弾性表面波デバイス
【課題】水晶基板上にＺｎＯ薄膜を形成することで表面に導波される縦波型漏洩弾性表面波を利用したＳＡＷデバイスにおいて更なる高周波化を図ると共に良好な特性を実現する。
【解決手段】オイラー角表示で（０，θ，０）の水晶基板１上にＩＤＴ２を形成し、該ＩＤＴ２を覆うようにＺｎＯ薄膜３を形成し、縦波型漏洩ＳＡＷを基板表面に励振させ、水晶基板１のカット角θを１２０°≦θ≦１４０°の範囲に設定し、且つ、縦波型漏洩ＳＡＷの波長λで規格化したＺｎＯ薄膜３の膜厚ＨをＨ≦０．０８λの範囲に設定することを特徴とする。
【解決手段】オイラー角表示で（０，θ，０）の水晶基板１上にＩＤＴ２を形成し、該ＩＤＴ２を覆うようにＺｎＯ薄膜３を形成し、縦波型漏洩ＳＡＷを基板表面に励振させ、水晶基板１のカット角θを１２０°≦θ≦１４０°の範囲に設定し、且つ、縦波型漏洩ＳＡＷの波長λで規格化したＺｎＯ薄膜３の膜厚ＨをＨ≦０．０８λの範囲に設定することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水晶基板上にＺｎＯ薄膜を形成することで表面に導波される縦波型漏洩弾性表面波を利用した弾性表面波デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
弾性表面波（Surface Acoustic Wave：以下、ＳＡＷ）デバイスは移動体通信分野で広く利用され、高性能、小型、量産性等の点で優れた特徴がある。近年、無線ＬＡＮやＶＩＣＳ（Vehicle Information and Communication System）に対応したカーナビゲーションシステムの普及の増大に伴い、これらの機器に用いられるＳＡＷデバイスにおいて高周波化が強く要求されている。
【０００３】
前記ＳＡＷデバイスの種類としては、ＳＡＷ共振子や、ＳＡＷ共振子を直列、並列、直列、と配置した梯子（ラダー）型ＳＡＷフィルタ、ＳＡＷ共振子をＳＡＷの伝搬方向（縦方向）に並べて縦共振モードを音響結合させた縦結合型多重モードＳＡＷフィルタ、ＳＡＷ共振子をＳＡＷの伝搬方向と垂直な方向（横方向）に並べて横共振モードを音響結合させた横結合型多重モードＳＡＷフィルタ、入出力用のＩＤＴを２つ近接配置したトランスバーサルＳＡＷフィルタ等があり、これらのＳＡＷデバイスでは励振波としてレイリー波を用いるのが一般的である。
【０００４】
図１６は、従来のレイリー波を用いたＳＡＷ共振子を示している。圧電基板５１上にＩＤＴ５２を配置すると共に、該ＩＤＴ５２の両側に反射器５４ａ、５４ｂを配置する。圧電基板５１には、ＳＴカット水晶基板が用いられ、ＩＤＴ５２及び反射器５４ａ、５４ｂはＡｌ又はＡｌを主成分とする合金から構成される。同図に示すように、励振波としてレイリー波を用いる場合、ＩＤＴ５２を励振したレイリー波を反射させて定在波を発生させるためには反射器５４ａ、５４bの電極本数を十分に多くしなければならない。従って、フィルタを設計する際には、反射器のスペースを十分確保する必要があるのでＳＡＷデバイスの小型化には不利であった。また、使用周波数が２ＧＨｚ帯以上の高周波に用いられるＳＡＷデバイスにおいては、ＩＤＴ５２の電極指幅及び電極指間隔を非常に狭く設計しなければならないので、製造歩留まりが悪いという問題があった。
【０００５】
この問題を解決すべく、特開昭６１−２２２３１２号には図１７に示すように圧電基板６１上に圧電薄膜６３を形成し、該圧電薄膜６３の表面にＩＤＴ６２を形成してなるＳＡＷ装置が開示されている。ここでは、圧電基板６１にＳＴカット９０°Ｘ伝搬水晶基板を用いることにより、レイリー波の約１．６倍の伝搬速度を有するＳＡＷを利用することができる旨が記載されている。通常のＳＴカット水晶基板におけるＳＡＷの伝搬速度は約３１００（ｍ／ｓ）であるから、約５０００（ｍ／ｓ）程度の伝搬速度が得られていることになる。
【０００６】
更に、特開平１０−２２４１７２号には、水晶基板と、該水晶基板上に形成された圧電薄膜と、該圧電薄膜に接するように形成されたＩＤＴとを備えたＳＡＷ装置において、レイリー波より音速の速い漏洩弾性表面波を利用したＳＡＷ装置が開示されている。そして、オイラー角表示で（０°，１１９°〜１６７°，９０°±５°）の水晶基板を用い、圧電薄膜の膜厚を励振される漏洩弾性表面波の波長λで規格化した値で０．０１λ〜０．１５λの範囲に設定することを特徴としてる。このような構成にすることで、高周波化に適し、良好な温度特性が得られ、且つ、電気機械結合係数が大きなＳＡＷ装置を提供できる旨が記載されている。
【０００７】
また、特開２００２−１５２０００号には、オイラー角表示で（０°，１２３°，０°）の水晶基板上にＺｎＯ薄膜とＩＤＴを形成した後にＳｉＯ２膜を形成して、レイリー波の高次モードであるセザワ波を利用したＳＡＷ素子が開示されている。該特許によれば、水晶基板上にＺｎＯ膜及びＳｉＯ２膜の２層の温度補正膜を設けることにより、周波数温度特性を著しく改善することができる旨が記載されている。
【特許文献１】特開昭６１−２２２３１２号公報
【特許文献２】特開平１０−２２４１７２号公報
【特許文献３】特開２００２−１５２０００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特開昭６１−２２２３１２号及び特開平１０−２２４１７２号に記載のＳＡＷ装置は、ＳＴカット９０°Ｘ伝搬水晶基板を用い、レイリー波の約１．６倍の約５０００（ｍ／ｓ）の伝搬速度を有するＳＨ波を主とした波を利用しているが、２ＧＨｚ帯以上の超高周波帯のデバイスに適用する場合は、伝搬速度がまだ低く、電極構造が微細となるので、製造バラツキが大きな問題となっていた。従って、更なる高周波化への対応が困難であった。
【０００９】
また、特開２００２−１５２０００号に記載のＳＡＷ装置においては、レイリー波の高次モードであるセザワ波を積極的に利用しているが、セザワ波の伝搬速度はレイリー波の高々１．５倍程度であるので更なる高周波化への対応が困難である。また、励振電極上にＳｉＯ２膜を形成するので伝搬損失が大きくなり、特性が劣化してしまう虞がある。
【００１０】
ところで、図１８はＳＴカット水晶基板を用いたＳＡＷデバイスの周波数特性を示したものであるが、レイリー波はＡに示すｆoに現れ、ｆoの約１．６倍のＢの位置に前記先行文献で使用している変位の主成分が基板面に平行（ＳＨ成分）である漏洩弾性表面波が現れる。更に、ｆOの約１．８倍のＣの位置に変位の主成分が基板面に垂直（ＳＶ成分）である漏洩弾性表面波（以下、縦波型漏洩ＳＡＷと称す）が現れる。この縦波型漏洩ＳＡＷを基本モードに利用できれば更なる高周波化が望めるが、その減衰の大きさから積極的に利用することが困難であり、これまで詳細な検討がされてこなかった。
【００１１】
そこで、本発明においては、水晶基板上にＺｎＯ薄膜を形成した弾性表面波デバイスにおいて、水晶基板のカット角とＺｎＯ膜厚を最適に設定することで縦波型漏洩ＳＡＷを利用し、高周波化を容易すると共に良好な特性を実現したＳＡＷデバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために本発明に係るＳＡＷデバイスの請求項１に記載の発明は、オイラー角表示で（０，θ，０）の水晶基板と、その上面に配置した少なくとも１つのＩＤＴと、前記水晶基板とＩＤＴの上面を覆うＺｎＯ薄膜とを備え、縦波型漏洩弾性表面波を利用した弾性表面波デバイスであって、前記水晶基板のカット角θは１２０°≦θ≦１４０°の範囲に設定され、且つ、縦波型漏洩弾性表面波の波長λで規格化した前記ＺｎＯ薄膜の膜厚ＨはＨ≦０．０８λの範囲に設定されていることを特徴としている。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、オイラー角表示で（０，θ，０）の水晶基板と、該水晶基板の上面を覆うＺｎＯ薄膜と、該ＺｎＯ薄膜の上面に配置した少なくとも１つのＩＤＴとを備え、縦波型漏洩弾性表面波を利用した弾性表面波デバイスであって、前記水晶基板のカット角θは１２０°≦θ≦１４０°の範囲に設定され、且つ、縦波型漏洩弾性表面波の波長λで規格化した前記ＺｎＯ薄膜の膜厚ＨはＨ≦０．０８λの範囲に設定されていることを特徴としている。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、前記水晶基板のカット角θは１２８±２°に設定され、且つ、縦波型漏洩弾性表面波の波長λで規格化した前記ＺｎＯ薄膜の膜厚Ｈは０．０６±０．０１λに設定されていることを特徴としている。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の弾性表面波デバイスは、前記ＺｎＯ薄膜の上面に導電膜が形成されていることを特徴としている。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項２に記載の弾性表面波デバイスは、前記水晶基板と前記ＺｎＯ薄膜の界面に導電膜が形成されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の請求項１に記載の発明によれば、水晶基板上に圧電薄膜とＩＤＴとを備えたＳＡＷデバイスにおいて、水晶基板のカット角θを１２０°≦θ≦１４０°とし、且つ、縦波型漏洩弾性表面波の波長λで規格化したＺｎＯ薄膜の膜厚ＨをＨ≦０．０８λとすることにより、レイリー波と比較して約１．８５倍もの高い伝搬速度が得られるので高周波化が容易であり、電気機械結合係数がレイリー波とほぼ同等であるので狭帯域なフィルタ等に適用でき、伝搬減衰が小さいので低損失な特性を実現できる。また、水晶基板とＺｎＯ薄膜の界面にＩＤＴを形成しているので、ＩＤＴに金属紛等の異物が付着するのを防止でき信頼性を向上できる。
【００１８】
本発明の請求項２に記載の発明によれば、請求項１の発明と同様な効果が得られ、高周波化を容易にでき、低損失な特性を実現できる。また、ＩＤＴがＺｎＯ薄膜の表面に形成されているので、工程後の周波数調整を容易に行うことができ量産性を向上できる。
【００１９】
本発明の請求項３に記載の発明によれば、水晶基板のカット角θを１２８±２°とし、且つ、縦波型漏洩弾性表面波の波長λで規格化したＺｎＯ薄膜の膜厚Ｈを０．０６±０．０１λとすることで伝搬減衰を零にでき、より低損失な特性を実現できる。
【００２０】
本発明の請求項４に記載の発明によれば、電気機械結合係数がレイリー波の場合と比較して１０倍以上あるので、広帯域なフィルタ等に適用できる。また、水晶基板とＺｎＯ薄膜の界面にＩＤＴを形成しているので、ＩＤＴに金属紛等の異物が付着するのを防止でき信頼性を向上できる。
【００２１】
本発明の請求項５に記載の発明によれば、水晶基板のカット角及びＺｎＯ薄膜の膜厚に関わらずパワーフロー角が零であり、伝搬方向以外に伝搬する不要表面波を抑圧することができるのでより低損失な特性を実現することができ、電気機械結合係数がレイリー波の場合と比較して１０倍以上あるので、広帯域なフィルタ等に適用できる。また、ＩＤＴがＺｎＯ薄膜の表面に形成されているので、工程後の周波数調整を容易に行うことができ量産性を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明を図面に図示した実施の形態例に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施例に係るＳＡＷデバイスであり、水晶基板１上にＩＤＴ２を形成し、該ＩＤＴ２を覆うように圧電薄膜３を形成した構造であって、縦波型漏洩ＳＡＷを利用したＳＡＷデバイスである。なお、水晶基板１はオイラー角表示で（０°，θ，０°）のカット角であり、圧電薄膜３はＺｎＯ膜で構成している、
【００２３】
図２は、前記ＳＡＷデバイスにおいて、水晶基板のカット角θを変化させた時の伝搬速度を（ａ）に、伝搬減衰を（ｂ）に、電気機械結合係数を（ｃ）にそれぞれシミュレーションから求めた値を示す。この時の圧電薄膜の膜厚Ｈは縦波型漏洩ＳＡＷの波長をλとした時に０．０６λに固定している。なお、本実施例以降に示すシミュレーションデータに関し、ｏｐｅｎは電極指を電気的に開放した時の特性を示し、ｓｈｏｒｔは電極指を電気的に短絡した時の特性を示している。このようにシミュレーションした理由は、ＩＤＴの電極部分は電気的に短絡状態であり、電極のない部分は電気的に開放状態であると考えられるので、計算結果の精度を高める為に短絡状態と開放状態を分けて検討した。
【００２４】
図２から分かるように、本実施例に係るＳＡＷデバイスの特徴は、縦波型漏洩ＳＡＷを導波し得るカット角の領域が１２０°〜１４０°程度と狭いことである。伝搬速度は（ａ）から平均で５７３０（ｍ／ｓ）程度あり、レイリー波の伝搬速度が約３１００（ｍ／ｓ）であるから約１．８５倍もの高い伝搬速度が得られていることがわかる。また、伝搬減衰は（ｂ）から１２０°〜１４０°の全ての範囲において０．０５（ｄＢ／λ）以下と小さく、特に１２８±２°において伝搬減衰がほぼ零になることが分かる。また、電気機械結合係数は（ｃ）から平均で０．００１程度であり、レイリー波と同等の電気機械結合係数が得られていることが分かる。
【００２５】
次に、ＺｎＯ膜厚を変化させた時の各種特性について調べた。図３は縦波型漏洩ＳＡＷの波長λで規格化したＺｎＯ膜厚Ｈを変化させた時の伝搬速度を（ａ）に、伝搬減衰を（ｂ）に、電気機械結合係数を（ｃ）に示している。なお、この時の水晶基板のカット角θは１２８°に固定している。
【００２６】
図３（ａ）より、ＺｎＯ膜厚を大きくすると伝搬速度は低下していき、ＺｎＯ膜厚を小さくすると伝搬速度がほぼ５７５０（ｍ／ｓ）に収束していくのが分かる。この収束値は縦波型漏洩ＳＡＷの音速に相当する。また、（ｂ）よりＺｎＯ膜厚が０．０８λ以下の範囲において伝搬減衰が０．０５（ｄＢ／λ）以下と小さく、特に０．０６±０．０１λでは伝搬減衰がほぼ零となることが分かる。一方で、ＺｎＯ膜厚を０．０８λより大きくすると伝搬減衰が増加していくことが分かる。また、（ｃ）からＺｎＯ膜厚を大きくすると電気機械結合係数が微増していく様子が分かる。
【００２７】
ここで、ＺｎＯ膜厚を０．０６±０．０１λとした時に伝搬減衰が零となる理由について調べた。図４の（ａ）〜（ｃ）はＺｎＯ膜厚を変化させた時の水晶基板の深さに対するＳＡＷの変位分布の絶対値を示す。ｕ１は伝搬方向への変位、ｕ２はＳＨ方向への変位、ｕ３はＳＶ方向への変位を表しており、ＳＡＷデバイスとした時に基板内部にバルク波として漏洩するＳＨ、ＳＶ成分を無くし、伝搬方向への変位のみを励振することができれば理想的と言える。
【００２８】
まず、図４（ａ）はＺｎＯ膜厚を０．０２λとした時の各種変位分布であるが、基板内部においても伝搬方向への変位｜ｕ１｜が存在しており、基板表面にエネルギーが集中できていない。また、基板内部に漏洩する｜ｕ２｜、｜ｕ３｜成分は基板表面から内部にかけて一定となっており、波が伝搬する際の妨げとなっている。次に、図４（ｂ）はＺｎＯ膜厚を０．０６λとした場合の各種変位分布であるが、伝搬方向への変位｜ｕ１｜は基板深さが大きくなるにつれ零に収束しており、基板表面にエネルギーが集中できている様子が分かる。また、基板表面において若干の｜ｕ２｜、｜ｕ３｜成分が含まれているものの基板内部にいくにつれてほぼ零となっている。そして、（ｃ）はＺｎＯ膜厚を０．１０λとした場合の各種変位分布であるが、基板表面において伝搬方向への変位｜ｕ１｜が最大になっておらず、また、（ｂ）と比較すると｜ｕ２｜、｜ｕ３｜成分の基板内部への漏洩が大きい。以上から、ＺｎＯ膜厚が０．０６λの時が最も基板表面にエネルギーが集中し、基板内部への漏洩が小さいことが判明した。これにより伝搬減衰が零になったと考えられる。
【００２９】
以上から、本実施例に係るＳＡＷデバイスにおいて、カット角θを１２０°≦θ≦１４０°、好ましくはθ＝１２８±２°に設定し、ＺｎＯ膜厚ＨをＨ≦０．０８λ、好ましくはＨ＝０．０６±０．０１λに設定することにより、高周波化が容易にでき、低損失なＳＡＷデバイスを実現することができることが判明した。
【００３０】
ところで、ＳＡＷは波動なので一般の波動現象で見られる回折効果が生じる。更に、ＳＡＷデバイスに用いられる圧電基板は異方性媒質なので、必ずしも伝搬方向に沿って波が伝搬する訳ではなく、ある方向に波が進んでいく場合が考えられる。その方向はパワーフロー角と呼ばれ、零であることが好ましい。
【００３１】
そこで、本実施例に係るＳＡＷデバイスのパワーフロー角について調べた。図５（a）は水晶基板のカット角θを変化させた時のパワーフロー角を示している。なお、この時のＺｎＯ膜厚は０．０６λに固定している。同図より、短絡状態ではパワーフロー角は常に零であるが、開放状態ではパワーフロー角を有することが分かる。また、図５（ｂ）はＺｎＯ膜厚を変化させた時のパワーフロー角を示している。なお、この時のカット角θは１２８°に固定している。同図より、短絡状態ではパワーフロー角は常に零であるが、開放状態では電極膜厚を大きくするほどパワーフロー角が大きくなる。ただし、開放状態でもＺｎＯ膜厚を０．０２λ以下とすればパワーフロー角をほぼ零にすることができる。
【００３２】
このように、本実施例に係るＳＡＷデバイスにおいて、条件によってはパワーフロー角を有する場合があり、伝搬方向以外に伝搬する不要表面波の為に伝搬減衰が劣化する虞がある。このような場合は、図６に示すようにパワーフロー角をＡ°とした時に水平線Ｘと電極指の先端を結んだ線Ｙとの角度がＡ°となるように電極指を形成すれば良い。このような形状にすることで伝搬減衰の劣化を抑えることができる。
【００３３】
次に、本発明の第２の実施例に係るＳＡＷデバイスについて説明する。図７は本発明の第２の実施例に係るＳＡＷデバイスであり、水晶基板１１上に圧電薄膜１３を形成し、該圧電薄膜１３の表面にＩＤＴ１２を形成した構造である。なお、水晶基板１１はオイラー角表示で（０°，θ，０°）であり、圧電薄膜１３はＺｎＯ膜で構成している。
【００３４】
図８は、前記ＳＡＷデバイスにおいて、水晶基板のカット角θを変化させた時の伝搬速度を（ａ）に、伝搬減衰を（ｂ）に、電気機械結合係数を（ｃ）に、パワーフロー角を（ｄ）に示している。なお、この時の圧電薄膜の膜厚Ｈは縦波型漏洩ＳＡＷの波長をλとした時に０．０６λに固定している。
【００３５】
図８から分かるように、本実施例に係るＳＡＷデバイスは第１の実施例と同様に縦波型漏洩ＳＡＷを導波し得るカット角の領域が約１２０°〜１４０°と狭い。また、（ａ）〜（ｃ）に示す伝搬速度、伝搬減衰、電気機械結合に関しても第１の実施例とほぼ同様の特性が得られたが、（ｄ）に示すパワーフロー角に関しては、短絡状態、開放状態でいずれもパワーフロー角が生じている点で第１の実施例と異なっている。
【００３６】
次に、ＺｎＯ膜厚を変化させた時の各種特性について調べた。図９は縦波型漏洩ＳＡＷの波長λで規格化したＺｎＯ膜厚Ｈを変化させた時の伝搬速度を（ａ）に、伝搬減衰を（ｂ）に、電気機械結合係数を（ｃ）に、パワーフロー角を（ｄ）に示している。なお、この時のカット角θは１２８°に固定している。
【００３７】
図９（ａ）、（ｂ）に示す伝搬速度、伝搬減衰は第１の実施例とほぼ同等の特性が得られた。また、（ｃ）に示す電気機械結合係数に関しては第１の実施例と比較してＺｎＯ膜厚に対する電気機械結合係数の増加率が若干大きいことが分かる。また、（ｄ）に示すパワーフロー角に関してはＺｎＯ膜厚を大きくすると、短絡状態においてもパワーフロー角が大幅に大きくなる点で第１の実施例と異なっている。
【００３８】
以上から、本実施例に係るＳＡＷデバイスにおいても、第１の実施例とほぼ同等の特性が得られることが判明し、高周波化を容易にでき、低損失な特性を実現することができる。ただし、パワーフロー角は第１の実施例と比較すると大きくなるので、図６のような電極構造にするのが望ましい。
【００３９】
次に、本発明の第３の実施例に係るＳＡＷデバイスについて説明する。図１０は本発明の第３の実施例に係るＳＡＷデバイスを示した図であり、水晶基板２１と圧電薄膜２３の界面にＩＤＴ２２を形成し、更に圧電薄膜２３の上面に導電膜２４を形成している。なお、水晶基板２１はオイラー角表示で（０°，θ，０°）であり、圧電薄膜２３はＺｎＯ膜で構成している。
【００４０】
図１１は、前記ＳＡＷデバイスにおいて、水晶基板のカット角θを変化させた時の伝搬速度を（ａ）に、伝搬減衰を（ｂ）に、電気機械結合係数を（ｃ）に、パワーフロー角を（ｄ）に示している。なお、この時の圧電薄膜の膜厚Ｈは縦波型漏洩ＳＡＷの波長をλとした時に０．０６λに固定している。
【００４１】
図１１から分かるように、本実施例に係るＳＡＷデバイスの特徴は縦波型漏洩ＳＡＷを導波し得るカット角の範囲が第１及び第２の実施例の構造と比較して広く、少なくとも１００°〜１６０°の範囲において導波可能である。伝搬速度は、（ａ）に示すように開放状態と短絡状態とで差があり、両者を平均すると５７００（ｍ／ｓ）程度の伝搬速度を有していることが分かる。伝搬減衰は、（ｂ）に示すように１２０°≦θ≦１４０°の範囲内で極小値を取り、θ＝１２８±２°付近で零となる。また、電気機械結合係数は、（ｃ）に示すように開放状態で最大０．０１７、短絡状態で最大０．０２２もの値が得られていることが分かる。これはレイリー波の１０倍以上の電気機械結合係数ということになる。そして、パワーフロー角は（ｄ）に示すように短絡状態では零であるが、開放状態においてはθ＝１１５°付近を除くカット角でパワーフロー角が生じることが分かる。
【００４２】
次に、ＺｎＯ膜厚を変化させた時の各種特性について調べた。図１２は縦波型漏洩ＳＡＷの波長λで規格化したＺｎＯ膜厚Ｈを変化させた時の伝搬速度を（ａ）に、伝搬減衰を（ｂ）に、電気機械結合係数を（ｃ）に、パワーフロー角を（ｄ）にを示している。なお、この時のカット角θは１２８°に固定している。
【００４３】
図１２（ａ）より、ＺｎＯ膜厚を大きくすると伝搬速度は低下していき、ＺｎＯ膜厚を小さくすると伝搬速度がほぼ５７５０（ｍ／ｓ）に収束していくのが分かる。また、（ｂ）よりＺｎＯ膜厚が０．０８λ以下の範囲において伝搬減衰が０．０５（ｄＢ／λ）以下と小さく、特に０．０６±０．０１λ付近では伝搬減衰が零になることが分かる。一方で、ＺｎＯ膜厚を０．０８λより大きくすると伝搬減衰が増加していくことが分かる。また、（ｃ）より電気機械結合係数に関しては、第１及び第２の実施例と比較してＺｎＯ膜厚に対する電気機械結合係数の増加率が非常に大きいことが分かる。また、パワーフロー角に関しては、（ｄ）より開放状態ではＺｎＯ膜厚に関わらず常に零であるが、短絡状態では電極膜厚を大きくするほどパワーフロー角が大きくなることが分かる。
【００４４】
以上から、本実施例に係るＳＡＷデバイスは、第１の実施例と比較して縦波型漏洩ＳＡＷを導波できるカット角の範囲が１００°〜１６０°と広く、カット角θを１２０°≦θ≦１４０°、好ましくはθ＝１２８±２°に設定し、且つ、ＺｎＯ膜厚ＨをＨ／λ≦０．０８λ、好ましくはＨ＝０．０６±０．０１λに設定することにより、低損失な特性を実現でき、また、電気機械結合係数がレイリー波の１０倍以上であるので広帯域のフィルタ等に適用可能である。ただし、パワーフロー角を有するので図６のような電極構造にするのが望ましい。
【００４５】
次に、本発明の第４の実施例に係るＳＡＷデバイスについて説明する。図１３は本発明の第４の実施例に係るＳＡＷデバイスであり、水晶基板３１と圧電薄膜３３の界面に導電膜３４を形成し、圧電薄膜３３の表面にＩＤＴ３２を形成している。なお、水晶基板３１はオイラー角表示で（０°，θ，０°）であり、圧電薄膜３３はＺｎＯ膜で構成している。
【００４６】
図１４は、前記ＳＡＷデバイスにおいて、前記水晶基板のカット角θを変化させた時の伝搬速度を（ａ）に、伝搬減衰を（ｂ）に、電気機械結合係数を（ｃ）に、パワーフロー角を（ｄ）に示している。また、この時の圧電薄膜の膜厚Ｈは縦波型漏洩ＳＡＷの波長をλとした時に０．０６λに固定している。
【００４７】
図１４から分かるように、本実施例に係るＳＡＷデバイスは第３の実施例と同様に縦波型漏洩ＳＡＷを導波し得るカット角の範囲が広く、少なくとも１００°〜１６０°の範囲で導波可能である。また、（ａ）〜（ｃ）に示す伝搬速度、伝搬減衰、電気機械結合は、第３の実施例とほぼ同様の特性が得られたが、（ｄ）に示すパワーフロー角に関しては、短絡状態、開放状態共にカット角θを変化させても常にパワーフロー角が零である点で第３の実施例と異なっている。
【００４８】
次に、ＺｎＯ膜厚を変化させた時の各種特性について調べた。図１５は縦波型漏洩ＳＡＷの波長λで規格化したＺｎＯ膜厚Ｈを変化させた時の伝搬速度を（ａ）に、伝搬減衰を（ｂ）に、電気機械結合係数を（ｃ）に、パワーフロー角を（ｄ）に示している。なお、この時のカット角θは１２８°に固定している。
【００４９】
図１５（ａ）〜（ｃ）に示す伝搬速度、伝搬減衰、電気機械結合係数に関しては第３の実施例とほぼ同等の特性が得られたが、（ｄ）に示すパワーフロー角に関しては、短絡状態、開放状態共にＺｎＯ膜厚を変化させても常にパワーフロー角が零である点で第３の実施例と異なっている。
【００５０】
以上から、本実施例に係るＳＡＷデバイスは、第３の実施例とほぼ同等の特性が得られることが分かり、高周波化を容易にでき、低損失で広帯域な特性を実現することができる。更に、カット角、ＺｎＯ膜厚に関わらずパワーフロー角が零であるので、伝搬方向以外に伝搬する不要表面波を抑圧でき、極めて低損失な特性を提供することができる。
【００５１】
前述の第１及び第３の実施例に係るＳＡＷデバイスにおいては、水晶基板と圧電薄膜の界面にＩＤＴを形成しているので、ＩＤＴに金属紛等の異物が付着するのを防止でき信頼性を向上できる。また、第２及び第４の実施例に係るＳＡＷデバイスにおいては、ＩＤＴが表面に形成されているので工程後の周波数調整を容易に行うことができ量産性を向上できる。
【００５２】
前記ＩＤＴ及び前記導電膜の材料については、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｗ、Ｔａ又はそれらを主成分とした合金とするのが好ましい。また、本発明に係るＳＡＷデバイスは、ＳＡＷ共振子や、ＳＡＷ共振子を直列、並列、直列、と配置した梯子（ラダー）型ＳＡＷフィルタ、ＳＡＷ共振子をＳＡＷの伝搬方向（縦方向）に並べて縦共振モードを音響結合させた縦結合型多重モードＳＡＷフィルタ、ＳＡＷ共振子をＳＡＷの伝搬方向と垂直な方向（横方向）に並べて横共振モードを音響結合させた横結合型多重モードＳＡＷフィルタ、入出力用のＩＤＴを２つ近接配置したトランスバーサルＳＡＷフィルタ等に応用できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の第１の実施例に係るＳＡＷデバイスの断面図を示す。
【図２】本発明の第１の実施例に係るＳＡＷデバイスのカット角θを変化させた時の伝搬速度を（ａ）に、伝搬減衰を（ｂ）に、電気機械結合係数を（ｃ）に示す。
【図３】本発明の第１の実施例に係るＳＡＷデバイスのＺｎＯ膜厚Ｈを変化させた時の伝搬速度を（ａ）に、伝搬減衰を（ｂ）に、電気機械結合係数を（ｃ）に示す。
【図４】本発明の第１の実施例に係るＳＡＷデバイスのＳＡＷ変位分布を示す図であり、（ａ）はＺｎＯ膜厚０．０２λとした時、（ｂ）はＺｎＯ膜厚０．０６λとした時、（ｃ）はＺｎＯ膜厚０．１０λとした時の変位分布である。
【図５】本発明の第１の実施例に係るＳＡＷデバイスのカット角θを変化させた時のパワーフロー角を（ａ）に、ＺｎＯ膜厚を変化させた時のパワーフロー角を（ｂ）に示す。
【図６】本発明に係るＳＡＷデバイスの別の電極構造を示す。
【図７】本発明の第２の実施例に係るＳＡＷデバイスの断面図を示す。
【図８】本発明の第２の実施例に係るＳＡＷデバイスのカット角θを変化させた時の伝搬速度を（ａ）に、伝搬減衰を（ｂ）に、電気機械結合係数を（ｃ）、パワーフロー角を（ｄ）に示す。
【図９】本発明の第１の実施例に係るＳＡＷデバイスのＺｎＯ膜厚Ｈを変化させた時の伝搬速度を（ａ）に、伝搬減衰を（ｂ）に、電気機械結合係数を（ｃ）に、パワーフロー角を（ｄ）に示す。
【図１０】本発明の第３の実施例に係るＳＡＷデバイスの断面図を示す。
【図１１】本発明の第３の実施例に係るＳＡＷデバイスのカット角θを変化させた時の伝搬速度を（ａ）に、伝搬減衰を（ｂ）に、電気機械結合係数を（ｃ）、パワーフロー角を（ｄ）に示す。
【図１２】本発明の第３の実施例に係るＳＡＷデバイスのＺｎＯ膜厚Ｈを変化させた時の伝搬速度を（ａ）に、伝搬減衰を（ｂ）に、電気機械結合係数を（ｃ）に、パワーフロー角を（ｄ）に示す。
【図１３】本発明の第４の実施例に係るＳＡＷデバイスの断面図を示す。
【図１４】本発明の第４の実施例に係るＳＡＷデバイスのカット角θを変化させた時の伝搬速度を（ａ）に、伝搬減衰を（ｂ）に、電気機械結合係数を（ｃ）、パワーフロー角を（ｄ）に示す。
【図１５】本発明の第４の実施例に係るＳＡＷデバイスのＺｎＯ膜厚Ｈを変化させた時の伝搬速度を（ａ）に、伝搬減衰を（ｂ）に、電気機械結合係数を（ｃ）に、パワーフロー角を（ｄ）に示す。
【図１６】従来のレイリー波を用いたＳＡＷ共振子の平面図を示す。
【図１７】従来の圧電薄膜を用いたＳＡＷデバイスの断面図を示す。
【図１８】ＳＴカット水晶基板を用いたＳＡＷデバイスの周波数特性を示す。
【符号の説明】
【００５４】
３１：水晶基板
３２：ＩＤＴ
３３：圧電薄膜（ＺｎＯ薄膜）
２４、３４：導電膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は水晶基板上にＺｎＯ薄膜を形成することで表面に導波される縦波型漏洩弾性表面波を利用した弾性表面波デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
弾性表面波（Surface Acoustic Wave：以下、ＳＡＷ）デバイスは移動体通信分野で広く利用され、高性能、小型、量産性等の点で優れた特徴がある。近年、無線ＬＡＮやＶＩＣＳ（Vehicle Information and Communication System）に対応したカーナビゲーションシステムの普及の増大に伴い、これらの機器に用いられるＳＡＷデバイスにおいて高周波化が強く要求されている。
【０００３】
前記ＳＡＷデバイスの種類としては、ＳＡＷ共振子や、ＳＡＷ共振子を直列、並列、直列、と配置した梯子（ラダー）型ＳＡＷフィルタ、ＳＡＷ共振子をＳＡＷの伝搬方向（縦方向）に並べて縦共振モードを音響結合させた縦結合型多重モードＳＡＷフィルタ、ＳＡＷ共振子をＳＡＷの伝搬方向と垂直な方向（横方向）に並べて横共振モードを音響結合させた横結合型多重モードＳＡＷフィルタ、入出力用のＩＤＴを２つ近接配置したトランスバーサルＳＡＷフィルタ等があり、これらのＳＡＷデバイスでは励振波としてレイリー波を用いるのが一般的である。
【０００４】
図１６は、従来のレイリー波を用いたＳＡＷ共振子を示している。圧電基板５１上にＩＤＴ５２を配置すると共に、該ＩＤＴ５２の両側に反射器５４ａ、５４ｂを配置する。圧電基板５１には、ＳＴカット水晶基板が用いられ、ＩＤＴ５２及び反射器５４ａ、５４ｂはＡｌ又はＡｌを主成分とする合金から構成される。同図に示すように、励振波としてレイリー波を用いる場合、ＩＤＴ５２を励振したレイリー波を反射させて定在波を発生させるためには反射器５４ａ、５４bの電極本数を十分に多くしなければならない。従って、フィルタを設計する際には、反射器のスペースを十分確保する必要があるのでＳＡＷデバイスの小型化には不利であった。また、使用周波数が２ＧＨｚ帯以上の高周波に用いられるＳＡＷデバイスにおいては、ＩＤＴ５２の電極指幅及び電極指間隔を非常に狭く設計しなければならないので、製造歩留まりが悪いという問題があった。
【０００５】
この問題を解決すべく、特開昭６１−２２２３１２号には図１７に示すように圧電基板６１上に圧電薄膜６３を形成し、該圧電薄膜６３の表面にＩＤＴ６２を形成してなるＳＡＷ装置が開示されている。ここでは、圧電基板６１にＳＴカット９０°Ｘ伝搬水晶基板を用いることにより、レイリー波の約１．６倍の伝搬速度を有するＳＡＷを利用することができる旨が記載されている。通常のＳＴカット水晶基板におけるＳＡＷの伝搬速度は約３１００（ｍ／ｓ）であるから、約５０００（ｍ／ｓ）程度の伝搬速度が得られていることになる。
【０００６】
更に、特開平１０−２２４１７２号には、水晶基板と、該水晶基板上に形成された圧電薄膜と、該圧電薄膜に接するように形成されたＩＤＴとを備えたＳＡＷ装置において、レイリー波より音速の速い漏洩弾性表面波を利用したＳＡＷ装置が開示されている。そして、オイラー角表示で（０°，１１９°〜１６７°，９０°±５°）の水晶基板を用い、圧電薄膜の膜厚を励振される漏洩弾性表面波の波長λで規格化した値で０．０１λ〜０．１５λの範囲に設定することを特徴としてる。このような構成にすることで、高周波化に適し、良好な温度特性が得られ、且つ、電気機械結合係数が大きなＳＡＷ装置を提供できる旨が記載されている。
【０００７】
また、特開２００２−１５２０００号には、オイラー角表示で（０°，１２３°，０°）の水晶基板上にＺｎＯ薄膜とＩＤＴを形成した後にＳｉＯ２膜を形成して、レイリー波の高次モードであるセザワ波を利用したＳＡＷ素子が開示されている。該特許によれば、水晶基板上にＺｎＯ膜及びＳｉＯ２膜の２層の温度補正膜を設けることにより、周波数温度特性を著しく改善することができる旨が記載されている。
【特許文献１】特開昭６１−２２２３１２号公報
【特許文献２】特開平１０−２２４１７２号公報
【特許文献３】特開２００２−１５２０００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特開昭６１−２２２３１２号及び特開平１０−２２４１７２号に記載のＳＡＷ装置は、ＳＴカット９０°Ｘ伝搬水晶基板を用い、レイリー波の約１．６倍の約５０００（ｍ／ｓ）の伝搬速度を有するＳＨ波を主とした波を利用しているが、２ＧＨｚ帯以上の超高周波帯のデバイスに適用する場合は、伝搬速度がまだ低く、電極構造が微細となるので、製造バラツキが大きな問題となっていた。従って、更なる高周波化への対応が困難であった。
【０００９】
また、特開２００２−１５２０００号に記載のＳＡＷ装置においては、レイリー波の高次モードであるセザワ波を積極的に利用しているが、セザワ波の伝搬速度はレイリー波の高々１．５倍程度であるので更なる高周波化への対応が困難である。また、励振電極上にＳｉＯ２膜を形成するので伝搬損失が大きくなり、特性が劣化してしまう虞がある。
【００１０】
ところで、図１８はＳＴカット水晶基板を用いたＳＡＷデバイスの周波数特性を示したものであるが、レイリー波はＡに示すｆoに現れ、ｆoの約１．６倍のＢの位置に前記先行文献で使用している変位の主成分が基板面に平行（ＳＨ成分）である漏洩弾性表面波が現れる。更に、ｆOの約１．８倍のＣの位置に変位の主成分が基板面に垂直（ＳＶ成分）である漏洩弾性表面波（以下、縦波型漏洩ＳＡＷと称す）が現れる。この縦波型漏洩ＳＡＷを基本モードに利用できれば更なる高周波化が望めるが、その減衰の大きさから積極的に利用することが困難であり、これまで詳細な検討がされてこなかった。
【００１１】
そこで、本発明においては、水晶基板上にＺｎＯ薄膜を形成した弾性表面波デバイスにおいて、水晶基板のカット角とＺｎＯ膜厚を最適に設定することで縦波型漏洩ＳＡＷを利用し、高周波化を容易すると共に良好な特性を実現したＳＡＷデバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために本発明に係るＳＡＷデバイスの請求項１に記載の発明は、オイラー角表示で（０，θ，０）の水晶基板と、その上面に配置した少なくとも１つのＩＤＴと、前記水晶基板とＩＤＴの上面を覆うＺｎＯ薄膜とを備え、縦波型漏洩弾性表面波を利用した弾性表面波デバイスであって、前記水晶基板のカット角θは１２０°≦θ≦１４０°の範囲に設定され、且つ、縦波型漏洩弾性表面波の波長λで規格化した前記ＺｎＯ薄膜の膜厚ＨはＨ≦０．０８λの範囲に設定されていることを特徴としている。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、オイラー角表示で（０，θ，０）の水晶基板と、該水晶基板の上面を覆うＺｎＯ薄膜と、該ＺｎＯ薄膜の上面に配置した少なくとも１つのＩＤＴとを備え、縦波型漏洩弾性表面波を利用した弾性表面波デバイスであって、前記水晶基板のカット角θは１２０°≦θ≦１４０°の範囲に設定され、且つ、縦波型漏洩弾性表面波の波長λで規格化した前記ＺｎＯ薄膜の膜厚ＨはＨ≦０．０８λの範囲に設定されていることを特徴としている。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、前記水晶基板のカット角θは１２８±２°に設定され、且つ、縦波型漏洩弾性表面波の波長λで規格化した前記ＺｎＯ薄膜の膜厚Ｈは０．０６±０．０１λに設定されていることを特徴としている。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の弾性表面波デバイスは、前記ＺｎＯ薄膜の上面に導電膜が形成されていることを特徴としている。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項２に記載の弾性表面波デバイスは、前記水晶基板と前記ＺｎＯ薄膜の界面に導電膜が形成されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の請求項１に記載の発明によれば、水晶基板上に圧電薄膜とＩＤＴとを備えたＳＡＷデバイスにおいて、水晶基板のカット角θを１２０°≦θ≦１４０°とし、且つ、縦波型漏洩弾性表面波の波長λで規格化したＺｎＯ薄膜の膜厚ＨをＨ≦０．０８λとすることにより、レイリー波と比較して約１．８５倍もの高い伝搬速度が得られるので高周波化が容易であり、電気機械結合係数がレイリー波とほぼ同等であるので狭帯域なフィルタ等に適用でき、伝搬減衰が小さいので低損失な特性を実現できる。また、水晶基板とＺｎＯ薄膜の界面にＩＤＴを形成しているので、ＩＤＴに金属紛等の異物が付着するのを防止でき信頼性を向上できる。
【００１８】
本発明の請求項２に記載の発明によれば、請求項１の発明と同様な効果が得られ、高周波化を容易にでき、低損失な特性を実現できる。また、ＩＤＴがＺｎＯ薄膜の表面に形成されているので、工程後の周波数調整を容易に行うことができ量産性を向上できる。
【００１９】
本発明の請求項３に記載の発明によれば、水晶基板のカット角θを１２８±２°とし、且つ、縦波型漏洩弾性表面波の波長λで規格化したＺｎＯ薄膜の膜厚Ｈを０．０６±０．０１λとすることで伝搬減衰を零にでき、より低損失な特性を実現できる。
【００２０】
本発明の請求項４に記載の発明によれば、電気機械結合係数がレイリー波の場合と比較して１０倍以上あるので、広帯域なフィルタ等に適用できる。また、水晶基板とＺｎＯ薄膜の界面にＩＤＴを形成しているので、ＩＤＴに金属紛等の異物が付着するのを防止でき信頼性を向上できる。
【００２１】
本発明の請求項５に記載の発明によれば、水晶基板のカット角及びＺｎＯ薄膜の膜厚に関わらずパワーフロー角が零であり、伝搬方向以外に伝搬する不要表面波を抑圧することができるのでより低損失な特性を実現することができ、電気機械結合係数がレイリー波の場合と比較して１０倍以上あるので、広帯域なフィルタ等に適用できる。また、ＩＤＴがＺｎＯ薄膜の表面に形成されているので、工程後の周波数調整を容易に行うことができ量産性を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明を図面に図示した実施の形態例に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施例に係るＳＡＷデバイスであり、水晶基板１上にＩＤＴ２を形成し、該ＩＤＴ２を覆うように圧電薄膜３を形成した構造であって、縦波型漏洩ＳＡＷを利用したＳＡＷデバイスである。なお、水晶基板１はオイラー角表示で（０°，θ，０°）のカット角であり、圧電薄膜３はＺｎＯ膜で構成している、
【００２３】
図２は、前記ＳＡＷデバイスにおいて、水晶基板のカット角θを変化させた時の伝搬速度を（ａ）に、伝搬減衰を（ｂ）に、電気機械結合係数を（ｃ）にそれぞれシミュレーションから求めた値を示す。この時の圧電薄膜の膜厚Ｈは縦波型漏洩ＳＡＷの波長をλとした時に０．０６λに固定している。なお、本実施例以降に示すシミュレーションデータに関し、ｏｐｅｎは電極指を電気的に開放した時の特性を示し、ｓｈｏｒｔは電極指を電気的に短絡した時の特性を示している。このようにシミュレーションした理由は、ＩＤＴの電極部分は電気的に短絡状態であり、電極のない部分は電気的に開放状態であると考えられるので、計算結果の精度を高める為に短絡状態と開放状態を分けて検討した。
【００２４】
図２から分かるように、本実施例に係るＳＡＷデバイスの特徴は、縦波型漏洩ＳＡＷを導波し得るカット角の領域が１２０°〜１４０°程度と狭いことである。伝搬速度は（ａ）から平均で５７３０（ｍ／ｓ）程度あり、レイリー波の伝搬速度が約３１００（ｍ／ｓ）であるから約１．８５倍もの高い伝搬速度が得られていることがわかる。また、伝搬減衰は（ｂ）から１２０°〜１４０°の全ての範囲において０．０５（ｄＢ／λ）以下と小さく、特に１２８±２°において伝搬減衰がほぼ零になることが分かる。また、電気機械結合係数は（ｃ）から平均で０．００１程度であり、レイリー波と同等の電気機械結合係数が得られていることが分かる。
【００２５】
次に、ＺｎＯ膜厚を変化させた時の各種特性について調べた。図３は縦波型漏洩ＳＡＷの波長λで規格化したＺｎＯ膜厚Ｈを変化させた時の伝搬速度を（ａ）に、伝搬減衰を（ｂ）に、電気機械結合係数を（ｃ）に示している。なお、この時の水晶基板のカット角θは１２８°に固定している。
【００２６】
図３（ａ）より、ＺｎＯ膜厚を大きくすると伝搬速度は低下していき、ＺｎＯ膜厚を小さくすると伝搬速度がほぼ５７５０（ｍ／ｓ）に収束していくのが分かる。この収束値は縦波型漏洩ＳＡＷの音速に相当する。また、（ｂ）よりＺｎＯ膜厚が０．０８λ以下の範囲において伝搬減衰が０．０５（ｄＢ／λ）以下と小さく、特に０．０６±０．０１λでは伝搬減衰がほぼ零となることが分かる。一方で、ＺｎＯ膜厚を０．０８λより大きくすると伝搬減衰が増加していくことが分かる。また、（ｃ）からＺｎＯ膜厚を大きくすると電気機械結合係数が微増していく様子が分かる。
【００２７】
ここで、ＺｎＯ膜厚を０．０６±０．０１λとした時に伝搬減衰が零となる理由について調べた。図４の（ａ）〜（ｃ）はＺｎＯ膜厚を変化させた時の水晶基板の深さに対するＳＡＷの変位分布の絶対値を示す。ｕ１は伝搬方向への変位、ｕ２はＳＨ方向への変位、ｕ３はＳＶ方向への変位を表しており、ＳＡＷデバイスとした時に基板内部にバルク波として漏洩するＳＨ、ＳＶ成分を無くし、伝搬方向への変位のみを励振することができれば理想的と言える。
【００２８】
まず、図４（ａ）はＺｎＯ膜厚を０．０２λとした時の各種変位分布であるが、基板内部においても伝搬方向への変位｜ｕ１｜が存在しており、基板表面にエネルギーが集中できていない。また、基板内部に漏洩する｜ｕ２｜、｜ｕ３｜成分は基板表面から内部にかけて一定となっており、波が伝搬する際の妨げとなっている。次に、図４（ｂ）はＺｎＯ膜厚を０．０６λとした場合の各種変位分布であるが、伝搬方向への変位｜ｕ１｜は基板深さが大きくなるにつれ零に収束しており、基板表面にエネルギーが集中できている様子が分かる。また、基板表面において若干の｜ｕ２｜、｜ｕ３｜成分が含まれているものの基板内部にいくにつれてほぼ零となっている。そして、（ｃ）はＺｎＯ膜厚を０．１０λとした場合の各種変位分布であるが、基板表面において伝搬方向への変位｜ｕ１｜が最大になっておらず、また、（ｂ）と比較すると｜ｕ２｜、｜ｕ３｜成分の基板内部への漏洩が大きい。以上から、ＺｎＯ膜厚が０．０６λの時が最も基板表面にエネルギーが集中し、基板内部への漏洩が小さいことが判明した。これにより伝搬減衰が零になったと考えられる。
【００２９】
以上から、本実施例に係るＳＡＷデバイスにおいて、カット角θを１２０°≦θ≦１４０°、好ましくはθ＝１２８±２°に設定し、ＺｎＯ膜厚ＨをＨ≦０．０８λ、好ましくはＨ＝０．０６±０．０１λに設定することにより、高周波化が容易にでき、低損失なＳＡＷデバイスを実現することができることが判明した。
【００３０】
ところで、ＳＡＷは波動なので一般の波動現象で見られる回折効果が生じる。更に、ＳＡＷデバイスに用いられる圧電基板は異方性媒質なので、必ずしも伝搬方向に沿って波が伝搬する訳ではなく、ある方向に波が進んでいく場合が考えられる。その方向はパワーフロー角と呼ばれ、零であることが好ましい。
【００３１】
そこで、本実施例に係るＳＡＷデバイスのパワーフロー角について調べた。図５（a）は水晶基板のカット角θを変化させた時のパワーフロー角を示している。なお、この時のＺｎＯ膜厚は０．０６λに固定している。同図より、短絡状態ではパワーフロー角は常に零であるが、開放状態ではパワーフロー角を有することが分かる。また、図５（ｂ）はＺｎＯ膜厚を変化させた時のパワーフロー角を示している。なお、この時のカット角θは１２８°に固定している。同図より、短絡状態ではパワーフロー角は常に零であるが、開放状態では電極膜厚を大きくするほどパワーフロー角が大きくなる。ただし、開放状態でもＺｎＯ膜厚を０．０２λ以下とすればパワーフロー角をほぼ零にすることができる。
【００３２】
このように、本実施例に係るＳＡＷデバイスにおいて、条件によってはパワーフロー角を有する場合があり、伝搬方向以外に伝搬する不要表面波の為に伝搬減衰が劣化する虞がある。このような場合は、図６に示すようにパワーフロー角をＡ°とした時に水平線Ｘと電極指の先端を結んだ線Ｙとの角度がＡ°となるように電極指を形成すれば良い。このような形状にすることで伝搬減衰の劣化を抑えることができる。
【００３３】
次に、本発明の第２の実施例に係るＳＡＷデバイスについて説明する。図７は本発明の第２の実施例に係るＳＡＷデバイスであり、水晶基板１１上に圧電薄膜１３を形成し、該圧電薄膜１３の表面にＩＤＴ１２を形成した構造である。なお、水晶基板１１はオイラー角表示で（０°，θ，０°）であり、圧電薄膜１３はＺｎＯ膜で構成している。
【００３４】
図８は、前記ＳＡＷデバイスにおいて、水晶基板のカット角θを変化させた時の伝搬速度を（ａ）に、伝搬減衰を（ｂ）に、電気機械結合係数を（ｃ）に、パワーフロー角を（ｄ）に示している。なお、この時の圧電薄膜の膜厚Ｈは縦波型漏洩ＳＡＷの波長をλとした時に０．０６λに固定している。
【００３５】
図８から分かるように、本実施例に係るＳＡＷデバイスは第１の実施例と同様に縦波型漏洩ＳＡＷを導波し得るカット角の領域が約１２０°〜１４０°と狭い。また、（ａ）〜（ｃ）に示す伝搬速度、伝搬減衰、電気機械結合に関しても第１の実施例とほぼ同様の特性が得られたが、（ｄ）に示すパワーフロー角に関しては、短絡状態、開放状態でいずれもパワーフロー角が生じている点で第１の実施例と異なっている。
【００３６】
次に、ＺｎＯ膜厚を変化させた時の各種特性について調べた。図９は縦波型漏洩ＳＡＷの波長λで規格化したＺｎＯ膜厚Ｈを変化させた時の伝搬速度を（ａ）に、伝搬減衰を（ｂ）に、電気機械結合係数を（ｃ）に、パワーフロー角を（ｄ）に示している。なお、この時のカット角θは１２８°に固定している。
【００３７】
図９（ａ）、（ｂ）に示す伝搬速度、伝搬減衰は第１の実施例とほぼ同等の特性が得られた。また、（ｃ）に示す電気機械結合係数に関しては第１の実施例と比較してＺｎＯ膜厚に対する電気機械結合係数の増加率が若干大きいことが分かる。また、（ｄ）に示すパワーフロー角に関してはＺｎＯ膜厚を大きくすると、短絡状態においてもパワーフロー角が大幅に大きくなる点で第１の実施例と異なっている。
【００３８】
以上から、本実施例に係るＳＡＷデバイスにおいても、第１の実施例とほぼ同等の特性が得られることが判明し、高周波化を容易にでき、低損失な特性を実現することができる。ただし、パワーフロー角は第１の実施例と比較すると大きくなるので、図６のような電極構造にするのが望ましい。
【００３９】
次に、本発明の第３の実施例に係るＳＡＷデバイスについて説明する。図１０は本発明の第３の実施例に係るＳＡＷデバイスを示した図であり、水晶基板２１と圧電薄膜２３の界面にＩＤＴ２２を形成し、更に圧電薄膜２３の上面に導電膜２４を形成している。なお、水晶基板２１はオイラー角表示で（０°，θ，０°）であり、圧電薄膜２３はＺｎＯ膜で構成している。
【００４０】
図１１は、前記ＳＡＷデバイスにおいて、水晶基板のカット角θを変化させた時の伝搬速度を（ａ）に、伝搬減衰を（ｂ）に、電気機械結合係数を（ｃ）に、パワーフロー角を（ｄ）に示している。なお、この時の圧電薄膜の膜厚Ｈは縦波型漏洩ＳＡＷの波長をλとした時に０．０６λに固定している。
【００４１】
図１１から分かるように、本実施例に係るＳＡＷデバイスの特徴は縦波型漏洩ＳＡＷを導波し得るカット角の範囲が第１及び第２の実施例の構造と比較して広く、少なくとも１００°〜１６０°の範囲において導波可能である。伝搬速度は、（ａ）に示すように開放状態と短絡状態とで差があり、両者を平均すると５７００（ｍ／ｓ）程度の伝搬速度を有していることが分かる。伝搬減衰は、（ｂ）に示すように１２０°≦θ≦１４０°の範囲内で極小値を取り、θ＝１２８±２°付近で零となる。また、電気機械結合係数は、（ｃ）に示すように開放状態で最大０．０１７、短絡状態で最大０．０２２もの値が得られていることが分かる。これはレイリー波の１０倍以上の電気機械結合係数ということになる。そして、パワーフロー角は（ｄ）に示すように短絡状態では零であるが、開放状態においてはθ＝１１５°付近を除くカット角でパワーフロー角が生じることが分かる。
【００４２】
次に、ＺｎＯ膜厚を変化させた時の各種特性について調べた。図１２は縦波型漏洩ＳＡＷの波長λで規格化したＺｎＯ膜厚Ｈを変化させた時の伝搬速度を（ａ）に、伝搬減衰を（ｂ）に、電気機械結合係数を（ｃ）に、パワーフロー角を（ｄ）にを示している。なお、この時のカット角θは１２８°に固定している。
【００４３】
図１２（ａ）より、ＺｎＯ膜厚を大きくすると伝搬速度は低下していき、ＺｎＯ膜厚を小さくすると伝搬速度がほぼ５７５０（ｍ／ｓ）に収束していくのが分かる。また、（ｂ）よりＺｎＯ膜厚が０．０８λ以下の範囲において伝搬減衰が０．０５（ｄＢ／λ）以下と小さく、特に０．０６±０．０１λ付近では伝搬減衰が零になることが分かる。一方で、ＺｎＯ膜厚を０．０８λより大きくすると伝搬減衰が増加していくことが分かる。また、（ｃ）より電気機械結合係数に関しては、第１及び第２の実施例と比較してＺｎＯ膜厚に対する電気機械結合係数の増加率が非常に大きいことが分かる。また、パワーフロー角に関しては、（ｄ）より開放状態ではＺｎＯ膜厚に関わらず常に零であるが、短絡状態では電極膜厚を大きくするほどパワーフロー角が大きくなることが分かる。
【００４４】
以上から、本実施例に係るＳＡＷデバイスは、第１の実施例と比較して縦波型漏洩ＳＡＷを導波できるカット角の範囲が１００°〜１６０°と広く、カット角θを１２０°≦θ≦１４０°、好ましくはθ＝１２８±２°に設定し、且つ、ＺｎＯ膜厚ＨをＨ／λ≦０．０８λ、好ましくはＨ＝０．０６±０．０１λに設定することにより、低損失な特性を実現でき、また、電気機械結合係数がレイリー波の１０倍以上であるので広帯域のフィルタ等に適用可能である。ただし、パワーフロー角を有するので図６のような電極構造にするのが望ましい。
【００４５】
次に、本発明の第４の実施例に係るＳＡＷデバイスについて説明する。図１３は本発明の第４の実施例に係るＳＡＷデバイスであり、水晶基板３１と圧電薄膜３３の界面に導電膜３４を形成し、圧電薄膜３３の表面にＩＤＴ３２を形成している。なお、水晶基板３１はオイラー角表示で（０°，θ，０°）であり、圧電薄膜３３はＺｎＯ膜で構成している。
【００４６】
図１４は、前記ＳＡＷデバイスにおいて、前記水晶基板のカット角θを変化させた時の伝搬速度を（ａ）に、伝搬減衰を（ｂ）に、電気機械結合係数を（ｃ）に、パワーフロー角を（ｄ）に示している。また、この時の圧電薄膜の膜厚Ｈは縦波型漏洩ＳＡＷの波長をλとした時に０．０６λに固定している。
【００４７】
図１４から分かるように、本実施例に係るＳＡＷデバイスは第３の実施例と同様に縦波型漏洩ＳＡＷを導波し得るカット角の範囲が広く、少なくとも１００°〜１６０°の範囲で導波可能である。また、（ａ）〜（ｃ）に示す伝搬速度、伝搬減衰、電気機械結合は、第３の実施例とほぼ同様の特性が得られたが、（ｄ）に示すパワーフロー角に関しては、短絡状態、開放状態共にカット角θを変化させても常にパワーフロー角が零である点で第３の実施例と異なっている。
【００４８】
次に、ＺｎＯ膜厚を変化させた時の各種特性について調べた。図１５は縦波型漏洩ＳＡＷの波長λで規格化したＺｎＯ膜厚Ｈを変化させた時の伝搬速度を（ａ）に、伝搬減衰を（ｂ）に、電気機械結合係数を（ｃ）に、パワーフロー角を（ｄ）に示している。なお、この時のカット角θは１２８°に固定している。
【００４９】
図１５（ａ）〜（ｃ）に示す伝搬速度、伝搬減衰、電気機械結合係数に関しては第３の実施例とほぼ同等の特性が得られたが、（ｄ）に示すパワーフロー角に関しては、短絡状態、開放状態共にＺｎＯ膜厚を変化させても常にパワーフロー角が零である点で第３の実施例と異なっている。
【００５０】
以上から、本実施例に係るＳＡＷデバイスは、第３の実施例とほぼ同等の特性が得られることが分かり、高周波化を容易にでき、低損失で広帯域な特性を実現することができる。更に、カット角、ＺｎＯ膜厚に関わらずパワーフロー角が零であるので、伝搬方向以外に伝搬する不要表面波を抑圧でき、極めて低損失な特性を提供することができる。
【００５１】
前述の第１及び第３の実施例に係るＳＡＷデバイスにおいては、水晶基板と圧電薄膜の界面にＩＤＴを形成しているので、ＩＤＴに金属紛等の異物が付着するのを防止でき信頼性を向上できる。また、第２及び第４の実施例に係るＳＡＷデバイスにおいては、ＩＤＴが表面に形成されているので工程後の周波数調整を容易に行うことができ量産性を向上できる。
【００５２】
前記ＩＤＴ及び前記導電膜の材料については、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｗ、Ｔａ又はそれらを主成分とした合金とするのが好ましい。また、本発明に係るＳＡＷデバイスは、ＳＡＷ共振子や、ＳＡＷ共振子を直列、並列、直列、と配置した梯子（ラダー）型ＳＡＷフィルタ、ＳＡＷ共振子をＳＡＷの伝搬方向（縦方向）に並べて縦共振モードを音響結合させた縦結合型多重モードＳＡＷフィルタ、ＳＡＷ共振子をＳＡＷの伝搬方向と垂直な方向（横方向）に並べて横共振モードを音響結合させた横結合型多重モードＳＡＷフィルタ、入出力用のＩＤＴを２つ近接配置したトランスバーサルＳＡＷフィルタ等に応用できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の第１の実施例に係るＳＡＷデバイスの断面図を示す。
【図２】本発明の第１の実施例に係るＳＡＷデバイスのカット角θを変化させた時の伝搬速度を（ａ）に、伝搬減衰を（ｂ）に、電気機械結合係数を（ｃ）に示す。
【図３】本発明の第１の実施例に係るＳＡＷデバイスのＺｎＯ膜厚Ｈを変化させた時の伝搬速度を（ａ）に、伝搬減衰を（ｂ）に、電気機械結合係数を（ｃ）に示す。
【図４】本発明の第１の実施例に係るＳＡＷデバイスのＳＡＷ変位分布を示す図であり、（ａ）はＺｎＯ膜厚０．０２λとした時、（ｂ）はＺｎＯ膜厚０．０６λとした時、（ｃ）はＺｎＯ膜厚０．１０λとした時の変位分布である。
【図５】本発明の第１の実施例に係るＳＡＷデバイスのカット角θを変化させた時のパワーフロー角を（ａ）に、ＺｎＯ膜厚を変化させた時のパワーフロー角を（ｂ）に示す。
【図６】本発明に係るＳＡＷデバイスの別の電極構造を示す。
【図７】本発明の第２の実施例に係るＳＡＷデバイスの断面図を示す。
【図８】本発明の第２の実施例に係るＳＡＷデバイスのカット角θを変化させた時の伝搬速度を（ａ）に、伝搬減衰を（ｂ）に、電気機械結合係数を（ｃ）、パワーフロー角を（ｄ）に示す。
【図９】本発明の第１の実施例に係るＳＡＷデバイスのＺｎＯ膜厚Ｈを変化させた時の伝搬速度を（ａ）に、伝搬減衰を（ｂ）に、電気機械結合係数を（ｃ）に、パワーフロー角を（ｄ）に示す。
【図１０】本発明の第３の実施例に係るＳＡＷデバイスの断面図を示す。
【図１１】本発明の第３の実施例に係るＳＡＷデバイスのカット角θを変化させた時の伝搬速度を（ａ）に、伝搬減衰を（ｂ）に、電気機械結合係数を（ｃ）、パワーフロー角を（ｄ）に示す。
【図１２】本発明の第３の実施例に係るＳＡＷデバイスのＺｎＯ膜厚Ｈを変化させた時の伝搬速度を（ａ）に、伝搬減衰を（ｂ）に、電気機械結合係数を（ｃ）に、パワーフロー角を（ｄ）に示す。
【図１３】本発明の第４の実施例に係るＳＡＷデバイスの断面図を示す。
【図１４】本発明の第４の実施例に係るＳＡＷデバイスのカット角θを変化させた時の伝搬速度を（ａ）に、伝搬減衰を（ｂ）に、電気機械結合係数を（ｃ）、パワーフロー角を（ｄ）に示す。
【図１５】本発明の第４の実施例に係るＳＡＷデバイスのＺｎＯ膜厚Ｈを変化させた時の伝搬速度を（ａ）に、伝搬減衰を（ｂ）に、電気機械結合係数を（ｃ）に、パワーフロー角を（ｄ）に示す。
【図１６】従来のレイリー波を用いたＳＡＷ共振子の平面図を示す。
【図１７】従来の圧電薄膜を用いたＳＡＷデバイスの断面図を示す。
【図１８】ＳＴカット水晶基板を用いたＳＡＷデバイスの周波数特性を示す。
【符号の説明】
【００５４】
３１：水晶基板
３２：ＩＤＴ
３３：圧電薄膜（ＺｎＯ薄膜）
２４、３４：導電膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
オイラー角表示で（０，θ，０）の水晶基板と、その上面に配置した少なくとも１つのＩＤＴと、前記水晶基板と前記ＩＤＴの上面を覆うＺｎＯ薄膜とを備え、縦波型漏洩弾性表面波を利用した弾性表面波デバイスであって、
前記水晶基板のカット角θは１２０°≦θ≦１４０°の範囲に設定され、且つ、縦波型漏洩弾性表面波の波長λで規格化した前記ＺｎＯ薄膜の膜厚ＨはＨ≦０．０８λの範囲に設定されていることを特徴とした弾性表面波デバイス。
【請求項２】
オイラー角表示で（０，θ，０）の水晶基板と、該水晶基板の上面を覆うＺｎＯ薄膜と、該ＺｎＯ薄膜の上面に配置した少なくとも１つのＩＤＴとを備え、縦波型漏洩弾性表面波を利用した弾性表面波デバイスであって、
前記水晶基板のカット角θは１２０°≦θ≦１４０°の範囲に設定され、且つ、縦波型漏洩弾性表面波の波長λで規格化した前記ＺｎＯ薄膜の膜厚ＨはＨ≦０．０８λの範囲に設定されていることを特徴とした弾性表面波デバイス。
【請求項３】
前記水晶基板のカット角θは１２８±２°に設定され、且つ、縦波型漏洩弾性表面波の波長λで規格化した前記ＺｎＯ薄膜の膜厚Ｈは０．０６±０．０１λに設定されていることを特徴とした請求項１又は２に記載の弾性表面波デバイス。
【請求項４】
前記弾性表面波デバイスは、前記ＺｎＯ薄膜の上面に導電膜が形成されていることを特徴とした請求項１に記載の弾性表面波デバイス。
【請求項５】
前記弾性表面波デバイスは、前記水晶基板と前記ＺｎＯ薄膜の界面に導電膜が形成されていることを特徴とした請求項２に記載の弾性表面波デバイス。
【請求項１】
オイラー角表示で（０，θ，０）の水晶基板と、その上面に配置した少なくとも１つのＩＤＴと、前記水晶基板と前記ＩＤＴの上面を覆うＺｎＯ薄膜とを備え、縦波型漏洩弾性表面波を利用した弾性表面波デバイスであって、
前記水晶基板のカット角θは１２０°≦θ≦１４０°の範囲に設定され、且つ、縦波型漏洩弾性表面波の波長λで規格化した前記ＺｎＯ薄膜の膜厚ＨはＨ≦０．０８λの範囲に設定されていることを特徴とした弾性表面波デバイス。
【請求項２】
オイラー角表示で（０，θ，０）の水晶基板と、該水晶基板の上面を覆うＺｎＯ薄膜と、該ＺｎＯ薄膜の上面に配置した少なくとも１つのＩＤＴとを備え、縦波型漏洩弾性表面波を利用した弾性表面波デバイスであって、
前記水晶基板のカット角θは１２０°≦θ≦１４０°の範囲に設定され、且つ、縦波型漏洩弾性表面波の波長λで規格化した前記ＺｎＯ薄膜の膜厚ＨはＨ≦０．０８λの範囲に設定されていることを特徴とした弾性表面波デバイス。
【請求項３】
前記水晶基板のカット角θは１２８±２°に設定され、且つ、縦波型漏洩弾性表面波の波長λで規格化した前記ＺｎＯ薄膜の膜厚Ｈは０．０６±０．０１λに設定されていることを特徴とした請求項１又は２に記載の弾性表面波デバイス。
【請求項４】
前記弾性表面波デバイスは、前記ＺｎＯ薄膜の上面に導電膜が形成されていることを特徴とした請求項１に記載の弾性表面波デバイス。
【請求項５】
前記弾性表面波デバイスは、前記水晶基板と前記ＺｎＯ薄膜の界面に導電膜が形成されていることを特徴とした請求項２に記載の弾性表面波デバイス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２００６−４２２２５（Ｐ２００６−４２２２５Ａ）
【公開日】平成１８年２月９日（２００６．２．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２２２８３２（Ｐ２００４−２２２８３２）
【出願日】平成１６年７月３０日（２００４．７．３０）
【出願人】（０００００３１０４）エプソントヨコム株式会社 (1,528)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年２月９日（２００６．２．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月３０日（２００４．７．３０）
【出願人】（０００００３１０４）エプソントヨコム株式会社 (1,528)
【Ｆターム（参考）】
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