(57)【要約】【課題】櫛歯状電極の電気抵抗を低くしてインサーションロスを低減させると同時に、電気機械結合係数Ｋ２を向上させた表面弾性波素子を提供する。【解決手段】サファイアからなる基板２と、基板２上に積層されたＺｎＯからなる圧電層３と、圧電層３上に形成された櫛歯状電極４とを具備してなり、櫛歯状電極４が、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕのうちのいずれか一種の元素またはこれらの合金を主構成材料として構成され、表面弾性波の２次モードを利用するものであることを特徴とする表面弾性波素子を採用する。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
サファイアからなる基板と、該基板上に積層されたＺｎＯからなる圧電層と、該圧電層上に形成された櫛歯状電極とを具備してなり、前記櫛歯状電極が、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕのうちのいずれか一種の元素またはこれらの合金を主構成材料として構成され、表面弾性波の２次モードを利用するものであることを特徴とする表面弾性波素子。
【請求項２】
前記圧電層の厚みをＨとし、表面弾性波の波長をλとしたとき、Ｈ／λが０．２以上１．６以下の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の表面弾性波素子。
【請求項３】
前記櫛歯状電極の厚みが０．１μｍ以上１０μｍ以下の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の表面弾性波素子
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の表面弾性波素子を備えたことを特徴とするフィルタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面弾性波素子及びフィルタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
圧電体上に櫛歯状電極を形成させてなる表面弾性波素子は、小型で安定した性能を有するものが得られることからバンドパスフィルター（ＢＰＦ）等として利用されている。表面弾性波素子は、圧電体に櫛形電極により交流電界を印加することで励起される。最近では、通信の高周波化に伴ってＧＨｚ帯で利用できる表面弾性波素子が必要とされている。
【０００３】
一般に、基板上に形成させた圧電体層を表面弾性波素子に使用する場合、基板材料の音速が圧電体の音速より大きいときには、伝播速度の異なる複数の表面弾性波（伝播速度の小さいほうから０次モード、１次モード、２次モード、・・・）が励起される。表面弾性波の伝播速度は、圧電体等の膜厚により異なるため、これらの膜厚を制御することで動作周波数を特定できる。また表面弾性波素子は、電気機械結合係数Ｋ２（電気的エネルギーが機械的エネルギーに変換される際の変換効率の指標）が大きい方が高い効率で動作する。特許文献１には、圧電層の膜厚と表面弾性波の波長を制御して電気機械結合係数Ｋ２を向上させた表面弾性波素子が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−２３５６８３号公報
【０００５】
ところで、１次モードの表面弾性波を利用する表面弾性波素子においては、電気機械結合係数Ｋ２を向上させるために、櫛歯状電極を可能な限り軽量化させることが知られている。例えば、櫛歯状電極をアルミニウム等の軽金属で構成したり、櫛歯状電極を薄くするといった手段が知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、櫛歯状電極をアルミニウムで構成したり薄くしたりすると、共振周波数における電気抵抗が大きくなり、通過帯域のインサーションロスが増大してしまうという問題があった。インサーションロスを小さくするには、櫛歯状電極をＣｕ、Ａｇといった比抵抗の低い材料で構成するか、あるいは櫛歯状電極を厚くしなければならない。しかしながら、どちらにしても櫛歯状電極の軽量化に相反することになり、電気機械結合係数Ｋ２を向上できないという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、櫛歯状電極の電気抵抗を低くしてインサーションロスを低減させると同時に、電気機械結合係数Ｋ２を向上させた表面弾性波素子及びフィルタを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は以下の構成を採用した。
本発明の表面弾性波素子は、サファイアからなる基板と、該基板上に積層されたＺｎＯからなる圧電層と、該圧電層上に形成された櫛歯状電極とを具備してなり、前記櫛歯状電極が、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕのうちのいずれか一種の元素またはこれらの合金を主構成材料として構成され、表面弾性波の２次モードを利用するものであることを特徴とする。
【０００９】
上記の表面弾性波素子によれば、サファイア製の基板と、ＺｎＯからなる圧電層と、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等からなる櫛歯状電極との組合せにより、２次モードの表面弾性波を発生させることができる。特に、ＺｎＯ上にＣｕ、Ａｇ、Ａｕ等の重金属からなる櫛歯状電極を形成することで２次モードの表面弾性波が発生する。２次モードの表面弾性波を利用する表面弾性波素子においては、櫛歯状電極を重くするほど電気機械結合係数が高くなる。またＣｕ、Ａｇ、Ａｕ等は比抵抗が低いため、共振周波数帯域における櫛歯状電極のインピーダンスが小さくなる。従って本発明の非可逆回路素子においては、電気機械結合係数と櫛歯状電極のインピーダンスの双方を同時に改善させることができ、損失を低減させることができる。特に、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等からなる櫛歯状電極を用いることで、表面弾性波素子のインサーションロスを低減させることができる。
【００１０】
また、本発明の表面弾性波素子においては、前記圧電層の厚みをＨとし、表面弾性波の波長をλとしたとき、Ｈ／λを０．２以上１．６以下の範囲とすることが好ましい。Ｈ／λを前記の範囲に設定することで、電気機械結合係数を高くすることができる。
【００１１】
また、本発明の表面弾性波素子においては、前記櫛歯状電極の厚みを０．１μｍ以上１０μｍ以下の範囲とすることが好ましい。櫛歯状電極の厚みを前記の範囲に設定することで、櫛歯状電極の電気抵抗を低くしてインサーションロスを低減できるとともに、電気機械結合係数を高めることができる。
【００１２】
次に本発明のフィルタは、先のいずれかに記載の表面弾性波素子を備えたことを特徴とする。この構成により、損失が少なく、高効率なフィルタを構成することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、以下に示す表面弾性波素子及びフィルタは本発明の表面弾性波素子及びフィルタの一例を示すものであり、本発明は下記の各実施形態のみに限定されるものではない。
図１は、本実施形態の表面弾性波素子の１種である１端子対の表面弾性波素子を示す平面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。図１及び図２示す表面弾性波素子１は、サファイア製の基板２上に圧電体層３となる酸化亜鉛（ＺｎＯ）層が形成され、この圧電層３上に電気信号と表面弾性波との間の変換器として機能するＣｕ、Ａｇ、Ａｕのうちのいずれか一種の元素またはこれらの合金を主構成材料として構成された一対の櫛歯状電極（ＩＤＴ）４，４が互いに対向するように形成されて構成されている。
【００１４】
また、圧電体層３の櫛歯状電極４，４両側には、励起された表面弾性波を多重反射させて定在波を生じさせるグレーティング反射器５、５が形成されている。更に表面弾性波素子１には、圧電体層３、櫛歯状電極４，４及びグレーティング反射器５、５を覆う保護層６が形成されている。
【００１５】
図３には上記の表面弾性波素子１を複数個備えてなるラダー型フィルタ（フィルタ）の回路図を示す。図３に示すように、本実施形態のラダー型フィルタ１１は、１端子対の表面弾性波素子１ａ、１ａ…を直列に接続し、これらの表面弾性波素子１ａ、１ａ間及び入出力側それぞれに同一構造の複数の１端子対の表面弾性波素子１ｂ、１ｂ…を並列に接続し、一方の端子１２、１２３を入力（ＩＮ）側、他方の端子１３、１３を出力（ＯＵＴ）側とした構成である。
【００１６】
表面弾性波素子１の基板２はサファイアからなるもので、特にＲ面が露出したものが好ましい。また圧電体層３は、サファイアの基板２のＲ面上に積層されてなるものであり、周波数２ＧＨｚ前後の素子を形成する場合には、厚みＨは０．６〜３．２μｍの範囲が好ましく、１．０〜２．７μｍの範囲がより好ましい。また保護層６は、ＳｉＯｘ、ＳｉＮｘ等で構成され、厚みが０．０５〜０．３μｍの範囲のものが好ましい。
【００１７】
また、櫛歯状電極４、４は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕのうちのいずれか一種の元素またはこれらの合金を主構成材料として構成されたものである。櫛歯状電極４は例えば、図４に示すように、下部層４ａと、下部層４ａ上に積層された電極層４ｂと、電極層４ｂ上に形成された上部層４ｃとから構成されている。下部層４ａは、例えば、Ｔｉ膜４ａ１とＴａ膜４ａ２が積層されてなるものが好ましい。また、電極層４ｂは、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕのうちのいずれか一種の元素またはこれらの合金から構成されている。更に上部層４ｃは例えばＣｒ膜から構成されている。
【００１８】
下部層４ａの厚みは０．００５〜０．１μｍの範囲が好ましく、電極層４ｂの厚みは０．０９〜９．８μｍの範囲が好ましく、上部層４ｃの厚みは０．００５〜０．１μｍの範囲が好ましい。また櫛歯状電極４の全体の厚みは０．１〜１０μｍの範囲が好ましく、０．２〜２．０μｍの範囲がより好ましい。このように、電極層４ｂの厚みが櫛歯状電極４の全体の厚みの大部分を占めることになる。従って、電極層４ｂを構成するＣｕ、Ａｇ、Ａｕのうちのいずれか一種の元素またはこれらの合金が、櫛歯状電極４の主要構成材料になる。
【００１９】
サファイア基板２上にＺｎＯからなる圧電層３が積層され、かつ圧電層３上にＣｕ、Ａｇ、Ａｕ等の元素を主構成材料とする櫛歯状電極４，４が配置された表面弾性波素子は、０次、１次、２次モードの表面弾性波を発生させる。すなわち、比較的比重が大きなＣｕ、Ａｇ、Ａｕ等の重金属からなる「重い」櫛歯状電極４をＺｎＯ層上に配置することで、０次、１次の他に２次モードの表面弾性波を発生させることが可能になる。２次モードの表面弾性波においては、櫛歯状電極４を重くするほど電気機械結合係数Ｋ２が高くなるという性質がある。従って、櫛歯状電極４の全体の厚みが電気機械結合係数Ｋ２に比例することになる。
【００２０】
櫛歯状電極４の全体の厚みが０．１μｍ未満であると電気機械結合係数Ｋ２が低下してしまうので好ましくなく、また櫛歯状電極４が１０μｍを越えると櫛歯状電極が厚くなりすぎて櫛歯状電極の成膜自体が困難になるので好ましくない。
【００２１】
また、圧電層３の厚みをＨとし、表面弾性波（２次モード）の波長をλとしたとき、Ｈ／λが０．２以上１．６以下の範囲であることが好ましく、０．３７以上１．５以下の範囲がより好ましい。Ｈ／λが０．２以上１．６以下の範囲であれば、表面弾性波素子１の比帯域Δｆ（％）を０．５％以上にすることができ、Ｈ／λが０．３７以上１．５以下の範囲であれば、比帯域Δｆ（％）を１％以上にすることができる。
【００２２】
ここで、比帯域Δｆ（％）とは、表面弾性波素子１の共振周波数をｆｒとし、反共振周波数をｆａｒとしたとき、Δｆ（％）＝（ｆａｒ−ｆｒ）／ｆｒ×１００で表されるものであり、この比帯域Δｆ（％）は電気機械結合係数Ｋ２と比例する関係にある。従って、Ｈ／λを上記の範囲にすることにより、電気機械結合係数Ｋ２をより向上させることができる。尚、表面弾性波素子１の共振周波数ｆｒと表面弾性波の波長λとの関係はｆｒ＝ｖ／λで表される。ｖは表面弾性波の速度である。表面弾性波の波長λは櫛歯状電極の形状により決まる値である。
【００２３】
上記の表面弾性波素子１によれば、サファイア製の基板と、ＺｎＯからなる圧電層と、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等からなる櫛歯状電極との組合せにより、２次モードの表面弾性波を発生させることができる。
また櫛歯状電極４の主要構成材料として、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等の比較的比抵抗が低い金属を用いることにより、櫛歯状電極４のインピーダンスを小さくすることができ、インサーションロスを低減させることができる。
更に、櫛歯状電極４の主要構成材料としてＣｕ、Ａｇ、Ａｕ等の重金属を用いることにより、櫛歯状電極４の重量が大きくなって電気機械結合係数Ｋ２を高めることができる。
【００２４】
また、上記のラダー型フィルタ１１には、表面弾性波素子１が複数備えられているので、損失が少なく、高効率なフィルタを構成することができる。特に、比帯域Δｆ（％）が大きな表面弾性波素子１を用いることで、通過帯域の広いフィルタを構成することができる。
【００２５】
【実施例】
（実験例１）
サファイア基板上のＲ面上に、厚さ０．９６μｍのＺｎＯ層（圧電体層）をスパッタリング法によって積層した。次に、厚みが０．００５μｍのＴｉ膜（下地層）及び、厚みが０．００５μｍのＴａ膜（下地層）、厚みが０．１２５μｍのＣｕ−Ａｇ合金膜（電極層）及び厚みが０．００５μｍのＣｒ膜（上部層）を順次積層して積層膜を形成した。そして、積層膜にレジスト膜を形成するとともに該レジスト膜をパターニングした上で、フォトリソグラフィ法によって、積層膜を所定の形状にエッチングして櫛歯状電極を形成した。波長λは２．０μｍとした。更に、櫛歯状電極の両側にグレーティング反射器を形成し、保護層を積層することにより、図１、図２及び図４に示す実施例１の表面弾性波素子を製造した。実施例１の表面弾性波素子について、リアクタンスと周波数との関係（リアクタンス曲線）を調べた。結果を図５に示す
【００２６】
図５に示すように、実施例１の表面弾性波素子では、１．３ＧＨｚ付近に０次モードの表面弾性波が確認され、２．１ＧＨｚ付近に１次モードの表面弾性波が確認され、更に２．４ＧＨｚ付近に２次モードの表面弾性波が確認された。尚、図５には２次モードの表面弾性波のｆｒとｆａｒをそれぞれ示している。ｆｒはリアクタンスが最初に（ピーク前に）０Ωになったときの周波数であり、ｆａｒはリアクタンスがピークを過ぎて０Ωになったときの周波数である。
【００２７】
以上のように、サファイア基板上にＺｎＯ層が積層され、更にＺｎＯ層上にＣｕ−Ａｇ合金膜を主体とする櫛歯状電極が積層されてなる表面弾性波素子は、２次モードの表面弾性波を発現することが分かる。
【００２８】
（実験例２）
Ｃｕ−Ａｇ合金膜（電極層）の膜厚を０．０９４μｍ〜０．２３μｍ、圧電層の厚みＨを０．３１〜１．２２μｍとし、λを全て２．０μｍとしたこと以外は実験例１と同様にして表面弾性波素子を製造した。得られた表面弾性波素子について、２次モードの表面弾性波のΔｆ（％）を測定した。結果を図６に示す。図６には、比帯域Δｆ（％）とＨ／λとの関係をＣｕ−Ａｇ合金膜（電極層）の膜厚ごとに示す。
【００２９】
また、比較例として、Ｃｕ−Ａｇ合金膜に代えて、厚さ０．０８０〜０．３μｍのＡｌ膜を用いるとともに、圧電層の厚みＨを０．５６〜１．１２μｍとし、λを全て２．８μｍとしたこと以外は実験例１と同様にして表面弾性波素子を製造した。得られた表面弾性波素子について、１次モードの表面弾性波のΔｆ（％）を測定した。結果を図７に示す。図７には、比帯域Δｆ（％）とＨ／λとの関係をＡｌ膜（電極層）の膜厚ごとに示す。
【００３０】
図６に示すように、２次モードの表面弾性波を用いた表面弾性波素子については、Ｃｕ−Ａｇ合金膜の膜厚が大きくなるほど比帯域Δｆが高くなることが分かる。一方、図７に示すように、１次モードの表面弾性波を用いた表面弾性波素子については、Ａｌ膜の膜厚が大きくなるほど比帯域Δｆが低下することが分かる。従って、２次モードの表面弾性波を利用する本発明の非可逆回路素子においては、櫛歯状電極を厚くすることによって電気機械結合係数Ｋ２を高めることができ、同時に櫛歯状電極を厚くすることで櫛歯状電極自体の電気抵抗を低減させて共振周波数におけるインピーダンスを低減させることができ、より損失の少ない表面弾性波素子が得られることが分かる。
【００３１】
（実験例３）
圧電層の厚みＨを０．６〜２．６４μｍとするとともにλを１．６〜４．０μｍとすることによって、Ｈ／λを０．１５〜１．６５とし、Ｃｕ−Ａｇ合金膜（電極層）の膜厚を０．２３μｍとしたこと以外は実験例１と同様にして表面弾性波素子を製造した。得られた表面弾性波素子について、２次モードの表面弾性波のΔｆ（％）を測定した。結果を図８に示す。図８には、比帯域Δｆ（％）とＨ／λとの関係を示す。
【００３２】
図８に示すように、Ｈ／λが１．０の時に比帯域Δｆ（％）が極大値を示すことが分かる。また、Ｈ／λが０．２以上１．６以下の範囲のときに表面弾性波素子の比帯域Δｆ（％）が０．５％以上となり、Ｈ／λが０．３７以上１．５以下の範囲のときに表面弾性波素子の比帯域Δｆ（％）が１％以上になることが分かる。
【００３３】
このように、Ｈ／λを好ましくは０．２以上１．６以下の範囲、より好ましくは０．３７以上１．５以下の範囲に刷ることにより、電気機械系統合計数Ｋ２を向上できることが分かる。
【００３４】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明の表面弾性波素子によれば、サファイア製の基板と、ＺｎＯからなる圧電層と、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等からなる櫛歯状電極との組合せにより、２次モードの表面弾性波を発生させることができる。特に、ＺｎＯ上にＣｕ、Ａｇ、Ａｕ等の重金属からなる櫛歯状電極を形成することで２次モードの表面弾性波が発生する。２次モードの表面弾性波を利用する表面弾性波素子においては、櫛歯状電極を重くするほど電気機械結合係数が高くなる。またＣｕ、Ａｇ、Ａｕ等は比抵抗が低いため、共振周波数帯域における櫛歯状電極のインピーダンスが小さくなる。従って本発明の非可逆回路素子においては、電気機械結合係数と櫛歯状電極のインピーダンスの双方を同時に改善させることができ、損失を低減させることができる。特に、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等からなる櫛歯状電極を用いることで、表面弾性波素子のインサーションロスを低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態である表面弾性波素子を示す平面図。
【図２】図１のＡ−Ａ’線に対応する断面図。
【図３】本発明の実施形態であるラダー型フィルタの回路構成を示す平面図。
【図４】表面弾性波素子の櫛歯状電極の断面構造を示す拡大模式図。
【図５】実施例１の表面弾性波素子の周波数とリアクタンスとの関係を示すグラフ。
【図６】Ｃｕ−Ａｇ合金膜からなる櫛歯状電極を備えた表面弾性波素子の比帯域ΔｆとＨ／λとの関係を示すグラフ。
【図７】Ａｌ膜からなる櫛歯状電極を備えた表面弾性波素子の比帯域ΔｆとＨ／λとの関係を示すグラフ。
【図８】Ｃｕ−Ａｇ合金膜からなる櫛歯状電極を備えた表面弾性波素子の比帯域ΔｆとＨ／λとの関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１…表面弾性波素子、２…基板、３…圧電層、４…櫛歯状電極、１１…ラダー型フィルタ（フィルタ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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