JP4358053B2

JP4358053B2 - 表面弾性波フィルターおよびその製造方法

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Publication number: JP4358053B2
Application number: JP2004209625A
Authority: JP
Inventors: 春喜横山; 隆小林; 一巳西村; 直輝重川
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; NTT Inc USA
Current assignee: NTT Inc; NTT Inc USA
Priority date: 2004-07-16
Filing date: 2004-07-16
Publication date: 2009-11-04
Anticipated expiration: 2024-07-16
Also published as: JP2006033434A

Description

本願発明は窒化物系半導体を用いた表面弾性波フィルターおよびその製造方法に関する。

近年、携帯電話を中心とした移動体通信の利用者数は急激に増加している。このような状況の中、高い周波数領域においても安定に動作する高性能のフィルターの開発が進められている。また、最近の移動体通信機器の小型化のニーズにより、フィルター類も従来のＬＣフィルターから誘電体フィルター、さらに表面弾性波（Ｓｕｒｆａｃｅａｃｏｕｓｔｉｃｗａｖｅ、略してＳＡＷと称す）フィルターへと移り変わっているのが現状である。

高い周波数領域で動作するＳＡＷフィルターの実現のために高い表面弾性波伝播速度（以下ＳＡＷ伝播速度と称す）を有する結晶材料が求められている。ＳＡＷフィルターの共振周波数は次式によって類推することができる。

ｆ＝Ｖｓ／（２×Ｌ）
ここで、ｆは共振周波数、ＶｓはＳＡＷ伝播速度、Ｌは櫛型電極（ＩＤＴ：Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）の間隔である。この式からＳＡＷフィルターの高周波数化のためにはＳＡＷフィルターを形成する結晶材料のＳＡＷ伝播速度の向上が効果的であることが分かる。

ＳＡＷフィルターの結晶材料には、従来、水晶、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３等が用いられてきた。また、最近では、高いＳＡＷ伝播速度を有する結晶材料としてＧａＮやＡｌＮ等の窒化物系半導体が注目されている（例えば下記特許文献１参照）。下表にこれらの材料のＳＡＷ伝播速度についてまとめた。

この表から同じ櫛型電極（以下ＩＤＴ電極と称す）の間隔の場合には、従来の水晶、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３と比較してＧａＮやＡｌＮの窒化物系半導体の方がより高い周波数で動作すると期待できる。また、特に窒化物系半導体を用いた結晶材料の場合には、電子デバイスの作製も可能であることから、窒化物半導体を用いたフィルターとアンプの集積化が期待されている。

ＧａＮやＡｌＮの結晶材料は従来、サファイアを基板として用い、有機金属気相成長法（以下ＭＯＣＶＤ法と称す）や分子線エピタキシー法（以下ＭＢＥ法と称す）によって結晶の成長が行われている。しかし、サファイア基板と窒化物半導体との間には１０〜２０％の格子不整合があるため、サファイア基板上に直接、窒化物半導体を成長すると３次元成長が起き、表面荒れが発生するとともに、多くの結晶欠陥が発生する問題があった。

この問題を解決するため、サファイア基板上への窒化物半導体の成長は一般的に次の手順で行われている。サファイア基板をまず１０００℃以上の高温、水素雰囲気中でクリーニングした後、基板温度を約５００℃まで降温させてＧａＮ層やＡｌＮ層（以下低温バッファー層と称す）を低温で成長した後、さらに、基板温度を約１０００℃まで昇温させて目的とする窒化物系半導体を成長している（例えば下記非特許文献１、非特許文献２参照）。

さらに、前記の結晶材料上にはフォトリソグラフィ工程とＡｌ等の金属材料の蒸着により、ＩＤＴ電極を形成することでＳＡＷフィルターは作製されている。

特開２００１−２０３５６１号公報Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ、"ＧａＮｇｒｏｗｔｈｕｓｉＧａＮｂｕｆｆｅｒｌａｙｅｒ"，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３０，Ｌ１７０５（１９９１）Ｈ．Ａｍａｎｏ，Ｎ．Ｓａｗａｋｉ，Ｉ．ＡｋａｓａｋｉａｎｄＹ．Ｔｏｙｏｄａ，"ＭｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃｖａｐｏｒｐｈａｓｅｅｐｉｔａｘｉａｌｇｒｏｗｔｈｏｆａｈｉｇｈｑｕａｌｉｔｙＧａＮｆｉｌｍｕｓｉｎｇａｎＡｌＮｂｕｆｆｅｒｌａｙｅｒ"，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．４８，３５３（１９８６）

前記のように高い周波数領域で動作するＳＡＷフィルター用材料として期待されている窒化物系半導体の成長では成長温度を３段階に昇・降温する工程が必要なため、成長プロセスが複雑であることから高抵抗層を再現性良く、すなわち高歩留まりで、作製することが難しく、かつ、成長時間も長くなる問題点があった。また、５００〜１０００℃以上の温度範囲で頻繁に基板温度を変化させる成長プロセスが成長装置のヒーター材料の劣化を引き起こし、その部品寿命を短くする問題も発生した。

本願発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、本願発明が解決しようとする課題は、高い表面弾性波伝播速度を有し、高い周波数で効果的に動作する、窒化物系半導体を用いた表面弾性波フィルターおよびその高能率、高歩留まり、低コストの製造方法を提供することである。

上記課題を解決するために、本願発明では、請求項１に記載のように、
サファイアからなる基板上に（ＡｌＮ)_ｘ(Ａｌ_２Ｏ_３)_１−ｘからなる第１の層と、ＡｌＮからなる第２の層とをこの順序で順次形成し、さらに、前記第２の層上にＧａＮ、ＡｌＮ、または、ＧａＮとＡｌＮとの混晶からなる第３の層を形成してなる薄膜構造を有し、かつ、該薄膜構造上に櫛型電極を有する表面弾性波フィルターであって、前記第１の層の組成式におけるｘの値が前記基板側から前記第２の層側に向かって増加していることを特徴とする表面弾性波フィルターを構成する。

また、本願発明では、請求項２に記載のように、
サファイアからなる基板上に（ＡｌＮ)_ｘ(Ａｌ_２Ｏ_３)_１−ｘからなる第１の層と、ＡｌＮからなる第２の層と、Ａｌ_２Ｏ_３からなる中間層とをこの順序で順次形成し、さらに、前記中間層上にＧａＮ、ＡｌＮ、または、ＧａＮとＡｌＮとの混晶からなる第３の層を形成してなる薄膜構造を有し、かつ、該薄膜構造上に櫛型電極を有する表面弾性波フィルターであって、前記第１の層の組成式におけるｘの値が前記基板側から前記第２の層側に向かって増加していることを特徴とする表面弾性波フィルターを構成する。

また、本願発明では、請求項３に記載のように、
上記第３の層に、マグネシウム、亜鉛、ベリリウム、炭素、鉄の内の少なくとも１つの元素が添加されていることを特徴とする請求項１または２に記載の表面弾性波フィルターを構成する。

また、本願発明では、請求項４に記載のように、
サファイアからなる基板上に（ＡｌＮ)_ｘ(Ａｌ_２Ｏ_３)_１−ｘからなる第１の層とＡｌＮからなる第２の層とをこの順序で順次形成する第１の工程と、前記第２の層上にＧａＮ、ＡｌＮ、または、ＧａＮとＡｌＮとの混晶からなる第３の層を形成する第２の工程と、前記第３の層上に櫛型電極を形成する第３の工程とを有する表面弾性波フィルターの製造方法であって、前記第１の層を形成する際に、窒素原料の供給量と酸素原料の供給量とを時間経過とともに変化させて、前記第１の層の組成式におけるｘの値が前記基板側から前記第２の層側に向かって増加している前記第１の層を形成することを特徴とする表面弾性波フィルターの製造方法を構成する。

また、本願発明では、請求項５に記載のように、
サファイアからなる基板上に（ＡｌＮ)_ｘ(Ａｌ_２Ｏ_３)_１−ｘからなる第１の層と、ＡｌＮからなる第２の層と、Ａｌ_２Ｏ_３からなる中間層とをこの順序で順次形成する第１の工程と、前記中間層上にＧａＮ、ＡｌＮ、または、ＧａＮとＡｌＮとの混晶からなる第３の層を形成する第２の工程と、前記第３の層上に櫛型電極を形成する第３の工程とを有する表面弾性波フィルターの製造方法であって、前記第１の層を形成する際に、窒素原料の供給量と酸素原料の供給量とを時間経過とともに変化させて、前記第１の層の組成式におけるｘの値が前記基板側から前記第２の層側に向かって増加している前記第１の層を形成することを特徴とする表面弾性波フィルターの製造方法を構成する。

また、本願発明では、請求項６に記載のように、
上記第２の工程において、上記第３の層にマグネシウム、亜鉛、ベリリウム、炭素、鉄の内の少なくとも１つの元素を添加して上記第３の層を形成することを特徴とする請求項４または５に記載の表面弾性波フィルターの製造方法を構成する。

また、本願発明では、請求項７に記載のように、
上記第１の層および第２の層の形成にＥＣＲプラズマ製膜装置を用いることを特徴とする請求項４または６に記載の表面弾性波フィルターの製造方法を構成する。

また、本願発明では、請求項８に記載のように、
上記第１の層、第２の層および中間層の形成にＥＣＲプラズマ製膜装置を用いることを特徴とする請求項５または６に記載の表面弾性波フィルターの製造方法を構成する。

また、本願発明では、請求項９に記載のように、
上記第１の工程における層形成は、上記基板の昇温を目的とする加熱手段を用いずに行われることを特徴とする請求項４ないし請求項８のいずれかに記載の表面弾性波フィルターの製造方法を構成する。

本願発明の実施によって、サファイア基板上に（ＡｌＮ)_ｘ(Ａｌ_２Ｏ_３)_１−ｘ（ここに、０≦ｘ≦１であり、ｘは基板表面からの距離の増加とともに増加する）からなる第１の層と、ＡｌＮからなる第２の層を形成し、さらに、ＧａＮ、ＡｌＮ、または、ＧａＮとＡｌＮとの混晶からなる第３の層を形成することによって、高い表面弾性波伝播速度を有し、高い周波数で効果的に動作する、窒化物系半導体を用いた表面弾性波フィルターおよびその高能率、高歩留まり、低コストの製造方法を提供することが可能となる。

以下、本願発明の窒化物系半導体を用いたＳＡＷフィルターの層構成、および、その製造方法の詳細について説明する。

図１は本願発明の実施の形態のＳＡＷフィルターの層構成を示す断面の模式図である。図１において、１はサファイア基板、２は（ＡｌＮ)_ｘ(Ａｌ_２Ｏ_３)_１−ｘからなる第１の層、３はＡｌＮからなる第２の層、４はＧａＮからなる第３の層、５はＡｌにより形成された櫛型電極（ＩＤＴ電極）である。なお、（ＡｌＮ)_ｘ(Ａｌ_２Ｏ_３)_１−ｘ層２において、０≦ｘ≦１であり、ｘは層の厚さ方向に沿って、基板１表面からの距離の増加とともの増加するように変化している。このような層は、格子定数が層の厚さ方向に沿って変化している層であり、格子不整合に基づく不都合（３次元成長や格子欠陥の発生等）を軽減するためにきわめて有効である。

本実施の形態においては、第３の層としてＧａＮ層４を用いたが、第３の層としてＡｌＮ、または、ＧａＮとＡｌＮとの混晶からなる層を用いても良い。

前記第１の層である（ＡｌＮ)_ｘ(Ａｌ_２Ｏ_３)_１−ｘ層２はＥＣＲ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＣｙｃｒｏｔｒｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ）プラズマ製膜装置によりＡｌと窒素と酸素とを原料に用い、室温において、基板の昇温を目的とする加熱手段を用いずに、Ａｒプラズマ中で１０ｎｍ程度の膜厚になるように堆積を行った。また、この時、酸素のガス流量を６．１ｓｃｃｍから０ｓｃｃｍへ、窒素原料の供給速度すなわち窒素ガスの流量を０ｓｃｃｍから６ｓｃｃｍに段階的に増加させ、（ＡｌＮ)_ｘ(Ａｌ_２Ｏ_３)_１−ｘ層２中におけるｘの値が基板１側から第２の層であるＡｌＮ層３側に向かって、この場合には０から１まで、増加するようにした。

一方、前記の第２の層であるＡｌＮ層３は、同じ装置内で、Ａｌと窒素を原料に用い、窒素のガス流量を６ｓｃｃｍで固定して、１０ｎｍ程度の堆積を行った。なお、ｘの値が０から１まで変化することは必要ではなく、ｘの値が基板１側から第２の層であるＡｌＮ層３側に向かって増加していれば、本発明の効果は現われる。

なお、例えば、第１の層である（ＡｌＮ)_ｘ(Ａｌ_２Ｏ_３)_１−ｘ層２は１〜２００ｎｍの膜厚で設計することができるが、好ましくは５〜５０ｎｍ程度である。また、第２の層であるＡｌＮ層３は１〜２００ｎｍの膜厚で設計することができるが、好ましくは５〜５０ｎｍ程度である。

さらに、第２の層であるＡｌＮ層３上に、同じ装置内で、Ａｌ_２Ｏ_３からなる中間層を１〜１００ｎｍ程度積層し、その上に第３の層であるＧａＮ層４を形成した構造を用いても同様の効果を得ることができた。

上記の、（ＡｌＮ)_ｘ(Ａｌ_２Ｏ_３)_１−ｘ２とＡｌＮ層３とを形成する工程、または、その工程に上記中間層を形成する工程を追加した工程を第１の工程とする。

上記第１の工程における層形成にＥＣＲプラズマ製膜装置を用いているが、これ以外に、基板の昇温を目的とする加熱手段を必要としない製膜装置、たとえばプラズマＣＶＤ装置等を用いてもよい。

第３の層であるＧａＮ層４はＭＯＣＶＤ装置を用いてエピタキシャル成長した。この時、原料ガスにトリメチルガリウムとアンモニアを用いた。以下、ＧａＮ層４の成長手順について説明する。前記の積層構造を有する試料をＭＯＣＶＤ装置の成長チャンバー内に設置し、アンモニア雰囲気中で１０５０℃まで温度を昇温した。次に、トリメチルガリウムを成長チャンバー内に導入、膜厚が２μｍになるように、流量と時間を調整してＧａＮ層４の成長を行った。成長終了後にはアンモニア雰囲気中で温度を室温まで低下させ試料を取り出した。上記の、第３の層であるＧａＮ層４を形成する工程を第２の工程とする。

本願発明の効果を説明するために、ＧａＮの成長を行った時の成長温度の時間変化を図２に示す。また、比較のために、前述した従来の低温バッファー層を用いてＧａＮ層を成長した場合の成長温度の時間変化を図３に示した。従来の方法においては、低温バッファー層形成のために、温度を一時的に５００℃にまで下げなければならない。図２と図３との比較から明らかなように、本願発明によりその成長工程が簡略化され、かつ、成長時間も短縮できることが分かる。

本願発明の手法で成長したＧａＮ層の抵抗率は約３×１０^６Ω・ｃｍであった。しかし、成長チャンバー内の汚染の状況等によりＧａＮ成長中にｎ型不純物が混入し、抵抗率の低下を招くことがあった。また、このような抵抗率の低下は、ＳＡＷフィルターの性能指数の１つである電気機械結合定数を低下させた。このようにＧａＮ層の抵抗率が低下した場合には、ＧａＮの成長中にマグネシウム、亜鉛、ベリリウム、炭素、鉄等のｐ型の不純物となる元素の少なくとも１つを含むガスを用いてドーピングを行うことで効果的に抵抗率は向上した。

なお、例えば、第３の層であるＧａＮ層４の膜厚は１〜２０μｍの範囲で設計することができるが、好ましくは０．５〜５μｍである。さらに、第３の層としては、ＧａＮに代えて、ＳＡＷ伝播速度の大きなＡｌＮやＡｌＮとＧａＮの混晶にを用いても良い。また、成長法に関してもＭＯＣＶＤの他、ＭＢＥやガスソースＭＢＥを用いることができる。

第３の層であるＧａＮ層４を形成した後、図１に示したように、ＧａＮ層４上に、フォトリソグラフィ工程とＡｌの蒸着により２００ｎｍの膜厚でＩＤＴ電極５を形成した。このＩＤＴ電極５を形成する工程を第３の工程とする。

また、本願発明の実施によって作製したＳＡＷフィルターの特性解析から得られたＳＡＷ伝播速度は５８００ｍ／ｓ、電気機械的結合定数は４．２％であり、その特性が実用上においても十分な性能であることが確認できた。

本願発明では、前述のように窒化物半導体を成長する際の基板クリーニング、および、低温バッファー層成長の工程が不要となる。そのため、窒化物半導体の成長に必要な時間を短縮でき、かつ、ヒーター寿命を長くすることができるため、その結果として、低コストのＳＡＷフィルターを短時間で再現性良く、すなわち高歩留まりで作製することを可能にする。

すなわち、本願発明の実施によって、高い表面弾性波伝播速度を有し、高い周波数で効果的に動作する、窒化物系半導体を用いた表面弾性波フィルターおよびその高能率、高歩留まり、低コストの製造方法を提供することが可能となる。

本願発明は、窒化物半導体を用いたＳＡＷフィルターの実用化および応用を進展させる上で大きな効果を有する。

本発明の実施の形態を説明する断面図である。本発明に係る表面弾性波フィルターの製造方法における工程中の温度変化を示す図である。従来の表面弾性波フィルターの製造方法における工程中の温度変化を示す図である。

符号の説明

１…サファイア基板、２…（ＡｌＮ)_ｘ(Ａｌ_２Ｏ_３)_１−ｘ層、３…ＡｌＮ層、４…ＧａＮ層、５…ＩＤＴ電極。

Claims

サファイアからなる基板上に（ＡｌＮ)_ｘ(Ａｌ_２Ｏ_３)_１−ｘからなる第１の層と、ＡｌＮからなる第２の層とをこの順序で順次形成し、さらに、前記第２の層上にＧａＮ、ＡｌＮ、または、ＧａＮとＡｌＮとの混晶からなる第３の層を形成してなる薄膜構造を有し、かつ、該薄膜構造上に櫛型電極を有する表面弾性波フィルターであって、前記第１の層の組成式におけるｘの値が前記基板側から前記第２の層側に向かって増加していることを特徴とする表面弾性波フィルター。
サファイアからなる基板上に（ＡｌＮ)_ｘ(Ａｌ_２Ｏ_３)_１−ｘからなる第１の層と、ＡｌＮからなる第２の層と、Ａｌ_２Ｏ_３からなる中間層とをこの順序で順次形成し、さらに、前記中間層上にＧａＮ、ＡｌＮ、または、ＧａＮとＡｌＮとの混晶からなる第３の層を形成してなる薄膜構造を有し、かつ、該薄膜構造上に櫛型電極を有する表面弾性波フィルターであって、前記第１の層の組成式におけるｘの値が前記基板側から前記第２の層側に向かって増加していることを特徴とする表面弾性波フィルター。
上記第３の層に、マグネシウム、亜鉛、ベリリウム、炭素、鉄の内の少なくとも１つの元素が添加されていることを特徴とする請求項１または２に記載の表面弾性波フィルター。
サファイアからなる基板上に（ＡｌＮ)_ｘ(Ａｌ_２Ｏ_３)_１−ｘからなる第１の層とＡｌＮからなる第２の層とをこの順序で順次形成する第１の工程と、前記第２の層上にＧａＮ、ＡｌＮ、または、ＧａＮとＡｌＮとの混晶からなる第３の層を形成する第２の工程と、前記第３の層上に櫛型電極を形成する第３の工程とを有する表面弾性波フィルターの製造方法であって、前記第１の層を形成する際に、窒素原料の供給量と酸素原料の供給量とを時間経過とともに変化させて、前記第１の層の組成式におけるｘの値が前記基板側から前記第２の層側に向かって増加している前記第１の層を形成することを特徴とする表面弾性波フィルターの製造方法。
サファイアからなる基板上に（ＡｌＮ)_ｘ(Ａｌ_２Ｏ_３)_１−ｘからなる第１の層と、ＡｌＮからなる第２の層と、Ａｌ_２Ｏ_３からなる中間層とをこの順序で順次形成する第１の工程と、前記中間層上にＧａＮ、ＡｌＮ、または、ＧａＮとＡｌＮとの混晶からなる第３の層を形成する第２の工程と、前記第３の層上に櫛型電極を形成する第３の工程とを有する表面弾性波フィルターの製造方法であって、前記第１の層を形成する際に、窒素原料の供給量と酸素原料の供給量とを時間経過とともに変化させて、前記第１の層の組成式におけるｘの値が前記基板側から前記第２の層側に向かって増加している前記第１の層を形成することを特徴とする表面弾性波フィルターの製造方法。
上記第２の工程において、上記第３の層にマグネシウム、亜鉛、ベリリウム、炭素、鉄の内の少なくとも１つの元素を添加して上記第３の層を形成することを特徴とする請求項４または５に記載の表面弾性波フィルターの製造方法。
上記第１の層および第２の層の形成にＥＣＲプラズマ製膜装置を用いることを特徴とする請求項４または６に記載の表面弾性波フィルターの製造方法。
上記第１の層、第２の層および中間層の形成にＥＣＲプラズマ製膜装置を用いることを特徴とする請求項５または６に記載の表面弾性波フィルターの製造方法。
上記第１の工程における層形成は、上記基板の昇温を目的とする加熱手段を用いずに行われることを特徴とする請求項４ないし請求項８のいずれかに記載の表面弾性波フィルターの製造方法。