弾性表面波素子
【課題】高周波化が可能であり、しかも耐候性及び電気特性に優れる弾性表面波素子を提供する。
【解決手段】本発明の弾性表面波素子は、ダイヤモンド層と、ダイヤモンド層上に設けられた窒化アルミニウム層と、窒化アルミニウム層上に設けられた酸化シリコン層と、前記窒化アルミニウム層と前記酸化シリコン層との間に設けられ窒化アルミニウム層に電圧を印加する一対の電極と、を有している。窒化アルミニウム層の厚みＨ１、酸化シリコン層の厚みＨ２、及び弾性表面波の波長λを用いて定義される（ｘ、ｙ）が、以下の式、ｙ≦０．７５０×ｘ＋０．３２５、ｙ≦−０．３００×ｘ＋１．６９０、ｙ≧−０．５００×ｘ＋０．９５０、ｙ≧０．７００×ｘ−０．６１０（ただし、ｘ＝２πＨ１／λ、ｙ＝２πＨ２／λ）をともに満たす範囲Ａ１内である。
【解決手段】本発明の弾性表面波素子は、ダイヤモンド層と、ダイヤモンド層上に設けられた窒化アルミニウム層と、窒化アルミニウム層上に設けられた酸化シリコン層と、前記窒化アルミニウム層と前記酸化シリコン層との間に設けられ窒化アルミニウム層に電圧を印加する一対の電極と、を有している。窒化アルミニウム層の厚みＨ１、酸化シリコン層の厚みＨ２、及び弾性表面波の波長λを用いて定義される（ｘ、ｙ）が、以下の式、ｙ≦０．７５０×ｘ＋０．３２５、ｙ≦−０．３００×ｘ＋１．６９０、ｙ≧−０．５００×ｘ＋０．９５０、ｙ≧０．７００×ｘ−０．６１０（ただし、ｘ＝２πＨ１／λ、ｙ＝２πＨ２／λ）をともに満たす範囲Ａ１内である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性表面波素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から携帯電話等の電気通信機器には、フィルタや共振子等の用途で弾性表面波素子が用いられている。弾性表面波素子は、弾性体の表面を伝播する弾性表面波（以下、ＳＡＷと称す）を利用した電気機械変換素子である（例えば、特許文献１）。
【０００３】
特許文献１のＳＡＷ素子は、ダイヤモンドからなる硬質層、硬質層上に形成されたＺｎＯ層（圧電材料層）、ＺｎＯ層上に形成された二酸化珪素層（温度補償層）、及びＺｎＯ層と二酸化珪素層との間に形成された電極（インターディジタルトランスデューサ、以下ＩＤＴと称す）を有している。ＩＤＴは一対の櫛歯電極により構成されており、ＩＤＴに電気信号を供給すると一対の櫛歯電極の間に電圧が印加される。すると、櫛歯電極間のＺｎＯ層に逆圧電効果による歪を生じ、弾性表面波が発生する。
【０００４】
弾性表面波の周波数ｆ、位相速度Ｖｐ、及び波長λの間には、式（ｆ＝Ｖｐ／λ）により表される関係がある。位相速度Ｖｐは、弾性表面波の振動モードや圧電材料層、温度補償層等の材質や厚み等に依存し、波長λは、弾性表面波の振動モードや櫛歯電極の間隔等に依存する。このようにＳＡＷ素子の構成により弾性表面波の周波数ｆが規定されるので、弾性表面波を電気信号に変換することにより、高精度な周波数の電気信号が得られる。
【０００５】
近年、電気通信機器には通信速度や通信データ容量の向上が求められており、ＳＡＷ素子には動作の高周波化、温度変化に対する特性安定化、変換効率の向上等が期待されている。前記の式から分かるように、高周波化するためには位相速度Ｖｐを大きくすればよく、また波長λを小さくしてもよい。波長λを小さくするためには、櫛歯電極の間隔を狭くする必要があり、製造コストが高くなってしまう。そのため、特許文献１のように、位相速度Ｖｐを大きくすることにより高周波化する手法がよく用いられる。
【特許文献１】特許第３２０５９７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の技術を用いても動作周波数以外の特性を向上させることができないおそれがある。
特許文献１のように圧電材料としてＺｎＯを用いると、櫛歯電極間で発生した弾性表面波の櫛歯電極での反射係数が比較的高くなる。これは、ＺｎＯ層と櫛歯電極とでの硬さ（ヤング率）の差が大きいこと等に起因している。反射係数が高くなると、弾性表面波の損失が大きくなりＳＡＷ素子の特性が低下してしまう。櫛歯電極を薄厚化すれば反射係数を低くすることができるが、櫛歯電極が高抵抗になることによりＳＡＷ素子の電気特性が低下してしまう。
【０００７】
このような不都合を回避するためには、圧電材料層のヤング率を高くすることにより、反射係数を下げればよいと考えられる。しかしながら、ＺｎＯとヤング率が異なる圧電材料を用いると、位相速度Ｖｐや電気機械結合係数等がＺｎＯを用いる場合と異なってしまう。すると、ＳＡＷ素子の動作周波数や変換効率が変化してしまうので、ＳＡＷ素子を所望の特性に設計するために多大の労力が必要になる。
【０００８】
特に、特許文献１のように温度補償層を設けると温度変化に対して特性を安定化することができるが、構成要素が増えることにより設計がさらに困難になる。結果的に、所望の特性のＳＡＷ素子にすることが困難になり、ＳＡＷ素子の特性向上を図ることができなくなる。
【０００９】
本発明は、前記事情に鑑み成されたものであって、動作の高周波化に対応可能であり、しかも耐候性及び電気特性に優れるＳＡＷ素子を提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の弾性表面波素子は、ダイヤモンド層と、前記ダイヤモンド層上に設けられた窒化アルミニウム層と、前記窒化アルミニウム層上に設けられた酸化シリコン層と、前記窒化アルミニウム層と前記酸化シリコン層との間に設けられ、前記窒化アルミニウム層に電圧を印加する一対の電極と、を有し、前記窒化アルミニウム層の厚みＨ１、前記酸化シリコン層の厚みＨ２、及び弾性表面波の波長λを用いて定義される（ｘ、ｙ）が、以下の式（１）〜（４）、
ｙ≦ ０．７５０×ｘ＋０．３２５ ・・・（１）
ｙ≦−０．３００×ｘ＋１．６９０ ・・・（２）
ｙ≧−０．５００×ｘ＋０．９５０ ・・・（３）
ｙ≧ ０．７００×ｘ−０．６１０ ・・・（４）
（ただし、ｘ＝２πＨ１／λ、ｙ＝２πＨ２／λ）
をともに満たす範囲内であることを特徴とする。
【００１１】
このようにすれば、一対の電極により電圧を印加された部分において窒化アルミニウム層（圧電材料層）に歪が生じ、歪により弾性表面波が発生する。窒化アルミニウム層は、一対の電極との界面における弾性表面波の反射係数が酸化亜鉛からなる圧電材料層よりも低いので、一対の電極が弾性表面波に及ぼす影響が小さくなる。したがって、電極を薄厚化しなくとも反射係数を小さくすることができ、効率的に弾性表面波を発生させることが可能になるので良好な電気特性の弾性表面素子にすることができる。
【００１２】
また、ダイヤモンド層や窒化アルミニウム層が温度上昇に伴って軟化するのに対して、酸化シリコン層が温度上昇に伴って硬化するので、酸化シリコン層が設けられていることにより弾性表面波素子全体としては温度変化に対する特性変化が小さくなる。
【００１３】
以上のように、ダイヤモンド層、窒化アルミニウム層、及び酸化シリコン層からなる３層構造にすることにより良好な特性の弾性表面波素子になる。このような構造の弾性表面波素子において、電気機械結合係数、表面弾性波の位相速度、及びこれらの温度依存性は、各層の厚みに依存している。ダイヤモンド層は、弾性表面波の伝播に伴って厚み方向において振動する範囲以上の厚みであれば、弾性表面波素子の特性に対する影響が小さい。一方、窒化アルミニウム層、及び酸化シリコン層は、各々の厚みを変化させると弾性表面波素子の特性が大きく変化する。しかしながら、電気機械結合係数、表面弾性波の位相速度、及びこれらの温度依存性等を所定の値にするために、各層の厚みをいかなる値に設定すればよいか不明であるので、所望の特性の弾性表面波素子にすることは困難である。
【００１４】
本発明者は、有限要素法（ＦＥＭ）における数値モデルを改良開発し、窒化アルミニウム層の厚みと酸化シリコン層の厚みとを変化させつつ数値シミュレーションを行った。また、比較実験により数値シミュレーションの精度評価を行ったところ、十分な精度であることが確認された。後に実施例２で説明するが、ＳＡＷの位相速度に関しては実験値と計算値との違いが数％以下であった。この数値シミュレーションの結果により、アルミニウム層の厚みＨ１と酸化シリコン層の厚みＨ２とを、前記の式（１）〜（４）をともに満たす範囲内に規定することにより、以下の格段に優れた特性が得られることが分かった。
【００１５】
詳しくは［発明を実施するための最良の形態］で説明するが、セザワ波の２次振動モードにおける位相速度Ｖｐが９０００ｍ／ｓ以上、電気機械結合係数ｋ２が０．２％程度以上、−４５〜８５℃の温度範囲において弾性表面波の周波数の変動率が±１０００ｐｐｍの範囲内になる。位相速度Ｖｐを９０００ｍ／ｓ以上にすることができるので、弾性表面波を高周波化（例えば、５．７ＧＨｚ以上に）することができ、高周波化に対応可能な弾性表面素子になる。また、電気機械結合係数ｋ２を０．２％程度以上にすることができるので、電気信号と弾性表面波との間の変換効率を確保することができ、良好に機能する弾性表面波素子になる。また、温度変化による周波数の変動率が±１０００ｐｐｍの範囲内になるので、温度変化に対して安定に動作する弾性表面波素子になる。
【００１６】
このように、本発明によれば格段に優れた特性の弾性表面波素子になるので、セザワ波の２次振動モードを用いるバンドパスフィルタや基準クロック源等に本発明の弾性表面波素子を適用することにより、格段に高性能なデバイスが得られるようになる。
【００１７】
本発明の弾性表面波素子は、ダイヤモンド層と、前記ダイヤモンド層上に設けられた窒化アルミニウム層と、前記窒化アルミニウム層上に設けられた酸化シリコン層と、前記窒化アルミニウム層と前記酸化シリコン層との間に設けられ、前記窒化アルミニウム層に電圧を印加する一対の電極と、を有し、前記窒化アルミニウム層の厚みＨ１、前記酸化シリコン層の厚みＨ２、及び弾性表面波の波長λを用いて定義される（ｘ、ｙ）が、以下の式（５）〜（８）、
ｙ≦ ０．８１８×ｘ＋０．６８２ ・・・（５）
ｙ≦−０．２６６×ｘ＋２．９６０ ・・・（６）
ｙ≧−０．７００×ｘ＋２．２００ ・・・（７）
ｙ≧ ０．７５０×ｘ−０．７００ ・・・（８）
（ただし、ｘ＝２πＨ１／λ、ｙ＝２πＨ２／λ）
をともに満たす範囲内であることを特徴とする。
【００１８】
このようにすれば、セザワ波の２次振動モードと同様の理由により良好な電気特性の弾性表面素子にすることができる。詳細は［発明を実施するための最良の形態］で説明するが、セザワ波の３次振動モードにおける位相速度Ｖｐが９０００ｍ／ｓ以上、電気機械結合係数ｋ２が０．２％以上、−４５〜８５℃の温度範囲において弾性表面波の周波数の変動率が±１０００ｐｐｍの範囲内になる。これにより、高周波化に対応可能であり、しかも耐候性及び電気特性に優れる弾性表面波素子になる。したがって、セザワ波の３次振動モードを用いるバンドパスフィルタや基準クロック源等に本発明の弾性表面波素子を適用することにより、格段に高性能なデバイスが得られるようになる。
【００１９】
本発明の弾性表面波素子は、ダイヤモンド層と、前記ダイヤモンド層上に設けられた窒化アルミニウム層と、前記窒化アルミニウム層上に設けられた酸化シリコン層と、前記窒化アルミニウム層と前記酸化シリコン層との間に設けられ、前記窒化アルミニウム層に電圧を印加する一対の電極と、を有し、前記窒化アルミニウム層の厚みＨ１、前記酸化シリコン層の厚みＨ２、及び弾性表面波の波長λを用いて定義される（ｘ、ｙ）が、以下の式（１３）〜（１６）、
ｙ≦−０．８８９×ｘ＋６．５５６ ・・・（１３）
ｙ≦ ０．３３３×ｘ＋２．７６７ ・・・（１４）
ｙ≧−０．７００×ｘ＋３．８００ ・・・（１５）
ｙ≧ ０．３００×ｘ＋１．８００ ・・・（１６）
（ただし、ｘ＝２πＨ１／λ、ｙ＝２πＨ２／λ）
をともに満たす範囲内であることを特徴とする。
【００２０】
このようにすれば、セザワ波の２次振動モードと同様の理由により良好な電気特性の弾性表面素子にすることができる。詳細は［発明を実施するための最良の形態］で説明するが、セザワ波の５次振動モードにおける位相速度Ｖｐが９０００ｍ／ｓ以上になり高周波化に対応可能になる。また、電気機械結合係数ｋ２が０．１％以上になり、電気信号と弾性表面波との間の変換効率を確保することができる。なお、電気機械結合係数ｋ２が０．３％以上となる範囲から窒化アルミニウム層の膜厚と、酸化シリコン層の膜厚を選択することもでき、これにより変換効率を向上させることができる。また、−４５〜８５℃の温度範囲において弾性表面波の周波数の変動率が±２０００ｐｐｍの範囲内になる。
【００２１】
また、セザワ波の２次振動モードや３次振動モードに比べて反射係数が小さくなり、効率的に弾性表面波を発生させることが可能になる。また、反射係数が小さくなることにより、電極の厚み等に対して反射係数が鈍感になる。したがって、製造ばらつきに対する許容範囲が広くなり、複数の弾性表面波素子における特性ばらつきが小さくなる。
【００２２】
以上のように本発明によれば、高周波化に対応可能であり、しかも耐候性及び電気特性に優れる弾性表面波素子になる。したがって、セザワ波の５次振動モードを用いるバンドパスフィルタや基準クロック源等に本発明の弾性表面波素子を適用することにより、格段に高性能なデバイスが得られるようになる。
【００２３】
また、前記電極の厚みＨ３、及び弾性表面波の波長λを用いて定義される値Ｚ（ただし、Ｚ＝２πＨ３／λ）が、Ｚ≦０．３５を満たすことが好ましい。
このようにすれば、電極の端部における弾性表面波の反射係数が１５％未満になり、電極の端部における弾性表面波の反射による損失が無視できる程度に小さくなる。また、窒化アルミニウム膜や酸化シリコン膜の厚みに対する電極の厚みが、弾性表面波素子の特性にほとんど影響を与えない程度に薄くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の一実施形態を説明するが、本発明の技術範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以降の説明では図面を用いて各種の構造を例示するが、構造の特徴的な部分を分かりやすく示すために、図面中の構造はその寸法や縮尺を実際の構造に対して異ならせて示す場合がある。
【００２５】
図１（ａ）は、本実施形態の弾性表面波（以下、ＳＡＷと称す）素子１００の構成を示す斜視模式図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ’線矢視断面図である。本実施形態のＳＡＷ素子１００は、トランスバーサル型のＳＡＷフィルタである。図１（ａ）に示すように、ＳＡＷ素子１００は、基板１０上に設けられたダイヤモンド層２０と、ダイヤモンド層２０上に設けられた窒化アルミニウム層３０と、窒化アルミニウム層３０上に設けられた酸化シリコン層４０と、を備えている。
【００２６】
窒化アルミニウム層３０と酸化シリコン層４０との間には、一対のグレーティング電極７１、７２が設けられている。一対のグレーティング電極７１、７２により、反射器７０が構成される。一対のグレーティング電極７１、７２の間には、一対のインターディジタルトランスデューサ（以下、ＩＤＴと称す）５０、６０が設けられている。ここでは、ＩＤＴ５０が電気信号の入力部として機能し、ＩＤＴ６０が電気信号の出力部として機能する。
【００２７】
以下、図１（ａ）に示したＸＹＺ直交座標系を設定し、これに基づいて部材の位置関係を説明する。このＸＹＺ直交座標系において、ＳＡＷ素子１００の面方向において、一対のＩＤＴ５０、６０が並ぶ方向をＸ方向、Ｘ方向と直交する方向をＹ方向、ＳＡＷ素子１００の面方向と直交する厚み方向をＺ方向とする。なお、ＳＡＷ素子１００において、ＩＤＴ５０からＩＤＴ６０に向かって（Ｘ方向に沿って）伝播したＳＡＷが電気信号として取り出されるようになっている。一対のグレーティング電極７１、７２は、Ｘ方向において、ＩＤＴ５０、６０を挟んで配置されている。
【００２８】
本実施形態の基板１０は、シリコンからなるものである。基板としては、シリコン以外の半導体材料からなる基板、ガラス材料からなる基板、セラミックス材料からなる基板、ポリイミド又はポリカーボネイト等の樹脂材料からなる基板等のいずれを用いても良い。また、ダイヤモンド層２０を基板１０として機能させ、基板１０を省くこともできる。
【００２９】
ダイヤモンド層２０は、ＳＡＷが伝播する伝播媒体として機能する。ダイヤモンド層２０としては、単結晶のもの、多結晶のもの、非晶質のもの、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）からなるもの、のいずれを用いても良い。ＤＬＣは、炭素と水素とからなる組成物であり、水素の方が組成比が小さいものである。ＤＬＣの特徴としては、非晶質であること、一般の金属よりも硬度が高いこと、絶縁性であること、透光性を有すること等が挙げられる。
【００３０】
ダイヤモンド層２０の厚みとしては、ＳＡＷの振動範囲が基板１０に及ばないように、振幅の２倍以上にすればよい。ダイヤモンド層２０の厚みが増すとＳＡＷの位相速度が高くなるが、ＳＡＷの振動が基板１０に伝わらない程度の厚み以上にしても位相速度がほとんど変わらなくなる。
【００３１】
窒化アルミニウム層３０は、圧電材料である窒化アルミニウムからなっている。ＩＤＴ５０により電圧波形が印加されると、窒化アルミニウム層３０に歪みを生じて、電圧波形に応じたＳＡＷが発生する。詳しくは後述するが、窒化アルミニウム層３０の厚みは、酸化シリコン層４０の厚みと所定の関係を満たす範囲内から選択されている。
【００３２】
ＩＤＴ５０は、一対の櫛歯電極５１、５２からなっている。櫛歯電極５１は、複数の枝部５１ｂと、複数の枝部５１ｂに共通して設けられた幹部５１ａとからなっている。なお、図１（ａ）、（ｂ）には、３本の枝部５１ｂを図示しているが、実際には多数（例えば１５０本、櫛歯電極５１、５２の合計で３００本）設けられる。
【００３３】
複数の枝部５１ｂの各々は、ＩＤＴ５０、６０が並ぶ方向（Ｘ方向）の直交方向（Ｙ方向）に延設されている。複数の枝部５１ｂは、互いに平行になっており、Ｘ方向において等間隔で並んでいる。幹部５１ａは、複数の枝部５１ｂの各々における一方の端部と連続している。幹部５１ａは、電気信号の供給源と電気的に接続されており、ＳＡＷ素子１００における入力側の電極パッドとして機能する。幹部５１ａ及び複数の枝部５１ｂは、いずれも導電材料からなっており、ここでは幹部５１ａ及び複数の枝部５１ｂが一体に形成されている。
【００３４】
櫛歯電極５１の厚みとしては、厚みＨ３、０次振動モード（レイリー波）のＳＡＷの波長λとしたときに、Ｚ＝２πＨ３／λ≦０．３５を満たすことが好ましい。Ｚが０．３５を超えると、枝部５１ｂ、５２ｂの各々に入射するＳＡＷの反射係数が１５％を超えるようになり、ＳＡＷ素子の損失が無視できなくなるからである。また、前記の範囲を満たすことにより、櫛歯電極５１が窒化アルミニウム膜３０や酸化シリコン膜４０よりも十分に薄くなり、櫛歯電極５１がＳＡＷ素子の特性に与える影響が無視できる程度に小さくなる。なお、ここで言うＳＡＷ素子の特性とは、電気機械結合係数Ｋ２［％］、ＳＡＷの位相速度Ｖｐ［ｍ／ｓ］、温度係数ＴＣＦ［ｐｐｍ／℃］のことである。
【００３５】
櫛歯電極５２は、櫛歯電極５１と同様の形状になっており、幹部５２ａと複数の枝部５２ｂとからなっている。Ｙ方向において枝部５１ｂ及び５２ｂを挟む一方の側（Ｙ正方向側）に幹部５１ａが配置されており、他方の側（Ｙ負方向側）に幹部５２ａが配置されている。Ｘ方向において枝部５１ｂ、５２ｂは、交互に等間隔で並んでいる。
【００３６】
ＩＤＴ５０に電気信号が入力されると、枝部５１ｂ、５２の間に電気信号に応じた電圧波形が印加され、ＳＡＷが発生する。本実施形態のように、枝部５１ｂ、５２ｂが交互に並ぶ櫛歯電極５１、５２では、発生するＳＡＷの波長λが枝部５１ｂ、５２ｂの間隔ｄを用いて、λ＝４ｄで表される。
【００３７】
ＩＤＴ６０は、ＩＤＴ５０と同様の形状になっており、櫛歯電極６１、６２からなっている。櫛歯電極６１は、幹部６１ａと複数の枝部６１ｂとからなっており、櫛歯電極６２は、幹部６２ａと複数の枝部６２ｂとからなっている。ＩＤＴ６０にＳＡＷが入射すると、ＳＡＷの振動に伴う窒化アルミニウム層３０の歪みに応じて、枝部６１ｂ、６２ｂの間に電位差が生じる。この電位差により、ＩＤＴ６０から電気信号が出力される。
【００３８】
グレーティング電極７１は、ＩＤＴ５０からグレーティング電極７１に向かって伝播するＳＡＷを反射させて、ＩＤＴ６０側に伝播させるものである。グレーティング電極７１は、枝部５１ｂ、５２ｂと同じ方向に延在する複数の帯状部を有している。複数の帯状部は、互いに平行して等間隔で並んでいる。なお、図１（ａ）、（ｂ）には、５本の帯状部を図示しているが、実際には多数（例えば２００本）設けられる。
グレーティング電極７２は、ＩＤＴ６０からグレーティング電極７２に向かって伝播するＳＡＷを反射させて、ＩＤＴ５０側に伝播させるものである。グレーティング電極７１、７２により反射器７０が構成され、ＳＡＷは、反射器７０の内側で往復する。
【００３９】
酸化シリコン層４０は、窒化アルミニウム層３０と、ＩＤＴ５０、６０、及び反射器７０を覆って設けられている。一般に、ＳＡＷ素子の使用環境程度の温度範囲（例えば、−４５°〜８５℃）において、ダイヤモンド膜や窒化アルミニウム膜は温度上昇とともに軟化するのに対し、酸化シリコン膜は温度上昇とともに硬化する。ダイヤモンド層２０、窒化アルミニウム層３０、酸化シリコン層４０からなる積層体全体では、各層の軟化による影響と硬化による影響とが打ち消し合うため、温度変化による周波数の変動が抑制される。前記の温度範囲において温度に対する周波数の変動率の許容範囲としては、例えば±１０００ｐｐｍ程度である。したがって、周波数の変動率の温度係数ＴＣＦ［ｐｐｍ／℃］の許容範囲としては、例えば−１５＜ＴＣＦ＜１５程度になる。
詳しくは後述するが、酸化シリコン層４０の厚みは、窒化アルミニウム層３０の厚みと所定の関係を満たす範囲内から選択されていることにより、ＴＣＦが前記の許容範囲に収まるようになっている。
【００４０】
従来から、酸化亜鉛膜を圧電材料層に用いたＳＡＷ素子が提案されている。酸化亜鉛膜は電極よりもヤング率が低いため、酸化亜鉛膜から電極に面方向に沿って入射するＳＡＷが電極端部で反射しやすくなる。すると、電極端部で反射したＳＡＷが干渉を生じてしまい、ＳＡＷの損失が大きくなる。このようなＳＡＷの損失を減らすためには、ＳＡＷの干渉を減らすことや電極端部での反射係数を低くすることが考えられる。
【００４１】
ＳＡＷの干渉を減らす手法としては、櫛歯電極の形状（例えば枝部の本数や配置）を調整することが考えられる。この手法によると、櫛歯電極の形状がＳＡＷの発生に適しない形状になってしまう。電極端部での反射係数を小さくする手法としては、電極を薄厚化することが考えられる。この手法によると、電極が高抵抗化してしまい、ＳＡＷ素子の電気特性が低下してしまう。特に、携帯電話等の小型のデバイスに用いられるＳＡＷ素子の場合には、駆動電圧が高くなることによりデバイスを構成すること自体が難しくなる。
【００４２】
反射係数を小さくする手法としては、電極とのヤング率の差が酸化亜鉛膜よりも小さい膜（例えば窒化アルミニウム膜）で圧電材料層を構成することも考えられる。しかしながら、窒化アルミニウムで圧電材料層を構成し、かつ所望のＳＡＷ素子とするためには、以下の理由により多大な労力を要する。
酸化亜鉛膜で圧電材料層を構成する場合には、酸化亜鉛膜の厚みとＳＡＷ素子の特性との関係性が公知になっているので、ＳＡＷ素子の所望の特性に応じた厚みに圧電材料膜を設計することが容易である。一方、酸化アルミニウム膜で圧電材料層を構成する場合に、温度依存性を低減する観点から温度補償層として酸化シリコン膜を形成すると、酸化アルミニウム膜の厚みと酸化シリコン膜の厚みとがＳＡＷ素子の特性に及ぼす影響が不明であるので、所望の特性のＳＡＷ素子を得ることが非常に難しい。
【００４３】
本発明者は、有限要素法（ＦＥＭ）に基づく数値モデルを改良開発し、窒化アルミニウム層の厚みと酸化シリコン層の厚みとを変化させつつ数値シミュレーションを行った。また、比較実験により数値シミュレーションの精度評価を行ったところ、十分な精度であることが確認された。以下、数値シミュレーションの結果について説明する。
【００４４】
図２（ａ）は、セザワ波の２次振動モードにおいて、窒化アルミニウム層の厚み及び酸化シリコン層の厚みに対する電気機械結合係数Ｋ２［％］を示す等高線図（コンター）であり、図２（ｂ）は、セザワ波の２次振動モードにおいて、窒化アルミニウム層の厚み及び酸化シリコン層の厚みに対するＳＡＷの位相速度Ｖｐ［ｍ／ｓ］を示す等高線図である。図２（ａ）、（ｂ）において、横軸ｘは、０次振動モードのＳＡＷの波長λを用いて窒化アルミニウム層の厚みＨ１を無次元化した値であり、ｘ＝２πＨ１／λで表される。縦軸ｙは、波長λを用いて酸化シリコン層４０の厚みＨ２を無次元化した値であり、ｙ＝２πＨ２／λで表される。
【００４５】
本発明の１つの態様のＳＡＷ素子は、セザワ波の２次振動モードのＳＡＷを用いる素子であり、（ｘ, ｙ）が図２（ａ）、（ｂ）に示す領域Ａ１の外周を含む内部に位置するように、窒化アルミニウム層の厚みＨ１及び酸化シリコン層の厚みＨ２が選択されている。領域Ａ１は、以下の式（１）〜（４）をいずれも満たす領域である。
ｙ≦ ０．７５０×ｘ＋０．３２５ ・・・（１）
ｙ≦−０．３００×ｘ＋１．６９０ ・・・（２）
ｙ≧−０．５００×ｘ＋０．９５０ ・・・（３）
ｙ≧ ０．７００×ｘ−０．６１０ ・・・（４）
【００４６】
図２（ａ）に示すように、本発明のＳＡＷ素子は（ｘ, ｙ）の値が領域Ａ１の内部に位置しているので、Ｋ２が０．２程度以上になっている。したがって、以下の理由により良好なデバイスを構成することが可能なＳＡＷ素子になっている。
【００４７】
バンドパスフィルタに用いられるＳＡＷ素子のようにパスバンドを広くする場合には、電気信号とＳＡＷとの間の変換効率を高くする観点からＫ２が大きい方が有利である。例えば、狭帯域フィルタにＳＡＷ素子を適用する場合には、Ｋ２が０．１５〜０．７程度であればよいとされている。特に、この範囲内でＫ２を０．２程度以上にすることにより、変換効率を確保することができる。
【００４８】
また、共振子に用いられるＳＡＷ素子のようにパスバンドを狭くする場合には、Ｑ値を高くする観点からＫ２が小さい方が有利である。Ｋ２を小さく設定する場合には、ＩＤＴ６０、７０における枝部５１ｂ、５２ｂ、６１ｂ、６２ｂの数を増やすことにより、ＳＡＷの強度を高めることができる。ただし、枝部５１ｂ、５２ｂ、６１ｂ、６２ｂの数にも上限があることから、Ｋ２を０．２程度以上にすることによりＳＡＷの強度を確保することができる。また、伝播媒体においてＳＡＷの伝播損失が大きいと素子特性が低下してしまうが、窒化アルミニウム膜等からなる積層体を伝播媒体とする場合には、Ｋ２を０．２程度以上にすることにより素子特性を確保することができる。
【００４９】
図２（ｂ）に示すように、本発明のＳＡＷ素子は、（ｘ, ｙ）の値が領域Ａ１の内部に位置しているので、Ｖｐが９０００程度以上になっている。櫛歯電極５１、５２の枝部５１ｂ、５２ｂ、６１ｂ、６２ｂの現実的な最低間隔としては、０．４μｍが挙げられる。これは、ｉ線ステッパを用いたフォトリソグラフィ法により櫛歯電極５１、５２を形成する場合の値である。この場合に、ＳＡＷの波長λが１．６μｍ程度になり、Ｖｐが９０００程度以上になっていることにより、ＳＡＷ素子の動作周波数ｆが５．７ＧＨｚ程度以上になる。このように、本発明のＳＡＷ素子は、例えば無線ＬＡＮ用に割り当てられた周波数である５．７ＧＨｚに対応可能になっており、良好なデバイスを構成することが可能なＳＡＷ素子になっている。なお、図２（ｂ）から分かるように、Ｋ２が０．２程度以上でありながら、Ｖｐが１１５００程度になるように（ｘ, ｙ）を選択することも可能である。この場合には、ＳＡＷ素子の動作周波数が７．２ＧＨｚ程度になる。このように、本発明のＳＡＷ素子は、格段に動作周波数の高周波化が可能になっている。また、動作周波数を確保しつつ、枝部５１ｂ、５２ｂ、６１ｂ、６２ｂの間隔を広くすることもできる。これにより、製造コストを下げることや、ＩＤＴ６０、７０の微細化による電気特性の低下を防止することができる。
【００５０】
また、本発明者は、温度に対する特性変化率（温度係数ＴＣＦ）についても検討している。その結果、以下の式（９）を満たす場合にＴＣＦ＝０になり、式（１０）、（１１）をともに満たす範囲内であれば−１５＜ＴＣＦ＜１５になることを見出した。領域Ａ１は、式（１０）、（１１）をともに満たす範囲であるので−１５＜ＴＣＦ＜１５になる。したがって、使用環境程度の温度範囲においてＳＡＷの周波数の変動率が±１０００ｐｐｍの範囲内になり、温度変化に対して安定動作するＳＡＷ素子になる。
ｙ＝ ０．５５２×ｘ ・・・（９）
ｙ≦ ０．５５２×ｘ＋０．６９０ ・・・（１０）
ｙ≧ ０．５５２×ｘ−０．６９０ ・・・（１１）
【００５１】
図３（ａ）は、セザワ波の３次振動モードにおいて、窒化アルミニウム層の厚み及び酸化シリコン層の厚みに対する電気機械結合係数Ｋ２［％］を示す等高線図であり、図３（ｂ）は、セザワ波の３次振動モードにおいて、窒化アルミニウム層の厚み及び酸化シリコン層の厚みに対するＳＡＷの位相速度Ｖｐ［ｍ／ｓ］を示す等高線図である。図３（ａ）、（ｂ）において、横軸ｘは、０次振動モードのＳＡＷの波長λを用いて窒化アルミニウム層の厚みＨ１を無次元化した値であり、ｘ＝２πＨ１／λで表される。縦軸ｙは、波長λを用いて酸化シリコン層の厚みＨ２を無次元化した値であり、ｙ＝２πＨ２／λで表される。
【００５２】
本発明のもう１つの態様のＳＡＷ素子は、セザワ波の３次振動モードのＳＡＷを用いる素子であり、（ｘ, ｙ）が図３（ａ）、（ｂ）に示す領域Ａ２の外周を含む内部に位置するように、窒化アルミニウム層の厚みＨ１及び酸化シリコン層の厚みＨ２が選択されている。領域Ａ２は、以下の式（５）〜（８）をいずれも満たす領域である。
ｙ≦ ０．８１８×ｘ＋０．６８２ ・・・（５）
ｙ≦−０．２６６×ｘ＋２．９６０ ・・・（６）
ｙ≧−０．７００×ｘ＋２．２００ ・・・（７）
ｙ≧ ０．７５０×ｘ−０．７００ ・・・（８）
【００５３】
図３（ａ）、（ｂ）に示すように、本発明のＳＡＷ素子は（ｘ, ｙ）の値が領域Ａ２の内部に位置しているので、Ｋ２が０．２程度以上になっているとともに、Ｖｐが９０００程度以上になっている。したがって、セザワ波の２次振動モードのＳＡＷを用いる場合と同様の理由により、変換効率やＳＡＷの強度等を確保しつつ格段に動作周波数の高周波化が可能なＳＡＷ素子になっている。また、領域Ａ２は、前記の式（１０）、（１１）をともに満たす範囲内になっており、温度変化に対して安定動作するＳＡＷ素子になっている。また、領域Ａ２から選択されたＳＡＷ素子における３次振動モードのＳＡＷの伝播損失は、領域Ａ１から選択されたＳＡＷ素子における２次振動モードのＳＡＷの伝播損失よりも小さくなる。
【００５４】
図４（ａ）は、セザワ波の５次振動モードにおいて、窒化アルミニウム層の厚み及び酸化シリコン層の厚みに対する電気機械結合係数Ｋ２［％］を示す等高線図であり、図３（ｂ）は、セザワ波の５次振動モードにおいて、窒化アルミニウム層の厚み及び酸化シリコン層の厚みに対するＳＡＷの位相速度Ｖｐ［ｍ／ｓ］を示す等高線図である。図３（ａ）、（ｂ）において、横軸ｘは、０次振動モードのＳＡＷの波長λを用いて窒化アルミニウム層の厚みＨ１を無次元化した値であり、ｘ＝２πＨ１／λで表される。縦軸ｙは、波長λを用いて酸化シリコン層の厚みＨ２を無次元化した値であり、ｙ＝２πＨ２／λで表される。
【００５５】
本発明のもう１つの態様のＳＡＷ素子は、セザワ波の５次振動モードのＳＡＷを用いる素子であり、（ｘ, ｙ）が図５（ａ）、（ｂ）に示す領域Ａ３の外周を含む内部に位置するように、窒化アルミニウム層の厚みＨ１及び酸化シリコン層の厚みＨ２が選択されている。領域Ａ３は、以下の式（１３）〜（１６）をいずれも満たす領域である。
ｙ≦−０．８８９×ｘ＋６．５５６ ・・・（１３）
ｙ≦ ０．３３３×ｘ＋２．７６７ ・・・（１４）
ｙ≧−０．７００×ｘ＋３．８００ ・・・（１５）
ｙ≧ ０．３００×ｘ＋１．８００ ・・・（１６）
【００５６】
図４（ａ）、（ｂ）に示すように、本発明のＳＡＷ素子は（ｘ, ｙ）の値が領域Ａ３の内部に位置しているので、Ｋ２が０．１５程度以上になっているとともに、Ｖｐが９０００以上になっている。したがって、セザワ波の２次振動モードのＳＡＷを用いる場合と同様の理由により、変換効率やＳＡＷの強度等を確保しつつ格段に動作周波数の高周波化が可能なＳＡＷ素子になっている。また、（ｘ, ｙ）の値が領域Ａ３の内部に位置していると、使用環境程度の温度範囲においてＳＡＷの周波数の変動率が±２０００ｐｐｍの範囲内になる。
【００５７】
このように温度特性の観点では、（ｘ, ｙ）の値が領域Ａ３から選択されたＳＡＷ素子に比べて、領域Ａ１、Ａ２のいずれかから選択されたＳＡＷ素子の方が有利である。一方、（ｘ, ｙ）の値が領域Ａ３から選択される場合には、５次振動モードのＳＡＷの電極での反射係数が、領域Ａ１から選択される場合の２次振動モード、領域Ａ２から選択される場合の３次振動モードのいずれよりも格段に小さくなる。したがって、櫛歯電極の枝部の厚みや線幅に対して反射係数が鈍感になり、電極の形成ばらつきに対するマージンが大きくなる。よって、弾性表面波素子の製造ばらつきに対する許容範囲が広くなり、複数の弾性表面波素子における特性ばらつきが小さくなる。また、櫛歯電極の枝部について本数や配置の自由度が高くなり、櫛歯電極間に発生するＳＡＷの強度を高めることが容易になる。
【００５８】
また、（ｘ, ｙ）の値が領域Ａ３から選択される場合には、５次振動モードの伝播損失が領域Ａ１から選択される場合の２次振動モードよりも小さくなり、高効率なＳＡＷ素子を構成することが可能になる。
【００５９】
［実施例１］
次に、実施例１のＳＡＷ素子の製造方法及び特性について説明する。図４（ａ）は、実施例のＳＡＷ素子２００の概略構成を示す平面模式図であり、図４（ｂ）はＣ−Ｃ’線矢視断面図である。ＳＡＷ素子２００は、１ポート型共振子である点で前記実施形態のＳＡＷ素子１００と異なるが、断面構造についてはＳＡＷ素子１００と同様になっている。
【００６０】
図４（ａ）、（ｂ）に示すように、ＳＡＷ素子２００は、窒化アルミニウム層２３０と、窒化アルミニウム膜２３０上に設けられた酸化シリコン層２４０とを有している。窒化アルミニウム層２３０と酸化シリコン層２４０との間には、ＩＤＴ２５０及び反射器２７０が設けられている。ＩＤＴ２５０は、一対の櫛歯電極２５１、２５２からなっている。櫛歯電極２５１は幹部２５１ａと複数の枝部２５１ｂとを有しており、櫛歯電極２５２は幹部２５２ａと複数の枝部２５２ｂとを有している。反射器２７０は、一対のグレーティング電極２７１、２７２からなっている。グレーティング電極２７１、２７２は、枝部２５１ｂ、２５２ｂの延在方向と直交する方向において、櫛歯電極２５１、２５２を挟んで配置されている。酸化シリコン層２４０には、幹部２５１ａ、２５２ａを露出させる開口が設けられている。開口内に露出した部分の幹部２５１ａ、２５２ａは、厚膜化されることにより、それぞれ電極パッド２５１ｃ、２５２ｃとなっている。電極パッド２５１ｃ、２５２ｃは、それぞれリード端子（図示略）と電気的に接続されている。
【００６１】
このようなＳＡＷ素子２００を製造するには、まずシリコン基板２１０上にＣＶＤ法によりダイヤモンド層２２０を１０μｍの厚みに形成する。ダイヤモンド層２２０の形成方法としては、ＣＶＤ法の他にもＰＶＤ法、熱フィラメント法等の公知の方法を用いることができる。
【００６２】
次いで、ダイヤモンド層２２０上に、窒化アルミニウム層２３０を７５０ｎｍの厚みに形成する。窒化アルミニウム層２３０の形成方法としては、加熱蒸着法、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法等の公知の方法を用いることができる。なお、窒化アルミニウム層２３０は、良好な圧電性を発現させる観点から、Ｃ軸配向性が卓越するように配向制御を行って形成するとよい。Ｃ軸配向とは、窒化アルミニウム膜の（００１）面がシリコン基板２１０の面方向と平行になる配向を意味する。
【００６３】
次いで、窒化アルミニウム層２３０上に金属膜を形成する。金属膜は、後にＩＤＴ２５０及び反射器２７０になるものである。金属膜の形成材料としては、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、あるいはこれらを主材とする合金等の公知の導電材料を用いることができる。また、金属膜の形成方法としては、加熱蒸着法、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法等の公知の方法を用いることができる。ここでは、ＰＶＤ法でアルミニウムを６５ｎｍの厚みに成膜し、これを金属膜とする。
【００６４】
次いで、前記金属膜をフォトリソグラフィ法及びエッチング法を用いてパターニングして、ＩＤＴ２５０と反射器２７０とを一括して形成する。ここでは、枝部２５１ｂと枝部２５２ｂとをそれぞれ１５０本にするとともに、枝部２５１ｂと枝部２５２ｂとの間隔を０．９μｍにする。これにより、発生するＳＡＷの０次振動モードの波長λが３．６μｍになる。枝部２５１ｂ、２５２ｂの延在方向の長さとしては、波長λの５０倍、すなわち１８０μｍにする。反射器２７０のグレーティング電極２７１、２７２は、それぞれグレーティング本数を２００本にする。グレーティング本数とは、グレーティング電極２７１、２７２の各々において、枝部２５１ｂ、２５２ｂと平行に延びる帯状部の本数である。
なお、ここでは電極（ＩＤＴ２５０）の膜みＨ３が６５ｎｍであり、波長λが３．６μｍであるので、Ｚ＝２πＨ３／λ）とおくとＺ＝０．１１程度になる。
【００６５】
次いで、窒化アルミニウム層２３０、ＩＤＴ２５０、及び反射器２７０を覆って酸化シリコン層２４０を６００ｎｍの厚みに形成する。酸化シリコン層２４０の形成方法としては、加熱蒸着法、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法等の公知の方法を用いることができる。そして、フォトリソグラフィ法及びエッチング法を用いて酸化シリコン層２４０に、幹部２５１ａ２５２ａをそれぞれ露出させる開口を形成する。そして、露出した部分の幹部２５１ａ、２５２ａを厚膜化することにより電極バッド２５１ｃ、２５２ｃを形成する。厚膜化する方法としては、加熱蒸着法、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法、めっき法等の公知の方法を用いることができる。また、幹部２５１ａ、２５２ａと電極バッド２５１ｃ、２５２ｃとで、材質を異ならせてもよい。そして、電極バッド２５１ｃ、２５２ｃの各々に、入出力端子として機能するリード端子を設けること等によりＳＡＷ素子２００が得られる。
【００６６】
次に、図５、図６（ａ）、（ｂ）を参照しつつ、ＳＡＷ素子２００の特性について説明する。ＳＡＷ素子２００の特性を調査するために、まず、ＳＡＷ素子２００の入力端子にネットワークアナライザにより高周波信号を印加し、出力端子から取り出される高周波信号を測定した。これにより、入力端子から出力端子への通過特性が得られ、図５に示すようなＳＡＷ素子２００のＳ１１特性が得られた。このグラフにより、ＳＡＷの位相速度Ｖｐが２次振動モードでは９３００ｍ／ｓ程度であり、３次振動モードでは１１５００ｍ／ｓ程度であることが分かる。
【００６７】
一般的なＳＡＷ素子としては、圧電単結晶基板からなるものや、ガラス基板上に圧電体薄膜を形成したものが挙げられる。このようなＳＡＷ素子において位相速度は３０００〜７０００ｍ／ｓ程度である。本実施例のＳＡＷ素子２００は、位相速度が格段に向上されているので、動作周波数を格段に高めることが可能である。
【００６８】
また、図６（ａ）に示した２次振動モードのＳ１１インピーダンス特性により、共振周波数ｆｒ、反共振周波数ｆａが求まり、２次振動モードでは電気機械結合係数Ｋ２が０．４５％程度であることが分かる。また、図６（ｂ）に示した２次振動モードのＳ１１インピーダンス特性により、３次振動モードでは電気機械結合係数Ｋ２が０．８７％程度であることが分かる。このように、本実施例のＳＡＷ素子２００は、電気機械結合係数Ｋ２が０．２以上に確保されているので、良好に機能させることが可能である。なお、各振動モードにおける電気機械結合係数Ｋ２［％］は、以下の式（１２）により算出される。
Ｋ２＝（π２／４）・（ｆｒ／ｆａ）・（ｆａ−ｆｒ）／ｆａ・１００・・・（１２）
【００６９】
また、ＳＡＷ素子２００の動作環境温度が−２５℃、０℃、２５℃、５０℃、７５℃である条件下で、ＳＡＷの位相速度を前記の手法により測定した。得られた測定値を線形近似することにより、規格化した位相速度について温度係数ＴＣＦ［ｐｐｍ／℃］を算出した。その結果、温度係数ＴＣＦが２次振動モードでは６ｐｐｍ／℃程度であり、３次振動モードでは５ｐｐｍ／℃程度であった。つまり、動作環境温度が−２５〜７５℃の間で変化しても、規格化した位相速度の変化量が、２次振動モードでは±２５０ｐｐｍの範囲内に収まり、２次振動モードでは±３００ｐｐｍの範囲内に収まることが分かる。
【００７０】
一般に、ＳＡＷ素子の特性の変化量は、使用環境温度が−４５〜８５℃の範囲内で±１０００ｐｐｍの範囲内であれば許容される。すなわち、ＳＡＷ素子のＴＣＦとしては、絶対値が１５ｐｐｍ／℃未満であれば許容される。本実施例のＳＡＷ素子２００は、ＴＣＦが許容値よりも格段に小さくなっているので、温度変化に対して安定動作する優れた耐候性のものになっている。
【００７１】
また、ＳＡＷ素子の窒化アルミニウム層の厚みと酸化シリコン層の厚みとを変化させつつ、以上のようなＳＡＷ素子の特性評価を行った。特性評価により得られた電気機械結合係数Ｋ２、位相速度Ｖｐは、いずれも図３（ａ）、（ｂ）、図４（ａ）、（ｂ）に示した数値シミュレーション結果と良好に一致した。また、温度係数ＴＣＦについても評価結果と数値シミュレーション結果とで良好に一致した。
【００７２】
［実施例２］
次に、実施例２のＳＡＷ素子の特性について説明する。実施例２のＳＡＷ素子は２ポート型のＳＡＷフィルタであり、図１に示したＳＡＷ素子１００と同様の構成になっている。実施例２のＳＡＷ素子は、実施例１と同様の製造方法にて製造されるが、構成要素の寸法等が実施例１と異なる。実施例２のＳＡＷ素子は、ＳＡＷの波長λが１、６μｍ、窒化アルミニウム層の厚みＨ１を無次元化した値ｘ（ただし、ｘ＝２πＨ１／λ）が３．０６、酸化シリコン層の厚みＨ２を無次元化した値ｙ（ただし、ｙ＝２πＨ２／λ）が３．１４になっている。すなわち、実施例２は（ｘ, ｙ）の値が領域Ａ３から選択されている。
【００７３】
また、ＩＤＴの厚みＨ３を無次元化した値Ｚ（ただし、Ｚ＝２πＨ２／λ）が０．２６になっている。櫛歯電極の枝部が５０対（一対の櫛歯電極での総数が１００本）、一対の櫛歯電極において枝部が交差する部分における枝部の配置方向の寸法（交差幅）が３０λになっている。反射器を構成する一対のグレーティング電極は、それぞれのグレーティング本数が２００本になっている。
【００７４】
図８は、実施例２のＳＡＷ素子における５次振動モードのＳＡＷに関して、Ｓ２１特性の計算値と実験値との比較を示すグラフである。図８に示す計算値のデータは、数値シミュレーションにより得られた値であり、実験値の値はネットワークアナライザを用いた測定により得られた値である。図８に示すように、計算値の波形、実験値の波形いずれにおいても、周波数が６．３５ＧＨｚ程度の部分に中心周波数に対応するピークがあらわれている。このピーク付近で、計算値の波形は、実験値の波形と極めてよく一致しており、数値シミュレーションにより中心周波数を高精度に推定可能であることがわかる。また、推定された中心周波数とＳＡＷの波長とを用いればＳＡＷの位相速度が求まるため、ＳＡＷの位相速度を数値シミュレーションにより高精度に推定することが可能である。この実施例２のＳＡＷ素子は、中心周波数が６．３ＧＨｚ程度、挿入損失が６．６ｄＢ程度、Ｑ値が４５０程度であり、極めて良好な特性であった。
【００７５】
図９は、実施例２〜４のＳＡＷ素子について特性の測定値の比較を示す表１である。実施例２のＳＡＷ素子は、前記したように（ｘ, ｙ）の値が領域Ａ３から選択された（３．０６, ３．１４）である。実施例３のＳＡＷ素子は（ｘ, ｙ）の値が領域Ａ１から選択された（１．３６, ０．７０）であり、実施例４のＳＡＷ素子は（ｘ, ｙ）の値が領域Ａ２から選択された（１．３６, １．０５）である。
【００７６】
図９の表１に示すように温度係数は、実施例２で６．０ｐｐｍ／℃、実施例３で−１．０ｐｐｍ／℃、実施例４で０．０ｐｐｍ／℃になっている。このように実施例２〜４のＳＡＷ素子は、温度変化に対してＳＡＷの周波数の変動率が極めて小さくなっており、耐候性に優れていることが分かる。特に、実施例３、４のＳＡＷ素子は、実施例２のＳＡＷ素子よりも耐候性の点で優位である。
【００７７】
反射係数は、実施例２で２．０％、実施例３で５．５％、実施例４で６．５％になっている。このように実施例２〜４のＳＡＷ素子は、反射係数が極めて小さくなっており、櫛歯電極での反射による損失が低減されている。特に、実施例２のＳＡＷ素子は、実施例３、４のＳＡＷ素子よりも反射係数が格段に低くなっている。すなわち、実施例２のＳＡＷ素子は、櫛歯電極で反射したＳＡＷの干渉影響が小さくなるので、櫛歯電極の厚みばらつきによる特性ばらつきが小さくなる点で優位である。また、実施例２のＳＡＷ素子は、櫛歯電極の枝部の本数を増やすことや枝部の配置を変更することが容易になる点でも優位である。
【００７８】
伝播損失は、実施例２で０．０３ｄＢ／λ、実施例３で０．０５ｄＢ／λ、実施例４で０．０２ｄＢ／λになっている。このように実施例２〜４のＳＡＷ素子は、伝播損失が極めて小さくなっており、高効率なＳＡＷ素子になっている。特に、実施例２、４のＳＡＷ素子は、実施例３のＳＡＷ素子よりも伝播損失が小さい点で優位である。
【００７９】
以上のように本発明のＳＡＷ素子にあっては、圧電材料として窒化アルミニウムを用いているので、酸化亜鉛を用いる場合よりもＩＤＴと圧電材料層とのヤング率の差が小さくなる。したがって、ＩＤＴの端部におけるＳＡＷの反射係数が小さくなり、反射係数を小さくするためにＩＤＴを薄厚化する必要や、反射による干渉を低減するために櫛歯電極の枝部の数を減らす必要がなくなる。よって、ＳＡＷの損失を低減しつつＳＡＷ素子の電気特性を高めることができ、良好な特性のＳＡＷ素子になる。
【００８０】
また、位相速度Ｖｐを９０００ｍ／ｓ以上にすることができるので、ＳＡＷの周波数を高周波化（例えば、５．７ＧＨｚ以上）にすることが可能になる。また、電気機械結合係数ｋ２を０．２％程度以上にすることができるので、電気信号と弾性表面波との間の変換効率を確保することができる。また、特性変化の温度係数が１５ｐｐｍ／℃未満になるので、優れた耐候性のものになる。
このように本発明のＳＡＷ素子は優れた特性のものになっているので、バンドパスフィルタや基準クロック源等に本発明のＳＡＷ素子を適用することにより、格段に高性能なデバイスが得られるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】（ａ）は本実施形態のＳＡＷ素子の斜視模式図、（ｂ）は断面図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ２次振動モードの特性を示すグラフである。
【図３】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ３次振動モードの特性を示すグラフである。
【図４】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ５次振動モードの特性を示すグラフである。
【図５】（ａ）は実施例のＳＡＷ素子の平面模式図、（ｂ）は断面図である。
【図６】実施例のＳＡＷ素子のＳ１１特性を示すグラフである。
【図７】（ａ）、（ｂ）は実施例１のＳ１１インピーダンス特性を示すグラフである。
【図８】Ｓ２１特性について計算値と実験値との比較を示すグラフである。
【図９】実施例２〜４の特性の比較を示す表である。
【符号の説明】
【００８２】
１００、２００・・・ＳＡＷ素子（弾性表面波素子）、２０、２２０・・・ダイヤモンド層、３０、２３０・・・窒化アルミニウム層、４０、２４０・・・酸化シリコン層、５０、６０、２５０・・・ＩＤＴ（一対の電極）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性表面波素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から携帯電話等の電気通信機器には、フィルタや共振子等の用途で弾性表面波素子が用いられている。弾性表面波素子は、弾性体の表面を伝播する弾性表面波（以下、ＳＡＷと称す）を利用した電気機械変換素子である（例えば、特許文献１）。
【０００３】
特許文献１のＳＡＷ素子は、ダイヤモンドからなる硬質層、硬質層上に形成されたＺｎＯ層（圧電材料層）、ＺｎＯ層上に形成された二酸化珪素層（温度補償層）、及びＺｎＯ層と二酸化珪素層との間に形成された電極（インターディジタルトランスデューサ、以下ＩＤＴと称す）を有している。ＩＤＴは一対の櫛歯電極により構成されており、ＩＤＴに電気信号を供給すると一対の櫛歯電極の間に電圧が印加される。すると、櫛歯電極間のＺｎＯ層に逆圧電効果による歪を生じ、弾性表面波が発生する。
【０００４】
弾性表面波の周波数ｆ、位相速度Ｖｐ、及び波長λの間には、式（ｆ＝Ｖｐ／λ）により表される関係がある。位相速度Ｖｐは、弾性表面波の振動モードや圧電材料層、温度補償層等の材質や厚み等に依存し、波長λは、弾性表面波の振動モードや櫛歯電極の間隔等に依存する。このようにＳＡＷ素子の構成により弾性表面波の周波数ｆが規定されるので、弾性表面波を電気信号に変換することにより、高精度な周波数の電気信号が得られる。
【０００５】
近年、電気通信機器には通信速度や通信データ容量の向上が求められており、ＳＡＷ素子には動作の高周波化、温度変化に対する特性安定化、変換効率の向上等が期待されている。前記の式から分かるように、高周波化するためには位相速度Ｖｐを大きくすればよく、また波長λを小さくしてもよい。波長λを小さくするためには、櫛歯電極の間隔を狭くする必要があり、製造コストが高くなってしまう。そのため、特許文献１のように、位相速度Ｖｐを大きくすることにより高周波化する手法がよく用いられる。
【特許文献１】特許第３２０５９７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の技術を用いても動作周波数以外の特性を向上させることができないおそれがある。
特許文献１のように圧電材料としてＺｎＯを用いると、櫛歯電極間で発生した弾性表面波の櫛歯電極での反射係数が比較的高くなる。これは、ＺｎＯ層と櫛歯電極とでの硬さ（ヤング率）の差が大きいこと等に起因している。反射係数が高くなると、弾性表面波の損失が大きくなりＳＡＷ素子の特性が低下してしまう。櫛歯電極を薄厚化すれば反射係数を低くすることができるが、櫛歯電極が高抵抗になることによりＳＡＷ素子の電気特性が低下してしまう。
【０００７】
このような不都合を回避するためには、圧電材料層のヤング率を高くすることにより、反射係数を下げればよいと考えられる。しかしながら、ＺｎＯとヤング率が異なる圧電材料を用いると、位相速度Ｖｐや電気機械結合係数等がＺｎＯを用いる場合と異なってしまう。すると、ＳＡＷ素子の動作周波数や変換効率が変化してしまうので、ＳＡＷ素子を所望の特性に設計するために多大の労力が必要になる。
【０００８】
特に、特許文献１のように温度補償層を設けると温度変化に対して特性を安定化することができるが、構成要素が増えることにより設計がさらに困難になる。結果的に、所望の特性のＳＡＷ素子にすることが困難になり、ＳＡＷ素子の特性向上を図ることができなくなる。
【０００９】
本発明は、前記事情に鑑み成されたものであって、動作の高周波化に対応可能であり、しかも耐候性及び電気特性に優れるＳＡＷ素子を提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の弾性表面波素子は、ダイヤモンド層と、前記ダイヤモンド層上に設けられた窒化アルミニウム層と、前記窒化アルミニウム層上に設けられた酸化シリコン層と、前記窒化アルミニウム層と前記酸化シリコン層との間に設けられ、前記窒化アルミニウム層に電圧を印加する一対の電極と、を有し、前記窒化アルミニウム層の厚みＨ１、前記酸化シリコン層の厚みＨ２、及び弾性表面波の波長λを用いて定義される（ｘ、ｙ）が、以下の式（１）〜（４）、
ｙ≦ ０．７５０×ｘ＋０．３２５ ・・・（１）
ｙ≦−０．３００×ｘ＋１．６９０ ・・・（２）
ｙ≧−０．５００×ｘ＋０．９５０ ・・・（３）
ｙ≧ ０．７００×ｘ−０．６１０ ・・・（４）
（ただし、ｘ＝２πＨ１／λ、ｙ＝２πＨ２／λ）
をともに満たす範囲内であることを特徴とする。
【００１１】
このようにすれば、一対の電極により電圧を印加された部分において窒化アルミニウム層（圧電材料層）に歪が生じ、歪により弾性表面波が発生する。窒化アルミニウム層は、一対の電極との界面における弾性表面波の反射係数が酸化亜鉛からなる圧電材料層よりも低いので、一対の電極が弾性表面波に及ぼす影響が小さくなる。したがって、電極を薄厚化しなくとも反射係数を小さくすることができ、効率的に弾性表面波を発生させることが可能になるので良好な電気特性の弾性表面素子にすることができる。
【００１２】
また、ダイヤモンド層や窒化アルミニウム層が温度上昇に伴って軟化するのに対して、酸化シリコン層が温度上昇に伴って硬化するので、酸化シリコン層が設けられていることにより弾性表面波素子全体としては温度変化に対する特性変化が小さくなる。
【００１３】
以上のように、ダイヤモンド層、窒化アルミニウム層、及び酸化シリコン層からなる３層構造にすることにより良好な特性の弾性表面波素子になる。このような構造の弾性表面波素子において、電気機械結合係数、表面弾性波の位相速度、及びこれらの温度依存性は、各層の厚みに依存している。ダイヤモンド層は、弾性表面波の伝播に伴って厚み方向において振動する範囲以上の厚みであれば、弾性表面波素子の特性に対する影響が小さい。一方、窒化アルミニウム層、及び酸化シリコン層は、各々の厚みを変化させると弾性表面波素子の特性が大きく変化する。しかしながら、電気機械結合係数、表面弾性波の位相速度、及びこれらの温度依存性等を所定の値にするために、各層の厚みをいかなる値に設定すればよいか不明であるので、所望の特性の弾性表面波素子にすることは困難である。
【００１４】
本発明者は、有限要素法（ＦＥＭ）における数値モデルを改良開発し、窒化アルミニウム層の厚みと酸化シリコン層の厚みとを変化させつつ数値シミュレーションを行った。また、比較実験により数値シミュレーションの精度評価を行ったところ、十分な精度であることが確認された。後に実施例２で説明するが、ＳＡＷの位相速度に関しては実験値と計算値との違いが数％以下であった。この数値シミュレーションの結果により、アルミニウム層の厚みＨ１と酸化シリコン層の厚みＨ２とを、前記の式（１）〜（４）をともに満たす範囲内に規定することにより、以下の格段に優れた特性が得られることが分かった。
【００１５】
詳しくは［発明を実施するための最良の形態］で説明するが、セザワ波の２次振動モードにおける位相速度Ｖｐが９０００ｍ／ｓ以上、電気機械結合係数ｋ２が０．２％程度以上、−４５〜８５℃の温度範囲において弾性表面波の周波数の変動率が±１０００ｐｐｍの範囲内になる。位相速度Ｖｐを９０００ｍ／ｓ以上にすることができるので、弾性表面波を高周波化（例えば、５．７ＧＨｚ以上に）することができ、高周波化に対応可能な弾性表面素子になる。また、電気機械結合係数ｋ２を０．２％程度以上にすることができるので、電気信号と弾性表面波との間の変換効率を確保することができ、良好に機能する弾性表面波素子になる。また、温度変化による周波数の変動率が±１０００ｐｐｍの範囲内になるので、温度変化に対して安定に動作する弾性表面波素子になる。
【００１６】
このように、本発明によれば格段に優れた特性の弾性表面波素子になるので、セザワ波の２次振動モードを用いるバンドパスフィルタや基準クロック源等に本発明の弾性表面波素子を適用することにより、格段に高性能なデバイスが得られるようになる。
【００１７】
本発明の弾性表面波素子は、ダイヤモンド層と、前記ダイヤモンド層上に設けられた窒化アルミニウム層と、前記窒化アルミニウム層上に設けられた酸化シリコン層と、前記窒化アルミニウム層と前記酸化シリコン層との間に設けられ、前記窒化アルミニウム層に電圧を印加する一対の電極と、を有し、前記窒化アルミニウム層の厚みＨ１、前記酸化シリコン層の厚みＨ２、及び弾性表面波の波長λを用いて定義される（ｘ、ｙ）が、以下の式（５）〜（８）、
ｙ≦ ０．８１８×ｘ＋０．６８２ ・・・（５）
ｙ≦−０．２６６×ｘ＋２．９６０ ・・・（６）
ｙ≧−０．７００×ｘ＋２．２００ ・・・（７）
ｙ≧ ０．７５０×ｘ−０．７００ ・・・（８）
（ただし、ｘ＝２πＨ１／λ、ｙ＝２πＨ２／λ）
をともに満たす範囲内であることを特徴とする。
【００１８】
このようにすれば、セザワ波の２次振動モードと同様の理由により良好な電気特性の弾性表面素子にすることができる。詳細は［発明を実施するための最良の形態］で説明するが、セザワ波の３次振動モードにおける位相速度Ｖｐが９０００ｍ／ｓ以上、電気機械結合係数ｋ２が０．２％以上、−４５〜８５℃の温度範囲において弾性表面波の周波数の変動率が±１０００ｐｐｍの範囲内になる。これにより、高周波化に対応可能であり、しかも耐候性及び電気特性に優れる弾性表面波素子になる。したがって、セザワ波の３次振動モードを用いるバンドパスフィルタや基準クロック源等に本発明の弾性表面波素子を適用することにより、格段に高性能なデバイスが得られるようになる。
【００１９】
本発明の弾性表面波素子は、ダイヤモンド層と、前記ダイヤモンド層上に設けられた窒化アルミニウム層と、前記窒化アルミニウム層上に設けられた酸化シリコン層と、前記窒化アルミニウム層と前記酸化シリコン層との間に設けられ、前記窒化アルミニウム層に電圧を印加する一対の電極と、を有し、前記窒化アルミニウム層の厚みＨ１、前記酸化シリコン層の厚みＨ２、及び弾性表面波の波長λを用いて定義される（ｘ、ｙ）が、以下の式（１３）〜（１６）、
ｙ≦−０．８８９×ｘ＋６．５５６ ・・・（１３）
ｙ≦ ０．３３３×ｘ＋２．７６７ ・・・（１４）
ｙ≧−０．７００×ｘ＋３．８００ ・・・（１５）
ｙ≧ ０．３００×ｘ＋１．８００ ・・・（１６）
（ただし、ｘ＝２πＨ１／λ、ｙ＝２πＨ２／λ）
をともに満たす範囲内であることを特徴とする。
【００２０】
このようにすれば、セザワ波の２次振動モードと同様の理由により良好な電気特性の弾性表面素子にすることができる。詳細は［発明を実施するための最良の形態］で説明するが、セザワ波の５次振動モードにおける位相速度Ｖｐが９０００ｍ／ｓ以上になり高周波化に対応可能になる。また、電気機械結合係数ｋ２が０．１％以上になり、電気信号と弾性表面波との間の変換効率を確保することができる。なお、電気機械結合係数ｋ２が０．３％以上となる範囲から窒化アルミニウム層の膜厚と、酸化シリコン層の膜厚を選択することもでき、これにより変換効率を向上させることができる。また、−４５〜８５℃の温度範囲において弾性表面波の周波数の変動率が±２０００ｐｐｍの範囲内になる。
【００２１】
また、セザワ波の２次振動モードや３次振動モードに比べて反射係数が小さくなり、効率的に弾性表面波を発生させることが可能になる。また、反射係数が小さくなることにより、電極の厚み等に対して反射係数が鈍感になる。したがって、製造ばらつきに対する許容範囲が広くなり、複数の弾性表面波素子における特性ばらつきが小さくなる。
【００２２】
以上のように本発明によれば、高周波化に対応可能であり、しかも耐候性及び電気特性に優れる弾性表面波素子になる。したがって、セザワ波の５次振動モードを用いるバンドパスフィルタや基準クロック源等に本発明の弾性表面波素子を適用することにより、格段に高性能なデバイスが得られるようになる。
【００２３】
また、前記電極の厚みＨ３、及び弾性表面波の波長λを用いて定義される値Ｚ（ただし、Ｚ＝２πＨ３／λ）が、Ｚ≦０．３５を満たすことが好ましい。
このようにすれば、電極の端部における弾性表面波の反射係数が１５％未満になり、電極の端部における弾性表面波の反射による損失が無視できる程度に小さくなる。また、窒化アルミニウム膜や酸化シリコン膜の厚みに対する電極の厚みが、弾性表面波素子の特性にほとんど影響を与えない程度に薄くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の一実施形態を説明するが、本発明の技術範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以降の説明では図面を用いて各種の構造を例示するが、構造の特徴的な部分を分かりやすく示すために、図面中の構造はその寸法や縮尺を実際の構造に対して異ならせて示す場合がある。
【００２５】
図１（ａ）は、本実施形態の弾性表面波（以下、ＳＡＷと称す）素子１００の構成を示す斜視模式図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ’線矢視断面図である。本実施形態のＳＡＷ素子１００は、トランスバーサル型のＳＡＷフィルタである。図１（ａ）に示すように、ＳＡＷ素子１００は、基板１０上に設けられたダイヤモンド層２０と、ダイヤモンド層２０上に設けられた窒化アルミニウム層３０と、窒化アルミニウム層３０上に設けられた酸化シリコン層４０と、を備えている。
【００２６】
窒化アルミニウム層３０と酸化シリコン層４０との間には、一対のグレーティング電極７１、７２が設けられている。一対のグレーティング電極７１、７２により、反射器７０が構成される。一対のグレーティング電極７１、７２の間には、一対のインターディジタルトランスデューサ（以下、ＩＤＴと称す）５０、６０が設けられている。ここでは、ＩＤＴ５０が電気信号の入力部として機能し、ＩＤＴ６０が電気信号の出力部として機能する。
【００２７】
以下、図１（ａ）に示したＸＹＺ直交座標系を設定し、これに基づいて部材の位置関係を説明する。このＸＹＺ直交座標系において、ＳＡＷ素子１００の面方向において、一対のＩＤＴ５０、６０が並ぶ方向をＸ方向、Ｘ方向と直交する方向をＹ方向、ＳＡＷ素子１００の面方向と直交する厚み方向をＺ方向とする。なお、ＳＡＷ素子１００において、ＩＤＴ５０からＩＤＴ６０に向かって（Ｘ方向に沿って）伝播したＳＡＷが電気信号として取り出されるようになっている。一対のグレーティング電極７１、７２は、Ｘ方向において、ＩＤＴ５０、６０を挟んで配置されている。
【００２８】
本実施形態の基板１０は、シリコンからなるものである。基板としては、シリコン以外の半導体材料からなる基板、ガラス材料からなる基板、セラミックス材料からなる基板、ポリイミド又はポリカーボネイト等の樹脂材料からなる基板等のいずれを用いても良い。また、ダイヤモンド層２０を基板１０として機能させ、基板１０を省くこともできる。
【００２９】
ダイヤモンド層２０は、ＳＡＷが伝播する伝播媒体として機能する。ダイヤモンド層２０としては、単結晶のもの、多結晶のもの、非晶質のもの、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）からなるもの、のいずれを用いても良い。ＤＬＣは、炭素と水素とからなる組成物であり、水素の方が組成比が小さいものである。ＤＬＣの特徴としては、非晶質であること、一般の金属よりも硬度が高いこと、絶縁性であること、透光性を有すること等が挙げられる。
【００３０】
ダイヤモンド層２０の厚みとしては、ＳＡＷの振動範囲が基板１０に及ばないように、振幅の２倍以上にすればよい。ダイヤモンド層２０の厚みが増すとＳＡＷの位相速度が高くなるが、ＳＡＷの振動が基板１０に伝わらない程度の厚み以上にしても位相速度がほとんど変わらなくなる。
【００３１】
窒化アルミニウム層３０は、圧電材料である窒化アルミニウムからなっている。ＩＤＴ５０により電圧波形が印加されると、窒化アルミニウム層３０に歪みを生じて、電圧波形に応じたＳＡＷが発生する。詳しくは後述するが、窒化アルミニウム層３０の厚みは、酸化シリコン層４０の厚みと所定の関係を満たす範囲内から選択されている。
【００３２】
ＩＤＴ５０は、一対の櫛歯電極５１、５２からなっている。櫛歯電極５１は、複数の枝部５１ｂと、複数の枝部５１ｂに共通して設けられた幹部５１ａとからなっている。なお、図１（ａ）、（ｂ）には、３本の枝部５１ｂを図示しているが、実際には多数（例えば１５０本、櫛歯電極５１、５２の合計で３００本）設けられる。
【００３３】
複数の枝部５１ｂの各々は、ＩＤＴ５０、６０が並ぶ方向（Ｘ方向）の直交方向（Ｙ方向）に延設されている。複数の枝部５１ｂは、互いに平行になっており、Ｘ方向において等間隔で並んでいる。幹部５１ａは、複数の枝部５１ｂの各々における一方の端部と連続している。幹部５１ａは、電気信号の供給源と電気的に接続されており、ＳＡＷ素子１００における入力側の電極パッドとして機能する。幹部５１ａ及び複数の枝部５１ｂは、いずれも導電材料からなっており、ここでは幹部５１ａ及び複数の枝部５１ｂが一体に形成されている。
【００３４】
櫛歯電極５１の厚みとしては、厚みＨ３、０次振動モード（レイリー波）のＳＡＷの波長λとしたときに、Ｚ＝２πＨ３／λ≦０．３５を満たすことが好ましい。Ｚが０．３５を超えると、枝部５１ｂ、５２ｂの各々に入射するＳＡＷの反射係数が１５％を超えるようになり、ＳＡＷ素子の損失が無視できなくなるからである。また、前記の範囲を満たすことにより、櫛歯電極５１が窒化アルミニウム膜３０や酸化シリコン膜４０よりも十分に薄くなり、櫛歯電極５１がＳＡＷ素子の特性に与える影響が無視できる程度に小さくなる。なお、ここで言うＳＡＷ素子の特性とは、電気機械結合係数Ｋ２［％］、ＳＡＷの位相速度Ｖｐ［ｍ／ｓ］、温度係数ＴＣＦ［ｐｐｍ／℃］のことである。
【００３５】
櫛歯電極５２は、櫛歯電極５１と同様の形状になっており、幹部５２ａと複数の枝部５２ｂとからなっている。Ｙ方向において枝部５１ｂ及び５２ｂを挟む一方の側（Ｙ正方向側）に幹部５１ａが配置されており、他方の側（Ｙ負方向側）に幹部５２ａが配置されている。Ｘ方向において枝部５１ｂ、５２ｂは、交互に等間隔で並んでいる。
【００３６】
ＩＤＴ５０に電気信号が入力されると、枝部５１ｂ、５２の間に電気信号に応じた電圧波形が印加され、ＳＡＷが発生する。本実施形態のように、枝部５１ｂ、５２ｂが交互に並ぶ櫛歯電極５１、５２では、発生するＳＡＷの波長λが枝部５１ｂ、５２ｂの間隔ｄを用いて、λ＝４ｄで表される。
【００３７】
ＩＤＴ６０は、ＩＤＴ５０と同様の形状になっており、櫛歯電極６１、６２からなっている。櫛歯電極６１は、幹部６１ａと複数の枝部６１ｂとからなっており、櫛歯電極６２は、幹部６２ａと複数の枝部６２ｂとからなっている。ＩＤＴ６０にＳＡＷが入射すると、ＳＡＷの振動に伴う窒化アルミニウム層３０の歪みに応じて、枝部６１ｂ、６２ｂの間に電位差が生じる。この電位差により、ＩＤＴ６０から電気信号が出力される。
【００３８】
グレーティング電極７１は、ＩＤＴ５０からグレーティング電極７１に向かって伝播するＳＡＷを反射させて、ＩＤＴ６０側に伝播させるものである。グレーティング電極７１は、枝部５１ｂ、５２ｂと同じ方向に延在する複数の帯状部を有している。複数の帯状部は、互いに平行して等間隔で並んでいる。なお、図１（ａ）、（ｂ）には、５本の帯状部を図示しているが、実際には多数（例えば２００本）設けられる。
グレーティング電極７２は、ＩＤＴ６０からグレーティング電極７２に向かって伝播するＳＡＷを反射させて、ＩＤＴ５０側に伝播させるものである。グレーティング電極７１、７２により反射器７０が構成され、ＳＡＷは、反射器７０の内側で往復する。
【００３９】
酸化シリコン層４０は、窒化アルミニウム層３０と、ＩＤＴ５０、６０、及び反射器７０を覆って設けられている。一般に、ＳＡＷ素子の使用環境程度の温度範囲（例えば、−４５°〜８５℃）において、ダイヤモンド膜や窒化アルミニウム膜は温度上昇とともに軟化するのに対し、酸化シリコン膜は温度上昇とともに硬化する。ダイヤモンド層２０、窒化アルミニウム層３０、酸化シリコン層４０からなる積層体全体では、各層の軟化による影響と硬化による影響とが打ち消し合うため、温度変化による周波数の変動が抑制される。前記の温度範囲において温度に対する周波数の変動率の許容範囲としては、例えば±１０００ｐｐｍ程度である。したがって、周波数の変動率の温度係数ＴＣＦ［ｐｐｍ／℃］の許容範囲としては、例えば−１５＜ＴＣＦ＜１５程度になる。
詳しくは後述するが、酸化シリコン層４０の厚みは、窒化アルミニウム層３０の厚みと所定の関係を満たす範囲内から選択されていることにより、ＴＣＦが前記の許容範囲に収まるようになっている。
【００４０】
従来から、酸化亜鉛膜を圧電材料層に用いたＳＡＷ素子が提案されている。酸化亜鉛膜は電極よりもヤング率が低いため、酸化亜鉛膜から電極に面方向に沿って入射するＳＡＷが電極端部で反射しやすくなる。すると、電極端部で反射したＳＡＷが干渉を生じてしまい、ＳＡＷの損失が大きくなる。このようなＳＡＷの損失を減らすためには、ＳＡＷの干渉を減らすことや電極端部での反射係数を低くすることが考えられる。
【００４１】
ＳＡＷの干渉を減らす手法としては、櫛歯電極の形状（例えば枝部の本数や配置）を調整することが考えられる。この手法によると、櫛歯電極の形状がＳＡＷの発生に適しない形状になってしまう。電極端部での反射係数を小さくする手法としては、電極を薄厚化することが考えられる。この手法によると、電極が高抵抗化してしまい、ＳＡＷ素子の電気特性が低下してしまう。特に、携帯電話等の小型のデバイスに用いられるＳＡＷ素子の場合には、駆動電圧が高くなることによりデバイスを構成すること自体が難しくなる。
【００４２】
反射係数を小さくする手法としては、電極とのヤング率の差が酸化亜鉛膜よりも小さい膜（例えば窒化アルミニウム膜）で圧電材料層を構成することも考えられる。しかしながら、窒化アルミニウムで圧電材料層を構成し、かつ所望のＳＡＷ素子とするためには、以下の理由により多大な労力を要する。
酸化亜鉛膜で圧電材料層を構成する場合には、酸化亜鉛膜の厚みとＳＡＷ素子の特性との関係性が公知になっているので、ＳＡＷ素子の所望の特性に応じた厚みに圧電材料膜を設計することが容易である。一方、酸化アルミニウム膜で圧電材料層を構成する場合に、温度依存性を低減する観点から温度補償層として酸化シリコン膜を形成すると、酸化アルミニウム膜の厚みと酸化シリコン膜の厚みとがＳＡＷ素子の特性に及ぼす影響が不明であるので、所望の特性のＳＡＷ素子を得ることが非常に難しい。
【００４３】
本発明者は、有限要素法（ＦＥＭ）に基づく数値モデルを改良開発し、窒化アルミニウム層の厚みと酸化シリコン層の厚みとを変化させつつ数値シミュレーションを行った。また、比較実験により数値シミュレーションの精度評価を行ったところ、十分な精度であることが確認された。以下、数値シミュレーションの結果について説明する。
【００４４】
図２（ａ）は、セザワ波の２次振動モードにおいて、窒化アルミニウム層の厚み及び酸化シリコン層の厚みに対する電気機械結合係数Ｋ２［％］を示す等高線図（コンター）であり、図２（ｂ）は、セザワ波の２次振動モードにおいて、窒化アルミニウム層の厚み及び酸化シリコン層の厚みに対するＳＡＷの位相速度Ｖｐ［ｍ／ｓ］を示す等高線図である。図２（ａ）、（ｂ）において、横軸ｘは、０次振動モードのＳＡＷの波長λを用いて窒化アルミニウム層の厚みＨ１を無次元化した値であり、ｘ＝２πＨ１／λで表される。縦軸ｙは、波長λを用いて酸化シリコン層４０の厚みＨ２を無次元化した値であり、ｙ＝２πＨ２／λで表される。
【００４５】
本発明の１つの態様のＳＡＷ素子は、セザワ波の２次振動モードのＳＡＷを用いる素子であり、（ｘ, ｙ）が図２（ａ）、（ｂ）に示す領域Ａ１の外周を含む内部に位置するように、窒化アルミニウム層の厚みＨ１及び酸化シリコン層の厚みＨ２が選択されている。領域Ａ１は、以下の式（１）〜（４）をいずれも満たす領域である。
ｙ≦ ０．７５０×ｘ＋０．３２５ ・・・（１）
ｙ≦−０．３００×ｘ＋１．６９０ ・・・（２）
ｙ≧−０．５００×ｘ＋０．９５０ ・・・（３）
ｙ≧ ０．７００×ｘ−０．６１０ ・・・（４）
【００４６】
図２（ａ）に示すように、本発明のＳＡＷ素子は（ｘ, ｙ）の値が領域Ａ１の内部に位置しているので、Ｋ２が０．２程度以上になっている。したがって、以下の理由により良好なデバイスを構成することが可能なＳＡＷ素子になっている。
【００４７】
バンドパスフィルタに用いられるＳＡＷ素子のようにパスバンドを広くする場合には、電気信号とＳＡＷとの間の変換効率を高くする観点からＫ２が大きい方が有利である。例えば、狭帯域フィルタにＳＡＷ素子を適用する場合には、Ｋ２が０．１５〜０．７程度であればよいとされている。特に、この範囲内でＫ２を０．２程度以上にすることにより、変換効率を確保することができる。
【００４８】
また、共振子に用いられるＳＡＷ素子のようにパスバンドを狭くする場合には、Ｑ値を高くする観点からＫ２が小さい方が有利である。Ｋ２を小さく設定する場合には、ＩＤＴ６０、７０における枝部５１ｂ、５２ｂ、６１ｂ、６２ｂの数を増やすことにより、ＳＡＷの強度を高めることができる。ただし、枝部５１ｂ、５２ｂ、６１ｂ、６２ｂの数にも上限があることから、Ｋ２を０．２程度以上にすることによりＳＡＷの強度を確保することができる。また、伝播媒体においてＳＡＷの伝播損失が大きいと素子特性が低下してしまうが、窒化アルミニウム膜等からなる積層体を伝播媒体とする場合には、Ｋ２を０．２程度以上にすることにより素子特性を確保することができる。
【００４９】
図２（ｂ）に示すように、本発明のＳＡＷ素子は、（ｘ, ｙ）の値が領域Ａ１の内部に位置しているので、Ｖｐが９０００程度以上になっている。櫛歯電極５１、５２の枝部５１ｂ、５２ｂ、６１ｂ、６２ｂの現実的な最低間隔としては、０．４μｍが挙げられる。これは、ｉ線ステッパを用いたフォトリソグラフィ法により櫛歯電極５１、５２を形成する場合の値である。この場合に、ＳＡＷの波長λが１．６μｍ程度になり、Ｖｐが９０００程度以上になっていることにより、ＳＡＷ素子の動作周波数ｆが５．７ＧＨｚ程度以上になる。このように、本発明のＳＡＷ素子は、例えば無線ＬＡＮ用に割り当てられた周波数である５．７ＧＨｚに対応可能になっており、良好なデバイスを構成することが可能なＳＡＷ素子になっている。なお、図２（ｂ）から分かるように、Ｋ２が０．２程度以上でありながら、Ｖｐが１１５００程度になるように（ｘ, ｙ）を選択することも可能である。この場合には、ＳＡＷ素子の動作周波数が７．２ＧＨｚ程度になる。このように、本発明のＳＡＷ素子は、格段に動作周波数の高周波化が可能になっている。また、動作周波数を確保しつつ、枝部５１ｂ、５２ｂ、６１ｂ、６２ｂの間隔を広くすることもできる。これにより、製造コストを下げることや、ＩＤＴ６０、７０の微細化による電気特性の低下を防止することができる。
【００５０】
また、本発明者は、温度に対する特性変化率（温度係数ＴＣＦ）についても検討している。その結果、以下の式（９）を満たす場合にＴＣＦ＝０になり、式（１０）、（１１）をともに満たす範囲内であれば−１５＜ＴＣＦ＜１５になることを見出した。領域Ａ１は、式（１０）、（１１）をともに満たす範囲であるので−１５＜ＴＣＦ＜１５になる。したがって、使用環境程度の温度範囲においてＳＡＷの周波数の変動率が±１０００ｐｐｍの範囲内になり、温度変化に対して安定動作するＳＡＷ素子になる。
ｙ＝ ０．５５２×ｘ ・・・（９）
ｙ≦ ０．５５２×ｘ＋０．６９０ ・・・（１０）
ｙ≧ ０．５５２×ｘ−０．６９０ ・・・（１１）
【００５１】
図３（ａ）は、セザワ波の３次振動モードにおいて、窒化アルミニウム層の厚み及び酸化シリコン層の厚みに対する電気機械結合係数Ｋ２［％］を示す等高線図であり、図３（ｂ）は、セザワ波の３次振動モードにおいて、窒化アルミニウム層の厚み及び酸化シリコン層の厚みに対するＳＡＷの位相速度Ｖｐ［ｍ／ｓ］を示す等高線図である。図３（ａ）、（ｂ）において、横軸ｘは、０次振動モードのＳＡＷの波長λを用いて窒化アルミニウム層の厚みＨ１を無次元化した値であり、ｘ＝２πＨ１／λで表される。縦軸ｙは、波長λを用いて酸化シリコン層の厚みＨ２を無次元化した値であり、ｙ＝２πＨ２／λで表される。
【００５２】
本発明のもう１つの態様のＳＡＷ素子は、セザワ波の３次振動モードのＳＡＷを用いる素子であり、（ｘ, ｙ）が図３（ａ）、（ｂ）に示す領域Ａ２の外周を含む内部に位置するように、窒化アルミニウム層の厚みＨ１及び酸化シリコン層の厚みＨ２が選択されている。領域Ａ２は、以下の式（５）〜（８）をいずれも満たす領域である。
ｙ≦ ０．８１８×ｘ＋０．６８２ ・・・（５）
ｙ≦−０．２６６×ｘ＋２．９６０ ・・・（６）
ｙ≧−０．７００×ｘ＋２．２００ ・・・（７）
ｙ≧ ０．７５０×ｘ−０．７００ ・・・（８）
【００５３】
図３（ａ）、（ｂ）に示すように、本発明のＳＡＷ素子は（ｘ, ｙ）の値が領域Ａ２の内部に位置しているので、Ｋ２が０．２程度以上になっているとともに、Ｖｐが９０００程度以上になっている。したがって、セザワ波の２次振動モードのＳＡＷを用いる場合と同様の理由により、変換効率やＳＡＷの強度等を確保しつつ格段に動作周波数の高周波化が可能なＳＡＷ素子になっている。また、領域Ａ２は、前記の式（１０）、（１１）をともに満たす範囲内になっており、温度変化に対して安定動作するＳＡＷ素子になっている。また、領域Ａ２から選択されたＳＡＷ素子における３次振動モードのＳＡＷの伝播損失は、領域Ａ１から選択されたＳＡＷ素子における２次振動モードのＳＡＷの伝播損失よりも小さくなる。
【００５４】
図４（ａ）は、セザワ波の５次振動モードにおいて、窒化アルミニウム層の厚み及び酸化シリコン層の厚みに対する電気機械結合係数Ｋ２［％］を示す等高線図であり、図３（ｂ）は、セザワ波の５次振動モードにおいて、窒化アルミニウム層の厚み及び酸化シリコン層の厚みに対するＳＡＷの位相速度Ｖｐ［ｍ／ｓ］を示す等高線図である。図３（ａ）、（ｂ）において、横軸ｘは、０次振動モードのＳＡＷの波長λを用いて窒化アルミニウム層の厚みＨ１を無次元化した値であり、ｘ＝２πＨ１／λで表される。縦軸ｙは、波長λを用いて酸化シリコン層の厚みＨ２を無次元化した値であり、ｙ＝２πＨ２／λで表される。
【００５５】
本発明のもう１つの態様のＳＡＷ素子は、セザワ波の５次振動モードのＳＡＷを用いる素子であり、（ｘ, ｙ）が図５（ａ）、（ｂ）に示す領域Ａ３の外周を含む内部に位置するように、窒化アルミニウム層の厚みＨ１及び酸化シリコン層の厚みＨ２が選択されている。領域Ａ３は、以下の式（１３）〜（１６）をいずれも満たす領域である。
ｙ≦−０．８８９×ｘ＋６．５５６ ・・・（１３）
ｙ≦ ０．３３３×ｘ＋２．７６７ ・・・（１４）
ｙ≧−０．７００×ｘ＋３．８００ ・・・（１５）
ｙ≧ ０．３００×ｘ＋１．８００ ・・・（１６）
【００５６】
図４（ａ）、（ｂ）に示すように、本発明のＳＡＷ素子は（ｘ, ｙ）の値が領域Ａ３の内部に位置しているので、Ｋ２が０．１５程度以上になっているとともに、Ｖｐが９０００以上になっている。したがって、セザワ波の２次振動モードのＳＡＷを用いる場合と同様の理由により、変換効率やＳＡＷの強度等を確保しつつ格段に動作周波数の高周波化が可能なＳＡＷ素子になっている。また、（ｘ, ｙ）の値が領域Ａ３の内部に位置していると、使用環境程度の温度範囲においてＳＡＷの周波数の変動率が±２０００ｐｐｍの範囲内になる。
【００５７】
このように温度特性の観点では、（ｘ, ｙ）の値が領域Ａ３から選択されたＳＡＷ素子に比べて、領域Ａ１、Ａ２のいずれかから選択されたＳＡＷ素子の方が有利である。一方、（ｘ, ｙ）の値が領域Ａ３から選択される場合には、５次振動モードのＳＡＷの電極での反射係数が、領域Ａ１から選択される場合の２次振動モード、領域Ａ２から選択される場合の３次振動モードのいずれよりも格段に小さくなる。したがって、櫛歯電極の枝部の厚みや線幅に対して反射係数が鈍感になり、電極の形成ばらつきに対するマージンが大きくなる。よって、弾性表面波素子の製造ばらつきに対する許容範囲が広くなり、複数の弾性表面波素子における特性ばらつきが小さくなる。また、櫛歯電極の枝部について本数や配置の自由度が高くなり、櫛歯電極間に発生するＳＡＷの強度を高めることが容易になる。
【００５８】
また、（ｘ, ｙ）の値が領域Ａ３から選択される場合には、５次振動モードの伝播損失が領域Ａ１から選択される場合の２次振動モードよりも小さくなり、高効率なＳＡＷ素子を構成することが可能になる。
【００５９】
［実施例１］
次に、実施例１のＳＡＷ素子の製造方法及び特性について説明する。図４（ａ）は、実施例のＳＡＷ素子２００の概略構成を示す平面模式図であり、図４（ｂ）はＣ−Ｃ’線矢視断面図である。ＳＡＷ素子２００は、１ポート型共振子である点で前記実施形態のＳＡＷ素子１００と異なるが、断面構造についてはＳＡＷ素子１００と同様になっている。
【００６０】
図４（ａ）、（ｂ）に示すように、ＳＡＷ素子２００は、窒化アルミニウム層２３０と、窒化アルミニウム膜２３０上に設けられた酸化シリコン層２４０とを有している。窒化アルミニウム層２３０と酸化シリコン層２４０との間には、ＩＤＴ２５０及び反射器２７０が設けられている。ＩＤＴ２５０は、一対の櫛歯電極２５１、２５２からなっている。櫛歯電極２５１は幹部２５１ａと複数の枝部２５１ｂとを有しており、櫛歯電極２５２は幹部２５２ａと複数の枝部２５２ｂとを有している。反射器２７０は、一対のグレーティング電極２７１、２７２からなっている。グレーティング電極２７１、２７２は、枝部２５１ｂ、２５２ｂの延在方向と直交する方向において、櫛歯電極２５１、２５２を挟んで配置されている。酸化シリコン層２４０には、幹部２５１ａ、２５２ａを露出させる開口が設けられている。開口内に露出した部分の幹部２５１ａ、２５２ａは、厚膜化されることにより、それぞれ電極パッド２５１ｃ、２５２ｃとなっている。電極パッド２５１ｃ、２５２ｃは、それぞれリード端子（図示略）と電気的に接続されている。
【００６１】
このようなＳＡＷ素子２００を製造するには、まずシリコン基板２１０上にＣＶＤ法によりダイヤモンド層２２０を１０μｍの厚みに形成する。ダイヤモンド層２２０の形成方法としては、ＣＶＤ法の他にもＰＶＤ法、熱フィラメント法等の公知の方法を用いることができる。
【００６２】
次いで、ダイヤモンド層２２０上に、窒化アルミニウム層２３０を７５０ｎｍの厚みに形成する。窒化アルミニウム層２３０の形成方法としては、加熱蒸着法、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法等の公知の方法を用いることができる。なお、窒化アルミニウム層２３０は、良好な圧電性を発現させる観点から、Ｃ軸配向性が卓越するように配向制御を行って形成するとよい。Ｃ軸配向とは、窒化アルミニウム膜の（００１）面がシリコン基板２１０の面方向と平行になる配向を意味する。
【００６３】
次いで、窒化アルミニウム層２３０上に金属膜を形成する。金属膜は、後にＩＤＴ２５０及び反射器２７０になるものである。金属膜の形成材料としては、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、あるいはこれらを主材とする合金等の公知の導電材料を用いることができる。また、金属膜の形成方法としては、加熱蒸着法、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法等の公知の方法を用いることができる。ここでは、ＰＶＤ法でアルミニウムを６５ｎｍの厚みに成膜し、これを金属膜とする。
【００６４】
次いで、前記金属膜をフォトリソグラフィ法及びエッチング法を用いてパターニングして、ＩＤＴ２５０と反射器２７０とを一括して形成する。ここでは、枝部２５１ｂと枝部２５２ｂとをそれぞれ１５０本にするとともに、枝部２５１ｂと枝部２５２ｂとの間隔を０．９μｍにする。これにより、発生するＳＡＷの０次振動モードの波長λが３．６μｍになる。枝部２５１ｂ、２５２ｂの延在方向の長さとしては、波長λの５０倍、すなわち１８０μｍにする。反射器２７０のグレーティング電極２７１、２７２は、それぞれグレーティング本数を２００本にする。グレーティング本数とは、グレーティング電極２７１、２７２の各々において、枝部２５１ｂ、２５２ｂと平行に延びる帯状部の本数である。
なお、ここでは電極（ＩＤＴ２５０）の膜みＨ３が６５ｎｍであり、波長λが３．６μｍであるので、Ｚ＝２πＨ３／λ）とおくとＺ＝０．１１程度になる。
【００６５】
次いで、窒化アルミニウム層２３０、ＩＤＴ２５０、及び反射器２７０を覆って酸化シリコン層２４０を６００ｎｍの厚みに形成する。酸化シリコン層２４０の形成方法としては、加熱蒸着法、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法等の公知の方法を用いることができる。そして、フォトリソグラフィ法及びエッチング法を用いて酸化シリコン層２４０に、幹部２５１ａ２５２ａをそれぞれ露出させる開口を形成する。そして、露出した部分の幹部２５１ａ、２５２ａを厚膜化することにより電極バッド２５１ｃ、２５２ｃを形成する。厚膜化する方法としては、加熱蒸着法、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法、めっき法等の公知の方法を用いることができる。また、幹部２５１ａ、２５２ａと電極バッド２５１ｃ、２５２ｃとで、材質を異ならせてもよい。そして、電極バッド２５１ｃ、２５２ｃの各々に、入出力端子として機能するリード端子を設けること等によりＳＡＷ素子２００が得られる。
【００６６】
次に、図５、図６（ａ）、（ｂ）を参照しつつ、ＳＡＷ素子２００の特性について説明する。ＳＡＷ素子２００の特性を調査するために、まず、ＳＡＷ素子２００の入力端子にネットワークアナライザにより高周波信号を印加し、出力端子から取り出される高周波信号を測定した。これにより、入力端子から出力端子への通過特性が得られ、図５に示すようなＳＡＷ素子２００のＳ１１特性が得られた。このグラフにより、ＳＡＷの位相速度Ｖｐが２次振動モードでは９３００ｍ／ｓ程度であり、３次振動モードでは１１５００ｍ／ｓ程度であることが分かる。
【００６７】
一般的なＳＡＷ素子としては、圧電単結晶基板からなるものや、ガラス基板上に圧電体薄膜を形成したものが挙げられる。このようなＳＡＷ素子において位相速度は３０００〜７０００ｍ／ｓ程度である。本実施例のＳＡＷ素子２００は、位相速度が格段に向上されているので、動作周波数を格段に高めることが可能である。
【００６８】
また、図６（ａ）に示した２次振動モードのＳ１１インピーダンス特性により、共振周波数ｆｒ、反共振周波数ｆａが求まり、２次振動モードでは電気機械結合係数Ｋ２が０．４５％程度であることが分かる。また、図６（ｂ）に示した２次振動モードのＳ１１インピーダンス特性により、３次振動モードでは電気機械結合係数Ｋ２が０．８７％程度であることが分かる。このように、本実施例のＳＡＷ素子２００は、電気機械結合係数Ｋ２が０．２以上に確保されているので、良好に機能させることが可能である。なお、各振動モードにおける電気機械結合係数Ｋ２［％］は、以下の式（１２）により算出される。
Ｋ２＝（π２／４）・（ｆｒ／ｆａ）・（ｆａ−ｆｒ）／ｆａ・１００・・・（１２）
【００６９】
また、ＳＡＷ素子２００の動作環境温度が−２５℃、０℃、２５℃、５０℃、７５℃である条件下で、ＳＡＷの位相速度を前記の手法により測定した。得られた測定値を線形近似することにより、規格化した位相速度について温度係数ＴＣＦ［ｐｐｍ／℃］を算出した。その結果、温度係数ＴＣＦが２次振動モードでは６ｐｐｍ／℃程度であり、３次振動モードでは５ｐｐｍ／℃程度であった。つまり、動作環境温度が−２５〜７５℃の間で変化しても、規格化した位相速度の変化量が、２次振動モードでは±２５０ｐｐｍの範囲内に収まり、２次振動モードでは±３００ｐｐｍの範囲内に収まることが分かる。
【００７０】
一般に、ＳＡＷ素子の特性の変化量は、使用環境温度が−４５〜８５℃の範囲内で±１０００ｐｐｍの範囲内であれば許容される。すなわち、ＳＡＷ素子のＴＣＦとしては、絶対値が１５ｐｐｍ／℃未満であれば許容される。本実施例のＳＡＷ素子２００は、ＴＣＦが許容値よりも格段に小さくなっているので、温度変化に対して安定動作する優れた耐候性のものになっている。
【００７１】
また、ＳＡＷ素子の窒化アルミニウム層の厚みと酸化シリコン層の厚みとを変化させつつ、以上のようなＳＡＷ素子の特性評価を行った。特性評価により得られた電気機械結合係数Ｋ２、位相速度Ｖｐは、いずれも図３（ａ）、（ｂ）、図４（ａ）、（ｂ）に示した数値シミュレーション結果と良好に一致した。また、温度係数ＴＣＦについても評価結果と数値シミュレーション結果とで良好に一致した。
【００７２】
［実施例２］
次に、実施例２のＳＡＷ素子の特性について説明する。実施例２のＳＡＷ素子は２ポート型のＳＡＷフィルタであり、図１に示したＳＡＷ素子１００と同様の構成になっている。実施例２のＳＡＷ素子は、実施例１と同様の製造方法にて製造されるが、構成要素の寸法等が実施例１と異なる。実施例２のＳＡＷ素子は、ＳＡＷの波長λが１、６μｍ、窒化アルミニウム層の厚みＨ１を無次元化した値ｘ（ただし、ｘ＝２πＨ１／λ）が３．０６、酸化シリコン層の厚みＨ２を無次元化した値ｙ（ただし、ｙ＝２πＨ２／λ）が３．１４になっている。すなわち、実施例２は（ｘ, ｙ）の値が領域Ａ３から選択されている。
【００７３】
また、ＩＤＴの厚みＨ３を無次元化した値Ｚ（ただし、Ｚ＝２πＨ２／λ）が０．２６になっている。櫛歯電極の枝部が５０対（一対の櫛歯電極での総数が１００本）、一対の櫛歯電極において枝部が交差する部分における枝部の配置方向の寸法（交差幅）が３０λになっている。反射器を構成する一対のグレーティング電極は、それぞれのグレーティング本数が２００本になっている。
【００７４】
図８は、実施例２のＳＡＷ素子における５次振動モードのＳＡＷに関して、Ｓ２１特性の計算値と実験値との比較を示すグラフである。図８に示す計算値のデータは、数値シミュレーションにより得られた値であり、実験値の値はネットワークアナライザを用いた測定により得られた値である。図８に示すように、計算値の波形、実験値の波形いずれにおいても、周波数が６．３５ＧＨｚ程度の部分に中心周波数に対応するピークがあらわれている。このピーク付近で、計算値の波形は、実験値の波形と極めてよく一致しており、数値シミュレーションにより中心周波数を高精度に推定可能であることがわかる。また、推定された中心周波数とＳＡＷの波長とを用いればＳＡＷの位相速度が求まるため、ＳＡＷの位相速度を数値シミュレーションにより高精度に推定することが可能である。この実施例２のＳＡＷ素子は、中心周波数が６．３ＧＨｚ程度、挿入損失が６．６ｄＢ程度、Ｑ値が４５０程度であり、極めて良好な特性であった。
【００７５】
図９は、実施例２〜４のＳＡＷ素子について特性の測定値の比較を示す表１である。実施例２のＳＡＷ素子は、前記したように（ｘ, ｙ）の値が領域Ａ３から選択された（３．０６, ３．１４）である。実施例３のＳＡＷ素子は（ｘ, ｙ）の値が領域Ａ１から選択された（１．３６, ０．７０）であり、実施例４のＳＡＷ素子は（ｘ, ｙ）の値が領域Ａ２から選択された（１．３６, １．０５）である。
【００７６】
図９の表１に示すように温度係数は、実施例２で６．０ｐｐｍ／℃、実施例３で−１．０ｐｐｍ／℃、実施例４で０．０ｐｐｍ／℃になっている。このように実施例２〜４のＳＡＷ素子は、温度変化に対してＳＡＷの周波数の変動率が極めて小さくなっており、耐候性に優れていることが分かる。特に、実施例３、４のＳＡＷ素子は、実施例２のＳＡＷ素子よりも耐候性の点で優位である。
【００７７】
反射係数は、実施例２で２．０％、実施例３で５．５％、実施例４で６．５％になっている。このように実施例２〜４のＳＡＷ素子は、反射係数が極めて小さくなっており、櫛歯電極での反射による損失が低減されている。特に、実施例２のＳＡＷ素子は、実施例３、４のＳＡＷ素子よりも反射係数が格段に低くなっている。すなわち、実施例２のＳＡＷ素子は、櫛歯電極で反射したＳＡＷの干渉影響が小さくなるので、櫛歯電極の厚みばらつきによる特性ばらつきが小さくなる点で優位である。また、実施例２のＳＡＷ素子は、櫛歯電極の枝部の本数を増やすことや枝部の配置を変更することが容易になる点でも優位である。
【００７８】
伝播損失は、実施例２で０．０３ｄＢ／λ、実施例３で０．０５ｄＢ／λ、実施例４で０．０２ｄＢ／λになっている。このように実施例２〜４のＳＡＷ素子は、伝播損失が極めて小さくなっており、高効率なＳＡＷ素子になっている。特に、実施例２、４のＳＡＷ素子は、実施例３のＳＡＷ素子よりも伝播損失が小さい点で優位である。
【００７９】
以上のように本発明のＳＡＷ素子にあっては、圧電材料として窒化アルミニウムを用いているので、酸化亜鉛を用いる場合よりもＩＤＴと圧電材料層とのヤング率の差が小さくなる。したがって、ＩＤＴの端部におけるＳＡＷの反射係数が小さくなり、反射係数を小さくするためにＩＤＴを薄厚化する必要や、反射による干渉を低減するために櫛歯電極の枝部の数を減らす必要がなくなる。よって、ＳＡＷの損失を低減しつつＳＡＷ素子の電気特性を高めることができ、良好な特性のＳＡＷ素子になる。
【００８０】
また、位相速度Ｖｐを９０００ｍ／ｓ以上にすることができるので、ＳＡＷの周波数を高周波化（例えば、５．７ＧＨｚ以上）にすることが可能になる。また、電気機械結合係数ｋ２を０．２％程度以上にすることができるので、電気信号と弾性表面波との間の変換効率を確保することができる。また、特性変化の温度係数が１５ｐｐｍ／℃未満になるので、優れた耐候性のものになる。
このように本発明のＳＡＷ素子は優れた特性のものになっているので、バンドパスフィルタや基準クロック源等に本発明のＳＡＷ素子を適用することにより、格段に高性能なデバイスが得られるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】（ａ）は本実施形態のＳＡＷ素子の斜視模式図、（ｂ）は断面図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ２次振動モードの特性を示すグラフである。
【図３】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ３次振動モードの特性を示すグラフである。
【図４】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ５次振動モードの特性を示すグラフである。
【図５】（ａ）は実施例のＳＡＷ素子の平面模式図、（ｂ）は断面図である。
【図６】実施例のＳＡＷ素子のＳ１１特性を示すグラフである。
【図７】（ａ）、（ｂ）は実施例１のＳ１１インピーダンス特性を示すグラフである。
【図８】Ｓ２１特性について計算値と実験値との比較を示すグラフである。
【図９】実施例２〜４の特性の比較を示す表である。
【符号の説明】
【００８２】
１００、２００・・・ＳＡＷ素子（弾性表面波素子）、２０、２２０・・・ダイヤモンド層、３０、２３０・・・窒化アルミニウム層、４０、２４０・・・酸化シリコン層、５０、６０、２５０・・・ＩＤＴ（一対の電極）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤモンド層と、
前記ダイヤモンド層上に設けられた窒化アルミニウム層と、
前記窒化アルミニウム層上に設けられた酸化シリコン層と、
前記窒化アルミニウム層と前記酸化シリコン層との間に設けられ、前記窒化アルミニウム層に電圧を印加する一対の電極と、を有し、
前記窒化アルミニウム層の厚みＨ１、前記酸化シリコン層の厚みＨ２、及び弾性表面波の波長λを用いて定義される（ｘ、ｙ）が、以下の式（１）〜（４）、
ｙ≦ ０．７５０×ｘ＋０．３２５ ・・・（１）
ｙ≦−０．３００×ｘ＋１．６９０ ・・・（２）
ｙ≧−０．５００×ｘ＋０．９５０ ・・・（３）
ｙ≧ ０．７００×ｘ−０．６１０ ・・・（４）
（ただし、ｘ＝２πＨ１／λ、ｙ＝２πＨ２／λ）
をともに満たす範囲内であることを特徴とする弾性表面波素子。
【請求項２】
ダイヤモンド層と、
前記ダイヤモンド層上に設けられた窒化アルミニウム層と、
前記窒化アルミニウム層上に設けられた酸化シリコン層と、
前記窒化アルミニウム層と前記酸化シリコン層との間に設けられ、前記窒化アルミニウム層に電圧を印加する一対の電極と、を有し、
前記窒化アルミニウム層の厚みＨ１、前記酸化シリコン層の厚みＨ２、及び弾性表面波の波長λを用いて定義される（ｘ、ｙ）が、以下の式（５）〜（８）、
ｙ≦ ０．８１８×ｘ＋０．６８２ ・・・（５）
ｙ≦−０．２６６×ｘ＋２．９６０ ・・・（６）
ｙ≧−０．７００×ｘ＋２．２００ ・・・（７）
ｙ≧ ０．７５０×ｘ−０．７００ ・・・（８）
（ただし、ｘ＝２πＨ１／λ、ｙ＝２πＨ２／λ）
をともに満たす範囲内であることを特徴とする弾性表面波素子。
【請求項３】
ダイヤモンド層と、
前記ダイヤモンド層上に設けられた窒化アルミニウム層と、
前記窒化アルミニウム層上に設けられた酸化シリコン層と、
前記窒化アルミニウム層と前記酸化シリコン層との間に設けられ、前記窒化アルミニウム層に電圧を印加する一対の電極と、を有し、
前記窒化アルミニウム層の厚みＨ１、前記酸化シリコン層の厚みＨ２、及び弾性表面波の波長λを用いて定義される（ｘ、ｙ）が、以下の式（１３）〜（１６）、
ｙ≦−０．８８９×ｘ＋６．５５６ ・・・（１３）
ｙ≦ ０．３３３×ｘ＋２．７６７ ・・・（１４）
ｙ≧−０．７００×ｘ＋３．８００ ・・・（１５）
ｙ≧ ０．３００×ｘ＋１．８００ ・・・（１６）
（ただし、ｘ＝２πＨ１／λ、ｙ＝２πＨ２／λ）
をともに満たす範囲内であることを特徴とする弾性表面波素子。
【請求項４】
前記電極の厚みＨ３、及び弾性表面波の波長λを用いて定義される値Ｚ（ただし、Ｚ＝２πＨ３／λ）が、Ｚ≦０．３５を満たすことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の弾性表面波素子。
【請求項１】
ダイヤモンド層と、
前記ダイヤモンド層上に設けられた窒化アルミニウム層と、
前記窒化アルミニウム層上に設けられた酸化シリコン層と、
前記窒化アルミニウム層と前記酸化シリコン層との間に設けられ、前記窒化アルミニウム層に電圧を印加する一対の電極と、を有し、
前記窒化アルミニウム層の厚みＨ１、前記酸化シリコン層の厚みＨ２、及び弾性表面波の波長λを用いて定義される（ｘ、ｙ）が、以下の式（１）〜（４）、
ｙ≦ ０．７５０×ｘ＋０．３２５ ・・・（１）
ｙ≦−０．３００×ｘ＋１．６９０ ・・・（２）
ｙ≧−０．５００×ｘ＋０．９５０ ・・・（３）
ｙ≧ ０．７００×ｘ−０．６１０ ・・・（４）
（ただし、ｘ＝２πＨ１／λ、ｙ＝２πＨ２／λ）
をともに満たす範囲内であることを特徴とする弾性表面波素子。
【請求項２】
ダイヤモンド層と、
前記ダイヤモンド層上に設けられた窒化アルミニウム層と、
前記窒化アルミニウム層上に設けられた酸化シリコン層と、
前記窒化アルミニウム層と前記酸化シリコン層との間に設けられ、前記窒化アルミニウム層に電圧を印加する一対の電極と、を有し、
前記窒化アルミニウム層の厚みＨ１、前記酸化シリコン層の厚みＨ２、及び弾性表面波の波長λを用いて定義される（ｘ、ｙ）が、以下の式（５）〜（８）、
ｙ≦ ０．８１８×ｘ＋０．６８２ ・・・（５）
ｙ≦−０．２６６×ｘ＋２．９６０ ・・・（６）
ｙ≧−０．７００×ｘ＋２．２００ ・・・（７）
ｙ≧ ０．７５０×ｘ−０．７００ ・・・（８）
（ただし、ｘ＝２πＨ１／λ、ｙ＝２πＨ２／λ）
をともに満たす範囲内であることを特徴とする弾性表面波素子。
【請求項３】
ダイヤモンド層と、
前記ダイヤモンド層上に設けられた窒化アルミニウム層と、
前記窒化アルミニウム層上に設けられた酸化シリコン層と、
前記窒化アルミニウム層と前記酸化シリコン層との間に設けられ、前記窒化アルミニウム層に電圧を印加する一対の電極と、を有し、
前記窒化アルミニウム層の厚みＨ１、前記酸化シリコン層の厚みＨ２、及び弾性表面波の波長λを用いて定義される（ｘ、ｙ）が、以下の式（１３）〜（１６）、
ｙ≦−０．８８９×ｘ＋６．５５６ ・・・（１３）
ｙ≦ ０．３３３×ｘ＋２．７６７ ・・・（１４）
ｙ≧−０．７００×ｘ＋３．８００ ・・・（１５）
ｙ≧ ０．３００×ｘ＋１．８００ ・・・（１６）
（ただし、ｘ＝２πＨ１／λ、ｙ＝２πＨ２／λ）
をともに満たす範囲内であることを特徴とする弾性表面波素子。
【請求項４】
前記電極の厚みＨ３、及び弾性表面波の波長λを用いて定義される値Ｚ（ただし、Ｚ＝２πＨ３／λ）が、Ｚ≦０．３５を満たすことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の弾性表面波素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−６８５０３（Ｐ２０１０−６８５０３Ａ）
【公開日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２６４０１１（Ｐ２００８−２６４０１１）
【出願日】平成２０年１０月１０日（２００８．１０．１０）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月１０日（２００８．１０．１０）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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