(57)【要約】【課題】  表面弾性波素子に適用した場合に、高いエネルギー変換効率が得られる配向性圧電体膜の提供。【解決手段】この発明は、（１１２）サファイア基板上に、ニオブ酸カリウム結晶膜からなる圧電体膜を形成し、この形成されたニオブ酸カリウム結晶膜の分極軸方位が（１１２）サファイア基板表面にほぼ平行になるようにした。（１１２）サファイア基板と、ニオブ酸カリウム結晶膜との間に、バッファ層として酸化マグネシウム結晶を挟むようにしても良い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（１１２）サファイア基板上にニオブ酸カリウム結晶膜を形成し、この形成されたニオブ酸カリウム結晶膜の分極軸方位が前記サファイア基板表面にほぼ平行であることを特徴とする配向性圧電体膜。
【請求項２】
サファイア基板上にニオブ酸カリウム結晶膜を形成し、この形成の際に使用される前記サファイア基板の表面の原子配置間隔ｄ１，ｄ２の１／２の各値が、擬正方晶ニオブ酸カリウム結晶の格子定数ｂ，ｃに近似するようにしたことを特徴とする配向性圧電体膜。
【請求項３】
（１１２）サファイア基板上にバッファ層として酸化マグネシウム結晶を形成し、さらにその上にニオブ酸カリウム結晶膜を形成し、その形成されたニオブ酸カリウム結晶膜の分極軸方位が前記サファイア基板表面にほぼ平行であることを特徴とする配向性圧電体膜。
【請求項４】
サファイア基板上にバッファ層として酸化マグネシウム結晶を形成し、さらにその上にニオブ酸カリウム結晶膜を形成し、この形成の際に使用される前記サファイア基板の表面の原子配置間隔ｄ１，ｄ２の１／２の各値と、擬正方晶ニオブ酸カリウム結晶の格子定数ｂ，ｃとが近似するようにしたことを特徴とする配向性圧電体膜。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サファイア基板上に圧電体膜を形成させた配向性圧電体膜に関し、特に情報通信分野に用いられる圧電体膜として有望なニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ3 ）圧電体膜の配向制御に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧電体や強誘電体結晶膜は、シリコン基板などの基板上に形成し、さらに電極を設けることで、電子デバイス素子として広く応用されている。
近年、ニオブ酸カリウム膜は、その電気機械結合定数が大きいため、表面弾性波素子に応用した際に、高いエネルギー変換効率が得られることから有望な電子材料として注目されている。しかし、その特性を最大限に発揮させるためには、基板上の結晶膜の結晶配向を制御することが不可欠となる。具体的には、ニオブ酸カリウム結晶の分極軸方向が基板表面に平行になるように結晶配向を制御するのが有利である。
【０００３】
従来、基板上に配向制御した結晶膜を形成する技術としては、圧電体や強誘電体として広く使用されているペロブスカイトＡＢＯ3 型強誘電体薄膜の格子定数と、半導体単結晶基板の格子定数との整合に関するものが知られている（特許文献１参照）。
また、基板上にニオブ酸カリウムを形成させる成膜技術としては、ニオブ酸カリウム結晶に材料を特化し、基板としてシリコン基板を使用してその上にバッファ層を形成し、その上にニオブ酸カリウム結晶を形成するものが知られている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平６−１５１６０１号公報
【特許文献２】特開２００３−１７９８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来技術では以下の不具合が考えられる。
まず、上述の特許文献１の発明では、ペロブスカイト型結晶膜直下のバッファ層を（１００）ＳｒＴｉＯ3 に限定している。後述のように、ＳｒＴｉＯ3 はニオブ酸カリウムの格子定数の関係から、ニオブ酸カリウムの分極軸方位を基板表面に平行になるように配向させることができない。一方、上述の特許文献２の発明では、ニオブ酸カリウム膜の結晶配列方位がシリコン基板の表面に平行になっていない。このため、両特許文献の発明は、上述のエネルギー変換効率の面で不利となり、表面弾性波素子への応用には適さない。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、上記の点に鑑み、表面弾性波素子に適用した場合に、高いエネルギー変換効率が得られる配向性圧電体膜を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決し本発明の目的を達成するために、各発明は、以下のように構成した。
すなわち、第１の発明は、（１１２）サファイア基板上にニオブ酸カリウム結晶膜を形成し、この形成されたニオブ酸カリウム結晶膜の分極軸方位が前記サファイア基板表面にほぼ平行になるようにした。
【０００７】
第２の発明は、サファイア基板上にニオブ酸カリウム結晶膜を形成し、この形成の際に使用される前記サファイア基板の表面の原子配置間隔ｄ１，ｄ２の１／２の各値が、擬正方晶ニオブ酸カリウム結晶の格子定数ｂ，ｃに近似するようにした。
第３の発明は、（１１２）サファイア基板上にバッファ層として酸化マグネシウム結晶を形成し、さらにその上にニオブ酸カリウム結晶膜を形成し、その形成されたニオブ酸カリウム結晶膜の分極軸方位が前記サファイア基板表面にほぼ平行になるようにした。
【０００８】
第４の発明は、サファイア基板上にバッファ層として酸化マグネシウム結晶を形成し、さらにその上にニオブ酸カリウム結晶膜を形成し、この形成の際に使用される前記サファイア基板の表面の原子配置間隔ｄ１，ｄ２の１／２の各値と、擬正方晶ニオブ酸カリウム結晶の格子定数ｂ，ｃとが近似するようにした。
以上のような構成からなる本発明は、サファイア基板とニオブ酸カリウムの間に以下の関係があることを見出し、これに基づいて完成させたものである。
【０００９】
すなわち、本発明の基板として使用される（１１２）サファイア基板は、その表面にｄ１＝０．８０４８９〔ｎｍ〕＝０．４０２４５×２〔ｎｍ〕、およびｄ２＝０．８２３４２〔ｎｍ〕＝０．４１１７１×２〔ｎｍ〕からなる２種類の原子配列周期を有する（図１参照）。これらと、擬正方晶ニオブ酸カリウム結晶の格子定数（ａ＝０．３９７３〔ｎｍ〕，ｂ＝ｃ＝０．４０３６２〔ｎｍ〕）との整合を考えると、ｂ，ｃとの整合が極めて良い。
【００１０】
このため、（１１２）サファイア基板の表面上には、ニオブ酸カリウム結晶のｂ−ｃ面が優先的に貼り合わさる形で結晶成長が開始され（エピタキシャル成長）、その配向を維持した状態で成膜が可能となる。そこで、本発明は、上記のように構成した。
このような構成によれば、（１１２）サファイア基板表面に形成されたニオブ酸カリウム結晶は、そのａ軸が基板表面に垂直方向となる。これは、ニオブ酸カリウム結晶の分極軸方向が完全にサファイア基板と平行になっていることを示す。換言すると、擬正方晶ニオブ酸カリウム結晶の分極軸の方位は、ｂ−ｃ面内、すなわちａ軸と直交している。
【００１１】
このことは、本発明の構成により配向制御されたニオブ酸カリウム結晶膜を使用すれば、従来に比べてエネルギー変換効率が高い表面弾性波素子を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態（実施例）について、図面を参照して説明する。
（実施形態１）
この実施形態１は、（１１２）サファイア基板上に、ニオブ酸カリウム結晶膜からなる圧電体膜を形成し、この形成されたニオブ酸カリウム結晶膜の分極軸方位が（１１２）サファイア基板表面にほぼ平行になるようにしたものである。
【００１３】
図１は、（１１２）サファイア基板を真上から見た平面図であり、図１中の丸印は、そのサファイア基板の表面における原子の配置例を示す。（１１２）サファイア基板において、隣接する原子の配置間隔は、図１に示すようにｄ１，ｄ２の２種類あり、ｄ１＝０．８０４８９〔ｎｍ〕＝０．４０２４５×２〔ｎｍ〕、およびｄ２＝０．８２３４２〔ｎｍ〕＝０．４１１７１×２〔ｎｍ〕である。
【００１４】
一方、図２は、擬正方晶ニオブ酸カリウム結晶の単位胞（単位格子）の鳥瞰図である。この擬正方晶ニオブ酸カリウム結晶の格子定数は、ａ＝０．３９７３〔ｎｍ〕，ｂ＝ｃ＝０．４０３６２〔ｎｍ〕となる。
従って、その格子定数ａ，ｂと配置間隔ｄ１，ｄ２との整合を考えると、表１に示すように、配置間隔ｄ１，ｄ２は格子定数ｂ，ｃとの整合が極めて良いことがわかる。すなわち、配置間隔ｄ１，ｄ２の１／２の各値（ｄ１／２，ｄ２／２）と、格子定数ｂ，ｃの各値とは非常に近似している。
【００１５】
【表１】
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【００１６】
そこで、この実施形態１では、（１１２）サファイア基板上に、ニオブ酸カリウム結晶膜を形成させるようにした。ここで、ニオブ酸カリウム結晶膜の成長方法（形成方法）としては、ゾルゲル法、ＭＯＤ法などの溶液からの塗布法、あるいはＭＢＥ法、ＣＶＤ法、スパッタ法、蒸着法などが使用される。
このようなニオブ酸カリウム結晶膜の成長方法によれば、（１１２）サファイア基板上には、ニオブ酸カリウム結晶のｂ−ｃ面が優先的に貼り合わさる形で結晶成長が開始され（エピタキシャル成長）、その配向を維持した状態で成膜が可能となる。
【００１７】
従って、実施形態１では、（１１２）サファイア基板上に形成されたニオブ酸カリウム結晶膜は、そのａ軸が（１１２）サファイア基板表面に垂直となる。すなわち、これはニオブ酸カリウム結晶膜の分極軸方位が、（１１２）サファイア基板表面と完全に平行になっていることを示す。
（実施形態２）
この実施形態２は、（１１２）サファイア基板上にバッファ層として酸化マグネシウム結晶を形成し、さらにその上に圧電体膜としてニオブ酸カリウム結晶膜を形成し、この形成されたニオブ酸カリウム結晶膜の分極軸方位がサファイア基板表面にほぼ平行になるようにしたものである。
【００１８】
酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の結晶は、立方晶（ａ＝ｂ＝ｃの立方体）であり、その単位胞は図３に示すようになる。この単位胞の格子定数は、ａ＝ｂ＝ｃ＝０．４２１〔ｎｍ〕となる。酸化マグネシウムの結晶は立方晶であるため、格子整合の良い（１１２）サファイア基板上に等価なａ軸、ｂ軸およびｃ軸の方位を区別することなく容易にエピタキシャル成長できる。
【００１９】
そこで、この実施形態２では、（１１２）サファイア基板上に、酸化マグネシウム結晶膜を形成させるようにした。ここで、酸化マグネシウム結晶膜の成長方法（形成方法）としては、ゾルゲル法、ＭＯＤ法などの溶液からの塗布法、あるいはＭＢＥ法、ＣＶＤ法、スパッタ法、蒸着法などが使用される。
さらに、酸化マグネシウム結晶膜の上に、ニオブ酸カリウム結晶膜を形成させるようにした。ここで、ニオブ酸カリウム結晶膜の成長方法は、実施形態１で例示した各方法を使用できる。
【００２０】
このように実施形態２では、（１１２）サファイア基板上に形成させた酸化マグネシウム結晶膜からなるバッファ層を足場とすることで、その酸化マグネシウム結晶の格子定数と、その格子定数に近いニオブ酸カリウム結晶の格子定数ｂ＝ｃ＝０．４０３６２〔ｎｍ〕とが整合する。
このため、実施形態２では、（１１２）サファイア基板の表面上には、酸化マグネシウム結晶膜からなるバッファ層を介して、ニオブ酸カリウム結晶のｂ−ｃ面が優先的に貼り合わさる形で結晶成長が開始され、その配向を維持した状態で成膜が可能となる。
【００２１】
従って、実施形態２では、酸化マグネシウム結晶膜上に形成されたニオブ酸カリウム結晶膜は、そのａ軸が（１１２）サファイア基板表面に垂直となる。すなわち、これはニオブ酸カリウム結晶膜の分極軸方向が、（１１２）サファイア基板表面と完全に平行になっていることを示す。
なお、上記の実施形態では、（１１２）サファイア基板上にニオブ酸カリウム結晶を形成するようにし、この形成されたニオブ酸カリウム結晶膜の分極軸方位が（１１２）サファイア基板表面にほぼ平行になる場合について説明した。しかし、形成されるニオブ酸カリウム結晶膜の分極軸方位がサファイア基板表面にほぼ平行になれば、サファイア基板のカット面は（１１２）のみならずそれに近似するカット面も含まれる。
【００２２】
また、上記の実施形態では、（１１２）サファイア基板上にニオブ酸カリウム結晶膜を形成する場合について説明した。しかし、他の圧電体膜あるいは強誘電体膜においても、分極軸方位と格子定数を勘案して良い格子整合が得られれば、（１１２）サファイアを基板として使用しても良い。
さらに、上記の実施形態２では、バッファ層として酸化マグネシウムを使用するようにしたが、酸化マグネシウムに近い格子定数のものであれば、これを代用するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態に使用される（１１２）サファイア基板を真上から見た平面図であって、原子の周期配列を示す図である。
【図２】擬正方晶ニオブ酸カリウム結晶の単位胞の鳥瞰図である。
【図３】酸化マグネシウム結晶の単位胞の鳥瞰図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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