａ）のＡ−Ａ間の断面図である。図３１（ｃ）は、ラブ波デバイスの断面図であり、図３１（ｄ）は、弾性境界波デバイスの断面図である。
【図３２】図３２は、ラム波デバイスの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００３９】
まず、発明者が窒化アルミニウム（ＡｌＮ）に対して行ったシミュレーションについて説明する。シミュレーションは、第１原理計算と呼ばれる手法を用いて行った。第１原理計算とは、フィッティングパラメータ等を使用しない電子状態計算方法の総称であり、単位格子あるいは分子等を構成する各原子の原子番号と座標だけで、電子状態計算が可能な手法である。図１は、シミュレーションに用いたＡｌＮの構造を示す図である。図１のように、２個のアルミニウム原子１０と２個の窒素原子１２とからなる単位格子を、ａ軸、ｂ軸、及びｃ軸方向にそれぞれ２倍した１６個のアルミニウム原子１０と１６個の窒素原子１２とからなるスーパーセルのウルツ鉱型結晶構造のＡｌＮをシミュレーションに用いた。このウルツ鉱型結晶構造のＡｌＮに対して、原子座標、セル体積、及びセル形状の全てを同時に動かして第１原理計算を行い、安定構造のＡｌＮの電子状態を計算した。
【００４０】
表１は、第１原理計算で求めた安定構造のＡｌＮの電子状態から算出したａ軸方向の格子定数、ｃ軸方向の格子定数、及びａ軸方向の格子定数とｃ軸方向の格子定数との比（ｃ／ａ）の値である。また、実際にスパッタ法を用いてＡｌＮ膜を成膜して、このＡｌＮ膜に対してＸ線回折法を用いて測定した実験値についても表１に示す。
【表１】
0005904591.tif 000002
【００４１】
表１のように、計算値及び実験値共に、ａ軸方向の格子定数は３．１１［Å］、ｃ軸方向の格子定数は４．９８［Å］、ｃ／ａの値は１．６０となった。この結果から、第１原理計算を用いた本シミュレーションは妥当であることが言える。
【００４２】
次に、ＡｌＮにアルミニウム（Ａｌ）及び窒素（Ｎ）以外の他の元素をドープしたドープＡｌＮに対して行ったシミュレーションについて説明する。なお、以下において、Ａｌ及びＮ以外の他の元素をドープしていないＡｌＮをノンドープＡｌＮと称する。図１で説明したウルツ鉱型結晶構造のノンドープＡｌＮに対して、アルミニウム原子１０の１個を２価元素で置換し、別の１個のアルミニウム原子１０を４価元素で置換した結晶構造のドープＡｌＮに対してシミュレーションを行った。つまり、アルミニウムサイトの一部が２価元素と４価元素に置換されて、アルミニウム原子１４個、２価元素１個、４価元素１個、及び窒素原子１６個からなるウルツ鉱型結晶構造のドープＡｌＮに対してシミュレーションを行った。ここで、アルミニウム原子数と置換元素の原子数との総量を１００原子％としたときの、置換元素の原子濃度を置換濃度と称すこととする。したがって、シミュレーションに用いたドープＡｌＮの２価元素及び４価元素の置換濃度は共に６．２５原子％である。２価元素としてカルシウム（Ｃａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、あるいは亜鉛（Ｚｎ）を用い、４価元素としてチタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、あるいはハフニウム（Ｈｆ）を用いた。
【００４３】
ノンドープＡｌＮの場合と同様に、第１原理計算により安定構造のドープＡｌＮの電子状態を計算することができ、この電子状態からａ軸方向の格子定数、ｃ軸方向の格子定数、及びｃ／ａの値を算出することができる。また、安定構造のノンドープＡｌＮ及びドープＡｌＮの結晶格子に微小な歪みを強制的に加え、その際の全エネルギーの微小変化から、ノンドープＡｌＮ及びドープＡｌＮの圧電定数、弾性定数、及び誘電率を、第１原理計算を用いて計算することができる。ｃ軸方向の圧電定数ｅ３３、弾性定数Ｃ３３、及び誘電率ε３３と電気機械結合係数ｋ２（以下、ｋ２と称する）との間には数１の関係式が成り立つ。したがって、ノンドープＡｌＮ及びドープＡｌＮの圧電定数ｅ３３、弾性定数Ｃ３３、及び誘電率ε３３を計算することで、ノンドープＡｌＮ及びドープＡｌＮの電気機械結合係数ｋ２を算出することができる。
【数１】
0005904591.tif 000003
【００４４】
表２は、ノンドープＡｌＮ及びドープＡｌＮの圧電定数ｅ３３の計算値と数１から算出したｋ２の値である。表２のように、２価元素と４価元素がドープされたドープＡｌＮ（ケース１乃至ケース１０）は、ノンドープＡｌＮ（表２のノンドープＡｌＮ）に比べて、圧電定数ｅ３３と電気機械結合係数ｋ２が大きくなる結果が得られた。２価元素と４価元素の組み合わせの例としては、表２のように、Ｃａ−Ｔｉ、Ｃａ−Ｚｒ、Ｃａ−Ｈｆ、Ｍｇ−Ｔｉ、Ｍｇ−Ｚｒ、Ｍｇ−Ｈｆ、Ｓｒ−Ｈｆ、Ｚｎ−Ｔｉ、Ｚｎ−Ｚｒ、及びＺｎ−Ｈｆが挙げられるが、その他の組み合わせでもよい。
【表２】
0005904591.tif 000004
【００４５】
このように、２価元素と４価元素を含有するドープＡｌＮは、ノンドープＡｌＮに比べて、電気機械結合係数ｋ２が大きくなるという新たな知見を見出した。そこで、この知見を踏まえて、電気機械結合係数ｋ２の大きな弾性波デバイスを得ることが可能な実施例１について説明する。
【００４６】
図２（ａ）は、実施例１に係る弾性波デバイスの上面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ間の断面図であり、図２（ｃ）は、図２（ａ）のＢ−Ｂ間の断面図である。なお、実施例１では、圧電薄膜共振子の１つであるＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）を例に説明する。図２（ａ）から図２（ｃ）のように、ＦＢＡＲ２０は、基板２２、下部電極２４、圧電膜２６、及び上部電極２８を有している。
【００４７】
基板２２は、例えばシリコン（Ｓｉ）基板、ガラス基板、及びガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板、セラミックス基板等の絶縁体基板を用いることができる。基板２２上に、下部電極２４が設けられている。下部電極２４は、例えばアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、及びイリジウム（Ｉｒ）のうちの少なくとも１つを含む金属膜を用いることができる。下部電極２４は、単層構造でもよいし、積層構造でもよい。
【００４８】
基板２２上及び下部電極２４上に、圧電膜２６が設けられている。圧電膜２６は、２価元素と４価元素を含有する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜であり、ｃ軸を主軸としたｃ軸配向性を有する結晶構造をしている。２価元素と４価元素は、窒化アルミニウム膜のアルミニウムサイトに置換されている。圧電膜２６上に、下部電極２４と対向する領域を有して上部電極２８が設けられている。下部電極２４と上部電極２８とが圧電膜２６を挟んで対向する領域が共振部３０となる。上部電極２８も、下部電極２４用として列挙したＡｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、及びＩｒのうちの少なくとも１つを含む金属膜を用いることができる。かかる上部電極も、単層構造でもよく、また積層構造でもよい。
【００４９】
そして、共振部３０において、基板２２と下部電極２４との間にドーム形状の膨らみを有する空隙３２が設けられている。ドーム形状の膨らみとは、空隙３２の高さが、空隙３２の周辺部よりも中心部ほど高くなるような形状の膨らみを言う。下部電極２４の下側には、空隙３２を形成する際にエッチャントが導入することで形成される導入路３４が設けられている。導入路３４の先端付近は圧電膜２６等で覆われてなく、導入路３４の先端は孔部３６となっている。孔部３６は、空隙３２を形成する際のエッチャントを導入する導入口である。圧電膜２６には、下部電極２４との電気的な接続を可能とするための開口部３８が設けられている。
【００５０】
下部電極２４と上部電極２８の間に高周波の電気信号が印加されると、下部電極２４と上部電極２８に挟まれた圧電膜２６内部に逆圧電効果によって励振される弾性波あるいは圧電効果に起因する歪みによって生じる弾性波が発生する。このような弾性波は、下部電極２４と上部電極２８がそれぞれ空気に接している面で全反射されるため、厚み方向に主変位を持つ厚み振動波となる。即ち、下部電極２４と上部電極２８は、圧電膜２６を伝搬する弾性波を励振する電極として機能する。
【００５１】
次に、図３（ａ）から図３（ｈ）を用いて、実施例１に係る弾性波デバイスの製造方法について説明する。図３（ａ）から図３（ｄ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ間に相当する断面を示し、図３（ｅ）から図３（ｈ）は、図２（ａ）のＢ−Ｂ間に相当する断面を示している。
【００５２】
図３（ａ）及び図３（ｅ）のように、基板２２上に、例えばスパッタ法又は蒸着法を用いて、犠牲層３９を形成する。犠牲層３９は、例えば酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなり、少なくとも空隙３２が形成されるべき領域に設けられる。犠牲層３９の膜厚は、例えば２０ｎｍとすることができる。次いで、例えばアルゴン（Ａｒ）ガス雰囲気中でスパッタを行い、基板２２上及び犠牲層３９上に金属膜を成膜する。かかる金属膜は、前述の如く、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、およびＩｒのうちの少なくとも１つから選択される。その後、例えば露光技術及びエッチング技術を用いて、前記金属膜を所望の形状にして下部電極２４を形成する。このとき、下部電極２４の一部は、犠牲層３９を覆う形状とする。
【００５３】
次いで、図３（ｂ）及び図３（ｆ）のように、例えばアルゴンガスと窒素ガスとの混合ガス雰囲気中で、Ａｌに２価元素と４価元素を含有させたＡｌ合金ターゲットをスパッタすることで、基板２２上及び下部電極２４上に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜からなる圧電膜２６を成膜する。なお、Ａｌに２価元素と４価元素を含有させたＡｌ合金ターゲットを用いたスパッタ処理に代えて、Ａｌターゲット、２価元素ターゲット、及び４価元素ターゲットそれぞれに対し同時に放電する多元系スパッタ法を用いてもよい。この場合、各々のターゲットに印加する電力を変えることで、圧電膜２６に含有される２価元素及び４価元素の原子濃度をコントロールできる。
【００５４】
次いで、図３（ｃ）及び図３（ｇ）のように、例えばアルゴンガス雰囲気中でスパッタを行い、圧電膜２６上に金属膜を成膜する。かかる金属膜も、前述の如く、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、およびＩｒのうちの少なくとも１つから選択される。その後、例えば露光技術及びエッチング技術を用いて、金属膜を所望の形状にして上部電極２８を形成する。また、例えば露光技術及びエッチング技術を用いて、圧電膜２６も所望の形状にする。さらに、下部電極２４と犠牲層３９を選択的にエッチングして孔部３６を形成する。
【００５５】
しかる後、図３（ｄ）及び図３（ｈ）のように、エッチャントを孔部３６から導入して犠牲層３９をエッチングする。ここで、下部電極２４、圧電膜２６、及び上部電極２８からなる積層膜の応力は、スパッタ条件の調整により圧縮応力となるようにされている。このため、犠牲層３９のエッチングが完了した時点で、積層膜は膨れ上がり、基板２２と下部電極２４との間に、ドーム形状の膨らみを有する空隙３２が形成される。また、空隙３２と孔部３６とを連結する導入路３４も形成される。この様な製造工程を経て、図２に示される弾性波デバイスが形成される。
【００５６】
次に、実施例１に係るＦＢＡＲの実効的電気機械結合係数ｋｅｆｆ２（以下、ｋｅｆｆ２と称す）を調べるために行ったシミュレーションについて説明する。なお、シミュレーションでは、２価元素と４価元素を含有する窒化アルミニウム膜である圧電膜２６の圧電定数、弾性定数、及び誘電率等の値は、第１原理計算で求めた値を用いた。まず、以下の構成の第１ＦＢＡＲと第２ＦＢＡＲに対して行ったシミュレーションを説明する。
【００５７】
第１ＦＢＡＲは、下部電極２４に、基板２２側から膜厚１００ｎｍのＣｒと膜厚２２５ｎｍのＲｕとの積層金属膜を用いた。圧電膜２６に、膜厚１０００ｎｍで、２価元素のＭｇと４価元素のＨｆを含有する窒化アルミニウム膜を用いた。ＭｇとＨｆの置換濃度は共に６．２５原子％とした。上部電極２８に、基板２２側から膜厚２２５ｎｍのＲｕと膜厚３０ｎｍのＣｒとの積層金属膜を用いた。また、上部電極２８上に、膜厚５０ｎｍの二酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜が設けられている構造とした。
【００５８】
一方、第２ＦＢＡＲは、圧電膜２６に、膜厚１０００ｎｍで、２価元素のＭｇと４価元素のＴｉを含有する窒化アルミニウム膜を用いた。かかる点以外は、第１ＦＢＡＲと同じ構成である。ＭｇとＴｉの置換濃度は共に６．２５原子％とした。
【００５９】
また、比較のために、圧電膜に、膜厚１１５０ｎｍでノンドープの窒化アルミニウム膜を用い、他の構成を第１ＦＢＡＲ及び第２ＦＢＡＲと同じとした比較例１についてもシミュレーションを行った。
【００６０】
図４（ａ）は、第１ＦＢＡＲの共振特性のシミュレーション結果であり、図４（ｂ）は、第２ＦＢＡＲの共振特性のシミュレーション結果である。それぞれの図において、第１ＦＢＡＲ及び第２ＦＢＡＲの共振特性を実線で示し、比較例１の共振特性を破線で示している。図４（ａ）及び図４（ｂ）のように、共振周波数と反共振周波数との間隔が、第１ＦＢＡＲ及び第２ＦＢＡＲでは、比較例１に比べて広がっている。第１ＦＢＡＲ、第２ＦＢＡＲ、及び比較例１それぞれの実効的電気機械結合係数ｋｅｆｆ２は、１７．５％、１２．９％、及び７．２２％であった。
【００６１】
また、圧電膜２６が含有する２価元素と４価元素に様々な種類の元素を用いた複数のＦＢＡＲそれぞれに対しても同様の方法でシミュレーションを行った。かかるシミュレーション結果を表３に示す。なお、２価元素と４価元素の置換濃度は共に６．２５原子％とし、２価元素と４価元素の種類以外の構成については、第１ＦＢＡＲ及び第２ＦＢＡＲと同じにした。
【表３】
0005904591.tif 000005
【００６２】
表３のように、２価元素と４価元素を含有する窒化アルミニウム膜を圧電膜に用いた弾性波デバイス（ケース１乃至ケース１０）は、ノンドープの窒化アルミニウム膜を圧電膜に用いた弾性波デバイス（表３：窒化アルミニウム）に比べて、実効的電気機械結合係数ｋｅｆｆ２が大きくなる結果が得られた。２価元素と４価元素の組み合わせの例としては、表３のように、Ｃａ−Ｔｉ、Ｃａ−Ｚｒ、Ｃａ−Ｈｆ、Ｍｇ−Ｔｉ、Ｍｇ−Ｚｒ、Ｍｇ−Ｈｆ、Ｓｒ−Ｈｆ、Ｚｎ−Ｔｉ、Ｚｎ−Ｚｒ、及びＺｎ−Ｈｆが挙げられるが、その他の組み合わせでもよい。
【００６３】
実施例１のように、圧電膜２６に、２価元素と４価元素を含有する窒化アルミニウム膜を用いることで、大きな電気機械結合係数を有する弾性波デバイスを得ることができる。
【００６４】
なお、表３に示すシミュレーション結果にあっては、圧電膜２６中に、２価元素として、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｒ、及びＺｎのいずれか１つを含有する状態を示したが、これらの２価元素を複数種含有しても良い。同様に、圧電膜２６中に、４価元素として、Ｔｉ、Ｚｒ、及びＨｆのいずれか１つを含有する状態を示したが、これらの４価元素を複数種含有しても良い。即ち、圧電膜２６は、２価元素としてＣａ、Ｍｇ、Ｓｒ、及びＺｎのうちの少なくとも１つを含有することができ、４価元素としてＴｉ、Ｚｒ、及びＨｆのうちの少なくとも１つを含有することができる。また、圧電膜２６は、表３に記載した以外の２価元素と４価元素を含有してもよい。
【００６５】
次に、２価元素と４価元素をドープしたドープＡｌＮ（以下、第１ドープＡｌＮと称す）の絶縁性について説明する。絶縁性は、第１ドープＡｌＮの電子状態を第１原理計算で計算し、バンド図を作成することで評価した。また、比較のために、２価元素のみをドープしたドープＡｌＮ（以下、第２ドープＡｌＮと称す）及び４価元素のみをドープしたドープＡｌＮ（以下、第３ドープＡｌＮと称す）の絶縁性についても同様の方法で評価した。第１ドープＡｌＮ、第２ドープＡｌＮ、及び第３ドープＡｌＮの結晶構造は以下の通りである。
【００６６】
第１ドープＡｌＮは、図１で説明したウルツ鉱型結晶構造のノンドープＡｌＮに対して、アルミニウム原子１０の１個を２価元素で置換し、別の１個のアルミニウム原子１０を４価元素で置換したドープＡｌＮである。したがって、２価元素と４価元素の置換濃度の比率は同じ（１：１）である。２価元素としてＭｇを用い、４価元素としてＨｆを用いた。
【００６７】
第２ドープＡｌＮは、図１で説明したウルツ鉱型結晶構造のノンドープＡｌＮに対して、アルミニウム原子１０の１個を２価元素で置換したドープＡｌＮである。２価元素としてＭｇを用いた。
【００６８】
第３ドープＡｌＮは、図１で説明したウルツ鉱型結晶構造のノンドープＡｌＮに対して、アルミニウム原子１０の１個を４価元素で置換したドープＡｌＮである。４価元素としてＨｆを用いた。
【００６９】
図５は、第１ドープＡｌＮのバンド構造のシミュレーション結果である。図６は、第２ドープＡｌＮのバンド構造のシミュレーション結果である。図７は、第３ドープＡｌＮのバンド構造のシミュレーション結果である。図５から図７において、実線はエネルギー準位を示し、下側のエネルギー準位の帯は価電子帯を示し、上側のエネルギー準位の帯は伝導帯を示している。価電子帯と伝導帯との間が禁制帯である。また、フェルミエネルギー（以下、Ｅｆと称す）を破線で示している。
【００７０】
ＡｌＮに２価元素であるＭｇのみをドープした場合、図６に示されるように、フェルミエネルギーＥｆは、価電子帯のトップよりも下側に位置しているため、価電子帯に存在している。このことから、ＡｌＮに２価元素のみをドープした場合では、絶縁性が劣化していることが分かる。一方、ＡｌＮに４価元素であるＨｆのみをドープした場合、図７に示されるように、フェルミエネルギーＥｆは、伝導帯のボトムよりも上側に位置しているため、伝導帯に存在している。このことから、ＡｌＮに４価元素のみをドープした場合でも、絶縁性が劣化していることが分かる。
【００７１】
一方、ＡｌＮに２価元素であるＭｇと４価元素であるＨｆを同じ比率でドープした場合には、図５のように、フェルミエネルギーＥｆは、価電子帯のトップと伝導帯のボトムとの間の禁制帯に存在している。このことから、ＡｌＮに２価元素と４価元素をドープさせ、且つ、２価元素と４価元素の置換濃度の比率を同じにすることで、絶縁性を保持できることが分かる。これは、２価元素と４価元素は共に３価のアルミニウムサイトに置換するため、２価元素と４価元素の置換濃度の比率を同じにすることで、ドープＡｌＮの電気的性質を中性に保持できるためである。なお、図５には、２価元素にＭｇを、４価元素にＨｆを用いた場合を例に示したが、その他の２価元素及び４価元素を用いても、絶縁性を保持できる結果が得られた。
【００７２】
したがって、実施例１に係るＦＢＡＲにおいて、圧電膜２６に、２価元素と４価元素を同じ比率で含有する窒化アルミニウム膜を用いることで、圧電膜２６の絶縁性を保持しつつ、大きな電気機械結合係数を有する弾性波デバイスを得ることができる。なお、２価元素と４価元素の置換濃度の比率は、圧電膜の電気的性質を中性に保持できる程度に同じであることが好ましい。
【００７３】
次に、２価元素と４価元素をドープしたドープＡｌＮの圧電定数ｅ３３と電気機械結合係数ｋ２との関係について説明する。ドープＡｌＮの圧電定数ｅ３３は第１原理計算により計算し、電気機械結合係数ｋ２は上述した数１から算出した。図８は、圧電定数ｅ３３と電気機械結合係数ｋ２との関係を示した図であり、表２に示したケース１乃至ケース１０のドープＡｌＮとノンドープＡｌＮについて示している。図８の白丸はノンドープＡｌＮの結果を示し、黒丸はドープＡｌＮの結果を示している。図８のように、２価元素と４価元素をドープしたドープＡｌＮはいずれもノンドープＡｌＮよりも圧電定数ｅ３３が大きく、また、圧電定数ｅ３３が大きくなるほど電気機械結合係数ｋ２も大きくなっている。このことから、実施例１に係るＦＢＡＲにおいて、２価元素と４価元素を含有する窒化アルミニウム膜であって、圧電定数ｅ３３の値が窒化アルミニウムの値である１．５５よりも大きい窒化アルミニウム膜を圧電膜２６に用いることが好ましい。これにより、圧電膜２６の電気機械結合係数を大きくすることができ、その結果、大きな電気機械結合係数を有する弾性波デバイスを得ることができる。
【００７４】
図８のように、圧電定数ｅ３３が大きくなるほど電気機械結合係数ｋ２も大きくなることから、圧電膜２６の圧電定数ｅ３３は、１．６よりも大きいことがより好ましく、１．８よりも大きいことがさらに好ましい。
【００７５】
次に、２価元素と４価元素をドープしたドープＡｌＮの結晶構造と電気機械結合係数ｋ２との関係について説明する。ドープＡｌＮの結晶構造は、第１原理計算を用いて算出したａ軸方向の格子定数とｃ軸方向の格子定数との比（ｃ／ａ）で評価した。電気機械結合係数ｋ２は、第１原理計算で求めたドープＡｌＮの圧電定数等の値を上述した数１に導入することで算出した。図９は、ｃ／ａの値と電気機械結合係数ｋ２との関係を示した図であり、表２に示したケース１乃至ケース１０のドープＡｌＮとノンドープＡｌＮについて示している。図９の白丸はノンドープＡｌＮの結果を示し、黒丸はドープＡｌＮの結果を示している。図９のように、２価元素と４価元素をドープしたドープＡｌＮはいずれもノンドープＡｌＮよりもｃ／ａの値が小さく、また、ｃ／ａの値が小さくなるほど電気機械結合係数ｋ２は大きくなっている。このことから、実施例１のＦＢＡＲにおいて、２価元素と４価元素を含有する窒化アルミニウム膜であって、ｃ／ａの値が窒化アルミニウムのｃ／ａの値である１．６よりも小さい窒化アルミニウム膜を圧電膜２６に用いることが好ましい。これにより、圧電膜２６の電気機械結合係数を大きくすることができ、その結果、大きな電気機械結合係数を有する弾性波デバイスを得ることができる。
【００７６】
図９のように、ｃ／ａの値が小さくなるほど電気機械結合係数ｋ２は大きくなることから、圧電膜２６のｃ／ａの値は、１．５９５より小さいことがより好ましく、１．５９よりも小さいことがさらに好ましい。
【００７７】
次に、２価元素と４価元素をドープしたドープＡｌＮの電気機械結合係数ｋ２の置換濃度依存性について説明する。電気機械結合係数ｋ２の置換濃度依存性は、図１で説明したウルツ鉱型結晶構造のスーパーセルの大きさ、ならびに２価元素及び４価元素で置換するアルミニウム原子の数を変えたドープＡｌＮそれぞれの電子状態を第１原理計算で計算することで評価した。なお、ドープＡｌＮの電気的性質が中性になるよう、２価元素と４価元素の置換濃度の比率は同じにした。
【００７８】
図１０（ａ）は、２価元素にＭｇを４価元素にＨｆを用いた場合、図１０（ｂ）は、２価元素にＭｇを４価元素にＴｉを用いた場合の、電気機械結合係数ｋ２の置換濃度依存性を示す図である。図１０（ａ）のように、ＭｇとＨｆを用いた場合であっても、図１０（ｂ）のように、ＭｇとＴｉを用いた場合であっても、置換濃度が増加するに従い、ドープＡｌＮの電気機械結合係数ｋ２が増加することが分かる。このことから、置換濃度を制御することで、ドープＡｌＮの電気機械結合係数ｋ２を所望の大きさに制御できることが分かる。例えば、電気機械結合係数ｋ２が１０％のドープＡｌＮを得るには、ＭｇとＨｆの合計置換濃度が約４原子％になるよう制御するか、ＭｇとＴｉの合計置換濃度が約７原子％となるよう制御すればよい。なお、シミュレーションは、２価元素にＭｇを用い、４価元素にＴｉ又はＨｆを用いた場合について行っているが、その他の２価元素及び４価元素を用いてもよい。
【００７９】
したがって、実施例１のＦＢＡＲにおいて、圧電膜２６に含有させる２価元素と４価元素の置換濃度を制御することで、所望の大きさの電気機械結合係数を有する弾性波デバイスを得ることができる。
【００８０】
次に、実施例１の変形例１に係る弾性波デバイスについて説明する。図１１は、実施例１の変形例１に係る弾性波デバイスの断面図を示している。図１１のように、実施例１の変形例１に係るＦＢＡＲ４０は、圧電膜２６ａ及び２６ｂに挟まれるように挿入された温度補償膜４２を備える。温度補償膜４２は、圧電膜２６ａと２６ｂとの間に配置され、圧電膜２６ａ及び２６ｂに接して設けられている。温度補償膜４２は、弾性定数の温度係数が圧電膜２６ａ及び２６ｂとは逆符号となる材料で形成されている。例えば、圧電膜２６ａ及び２６ｂの温度係数が負である場合、正の温度係数を有する温度補償膜４２が用いられる。その他の構成については、実施例１と同じであるため説明を省略する。
【００８１】
このような温度補償膜４２を備えることで、ＦＢＡＲ４０の温度特性を改善することができる。温度補償膜４２の一例として、酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜が挙げられる。ＳｉＯ２膜以外にも酸化シリコンを主成分とする膜を用いることもでき、例えばフッ素（Ｆ）等の元素がドープされた酸化シリコン膜を用いることができる。ここで、「主成分」とは、温度補償膜４２の弾性定数の温度係数が、圧電膜２６ａ及び２６ｂの弾性定数の温度係数に対して逆符号となる程度に元素を含むことをいう。
【００８２】
実施例１の変形例１に係るＦＢＡＲ４０の実効的電気機械結合係数ｋｅｆｆ２を調べるために行ったシミュレーションについて説明する。なお、実施例１の場合と同様に、２価元素と４価元素を含有する窒化アルミニウム膜である圧電膜２６ａ及び２６ｂの圧電定数、弾性定数、及び誘電率等の値は、第１原理計算による計算値を用いた。まず、以下の構成の第３ＦＢＡＲと第４ＦＢＡＲに対して行ったシミュレーションを説明する。
【００８３】
第３ＦＢＡＲは、下部電極２４に、基板２２側から膜厚１００ｎｍのＣｒと膜厚２２５ｎｍのＲｕとの積層金属膜を用いた。圧電膜２６ａ及び２６ｂに、膜厚４００ｎｍで、２価元素のＭｇと４価元素のＨｆを含有する窒化アルミニウム膜を用いた。ＭｇとＨｆの置換濃度は共に６．２５原子％とした。温度補償膜４２に、膜厚５０ｎｍのＳｉＯ２膜を用いた。上部電極２８に、基板２２側から膜厚２２５ｎｍのＲｕと膜厚３０ｎｍのＣｒとの積層金属膜を用いた。また、上部電極２８上に、膜厚５０ｎｍのＳｉＯ２膜が設けられているとした。
【００８４】
第４ＦＢＡＲは、圧電膜２６ａ及び２６ｂに、膜厚４００ｎｍで、２価元素のＭｇと４価元素のＴｉを含有する窒化アルミニウム膜を用いた。他は、第３ＦＢＡＲと同じ構成である。ＭｇとＴｉの置換濃度は共に６．２５原子％とした。
【００８５】
また、比較のために、圧電膜に、膜厚４７５ｎｍでノンドープの窒化アルミニウム膜を用いた点以外は、第３ＦＢＡＲ及び第４ＦＢＡＲと同じ構成を有する比較例２についてもシミュレーションを行った。
【００８６】
図１２（ａ）は、第３ＦＢＡＲの共振特性のシミュレーション結果であり、図１２（ｂ）は、第４ＦＢＡＲの共振特性のシミュレーション結果である。それぞれの図において、第３ＦＢＡＲ及び第４ＦＢＡＲの共振特性を実線で示し、比較例２の共振特性を破線で示している。図１２（ａ）及び図１２（ｂ）のように、共振周波数と反共振周波数との間隔が、第３ＦＢＡＲ及び第４ＦＢＡＲでは、比較例２に比べて広がっている。第３ＦＢＡＲ、第４ＦＢＡＲ、及び比較例２それぞれの実効的電気機械結合係数ｋｅｆｆ２は、１２．０％、８．７８％、及び５．０１％であった。
【００８７】
また、圧電膜２６ａ及び２６ｂが含有する２価元素と４価元素に様々な種類の元素を用いた複数のＦＢＡＲそれぞれに対しても同様の方法でシミュレーションを行った。かかるシミュレーション結果を表４に示す。なお、２価元素と４価元素の置換濃度は共に６．２５原子％とし、２価元素と４価元素の種類以外の構成については、第３ＦＢＡＲ及び第４ＦＢＡＲと同じにした。
【表４】
0005904591.tif 000006
【００８８】
表４のように、温度補償膜４２を備える場合でも、２価元素と４価元素を含有する窒化アルミニウム膜を圧電膜に用いた弾性波デバイス（ケース１乃至ケース１０）は、ノンドープの窒化アルミニウム膜を圧電膜に用いた弾性波デバイス（表４：窒化アルミニウム）に比べて、実効的電気機械結合係数ｋｅｆｆ２が大きくなる結果が得られた。２価元素と４価元素の組み合わせの例として、表４のように、Ｃａ−Ｔｉ、Ｃａ−Ｚｒ、Ｃａ−Ｈｆ、Ｍｇ−Ｔｉ、Ｍｇ−Ｚｒ、Ｍｇ−Ｈｆ、Ｓｒ−Ｈｆ、Ｚｎ−Ｔｉ、Ｚｎ−Ｚｒ、及びＺｎ−Ｈｆが挙げられるが、その他の組み合わせでもよい。
【００８９】
実施例１の変形例１のように、温度補償膜４２を備える場合でも、圧電膜２６ａ及び２６ｂに、２価元素と４価元素を含有する窒化アルミニウム膜を用いることで、大きな電気機械結合係数を有する弾性波デバイスを得ることができる。
【実施例２】
【００９０】
実施例２は、２価元素と５価元素を含有する窒化アルミニウム膜を圧電膜に用いる弾性波デバイスの例である。まず、２価元素と５価元素をドープしたドープＡｌＮに対して第１原理計算を用いて行ったシミュレーションについて説明する。図１で説明したウルツ鉱型結晶構造のノンドープＡｌＮに対して、アルミニウム原子１０の２個を２価元素で置換し、別の１個のアルミニウム原子１０を５価元素で置換した結晶構造のドープＡｌＮに対してシミュレーションを行った。つまり、アルミニウムサイトの一部が２価元素と５価元素に置換されて、アルミニウム原子１３個、２価元素２個、５価元素１個、及び窒素原子１６個からなるウルツ鉱型結晶構造のドープＡｌＮに対してシミュレーションを行った。したがって、２価元素の置換濃度は１２．５原子％であり、５価元素の置換濃度は６．２５原子％である。２価元素としてＭｇあるいはＺｎを用い、５価元素としてタンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、あるいはバナジウム（Ｖ）を用いた。
【００９１】
表５は、ノンドープＡｌＮ及びドープＡｌＮの圧電定数ｅ３３の計算値と上述した数１から算出した電気機械結合係数ｋ２の値である。表５のように、２価元素と５価元素がドープされたドープＡｌＮ（ケース１乃至ケース６）は、ノンドープＡｌＮ（表５：ノンドープＡｌＮ）に比べて、圧電定数ｅ３３と電気機械結合係数ｋ２が大きくなる結果が得られた。２価元素と５価元素の組み合わせの例として、表５のように、Ｍｇ−Ｔａ、Ｍｇ−Ｎｂ、Ｍｇ−Ｖ、Ｚｎ−Ｔａ、Ｚｎ−Ｎｂ、及びＺｎ−Ｖが挙げられるが、その他の組み合わせでもよい。
【表５】
0005904591.tif 000007
【００９２】
このように、２価元素と５価元素を含有するドープＡｌＮでも、ノンドープＡｌＮに比べて、電気機械結合係数ｋ２が大きくなるという新たな知見を見出した。そこで、この知見を踏まえて、電気機械結合係数ｋ２の大きな弾性波デバイスを得ることが可能な実施例２について説明する。
【００９３】
実施例２に係る弾性波デバイスは、圧電膜２６が、２価元素と５価元素を含有する窒化アルミニウム膜である点以外は実施例１と同じであるため説明を省略する。２価元素と５価元素は、窒化アルミニウム膜のアルミニウムサイトに置換されている。また、圧電膜２６は、実施例１と同様に、ｃ軸配向性を有する結晶構造をしている。
【００９４】
実施例２に係る弾性波デバイスの製造方法は、Ａｌに２価元素と５価元素を含有させたＡｌ合金ターゲットを用いて圧電膜２６を成膜する点以外は実施例１と同じであるため説明を省略する。なお、実施例１と同様に、Ａｌターゲット、２価元素ターゲット、及び５価元素ターゲットをそれぞれ同時に放電する多元系スパッタ法を用いてもよい。
【００９５】
次に、実施例２に係るＦＢＡＲの実効的電気機械結合係数ｋｅｆｆ２を調べるために行ったシミュレーションについて説明する。なお、シミュレーションでは、２価元素と５価元素を含有する窒化アルミニウム膜である圧電膜２６の圧電定数、弾性定数、及び誘電率等の値は、第１原理計算による計算値を用いた。まず、以下の構成の第５ＦＢＡＲに対して行ったシミュレーションを説明する。
【００９６】
第５ＦＢＡＲは、下部電極２４に、基板２２側から膜厚１００ｎｍのＣｒと膜厚２２５ｎｍのＲｕとの積層金属膜を用いた。圧電膜２６に、膜厚８５０ｎｍで、２価元素のＭｇと５価元素のＴａを含有する窒化アルミニウム膜を用いた。Ｍｇの置換濃度は１２．５原子％とし、Ｔａの置換濃度は６．２５原子％とした。上部電極２８に、基板２２側から膜厚２２５ｎｍのＲｕと膜厚３０ｎｍのＣｒとの積層金属膜を用いた。また、上部電極２８上に、膜厚５０ｎｍのＳｉＯ２膜が設けられているとした。
【００９７】
図１３は、第５ＦＢＡＲの共振特性のシミュレーション結果である。第５ＦＢＡＲの共振特性を実線で示している。また、比較のために、図４（ａ）及び図４（ｂ）で説明した比較例１の共振特性を破線で示している。図１３のように、共振周波数と反共振周波数との間隔が、第５ＦＢＡＲは、比較例１に比べて広がっている。比較例１の実効的電気機械結合係数ｋｅｆｆ２は７．２２％であったのに対し、第５ＦＢＡＲの実効的電気機械結合係数ｋｅｆｆ２は１７．６％であった。
【００９８】
また、圧電膜２６が含有する２価元素と５価元素に様々な種類の元素を用いた複数のＦＢＡＲそれぞれに対しても同様の方法でシミュレーションを行った。かかるシミュレーション結果を表６に示す。なお、２価元素の置換濃度は１２．５原子％とし、５価元素の置換濃度は６．２５原子％とし、２価元素と５価元素の種類以外の構成については、第５ＦＢＡＲと同じにした。
【表６】
0005904591.tif 000008
【００９９】
表６のように、２価元素と５価元素を含有する窒化アルミニウム膜を圧電膜に用いた弾性波デバイス（ケース１乃至ケース６）では、ノンドープの窒化アルミニウム膜を圧電膜に用いた弾性波デバイス（表６：窒化アルミニウム）に比べて、実効的電気機械結合係数ｋｅｆｆ２が大きくなる結果が得られた。２価元素と５価元素の組み合わせの例として、表６のように、Ｍｇ−Ｔａ、Ｍｇ−Ｎｂ、Ｍｇ−Ｖ、Ｚｎ−Ｔａ、Ｚｎ−Ｎｂ、及びＺｎ−Ｖが挙げられるが、その他の組み合わせでもよい。
【０１００】
実施例２のように、圧電膜２６に、２価元素と５価元素を含有する窒化アルミニウム膜を用いることでも、大きな電気機械結合係数を有する弾性波デバイスを得ることができる。
【０１０１】
表６では、圧電膜２６が、Ｍｇ又はＺｎの２価元素を含有する例を示したが、これらの元素を両方含有していてもよい。同様に、圧電膜２６が、Ｔａ、Ｎｂ、及びＶのいずれか１つの５価元素を含有する場合を例に示したが、これらの元素を複数含有していてもよい。即ち、圧電膜２６は、２価元素としてＭｇ及びＺｎの少なくとも一方を含有することができ、５価元素としてＴａ、Ｎｂ、及びＶのうちの少なくとも１つを含有することができる。また、圧電膜２６は、表６に記載した以外の２価元素と５価元素を含有する場合でもよい。
【０１０２】
次に、２価元素と５価元素をドープしたドープＡｌＮ（以下、第４ドープＡｌＮと称す）の絶縁性について説明する。絶縁性は、第４ドープＡｌＮの電子状態を第１原理計算で計算し、バンド図を作成することで評価した。また、比較のために、５価元素のみをドープしたドープＡｌＮ（以下、第５ドープＡｌＮと称す）の絶縁性についても同様の方法で評価した。第４ドープＡｌＮ及び第５ドープＡｌＮの結晶構造は以下の通りである。
【０１０３】
第４ドープＡｌＮは、図１で説明したウルツ鉱型結晶構造のノンドープＡｌＮに対して、アルミニウム原子１０の２個を２価元素で置換し、別の１個のアルミニウム原子１０を５価元素で置換したドープＡｌＮである。したがって、２価元素の置換濃度と５価元素の置換濃度の比率は２：１である。２価元素としてＭｇを用い、５価元素としてＴａを用いた。
【０１０４】
第５ドープＡｌＮは、図１で説明したウルツ鉱型結晶構造のノンドープＡｌＮに対して、アルミニウム原子１０の１個を５価元素で置換したドープＡｌＮである。５価元素としてＴａを用いた。
【０１０５】
図１４は、第４ドープＡｌＮのバンド構造のシミュレーション結果である。図１５は、第５ドープＡｌＮのバンド構造のシミュレーション結果である。図６で説明したように、ＡｌＮに２価元素であるＭｇのみをドープした場合、フェルミエネルギーＥｆは価電子帯に存在するようになり、絶縁性が劣化する。図１５のように、ＡｌＮに５価元素であるＴａのみをドープした場合、フェルミエネルギーＥｆは、伝導帯のボトムよりも上側に位置しているため、伝導帯に存在している。このことから、ＡｌＮに５価元素のみをドープした場合でも、絶縁性が劣化していることが分かる。
【０１０６】
一方、ＡｌＮに２価元素であるＭｇと５価元素であるＴａを２：１の比率でドープした場合、図１４のように、フェルミエネルギーＥｆは、価電子帯のトップと伝導帯のボトムとの間の禁制帯に存在している。このことから、ＡｌＮに２価元素と５価元素をドープさせ、且つ、２価元素と５価元素の置換濃度の比率を２：１にすることで、絶縁性を保持できることが分かる。これは、実施例１で説明したのと同様に、２価元素と５価元素は共に３価のアルミニウムサイトに置換するため、２価元素と５価元素の置換濃度の比率を２：１にすることで、ドープＡｌＮの電気的性質を中性に保持できるためである。なお、図１４では、２価元素にＭｇを、５価元素にＴａを用いた例を示したが、その他の２価元素及び５価元素を用いても、絶縁性を保持できる結果が得られた。
【０１０７】
したがって、実施例２に係るＦＢＡＲにおいて、圧電膜２６に、２価元素と５価元素を２：１の比率で含有する窒化アルミニウム膜を用いることで、圧電膜２６の絶縁性を保持しつつ、大きな電気機械結合係数を有する弾性波デバイスを得ることができる。なお、２価元素と５価元素の置換濃度の比率は、圧電膜の電気的性質を中性に保持できる程度に２：１であることが好ましい。
【０１０８】
次に、２価元素と５価元素をドープしたドープＡｌＮの圧電定数ｅ３３とｋ２との関係について説明する。ドープＡｌＮの圧電定数ｅ３３とｋ２は、実施例１の図８で説明した方法と同様の方法で求めた。図１６は、圧電定数ｅ３３とｋ２との関係を示した図であり、表５に示したケース１からケース６のドープＡｌＮとノンドープＡｌＮについて示している。図１６の白丸はノンドープＡｌＮの結果を示し、黒丸はドープＡｌＮの結果を示している。図１６のように、２価元素と５価元素をドープしたドープＡｌＮはいずれもノンドープＡｌＮよりも圧電定数ｅ３３が大きく、また、圧電定数ｅ３３が大きくなるほど電気機械結合係数ｋ２も大きくなっている。このことから、実施例２に係るＦＢＡＲにおいて、２価元素と５価元素を含有する窒化アルミニウム膜であって、圧電定数ｅ３３の値が窒化アルミニウムの値である１．５５よりも大きい窒化アルミニウム膜を圧電膜２６に用いることが好ましい。これにより、圧電膜２６の電気機械結合係数を大きくすることができ、その結果、大きな電気機械結合係数を有する弾性波デバイスを得ることができる。
【０１０９】
図１６のように、圧電定数ｅ３３が大きくなるほど電気機械結合係数ｋ２も大きくなることから、圧電膜２６の圧電定数ｅ３３は、１．６よりも大きいことがより好ましく、１．８よりも大きいことがさらに好ましい。
【０１１０】
次に、２価元素と５価元素をドープしたドープＡｌＮの結晶構造と電気機械結合係数ｋ２との関係について説明する。ドープＡｌＮの結晶構造は、実施例１の図９で説明したのと同様にｃ／ａで評価した。電気機械結合係数ｋ２は、実施例１の図９で説明した方法と同様の方法で求めた。図１７は、ｃ／ａの値と電気機械結合係数ｋ２との関係を示した図であり、表５に示したケース１からケース６のドープＡｌＮとノンドープＡｌＮについて示している。図１７の白丸はノンドープＡｌＮの結果を示し、黒丸はドープＡｌＮの結果を示している。図１７のように、２価元素と５価元素をドープしたドープＡｌＮはいずれもノンドープＡｌＮよりもｃ／ａの値が小さく、また、ｃ／ａの値が小さくなるほど電気機械結合係数ｋ２は大きくなっている。したがって、実施例２に係るＦＢＡＲにおいて、２価元素と５価元素を含有する窒化アルミニウム膜であって、ｃ／ａの値が窒化アルミニウムのｃ／ａの値である１．６よりも小さい窒化アルミニウム膜を圧電膜２６に用いることが好ましい。これにより、圧電膜２６の電気機械結合係数を大きくすることができ、その結果、大きな電気機械結合係数を有する弾性波デバイスを得ることができる。
【０１１１】
図１７のように、ｃ／ａの値が小さくなるほど電気機械結合係数ｋ２は大きくなることから、圧電膜２６のｃ／ａの値は、１．５９５より小さいことがより好ましく、１．５９よりも小さいことがさらに好ましい。
【０１１２】
次に、２価元素と５価元素をドープしたドープＡｌＮの電気機械結合係数ｋ２の置換濃度依存性について説明する。電気機械結合係数ｋ２の置換濃度依存性は、実施例１の図１０（ａ）及び図１０（ｂ）で説明した方法と同様の方法で評価した。なお、ドープＡｌＮの電気的性質が中性になるよう、２価元素と５価元素の置換濃度の比率は２：１にした。
【０１１３】
図１８は、２価元素にＭｇを５価元素にＴａを用いた際の電気機械結合係数ｋ２の置換濃度依存性を示す図である。図１８のように、置換濃度が増加するに従い、電気機械結合係数ｋ２が増加することが分かる。このことから、実施例１と同様に、置換濃度を制御することで、ドープＡｌＮの電気機械結合係数ｋ２を所望の大きさに制御できることが分かる。例えば、電気機械結合係数ｋ２が１０％のドープＡｌＮを得るには、ＭｇとＴａの合計置換濃度が約７原子％になるように制御すればよい。なお、シミュレーションは、２価元素にＭｇを用い、５価元素にＴａを用いた場合について行っているが、その他の２価元素及び５価元素を用いてもよい。
【０１１４】
したがって、実施例２に係るＦＢＡＲにおいて、圧電膜２６に含有させる２価元素と５価元素の置換濃度を制御することで、所望の大きさの電気機械結合係数を有する弾性波デバイスを得ることができる。
【０１１５】
次に、実施例２の変形例１に係る弾性波デバイスについて説明する。実施例２の変形例１に係る弾性波デバイスは、圧電膜２６ａ及び２６ｂに、２価元素と５価元素を含有する窒化アルミニウム膜を用いている。他の構成は、実施例１の変形例１と同じであるため説明を省略する。
【０１１６】
実施例２の変形例１に係るＦＢＡＲの実効的電気機械結合係数ｋｅｆｆ２を調べるために行ったシミュレーションについて説明する。なお、実施例２の場合と同様に、２価元素と５価元素を含有する窒化アルミニウム膜である圧電膜２６ａ及び２６ｂの圧電定数、弾性定数、及び誘電率等の値は、第１原理計算による計算値を用いた。まず、以下の構成の第６ＦＢＡＲに対して行ったシミュレーションを説明する。
【０１１７】
第６ＦＢＡＲは、下部電極２４に、基板２２側から膜厚１００ｎｍのＣｒと膜厚２２５ｎｍのＲｕとの積層金属膜を用いた。圧電膜２６ａ及び２６ｂに、膜厚３７５ｎｍで、２価元素のＭｇと５価元素のＴａを含有する窒化アルミニウム膜を用いた。Ｍｇの置換濃度は１２．５原子％とし、Ｔａの置換濃度は６．２５原子％とした。温度補償膜４２に、膜厚５０ｎｍのＳｉＯ２膜を用いた。上部電極２８に、基板２２側から膜厚２２５ｎｍのＲｕと膜厚３０ｎｍのＣｒとの積層金属膜を用いた。また、上部電極２８上に、膜厚５０ｎｍのＳｉＯ２膜が設けられているとした。
【０１１８】
図１９は、第６ＦＢＡＲの共振特性のシミュレーション結果である。第６ＦＢＡＲの共振特性を実線で示している。また、比較のために、前記図１２で説明した比較例２の共振特性を破線で示している。図１９のように、共振周波数と反共振周波数との間隔が、比較例２に比べて広がっている。比較例２の実効的電気機械結合係数ｋｅｆｆ２が５．０１％であったのに対し、第６ＦＢＡＲの実効的電気機械結合係数ｋｅｆｆ２は１３．１％であった。
【０１１９】
また、圧電膜２６ａ及び２６ｂが含有する２価元素と５価元素に様々な種類の元素を用いた複数のＦＢＡＲそれぞれに対しても同様の方法でシミュレーションを行った。かかるシミュレーション結果を表７に示す。なお、２価元素の置換濃度は１２．５原子％とし、５価元素の置換濃度は６．２５原子％とし、２価元素と５価元素以外の構成については、第６ＦＢＡＲと同じにした。
【表７】
0005904591.tif 000009
【０１２０】
表７のように、温度補償膜４２を備える場合でも、２価元素と５価元素を含有する窒化アルミニウム膜を圧電膜に用いた弾性波デバイス（ケース１乃至ケース６）は、ノンドープの窒化アルミニウム膜を圧電膜に用いた弾性波デバイス（表７：窒化アルミニウム）に比べて、実効的電気機械結合係数ｋｅｆｆ２が大きくなる結果が得られた。２価元素と５価元素の組み合わせの例として、表７のように、Ｍｇ−Ｔａ、Ｍｇ−Ｎｂ、Ｍｇ−Ｖ、Ｚｎ−Ｔａ、Ｚｎ−Ｎｂ、及びＺｎ−Ｖが挙げられるが、その他の組み合わせでもよい。
【０１２１】
実施例２の変形例１のように、温度補償膜４２を備える場合でも、圧電膜２６ａ及び２６ｂに、２価元素と５価元素を含有する窒化アルミニウム膜を用いることで、大きな電気機械結合係数を有する弾性波デバイスを得ることができる。
【０１２２】
実施例１の変形例１及び実施例２の変形例１では、温度補償膜４２は、圧電膜２６ａ及び２６ｂの間に挿入されているが、圧電膜に接していればその他の場所に設けられてもよい。例えば、上部電極２８と圧電膜２６ｂの間、又は下部電極２４と圧電膜２６ａとの間に配設させることができる。
【実施例３】
【０１２３】
実施例３では、２価元素と４価元素を含有する窒化アルミニウム膜を作製し、この窒化アルミニウム膜に対して行った実験について説明する。２価元素と４価元素を含有する窒化アルミニウム膜の作製は以下の方法で行なった。スパッタリング法を用い、ＡｒとＮ２の混合ガス雰囲気中でＡｌターゲット、Ｍｇターゲット、Ｚｒターゲットを別々に同時に放電し、各々のターゲットに印加する電力を変えることで、ＭｇとＺｒの濃度を変えた複数のドープＡｌＮ膜を作製した。
【０１２４】
まず、作製した複数のドープＡｌＮ膜の圧電定数の測定結果について説明する。圧電定数の測定は、ピエゾメーターを用いて、荷重０．２５Ｎ、周波数１１０Ｈｚの条件で行った。図２０（ａ）は、ＭｇとＺｒの合計置換濃度と圧電定数の増加率との関係を示す図であり、図２０（ｂ）は、図２０（ａ）からＭｇとＺｒの置換濃度の比率が１：１近傍であるデータを抽出した図である。図２０（ａ）及び図２０（ｂ）の縦軸は、ノンドープＡｌＮの圧電定数を１にして規格化している。作製したドープＡｌＮ膜の測定結果を丸印で示す。また、参考として、第１原理計算による計算結果を四角印で示す。
【０１２５】
図２０（ａ）及び図２０（ｂ）のように、ＭｇとＺｒの合計置換濃度が３原子％以上且つ３５原子％以下の範囲において、ＭｇとＺｒを含有するドープＡｌＮ膜の圧電定数がノンドープＡｌＮよりも高くなることが確認された。また、ＭｇとＺｒの置換濃度の比が１：１近傍の場合に限らず、１：１からずれた場合でも、ＭｇとＺｒの合計置換濃度が３原子％以上且つ３５原子％以下の範囲で、圧電定数が高くなることが確認された。
【０１２６】
図２１（ａ）は、ＭｇとＺｒの置換濃度の比と圧電定数の増加率との関係を示す図であり、図２１（ｂ）は、図２１（ａ）からＭｇとＺｒの合計置換濃度が３原子％以上且つ１０原子％以下であるデータを抽出した図である。図２１（ａ）及び図２１（ｂ）の縦軸は、ノンドープＡｌＮの圧電定数を１にして規格化している。横軸は、ＭｇとＺｒの合計置換濃度に対するＺｒの置換濃度の比（Ｚｒの置換濃度／（Ｍｇ＋Ｚｒの合計置換濃度））を示している。
【０１２７】
図２１（ａ）及び図２１（ｂ）のように、ＭｇとＺｒの合計置換濃度に対するＺｒの置換濃度の比が０．３５以上且つ０．７５以下の範囲において、ＭｇとＺｒを含有するドープＡｌＮ膜の圧電定数がノンドープＡｌＮよりも高くなることが確認された。また、ＭｇとＺｒの合計置換濃度が３原子％以上且つ１０原子％以下の場合では、ＭｇとＺｒの合計置換濃度に対するＺｒの置換濃度の比が０．３５以上且つ０．７５以下の範囲において、圧電定数がほぼ一定であることが確認された。
【０１２８】
ここで、２価元素としてＭｇ又はＺｎを、４価元素としてＨｆ、Ｔｉ、及びＺｒのいずれかをドープしたドープＡｌＮの圧電定数の置換濃度依存性について説明する。圧電定数の置換濃度依存性は、第１原理計算で計算することで評価した。図２２（ａ）及び図２２（ｂ）は、２価元素と４価元素の合計置換濃度と圧電定数の増加率との関係を示す図である。図２２（ａ）及び図２２（ｂ）の縦軸は、ノンドープＡｌＮの圧電定数を１にして規格化している。図２２（ａ）では、２価元素としてＭｇを、４価元素としてＨｆ、Ｔｉ、及びＺｒのいずれかをドープした場合を示し、図２２（ｂ）では、２価元素としてＺｎを、４価元素としてＨｆ、Ｔｉ、及びＺｒのいずれかをドープした場合を示している。
【０１２９】
図２２（ａ）及び図２２（ｂ）のように、２価元素としてＭｇ又はＺｎを、４価元素としてＨｆ、Ｔｉ、及びＺｒのいずれかをドープさせた全ての場合において、置換濃度に対して圧電定数が単調に増加している。この結果から、図２０（ａ）から図２１（ｂ）では、２価元素にＭｇを、４価元素にＺｒを用いた場合の測定結果を示しているが、その他の元素を用いた場合でも同様の傾向を示すと考えられる。
【０１３０】
以上のことから、２価元素と４価元素を含有する窒化アルミニウム膜を弾性波デバイスの圧電膜に用いる場合、図２０（ａ）及び図２０（ｂ）のように、２価元素と４価元素の合計置換濃度は３原子％以上且つ３５原子％以下の場合が好ましい。これにより、圧電膜の圧電定数が大きくなり、弾性波デバイスの電気機械結合係数を大きくすることができる。圧電膜の圧電定数をより大きくする観点から、２価元素と４価元素の合計置換濃度は５原子％以上且つ３５原子％以下の場合がより好ましく、１０原子％以上且つ３５原子％以下の場合がさらに好ましい。
【０１３１】
図２１（ａ）及び図２１（ｂ）のように、２価元素と４価元素の合計置換濃度に対する４価元素の置換濃度の比は０．３５以上且つ０．７５以下の場合が好ましい。これにより、圧電膜の圧電定数が大きくなり、弾性波デバイスの電気機械結合係数を大きくすることができる。圧電膜の絶縁性の観点も考慮に入れると、２価元素と４価元素の合計置換濃度に対する４価元素の置換濃度の比は０．４以上且つ０．６以下の場合が好ましく、０．４５以上且つ０．５５以下の場合がより好ましく、０．５の場合がさらに好ましい。
【０１３２】
次に、作製した複数のドープＡｌＮ膜のａ軸方向の格子定数に対するｃ軸方向の格子定数の比（ｃ／ａ）の測定結果について説明する。図２３は、ＭｇとＺｒの合計置換濃度とｃ／ａの値との関係を示す図である。作製したドープＡｌＮ膜の測定結果を丸印で示す。また、比較のために、ノンドープＡｌＮのｃ／ａを第１原理計算で計算した計算結果を四角印で示す。図２３のように、ＭｇとＺｒの合計置換濃度が３原子％以上且つ３５原子％以下の範囲において、ＭｇとＺｒを含有するドープＡｌＮ膜のｃ／ａの値がノンドープＡｌＮよりも小さくなることが確認された。
【０１３３】
このことから、圧電膜のｃ／ａの値を小さくして、弾性波デバイスの電気機械結合係数を大きくする観点からも、２価元素と４価元素の合計置換濃度は３原子％以上且つ３５原子％以下の場合が好ましい。
【実施例４】
【０１３４】
実施例４では、まず、弾性波デバイスの共振周波数と共振部の大きさとの関係について説明する。例えばインピーダンスが５０Ωの弾性波デバイスにおける共振周波数ｆｒと容量Ｃとの間には、ｆｒ＝１／（２π×Ｃ×５０）の関係がある。このように、弾性波デバイスでは、共振周波数が低くなるほど容量が大きくなる。容量は共振部の面積に比例することから、共振周波数が低くなるほど共振部は大きくなる。また、周波数ｆと弾性波の波長λとの間には、ｆ＝Ｖ／λの関係がある。なお、Ｖは、弾性波の音速である。波長λは、弾性表面波を用いた場合では櫛型電極の周期に等しく、厚み振動波を用いた場合では共振部の積層膜の全膜厚の２倍に等しい。弾性波の音速Ｖは使用される材料で決まる値であることから、共振周波数が低くなるほど波長が長くなり、共振部は大きくなる。
【０１３５】
次に、弾性波デバイスの共振周波数と共振部の大きさとの関係を調べたシミュレーションについて説明する。シミュレーションは、実施例１の図２（ａ）から図２（ｃ）に示す構造のＦＢＡＲにおいて、圧電膜２６にノンドープＡｌＮ膜を用いた比較例３に係るＦＢＡＲに対して行った。ノンドープＡｌＮの誘電率ε３３を８．４２×１０−１１Ｆ／ｍ、音速Ｖを１１４０４ｍ／ｓとした。この値は、第１原理計算により計算された値である。下部電極２４及び上部電極２８に厚さ２４０ｎｍのＲｕを用い、圧電膜２６に厚さ１３００ｎｍのノンドープＡｌＮ膜を用いて共振部３０を構成した場合の共振周波数は２ＧＨｚであった。また、インピーダンスが５０ΩのＦＢＡＲとなる共振部３０の面積は２．４５５×１０−８ｍ２であった。ここで、共振周波数と共振部の膜厚との関係を調べるために、下部電極２４、圧電膜２６、及び上部電極２８の膜厚比は一定のままで全膜厚の大きさを変えることにより、共振周波数を変化させた。また、共振周波数と共振部の面積との関係を調べるために、各共振周波数でＦＢＡＲのインピーダンスが５０Ωとなるように共振部３０の面積を変化させた。
【０１３６】
図２４（ａ）は、比較例３のＦＢＡＲの共振周波数と共振部の規格化膜厚との関係を示す図であり、図２４（ｂ）は、共振周波数と共振部の規格化面積との関係を示す図である。図２４（ａ）及び図２４（ｂ）の縦軸は、共振周波数が２ＧＨｚの場合を１にして規格化している。図２４（ａ）及び図２４（ｂ）のように、共振周波数が低くなるほど、共振部の膜厚及び面積が大きくなっている。このように、弾性波デバイスは、共振周波数が低くなるほど大型化してしまう。特に、共振周波数が１．５ＧＨｚ以下の場合に、弾性波デバイスは急激に大型化し、共振周波数が１．０ＧＨｚ以下の場合には、より一層急激に弾性波デバイスが大型化することが分かる。
【０１３７】
上述したように、共振周波数が低くなるほど容量は大きくなる。容量は、弾性波デバイスの共振部の面積に比例するが、弾性波デバイスに用いられる圧電膜の誘電率にも比例する。したがって、誘電率の大きな圧電膜を弾性波デバイスに用いることで、所望の容量を得るための共振部の面積を小さくでき、弾性波デバイスの大型化を抑制できる。また、上述のｆ＝Ｖ／λの関係式から、音速の遅い圧電膜を弾性波デバイスに用いることで、所望の周波数ｆを得るための波長λを短くでき、弾性波デバイスの大型化を抑制できる。そこで、誘電率が大きく、音速が遅い圧電膜を得るために行ったシミュレーションについて説明する。
【０１３８】
シミュレーションは、実施例１の図１に示したウルツ鉱型結晶構造のノンドープＡｌＮに対して、アルミニウム原子１０の１個を３価元素で置換した結晶構造のドープＡｌＮに対して第１原理計算を用いて行った。つまり、アルミニウム原子１５個、３価元素１個、窒素原子１６個からなるウルツ鉱型結晶構造のドープＡｌＮに対してシミュレーションを行った。３価元素の置換濃度は６．２５原子％である。３価元素として、スカンジウム（Ｓｃ）あるいはイットリウム（Ｙ）を用いた。また、実施例１と同様に、２価元素と４価元素をドープしたドープＡｌＮに対してもシミュレーションを行った。２価元素と４価元素の置換濃度はそれぞれ６．２５原子％である。２価元素として、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｒ、あるいはＺｎを用い、４価元素として、Ｔｉ、Ｚｒ、あるいはＨｆを用いた。
【０１３９】
表８は、ノンドープＡｌＮ及びドープＡｌＮのｃ軸方向の誘電率ε３３と音速Ｖの計算値である。表８のように、３価元素がドープされたドープＡｌＮ（ケース１及びケース２）及び２価元素と４価元素がドープされたドープＡｌＮ（ケース３乃至ケース１４）は、ノンドープＡｌＮ（表８：ノンドープＡｌＮ）に比べて、誘電率ε３３が大きく、音速Ｖが遅くなる結果が得られた。なお、３価元素、２価元素、及び４価元素は、表８の場合に限られず、その他の元素の場合でもよい。
【表８】
0005904591.tif 000010
【０１４０】
このように、３価元素を含有するドープＡｌＮ及び２価元素と４価元素を含有するドープＡｌＮは、ノンドープＡｌＮに比べて、誘電率ε３３が大きくなり且つ音速Ｖが遅くなるということを見出した。ここで、３価元素をドープしたドープＡｌＮの誘電率ε３３及び音速Ｖの置換濃度依存性について説明する。誘電率ε３３及び音速Ｖの置換濃度依存性は、３価元素にＳｃを用い、第１原理計算で計算することで評価した。図２５（ａ）は、Ｓｃの置換濃度と誘電率ε３３との関係を示す図であり、図２５（ｂ）は、Ｓｃの置換濃度と音速Ｖとの関係を示す図である。図２５（ａ）及び図２５（ｂ）のように、Ｓｃの置換濃度の増加と共に、誘電率ε３３は大きくなり、音速Ｖは遅くなることが分かる。なお、Ｓｃをドープした場合に限らず、表８に示す３価元素あるいは２価元素と４価元素をドープした場合でも、同様の傾向を示す結果が得られた。このように、ドープする元素の濃度によって、ドープＡｌＮの誘電率ε３３及び音速Ｖを変化させることができる。そこで、このような知見を踏まえて、共振周波数が１．５ＧＨｚ以下のような低い場合であっても、大型化の抑制が可能な弾性波デバイスについて以下に説明する。
【０１４１】
実施例４に係る弾性波デバイスは、圧電膜２６が、３価元素を含有する窒化アルミニウム膜である点以外は、実施例１の図２（ａ）から図２（ｃ）と同じであるため説明を省略する。圧電膜２６はｃ軸配向性を有する結晶構造をしている。
【０１４２】
実施例４に係るＦＢＡＲの共振周波数と共振部の大きさとの関係を調べるために行ったシミュレーションについて説明する。シミュレーションは、下部電極２４及び上部電極２８にＲｕを、圧電膜２６にＳｃを置換濃度３０原子％で含有する窒化アルミニウム膜を用いたＦＢＡＲに対して行った。図２４（ａ）及び図２４（ｂ）でのシミュレーションと同様に、下部電極２４、圧電膜２６、及び上部電極２８の膜厚比は一定のままで全膜厚の大きさを変えることにより共振周波数を変化させて、共振周波数と共振部３０の膜厚との関係を調べた。また、各共振周波数でＦＢＡＲのインピーダンスが５０Ωとなるように共振部３０の面積を変化させて、共振周波数と共振部３０の面積との関係を調べた。なお、Ｓｃが置換濃度３０原子％でドープされたドープＡｌＮの誘電率ε３３を１．１８×１０−１０Ｆ／ｍ、音速Ｖを８６４６ｍ／ｓとした。この値は、第１原理計算により計算された値である。
【０１４３】
図２６（ａ）は、実施例４のＦＢＡＲの共振周波数と共振部の規格化膜厚との関係を示す図であり、図２６（ｂ）は、共振周波数と共振部の規格化面積との関係を示す図である。実施例４のシミュレーション結果を実線で示し、比較のために、比較例３のシミュレーション結果を破線で示す。図２６（ａ）及び図２６（ｂ）の縦軸は、比較例３のＦＢＡＲにおける共振周波数が２ＧＨｚの場合を１にして規格化している。図２６（ａ）及び図２６（ｂ）のように、同じ共振周波数の場合、実施例４は比較例３に比べて、共振部３０の膜厚及び面積が小さくなっていることが分かる。例えば共振周波数が７００ＭＨｚの場合では、共振部の規格化膜厚が、比較例３では２．８４であるのに対して、実施例４では２．１５となり、２４％程度薄膜化している。共振部の規格化面積は、比較例３では８．０７であるのに対して、実施例４で４．４０となり、４５％程度面積が小さくなっている。
【０１４４】
実施例４によれば、圧電膜２６に、誘電率ε３３を大きくさせ且つ音速Ｖを遅くさせる３価元素を含有する窒化アルミニウム膜を用いている。これにより、図２６（ａ）及び図２６（ｂ）のように、共振部の膜厚及び面積を小さくでき、共振周波数が１．５ＧＨｚ以下の弾性波デバイスの場合でも、大型化を抑制することができる。
【０１４５】
表８のように、２価元素と４価元素をＡｌＮにドープした場合でも、誘電率ε３３は大きくなり且つ音速Ｖは遅くなる。したがって、２価元素と４価元素を含有する窒化アルミニウム膜を圧電膜２６に用いる場合でもよい。圧電膜２６に表８に記載の３価元素を含有する窒化アルミニウム膜を用いる場合、Ｓｃ及びＹの少なくとも一方を含有する場合でもよい。表８に記載の２価元素と４価元素を含有する窒化アルミニウム膜を用いる場合では、２価元素としてＣａ、Ｍｇ、Ｓｒ、及びＺｎのうちの少なくとも１つを含有し、４価元素としてＴｉ、Ｚｒ、及びＨｆのうちの少なくとも１つを含有する場合でもよい。
【０１４６】
圧電膜２６の誘電率ε３３を大きくすること及び音速Ｖを遅くすることの少なくとも一方によって、弾性波デバイスの大型化を抑制できる。このことから、圧電膜２６は、３価元素あるいは２価元素と４価元素を含有する窒化アルミニウム膜の場合に限られず、誘電率ε３３を大きくさせること及び音速Ｖを遅くさせることの少なくとも一方に寄与する元素を含有する窒化アルミニウム膜の場合でもよい。また、３価元素あるいは２価元素と４価元素を含有する場合においても、表８に記載した元素以外の元素を含有する場合でもよい。
【０１４７】
共振周波数が１．５ＧＨｚ以下の場合に、弾性波デバイスの大型化が激しいが、１．０ＧＨｚ以下の場合では大型化がより一層激しい。このことから、共振周波数が１．０ＧＨｚ以下の弾性波デバイスの圧電膜２６に、誘電率ε３３を大きくさせること及び音速Ｖを遅くさせることの少なくとも一方に寄与する元素を含有する窒化アルミニウム膜を用いることがより好ましい。
【０１４８】
弾性波デバイスの大型化の抑制の観点から、圧電膜２６の誘電率ε３３はノンドープＡｌＮの値である８．４２×１０−１１Ｆ／ｍよりも大きいことが好ましい。音速ＶはノンドープＡｌＮの値である１１４０４ｍ／ｓよりも遅いことが好ましい。
【０１４９】
次に、実施例４の変形例１及び変形例２に係る弾性波デバイスについて説明する。図２７（ａ）は、実施例４の変形例１に係る弾性波デバイスの断面図であり、図２７（ｂ）は、実施例４の変形例２に係る弾性波デバイスの断面図である。図２７（ａ）のように、実施例４の変形例１のＦＢＡＲは、温度補償膜４２が、圧電膜２６と上部電極２８との間に、圧電膜２６及び上部電極２８に接して設けられている。圧電膜２６には、３価元素を含有する窒化アルミニウム膜が用いられている。その他の構成は、実施例１の変形例１と同じであるため説明を省略する。
【０１５０】
図２７（ｂ）のように、実施例４の変形例２のＦＢＡＲは、上部電極２８が、下層２８ａと上層２８ｂとを含んでいる。下層２８ａと上層２８ｂとの間に、温度補償膜４２が設けられている。このように、上部電極２８が温度補償膜４２の上面及び下面それぞれに形成され、互いに電気的に短絡していることで、電気的には温度補償膜４２の容量が寄与しなくなり、実効的電気機械結合係数を大きくすることができる。圧電膜２６には、実施例４の変形例１と同様に、３価元素を含有する窒化アルミニウム膜が用いられている。その他の構成は、実施例１の変形例１と同じであるため説明を省略する。
【０１５１】
実施例４の変形例１及び変形例２のＦＢＡＲの共振周波数と共振部の大きさとの関係を調べるために行ったシミュレーションについて説明する。シミュレーションは、下部電極２４及び上部電極２８にＲｕを、圧電膜２６にＳｃを置換濃度３０原子％で含有する窒化アルミニウム膜を、温度補償膜４２にＳｉＯ２膜を用いたＦＢＡＲに対して行った。
【０１５２】
実施例４の変形例１において、下部電極２４の厚さを１６０ｎｍ、圧電膜２６の厚さを８７０ｎｍ、温度補償膜４２の厚さを１００ｎｍ、上部電極２８の厚さを１６０ｎｍとした場合の共振周波数は２ＧＨｚであった。また、インピーダンスが５０ΩのＦＢＡＲとなる共振部３０の面積は１．５９５×１０−８ｍ２であった。
【０１５３】
実施例４の変形例２において、下部電極２４の厚さを１６０ｎｍ、圧電膜２６の厚さを８７０ｎｍ、温度補償膜４２の厚さを１００ｎｍ、上部電極２８の下層２８ａの厚さを２０ｎｍ、上層２８ｂの厚さを１６０ｎｍとした場合、実施例４の変形例１に比べて共振周波数が約４０ＭＨｚ程度低下した。
【０１５４】
図２４（ａ）及び図２４（ｂ）でのシミュレーションと同様に、共振周波数と共振部３０の膜厚との関係を調べるために、共振部３０を構成する各層の膜厚比は一定のままで全膜厚の大きさを変えることにより、共振周波数を変化させた。また、共振周波数と共振部３０の面積との関係を調べるために、各共振周波数でＦＢＡＲのインピーダンスが５０Ωとなるように共振部３０の面積を変化させた。
【０１５５】
図２８（ａ）は、実施例４の変形例１及び変形例２の共振周波数と共振部の規格化膜厚との関係を示す図であり、図２８（ｂ）は、共振周波数と共振部の規格化面積との関係を示す図である。図２８（ａ）及び図２８（ｂ）の縦軸は、実施例４の変形例１のＦＢＡＲにおける共振周波数が２ＧＨｚの場合を１にして規格化している。実施例４の変形例１のシミュレーション結果を実線で、実施例４の変形例２のシミュレーション結果を破線で示す。図２８（ａ）及び図２８（ｂ）のように、同じ共振周波数の場合、共振部３０の膜厚については、実施例４の変形例１と変形例２とでほとんど差がないが、共振部３０の面積については、実施例４の変形例２は変形例１に比べて小さくなっていることが分かる。例えば共振周波数が７００ＭＨｚの場合では、共振部の規格化面積は、実施例４の変形例１では８．２０であるのに対して、実施例４の変形例２で５．９０となり、２８％程度面積が小さくなっている。
【０１５６】
実施例４の変形例１のように、誘電率ε３３を大きくさせること及び音速Ｖを遅くさせることの少なくとも一方に寄与する元素を含有する窒化アルミニウム膜を圧電膜２６に用いると共に、温度補償膜４２を備えることで、温度補償の効果を得つつ、弾性波デバイスの大型化を抑制できる。実施例４の変形例２のように、温度補償膜４２の上面及び下面にそれぞれ形成され、互いに短絡した導電膜を更に設けることで、温度補償と実効的電気機械結合係数の増大とを実現でできると共に、弾性波デバイスの大型化をより抑制できる。
【０１５７】
実施例４の変形例１において、温度補償膜４２は、圧電膜２６の間に挿入される場合、又は下部電極２４と圧電膜２６との間に配設される場合でもよい。また、実施例４の変形例２では、温度補償膜４２の上面及び下面それぞれに形成され、互いに短絡した導電膜として、上部電極２８を用いたが、下部電極２４を用いてもよい。温度補償膜４２が圧電膜２６の間に挿入されている場合には、温度補償膜４２の上面及び下面それぞれに新たな導電膜を形成し、これらが互いに電気的に短絡した構成としてもよい。
【０１５８】
図２（ｂ）のように、実施例１から実施例４では、空隙３２が、基板２２と下部電極２４との間のドーム形状の膨らみから形成される例を示したが、図２９（ａ）及び図２９（ｂ）に示す形態を用いることもできる。図２９（ａ）は、第１変形例に係るＦＢＡＲの断面を示し、図２９（ｂ）は、第２変形例に係るＦＢＡＲの断面を示している。図２９（ａ）に示されるように、第１変形例に係るＦＢＡＲにあっては、空隙３２ａが、共振部３０における下部電極２４下の基板２２の一部を除去して設けられている。第２変形例に係るＦＢＡＲにあっては、図２９（ｂ）のように、空隙３２ｂが、共振部３０における下部電極２４下の基板２２を貫通して設けられている。
【０１５９】
また、弾性波デバイスは、ＦＢＡＲタイプの圧電薄膜共振子に限らず、ＳＭＲ（Solidly Mounted Resonator）タイプの圧電薄膜共振子でもよい。図２９（ｃ）は、ＳＭＲの断面を示している。図２９（ｃ）のように、ＳＭＲにあっては、下部電極２４下に、音響インピーダンスの高い膜５２と低い膜５４とをλ／４（λは弾性波の波長）の膜厚で交互に積層した音響反射膜５０が設けられている。
【０１６０】
さらに、弾性波デバイスはＣＲＦ（Coupled Resonator Filter）タイプの圧電薄膜共振子でもよい。図３０は、ＣＲＦの断面を示している。図３０のように、ＣＲＦにあっては、基板２２上に、第１圧電薄膜共振子９２と第２圧電薄膜共振子９４とが積層されている。第１圧電薄膜共振子９２は、下部電極２４、圧電膜２６、及び上部電極２８を備えている。第２圧電薄膜共振子９４も、下部電極２４、圧電膜２６、及び上部電極２８を備えている。第１圧電薄膜共振子９２の上部電極２８と第２圧電薄膜共振子９４の下部電極２４との間には単層のデカプラ膜９０が設けられている。デカプラ膜９０は、例えば酸化シリコン膜あるいは酸化シリコン膜に添加元素を含有する膜等、酸化シリコンを含む膜を用いることができる。
【０１６１】
さらに、弾性波デバイスは、弾性表面波デバイスあるいはラム波デバイスでもよい。図３１（ａ）は、弾性表面波デバイスの上面図であり、図３１（ｂ）は、図３１（ａ）のＡ−Ａ間の断面図である。図３１（ｃ）は、ラブ波デバイスの断面図であり、図３１（ｄ）は、弾性境界波デバイスの断面図である。図３１（ａ）及び図３１（ｂ）のように、例えばＳｉ基板、ガラス基板、セラミックス基板、及びサファイア基板等の絶縁性基板からなる支持基板６０上に、圧電膜６２が設けられている。圧電膜６２は、２価元素と４価元素を含有する窒化アルミニウム膜、２価元素と５価元素を含有する窒化アルミニウム膜、又は３価元素あるいはその他の元素を含有する窒化アルミニウム膜であり、実施例１及び実施例２で説明した圧電膜２６又は実施例４で説明した圧電膜２６と同じ材料である。圧電膜６２上に、例えばＡｌ又はＣｕ等の金属膜６４が設けられている。金属膜６４により、反射器Ｒ０、ＩＤＴ（Interdigital Transducer）ＩＤＴ０、入力端子Ｔｉｎ、及び出力端子Ｔｏｕｔが形成されている。ＩＤＴ０は、２つの櫛型電極６６を備えている。２つの櫛型電極６６にはそれぞれ入力端子Ｔｉｎ及び出力端子Ｔｏｕｔが接続されている。入力端子Ｔｉｎ及び出力端子Ｔｏｕｔは、外部接続端子を構成している。弾性波の伝搬方向でＩＤＴ０の両側に反射器Ｒ０が配置されている。櫛型電極６６及び反射器Ｒ０は、弾性波の波長λに対応する間隔に配置された電極指を備えている。ＩＤＴ０により励振された弾性波は、圧電膜６２の表面を伝搬し、反射器Ｒ０により反射される。これにより、弾性表面波デバイスは、弾性波の波長λに対応する周波数において共振する。即ち、圧電膜６２上に設けられた櫛型電極６６は、圧電膜６２を伝搬する弾性波を励振する電極として機能する。
【０１６２】
ラブ波デバイス及び弾性境界波デバイスの平面図は図３１（ａ）と同じであるため説明を省略する。ラブ波デバイスにおいては、図３１（ｃ）のように、金属膜６４を覆うように、圧電膜６２の上面に接して誘電体膜６８が設けられている。誘電体膜６８を圧電膜６２の弾性定数の温度係数と逆符号の温度係数を持つ材料で形成することで、誘電体膜６８を温度補償膜として機能させることができる。誘電体膜６８として、ＳｉＯ２等、酸化シリコンを主成分とする膜を用いることができる。弾性境界波デバイスにおいては、図３１（ｄ）のように、誘電体膜６８上にさらに誘電体膜７０が設けられている。誘電体膜７０は、例えば酸化アルミニウム膜を用いることができる。弾性波を誘電体膜６８内に閉じ込めるため、誘電体膜７０の音速は誘電体膜６８より速いことが好ましい。
【０１６３】
なお、図３１（ａ）乃至図３１（ｄ）にあっては、支持基板６０上に圧電膜６２が設けられた構造を例に示しているが、支持基板６０を用いずに、圧電膜６２の厚さを厚くして基板としての支持機能を持たせてもよい。
【０１６４】
図３２は、ラム波デバイスの断面図である。かかるラム波デバイスにあっては、第１支持基板８０上に第２支持基板８２が設けられている。第２支持基板８２は、第１支持基板８０の上面に、例えば表面活性化接合又は樹脂接合等により接合されている。第１支持基板８０及び第２支持基板８２には、例えばＳｉ基板、ガラス基板、セラミックス基板、及びサファイア基板等の絶縁性基板を用いることができる。第２支持基板８２上には、圧電膜８４が設けられている。圧電膜８４は、２価元素と４価元素を含有する窒化アルミニウム膜、２価元素と５価元素を含有する窒化アルミニウム膜、又は３価元素あるいはその他の元素を含有する窒化アルミニウム膜であり、実施例１及び実施例２で説明した圧電膜２６又は実施例４で説明した圧電膜２６と同じ材料である。第２支持基板８２には、厚さ方向に貫通する孔部が設けられており、孔部は第１支持基板８０と圧電膜８４との間の空隙８６として機能する。圧電膜８４上であって、空隙８６の上方に位置する領域に、電極８８が設けられている。電極８８はＩＤＴであり、かかるＩＤＴの両側には反射器（図示せず）が設けられている。電極８８で励振された弾性波は、圧電膜８４の上下面で反射を繰り返しながら、圧電膜８４を横方向に伝搬する。
【０１６５】
ラム波デバイスにおいても、図３１（ｃ）に示される如く、電極８８を覆うように、圧電膜８４の上面に接して誘電体膜が設けられていてもよい。かかる誘電体膜を圧電膜８４の弾性定数の温度係数と逆符号の温度係数を持つ材料で形成することにより、温度補償膜として機能させることができる。
【０１６６】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【０１６７】
１０  アルミニウム原子
１２  窒素原子
２０  ＦＢＡＲ
２２  基板
２４  下部電極
２６、２６ａ、２６ｂ  圧電膜
２８  上部電極
３０  共振部
３２、３２ａ、３２ｂ  空隙
３４  導入路
３６  孔部
３８  開口部
３９  犠牲層
４０  ＦＢＡＲ
４２  温度補償膜
５０  音響反射膜
５２  音響インピーダンスの高い膜
５４  音響インピーダンスの低い膜
６０  支持基板
６２  圧電膜
６４  金属膜
６６  櫛型電極
６８  誘電体膜
７０  誘電体膜
８０  第１支持基板
８２  第２支持基板
８４  圧電膜
８６  空隙
８８  電極
９０  デカプラ膜
９２  第１圧電薄膜共振子
９４  第２圧電薄膜共振子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
0005904591.tif 000020
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
0005904591.tif 000024
【図１５】
0005904591.tif 000025
【図１６】
0005904591.tif 000026
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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