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WO2020204045A1 - 高次モード弾性表面波デバイス - Google Patents

高次モード弾性表面波デバイス Download PDF

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WO2020204045A1
WO2020204045A1 PCT/JP2020/014906 JP2020014906W WO2020204045A1 WO 2020204045 A1 WO2020204045 A1 WO 2020204045A1 JP 2020014906 W JP2020014906 W JP 2020014906W WO 2020204045 A1 WO2020204045 A1 WO 2020204045A1
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WO
WIPO (PCT)
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acoustic wave
surface acoustic
piezoelectric substrate
electrode
order mode
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2020/014906
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English (en)
French (fr)
Inventor
門田　道雄
田中　秀治
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tohoku University NUC
Original Assignee
Tohoku University NUC
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Publication date
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Priority to SG11202110974YA priority patent/SG11202110974YA/en
Priority to KR1020217035849A priority patent/KR20210145804A/ko
Priority to JP2021512158A priority patent/JP7517701B2/ja
Priority to GB2114590.9A priority patent/GB2596956B/en
Priority to CN202080026259.7A priority patent/CN113678372B/zh
Application filed by Tohoku University NUC filed Critical Tohoku University NUC
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    • H03H9/25—Constructional features of resonators using surface acoustic waves

Definitions

  • the present invention relates to a higher-order mode surface acoustic wave (SAW) device that provides the use of a higher-order mode that is an overtone of the basic mode.
  • SAW surface acoustic wave
  • the 700MHz to 3GHz frequency band which is mainly used in smartphones and the like, has nearly 80 bands and is extremely crowded.
  • the 5th generation mobile communication system (5G) of the next-generation wireless communication system is planned to use the frequency band from 3.6 GHz to 4.9 GHz, and in the next generation, 6 GHz or more. There are also plans to use frequency bands.
  • FIGS. 1 (a) and 1 (b) as an example of a conventional SAW device, a plane having a structure in which a 42 ° rotating Y plate of LiTaO 3 crystal is used as a piezoelectric substrate and a blind electrode 52 propagating in the X direction is formed of Al. The figure and the sectional view are shown.
  • the cross-sectional view of FIG. 1 (b) shows the cross-sectional view taken along the cutting line I-I in the plan view of FIG. 1 (a).
  • FIG. 1 (c) shows the frequency characteristics of the impedance obtained when the period of the blind electrode 52 is 1.2 ⁇ m.
  • the resonance frequency was about 3.2 GHz, the specific bandwidth was 3.8%, and the impedance ratio was 65 dB.
  • a small response that seems to be a higher-order mode can be seen at 17.2 GHz, but it is not at a usable level.
  • the frequency band required for 5G as well as 5G or later is set. It can't be covered either.
  • Patent Document 1 electrodes such as Pt, Cu, Mo, Ni, Ta, and W, which are heavier than Al with a metallization ratio of 0.45 or less, are provided with Euler angles (0 °, 80 to 130 °, 0 °).
  • a surface acoustic wave device is disclosed that is embedded in a LiNbO 3 substrate to excite the basic mode of love waves so that a wide bandwidth can be obtained.
  • a Cu electrode having a wavelength of 0.1 or less is embedded in a LiTaO 3 substrate of a 42 ° rotating Y plate, an Al electrode is formed on the Cu electrode, and excitation is performed in the basic mode to obtain a high Q value.
  • a surface acoustic wave device made available is disclosed.
  • Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 obtain sufficient performance in the high frequency band of 3.6 GHz or higher required for 5G or later because the metal used for the electrode is heavy and the metallization ratio is small. I could't.
  • the piezoelectric thin film is a polycrystalline thin film, only an impedance ratio of 55 dB is obtained at 1.9 GHz, attenuation at ultra-high frequencies is large, and good characteristics are obtained. It was difficult to achieve.
  • the frequency of FBAR is determined by the speed of sound of the thin film / (2 ⁇ thickness of the thin film), and in order to increase the frequency, the thickness of the thin film must be extremely thin. Since the current FBAR has a self-supporting piezoelectric thin film, it cannot maintain mechanical strength in the ultra-high frequency band where it becomes extremely thin.
  • the present invention has been made by paying attention to such a problem, and is a high-order mode capable of obtaining good characteristics and maintaining sufficient mechanical strength even in a high frequency band of 3.8 GHz or higher. It is an object of the present invention to provide a surface acoustic wave device.
  • the high-order mode surface acoustic wave device includes a piezoelectric substrate containing a LiTaO 3 crystal or a LiNbO 3 crystal, and a ladle-shaped electrode embedded in the surface of the piezoelectric substrate. It utilizes surface acoustic waves in the next mode.
  • the high-order mode surface acoustic wave device can excite the high-order mode of SAW (primary mode, secondary mode, tertiary mode, etc.) by embedding a blind electrode on the surface of the piezoelectric substrate, and has a large impedance. Higher-order modes with ratios can be obtained.
  • the high-order mode surface acoustic wave device can increase the high frequency by using the high-order mode, and can obtain good characteristics even in a high frequency band of 3.8 GHz or more. Further, by using the high-order mode, it is not necessary to make the piezoelectric substrate ultra-thin plate or reduce the period of the blind electrode even in the high frequency band of 3.8 GHz or more, and sufficient mechanical strength is maintained. be able to.
  • the piezoelectric substrate also includes a piezoelectric thin film and a piezoelectric thin plate.
  • the blind electrode may be formed so as to project from the surface of the piezoelectric substrate. Even in this case, a higher-order mode having a large impedance ratio can be obtained.
  • the high-order mode surface acoustic wave device may have a thin film or a substrate provided so as to be in contact with the piezoelectric substrate. Further, it may have a support substrate and / or a multilayer film provided so as to be in contact with a surface opposite to the surface on which the blind electrode of the piezoelectric substrate is provided.
  • the support substrate may be composed of a material other than metal. Further, the support substrate may be composed of at least one of Si, crystal, sapphire, glass, quartz, germanium and alumina.
  • the multilayer film may be composed of an acoustic multilayer film in which a plurality of layers having different acoustic impedances are laminated. In these cases as well, a higher-order mode having a large impedance ratio can be obtained.
  • the metallization ratio of the blind electrode is preferably 0.45 or more and 0.9 or less, and more preferably 0.63 or more. In this case, a higher-order mode having a larger impedance ratio can be obtained. You can also increase the bandwidth.
  • the high-order mode surface acoustic wave device may have the following configuration in order to obtain a high-order mode having a larger impedance ratio. That is, the piezoelectric substrate may be composed of LiTaO 3 crystals, and the blind electrode may be composed of at least one of Ti, Al and Mg alloys. In this case, the weeping electrode has a surface acoustic wave wavelength / metallization ratio of 0.075 to 0.3 (when the wavelength / metallization ratio is 0.5, 0.15 to 0) from the surface of the piezoelectric substrate.
  • the material is embedded to a depth in the range of 23 to 0.6.
  • the metallization ratio and the electrode width are set to the effective metalization ratio and the electrode width. The same shall apply below.
  • the piezoelectric substrate may be composed of LiTaO 3 crystals
  • the blind electrode may be composed of at least one of Ag, Mo, Cu, and Ni.
  • the weeping electrode has a surface acoustic wave wavelength / metallization ratio of 0.08 to 0.3 (when the wavelength / metallization ratio is 0.5, 0.16 to 0) from the surface of the piezoelectric substrate. It is preferably embedded to a depth within the range of .6), and when the wavelength / metallization ratio of surface acoustic waves is 0.09 to 0.3 (when the wavelength / metallization ratio is 0.5, 0. It is more preferable that the material is embedded to a depth in the range of 18 to 0.6).
  • the piezoelectric substrate may be composed of LiTaO 3 crystals
  • the blind electrode may be composed of at least one of Pt, Au, W, Ta and Hf.
  • the weeping electrode has a surface acoustic wave wavelength / metallization ratio of 0.08 to 0.3 (when the wavelength / metallization ratio is 0.5, 0.16 to 0) from the surface of the piezoelectric substrate. It is preferably embedded to a depth within the range of .6), and when the wavelength / metallization ratio of the surface acoustic wave is 0.125 to 0.3 (when the wavelength / metallization ratio is 0.5, 0. It is more preferable that the material is embedded to a depth in the range of 25 to 0.6).
  • the piezoelectric substrate may be composed of LiNbO 3 crystals
  • the blind electrode may be composed of at least one of Ti, Al and Mg alloys.
  • the weeping electrode has a surface acoustic wave wavelength / metallization ratio of 0.07 to 0.3 (when the wavelength / metallization ratio is 0.5, 0.14 to 0) from the surface of the piezoelectric substrate. It is preferably embedded to a depth of .6), and the wavelength / metallization ratio of surface acoustic waves is 0.105 to 0.3 (when the wavelength / metallization ratio is 0.5, 0.21 to 0). It is more preferable that it is embedded to the depth of .6).
  • the piezoelectric substrate may be composed of LiNbO 3 crystals
  • the blind electrode may be composed of at least one of Ag, Mo, Cu, and Ni.
  • the weeping electrode has a surface acoustic wave wavelength / metallization ratio of 0.065 to 0.3 (when the wavelength / metallization ratio is 0.5, 0.13 to 0) from the surface of the piezoelectric substrate. It is preferably embedded to a depth of .6 wavelengths), and the surface acoustic wave has a wavelength / metallization ratio of 0.09 to 0.3 (when the wavelength / metallization ratio is 0.5, 0.18 to 0.3). It is more preferable that it is embedded to a depth of 0.6 wavelength).
  • the piezoelectric substrate may be composed of LiNbO 3 crystals
  • the blind electrode may be composed of at least one of Pt, Au, W, Ta and Hf.
  • the weeping electrode has a surface acoustic wave wavelength / metallization ratio of 0.075 to 0.3 (when the wavelength / metallization ratio is 0.5, 0.15 to 0) from the surface of the piezoelectric substrate. It is preferably embedded to a depth of .6), and the wavelength / metallization ratio of surface acoustic waves is 0.115 to 0.3 (0.23 to 0 when the wavelength / metallization ratio is 0.5). It is more preferable that it is embedded to a depth of 1.6 wavelengths).
  • the piezoelectric substrate is composed of LiTaO 3 crystals, and Euler angles are in the range of (0 ° ⁇ 20 °, 112 ° to 140 °, 0 ° ⁇ 5 °), or crystallographically equivalent to this. Angles are preferred, and Euler angles are in the range (0 ° ⁇ 10 °, 120 ° to 132 °, 0 ° ⁇ 5 °), or crystallographically equivalent Euler angles. Is more preferable.
  • the piezoelectric substrate is composed of LiNbO 3 crystals, and Euler angles are in the range of (0 ° ⁇ 25 °, 78 ° to 153 °, 0 ° ⁇ 5 °), or are crystallographically equivalent to this. Angles are preferred, and Euler angles are in the range (0 ° ⁇ 20 °, 87 ° to 143 °, 0 ° ⁇ 5 °) or crystallographically equivalent Euler angles. Is more preferable.
  • Euler angles ( ⁇ , ⁇ , ⁇ ) are right-handed systems and represent the cut surface of the piezoelectric substrate and the propagation direction of surface acoustic waves. That is, with respect to the crystals constituting the piezoelectric substrate and the crystal axes X, Y, and Z of LiTaO 3 or LiNbO 3 , the X axis is rotated by ⁇ counterclockwise with the Z axis as the rotation axis to obtain the X'axis. Next, the X'axis is used as the rotation axis, and the Z axis is rotated by ⁇ counterclockwise to obtain the Z'axis.
  • the Z'axis is the normal line, and the surface including the X'axis is the cut surface of the piezoelectric substrate. Further, the direction in which the Z'axis is the rotation axis and the X'axis is ⁇ -rotated counterclockwise is defined as the propagation direction of the surface acoustic wave. Further, the axes perpendicular to the X'axis and the Z'axis obtained by moving the Y axis by these rotations are defined as the Y'axis.
  • the X-direction propagation of a 40 ° rotated Y plate is represented by Euler angles (0 °, 130 °, 0 °) and 90 ° X of a 40 ° rotated Y plate.
  • Directional propagation is represented by Euler angles (0 °, 130 °, 90 °).
  • an error of about ⁇ 0.5 ° may occur at the maximum for each component of the Euler angles.
  • an error of about ⁇ 3 ° may occur with respect to the propagation direction ⁇ .
  • the characteristics of elastic waves among the Euler angles ( ⁇ , ⁇ , ⁇ ), there is almost no difference in characteristics due to a deviation of about ⁇ 5 ° for ⁇ and ⁇ .
  • It contains at least one of a support substrate, a thin film and a multilayer film provided so as to be in contact with a surface opposite to the surface on which the piezoelectric electrode is provided, and the shear wave velocity or equivalent transverse wave sound velocity of the support substrate is 2000. It is in the range of ⁇ 3000 m / s or 6000 to 8000 m / s, and the thickness of the piezoelectric substrate may be in the range of 0.2 wavelength to 20 wavelength.
  • It contains at least one of a support substrate, a thin film and a multilayer film provided so as to be in contact with a surface opposite to the surface on which the piezoelectric electrode is provided, and the shear wave velocity or equivalent transverse wave sound velocity of the support substrate is 3000. It is in the range of ⁇ 6000 m / s, and the thickness of the piezoelectric substrate may be in the range of 2 wavelengths to 20 wavelengths.
  • the ratio TR of the thickness of the support substrate / piezoelectric substrate may be greater than or equal to the value of TR defined by the following equation (1), with ⁇ as the coefficient of linear expansion and not more than -6 / ° C.
  • a high-order mode surface acoustic wave device capable of obtaining good characteristics and maintaining sufficient mechanical strength even in a high frequency band of 3.8 GHz or higher.
  • FIG. 1A is a plan view showing a conventional surface acoustic wave device [Al surface acoustic wave device / 42 ° rotating Y plate X-direction propagation LiTaO 3 crystal], and FIG. 1B is a cross-sectional view, FIG. (C) is a graph showing the frequency characteristics of the impedance of the surface acoustic wave device of FIGS. 1 (a) and 1 (b).
  • FIG. 2 (a) is a high-order mode surface acoustic wave device of the present embodiment
  • FIG. 2 (b) is a modified example having the thin film of FIG. 2 (a)
  • FIG. 2 (c) is FIG. 2 (a).
  • FIG. 1A is a plan view showing a conventional surface acoustic wave device [Al surface acoustic wave device / 42 ° rotating Y plate X-direction propagation LiTaO 3 crystal]
  • FIG. 1B is
  • FIG. 2 (d) is a modified example having the support substrate of FIG. 2 (a), and FIG. 2 (e) is a modified example in which the blind electrode of FIG. 2 (d) is provided.
  • 2 (f) is a cross-sectional view showing a modified example in which a multilayer film is provided between the piezoelectric substrate and the support substrate of FIG. 2 (d).
  • 2 is a cross-sectional view of the high-order mode surface acoustic wave device shown in FIGS. 2A to 2F when the side surface of the embedded electrode is not perpendicular to the substrate surface.
  • FIG. 2 (a) For the higher-order mode elastic surface wave device [Al electrode / (0 °, 126.5 °, 0 °) LiTaO 3 crystal substrate] shown in FIG. 2 (a), FIG.
  • FIG. 4 (a) shows the metallization ratio of the weeping electrode. Is a graph showing the frequency characteristics of the impedance when is 0.5, FIG. 4 (b) is an enlarged graph near the resonance frequency of the primary mode of FIG. 4 (a), and FIG. 4 (c) is 1. It is a graph which shows the displacement distribution at the resonance frequency of the next mode, and FIG. 4 (d) is a graph which shows the frequency characteristic of the impedance of the primary mode when the metallization ratio of a blind electrode is 0.7.
  • the impedance frequency characteristics of the high-order mode surface acoustic wave device [Al electrode (metallization ratio 0.5) / (0 °, 126.5 °, 0 °) LiTaO 3 crystal substrate] shown in FIG.
  • FIG. 2 (c) is shown. It is a graph which shows.
  • FIG. 2 (d) Regarding the high-order mode surface acoustic wave device [Al electrode (metallization ratio 0.5) / (0 °, 126.5 °, 0 °) LiTaO 3 crystal substrate / support substrate] shown in FIG. 2 (d), FIG. FIG. 6A is a graph showing the frequency characteristics of the impedance when the support substrate is composed of a Si substrate and FIG. 6B is a graph showing the frequency characteristics of the impedance when the support substrate is composed of a crystal substrate.
  • High-order mode surface acoustic wave device [Al electrode (metallization ratio 0.5) / (0 °, 126.5 °, 0 °) LiTaO 3 crystal substrate] shown in FIG.
  • FIG. 2 (f) has impedance in the primary mode. It is a graph which shows the frequency characteristic of. Regarding the high-order mode surface acoustic wave device [Al electrode (metallization ratio 0.5) / (0 °, 116 °, 0 °) LiNbO 3 crystal substrate] shown in FIG. 2 (a), FIG. 8 (a) shows the impedance. 8 (b) is a graph showing the frequency characteristics of FIG. 8 (a), which is an enlarged graph of the vicinity of the resonance frequency of the primary mode of FIG. 8 (a).
  • FIG. 2 (a) A graph showing the frequency characteristics of impedance of the high-order mode surface acoustic wave device [Cu electrode (metallization ratio 0.5) / (0 °, 116 °, 0 °) LiNbO 3 crystal substrate] shown in FIG. 2 (a).
  • the sloping electrode is Al.
  • FIG. 10 (a) shows the relationship between the thickness of each electrode and the specific bandwidth of the primary mode
  • FIG. 10 (b) shows the relationship between the thickness of each electrode and the impedance ratio of the primary mode. It is a graph which shows the relationship.
  • FIG. 11 (a) shows ⁇ .
  • FIG. 11B is a graph showing the relationship between ⁇ and the impedance ratio in the primary mode.
  • FIG. 12 shows ( ⁇ , 126. 5 °, 0 °) In a LiTaO 3 crystal substrate, it is a graph which shows the relationship between ⁇ and the impedance ratio of the primary mode.
  • High-order mode surface acoustic wave device shown in FIG. 2 (a) [slip-shaped electrode (metallization ratio 0.5) / (0 °, 116 °, 0 °) LiNbO 3 crystal substrate], the sloping electrode is an Al electrode, Regarding the Cu electrode and Au electrode, FIG. 13 (a) shows the relationship between the thickness of each electrode and the specific bandwidth of the primary mode, and FIG. 13 (b) shows the relationship between the thickness of each electrode and the impedance ratio of the primary mode.
  • FIG. 14 (a) shows ⁇ .
  • FIG. 14B is a graph showing the relationship between ⁇ and the impedance ratio in the primary mode.
  • FIG. 15 shows ( ⁇ , 116 °, 0 °) It is a graph which shows the relationship between ⁇ and the impedance ratio of the primary mode in a LiNbO 3 crystal substrate.
  • FIG. 16 (a) shows the metallization ratio of the Al electrode.
  • FIG. 16B is a graph showing the relationship between the metallization ratio of the Al electrode and the impedance ratio of the primary mode.
  • FIG. 2 (a) The frequency characteristics of the impedance of the high-order mode surface acoustic wave device [Al electrode (metallization ratio 0.85) / (0 °, 126.5 °, 0 °) LiTaO 3 crystal substrate] shown in FIG. 2 (a) are shown. It is a graph. Regarding the high-order mode surface acoustic wave device shown in FIG. 17, FIG. 18A shows the relationship between the thickness of the blind electrode and the phase velocity of the 0th to 3rd order modes, and FIG. 18B shows the thickness of the blind electrode. It is a graph which shows the relationship with the impedance ratio of a 0th-order to a 3rd-order mode. High-order mode surface acoustic wave device shown in FIG.
  • LiTaO 3 crystal substrate / Support substrate is a graph showing the LiTaO 3 crystal substrate thickness dependence of the impedance ratio in the primary mode when the support substrate is composed of c sapphire, Si, crystal, Pyrex (registered trademark) glass, and lead glass. ..
  • the high-order mode surface acoustic wave device 10 utilizes a high-order mode surface acoustic wave (SAW), and includes a piezoelectric substrate 11 and a blind electrode (IDT) 12.
  • SAW high-order mode surface acoustic wave
  • IDT blind electrode
  • the piezoelectric substrate 11 is composed of LiTaO 3 crystals or LiNbO 3 crystals.
  • the blind electrode 12 is embedded in the surface of the piezoelectric substrate 11.
  • the upper surface of the blind electrode 12 may be on the same plane as the surface of the piezoelectric substrate 11 or below the plane, and may protrude from the surface of the piezoelectric substrate 11.
  • the electrode thickness refers to the electrode thickness embedded in the groove.
  • the higher-order mode surface acoustic wave device 10 may have a thin film 13 provided so as to cover the surface of the piezoelectric substrate 11 in the gap between the blind electrodes 12.
  • the thin film 13 is, for example, a SiO 2 thin film.
  • the upper surface of the blind electrode 12 is flush with the surface of the thin film 13.
  • the blind electrode 12 may be the same as or below the surface of the piezoelectric substrate 11.
  • the blind electrode 12 may be provided so as to protrude from the surface of the piezoelectric substrate 11.
  • the high-order mode surface acoustic wave device 10 has a support substrate 14, the piezoelectric substrate 11 is composed of a thin plate having a small thickness, and the support substrate 14 is a piezoelectric substrate 11.
  • the piezo-shaped electrode 12 may be provided so as to be in contact with the surface opposite to the surface on which the electrode 12 is provided.
  • the support substrate 14 is, for example, a semiconductor or an insulating substrate such as a Si substrate, a crystal substrate, a sapphire substrate, a glass substrate, a quartz substrate, a germanium substrate, or an alumina substrate.
  • the thin film 13 may be formed on the surface of the piezoelectric substrate 11 as shown in FIG.
  • the blind electrode 12 is a piezoelectric substrate 11 as shown in FIG. 2 (c). It may be provided so as to protrude from the surface of the.
  • the higher-order mode surface acoustic wave device 10 has a multilayer film 15 provided between the piezoelectric substrate 11 and the support substrate 14 in addition to the configuration of FIG. 2 (d). May have.
  • the multilayer film 15 is, for example, an acoustic multilayer film in which a plurality of layers having different acoustic impedances are laminated.
  • the thin film 13 may be formed on the surface of the piezoelectric substrate 11 as shown in FIG. 2 (b), and the blind electrode is formed as shown in FIG. 2 (c). 12 may protrude from the surface of the piezoelectric substrate 11.
  • the high-order mode surface acoustic wave device 10 can excite the high-order mode (primary mode, secondary mode, tertiary mode, etc.) of the SAW by embedding the blind electrode 12 on the surface of the piezoelectric substrate 11. , A higher order mode with a large impedance ratio can be obtained.
  • the higher-order mode is sometimes called an overtone that excites frequencies of about 2 times, 3 times, and 4 times.
  • the high-order mode surface acoustic wave device 10 can increase the high frequency by using the high-order mode, and can obtain good characteristics even in a high frequency band of 3.8 GHz or higher. Further, by using the high-order mode, it is not necessary to make the piezoelectric substrate 11 ultra-thin plate or reduce the period of the blind electrode even in the high frequency band of 3.8 GHz or more, and sufficient mechanical strength can be obtained. Can be kept.
  • the high-order mode surface acoustic wave device 10 can be manufactured, for example, as follows. First, an electrode groove for embedding the blind electrode 12 is formed on the surface of the piezoelectric substrate 11. That is, a resist or the like is applied to a portion of the surface of the piezoelectric substrate 11 that does not form an electrode groove, and dry etching is performed with ions such as Ar to form an electrode groove on the surface of the piezoelectric substrate 11. At this time, instead of the resist, as a material other than the resist, a material whose etching rate is slower than the etching rate of the piezoelectric substrate 11 may be used. Further, in addition to the dry etching method, a wet etching method may be used.
  • a metal for the electrode is formed on the entire surface of the piezoelectric substrate 11 with a thickness sufficient to fill the electrode groove to the surface of the piezoelectric substrate 11. Then, the resist is removed by wet etching or washing. As a result, the blind electrode 12 embedded in the electrode groove can be formed. If the thickness of the blind electrode 12 is not a desired thickness, a step of further adjusting the thickness of the blind electrode 12 by etching or the like may be performed.
  • the impedance ratio is the ratio of the resonance impedance Zr at the lowest resonance frequency fr to the anti-resonance impedance Za at the highest anti-resonance frequency fa among the impedances of the resonance characteristics, which is 20 ⁇ log. (Given in Za / Zr. The specific bandwidth is given in (fa-fr) / fr. Also, referring to FIG. 1 (a), the metallization ratio of the panther electrode 52 is the propagation of the elastic surface wave.
  • the electrode of the blind electrode 12 is embedded in the substrate at an angle rather than perpendicular to the surface of the substrate.
  • the metallization ratio and the electrode width shall be the effective metallization ratio and the electrode width. That is, when the angle ⁇ formed by the side surface of the electrode groove and the surface of the piezoelectric substrate 11 is smaller than 90 degrees, the surface width a, the bottom width b, and the embedded depth d of each electrode are used to determine the effective surface electrode.
  • the target width c is (a + b) / 2
  • the metallization ratio is (c / (c + e)).
  • the embedded electrode depth remains d.
  • the period ( ⁇ ) of the blind electrode 12 is 1 ⁇ m
  • the metallization ratio is 0.5, that is, the width of the electrode finger is 0.25 ⁇ m
  • the gap between the electrode fingers is 0.25 ⁇ m.
  • Euler angles ( ⁇ , ⁇ , ⁇ ) are simply represented by ( ⁇ , ⁇ , ⁇ ).
  • the thickness of the piezoelectric substrate 11 and the blind electrode 12 and the like are represented by a magnification with respect to the wavelength ⁇ (period of the blind electrode) of the surface acoustic wave device used.
  • FIG. 4 shows the frequency characteristics of impedance of the high-order mode surface acoustic wave device 10 having the structure shown in FIG. 2 (a).
  • the piezoelectric substrate 11 is a (0 °, 126.5 °, 0 °) LiTaO 3 crystal.
  • the blind electrode 12 is composed of an Al electrode having a thickness of 0.36 ⁇ and is embedded from the surface of the piezoelectric substrate 11 to a depth of 0.36 ⁇ .
  • the metallization ratio of the blind electrode 12 is 0.5
  • the frequency characteristics of the impedance are shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b), and the displacement distribution at the resonance frequency of the primary mode is shown in FIG. 4 (c).
  • FIG. 4B is an enlarged view of the vicinity of the resonance frequency of the primary mode of FIG. 4A.
  • FIG. 4D shows the frequency characteristics of the impedance when the metallization ratio of the blind electrode 12 is 0.7.
  • the resonance frequency 4 is 1.36 times the resonance frequency of 3.3 GHz in the 0th-order mode of the conventional SAW device shown in FIG. It was confirmed that the 0th order mode of .5 GHz was obtained.
  • the primary mode having a resonance frequency of 9.6 GHz which is about twice that of the 0th mode having a resonance frequency of 4.5 GHz, is greatly excited. It was confirmed that.
  • the specific bandwidth of the primary mode was 3% and the impedance ratio was 67 dB, and it was confirmed that a larger impedance ratio than that of the conventional SAW device shown in FIG. 1 was obtained.
  • the resonance frequency of the primary mode is about 2.9 times the resonance frequency of the conventional SAW device.
  • the primary mode having a resonance frequency of 9.5 GHz is composed of only the SH (shear horizontal) component, and the resonance frequency of the conventional SAW device is also composed of the SH component. From this, it can be seen that it is a higher-order mode (primary mode) of the basic mode (0th order).
  • “L” in FIG. 4C represents a longitudinal wave component
  • "SV” represents a shear vertical component.
  • the resonance frequency of the primary mode becomes 11.2 GHz, which is 1.2 times that when the metallization ratio is 0.5. It was confirmed that the specific bandwidth was 3.4%, which was 13% wider, and the impedance ratio was 70 dB, which was 3 dB larger.
  • FIG. 5 shows the frequency characteristics of impedance of the high-order mode surface acoustic wave device 10 having the structure shown in FIG. 2 (c).
  • the piezoelectric substrate 11 is a (0 °, 126.5 °, 0 °) LiTaO 3 crystal.
  • the blind electrode 12 is composed of an Al electrode having a thickness of 0.38 ⁇ , is embedded from the surface of the piezoelectric substrate 11 to a depth of 0.36 ⁇ , and projects 0.02 ⁇ from the surface of the piezoelectric substrate 11.
  • the metallization ratio of the blind electrode 12 is 0.5.
  • FIG. 6 shows the frequency characteristics of impedance of the high-order mode surface acoustic wave device 10 having the structure shown in FIG. 2 (d).
  • the piezoelectric substrate 11 is a (0 °, 126.5 °, 0 °) LiTaO 3 crystal and has a thickness of 0.5 ⁇ .
  • the blind electrode 12 is composed of an Al electrode having a thickness of 0.36 ⁇ and is embedded from the surface of the piezoelectric substrate 11 to a depth of 0.36 ⁇ .
  • the metallization ratio of the blind electrode 12 is 0.5.
  • the support substrate 14 is made of Si or quartz, both having a thickness of 350 ⁇ m, and is bonded to the piezoelectric substrate 11 by an adhesive or direct bonding.
  • FIG. 6A shows the frequency characteristic of the impedance when the support substrate 14 is composed of the Si substrate
  • FIG. 6B shows the frequency characteristic of the impedance when the support substrate 14 is composed of the crystal substrate.
  • the piezoelectric substrate 11 is preferably thinner than the support substrate 14, more preferably 20 wavelengths or less, and further preferably 10 wavelengths or less.
  • FIG. 7 shows the frequency characteristics of impedance of the high-order mode surface acoustic wave device 10 having the structure shown in FIG. 2 (f).
  • the piezoelectric substrate 11 is a (0 °, 126.5 °, 0 °) LiTaO 3 crystal and has a thickness of 0.5 ⁇ .
  • the blind electrode 12 is composed of an Al electrode having a thickness of 0.36 ⁇ and is embedded from the surface of the piezoelectric substrate 11 to a depth of 0.36 ⁇ .
  • the metallization ratio of the blind electrode 12 is 0.5.
  • the multilayer film 15 is composed of an acoustic multilayer film in which two SiO layers (thickness 0.25 ⁇ m) and Ta layers (thickness 0.25 ⁇ m) having different acoustic impedances are alternately laminated in six layers.
  • the support substrate 14 is composed of a Si substrate and has a thickness of 350 ⁇ m. However, the number of layers of this acoustic film may be other than six.
  • the resonance frequency of the primary mode was 9.5 GHz
  • the specific bandwidth was 2.6%
  • the impedance ratio was 69 dB. Comparing FIG. 7 with FIG. 6A, it was confirmed that by providing the multilayer film 15, the bandwidth was slightly narrowed and the impedance ratio was slightly reduced.
  • FIG. 8 shows the frequency characteristics of impedance of the high-order mode surface acoustic wave device 10 having the structure shown in FIG. 2 (a).
  • FIG. 8A shows the frequency characteristics of the impedance
  • FIG. 8B is an enlarged view of the vicinity of the resonance frequency of the primary mode of FIG. 8A.
  • the piezoelectric substrate 11 is a (0 °, 116 °, 0 °) LiNbO 3 crystal.
  • the blind electrode 12 is composed of an Al electrode having a thickness of 0.35 ⁇ and is embedded from the surface of the piezoelectric substrate 11 to a depth of 0.35 ⁇ .
  • the metallization ratio of the blind electrode 12 is 0.5.
  • FIG. 9 shows the frequency characteristics of impedance of the high-order mode surface acoustic wave device 10 having the structure shown in FIG. 2 (a).
  • the piezoelectric substrate 11 is a (0 °, 116 °, 0 °) LiNbO 3 crystal.
  • the blind electrode 12 is composed of a Cu electrode having a thickness of 0.24 ⁇ and is embedded from the surface of the piezoelectric substrate 11 to a depth of 0.24 ⁇ .
  • the metallization ratio of the blind electrode 12 is 0.5.
  • the resonance frequency in the primary mode is slightly lower, 9.5 GHz, as compared with the case of the Al electrode (see FIG. 8A). It was confirmed that even if the electrode is formed thinner (shallow) than the Al electrode, an impedance ratio of 68 dB, which is about the same as that of the Al electrode, can be obtained.
  • FIG. 10 shows the relationship between the thickness of the blind electrode 12 and the specific bandwidth and impedance ratio of the primary mode of the high-order mode surface acoustic wave device 10 having the structure shown in FIG. 2 (a).
  • the piezoelectric substrate 11 is a (0 °, 126.5 °, 0 °) LiTaO 3 crystal.
  • the blind electrode 12 is composed of an Al electrode, a Cu electrode, or an Au electrode.
  • the metallization ratio of the blind electrode 12 is 0.5.
  • the impedance ratio was 50 dB or more when the Al electrode was 0.15 ⁇ to 0.6 ⁇ and the Cu electrode and Au electrode were 0.16 ⁇ to 0.6 ⁇ . It was. Further, it was confirmed that the impedance ratio was 60 dB or more when the Al electrode was 0.23 ⁇ to 0.6 ⁇ , the Cu electrode was 0.18 ⁇ to 0.6 ⁇ , and the Au electrode was 0.25 ⁇ to 0.6 ⁇ . Furthermore, it was confirmed that the impedance ratio was 65 dB or more when the Al electrode was 0.3 ⁇ to 0.6 ⁇ , the Cu electrode was 0.29 ⁇ to 0.6 ⁇ , and the Au electrode was 0.55 ⁇ to 0.6 ⁇ .
  • the relationship of the impedance ratio with respect to the thickness of each electrode does not change not only in the structure shown in FIG. 2A but also in the structures shown in FIGS. 2B to 2F.
  • the electrode material having a density of 1500 to 6000 kg / m 3 (for example, Ti, Mg alloy) is an Al electrode and the electrode material having a density of 6000 to 12000 kg / m 3 (for example, Ag).
  • , Mo, Ni) show the same tendency as the Cu electrode
  • the electrode material having a density of 12000 to 23000 kg / m 3 shows the same tendency as the Au electrode.
  • the electrode material used is an alloy or laminated with different metals
  • the relationship of the impedance ratio to the thickness of the electrode is based on the average density calculated from the thickness and density of each material. The tendency of is decided.
  • FIG. 11 shows the relationship between the Euler angles of the piezoelectric substrate 11 and the specific bandwidth and impedance ratio of the primary mode of the high-order mode surface acoustic wave device 10 having the structure shown in FIG. 2 (a).
  • the piezoelectric substrate 11 is a (0 °, ⁇ , 0 °) LiTaO 3 crystal.
  • the blind electrode 12 is composed of an Al electrode having a thickness of 0.36 ⁇ and is embedded from the surface of the piezoelectric substrate 11 to a depth of 0.36 ⁇ .
  • the metallization ratio of the blind electrode 12 is 0.5.
  • FIGS. 11 (a) and 11 (b), respectively. are shown in FIGS. 11 (a) and 11 (b), respectively. ).
  • FIG. 13 shows the relationship between the thickness of the blind electrode 12 and the specific bandwidth and impedance ratio of the primary mode of the high-order mode surface acoustic wave device 10 having the structure shown in FIG. 2 (a).
  • the piezoelectric substrate 11 is a (0 °, 116 °, 0 °) LiNbO 3 crystal.
  • the blind electrode 12 is composed of an Al electrode, a Cu electrode, or an Au electrode.
  • the metallization ratio of the blind electrode 12 is 0.5.
  • the relationship between the thickness of each electrode and the specific bandwidth when the thickness (depth) of each electrode is changed from 0.02 ⁇ to 0.6 ⁇ , and the relationship between the thickness of each electrode and the impedance ratio, respectively. It is shown in FIG. 13 (a) and FIG. 13 (b).
  • the bandwidth of the Al electrode is the widest, and the bandwidth becomes narrower in the order of the Cu electrode and the Au electrode. Was done. It was also confirmed that at 0.4 ⁇ or less, the bandwidth of each electrode increases as the thickness (depth) increases. Further, as shown in FIG. 13B, when the Al electrode is 0.14 ⁇ to 0.6 ⁇ , the Cu electrode is 0.13 ⁇ to 0.6 ⁇ , and the Au electrode is 0.15 ⁇ to 0.6 ⁇ , the impedance ratio is It was confirmed that it was 50 dB or more.
  • the impedance ratio was 60 dB or more when the Al electrode was 0.21 ⁇ to 0.6 ⁇ , the Cu electrode was 0.18 ⁇ to 0.6 ⁇ , and the Au electrode was 0.23 ⁇ to 0.6 ⁇ .
  • the electrode thickness x metallization ratio is constant.
  • the relationship of the impedance ratio with respect to the thickness of each electrode does not change not only in the structure shown in FIG. 2A but also in the structures shown in FIGS. 2B to 2F.
  • the electrode material having a density of 1500 to 6000 kg / m 3 (for example, Ti, Mg alloy) is an Al electrode and the electrode material having a density of 6000 to 12000 kg / m 3 (for example, Ag).
  • , Mo, Ni) show the same tendency as the Cu electrode
  • the electrode material having a density of 12000 to 23000 kg / m 3 shows the same tendency as the Au electrode.
  • the electrode material used is an alloy or laminated with different metals
  • the relationship of the impedance ratio to the thickness of the electrode is based on the average density calculated from the thickness and density of each material. The tendency of is decided.
  • FIG. 14 shows the relationship between the Euler angles of the piezoelectric substrate 11 and the specific bandwidth and impedance ratio of the primary mode of the high-order mode surface acoustic wave device 10 having the structure shown in FIG. 2 (a).
  • the piezoelectric substrate 11 is a (0 °, ⁇ , 0 °) LiNbO 3 crystal.
  • the blind electrode 12 is composed of an Al electrode having a thickness of 0.3 ⁇ , and is embedded from the surface of the piezoelectric substrate 11 to a depth of 0.3 ⁇ .
  • the metallization ratio of the blind electrode 12 is 0.5.
  • FIGS. 14 (a) and 14 (b), respectively. are shown in FIGS. 14 (a) and 14 (b), respectively. ).
  • FIG. 16 shows the relationship between the metallization ratio of the blind electrode 12 and the phase velocity and impedance ratio of the primary mode of the high-order mode surface acoustic wave device 10 having the structure shown in FIG. 2 (a).
  • the piezoelectric substrate 11 is a (0 °, 126.5 °, 0 °) LiTaO 3 crystal.
  • the blind electrode 12 is composed of an Al electrode having a thickness of 0.36 ⁇ and is embedded from the surface of the piezoelectric substrate 11 to a depth of 0.36 ⁇ .
  • the relationship between the metallization ratio and the phase velocity and the relationship between the metallization ratio and the impedance ratio when the metallization ratio of the Al electrode is changed from 0.3 to 0.9 are shown in FIG. 16 (a). ) And FIG. 16 (b).
  • the phase velocity was about 10,000 to 11,500 m / s, and it was confirmed that the larger the metallization ratio, the faster the phase velocity.
  • the impedance ratio is 50 dB or more, and when the metallization ratio is 4.5 or more, the impedance ratio is 60 dB or more and the metallization ratio is It was confirmed that when the impedance ratio was 0.52 or more, the impedance ratio was 65 dB or more, and when the metallization ratio was 0.63 or more, the impedance ratio was 70 dB or more.
  • FIG. 17 shows the frequency characteristics of impedance of the high-order mode surface acoustic wave device 10 having the structure shown in FIG. 2 (a).
  • the piezoelectric substrate 11 is a (0 °, 126.5 °, 0 °) LiTaO 3 crystal.
  • the blind electrode 12 is composed of an Al electrode having a thickness of 0.2 ⁇ , and is embedded from the surface of the piezoelectric substrate 11 to a depth of 0.2 ⁇ .
  • the metallization ratio of the blind electrode 12 is 0.85.
  • FIGS. 18 (a) and 18 (b) the relationship between the thickness of the blind electrode 12 and the phase velocity of the 0th to 3rd order modes when the thickness of the blind electrode 12 is changed from 0.05 ⁇ to 0.55 ⁇
  • FIGS. 18 (a) and 18 (b) The relationship between the thickness of the blind electrode 12 and the impedance ratio in the 0th to 3rd order modes is shown in FIGS. 18 (a) and 18 (b).
  • FIG. 18A for example, when the thickness of the blind electrode 12 is 0.3 ⁇ , the phase velocity is about 2.7 times that of the 0th-order mode in the primary mode and 4.7 times that of 2. It was confirmed that the next mode, the higher mode of the tertiary mode of about 6.9 times, was excited. At this time, as shown in FIG.
  • the impedance ratio is 47 dB in the 0th-order mode, 57 dB in the primary mode, 40 dB in the secondary mode, and 45 dB in the tertiary mode. It was confirmed that the level was sufficiently usable.
  • Table 1 shows the density, longitudinal wave velocity, and transverse wave sound velocity of the support substrate for the high-order mode surface acoustic wave device [groove electrode / LiTaO 3 crystal or LiNbO 3 crystal substrate / support substrate] shown in FIG. 2 (d).
  • the longitudinal wave sound velocity is represented by ((c 33 / density) square root)
  • the transverse wave sound velocity is represented by ((c 44 / density) square root).
  • C ij is the elastic stiffness constant. It is divided into five groups, A, B, C, D, and E, according to the transverse wave sound velocity.
  • FIG. 19 shows a high-order mode surface acoustic wave device shown in FIG. 2 (d) [Cu electrode with groove depth 0.2 ⁇ (metalization ratio 0.5) / (0 °, 126.5 °, 0 °).
  • LiTaO 3 crystal substrate / support substrate shows the dependence of the impedance ratio on the LiTaO 3 crystal substrate thickness when the support substrate is composed of c sapphire, Si, crystal, Pyrex glass, and lead glass.
  • the white symbols indicate the characteristics without ripples in the frequency characteristic band
  • the black symbols indicate the characteristics with ripples in the band.
  • the impedance ratio is the same as 62 dB when only the LiTaO 3 crystal substrate without the support substrate is used, but the impedance ratio in the LiTaO 3 crystal thickness of 20 wavelengths or less is larger than that. Become.
  • the transverse wave sound velocity is much slower than the transverse wave sound velocity of 3604 m / s of the LiTaO 3 crystal shown in Table 1, the crystal thickness of LiTaO 3 is 0.
  • An impedance ratio of 62 dB and 63 dB or more can be obtained at 10 wavelengths or less without in-band ripple at 2 ⁇ or more and less than 20 ⁇ .
  • Shear wave velocity is much faster than the LiTaO 3 crystal, in the case of the sapphire of the sound velocity 6073m / s of E group of shear wave velocity 6001 ⁇ 8000m / s in Table 1, LiTaO 3 crystal thickness of 0.2 ⁇ or more without a ripple in the band 20 ⁇
  • An impedance ratio of 62 dB or more is obtained with an impedance ratio of 62 dB or more, and an impedance ratio of 63 dB or more is obtained with a LiTaO 3 crystal thickness of 0.2 ⁇ or more and 10 ⁇ without in-band ripple.
  • the transverse wave is close to the transverse wave sound velocity of the LiTaO 3 crystal.
  • the shear wave sound velocity of 3000 to 4220 m / s is B group pyrex glass, 4220 to 5000 m / s C group crystal, and 4220 to 5000 m / s D group Si.
  • ripple occurs in the band when the LiTaO 3 crystal thickness is 0.2 ⁇ or more and less than 2 ⁇ , and when the LiTaO 3 crystal thickness is 2 ⁇ to less than 20 ⁇ , an impedance ratio of 62 dB or more is obtained, and from the LiTaO 3 crystal thickness 2 ⁇ . At 10 ⁇ , an impedance ratio of 64.5 dB or more can be obtained.
  • FIG. 20 shows the high-order mode surface acoustic wave device shown in FIG. 2 (d) [Cu electrode with groove depth 0.23 ⁇ (metalization ratio 0.5) / (0 °, 112 °, 0 °) LiNbO 3 crystal substrate / support substrate, the support substrate is c sapphire, Si, quartz, Pyrex glass, as it is composed of lead glass, shows a LiTaO 3 crystal substrate thickness dependency of the impedance ratio.
  • the white symbols indicate the characteristics without ripples in the frequency characteristic band
  • the black symbols indicate the characteristics with ripples in the band.
  • the impedance ratio is consistent with 68 dB when only the LiNbO 3 crystal substrate without the support substrate is used, but the impedance ratio in the LiNbO 3 crystal thickness less than 20 wavelengths is larger than that. Become.
  • the LiTaO 3 crystal thickness is 0.2 ⁇ or more and less than 20 ⁇ .
  • An impedance ratio of 68 to 80 dB or more and an impedance ratio of 71.5 dB or more at 10 wavelengths or less can be obtained without in-band ripple.
  • the average of the film and the underlying support substrate is used. Think of it as a shear wave sound velocity. Even if a SiO 2 film, a SiO compound film, or an acoustic multilayer film is interposed between the piezoelectric substrate and the support substrate, the apparent average values of the speeds of sound within those two wavelengths are shown in Table 1, A, B, and C.
  • the optimum film thickness of the piezoelectric substrate is determined by the speed of sound belonging to any of the groups.
  • the weight of the material of the first layer in contact with the piezoelectric substrate is 70%, and the weight thereafter is 30%.
  • Table 2 LiTaO 3 crystal and LiNbO 3 linear expansion coefficient of the crystal, and shows the LiTaO 3 crystal and LiNbO 3 crystal is smaller than the typical linear expansion coefficient of the substrate.
  • Table 2 shows the linear expansion coefficients of various support substrates used in the high-order mode surface acoustic wave device [groove electrode / piezoelectric substrate / support substrate] structure shown in FIG. 2 (d).
  • the left and right vertical axes are the frequency temperature coefficients when the LiTaO 3 crystal substrate and the LiNbO 3 crystal substrate are used, respectively.
  • the horizontal axis is represented by the ratio of the support substrate to the piezoelectric substrate, that is, (thickness of the support substrate / thickness of the LiTaO 3 crystal substrate or LiNbO 3 crystal substrate).
  • the frequency temperature coefficients when the Al groove electrode is provided only on the support substrate are ⁇ 45 and -100 ppm / ° C, respectively, but when a support substrate having a linear expansion coefficient of 0.5 ⁇ 10 -6 / ° C is used, When the thickness ratio of the piezoelectric substrate / support substrate is 2.5 or more, a better frequency temperature coefficient is obtained than ⁇ 25 ppm / ° C. for LiTaO 3 crystals and ⁇ 35 ppm / ° C. for LiNbO 3 crystals.
  • a support substrate with a linear expansion coefficient of 3.35 x 10-6 / ° C When a support substrate with a linear expansion coefficient of 3.35 x 10-6 / ° C is used, a support substrate with a piezoelectric substrate / support substrate thickness ratio of 4 or more and a linear expansion coefficient of 8.4 x 10-6 / ° C is used. If so, the thickness ratio of the piezoelectric substrate / support substrate is 6.7 or more, and when a support substrate with a coefficient of linear expansion of 10.4 ⁇ 10 -6 / ° C is used, the thickness ratio of the piezoelectric substrate / support substrate is 8 or more.
  • a better frequency-temperature coefficient is obtained than ⁇ 25 ppm / ° C. for the LiTaO 3 crystal and ⁇ 35 ppm / ° C. for the LiNbO 3 crystal.
  • the relationship between the coefficient of linear expansion ⁇ and the thickness ratio TR of the piezoelectric substrate / support substrate is expressed by the following equation (2).
  • the piezoelectric substrate and the support substrate which have a thickness ratio of the piezoelectric substrate / support substrate larger than the TR obtained by the equation (2), may be used. Even when a SiO 2 film, a SiO compounded film, or an acoustic multilayer film is interposed between the piezoelectric substrate and the support substrate, TR may be calculated from the average value of the coefficient of linear expansion according to the thickness and the total thickness. It is desirable to use a support substrate having a linear expansion history of 10.4 ⁇ 10-6 / ° C. or less, which is smaller than that of the LiTaO 3 crystal and LiNbO 3 crystal shown in Table 2, and a linear expansion coefficient of 10.4 ⁇ 10-6 / ° C. or less is preferable.
  • High-order mode surface acoustic wave device 11 Piezoelectric substrate 12 Sudare electrode (IDT) 13 Thin film 14 Support substrate 15 Multilayer film

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Abstract

高次モード弾性表面波デバイスは、ＬｉＴａＯ３結晶又はＬｉＮｂＯ３結晶から構成された圧電基板（１１）と、圧電基板（１１）の表面に埋め込まれているが、圧電基板（１１）の表面から突出するように形成されてもよいすだれ状電極（１２）とを有し、高次モードの弾性表面波を利用している。また、圧電基板（１１）に積層する薄膜（１３）または基板を有していてもよく、圧電基板（１１）のすだれ状電極（１２）が設けられた表面とは反対側の面に接するよう設けられた支持基板（１４）および／または多層膜（１５）を有していてもよい。高次モード弾性表面波デバイスは、３．８ＧＨｚ以上の高周波数帯でも、良好な特性を得ることができると共に、十分な機械的強度を保つことができる。

Description

高次モード弾性表面波デバイス
　本発明は、基本モードのオーバートーンとなる高次モードの利用を提供する高次モード弾性表面波（ＳＡＷ；surface acoustic wave）デバイスに関する。
　近年、スマートフォン等で主に使用されている７００ＭＨｚから３ＧＨｚの周波数帯には、８０近くのバンドがあり、非常に混雑している。その対策として、次世代無線通信システムの第５世代移動通信システム（５Ｇ）では、３．６ＧＨｚから４．９ＧＨｚの周波数帯の利用が計画されており、さらに、その次の世代では、６ＧＨｚ以上の周波数帯を使用する計画もなされている。
　これらの計画に対し、代表的な弾性波デバイスである弾性表面波デバイスでは、耐電力および製造技術の限界から、すだれ状電極（ＩＤＴ；interdigital transducer）の周期（λ）を小さくすることができず、高周波化に限界がある。図１（ａ）および（ｂ）に、従来のＳＡＷデバイスの一例として、圧電基板にＬｉＴａＯ３結晶の４２°回転Ｙ板を用い、Ｘ方向伝搬のすだれ状電極５２をＡｌで形成した構造の平面図および断面図を示す。図１（ｂ）の断面図は、図１（ａ）の平面図における切断線Ｉ－Ｉによる断面を示している。
　図１（ｃ）に、すだれ状電極５２の周期が１．２μｍのとき得られたインピーダンスの周波数特性を示す。その共振周波数は約３．２ＧＨｚ、比帯域幅は３．８％、インピーダンス比は６５ｄＢであった。また、１７．２ＧＨｚに高次モードらしき小さなレスポンスが見られるが、使用できるレベルではない。すだれ状電極５２の周期を１μｍまで微細化したとしても、その共振周波数は約３．８ＧＨｚであり、このように、従来のＳＡＷデバイスでは、５Ｇ以降はもちろん、５Ｇに必要とされる周波数帯をカバーすることもできない。
　ここで、特許文献１には、メタライゼーション比０．４５以下のＡｌより重いＰｔ，Ｃｕ，Ｍｏ，Ｎｉ，Ｔａ，Ｗなどの電極をオイラー角（０°，８０～１３０°、０°）のＬｉＮｂＯ３基板に埋め込んでラブ波の基本モードを励振し、広い帯域幅が得られるようにした弾性表面波デバイスが開示されている。また、非特許文献１には、４２°回転Ｙ板のＬｉＴａＯ３基板に０．１波長以下のＣｕ電極を埋め込み、その上にＡｌ電極を形成して、基本モードで励振して高いＱ値が得られるようにした弾性表面波デバイスが開示されている。一方、１．９ＧＨｚの周波数帯を有する弾性波フィルタとして、ＡｌＮやＳｃＡｌＮの圧電薄膜を用いたバルク弾性波デバイス（ＦＢＡＲ；film bulk acoustic resonator）が研究されている（例えば、非特許文献２参照）。
国際公開第２０１４／０５４５８０号
T. Kimura, M. Kadota, and Y. IDA, "High Q SAW resonator using upper-electrodes on Grooved-electrode in LiTaO3", Proc. IEEE Microwave Symp. (IMS), p.1740, 2010. Keiichi Umeda et al., "PIEZOELECTRIC PROPERTIES OF ScAlN THIN FILMS FOR PIRZO-MEMS DEVICES", MEMS 2013, Taipei, Taiwan January 20-24, 2013
　しかしながら、特許文献１、非特許文献１に記載された技術は、電極に使用する金属が重く、メタライゼーション比も小さく、５Ｇ以降で求められる３．６ＧＨｚ以上の高周波数帯では十分な性能が得られなかった。非特許文献２に記載のバルク弾性波デバイスは、圧電薄膜が多結晶薄膜であるため、１．９ＧＨｚで５５ｄＢのインピーダンス比しか得られておらず、超高周波での減衰が大きく、良好な特性を実現するのは難しかった。また、ＦＢＡＲの周波数は、薄膜の音速／（２×薄膜の厚み）で決定され、周波数を高くするためには、薄膜の厚みを極端に薄くしなければならない。現行のＦＢＡＲは、自己支持された圧電薄膜を有するため、それが極端に薄くなる超高周波帯では、機械的強度を保てなかった。
　本発明は、このような課題に着目してなされたもので、３．８ＧＨｚ以上の高周波数帯でも、良好な特性を得ることができると共に、十分な機械的強度を保つことができる高次モード弾性表面波デバイスを提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本発明に係る高次モード弾性表面波デバイスは、ＬｉＴａＯ３結晶又はＬｉＮｂＯ３結晶を含む圧電基板と、圧電基板の表面に埋め込まれたすだれ状電極とを含み、高次モードの弾性表面波を利用するものである。
　高次モード弾性表面波デバイスは、圧電基板の表面にすだれ状電極を埋め込むことにより、ＳＡＷの高次モード（１次モード、２次モード、３次モードなど）を励振することができ、大きいインピーダンス比を有する高次モードを得ることができる。高次モード弾性表面波デバイスは、その高次モードを利用することにより、高周波化を図ることができ、３．８ＧＨｚ以上の高周波数帯でも良好な特性を得ることができる。また、高次モードを利用することにより、３．８ＧＨｚ以上の高周波数帯でも圧電基板を超薄板化したり、すだれ状電極の周期を小さくしたりする必要がなく、十分な機械的強度を保つことができる。なお、圧電基板には、圧電薄膜や圧電薄板も含まれる。
　高次モード弾性表面波デバイスにおいて、すだれ状電極は、圧電基板の表面から突出して形成されていてもよい。この場合でも、大きいインピーダンス比を有する高次モードを得ることができる。
　高次モード弾性表面波デバイスは、圧電基板に接するように設けられた薄膜又は基板を有していてもよい。また、圧電基板のすだれ状電極が設けられた表面とは反対側の面に接するように設けられた支持基板及び／又は多層膜を有していてもよい。支持基板を有するとき、支持基板は、金属以外の材料から構成されてもよい。また、支持基板は、Ｓｉ、水晶、サファイア、ガラス、石英、ゲルマニウム及びアルミナの少なくとも１つから構成されてもよい。また、多層膜を有するとき、多層膜は、音響インピーダンスが異なる複数の層を積層した音響多層膜から構成されてもよい。これらの場合にも、大きいインピーダンス比を有する高次モードを得ることができる。
　係る高次モード弾性表面波デバイスで、すだれ状電極のメタライゼーション比は、０．４５以上、０．９以下であることが好ましく、０．６３以上であることがより好ましい。この場合、より大きいインピーダンス比を有する高次モードを得ることができる。また、帯域幅を拡げることもできる。
　また、高次モード弾性表面波デバイスは、より大きいインピーダンス比を有する高次モードを得るために、以下の構成であってもよい。すなわち、圧電基板は、ＬｉＴａＯ３結晶から構成され、すだれ状電極は、Ｔｉ，Ａｌ及びＭｇ合金の少なくとも１つから構成されてもよい。この場合、すだれ状電極は、圧電基板の表面から、弾性表面波の波長／メタライゼーション比が０．０７５～０．３（波長／メタライゼーション比が０．５のときは、０．１５～０．６）の範囲にある深さまで埋め込まれていることが好ましく、弾性表面波の波長／メタライゼーション比が０．１１５～０．３（波長／メタライゼーション比が０．５のときは、０．２３～０．６）の範囲にある深さまで埋め込まれていることがより好ましい。ここで、埋め込まれた電極の断面が、基板表面に対して垂直でない場合は、メタライゼーション比および電極幅は、実効的なメタライゼーション比と電極幅とする。以下でも同様とする。
　また、圧電基板は、ＬｉＴａＯ３結晶から構成され、すだれ状電極は、Ａｇ，Ｍｏ，Ｃｕ，及びＮｉの少なくとも１つから構成されてもよい。この場合、すだれ状電極は、圧電基板の表面から、弾性表面波の波長／メタライゼーション比が０．０８～０．３（波長／メタライゼーション比が０．５のときは、０．１６～０．６）の範囲にある深さまで埋め込まれていることが好ましく、弾性表面波の波長／メタライゼーション比が０．０９～０．３（波長／メタライゼーション比が０．５のときは、０．１８～０．６）の範囲にある深さまで埋め込まれていることがより好ましい。
　また、圧電基板は、ＬｉＴａＯ３結晶から構成され、すだれ状電極は、Ｐｔ，Ａｕ，Ｗ，Ｔａ及びＨｆの少なくとも１つから構成されてもよい。この場合、すだれ状電極は、圧電基板の表面から、弾性表面波の波長／メタライゼーション比が０．０８～０．３（波長／メタライゼーション比が０．５のときは、０．１６～０．６）の範囲にある深さまで埋め込まれていることが好ましく、弾性表面波の波長／メタライゼーション比が０．１２５～０．３（波長／メタライゼーション比が０．５のときは、０．２５～０．６）の範囲にある深さまで埋め込まれていることがより好ましい。
　また、圧電基板は、ＬｉＮｂＯ３結晶から構成され、すだれ状電極は、Ｔｉ，Ａｌ及びＭｇ合金の少なくとも１つから構成されてもよい。この場合、すだれ状電極は、圧電基板の表面から、弾性表面波の波長／メタライゼーション比が０．０７～０．３（波長／メタライゼーション比が０．５のときは、０．１４～０．６）の深さまで埋め込まれていることが好ましく、弾性表面波の波長／メタライゼーション比が０．１０５～０．３（波長／メタライゼーション比が０．５のときは、０．２１～０．６）の深さまで埋め込まれていることがより好ましい。
　また、圧電基板は、ＬｉＮｂＯ３結晶から構成され、すだれ状電極は、Ａｇ，Ｍｏ，Ｃｕ，及びＮｉの少なくとも１つから構成されてもよい。この場合、すだれ状電極は、圧電基板の表面から、弾性表面波の波長／メタライゼーション比が０．０６５～０．３（波長／メタライゼーション比が０．５のときは、０．１３～０．６波長）の深さまで埋め込まれていることが好ましく、弾性表面波の波長／メタライゼーション比が０．０９～０．３（波長／メタライゼーション比が０．５のときは、０．１８～０．６波長）の深さまで埋め込まれていることがより好ましい。
　また、圧電基板は、ＬｉＮｂＯ３結晶から構成され、すだれ状電極は、Ｐｔ，Ａｕ，Ｗ，Ｔａ及びＨｆの少なくとも１つから構成されてもよい。この場合、すだれ状電極は、圧電基板の表面から、弾性表面波の波長／メタライゼーション比が０．０７５～０．３（波長／メタライゼーション比が０．５のときは、０．１５～０．６）の深さまで埋め込まれていることが好ましく、弾性表面波の波長／メタライゼーション比が０．１１５～０．３（波長／メタライゼーション比が０．５のときは、０．２３～０．６波長）の深さまで埋め込まれていることがより好ましい。
　また、圧電基板は、ＬｉＴａＯ３結晶から構成され、オイラー角が（０°±２０°、１１２°～１４０°、０°±５°）の範囲にあり、またはこれと結晶学的に等価なオイラー角であることが好ましく、さらに、オイラー角が（０°±１０°、１２０°～１３２°、０°±５°）の範囲にあり、またはこれと結晶学的に等価なオイラー角であることがより好ましい。
　また、圧電基板は、ＬｉＮｂＯ３結晶から構成され、オイラー角が（０°±２５°、７８°～１５３°、０°±５°）の範囲にあり、またはこれと結晶学的に等価なオイラー角であることが好ましく、さらに、オイラー角が（０°±２０°、８７°～１４３°、０°±５°）の範囲にあり、またはこれと結晶学的に等価なオイラー角であることがより好ましい。
　ここで、オイラー角（φ、θ、ψ）は、右手系であり、圧電基板の切断面と、弾性表面波の伝搬方向とを表現するものである。すなわち、圧電基板を構成する結晶や、ＬｉＴａＯ３またはＬｉＮｂＯ３の結晶軸Ｘ、Ｙ、Ｚに対し、Ｚ軸を回転軸としてＸ軸を反時計廻りにφ回転し、Ｘ’軸を得る。次に、そのＸ’軸を回転軸としてＺ軸を反時計廻りにθ回転しＺ’軸を得る。このとき、Ｚ’軸を法線とし、Ｘ’軸を含む面を、圧電基板の切断面とする。また、Ｚ’軸を回転軸としてＸ’軸を反時計廻りにψ回転した方向を、弾性表面波の伝搬方向とする。また、これらの回転によりＹ軸が移動して得られる、Ｘ’軸およびＺ’軸と垂直な軸を、Ｙ′軸とする。
　オイラー角をこのように定義することにより、例えば、４０°回転Ｙ板のＸ方向伝搬は、オイラー角で（０°、１３０°、０°）と表され、４０°回転Ｙ板の９０°Ｘ方向伝搬は、オイラー角で（０°、１３０°、９０°）と表される。なお、圧電基板を所望のオイラー角で切り出す際には、オイラー角の各成分に対して、最大で±０．５°程度の誤差が発生する可能性がある。すだれ状電極の形状に関しては、伝搬方向ψに対し、±３°程度の誤差が生じる可能性がある。弾性波の特性に関しては、（φ、θ、ψ）のオイラー角のうち、φ、ψに関しては、±５°程度のずれによる特性差はほとんどない。
　圧電基板のすだれ状電極が設けられた表面とは反対側の面に接するよう設けられた支持基板、薄膜及び多層膜の少なくとも１つを含み、支持基板の横波音速又は等価的な横波音速が２０００～３０００ｍ／ｓ又は６０００～８０００ｍ／ｓの範囲にあり、圧電基板の厚みは０．２波長から２０波長の範囲にあってもよい。
　圧電基板のすだれ状電極が設けられた表面とは反対側の面に接するよう設けられた支持基板、薄膜及び多層膜の少なくとも１つを含み、支持基板の横波音速又は等価的な横波音速が３０００～６０００ｍ／ｓの範囲にあり、圧電基板の厚みは２波長から２０波長の範囲にあってもよい。
　圧電基板の前記すだれ状電極が設けられた表面とは反対側の面に接するよう設けられた支持基板、薄膜及び多層膜の少なくとも１つを含み、支持基板の線膨張係数は１０．４×１０－６／℃以下であり、αを線膨張係数として、支持基板／圧電基板の厚みの比ＴＲは、下記の（１）式で規定されたＴＲの値以上であってもよい。
　　ＴＲ＝α×０．５５×１０６　＋　２．１８　　　　　　　　　　（１）
　本発明によれば、３．８ＧＨｚ以上の高周波数帯でも、良好な特性を得ることができると共に、十分な機械的強度を保つことができる高次モード弾性表面波デバイスを提供することができる。
図１（ａ）は従来の弾性表面波デバイス［Ａｌすだれ状電極／４２°回転Ｙ板Ｘ方向伝搬ＬｉＴａＯ３結晶］を示す平面図であり、図１（ｂ）は断面図であり、図１（ｃ）は図１（ａ）および図１（ｂ）の弾性表面波デバイスのインピーダンスの周波数特性を示すグラフである。 図２（ａ）本実施の形態の高次モード弾性表面波デバイスであり、図２（ｂ）は図２（ａ）の薄膜を有する変形例であり、図２（ｃ）は図２（ａ）のすだれ状電極が突出した変形例であり、図２（ｄ）は図２（ａ）の支持基板を有する変形例であり、図２（ｅ）は図２（ｄ）のすだれ状電極が突出した変形例であり、図２（ｆ）は図２（ｄ）の圧電基板と支持基板との間に多層膜を有する変形例を示す断面図である。 図２（ａ）から図２（ｆ）に示す高次モード弾性表面波デバイスにおいて、埋め込まれた電極の側面が基板表面に対して垂直でない場合の断面図である。 図２（ａ）に示す高次モード弾性表面波デバイス［Ａｌ電極／（０°，１２６．５°，０°）ＬｉＴａＯ３結晶基板］について、図４（ａ）はすだれ状電極のメタライゼーション比が０．５のときのインピーダンスの周波数特性を示すグラフであり、図４（ｂ）は図４（ａ）の１次モードの共振周波数付近を拡大したグラフであり、図４（ｃ）は１次モードの共振周波数における変位分布を示すグラフであり、図４（ｄ）はすだれ状電極のメタライゼーション比が０．７のときの１次モードのインピーダンスの周波数特性を示すグラフである。 図２（ｃ）に示す高次モード弾性表面波デバイス［Ａｌ電極（メタライゼーション比０．５）／（０°，１２６．５°，０°）ＬｉＴａＯ３結晶基板］について、インピーダンスの周波数特性を示すグラフである。 図２（ｄ）に示す高次モード弾性表面波デバイス［Ａｌ電極（メタライゼーション比０．５）／（０°，１２６．５°，０°）ＬｉＴａＯ３結晶基板／支持基板］について、図６（ａ）は支持基板がＳｉ基板から構成されたとき、図６（ｂ）は支持基板が水晶基板から構成されたときのインピーダンスの周波数特性を示すグラフである。 図２（ｆ）に示す高次モード弾性表面波デバイス［Ａｌ電極（メタライゼーション比０．５）／（０°，１２６．５°，０°）ＬｉＴａＯ３結晶基板］について、１次モードのインピーダンスの周波数特性を示すグラフである。 図２（ａ）に示す高次モード弾性表面波デバイス［Ａｌ電極（メタライゼーション比０．５）／（０°，１１６°，０°）ＬｉＮｂＯ３結晶基板］について、図８（ａ）はインピーダンスの周波数特性を示すグラフ、図８（ｂ）は図８（ａ）の１次モードの共振周波数付近を拡大したグラフである。 図２（ａ）に示す高次モード弾性表面波デバイス［Ｃｕ電極（メタライゼーション比０．５）／（０°，１１６°，０°）ＬｉＮｂＯ３結晶基板］について、インピーダンスの周波数特性を示すグラフである。 図２（ａ）に示す高次モード弾性表面波デバイス［すだれ状電極（メタライゼーション比０．５）／（０°，１２６．５°，０°）ＬｉＴａＯ３結晶基板］、すだれ状電極がＡｌ電極、Ｃｕ電極およびＡｕ電極について、図１０（ａ）は各電極の厚みと１次モードの比帯域幅との関係、図１０（ｂ）は各電極の厚みと１次モードのインピーダンス比との関係を示すグラフである。 図２（ａ）に示す高次モード弾性表面波デバイス［Ａｌ電極（メタライゼーション比０．５）／（０°，θ，０°）ＬｉＴａＯ３結晶基板］について、図１１（ａ）はθと１次モードの比帯域幅との関係、図１１（ｂ）はθと１次モードのインピーダンス比との関係を示すグラフである。 図２（ａ）に示す高次モード弾性表面波デバイス［Ａｌ電極（メタライゼーション比０．５）／（０°，θ，０°）ＬｉＴａＯ３結晶基板］について、図１２は（φ，１２６．５°，０°）ＬｉＴａＯ３結晶基板において、φと１次モードのインピーダンス比との関係を示すグラフである。 図２（ａ）に示す高次モード弾性表面波デバイス［すだれ状電極（メタライゼーション比０．５）／（０°，１１６°，０°）ＬｉＮｂＯ３結晶基板］、すだれ状電極がＡｌ電極、Ｃｕ電極およびＡｕ電極について、図１３（ａ）は各電極の厚みと１次モードの比帯域幅との関係、図１３（ｂ）は各電極の厚みと１次モードのインピーダンス比との関係を示すグラフである。 図２（ａ）に示す高次モード弾性表面波デバイス［Ａｌ電極（メタライゼーション比０．５）／（０°，θ，０°）ＬｉＮｂＯ３結晶基板］について、図１４（ａ）はθと１次モードの比帯域幅との関係、図１４（ｂ）はθと１次モードのインピーダンス比との関係を示すグラフである。 図２（ａ）に示す高次モード弾性表面波デバイス［Ａｌ電極（メタライゼーション比０．５）／（φ，θ，０°）ＬｉＮｂＯ３結晶基板］について、図１５は（φ，１１６°，０°）ＬｉＮｂＯ３結晶基板において、φと１次モードのインピーダンス比との関係を示すグラフである。 図２（ａ）に示す高次モード弾性表面波デバイス［Ａｌ電極／（０°，１２６．５°，０°）ＬｉＴａＯ３結晶基板］について、図１６（ａ）はＡｌ電極のメタライゼーション比と１次モードの位相速度との関係、図１６（ｂ）はＡｌ電極のメタライゼーション比と１次モードのインピーダンス比との関係を示すグラフである。 図２（ａ）に示す高次モード弾性表面波デバイス［Ａｌ電極（メタライゼーション比０．８５）／（０°，１２６．５°，０°）ＬｉＴａＯ３結晶基板］のインピーダンスの周波数特性を示すグラフである。 図１７に示す高次モード弾性表面波デバイスについて、図１８（ａ）はすだれ状電極の厚みと０次～３次のモードの位相速度との関係、図１８（ｂ）はすだれ状電極の厚みと０次～３次のモードのインピーダンス比との関係を示すグラフである。 図２（ｄ）に示す高次モード弾性表面波デバイス［溝深さ０．２λのＣｕ電極（メタライゼーション比０．５）／（０°，１２６．５°，０°）ＬｉＴａＯ３結晶の基板／支持基板］について、支持基板がｃサファイア、Ｓｉ、水晶、パイレックス（登録商標）ガラス、鉛ガラスから構成されるときの１次モードのインピーダンス比のＬｉＴａＯ３結晶基板厚み依存性を示すグラフである。 図２（ｄ）に示す高次モード弾性表面波デバイス［溝深さ０．２３λのＣｕ電極（メタライゼーション比０．５）／（０°，１１６°，０°）ＬｉＮｂＯ３結晶の基板／支持基板］について、支持基板がｃサファイア、Ｓｉ、水晶、パイレックスガラス、鉛ガラスから成るときの１次モードのインピーダンス比のＬｉＮｂＯ３結晶の基板厚み依存性を示すグラフである。 図２（ｄ）に示す高次モード弾性表面波デバイス［溝深さ０．３λのＡｌ電極（メタライゼーション比０．５）／（０°，１２６．５°，０°）ＬｉＴａＯ３結晶の基板および（０°，１１６°，０°）ＬｉＮｂＯ３結晶の基板／支持基板］の周波数温度係数について、支持基板の線膨張係数ごとのＬｉＴａＯ３結晶の基板およびＬｉＮｂＯ３結晶の厚み依存性を示すグラフである。
　以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。図２乃至図２１は、本発明の実施の形態の高次モード弾性表面波デバイスに関するものである。図２（ａ）に示すように、高次モード弾性表面波デバイス１０は、高次モードの弾性表面波（ＳＡＷ）を利用するものであって、圧電基板１１とすだれ状電極（ＩＤＴ）１２とを有している。
　圧電基板１１は、ＬｉＴａＯ３結晶またはＬｉＮｂＯ３結晶から構成されている。すだれ状電極１２は、圧電基板１１の表面に埋め込まれている。なお、すだれ状電極１２は、上面が圧電基板１１の表面と同一平面上、あるいは、その平面より下にあり、圧電基板１１の表面から突出していてもよい。以下、電極厚みは、溝に埋め込まれた電極厚さをいう。
　高次モード弾性表面波デバイス１０は、図２（ｂ）に示すように、すだれ状電極１２の隙間の圧電基板１１の表面を覆うよう設けられた薄膜１３を有していてもよい。薄膜１３は、例えば、ＳｉＯ２薄膜である。すだれ状電極１２は、上面が薄膜１３の表面と同一平面上にある。また、高次モード弾性表面波デバイス１０は、図２（ａ）に示すように、すだれ状電極１２が圧電基板１１の表面と同一でも良いし、下にあっても良い。図２（ｃ）に示すように、すだれ状電極１２が圧電基板１１の表面から突出するよう設けられていてもよい。
　また、高次モード弾性表面波デバイス１０は、図２（ｄ）に示すように、支持基板１４を有し、圧電基板１１が厚みの小さい薄板から構成され、支持基板１４が、圧電基板１１のすだれ状電極１２が設けられた表面とは反対側の面に接するように設けられていてもよい。支持基板１４は、例えば、Ｓｉ基板や水晶基板、サファイア基板、ガラス基板、石英基板、ゲルマニウム基板またはアルミナ基板などの半導体あるいは絶縁基板である。また、図２（ｄ）の構成に加えて、図２（ｂ）のように、圧電基板１１の表面に薄膜１３が形成されていてもよい。また、高次モード弾性表面波デバイス１０は、図２（ｅ）に示すように、図２（ｄ）の構成に加えて、図２（ｃ）のように、すだれ状電極１２が圧電基板１１の表面から突出するよう設けられていてもよい。
　また、高次モード弾性表面波デバイス１０は、図２（ｆ）に示すように、図２（ｄ）の構成に加えて、圧電基板１１と支持基板１４との間に設けられた多層膜１５を有していてもよい。多層膜１５は、例えば、音響インピーダンスが異なる複数の層を積層した音響多層膜である。また、図２（ｆ）の構成に加えて、図２（ｂ）のように、圧電基板１１の表面に薄膜１３が形成されていてもよく、図２（ｃ）のように、すだれ状電極１２が圧電基板１１の表面から突出していてもよい。
　高次モード弾性表面波デバイス１０は、圧電基板１１の表面にすだれ状電極１２を埋め込むことにより、ＳＡＷの高次モード（１次モード、２次モード、３次モードなど）を励振することができ、大きいインピーダンス比を有する高次モードを得ることができる。高次モードは、約２倍、３倍、４倍の周波数を励振するオーバートーンとも呼ぶことがある。高次モード弾性表面波デバイス１０は、その高次モードを利用することにより、高周波化を図ることができ、３．８ＧＨｚ以上の高周波数帯でも良好な特性を得ることができる。また、高次モードを利用することにより、３．８ＧＨｚ以上の高周波数帯でも圧電基板１１を超薄板化したり、すだれ状電極の周期を小さくしたりする必要がなく、十分な機械的強度を保つことができる。
　高次モード弾性表面波デバイス１０は、例えば、以下のようにして製造することができる。まず、圧電基板１１の表面に、すだれ状電極１２を埋め込むための電極溝を形成する。すなわち、圧電基板１１の表面の電極溝を形成しない部分に、レジスト等を塗布し、Ａｒ等のイオンで乾式エッチングを行って、圧電基板１１の表面に電極溝を形成する。このとき、レジストの代わりに、レジスト以外の材料として、エッチング時の速度が圧電基板１１のエッチング速度より遅い材料を用いてもよい。また、乾式エッチングのほかに、湿式でエッチングする方法を用いてもよい。
　次に、その電極溝を圧電基板１１の表面まで埋める程度の厚みで、圧電基板１１の表面全体に、電極用の金属を成膜する。その後、湿式エッチングあるいは洗浄等でレジストを除去する。これにより、電極溝に埋め込められたすだれ状電極１２を形成することができる。なお、すだれ状電極１２の厚みが所望の厚みでない場合には、さらにエッチング等によりすだれ状電極１２の厚みを調整する工程を行ってもよい。
　以下では、図２に示す各構成の高次モード弾性表面波デバイス１０について、インピーダンス比や比帯域幅等を求めた。図１（ｃ）を参照すると、インピーダンス比は、共振特性のインピーダンスのうち、最も低い共振周波数ｆｒでの共振インピーダンスＺｒと、最も高い反共振周波数ｆａでの反共振インピーダンスＺａとの比２０×ｌｏｇ（Ｚａ／Ｚｒで与えられる。比帯域幅は、（ｆａ－ｆｒ）／ｆｒで与えられる。また、図１（ａ）を参照すると、すだれ状電極５２のメタライゼーション比は、弾性表面波の伝搬方向に沿って、すだれ状電極５２の電極指の幅Ｆを、電極指の周期（λ）の半分（電極指の幅Ｆと電極指間の隙間Ｇとの和）で除した比率、すなわちＦ／（Ｆ＋Ｇ）＝２×Ｆ／λによって与えられる。
　図３に示すように、すだれ状電極１２の電極が基板表面に垂直ではなく傾いて基板内に埋め込まれた場合があり得る。このような場合には、メタライゼーション比及び電極幅は、実効的なメタライゼーション比および電極幅とする。すなわち、電極溝の側面と圧電基板１１の表面とがなす角γが９０度より小さいときには、各電極の表面の幅ａ、底の幅ｂ、埋め込まれた深さｄとすると、面極の実効的な幅ｃは（ａ＋ｂ）／２、メタライゼーション比は（ｃ／（ｃ＋ｅ））で与えるものとする。埋め込まれた電極深さはｄのままである。
　ここでは、すだれ状電極１２の周期（λ）を１μｍ、メタライゼーション比を０．５、すなわち、電極指の幅を０．２５μｍ、電極指の隙間を０．２５μｍとした。なお、以下では、オイラー角（φ、θ、ψ）を、単に（φ、θ、ψ）で表す。また、圧電基板１１やすだれ状電極１２の厚み等を、使用する弾性表面波デバイスの波長λ（すだれ状電極の周期）に対する倍率で表す。
　図４に、図２（ａ）に示す構造を有する高次モード弾性表面波デバイス１０の、インピーダンスの周波数特性等を示す。圧電基板１１は、（０°，１２６．５°，０°）ＬｉＴａＯ３結晶である。すだれ状電極１２は、厚みが０．３６λのＡｌ電極から構成され、圧電基板１１の表面から深さ０．３６λまで埋め込まれている。すだれ状電極１２のメタライゼーション比が０．５のときの、インピーダンスの周波数特性を図４（ａ）および図４（ｂ）に、１次モードの共振周波数における変位分布を図４（ｃ）に示す。図４（ｂ）は、図４（ａ）の１次モードの共振周波数付近を拡大したものである。また、すだれ状電極１２のメタライゼーション比が０．７のときの、インピーダンスの周波数特性を図４（ｄ）に示す。
　図４（ａ）に示すように、すだれ状電極１２を圧電基板１１に埋め込むことにより、図１に示す従来のＳＡＷデバイスの０次モードの共振周波数３．３ＧＨｚの１．３６倍の共振周波数４．５ＧＨｚの０次モードが得られていることが確認された。しかも、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、共振周波数４．５ＧＨｚの０次モードに対し、その約２倍の共振周波数９．６ＧＨｚの１次モードが大きく励振されていることが確認された。その１次モードの比帯域幅は３％、インピーダンス比は６７ｄＢであり、図１に示す従来のＳＡＷデバイスよりも大きなインピーダンス比が得られていることが確認された。１次モードの共振周波数は、従来のＳＡＷデバイスの共振周波数の約２．９倍である。
　また、図４（ｃ）に示すように、共振周波数９．５ＧＨｚの１次モードは、ＳＨ（shear horizontal）成分のみから構成されており、従来のＳＡＷデバイスの共振周波数もＳＨ成分から構成されることから、基本モード（０次）の高次モード（１次モード）であることがわかる。なお、図４（ｃ）中の「Ｌ」は縦波成分、「ＳＶ」は shear vertical 成分を表している。また、図４（ｄ）に示すように、メタライゼーション比を０．７にすることにより、１次モードの共振周波数がメタライゼーション比を０．５の時の１．２倍の１１．２ＧＨｚに、比帯域幅が１３％広い３．４％に、インピーダンス比が３ｄＢ大きい７０ｄＢになることが確認された。
　図５に、図２（ｃ）に示す構造を有する高次モード弾性表面波デバイス１０の、インピーダンスの周波数特性を示す。圧電基板１１は、（０°，１２６．５°，０°）ＬｉＴａＯ３結晶である。すだれ状電極１２は、厚みが０．３８λのＡｌ電極から構成され、圧電基板１１の表面から深さ０．３６λまで埋め込まれ、圧電基板１１の表面から０．０２λ突出している。すだれ状電極１２のメタライゼーション比は、０．５である。
　図５に示すように、図４（ａ）および図４（ｂ）と比べ、高次モード（１次モード）の共振周波数は少し高くなっていることが確認された。また、インピーダンス比は５０ｄＢと小さくなるが、比帯域幅が１％と狭くなっており、狭帯域化に適しているといえる。また、スプリアスとなる基本モード（０次）の励振が小さいことが確認された。
　図６に、図２（ｄ）に示す構造を有する高次モード弾性表面波デバイス１０の、インピーダンスの周波数特性を示す。圧電基板１１は、（０°，１２６．５°，０°）ＬｉＴａＯ３結晶であり、厚みが０．５λである。すだれ状電極１２は、厚みが０．３６λのＡｌ電極から構成され、圧電基板１１の表面から深さ０．３６λまで埋め込まれている。すだれ状電極１２のメタライゼーション比は、０．５である。支持基板１４は、Ｓｉまたは水晶から構成され、いずれも厚みが３５０μｍであり、接着剤や直接接合により圧電基板１１と接合されている。支持基板１４がＳｉ基板から構成されるときのインピーダンスの周波数特性を図６（ａ）に、支持基板１４が水晶基板から構成されるときのインピーダンスの周波数特性を図６（ｂ）に示す。
　図６（ａ）に示すように、Ｓｉ支持基板を有する場合、１次モードの共振周波数が９ＧＨｚであり、比帯域幅が２．８％、インピーダンス比が７１ｄＢであることが確認された。また、図６（ｂ）に示すように、水晶基板を有する場合、１次モードの共振周波数が９ＧＨｚであり、比帯域幅が３．５％、インピーダンス比が６８ｄＢであることが確認された。図６（ａ）および図６（ｂ）を図４（ｂ）と比較すると、支持基板１４を設けることにより、インピーダンス比が大きくなることが確認された。なお、より大きいインピーダンス比を得るためには、圧電基板１１は、支持基板１４より薄いことが好ましく、２０波長以下であることがより好ましく、さらに１０波長以下であることが好ましい。
　図７に、図２（ｆ）に示す構造を有する高次モード弾性表面波デバイス１０の、インピーダンスの周波数特性を示す。圧電基板１１は、（０°，１２６．５°，０°）ＬｉＴａＯ３結晶であり、厚みが０．５λである。すだれ状電極１２は、厚みが０．３６λのＡｌ電極から構成され、圧電基板１１の表面から深さ０．３６λまで埋め込まれている。すだれ状電極１２のメタライゼーション比は、０．５である。多層膜１５は、音響インピーダンスが異なるＳｉＯ２層（厚み０．２５μｍ）とＴａ層（厚み０．２５μｍ）とを、交互に６層積層した音響多層膜から構成される。支持基板１４は、Ｓｉ基板から構成され、厚みが３５０μｍである。なを、この音響膜の層数は６層以外でも良い。
　図７に示すように、１次モードの共振周波数が９．５ＧＨｚであり、比帯域幅が２．６％、インピーダンス比が６９ｄＢであることが確認された。図７を図６（ａ）と比較すると、多層膜１５を設けることにより、帯域幅がやや狭くなると共に、インピーダンス比がやや小さくなることが確認された。
　図８に、図２（ａ）に示す構造を有する高次モード弾性表面波デバイス１０の、インピーダンスの周波数特性を示す。図８（ａ）はインピーダンスの周波数特性を示し、図８（ｂ）は図８（ａ）の１次モードの共振周波数付近を拡大したものである。圧電基板１１は、（０°，１１６°，０°）ＬｉＮｂＯ３結晶である。すだれ状電極１２は、厚みが０．３５λのＡｌ電極から構成され、圧電基板１１の表面から深さ０．３５λまで埋め込まれている。すだれ状電極１２のメタライゼーション比は、０．５である。
　図８（ａ）および８（ｂ）に示すように、圧電基板１１がＬｉＮｂＯ３結晶の場合も、ＬｉＴａＯ３結晶の場合（図４参照）と同様に、１０．４ＧＨｚの高次モード（１次モード）が大きく励振されていることが確認された。その１次モードの比帯域幅は６．４％、インピーダンス比は６８ｄＢであり、図４（ｂ）に示すＬｉＴａＯ３結晶の１次モードと比べて、帯域幅が広くなり、インピーダンス比が大きくなっていることが確認された。
　図９に、図２（ａ）に示す構造を有する高次モード弾性表面波デバイス１０の、インピーダンスの周波数特性を示す。圧電基板１１は、（０°，１１６°，０°）ＬｉＮｂＯ３結晶である。すだれ状電極１２は、厚みが０．２４λのＣｕ電極から構成され、圧電基板１１の表面から深さ０．２４λまで埋め込まれている。すだれ状電極１２のメタライゼーション比は、０．５である。
　図９に示すように、すだれ状電極１２がＣｕ電極の場合、１次モードの共振周波数は、Ａｌ電極の場合（図８（ａ）参照）と比べて、９．５ＧＨｚと少し低くなるが、Ａｌ電極よりも薄く（浅く）形成しても、Ａｌ電極と同程度である６８ｄＢのインピーダンス比が得られることが確認された。
　図１０に、図２（ａ）に示す構造を有する高次モード弾性表面波デバイス１０の、すだれ状電極１２の厚みと１次モードの比帯域幅およびインピーダンス比との関係を示す。圧電基板１１は、（０°，１２６．５°，０°）ＬｉＴａＯ３結晶である。すだれ状電極１２は、Ａｌ電極、Ｃｕ電極、またはＡｕ電極から構成されている。すだれ状電極１２のメタライゼーション比は、０．５である。各電極の厚み（深さ）を０．０２λ～０．６λまで変化させたときの、各電極の厚みと比帯域幅との関係、および、各電極の厚みと１次モードのインピーダンス比との関係を、それぞれ図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示す。
　図１０（ａ）に示すように、同じ厚み（深さ）のときには、Ａｌ電極の帯域幅が最も広く、Ｃｕ電極、Ａｕ電極の順に帯域幅が狭くなっていくことが確認された。また、各電極とも、厚み（深さ）が大きくなるに従って、帯域幅が広がっていくことも確認された。また、図１０（ｂ）に示すように、Ａｌ電極で０．１５λ～０．６λ、Ｃｕ電極およびＡｕ電極で０．１６λ～０．６λのとき、インピーダンス比が５０ｄＢ以上になることが確認された。また、Ａｌ電極で０．２３λ～０．６λ、Ｃｕ電極で０．１８λ～０．６λ、Ａｕ電極で０．２５λ～０．６λのとき、インピーダンス比が６０ｄＢ以上になることが確認された。さらにＡｌ電極で０．３λ～０．６λ、Ｃｕ電極で０．２９λ～０．６λ、Ａｕ電極で０．５５λ～０．６λのとき、インピーダンス比が６５ｄＢ以上になることが確認された。
　なお、電極の厚み×メタライゼーション比は一定であり、例えば、メタライゼーション比が０．５、電極の厚み０．１５λに対し、メタライゼーション比０．７５の場合、電極の厚みは、０．５×０．１５λ／０．７５＝０．１０λとなる。このため、例えば、メタライゼーション比０．５のときのＡｌ電極の厚み０．１５λに対し、メタライゼーション比０．７５の場合には、Ａｌ電極の厚みが０．１０λ以上あればよいことになる。
　なお、図２（ａ）に示す構造に限らず、図２（ｂ）～図２（ｆ）に示す構造であっても、各電極の厚みに対するインピーダンス比の関係は変わらないものと考えられる。また、各電極の厚みに対するインピーダンス比の関係は、密度１５００～６０００ｋｇ／ｍ３の電極材料（例えば、Ｔｉ，Ｍｇ合金）はＡｌ電極と、密度６０００～１２０００ｋｇ／ｍ３の電極材料（例えば、Ａｇ，Ｍｏ，Ｎｉ）はＣｕ電極と、密度１２０００～２３０００ｋｇ／ｍ３の電極材料（例えば、Ｐｔ，Ｗ，Ｔａ，Ｈｆ）はＡｕ電極と同じ傾向を示す。また、用いる電極材料が合金の場合や、異なる金属で積層されたものである場合には、それぞれの材料の厚みと密度とから計算された平均密度により、上記の電極の厚みに対するインピーダンス比の関係の傾向が決まる。
　図１１に、図２（ａ）に示す構造を有する高次モード弾性表面波デバイス１０の、圧電基板１１のオイラー角と１次モードの比帯域幅およびインピーダンス比との関係を示す。圧電基板１１は、（０°，θ，０°）ＬｉＴａＯ３結晶である。すだれ状電極１２は、厚みが０．３６λのＡｌ電極から構成され、圧電基板１１の表面から深さ０．３６λまで埋め込まれている。すだれ状電極１２のメタライゼーション比は、０．５である。オイラー角を構成するθを０°～１８０°まで変化させたときの、θと比帯域幅との関係、および、θとインピーダンス比との関係を、それぞれ図１１（ａ）および図１１（ｂ）に示す。
　図１１（ａ）および図１１（ｂ）に示すように、θ＝１１２°～１６８°のとき、比帯域幅が２．５％以上であり、θ＝１１２°～１４０°のとき、インピーダンス比が５０ｄＢ以上になることが確認された。また、θ＝１２０°～１３２°のとき、比帯域幅が２．６～２．７％であり、インピーダンス比が６０ｄＢ以上になることが確認された。また、図１２に示すようにφ＝－２０°から２０°でインピーダンス比が５０ｄＢ以上、φ＝－１０°から１０°でインピーダンス比が６０ｄＢ以上になることが確認された。
　図１３に、図２（ａ）に示す構造を有する高次モード弾性表面波デバイス１０の、すだれ状電極１２の厚みと１次モードの比帯域幅およびインピーダンス比との関係を示す。圧電基板１１は、（０°，１１６°，０°）ＬｉＮｂＯ３結晶である。すだれ状電極１２は、Ａｌ電極、Ｃｕ電極、またはＡｕ電極から構成されている。すだれ状電極１２のメタライゼーション比は、０．５である。各電極の厚み（深さ）を０．０２λ～０．６λまで変化させたときの、各電極の厚みと比帯域幅との関係、および、各電極の厚みとインピーダンス比との関係を、それぞれ図１３（ａ）および図１３（ｂ）に示す。
　図１３（ａ）に示すように、０．１λ以上で同じ厚み（深さ）のときには、Ａｌ電極の帯域幅が最も広く、Ｃｕ電極、Ａｕ電極の順に帯域幅が狭くなっていくことが確認された。また、各電極とも、０．４λ以下では、厚み（深さ）が大きくなるに従って、帯域幅が広がっていくことも確認された。また、図１３（ｂ）に示すように、Ａｌ電極で０．１４λ～０．６λ、Ｃｕ電極で０．１３λ～０．６λ、Ａｕ電極で０．１５λ～０．６λのとき、インピーダンス比が５０ｄＢ以上になることが確認された。また、Ａｌ電極で０．２１λ～０．６λ、Ｃｕ電極で０．１８λ～０．６λ、Ａｕ電極で０．２３λ～０．６λのとき、インピーダンス比が６０ｄＢ以上になることが確認された。なお、上述のように、電極の厚み×メタライゼーション比は一定である。
　なお、図２（ａ）に示す構造に限らず、図２（ｂ）～図２（ｆ）に示す構造であっても、各電極の厚みに対するインピーダンス比の関係は変わらないものと考えられる。また、各電極の厚みに対するインピーダンス比の関係は、密度１５００～６０００ｋｇ／ｍ３の電極材料（例えば、Ｔｉ，Ｍｇ合金）はＡｌ電極と、密度６０００～１２０００ｋｇ／ｍ３の電極材料（例えば、Ａｇ，Ｍｏ，Ｎｉ）はＣｕ電極と、密度１２０００～２３０００ｋｇ／ｍ３の電極材料（例えば、Ｐｔ，Ｗ，Ｔａ，Ｈｆ）はＡｕ電極と同じ傾向を示す。また、用いる電極材料が合金の場合や、異なる金属で積層されたものである場合には、それぞれの材料の厚みと密度とから計算された平均密度により、上記の電極の厚みに対するインピーダンス比の関係の傾向が決まる。
　図１４に、図２（ａ）に示す構造を有する高次モード弾性表面波デバイス１０の、圧電基板１１のオイラー角と１次モードの比帯域幅およびインピーダンス比との関係を示す。圧電基板１１は、（０°，θ，０°）ＬｉＮｂＯ３結晶である。すだれ状電極１２は、厚みが０．３λのＡｌ電極から構成され、圧電基板１１の表面から深さ０．３λまで埋め込まれている。すだれ状電極１２のメタライゼーション比は、０．５である。オイラー角を構成するθを５０°～１８０°まで変化させたときの、θと比帯域幅との関係、および、θとインピーダンス比との関係を、それぞれ図１４（ａ）および図１４（ｂ）に示す。
　図１４（ａ）および図１４（ｂ）に示すように、θ＝７８°～１５３°のとき、比帯域幅が４．４～６．５％であり、インピーダンス比が５０ｄＢ以上になることが確認された。また、θ＝８７°～１４３°のとき、比帯域幅が５．２～６．５％であり、インピーダンス比が６０ｄＢ以上になることが確認された。さらにθ＝９４°～１３５°のとき、比帯域幅が５．７～６．５％であり、インピーダンス比が６５ｄＢ以上になることが確認された。また、図１５に示すようにφ＝－２５°から２５°でインピーダンス比が５０ｄＢ以上、φ＝－２０°から２０°でインピーダンス比が６０ｄＢ以上になること、φ＝－１０°から１０°でインピーダンス比が７０ｄＢ以上になることが確認された。
　図１６に、図２（ａ）に示す構造を有する高次モード弾性表面波デバイス１０の、すだれ状電極１２のメタライゼーション比と１次モードの位相速度およびインピーダンス比との関係を示す。圧電基板１１は、（０°，１２６．５°，０°）ＬｉＴａＯ３結晶である。すだれ状電極１２は、厚みが０．３６λのＡｌ電極から構成され、圧電基板１１の表面から深さ０．３６λまで埋め込まれている。Ａｌ電極のメタライゼーション比を、０．３～０．９まで変化させたときの、メタライゼーション比と位相速度との関係、および、メタライゼーション比とインピーダンス比との関係を、それぞれ図１６（ａ）および図１６（ｂ）に示す。
　図１６（ａ）に示すように、位相速度は、約１００００～１１５００ｍ／ｓであり、概ねメタライゼーション比が大きいほど速くなる傾向があることが確認された。また、図１６（ｂ）に示すように、メタライゼーション比が０．４以上のとき、インピーダンス比が５０ｄＢ以上、メタライゼーション比が４．５以上のとき、インピーダンス比が６０ｄＢ以上、メタライゼーション比が０．５２以上のとき、インピーダンス比が６５ｄＢ以上、メタライゼーション比が０．６３以上のとき、インピーダンス比が７０ｄＢ以上になることが確認された。
　図１７に、図２（ａ）に示す構造を有する高次モード弾性表面波デバイス１０の、インピーダンスの周波数特性を示す。圧電基板１１は、（０°，１２６．５°，０°）ＬｉＴａＯ３結晶である。すだれ状電極１２は、厚みが０．２λのＡｌ電極から構成され、圧電基板１１の表面から深さ０．２λまで埋め込まれている。すだれ状電極１２のメタライゼーション比は、０．８５である。
　図１７に示すように、０次モードの高次モードである１次モード、２次モード、３次モードが励振されていることが確認された。図４や図８に示すように、メタライゼーション比が０．５のときには、２次モードや３次モードはほとんど確認できないことから、メタライゼーション比を大きくすることにより、２次や３次などの高次モードが励振されると考えられる。
　図１７と同じ構造で、すだれ状電極１２の厚みを０．０５λ～０．５５λまで変化させたときの、すだれ状電極１２の厚みと０次～３次のモードの位相速度との関係、および、すだれ状電極１２の厚みと０次～３次のモードのインピーダンス比との関係を、図１８（ａ）および図１８（ｂ）に示す。図１８（ａ）に示すように、例えば、すだれ状電極１２の厚みが０．３λのとき、０次モードと比べて位相速度が約２．７倍の１次モード、４．７倍の２次モード、約６．９倍の３次モードの高次モードが励振されていることが確認された。また、このとき、図１８（ｂ）に示すように、インピーダンス比は、０次モードが４７ｄＢであるのに対し、１次モードが５７ｄＢ、２次モードが４０ｄＢ、３次モードが４５ｄＢであり、十分に使用可能なレベルであることが確認された。
　表１に図２（ｄ）に示す高次モード弾性表面波デバイス［溝電極／ＬｉＴａＯ３結晶あるいはＬｉＮｂＯ３結晶基板／支持基板］用の支持基板の密度、縦波音速、横波音速を示す。縦波音速は（（ｃ３３／密度）の平方根）、横波音速は（（ｃ４４／密度）の平方根）で表される。ここで、Ｃｉｊは弾性スチフネス定数である。横波音速に応じてＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅの５つにグループ分けしてある。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　図１９には、図２（ｄ）に示す高次モード弾性表面波デバイス［溝深さ０．２λのＣｕ電極（メタライゼーション比０．５）／（０°，１２６．５°，０°）ＬｉＴａＯ３結晶基板／支持基板］の、支持基板がｃサファイア、Ｓｉ、水晶、パイレックス（Ｐｙｒｅｘ）ガラス、鉛ガラスから構成されたときの、インピーダンス比のＬｉＴａＯ３結晶基板厚み依存性を示している。図中、白抜きの記号は、周波数特性の帯域内にリップルのない特性を示し、黒塗りの記号は、帯域内にリップルのある特性を示している。いずれの支持基板でも、ＬｉＴａＯ３結晶厚み２０波長以上では、支持基板のないＬｉＴａＯ３結晶基板だけの時のインピーダンス比６２ｄＢと一致するが、２０波長以下のＬｉＴａＯ３結晶厚におけるインピーダンス比はそれに比べ大きくなる。
　表１に示したＬｉＴａＯ３結晶の横波音速３６０４ｍ／ｓよりはるかに横波音速の遅い表１の横波音速２０００～３０００ｍ／ｓのグループＡの２４１４ｍ／ｓの鉛ガラスの場合は、ＬｉＴａＯ３結晶厚み０．２λ以上２０λ未満で帯域内リップルなく、６２ｄＢのインピーダンス比が、１０波長以下で６３ｄＢ以上のインピーダンス比が得られる。横波音速がＬｉＴａＯ３結晶よりはるかに速い、表１の横波音速６００１～８０００ｍ／ｓのＥグループの音速６０７３ｍ／ｓのサファイアの場合も、帯域内のリップルなしにＬｉＴａＯ３結晶厚み０．２λ以上２０λ未満で帯域内リップルなく、６２ｄＢ以上のインピーダンス比が、ＬｉＴａＯ３結晶厚み０．２λ以上１０λで、６３ｄＢ以上のインピーダンス比が得られる。
　しかし、横波がＬｉＴａＯ３結晶の横波音速に近い表１の横波音速３０００～４２２０ｍ／ｓのＢグループのパイレックスガラス、４２２０～５０００ｍ／ｓのＣグループの水晶、４２２０～５０００ｍ／ｓのＤグループのＳｉ基板の支持基板の場合はＬｉＴａＯ３結晶厚０．２λ以上２λ未満では帯域内にリップルが生じ、ＬｉＴａＯ３結晶厚２λから２０λ未満で、６２ｄＢ以上のインピーダンス比が得られ、ＬｉＴａＯ３結晶厚２λから１０λでは６４．５ｄＢ以上のインピーダンス比が得られる。
　図２０には、図２（ｄ）に示す高次モード弾性表面波デバイス［溝深さ０．２３λのＣｕ電極（メタライゼーション比０．５）／（０°，１１２°，０°）ＬｉＮｂＯ３結晶基板／支持基板］の、支持基板がｃサファイア、Ｓｉ、水晶、パイレックスガラス、鉛ガラスから構成されるときの、インピーダンス比のＬｉＴａＯ３結晶基板厚み依存性を示している。図中、白抜きの記号は、周波数特性の帯域内にリップルのない特性を示し、黒塗りの記号は、帯域内にリップルのある特性を示している。いずれの支持基板でも、ＬｉＮｂＯ３結晶厚み２０波長以上では、支持基板のないＬｉＮｂＯ３結晶基板だけの時のインピーダンス比６８ｄＢと一致するが、２０波長未満のＬｉＮｂＯ３結晶厚におけるインピーダンス比はそれに比べ大きくなる。
　表１に示したＬｉＴａＯ３結晶の横波音速３６０４ｍ／ｓよりはるかに横波音速の遅い表１のグループＡの横波音速２４１４ｍ／ｓの鉛ガラスの場合は、ＬｉＴａＯ３結晶厚み０．２λ以上２０λ未満で帯域内リップルなく、６８～８０ｄＢ以上のインピーダンス比が、１０波長以下で７１．５ｄＢ以上のインピーダンス比が得られる。表１のＣグループの横波音速６０７３ｍ／ｓとＬｉＴａＯ３結晶よりはるかに速いサファイアの場合も、帯域内のリップルなしにＬｉＴａＯ３結晶厚み０．２λ以上２０λ未満で帯域内リップルなく、６８～７１ｄＢのインピーダンス比が得られ、ＬｉＴａＯ３結晶厚１０波長以下で７０ｄＢ以上のインピーダンス比が得られる。
　しかし、横波がＬｉＴａＯ３結晶の横波音速に近い表１のＢ、Ｃ，Ｄグループの横波音速３０００～６０００ｍ／ｓのパイレックス（Ｐｙｒｅｘ）、水晶、Ｓｉの支持基板の場合は、ＬｉＴａＯ３結晶厚０．２λ以上２λ未満では帯域内にリップルが生じ、ＬｉＴａＯ３結晶厚２λから２０λ未満で、６８～７７ｄＢのインピーダンス比が、ＬｉＴａＯ３結晶厚２λから１０λ未満で、７１．５～７７ｄＢのインピーダンス比が得られる。
　なお、ＬｉＴａＯ３結晶やＬｉＮｂＯ３結晶の圧電板と支持基板との間にＳｉＯ２膜、ＳｉＯ膜、ＳｉＯＦなどＳｉＯ化合物膜などの薄膜がある場合は、その膜と下の支持基板との平均の横波音速と考える。圧電基板と支持基板の間にＳｉＯ２膜、ＳｉＯ化合物膜、あるいは音響多層膜が介在する場合でも、それらの２波長以内の音速の見かけ上の平均値が、表１のＡ，Ｂ，Ｃのいずれかのグループに属する音速で、圧電基板の最適膜厚は決定される。その場合、圧電基板に接する１層目の材料のウエイトを７０％とし、それ以降をすべて３０％とする。たとえば、１層目のＳｉＯ２膜（横波音速３５７２ｍ／ｓ）が０．５波長厚、サファイア（横波音速６０７３ｍ／ｓ）支持基板厚が１．５波長の場合は、（３５７２×０．５×０．７＋６０７３×１．５×０．３）＝３９８３ｍ／ｓとなり、グループＥで最適な基板厚のＬｉＴａＯ３結晶，ＬｉＮｂＯ３結晶基板を使用すれば良い。
　表２にＬｉＴａＯ３結晶とＬｉＮｂＯ３結晶の線膨張係数、およびＬｉＴａＯ３結晶やＬｉＮｂＯ３結晶より小さい代表的な基板の線膨張係数を示す。表２には、図２（ｄ）に示す高次モード弾性表面波デバイス［溝電極／圧電基板／支持基板］構造で用いられる各種支持基板の線膨張係数が示されている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　図２１に図２（ｄ）に示す高次モード弾性表面波デバイス［溝深さ０．３λのＡｌ電極（メタライゼーション比０．５）／（０°，１２６．５°，０°）ＬｉＴａＯ３結晶基板／支持基板］と溝深さ０．３λのＡｌ電極（メタライゼーション比０．５）／（０°，１１２°，０°）ＬｉＮｂＯ３結晶基板／支持基板］の周波数温度係数の、支持基板の線膨張係数ごとのＬｉＴａＯ３結晶およびＬｉＮｂＯ３結晶／支持基板依存性を示す。縦軸の周波数温度係数はＬｉＴａＯ３結晶あるいはＬｉＮｂＯ３結晶／支持基板を用いたときの温度１℃あたりの周波数変化率、すなわち（－２０から８０℃間における最大周波数変化量／（１００～２０℃における温度の最大変化量（この場合８０）））で表され、左と右の縦軸はそれぞれ、ＬｉＴａＯ３結晶基板、ＬｉＮｂＯ３結晶基板を用いたときの周波数温度係数である。横軸は支持基板と圧電基板の比、すなわち、（支持基板の厚み／ＬｉＴａＯ３結晶基板あるいはＬｉＮｂＯ３結晶基板厚）で表している。
　支持基板にのみＡｌの溝電極を設けたときの周波数温度係数はそれぞれ、－４５、－１００ｐｐｍ／℃であるが、線膨張係数０．５×１０－６／℃の支持基板を用いた場合、圧電基板／支持基板の厚み比が２．５以上でＬｉＴａＯ３結晶では、－２５ｐｐｍ／℃より、ＬｉＮｂＯ３結晶では－３５ｐｐｍ／℃より良好な周波数温度係数が得られる。線膨張係数３．３５×１０－６／℃の支持基板を用いた場合、圧電基板／支持基板の厚み比が４以上で、線膨張係数８．４×１０－６／℃の支持基板を用いた場合、圧電基板／支持基板の厚み比が６．７以上で、線膨張係数１０．４×１０－６／℃の支持基板を用いた場合、圧電基板／支持基板の厚み比が８以上でＬｉＴａＯ３結晶の場合、－２５ｐｐｍ／℃、ＬｉＮｂＯ３結晶の場合－３５ｐｐｍ／℃より良好な周波数温度係数が得られる。この線膨張係数αと圧電基板／支持基板の厚み比ＴＲとの関係は次の（２）式で表される。
　　ＴＲ＝α×０．５５×１０６　＋　２．１８　　　　　　　　　　（２）
　よって、（２）式で得られるＴＲより大きな圧電基板／支持基板の厚み比となる、圧電基板、支持基板を用いれば良い。圧電基板と支持基板の間にＳｉＯ２膜、ＳｉＯ化合膜、あるいは音響多層膜が介在する場合でも、厚みに応じた線膨張係数の平均値と、総厚みとからＴＲを計算すればよい。表２に示したＬｉＴａＯ３結晶やＬｉＮｂＯ３結晶より線膨張経緯数の小さい、１０．４×１０－６／℃以下の支持基板を使用するのが望ましく、それ以下の線膨張係数ならなお良い。
　１０　高次モード弾性表面波デバイス
　１１　圧電基板
　１２　すだれ状電極（ＩＤＴ）
　１３　薄膜
　１４　支持基板
　１５　多層膜

Claims (27)

  1. 　高次モード弾性表面波デバイスであって、
    　ＬｉＴａＯ３結晶又はＬｉＮｂＯ３結晶を含む圧電基板と、
    　前記圧電基板の表面に埋め込まれたすだれ状電極とを含み、
    　高次モードの弾性表面波を利用する高次モード弾性表面波デバイス。
  2. 　前記すだれ状電極は、前記圧電基板の表面と同一面ではないように形成された請求項１に記載の高次モード弾性表面波デバイス。
  3. 　前記圧電基板に接するよう設けられた薄膜又は基板を含む請求項１又は２に記載の高次モード弾性表面波デバイス。
  4. 　支持基板及び／又は多層膜をさらに含み、前記支持基板及び／又は前記多層膜は前記圧電基板の前記すだれ状電極が設けられた表面とは反対側の面に設けられた請求項１又は２に記載の高次モード弾性表面波デバイス。
  5. 　前記支持基板は、金属以外の材料を含む請求項４に記載の高次モード弾性表面波デバイス。
  6. 　前記支持基板は、Ｓｉ、水晶、サファイア、ガラス、石英、ゲルマニウム及びアルミナの少なくとも１つを含む請求項５に記載の高次モード弾性表面波デバイス。
  7. 　前記多層膜は、音響インピーダンスが異なる複数の層を積層した音響多層膜を含む請求項４乃至６のいずれか１項に記載の高次モード弾性表面波デバイス。
  8. 　前記すだれ状電極のメタライゼーション比は、０．４５以上である請求項１乃至７のいずれか１項に記載の高次モード弾性表面波デバイス。
  9. 　前記すだれ状電極のメタライゼーション比は、０．６３以上である請求項１乃至７のいずれか１項に記載の高次モード弾性表面波デバイス。
  10. 　前記圧電基板は、ＬｉＴａＯ３結晶を含み、前記すだれ状電極は、Ｔｉ，Ａｌ及びＭｇ合金の少なくとも１つを含み、前記圧電基板の表面から、前記弾性表面波の波長／メタライゼーション比が０．０７５～０．３の範囲にある深さまで埋め込まれている請求項１乃至９のいずれか１項に記載の高次モード弾性表面波デバイス。
  11. 　前記圧電基板は、ＬｉＴａＯ３結晶を含み、前記すだれ状電極は、Ａｇ，Ｍｏ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｐｔ，Ａｕ，Ｗ，Ｔａ及びＨｆの少なくとも１つを含み、前記圧電基板の表面から、前記弾性表面波の波長／メタライゼーション比が０．０８～０．３の範囲にある深さまで埋め込まれている請求項１乃至９のいずれか１項に記載の高次モード弾性表面波デバイス。
  12. 　前記圧電基板は、ＬｉＴａＯ３結晶を含み、前記すだれ状電極は、Ｔｉ，Ａｌ及びＭｇ合金の少なくとも１つを含み、前記圧電基板の表面から、前記弾性表面波の波長／メタライゼーション比が０．１１５～０．３の範囲にある深さまで埋め込まれている請求項１乃至９のいずれか１項に記載の高次モード弾性表面波デバイス。
  13. 　前記圧電基板は、ＬｉＴａＯ３結晶を含み、前記すだれ状電極は、Ａｇ，Ｍｏ，Ｃｕ及びＮｉの少なくとも１つを含み、前記圧電基板の表面から、前記弾性表面波の波長／メタライゼーション比が０．０９～０．３の範囲にある深さまで埋め込まれている請求項１乃至９のいずれか１項に記載の高次モード弾性表面波デバイス。
  14. 　前記圧電基板は、ＬｉＴａＯ３結晶を含み、前記すだれ状電極は、Ｐｔ，Ａｕ，Ｗ，Ｔａ及びＨｆの少なくとも１つを含み、前記圧電基板の表面から、前記弾性表面波の波長／メタライゼーション比が０．１２５～０．３の範囲にある深さまで埋め込まれている請求項１乃至９のいずれか１項に記載の高次モード弾性表面波デバイス。
  15. 　前記圧電基板は、ＬｉＮｂＯ３結晶を含み、前記すだれ状電極は、Ｔｉ，Ａｌ及びＭｇ合金の少なくとも１つを含み、前記圧電基板の表面から、前記弾性表面波の波長／メタライゼーション比が０．０７～０．３の範囲にある深さまで埋め込まれている請求項１乃至９のいずれか１項に記載の高次モード弾性表面波デバイス。
  16. 　前記圧電基板は、ＬｉＮｂＯ３結晶を含み、前記すだれ状電極は、Ａｇ，Ｍｏ，Ｃｕ及びＮｉの少なくとも１つを含み、前記圧電基板の表面から、前記弾性表面波の波長／メタライゼーション比が０．０６５～０．３の範囲にある深さまで埋め込まれている請求項１乃至９のいずれか１項に記載の高次モード弾性表面波デバイス。
  17. 　前記圧電基板は、ＬｉＮｂＯ３結晶を含み、前記すだれ状電極は、Ｐｔ，Ａｕ，Ｗ，Ｔａ及びＨｆの少なくとも１つを含み、前記圧電基板の表面から、前記弾性表面波の波長／メタライゼーション比が０．０７５～０．３の範囲にある深さまで埋め込まれている請求項１乃至９のいずれか１項に記載の高次モード弾性表面波デバイス。
  18. 　前記圧電基板は、ＬｉＮｂＯ３結晶を含み、前記すだれ状電極は、Ｔｉ，Ａｌ及びＭｇ合金の少なくとも１つを含み、前記圧電基板の表面から、前記弾性表面波の波長／メタライゼーション比が０．１０５～０．３の範囲にある深さまで埋め込まれている請求項１乃至９のいずれか１項に記載の高次モード弾性表面波デバイス。
  19. 　前記圧電基板は、ＬｉＮｂＯ３結晶を含み、前記すだれ状電極は、Ａｇ，Ｍｏ，Ｃｕ及びＮｉの少なくとも１つを含み、前記圧電基板の表面から、前記弾性表面波の波長／メタライゼーション比が０．０９～０．３の範囲にある深さまで埋め込まれている請求項１乃至９のいずれか１項に記載の高次モード弾性表面波デバイス。
  20. 　前記圧電基板は、ＬｉＮｂＯ３結晶を含み、前記すだれ状電極は、Ｐｔ，Ａｕ，Ｗ，Ｔａ及びＨｆの少なくとも１つを含み、前記圧電基板の表面から、前記弾性表面波の波長／メタライゼーション比が０．１１５～０．３の範囲にある深さまで埋め込まれている請求項１乃至９のいずれか１項に記載の高次モード弾性表面波デバイス。
  21. 　前記圧電基板は、ＬｉＴａＯ３結晶を含み、オイラー角が（０°±２０°、１１２°～１４０°、０°±５°）の範囲にあり、又はこれと結晶学的に等価なオイラー角である請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の高次モード弾性表面波デバイス。
  22. 　前記圧電基板は、ＬｉＴａＯ３結晶を含み、オイラー角が（０°±１０°、１２０°～１３２°、０°±５°）の範囲にあり、又はこれと結晶学的に等価なオイラー角である請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の高次モード弾性表面波デバイス。
  23. 　前記圧電基板は、ＬｉＮｂＯ３結晶を含み、オイラー角が（０°±２５°、７８°～１５３°、０°±５°）の範囲にあり、又はこれと結晶学的に等価なオイラー角である請求項１乃至９及び１５乃至２０のいずれか１項に記載の高次モード弾性表面波デバイス。
  24. 　前記圧電基板は、ＬｉＮｂＯ３結晶を含み、オイラー角が（０°±２０°、８７°～１４３°、０°±５°）の範囲にあり、又はこれと結晶学的に等価なオイラー角である請求項１乃至９及び１５乃至２０のいずれか１項に記載の高次モード弾性表面波デバイス。
  25. 　前記圧電基板の前記すだれ状電極が設けられた表面とは反対側の面に接するよう設けられた支持基板、薄膜及び多層膜の少なくとも１つを含み、支持基板の横波音速又は等価的な横波音速が２０００～３０００ｍ／ｓ又は６０００～８０００ｍ／ｓの範囲にあり、前記圧電基板の厚みは０．２波長から２０波長の範囲にある請求項１又は２に記載の高次モード弾性表面波デバイス。
  26. 　前記圧電基板の前記すだれ状電極が設けられた表面とは反対側の面に接するよう設けられた支持基板、薄膜及び多層膜の少なくとも１つを含み、支持基板の横波音速又は等価的な横波音速が３０００～６０００ｍ／ｓの範囲にあり、前記圧電基板の厚みは２波長から２０波長の範囲にある請求項１又は２に記載の高次モード弾性表面波デバイス。
  27. 　前記圧電基板の前記すだれ状電極が設けられた表面とは反対側の面に接するよう設けられた支持基板、薄膜及び多層膜の少なくとも１つを含み、支持基板の線膨張係数は１０．４×１０－６／℃以下であり、αを線膨張係数として、支持基板／圧電基板の厚みの比は、下記の（１）式で規定されたＴＲの値以上である請求項１又は２に記載の高次モード弾性表面波デバイス。
    　　ＴＲ＝α×０．５５×１０６　＋　２．１８　　　　　　（１）
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