(57)【要約】弾性表面波デバイスが、単結晶ＬｉＴａＯ３ からなる圧電性基板と、この圧電性基板上に設けられた電極パターンを含み、これが基板表面上で励起される弾性表面波の音響波長の約１％〜約１５％の範囲の電極厚さを有する共振器を形成する。圧電性基板は、オイラー角（λ，μ，θ）により定義される非対称な方位を有し、角λの範囲は−４゜〜＋４゜であり、角μの範囲は約−５２゜〜約−３６゜であり、角θの範囲は約（−１．３６５λ−４）゜〜（−１．３６５λ＋４）゜である。このような方位が共振及び反共振周波数での最適伝搬損失と同時に組み合わされると、ＲＦ用途において改善された性能を示す。
2004507960.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶ＬｉＴａＯ３ の圧電性基板と、
前記圧電性基板の表面上に設けられた電極パターンであって、電極厚さが約１％Λ〜約１５％Λの範囲にある共振器を形成し、ここでΛは前記圧電性基板の前記表面上に励起される弾性表面波の音響波長である前記電極パターンと、
を備え、前記圧電性基板が、オイラー角（λ，μ，θ）により定められる方位を有し、角λは−４゜〜＋４゜の範囲にあり、角μは約−５２゜〜約−３６゜の範囲にあり、角θは約（−１．３６５λ−４）゜〜（−１．３６５λ＋４）゜の範囲にあり、また、前記角λ及びθの一つが０゜に等しくない弾性表面波デバイス。
【請求項２】
λは約＋２゜の値を有し、角μは−４４゜より大きくかつ−３６゜よりは小さく、角θは、θがほぼ−１．３６５λの値を有するとして定められてλに対して固定した関係を有する、請求項１記載の弾性表面波デバイス。
【請求項３】
θ＝−２．７３゜である、請求項２記載の弾性表面波デバイス。
【請求項４】
前記電極の主材料成分がＡｌを含む、請求項１記載の弾性表面波デバイス。
【請求項５】
前記電極の主材料成分がＡｕを含み、前記電極の厚さが約１％Λ〜約２．５％Λの範囲にある、請求項１記載の弾性表面波デバイス。
【請求項６】
前記電極の主材料成分がＣｕを含み、前記電極の厚さが約１％Λ〜約６％Λの範囲にある、請求項１記載の弾性表面波デバイス。
【請求項７】
単結晶ＬｉＴａＯ３ の圧電性基板と、
前記圧電性基板の表面上に設けられた電極パターンであって、電極厚さが約１％Λ〜約１５％Λの範囲にある共振器を形成し、ここでΛは前記圧電性基板の前記表面上に励起される弾性表面波の音響波長である前記電極パターンと、
を備え、前記圧電性基板が、オイラー角（λ，μ，θ）により定められる非対称的な方位を有し、前記角λ及びθの一つが０゜に等しくなく、また、特性として０．０１ｄＢ／Λより小さい伝搬損失と０．０７より大きい電気機械的結合係数を備える、弾性表面波デバイス。
【請求項８】
単結晶ＬｉＴａＯ３ の圧電性基板と、
前記圧電性基板の表面上に設けられた電極パターンであって、電極厚さが約５％Λ〜約１５％Λの範囲にある共振器を形成し、ここでΛは前記圧電性基板の前記表面上に励起される弾性表面波の音響波長であり、前記電極の主材料成分がＡｌを含む前記電極パターンと、
を備え、前記圧電性基板が、オイラー角（λ，μ，θ）により定められる方位を有し、角λは０゜又はほぼ０゜であり、角μは約−４４゜〜約−３６゜の範囲にあり、角θは０゜又はほぼ０゜である、弾性表面波デバイス。
【請求項９】
単結晶ＬｉＴａＯ３ の圧電性基板と、
前記圧電性基板の表面上に設けられた電極パターンであって、電極厚さが約１．５％Λ〜約２．５％Λの範囲にある共振器を形成し、ここでΛは前記圧電性基板の前記表面上に励起される弾性表面波の音響波長であり、前記電極の主材料成分がＡｕを含む前記電極パターンと、
を備え、前記圧電性基板が、オイラー角（λ，μ，θ）により定められる方位を有し、角λは０゜又はほぼ０゜であり、角μは約−４４゜〜約−３６゜の範囲にあり、角θは０゜又はほぼ０゜である弾性表面波デバイス。
【請求項１０】
単結晶ＬｉＴａＯ３ の圧電性基板と、
前記圧電性基板の表面上に設けられた電極パターンであって、電極厚さが約３％Λ〜約６％Λの範囲にある共振器を形成し、ここでΛは前記圧電性基板の前記表面上に励起される弾性表面波の音響波長であり、前記電極の主材料成分がＣｕを含む前記電極パターンと、
を備え、前記圧電性基板が、オイラー角（λ，μ，θ）により定められる方位を有し、角λは０゜又はほぼ０゜であり、角μは約−４４゜〜約−３６゜の範囲にあり、角θは０゜又はほぼ０゜である弾性表面波デバイス。
【請求項１１】
単結晶ＬｉＴａＯ３ からなる圧電性基板を備えた弾性表面波デバイスであって、前記圧電性基板は、オイラー角（λ，μ，θ）により定められる表面方位を有し、角λは−４゜〜＋４゜の範囲にあり、角μは約−５２゜〜約−３６゜の範囲にあり、角θは約（−１．３６５λ−４）゜〜（−１．３６５λ＋４）゜の範囲にあり、前記角λ及びθの一つが０゜に等しくない前記弾性表面波デバイス。
【請求項１２】
Ａｌを主材料成分とする電極から形成された前記表面上に電極パターンをさらに備え、前記電極パターンは、電極厚さが約１％Λ〜約１５％Λの範囲にある共振器を形成し、ここでΛは前記圧電性基板の前記表面上に励起される弾性表面波の音響波長である、請求項１１記載の弾性表面波デバイス。
【請求項１３】
Ａｕを主材料成分とする電極から形成された前記表面上に電極パターンをさらに備え、前記電極パターンは、電極厚さが約１％Λ〜約２．５％Λの範囲にある共振器を形成し、ここでΛは前記圧電性基板の前記表面上に励起される弾性表面波の音響波長である、請求項１１記載の弾性表面波デバイス。
【請求項１４】
Ｃｕを主材料成分とする電極から形成された前記表面上に電極パターンをさらに備え、前記電極パターンは、電極厚さが約１％Λ〜約６％Λの範囲にある共振器を形成し、ここでΛは前記圧電性基板の前記表面上に励起される弾性表面波の音響波長である、請求項１１記載の弾性表面波デバイス。
【請求項１５】
単結晶ＬｉＴａＯ３ からなる漏洩弾性表面波圧電性基板であって、オイラー角（λ，μ，θ）により定められる方位を有する表面を備え、角λは−４゜〜＋４゜の範囲にあり、角μは約−５２゜〜約−３６゜の範囲にあり、角θは約（−１．３６５λ−４）゜〜（−１．３６５λ＋４）゜の範囲にあり、前記角λ及びθの一つは０゜に等しくない前記漏洩弾性表面波圧電性基板。
【請求項１６】
λが約＋２゜の値を有し、角μが−４４゜より大きくかつ−３６゜より小さく、角θは、θがほぼ−１．３６５λの値を有するとして定められてλに対して固定した関係を有する、請求項１５記載の漏洩弾性表面波圧電性基板。
【請求項１７】
θ＝−２．７３゜である、請求項１６記載の漏洩弾性表面波圧電性基板。
【請求項１８】
単結晶ＬｉＴａＯ３ からなる漏洩弾性表面波圧電性基板であって、オイラー角（λ，μ，θ）により定められる方位を有する表面を備え、角λは０又はほぼ０に設定され、角μは約−４４゜〜−３６゜の範囲にあり、角θは０又はほぼ０である前記漏洩弾性表面波圧電性基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
関連出願の相互参照
この出願は、本出願と共に所有している同時係属の出願番号第６０／２２９，５２３号、２０００年８月３１日提出の優先権を主張し、それを援用する。
【０００２】
発明の分野
本発明は一般に弾性表面波（ＳＡＷ）デバイスに関し、特に、無線通信用のＲＦフィルタリングに適用するために改善された性能特性を有するＳＡＷデバイスに関する。
【０００３】
発明の背景
高周波の弾性表面波（ＳＡＷ）デバイスは、無線製品において特に送受信動作用のラジオ周波（ＲＦ）フィルターとして広く用いられる。このようなフィルターは、所望のフィルタリング機能を発生するコンポーネントとして単結晶の圧電性基板上に形成された共振ＳＡＷデバイスをしばしば利用する。ＲＦフィルターに一般に用いられ且つこのようなフィルターとして望ましい特性をいくつか有する単結晶圧電性基板の一つは、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３ ）である。結晶基板の性能特性は、選択した波伝搬方向により変わり、これはオイラー角により定義できる。一定の用途に対して特に望ましいカットが、ウエダ（Ｕｅｄａ）他により米国特許第６，０３７，８４７号及び米国特許第５，８７４，８６９号に記載されている。米国特許第６，０３７，８４７号は、λとθが固定（零に設定）で、μが使用する金属化の種類と厚みに依存して変わるようなオイラー角（λ，μ，θ）を有するＬｉＴａＯ３ の使用を教示する。Ａｌを主成分として含み、かつ、波長Λの０．０３〜０．１５倍（すなわち３％Λ〜１５％Λ）の範囲の厚みを有する共振器を形成する電極パターンの場合、好ましい回転角μは、−５１゜（３９゜回転のＹＸカットに対応）より大きく、−４４゜（４６゜回転のＹＸカットに対応）より小さい（Ｙカットの回転角はμ’＝μ＋９０゜として求められる）。さらなる制限として、回転角μが−４８゜（４２゜回転のＹＸカット）を中心としたオイラー角の範囲が好ましいことを提示する。主成分としてＣｕを有し、電極の厚みが０．９％Λ〜４．５％Λである電極パターンでは、−５１゜より大きく−４４゜より小さい回転角μが選択される。主成分としてＡｕを有し、厚みが０．４％Λ〜２．１％Λの範囲にある電極パターンでは、−５１゜より大きく−４４゜より小さい回転角μが選択される。従って、ウエダの米国特許第６，０３７，８４７号では、−５１゜より大きく−４４゜より小さい範囲の回転角μが使用される。米国特許第５，８７４，８６９号は、特定のデバイス設計特性の範囲を有するマルチモードＳＡＷデバイスに対して、オイラー角λ及びθが固定（公称的には零）であり、μの範囲が−５０゜〜−４８゜であるＬｉＴａＯ３ の使用を教示する。
【０００４】
ウエダの米国特許第６，０３７，８４７号及び第５，８７４，８６９号は、オイラー角λ及びθの値を明確に述べてはいないが、そのＹ軸からＺ軸に向かってＸ軸を中心として回転した方位を有し且つ回転角が特定の範囲にある圧電性基板についての記載、及びＸ方向に設定された弾性表面波の伝搬方向についての記載により、当業者ならば第１オイラー角λと第３オイラー角θが零に等しいことが分かるであろう。
【０００５】
上述の方位のＬｉＴａＯ３ 上に作成されたＳＡＷデバイスは、漏洩弾性表面波（ＬＳＡＷ）を利用する。漏洩波は、ＳＡＷに比べて大きな伝搬速度を有し、これは高周波ＳＡＷデバイスにとって有利な特徴である。通常、漏洩波は、零ではない減衰を伴って結晶表面に沿って伝搬し、この減衰は結晶のバルク中に入るバルク弾性波の放射により生じるのであるが、一定の条件下ではこの減衰は零になる傾向がある。無視しうる減衰を伴う漏洩波の一種は、準バルク波である。結晶の自由表面との機械的な境界条件は、境界面に沿って伝搬しかつこの面内に偏波したバルク波（よって水平偏波と称する）に対して満たし得る。いずれの結晶においても、バルク波の一つが機械的境界条件を満たすような方位は、３つのオイラー角により定められる結晶空間内の線（ｌｉｎｅｓ）を形成する。ＬｉＴａＯ３ に対しては、以前にこのような方位が、エヌ・エフ・ナウメンコ（Ｎ． Ｆ． Ｎａｕｍｅｎｋｏ）による刊行物、Ｓｏｖ．Ｐｈｙ．−Ｃｒｙｓｔａｌｌｏｇｒａｐｈｙ ３７ 、ｐｐ．２２０−２２３、１９９２年にて議論されている。特に、これらの方位の一つは３６゜回転したＹＸカットたるオイラー角（０゜，−５４゜，０゜）として知られていることが分かった。これは対称的な方位であり、その特徴は、Ｘ軸に平行であり且つＬｉＴａＯ３ の鏡映対称ＹＺの平面内に存する境界面に対する法線に平行である伝搬方向である。Ｘ軸に沿って伝搬しかつ３６゜回転したＹＸカットの平面内で偏波した速い剪断バルク波は、Ｘ軸に沿った電場成分に強く圧電的に結合する。これは、対応する有効な圧電モジュールがＬｉＴａＯ３ のその絶対最高点（ａｂｓｏｌｕｔｅ ｍａｘｉｍｕｍ）に近いからである。ＳＡＷデバイスにおける用途で見込みのある３６゜回転ＹＸカットの特性に関しては、ケイ・ナカムラ（Ｋ． Ｎａｋａｍｕｒａ）他、Ｐｒｏｃ． １９７７ ＩＥＥＥ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ 、ｐｐ．８１９−８２２を参照されたい。
【０００６】
電気的な境界条件は、バルク波の性質を変え、バルク波よりもわずかに遅い伝搬速度を有する準バルクにする。大量負荷（ｍａｓｓ ｌｏａｄｉｎｇ）及び３６゜回転したＹＸカットの表面上に配置された電極パターンにおける電気的境界条件の効果により、減衰すなわち伝搬損失が増大する。しかしながら、ウエダ他への米国特許第６，０３７，８４７号に記載のように、伝搬損失がほぼ零の方位は消滅しないが、Ａｌ電極の厚みが零から０．０８Λまで増加する際に３６゜ＹＸから４２゜ＹＸカットまで連続的に動く。同様に、ＬＳＡＷ減衰が零の方位が、金属厚の関数としてＣｕ又はＡｕを主要成分として含有する電極パターンに対して見いだされた。遅い剪断バルク波中へのＬＳＡＷの散乱による伝搬損失の評価に使用される方法についてのハシモト（Ｈａｓｈｉｍｏｔｏ）による報告［Ｋ・ハシモト他、Ｐｒｏｃ． １９９７ＩＥＥＥ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ、ｐｐ．２４５−２５４］の詳細な記載によると、ＬＳＡＷ共振器の共振周波数に対応するブラッグ反射の阻止帯の下端での最小伝搬損失が、最適カット角の基準として選択された。しかしながら、伝搬損失は周波数の関数である。従って、帯域幅におけるその平均値を最小にすることが望ましい。後で分かるように、本発明は、共振周波数（ｆｒ）及び反共振周波数（ｆａ）にて同時に伝搬損失を最小にする。
【０００７】
以下、フィルター性能における伝搬損失の効果を説明するために、図１を参照する。図１は、ラダーフィルターの例であり、３つの分路共振ＳＡＷ構造（Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６）及び３つの直列共振ＳＡＷ構造（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３）を含み、４２゜回転したＹＸカットのＬｉＴａＯ３ 基板を利用する。考慮中のデバイスでは、共振ＳＡＷ構造が、格子状領域を含み得る複合デバイス構造内にて直列及び並列（分路）の両方のコンポーネントとして使用される。ラダーフィルターにおいては、直列要素の共振周波数にほぼ等しい分路要素の反共振周波数を有するのが普通である。次に、フィルターの通過帯域の下端が、分路要素の共振周波数での伝搬損失により決められ、通過帯域の上端が、直列要素の反共振での伝搬損失により決められる。従って、両周波数たる共振及び反共振周波数での伝搬損失が重要であり、それらが同時に最小にされるのが望ましい。
【０００８】
図２は、電極材料としてＡｌを有する４２゜回転したＹＸカットＬｉＴａＯ３ について計算した共振及び反共振周波数での伝搬損失を、ＬＳＡＷ波長に対して正規化した電極厚さｈ／Λの関数として示す。例えばコバックス（Ｋｏｖａｃｓ）により報告された定数などの別の材料定数の組が用いられるなら結果は有意には変わらないことが分かったけれども（Ｇ． Ｋｏｖａｃｓ ｅｔ ａｌ．， Ｐｒｏｃ． １９９０ ＩＥＥＥ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ， ｐｐ．４３５−４３８）、タジエブ（Ｔａｚｉｅｖ）により報告されたＬｉＴａＯ３ の材料定数を用いてこれら及び他の計算を行った（Ｒ．Ｍ． Ｔａｚｉｅｖ ｅｔ ａｌ．， Ｐｒｏｃ． １９９４ ＩＥＥＥ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ， ｐｐ．４１５−４１９）。
【０００９】
例として、電極の厚さを１０％Λとおく。特にＧＨｚ用途での最近のＲＦフィルターでは、このような電極厚さは、高い動作周波数すなわち短波長のためむしろ一般的である。共振周波数での伝搬損失は約０．００３ｄＢ／Λとかなり低いが、反共振周波数では約０．０３ｄＢ／Λであり、１０倍大きい。従って、フィルターの周波数応答は、非対称であり、高周波通過帯域の端部がより大きく劣化し、形状ファクターが増加することが期待される。図３は、共振及び反共振での伝搬損失のＳＡＷフィルター性能への効果を表し、伝搬損失が平均周波数ｆ０＝（ｆｒ＋ｆａ）／２にて最小化されるならば、伝搬損失が共振又は反共振周波数のどちらかにて最小化される場合に比べて、より小さい挿入損失とより良い形状ファクターを得ることができることを示す。通過帯域についてのより広い帯域幅及びより険しい端部のため、さらに望ましい形状ファクターが期待される。
【００１０】
上記記載より、本発明の目的の一つは、電極厚さが１％Λから１５％Λまで広範囲に変化する一方で共振及び反共振周波数にて同時に最適化された伝搬損失を有するＬｉＴａＯ３ の選択された方位を用いて、共振器型の要素を備えたＳＡＷフィルターについて改善された性能を与えること、特に挿入損失を小さくしかつ形状ファクターを改善することである。
【００１１】
特に、主成分としてＡｌを有する電極パターンでは、厚さが８％Λから１５％Λまでの範囲にある相当に低い挿入損失（望ましくは０．０１ｄＢ／Λより小）の基板カットを提供する強い要求がある。米国特許第６，０３７，８４７号の図１３によると、電極の厚さが８％Λを超えると、３６゜−ＹＸから４６゜−ＹＸまでの範囲にあるＬｉＴａＯ３ の方位は、７５％ΛのＡｌ厚さの４２゜ＹＸにおけるのと同程度に低い伝搬損失を与えることができない。例えば、１０％Ａｌ厚さでは、最小の伝搬損失は約０．０１ｄＢ／Λであると分かった。また、Ａｕが電極材料の主成分として用いられ、電極厚さが１．５％Λから２．５％Λまでの範囲にあるとき、およびＣｕが電極材料の主成分として用いられ、電極厚さが３％Λから６％Λまでの範囲にあるとき、最適化された伝搬損失を有する基板カットに対する要求が存在する。
【００１２】
異なる用途のＲＦフィルターにおける種々の電気パラメータの特定値は、ＬＳＡＷ特性の異なる値、特に異なる電気機械的結合係数を有する圧電性基板を必要とする。しかしながら、低い挿入損失と高い動作周波数の必要性により、ＬｉＮｂＯ３ のμ’回転したＹＸカット及びＬｉＴａＯ３ のμ’回転したＹＸカット（回転角μ’は電極の要求厚さにより選択）に対して、ＲＦフィルターでは一般に用いられる基板カットが制限される。一方、非対称的なＬｉＴａＯ３ の方位ゆえに、かなり低い伝搬損失を有する種々の基板カットを与えることができ、オイラー角（λ，μ，θ）（λとθは零でない）により定められる。３６゜〜４２゜回転したＬｉＴａＯ３ のＹカットの例により、準バルク性質の低減衰漏洩波は、消えるのではなく、電極厚さが増大するにつれ結晶空間中を連続的に移動することが示された（米国特許第６，０３７，８４７号）。
【００１３】
本発明は、このような挙動は、速い剪断表面−スキミング（ｓｋｉｍｍｉｎｇ）バルク波（ＳＳＢＷ）が自由表面上での機械的な境界条件を満足するような非対称的な方位に対しても一般的であることを教示する。また、伝搬損失が最適化された非対称的方位は、結晶空間内で連続的な線を形成し、この線は対称点（０，μ，０）と交差する。従って、低い伝搬損失を維持するためには、この線を配置することで、対称的な方位からの結晶カット面の時々の逸脱を伴う伝搬方向を調整し得る。
【００１４】
発明の概要
従って、上述した背景より、本発明の目的は、高周波（ＲＦ）ＳＡＷデバイスにおいて使用するため最適な方位を有する圧電性基板を提供することであり、これは従来技術の基板方位の既知の欠点を解消し得るものである。
【００１５】
本発明の別の目的は、電極厚さが１％Λから１５％Λ（Λは音響（ａｃｏｕｓｔｉｃ）波長）までの広範囲にて変化する一方、共振及び反共振周波数にて同時に最適化された伝搬損失を伴うＬｉＴａＯ３ の方位を用いて、改良された性能を有する共振器型の要素を備えたＳＡＷデバイスを提供することである。
【００１６】
本発明の別の目的は、パターンの電極厚さが１％Λより大きく１５％Λより小さい一方、オイラー角（λ，μ，θ）（λとθは零でない）により定められる非対称的な方位を用い、０．０１ｄＢ／Λ未満の伝搬損失と０．０７より大の電気機械的結合係数を有するＲＦ用途のＳＡＷデバイスにおける種々の電気的パラメータを与えることである。
【００１７】
本発明の別の目的は、結晶カット面の望ましい対称的方位（０，μ，０）からの時々の逸脱を伴う伝搬方向を調整して低い伝搬損失を維持することである。これは、角度λが−４゜から４゜まで変化し角度μが固定されている一方、最適な伝搬損失の方位（λ，μ，θ）を記載するオイラー角λとθ間のこのような関係を見つけることにより達成される。
【００１８】
本発明の別の目的は、前記圧電性基板の表面に配置され共振器を形成する電極パターンを有し、単結晶ＬｉＴａＯ３ の圧電性基板を備えたＳＡＷデバイスを提供することである。この電極パターンの厚さは、１％から１５％Λまでの範囲にあり、Ａｌが電極材料の主成分として使用され、また、圧電性基板は、オイラー角（λ，μ，θ）により定められる方位を有し、角λは−４゜〜＋４゜の範囲にあり、角μは−５２゜〜−３６゜の範囲にあり、角θは（−１．３６５＊ λ−４）゜〜（−１．３６５＊ λ＋４）゜の範囲にあり、角λ又はθのどちらかが零に等しくない。
【００１９】
本発明の別の目的は、圧電性基板の表面に配置され共振器を形成する電極パターンを有し、単結晶ＬｉＴａＯ３ の圧電性基板を備えたＳＡＷデバイスを提供することである。この電極パターンの厚さは、１％から２５％Λまでの範囲にあり、Ａｕが電極材料の主成分として使用され、また、圧電性基板がオイラー角（λ，μ，θ）により定められる方位を有し、角λは−４゜〜＋４゜の範囲にあり、角μは−５２゜〜−３６゜の範囲にあり、角θは（−１．３６５＊ λ−４）゜〜（−１．３６５＊ λ＋４）゜の範囲にあり、角λ又はθのどちらかが零に等しくない。
【００２０】
本発明の別の目的は、圧電性基板の表面に配置され共振器を形成する電極パターンを有し、単結晶ＬｉＴａＯ３ の圧電性基板を備えたＳＡＷデバイスを提供することである。この電極パターンの厚さは、１％から６％Λまでの範囲にあり、Ｃｕが電極材料の主成分として使用され、また、圧電性基板がオイラー角（λ，μ，θ）により定められる方位を有し、角λは−４゜〜＋４゜の範囲にあり、角μは−５２゜〜−３６゜の範囲にあり、角θは（−１．３６５＊ λ−４）゜〜（−１．３６５＊ λ＋４）゜の範囲にあり、角λ又はθのどちらかが零に等しくない。
【００２１】
本発明の別の目的は、圧電性基板の表面に配置され共振器を形成する電極パターンを有し、単結晶ＬｉＴａＯ３ の圧電性基板を備えたＳＡＷデバイスを提供することである。この電極パターンの厚さは、５％から１５％Λまでの範囲にあり、Ａｌが電極材料の主成分として使用され、また、圧電性基板がオイラー角（０，μ，０）により定められる方位を有し、角μは−４４゜〜−３６゜の範囲にある。
【００２２】
本発明の別の目的は、圧電性基板の表面に配置され共振器を形成する電極パターンを有し、単結晶ＬｉＴａＯ３ の圧電性基板を備えたＳＡＷデバイスを提供することである。この電極パターンの厚さは、１．５％から２．５％Λまでの範囲にあり、Ａｕが電極材料の主成分として使用され、また、圧電性基板がオイラー角（０，μ，０）により定められる方位を有し、角μは−４４゜〜−３６゜の範囲にある。
【００２３】
本発明の別の目的は、圧電性基板の表面に配置され共振器を形成する電極パターンを有し、単結晶ＬｉＴａＯ３ の圧電性基板を備えたＳＡＷデバイスを提供することである。この電極パターンの厚さは、３％から６％Λまでの範囲にあり、Ｃｕが電極材料の主成分として使用され、また、圧電性基板がオイラー角（０，μ，０）により定められる方位を有し、角μは−４４゜〜−３６゜の範囲にある。
【００２４】
好ましい実施態様の説明
本発明の好ましい実施態様の詳細な説明の前に、特定のオイラー角（λ，μ，θ）により基板カット及びこのカット内のＬＳＡＷの伝搬方向を定義するために、方位を定める手順についてさらに説明する。さて図４を参照する。オイラー角の慣例によりＬｉＴａＯ３ の結晶軸に沿って固定された初期座標軸Ｘ、Ｙ、Ｚを用い、第１の補助軸Ｘ’（正方向）が、正のＸ軸から正のＹ軸に向けて角λだけ回転することにより得られる。次に、基板カット１２に対し外方向の法線Ｚ’が、正のＸ’から見て角μだけ反時計回りに補助軸Ｘ’を中心として正のＺ軸から回転することにより見いだされる。最後に、表面波伝搬方向Ｘは、正のＺ’軸から見て角θだけ反時計回りにＺ’を中心として正のＸ’軸から回転することにより見いだされる。
【００２５】
ここに記載のオイラー角は正又は負どちらかの値を取ることができ、よって角λ、μ又はθにより記載される回転も反対方向の回転を指示する正又は負どちらかの符号により記載でき、ここに記載のような所望の伝搬損失を達成するのに好ましい表面カットを指定する。
【００２６】
表面波の発生及び検出に用いられ又は共振器を形成する電極パターンを備えた圧電性基板を有するいずれのＳＡＷフィルターの性能も、基板における伝搬損失により影響される。異なるメカニズムが伝搬損失に寄与するのだが、漏洩波の性質により生じる伝搬損失、すなわち基板のバルク中へのバルク波の放射により生じる伝搬損失についてさらに説明する。特定の基板カット及び伝搬方向では、この伝搬損失は金属化比率や波長に対して正規化した電極厚さｈ／Λのようなフィルター構造の詳細に依存する。電極パターンが主成分としてＡｌ、Ｃｕ又はＡｕを含み、金属化比率ａ／ｐ＝０．５であり、正規化した電極厚さが１％Λから１５％Λまでの広範囲に亘ることを仮定して調べた。上記説明したように、共振及び反共振周波数での伝搬損失の同時最小化が、最適化の基準として用いられた。
【００２７】
第１及び第３オイラー角を零とし、Ａｌを電極材料の主成分としたＬｉＴａＯ３ のμ’回転したＹＸカット［オイラー角（０゜，μ’＋９０゜，０゜）］に対して、電極厚さ及び回転角μ’の関数として伝搬損失を計算した。図５及び図６は、それぞれ共振周波数ｆｒでの伝搬損失及び反共振周波数ｆａでの伝搬損失を等高線図として示す。（破線により示された）最小損失の線が各々の図において明瞭に分かり、これは正規化された厚さｈ／Λの関数として最小損失を与えるカット角μ’を示す。図５及び図６では、これらの破線は互いに近接してはいるが異なる値を示す。（ｆｒ＋ｆａ）／２として概算した平均伝搬損失が図７に示される。Ａｌを電極材料とした共振型要素を有するＳＡＷデバイスでは、最小損失の線（破線）が、カット角の関数として最適な電極厚さを決める。
【００２８】
例として、電極厚さ１０％Λに対して図７から求められたＬｉＴａＯ３ の最適な方位の一つは、４８゜回転したＹＸカット［オイラー角（０゜，−４２゜，０゜）］であり、一方４２゜回転したＹＸカット［オイラー角（０゜，−４８゜，０゜）］はＡｌ電極厚さ５％Λに対してほぼ最適である。図８は、ＬｉＴａＯ３ の３方位たる３６゜ＹＸ、４２゜ＹＸ及び４８゜ＹＸカットにおける共振及び反共振周波数での伝搬損失を電極厚さの関数として示す。正規化した厚さに依存した各々の伝搬損失は、ほぼ零の損失値の最小値を有する。４２゜ＹＸカットでは、共振周波数での伝搬損失の最小が約７％Λにて生じ、反共振周波数での伝搬損失の最小が約４％Λにて生じる。よって、平均伝搬損失は、約５％Λにて最小である。４８゜ＹＸカットでは、共振及び反共振周波数での伝搬損失の最小が、それぞれ１２％Λ及び８％Λにて生じ、平均伝搬損失は１０％Λにて最小である。
【００２９】
図９は、３６゜ＹＸ、４２゜ＹＸ及び４８゜ＹＸカットに対してシミュレーションした電気機械的結合係数ｋ２ を電極厚さの関数として示す。すべての従属性（ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｉｅｓ）は、約１０％Λにて最大値を有する。μ’が３６゜から４８゜まで増加すると、圧電結合は一般に減少する。しかしながら、電極厚さがカット角μ’に対して最適化されて最小の平均伝搬損失を与えるならば、図１０〜１２に示されるように、最大の圧電結合たるｋ２ ＝０．０８２がμ’＝４８゜及びｈ／Λ＝１０％にて生じる。図１０は、Ａｌ、Ｃｕ又はＡｕを電極材料の主成分とするＳＡＷデバイスに対し、電極厚さとカット角との間の最適な関係を示し、図１１及び図１２は、図１０により厚さを最適化した場合の電気機械的結合係数及び伝搬損失Ｌｒ＝Ｌａをカット角の関数としてそれぞれ示す。Ａｌを電極材料として用いると、最大結合ｋ２ ＝０．０８３が、μ’≒４６．５゜及び厚さ約９％Λにて生じる一方、伝搬損失は０．００２５ｄＢ／Λである。Ａｕを電極材料とすると、最大結合ｋ２ ＝０．０８６が、μ’≒４７゜および最適厚さが約１．６％λにて生じ、また、Ｃｕが電極材料の場合には、最大結合ｋ２ ＝０．０８６が、μ’≒４７゜および最適厚さが約３．６％Λにて生じる。
【００３０】
従って、図１０〜１２により、第１及び第３オイラー角（λ及びθ）が（公称では）零に固定されている場合にＡｌ電極の厚さが８％Λから１３％Λまでのグレーティングでは、最適な回転角μ’は４６゜より大きく５４゜より小さいことが分かった。同じ場合に、Ａｕを電極材料の主成分とすると、最適な回転角μ’は、電極厚さが１．５％Λから２．５％Λまでの範囲内で変わるときには４６゜より大きく５４゜より小さいことが分かり、Ｃｕを電極材料の主成分とすると、最適な回転角μ’は、電極厚さが３％Λから６％Λまでの範囲内で変わるときには４６゜より大きく５４゜より小さいことが分かった。本発明の好ましい実施態様は、４８゜に名目上等しいμ’の値、すなわちオイラー角（０゜，−４２゜，０゜）を有する。
【００３１】
図１による構造を有しかつＬｉＴａＯ３ の３６゜ＹＸ、４２゜ＹＸ又は４８゜ＹＸカットの表面上に配置された３つのラダーフィルターのシミュレーションした周波数応答についての比較が図１３に示され、帯域の拡大図が図１４に示される。厚さ１０％Λの電極パターンは、Ａｌを主成分として用いる。４８゜ＹＸカットは、通過帯域における最適化された平均伝搬損失ゆえに、３６゜ＹＸ及び４２゜ＹＸカットに比べてより低い挿入損失及びより良い形状ファクターを与える。
【００３２】
上記説明したように、結晶方位の対称的カット（０゜，μ，０゜）からの逸脱（ｄｅｖｉａｔｉｏｎ）は、基板平面の逸脱の後にこの平面内で伝搬方向の適当な回転が行われる場合には、伝搬損失の有意な増加を必ずしも生じない。従って、非対称的カットを含めたより全般的な調査により、所望の伝搬特性を有し、パワーフロー角が零ではないが相対的に小さく、よってデバイス設計中に管理可能であるような方位のより広い範囲が見つかった。オイラー角μを−５２゜から−３６゜までの範囲内に固定し、角λ及びθの範囲を−５゜〜５゜に亘って調査した。分析した各μに対して、電極厚さは、図１０に示す関係に従って最適となるように設定した。
【００３３】
例として、オイラー角（λ，−４２゜，θ）、（μ’＝４８゜）の方位についてさらに説明する。Ａｌが電極材料として用いられ、最適な電極厚さは１０％Λである。共振及び反共振周波数での伝搬損失、電気機械的結合係数並びにパワーフロー角についての等高線図（それぞれ図１５、１６、１７及び１８）は、ＬＳＡＷ特性を角λ及びθの関数として示す。図１５及び図１６における最小伝搬損失の線（ここでも破線で示す）はほぼ一致し、次の関係：θ＝−１．３６５＊ λにより記述できる。−４゜より大きく＋４゜より小さいλを用いた上述の関係により記述される方位では、共振及び反共振周波数での伝搬損失は０．００３ｄＢ／Λを超えず、Ｋ２ は８％より大きい。これらの値は、対称的な方位（０゜，−４２゜，０゜）、すなわち４８％ＹＸカットの値に近い。パワーフロー角の絶対値は、λが増大するにつれて大きくなるが、−４゜＜λ＜４゜のときには５゜を超えない。
【００３４】
従来技術とは違って、例としてここに記載の本発明は、図１９に関する例として記載のような平面１４内にあるオイラー角λ、μ、θの許容可能な値を示すものであり、ウエダの米国特許第６，０３７，８４７号及び第５，８７４，８６９号に例として当該技術における記載がされたような線１６に限定すべき１組のオイラー角を示しているのではない。
【００３５】
さらなる分析により、電極厚さが図１０に従って各μに対して最適に設定されて最小の平均伝搬損失を与えるならば、−５２゜〜−３６゜の範囲に固定されたμに対して、関係θ＝−１．３６５＊ λが非対称的な線θ（λ）を適切に記述する。また、Ａｕ又はＣｕが電極材料の主成分である場合、μが−５２゜〜−３６゜の範囲内に固定されていれば、同じ関係が最適な方位（λ，μ，θ）の非対称的な線に対して参照できる。このことは図２０、２１及び２２により示される。これらは、１０％Λ厚のＡｌ電極、４％Λ厚のＣｕ電極及び１．８％Λ厚のＡｕ電極のパターンを有するＬｉＴａＯ３ の方位（λ，−４２゜，−１．３６５＊ λ）に対し、角λに対する平均伝搬損失、電気機械的結合係数及びパワーフロー角をそれぞれ示す。３つの場合すべてにおいて、ＬＳＡＷ特性はλと共に非常にゆっくりと変化し、よって平均伝搬損失は、０．００４ｄＢ／Λを超えず、−４゜＜λ＜４゜のときｋ２は８％より大きい一方、パワーフロー角の絶対値は５゜より小さい。
【００３６】
従って、零でない第１及び第３オイラー角の場合には、第１オイラー角λは、その絶対値によって零でなくかつ４゜より小さく設定される。λの公称値はλ＝＋２゜となる。第２オイラー角μは、μが−５２゜より大きいが−３６゜よりは小さくなるようにかなり広い範囲内で選択できる。この第２の発明の好ましい実施態様では、μが−４４゜より大きく−３６゜よりは小さくなるように第２オイラー角を制限する。第３オイラー角θは、第１オイラー角に対する固定した関係θ＝−１．３６５＊ λを有する。よって、好ましい実施態様でのθの公称値は、θ＝−２．７３゜である。
【００３７】
本発明の多くの特徴や利点について、発明の構造や機能の詳細と共に述べてきたが、この開示は単なる説明であり、詳細において、特にＳＡＷデバイスの種類、ダイ（ｄｉｅ）上のデバイス方位及び部品の形状サイズ・配置についての選択において、本発明の原理内にて特許請求の範囲に表される用語の一般的な広い意味により示される十分な範囲にまで変更が可能であることが分かる。例えば、電極材料の主成分としての用語Ａｌは、主成分としてＡｌを用いる合金を含むべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】共振及び反共振周波数にて同時に伝搬損失を最小化する必要があるフィルターの例として、ラダーフィルターの概念図を示す。
【図２】ＬｉＴａＯ３ の４２゜回転したＹＸカット上のＬＳＡＷに対し、共振及び反共振周波数での伝搬損失を、波長について正規化したＡｌ電極厚さの関数としてグラフに示す。
【図３】ラダーＳＡＷフィルターの性能に対する共振及び反共振周波数での伝搬損失の増大の効果を概略的に示す図である。
【図４】初期結晶軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対するオイラー角を用いて、結晶面の方位とこの面における伝搬方向を概略的に示す。
【図５】ＬｉＴａＯ３ のμ’回転したＹＸカット上のＡｌ電極を有するパターンに対し、共振周波数での伝搬損失の等高線をカット角μ’と正規化した電極厚さとの関数として示す。
【図６】ＬｉＴａＯ３ のμ’回転したＹＸカット上のＡｌ電極を有するパターンに対し、反共振周波数での伝搬損失の等高線をカット角μ’と正規化した電極厚さとの関数として示す。
【図７】ＬｉＴａＯ３ のμ’回転したＹＸカット上のＡｌ電極を有するパターンに対し、平均伝搬損失の等高線をカット角μ’と正規化した電極厚さとの関数として示す。
【図８】Ａｌ電極のパターンを有するＬｉＴａＯ３ の３６゜ＹＸ、４２゜ＹＸ及び４８゜ＹＸカットに対する共振及び反共振周波数での伝搬損失を、正規化した電極厚さの関数としてグラフに示す。平均伝搬損失は、４２゜ＹＸカットではｈ／Λ≒０．０５にて最小化され、４８゜ＹＸカットではｈ／Λ≒０．１にて最小化される。
【図９】Ａｌ電極のパターンを有するＬｉＴａＯ３ の３６゜ＹＸ、４２゜ＹＸ及び４８゜ＹＸカットに対する電気機械的結合係数を、正規化した電極厚さの関数としてグラフに示す。
【図１０】電極材料の主成分としてＡｌ、Ｃｕ及びＡｕを有するＬｉＴａＯ３ のμ’回転したＹＸカットに対し、最適な正規化した電極厚さとカット角μ’との関係を示す図である。
【図１１】電極材料の主成分としてＡｌ、Ｃｕ及びＡｕを有するＬｉＴａＯ３ のμ’回転したＹＸカットに対し、最適化した厚さに対応する電気機械的結合係数と、図１０の回転角依存性との関係をグラフに示す。
【図１２】電極材料の主成分としてＡｌ、Ｃｕ及びＡｕを有するＬｉＴａＯ３ のμ’回転したＹＸカットに対し、最適化した厚さに対応する平均伝搬損失と、図１０の回転角依存性との関係をグラフに示す。
【図１３】ＬｉＴａＯ３ の３６゜ＹＸ、４２゜ＹＸ及び４８゜ＹＸカットの基板上に図１に従って構成された３つのフィルターのＳＡＷフィルター周波数応答を示す図である。
【図１４】フィルター通過帯域を含んだ図１３の図の拡大部分を示す。
【図１５】オイラー角（λ，−４２゜，θ）により定められるＬｉＴａＯ３ 基板上に配置され厚さ１０％ΛのＡｌ電極のパターンに対し、共振周波数での伝搬損失の等高線を、角λ及びθの関数として示す。ここで、最適な非対称方位の線たるθ＝−１．３６５λが示される。
【図１６】オイラー角（λ，−４２゜，θ）により定められるＬｉＴａＯ３ 基板上に配置され厚さ１０％ΛのＡｌ電極のパターンに対し、反共振周波数での伝搬損失の等高線を、角λ及びθの関数として示す。ここで、最適な非対称方位の線たるθ＝−１．３６５λが示される。
【図１７】オイラー角（λ，−４２゜，θ）により定められるＬｉＴａＯ３ 基板上に配置され厚さ１０％ΛのＡｌ電極のパターンに対し、電気機械的結合係数の等高線を、角λ及びθの関数として示す。ここで、最適な非対称方位の線たるθ＝−１．３６５λが示される。
【図１８】オイラー角（λ，−４２゜，θ）により定められるＬｉＴａＯ３ 基板上に配置され厚さ１０％ΛのＡｌ電極のパターンに対し、パワーフロー角の等高線を、角λ及びθの関数として示す。
【図１９】ＳＡＷデバイスの性能を最適化するのに望ましい表面を達成するオイラー角の得られた面を示すオイラー角λ、μ、θの図である。
【図２０】１０％Λの厚みのＡｌ電極、４％Λの厚みのＣｕ電極、及び１．８％Λの厚みのＡｕ電極を有する３つのパターンに対し、オイラー角（λ，−４２゜，−１．３６５＊ λ）により定められる方位における平均伝搬損失をグラフに示す。
【図２１】１０％Λの厚みのＡｌ電極、４％Λの厚みのＣｕ電極、及び１．８％Λの厚みのＡｕ電極を有する３つのパターンに対し、オイラー角（λ，−４２゜，−１．３６５＊ λ）により定められる方位における電気機械的結合係数をグラフに示す。
【図２２】１０％Λの厚みのＡｌ電極、４％Λの厚みのＣｕ電極、及び１．８％Λの厚みのＡｕ電極を有する３つのパターンに対し、オイラー角（λ，−４２゜，−１．３６５＊ λ）により定められる方位におけるＬＳＡＷのパワーフロー角をグラフに示す。
【符合の説明】
１０　　圧電性基板
１２　　基板カット
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【国際公開パンフレット】
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【手続補正書】
【提出日】平成14年5月14日(2002.5.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶ＬｉＴａＯ３ の圧電性基板（１０）と、前記圧電性基板（１０）の表面（１２）上に設けられた電極パターンとを備え、前記電極パターンが、電極厚さが約１％Λ〜約１５％Λの範囲にある共振器を形成し、ここでΛは前記圧電性基板（１０）の前記表面（１２）上に励起される弾性表面波の音響波長である弾性表面波デバイスにおいて、
前記圧電性基板（１０）が、オイラー角（λ，μ，θ）により定められる方位を有し、角λは−４゜〜＋４゜の範囲にあり、角μは約−５２゜〜約−３６゜の範囲にあり、角θは約（−１．３６５λ−４）゜〜（−１．３６５λ＋４）゜の範囲にあり、また、前記角λ及びθの一つが０゜に等しくないことを特徴とする前記弾性表面波デバイス。
【請求項２】
λは約＋２゜の値を有し、角μは−４４゜より大きくかつ−３６゜よりは小さく、角θは、θがほぼ−１．３６５λの値を有するとして定められるようなλに対する固定した関係を有する、請求項１記載の弾性表面波デバイス。
【請求項３】
θ＝−２．７３゜である、請求項２記載の弾性表面波デバイス。
【請求項４】
前記電極の主材料成分がＡｌを含む、請求項１記載の弾性表面波デバイス。
【請求項５】
前記電極の主材料成分がＡｕを含み、前記電極の厚さが約１％Λ〜約２．５％Λの範囲にある、請求項１記載の弾性表面波デバイス。
【請求項６】
前記電極の主材料成分がＣｕを含み、前記電極の厚さが約１％Λ〜約６％Λの範囲にある、請求項１記載の弾性表面波デバイス。
【国際調査報告】
2004507960.tif 000064
2004507960.tif 000065
2004507960.tif 000066