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て, 基板温度 1 C にて,IDT と伝搬路上に AlN 薄膜を成膜した. 各カット角に対してゼロ減衰を示した規格化膜厚を含むように, 複数の膜厚を有する試料を作製した. (3) 圧電薄板と高音速支持基板との接合による LLSAW の高結合化高音速な支持基板として AT カット水晶 (AT-Quartz) と Al2O3 の c 面 (c-al2o3) を取り上げ, これらの支持基板と接合した LN 薄板, LT 薄板上の LLSAW 伝搬特性を計算した. また, 有限要素法 (Finite Element Method: FEM) を用いて,X31 Y-LT 接合構造上に形成した IDT 型共振子 ( =8. m, 交叉幅 W=2, 電極 Al 膜厚.1 m) の LLSAW の共振特性を解析した. 解析モデルとして, 支持基板の板厚を 1 とし,1 周期分の IDT の両側に周期境界条件 ( 無限周期構造 ) を, 底面に完全整合層をそれぞれ仮定した. 実験として, 表面活性化常温接合法により, X36 Y-LN と c-al2o3 を直接接合し, 研磨により LN の板厚を 1. m とした試料を入手し, 研磨面上に,LT の X 軸方向が伝搬方向となるように,IDT 型共振子 =8 m, 対数 N=3.,Al 膜厚.1 m を形成した試料を作製した. 4. 研究成果 (1) ScAlN 薄膜の作製と LLSAW の低損失化図 1 に Ar:N2=12:8, ガス圧.22 Pa で成膜した試料の XRD パターンを示す. いずれの成膜条件においても, 回折角 2θ=1 3 における SiO2 基板のブロードなピークと 2θ=36 付近における ScAlN の (2) 面のピークがみられたため,c 軸配向された薄膜であると考えられる. 特に,Ar:N2=12:8, ガス圧.22 Pa で成膜した ScAlN 薄膜においてピーク強度が最も大きくなったため, この条件が最適な条件であると考えられる. 配向性の高い ScAlN 薄膜が得られたため, 試料表面上に IDT を形成したが,SAW の励振が観測されなかった. 薄膜中の Sc 含有率を高めるために,Sc ターゲットのカソードパワーを 1 W に増加させても同様であった. 次に,R-Al2O3,(111)Si,SiO2/(1)Si の各基板上に, 上述の最適な成膜条件で,ScAlN 薄膜を成膜した試料における波長で規格化した膜厚 h/, 配向性,K 2 を表 2 に示す. 特に,Si 基板上で高配向な薄膜が得られ, これらの 3 種類の基板試料では SAW の励振が観測された. しかし, いずれの試料でも K 2 は.1% 未満と小さい値であった. 作製した ScAlN 薄膜の組成をラザフォード後方散乱分析法 (Rutherford backscattering Spectrometry: RBS) によって分析した結果, 作製した薄膜は Sc24%-Al76% の Sc.24Al.76N 薄膜であることが分かった. これは ScAlN 薄膜の圧電定数が最大となる Sc 含有率 43% の約半分であるが,Sc 含有率 22% の Sc.22AlN.78 薄膜で K 2 = X-ray Intensity [cps] 1 1 4 1 3 1 2 Ar:N 2 = 7.2:4.8 sccm Gas pressure:.22 Pa ScAlN(2) 1 1 1 3 2 [ ] 図 1 ScAlN/SiO2 試料の XRD パターン 表 2 各基板上の ScAlN 薄膜の特性 Substrate Orientation h/ K 2 [%] R-Al2O3 Polycrystalline.37.81 (111)Si c-axis.1.6 SiO2/(1)Si c-axis.21.86 1.3% と報告されており, 本研究で作製した薄膜の Sc 含有率が小さすぎるわけではない. このことから, 薄膜中の分極方向が均一でないために, 大きな圧電性が得られていないと考えられる. 図 2 に薄膜未装荷試料と薄膜装荷試料の N=1,L=1 における LLSAW 周波数特性を示す.LLSAW の最小挿入損失は薄膜装荷によって約 28 db 減少した. また, 伝搬路長に対する LLSAW 最小挿入損失の傾きより伝搬損失を求めた結果, 未装荷試料では N=1, 3 でそれぞれ.2,. db/, 薄膜装荷試料では N=1,3 でそれぞれ.1,.8 db/ であった. よって,ScAlN 薄膜装荷によって伝搬損失低減効果があることが分かった. Insertion Loss [db] 3 7 h/ =.2 9 1.2 1.3 1.4 1. 1.6 1.7 1.8 1.9 Frequency [GHz] 図 2 LLSAW の周波数特性 (2) 高音速薄膜装荷による横波型 LSAW の低損失化 Y 軸からのカット角 に対する伝搬減衰 ( 境界短絡 ), および K 2 の計算値を, 図 3, 4 にそれぞれ示す. 図中のパラメータは, 波長 で規格化した AlN 薄膜の膜厚 h/ である. 図中には後述する測定値も示してある. = 付近で伝搬減衰がゼロとなる一方, 比較的 K 2 の大きな Y カット ( = ) 付近では, 伝搬減衰

が非常に大きいことがわかる.AlN 薄膜の膜厚増加に従い, ゼロ減衰を示すカット角が 付近から にシフトすることがわかった. また,AlN 薄膜の膜厚に対して K 2 は単調に減少する. これらの特性より, ゼロ減衰と最大の K 2 が同時に得られる膜厚とカット角の組み合わせが存在し,h/ =.6, =17 のとき,16.% の K 2 計算値を示すことがわかった. これは未装荷においてゼロ減衰を示す =7 の K 2 計算値 (=12.1%) よりも大きな値である. Attenuation (db/ ) 1 1 1 1-1 1-2 1-3 h/ =.231 h/ =.12 h/ =., : Measured PL h/ =.1-3 3 9 Cut Angle from Y-axis ( ) h/ : :. :.6 :.12 :.231 図 3 カット角に対する伝搬減衰 ( 境界短絡 ) Coupling Factor K 2 (%) 3 2 1 1 h/ =.231 h/ =.12, : Measured K 2 h/ =. h/ =.1 h/ : :. :.6 :.12 :.231-3 3 9 Cut Angle from Y-axis ( ) 図 4 カット角に対する結合係数 K 2 図 に,(a), (b) 1, (c) 41, (d) 64 YX -LN の場合の, 送受 IDT 間の周波数特性の例を示す. ネットワークアナライザのタイムゲート処理により, 直達電磁波と Triple transit echo の影響を除いたものである. いずれの試料においても, MHz 付近に LSAW の応答が観測された. と 1 YX-LN 試料においては,4 MHz 付近に R-SAW の応答も観測された., 1, 41 YX-LN 試料において,AlN 薄膜の装荷後に LSAW の最小挿入損失が低減した. 例えば, YX-LN[ 図 (a)] において, 約 db であった未装荷試料の最小挿入損失は,h/ =.231 の AlN 薄膜装荷により 1.6 db まで減少した. 一方,64 YX-LN 試料 [ 図 (d)] においては,AlN 薄膜装荷試料の伝搬路長が未装荷試料よりも短いにもかかわらず, 最小挿入損失が増加した. 伝搬路長に対する最小挿入損失の傾きから求めた伝搬損失の測定値は計算値と同様の膜厚依存性を示した., 1, 41 YX-LN の未装荷試料の PL は, それぞれ.,.,.3 db/ であり, それぞれ h/ =.231,.12,. の AlN 薄膜装荷によって,.4,.2,.6 db/ に減少した. 一方, 64 YX-LN 試料においては, 未装荷試料の. db/ から, h/ =.1 の AlN 薄膜装荷後に.3 db/ に増加した. 各カット角における未装荷の伝搬損失, AlN 薄膜装荷後の最小伝搬損失, およびその膜厚を図 3 中に示す.AlN 薄膜装荷によって伝搬損失が低減し, 各カット角において最小の伝搬損失を示した膜厚が計算値と概ね一致したことから,AlN 薄膜装荷によって最小伝搬減衰を示すカット角が小さい角度にシフトすることを実験的に明らかにした. IDT のアドミタンス特性から求めた K 2 の測定値を図 4 中に示す..2 db/ の PL が得られた h/ =.12 の 1 YX-LN 試料において, 16.9% の K 2 測定値が得られた. この値は, 64 YX-LN の未装荷試料 (PL=. db/ ) の K 2 測定値 (1.%) よりも大きい.K 2 測定値は, 計算値と概ね同様のカット角依存性, 膜厚依存性を示したことから, 前述のような, ゼロ減衰と最大の K 2 が同時に得られる膜厚とカット角の組み合わせが存在すると考えられる. Insertion Loss (db) Insertion Loss (db) (a) R-SAW LSAW LSAW YX-LN, L= h/ =.231 3 7 3 7 (c) 41 YX-LN, L=3 (d) 64 YX-LN h/ =. 3 7 Frequency (MHz) (b) h/ =.12 L=3 1 YX-LN, L= h/ =.1 L= 3 7 Frequency (MHz) 図 送受 IDT 間の周波数特性 (a), (b) 1, (c) 41, (d) 64 YX-LN また, この手法を LT に適用した場合, 伝搬損失は各段に低減するが, 未装荷においてゼロ減衰を示すカット角の K 2 よりも大きな K 2 は得られないことがわかった. (3) 圧電薄板と高音速支持基板との接合による LLSAW の高結合化水晶は異方性が大きいため, 接合時の伝搬特性は水晶の伝搬方向に大きく依存すると考えられる.AT-Quartz 上の X 軸からの伝搬角に対する LLSAW の位相速度を計算した結果,4 X 伝搬において最も高速であることがわかった. これらの伝搬方位において, LN/LT 単体と最大の位相速度差を有するため, 粒子変位の集中効果が期待できる.

例として図 6 に,X36 Y-LN 薄板を AT 4 X-Quartz, または c-al2o3 と接合した場合の LLSAW の (a) 位相速度と (b)k 2 の計算値をそれぞれ示す. 横軸は, 波長 で規格化した LN,LT 薄板の板厚 h/ である. 図 6(b) 中には, 後述する測定値も示してある. 接合時の位相速度が LN/LT 単体の位相速度よりも遅くなる特異な現象を示す板厚が存在することがわかった. また, 板厚の増加に従って LLSAW の K 2 は増加し,LN/LT 単体の値よりも大きな値を示した. 特に LT 薄板と水晶との接合では,h/ =.1~. において LT 単体の約 3 倍 ( 約 8%) の K 2 を示した. Phase Velocity [m/s] 1 Coupling Factor K 2 [%] 3 (b) (a) X36 Y-LN/c-Al 2 O 3 Measured X36 Y-LN ( : Free, : Metallized) X36 Y-LN/AT4 X-Quartz ( : Free, : Metallized) X36 Y-LN/c-Al 2O 3 ( : Free, : Metallized) X36 Y-LN/AT4 X-Quartz 1 X36 Y-LN Measured.1.2.3.4. Normalized LN Thin-Plate Thickness h/ 図 7 LN 薄板接合構造上の LLSAW の (a) 位相速度と (b)k 2 LLSAW の深さ方向に対する縦波成分 (u1) の粒子変位分布を計算した.LT 単体では表面から深さ方向 1 波長以上にわたって変位が分布しているが, 接合構造では表面から 1 波長以内に変位が集中することがわかった. このため, 高音速基板との接合により K 2 が増加すると考えられる. FEM 解析例として, 図 8 に支持基板を AT4 X-Quartz とした場合の LLSAW 共振特性を示す.h/ =.1 のとき最も大きなアドミタンス比 66 db が得られ,LT 単体の 24 db よりも格段に向上した. また, 比帯域幅, 共振 Q も LT 単体の 2.1%,43 から 3.%,17 にそれぞれ増加した. 一方,c-Al2O3 との接合では,h/ =. のとき最も大きなアドミタンス比 (4 db), 共振 Q(397) が得られたが, 水晶と接合した方がより良好な共振特性が得られることがわかった. 共振特性の測定結果と FEM 解析結果を図 9 に示す.LN 単体試料の特性と比較すると, 接合試料の LLSAW の応答は高周波側にシフトし, アドミタンス比は 13 db から 23 db に, 共振 Q 値は 4.1 から 22 にそれぞれ増加した. また,K 2 測定値は,LN 単体試料の 1.6% か ら 19.7% に増加した. 図 7(b) 中にこれらの K 2 測定値を示してある. Y [S] Y [S] 1 1-1 1-2 1-3 1-4 1-1 1-1 1-2 (a) : X31 Y-LT : h/ =.1 : h/ =.1 : h/ =. : h/ =.2 : h/ =.3 7 7 8 Frequency [MHz] 図 8 FEM 解析による X31 Y-LT /AT4 X-Quartz 上の LLSAW 共振特性 ( 無限周期構造 ) X36 Y-LN ( : Experiment, : FEM) X36 Y-LN/c-Al 2 O 3 ( : Experiment, : FEM) 1 1 Frequency [MHz] 図 9 IDT/X36 Y-LN/c-Al2O3 試料, IDT/X36 Y-LN 試料上の共振特性 共振特性の測定結果は,FEM 解析結果に近い特性を示しているが, 特に接合試料において解析結果よりもアドミタンス比が小さい. 接合試料においては LLSAW の伝搬損失が大きい可能性がある. 今後は, 提案接合構造を用いて高周波 高結合 低損失基板構造の確立を目指す.. 主な発表論文等 雑誌論文 ( 計 3 件 ) 1 M. Gomi, T. Kataoka, J. Hayashi, and S. Kakio, High-coupling leaky surface acoustic waves on LiNbO3 or LiTaO3 thin plate bonded to high-velocity substrate, Jpn. J. Appl. Phys., vol.6, no.7s, 採録決定, 17. 査読有 2 S. Kakio and K. Hosaka, Loss reduction of leaky surface acoustic wave by loading with high-velocity thin film, Jpn. J. Appl. Phys., vol., no.7s, pp.7kd11-1-6, 16. doi: 1.767/JJAP..7KD11 査読有 3 S. Kakio and K. Hosaka, Loss reduction of leaky surface acoustic wave by loading with high-velocity thin film, Proc. of 1 IEEE

International Ultrasonics Symposium, P4A3-, pp.1-4, 1. 査読有 学会発表 ( 計 18 件 ) 1 垣尾省司, 五味将史, 林純貴, 須崎遥, 米内敏文, 岸田和人, 水野潤, LiTaO3 薄板と水晶基板の接合によるリーキー系 SAW の高結合化, 第 64 回応用物理学会春季学術講演会,14p-14-8, 17/3/14.[ パシフィコ横浜 ( 神奈川県 横浜市 )] 2 五味将史, 片岡拓哉, 林純貴, 垣尾省司, 圧電薄板と高音速基板の接合によるリーキー系弾性表面波の高結合化, 圧電材料 デバイスシンポジウム 17, B-3,17/2/6.[ 東北大学 ( 宮城県 仙台市 )] 3 垣尾省司, 五味将史, 片岡拓哉, 林純貴, 圧電薄板と高音速基板の接合によるリーキー系 SAW の高結合化, 平成 28 年度第 2 回 EM デバイス システムの新技術調査専門委員会, 超精密周波数計測, 比較を目指す未来型回路技術調査専門委員会合同委員会 技術報告,EM-1, 16/12/2.[ 登別会館 ( 北海道 登別市 )] 4 M. Gomi, T. Kataoka, J. Hayashi, and S. Kakio, High-coupling leaky SAWs on LiNbO3 or LiTaO3 thin plate bonded to high-velocity substrate, The 37th Symposium on ULTRASONIC ELECTRONICS, 1P3-2, 16/11/16. [Pusan(Korea)] 垣尾省司, 勝谷信介, 保坂桂子, ScAlN/ 回転 Y-X LiTaO3 構造におけるリーキー SAW の理論解析, 第 77 回応用物理学会秋季学術講演会,13p-P1-1, 16/9/13.[ 朱鷺メッセ ( 新潟県 新潟市 )] 6 五味将史, 片岡拓哉, 林純貴, 垣尾省司, LiNbO3 LiTaO3 薄板と高音速基板の接合によるリーキー系 SAW の高結合化, 第 77 回応用物理学会秋季学術講演会,13a-D63-4,p.1-4,16/9/13. [ 朱鷺メッセ ( 新潟県 新潟市 )] 7 垣尾省司, 勝谷信介, 保坂桂子, 高音速薄膜装荷によるリーキー弾性表面波の低損失化, 第 4 回 EM シンポジウム, 16/6/16-17. [ 東京理科大学 ( 東京都 新宿区 )] 8 垣尾省司, 勝谷信介, 保坂桂子, 高音速薄膜装荷によるリーキー弾性表面波の低損失化, 日本学術振興会弾性波技術第 1 委員会第 144 回研究会資料,16//17. [ 弘済会館 ( 東京都 千代田区 )] 9 垣尾省司, 勝谷信介, 保坂桂子, 高音速薄膜装荷によるリーキー弾性表面波の低損失化 LiTaO3 基板への適用, 第 63 回応用物理学会春季学術講演会講演予稿集,p-S322-12, 16/3/. [ 東京工業大学大岡山キャ ンパス ( 東京都 目黒区 )] 1 垣尾省司, 保坂桂子, 高音速薄膜装荷によるリーキー弾性表面波の低損失化, 圧電材料 デバイスシンポジウム 16 予稿集, D-1, pp.9-62, 16/2/9. [ 東北大学 ( 宮城県 仙台市 )] 11 M. Gomi and S. Kakio, Loss reduction of longitudinal-type leaky surface acoustic wave by loading with ScAlN thin film, Proc. of The 36th Symposium on ULTRASONIC ELECTRONICS, 1P3-2, 1/11/. つくば国際会議場 ( 茨城県 つくば市 )] 12 垣尾省司, 保坂桂子, 高音速薄膜装荷によるリーキー弾性表面波の低損失化, 平成 27 年度第 2 回 EM デバイス システムの新技術調査専門委員会 技術報告,1-3, 1/1/3. 山梨大学 ( 山梨県 甲府市 )] 13 五味将史, 垣尾省司, ScAlN 薄膜装荷による縦型リーキー弾性表面波の低損失化, 平成 27 年度第 2 回 EM デバイス システムの新技術調査専門委員会 技術報告,1-1, 1/1/3. [ 山梨大学 ( 山梨県 甲府市 )] 14 五味将史, 垣尾省司, ScAlN 薄膜装荷による縦型リーキー弾性表面波の低損失化, 第 76 回応用物理学会秋季学術講演会講演予稿集,14a-2K-8, 1/9/14. [ 名古屋国際会議場 ( 愛知県 名古屋市 )] 1 垣尾省司, 保坂桂子, 高音速薄膜装荷によるリーキー弾性表面波の低損失化, 第 62 回応用物理学会春季学術講演会講演予稿集,11p-D12-11, p.2-37, 1/3/11-3/14. [ 東海大学湘南キャンパス ( 神奈川県 平塚市 )] 他 3 件 産業財産権 出願状況 ( 計 1 件 ) 名称 : 接合基板, 弾性表面波素子, 弾性表面波デバイスおよび接合基板の製造方法 発明者 : 栗本浩平, 岸田和人, 茅野林造, 水野潤, 垣尾省司権利者 : 早稲田大学, 国立大学法人山梨大学, 株式会社日本製鋼所種類 : 特願番号 :16-17122 出願年月日 :16 年 8 月 1 日国内外の別 : 国内 その他 ホームページ http://www.ccn.yamanashi.ac.jp/~kakio/ 6. 研究組織 (1) 研究代表者垣尾省司 (KAKIO Shoji) 山梨大学 大学院総合研究部 教授研究者番号 :7242617