JP3753076B2 - ３次モードの５倍高調波を利用する表面弾性波素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ダイヤモンドを含む表面弾性波素子に関するものであり、特に、ＧＨｚ帯以上の高周波領域においても良好な動作特性を有する表面弾性波素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ダイヤモンドを含む表面弾性波素子としては、特開平１０−２７６０６１号公報に記載されるように、ダイヤモンド層の上にＺｎＯ層を形成し、このＺｎＯ層の上に表面弾性波の励振及び受信を行う櫛形電極を形成し、更に、ＺｎＯ層の上に櫛形電極を覆うようにしてＳｉＯ２層を形成した表面弾性波素子が知られている。この表面弾性波素子は、２次モードの表面弾性波を利用する場合に櫛形電極の厚さ、ＺｎＯ層の厚さ及びＳｉＯ２層の厚さを最適な組み合わせとすることにより、良好な伝播特性、電気機械結合特性及び周波数温度特性を実現し、更に低い伝播損失を実現しようとするものであり、伝播速度８０００〜１００００ｍ／ｓにおいて、周波数温度特性が−１５〜＋１５ｐｐｍ／℃であり、電気機械結合係数が０．１〜１．３％を実現している。
【０００３】
また、特開２００１−１８５９８９号公報には、ダイヤモンド層の上にＺｎＯ層を積層し、その上に櫛形電極を配置した構造を有する表面弾性波素子が記載されている。この表面弾性波素子は１次モードないし５次モードの表面弾性波を利用する場合に、ＺｎＯ層の厚さを最適にすることにより、良好な伝播特性および電気機械結合特性を得ようとするもので、伝播速度が５５００ｍ／ｓ以上で電気機械結合係数が０．５％以上の特性を実現している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した従来の表面弾性波素子にあっては、１０ＧＨｚ程度の高周波帯に用いようとすると、伝播速度を１００００ｍ／ｓの高速なものとしても、櫛形電極の線幅と線間を合わせて０．５μｍ程度とし、線幅を０．２５μｍ程度の細さにする必要がある。このため、量産化には問題がある。
【０００５】
一方、表面弾性波素子において、高周波帯では電気機械結合係数が小さくなるという問題もある。例えば、水晶では、基本波で０．１％であるが、５倍波では０．０２５％と小さくなる。電気機械結合係数が小さいと、低損失のフィルタを実現できなくなる。
【０００６】
そこで本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、量産性に適し、高周波領域で動作特性に優れる表面弾性波素子を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明に係る表面弾性波素子は、ダイヤモンド層と、ダイヤモンド層の上に形成された厚さｔｚのＺｎＯ層と、ＺｎＯ層の上に形成され表面弾性波の励振及び受信を行う櫛形電極と、櫛形電極を覆いＺｎＯ層の上に形成された厚さｔｓのＳｉＯ２層を備え、表面弾性波の３次モードの基本波の波長をλとしたときに、ｋｈ１＝５・２π・（ｔｚ／λ）、ｋｈ２＝５・２π・（ｔｓ／λ）で与えられるｋｈ１及びｋｈ２が、横軸にｋｈ１、縦軸にｋｈ２を与える二次元直交座標グラフにおいて、座標（ｋｈ１＝２．６８、ｋｈ２＝８．００）で与えられる点Ａと、座標（ｋｈ１＝２．６０、ｋｈ２＝７．８０）で与えられる点Ｂと、座標（ｋｈ１＝２．４０、ｋｈ２＝７．３８）で与えられる点Ｃと、座標（ｋｈ１＝２．２０、ｋｈ２＝６．９０）で与えられる点Ｄと、座標（ｋｈ１＝２．１０、ｋｈ２＝６．６０）で与えられる点Ｅと、座標（ｋｈ１＝２．０２、ｋｈ２＝５．９０）で与えられる点Ｆと、座標（ｋｈ１＝２．１０、ｋｈ２＝５．２５）で与えられる点Ｇと、座標（ｋｈ１＝２．４０、ｋｈ２＝４．８２）で与えられる点Ｈと、座標（ｋｈ１＝２．８０、ｋｈ２＝４．８０）で与えられる点Ｉと、座標（ｋｈ１＝３．２０、ｋｈ２＝４．８８）で与えられる点Ｊと、座標（ｋｈ１＝３．６０、ｋｈ２＝５．１０）で与えられる点Ｋと、座標（ｋｈ１＝４．００、ｋｈ２＝５．５８）で与えられる点Ｌと、座標（ｋｈ１＝４．４０、ｋｈ２＝６．２６）で与えられる点Ｍと、座標（ｋｈ１＝４．８０、ｋｈ２＝７．１８）で与えられる点Ｎと、座標（ｋｈ１＝４．８０、ｋｈ２＝７．４０）で与えられる点Ｐと、座標（ｋｈ１＝４．５０、ｋｈ２＝８．００）で与えられる点Ｑと、Ａ点とを順に線分で結ぶ１６本の線分からなる領域ＡＢＣＤＥＦＧＨＩＪＫＬＭＮＰＱＡの１６本の線上を含む内部に与えられ、表面弾性波の３次モードの５倍高調波が用いられることを特徴とする。
【０００８】
また本発明に係る表面弾性波素子は、ダイヤモンド層と、ダイヤモンド層の上に形成された厚さｔｚのＺｎＯ層と、ＺｎＯ層の上に形成され表面弾性波の励振及び受信を行う櫛形電極と、櫛形電極を覆いＺｎＯ層の上に形成された厚さｔｓのＳｉＯ２層を備え、表面弾性波の３次モードの基本波の波長をλとしたときに、ｋｈ１＝５・２π・（ｔｚ／λ）、ｋｈ２＝５・２π・（ｔｓ／λ）で与えられるｋｈ１及びｋｈ２が、横軸にｋｈ１、縦軸にｋｈ２を与える二次元直交座標グラフにおいて、座標（ｋｈ１＝３．５０、ｋｈ２＝７．９８）で与えられる点Ａと、座標（ｋｈ１＝３．４０、ｋｈ２＝７．８０）で与えられる点Ｂと、座標（ｋｈ１＝３．２０、ｋｈ２＝７．４６）で与えられる点Ｃと、座標（ｋｈ１＝３．００、ｋｈ２＝６．９０）で与えられる点Ｄと、座標（ｋｈ１＝２．８０、ｋｈ２＝６．４５）で与えられる点Ｅと、座標（ｋｈ１＝３．００、ｋｈ２＝６．００）で与えられる点Ｆと、座標（ｋｈ１＝３．２０、ｋｈ２＝５．９２）で与えられる点Ｇと、座標（ｋｈ１＝３．６０、ｋｈ２＝６．２５）で与えられる点Ｈと、座標（ｋｈ１＝３．８０、ｋｈ２＝６．６０）で与えられる点Ｉと、座標（ｋｈ１＝４．００、ｋｈ２＝６．９８）で与えられる点Ｊと、座標（ｋｈ１＝４．２０、ｋｈ２＝７．６２）で与えられる点Ｋと、座標（ｋｈ１＝４．３０、ｋｈ２＝７．９５）で与えられる点Ｌと、Ａ点とを順に線分で結ぶ、１２本の線分からなる領域ＡＢＣＤＥＦＧＨＩＪＫＬＡの１２本の線上を含む内部に与えられ、表面弾性波の３次モードの５倍高調波が用いられることを特徴とする。
【０００９】
また本発明に係る表面弾性波素子は、前述の表面弾性波の中心周波数をｆ０、伝播速度をｖとしたときに、伝播速度ｖが４８００〜５８５０ｍ／ｓであり、櫛形電極の電極線幅をｄｍ、電極間隔をｄｆとしたとき、電極ピッチ（ｄｍ＋ｄｆ）がｄｍ＋ｄｆ＝（５・ｖ）／（２・ｆ０）で与えられることを特徴とする。
【００１０】
また本発明に係る表面弾性波素子は、前述の表面弾性波の中心周波数をｆ０、伝播速度をｖとしたときに、伝播速度ｖが４８００〜５５８０ｍ／ｓであり、櫛形電極の電極線幅をｄｍ、電極間隔をｄｆとしたとき、電極ピッチ（ｄｍ＋ｄｆ）がｄｍ＋ｄｆ＝（５・ｖ）／（２・ｆ０）で与えられることを特徴とする。
【００１１】
また本発明に係る表面弾性波素子は、前述の櫛形電極の電極線幅が０．５μｍ以上であり、表面弾性波の中心周波数が５．０〜１４．６ＧＨｚであることを特徴とする。
【００１２】
また本発明に係る表面弾性波素子は、前述の櫛形電極の電極線幅が０．５μｍ以上であり、表面弾性波の中心周波数が５．０〜１３．９ＧＨｚであることを特徴とする。
【００１３】
さらに本発明に係る表面弾性波素子は、前述の櫛形電極の電極線幅が０．５μｍ以上であり、表面弾性波の中心周波数が９．５〜１０．５ＧＨｚであることを特徴とする。
【００１４】
これらの発明によれば、表面弾性波の３次モードの５倍高調波を用いることにより、高周波領域で良好な伝播特性、電気機械結合係数、周波数温度特性を得ることができる。また、櫛形電極の電極部分の線幅を大きくできるため、量産性の向上が図れる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づき、本発明の実施形態について説明する。尚、各図において同一要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００１６】
図１に本実施形態に係る表面弾性波素子の断面図を示す。本図に示すように、本実施形態に係る表面弾性波素子１は、シリコン製の基板２の上にダイヤモンド層３を備えている。ダイヤモンド層３を構成するダイヤモンドとしては、天然型ダイヤモンド、合成ダイヤモンドのいずれであってもよい。また、単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド又は非晶質ダイヤモンドのいずれを用いてもよい。なお、図１では、シリコンの基板２上に薄膜としてダイヤモンド層３を形成しているが、ダイヤモンド単体を用いてもよい。合成ダイヤモンドの場合は、ＣＶＤ、イオンプレーテイング法、ＰＶＤ、熱フイラメント法など、どの製造方法を用いてもダイヤモンド層を形成することができる。
【００１７】
ダイヤモンド層３の上には、ＺｎＯ層４が形成されている。ＺｎＯ層４は、構成するＺｎＯがｃ軸配向性ＺｎＯであることが望ましい。ここで、「ｃ軸配向」であるとは、ＺｎＯ膜の（００１）面が基板と平行であるように形成されていることをいう。形成されたＺｎＯ膜がｃ軸配向であり、また多結晶であれば、ＺｎＯの本来有する圧電性を十分に利用した表面弾性波素子を実現することが可能となる。
【００１８】
ＺｎＯ層４の上には、櫛形電極５が形成されている。櫛形電極５は、表面弾性波の励振及び受信を行うものである。図２に示すように、櫛形電極５は、例えば、シングル電極タイプとされ、電極５１と電極５２を備えて構成される。電極５１と電極５２は、相対向して設けられ、それそれ他方へ向けて突出する櫛歯状の電極指５３を多数形成している。ここで電極指の線幅をｄｍ、電極の線間隔をｄｆとすると、電極指５３のピッチ（線幅ｄｍ＋線間ｄｆ）は、表面弾性波の３次モードの５倍高調波の中心周波数をｆ０、伝播速度をｖとすると、次の式（１）により与えられる。
【００１９】
ｄｍ＋ｄｆ＝（５・ｖ）／（２・ｆ０） ‥‥（１）
また、伝播速度ｖが４８００〜５８５０ｍ／ｓである場合、電極指５３は、その線幅ｄｍを０．５μｍ以上として形成される。このため、電極指５３がある程度の線幅を有するため、櫛形電極５の製造が容易となり、表面弾性波素子１の量産が容易となる。
【００２０】
なお、図２では、シングル電極タイプのものを示したが、櫛形電極５としては、二本の電極指５３を一組として突出させるダブル電極タイプのものであってもよい。また、櫛形電極５を挟み込むように、両側に反射器電極（グレーテイング反射器等）を配置し、入出力電極間を伝播する表面弾性波を反射器電極の間で多重反射させ定在波を発生させる表面弾性波共振器の構成をとってもよい。櫛型電極５などを構成する材料は、導電性材料であればよく、加工性等の点からはアルミニウムが好ましく用いられる。
【００２１】
ＺｎＯ層４の上には、櫛形電極５を覆うようにしてＳｉＯ２層６が形成されている。ＳｉＯ２層６は、表面弾性波素子１における温度特性を良好にする機能を有し、また、圧電体及び櫛型電極５に対する保護膜としても機能し、外部環境からの湿気及び不純物等の影響を著しく低減させるものである。このＳｉＯ２層６は、非晶質ＳｉＯ２からなることが望ましい。また、ＳｉＯ２層６の表面弾性波の伝播速度の温度変化は、ダイヤモンド層３及びＺｎＯ層４の温度変化と異符号となっている。このため、例えば表面弾性波素子１の温度が上昇すると、ＳｉＯ２層６中の表面弾性波の伝播速度は増大するが、ダイヤモンド層３及ぴＺｎＯ層４中の表面弾性波の伝播速度は減少する。したがって、ＳｉＯ２層６がダイヤモンド層３及びＺｎＯ層４における伝播速度の温度変化を相殺し、その結果、表面弾性波の伝播速度が温度変化に対し安定したものとなる。
【００２２】
【実施例】
次に、本実施形態に係る表面弾性波素子１の実施例を説明する。この実施例では、圧電体であるＺｎＯ層４の厚さｔｚと保護層であるＳｉＯ２層６の厚さｔｓを変えて表面弾性波素子１を製造し、最適な伝播速度ｖ、電気機械結合係数Ｋ２及び周波数温度特性ＴＣＦを与えるようなＺｎＯ層４の厚さｔｚ及びＳｉＯ２層６の厚さｔｓの最適化を行った。
【００２３】
（第一実施例）
本実施例の表面弾性波素子は、以下のように製造した。１０ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍのシリコン基板上にマイクロ波プラズマＣＶＤ法を用いて多結晶ダイヤモンドを厚さ５０μｍまで成膜した後、ダイヤモンド表面をダイヤモンドコート研磨機を用いて膜厚２０μｍまで研磨した。多結晶ダイヤモンドの原料には、ＣＨ４をＨ２で１００倍に希釈したガスを用いた。
【００２４】
そして、このダイヤモンドの上にＺｎＯ多結晶薄膜を、Ａｒと酸素の混合ガスでスパッ夕する方法により形成した。スパッタ条件は、基板温度４００℃、ＲＦパワー１６０Ｗ、圧力２．７Ｐａとした。スパッタの時間を変えることにより、ＺｎＯの膜厚を変化させることができる。そして、ｋｈ１＝２．０〜４．８となるように、ＺｎＯ層の膜厚ｔｚを変えたものを作製した。ここで、ｋｈ１は、ＺｎＯ層の厚さを表面弾性波の３次モードの基本波の波長λに対して相対的に表現するためのパラメータであり、次の式（２）により表されるものである。
【００２５】
但し、λＭは、５倍高調波の波長であり、λ／５である。
【００２６】
次に、ＺｎＯ層の上にＡｌを抵抗加熱法により蒸着し、櫛形電極を形成した。櫛形電極は、フオトリソグラフィー及びエッチングにより、シングル電極構造の持つさまざまな線幅のものを形成した。
【００２７】
そして、櫛形電極を覆うようにして、ＺｎＯ層の上に非晶質ＳｉＯ２膜を形成した。非晶質ＳｉＯ２膜の形成は、基板温度１５０℃、ＲＦパワー２００Ｗ、Ａｒ：Ｏ２＝１：１の混合ガス、圧力０．０１Ｔｏｒｒ、ターゲットＳｉＯ２の条件の下でスパッタリングより行った。スパッタの時間を変えることにより、ＳｉＯ２の膜厚を変化させることができる。そして、ｋｈ２＝４．０〜８．０となるように、ＳｉＯ２層の膜厚ｔｓを変えたものを作製した。
【００２８】
ここで、ｋｈ２は、ＳｉＯ２層の厚さを表面弾性波の３次モードの基本波の波長λに対して相対的に表現するためのパラメータであり、次の式（３）により表されるものである。
【００２９】
このようにして、図１に示すような構造を有し、ＺｎＯ層４及びＳｉＯ２層６の厚さの異なる表面弾性波素子を製造した。
【００３０】
そして、これらの各表面弾性波素子について、入力電極５１と５２の間に高周波電力を印加して表面弾性波を励起させ、ｖ＝ｆ０λＭ（ｆ０：中心周波数）の関係から、励起された表面弾性波の３次モードの５倍高調波の伝播速度を求めた。
【００３１】
各表面弾性波素子の電気機械結合係数Ｋ２は、ネットワークアナライザ（横河ヒューレットパッカード社製、８７９１Ａ）を用いて３次モードにおいて測定された各表面弾性波素子の櫛形電極の放射コンダクタンスの実部Ｇに基づき、次の式（４）により求めた。
【００３２】
Ｋ２＝Ｇ／（８・ｆ０・Ｃ・Ｎ） ‥‥（４）
但し、ｆ０は中心周波数、Ｃは櫛形電極の全静電容量、Ｎは櫛形電極の対の数である。
【００３３】
周波数温度特性ＴＣＦは中心周波数と温度の関係から求めた。すなわち、表面弾性波素子を室温から８０℃までヒーターで加熱し１０℃おきに中心周波数を測定したところ、直線関係が得られ、この直線の傾きからＴＣＦを求めた。
【００３４】
また、表面弾性波素子のＺｎＯ層の正確な厚さｔｚ及びＳｉＯ２層の正確な厚さｔｓは、上述した各パラメータを測定した後、表面弾性波素子を切断し、切断面をＳＥＭで観察することにより求めた。そして、厚さｔｚ、ｔｓに基づいて、パラメータｋｈ１及びｋｈ２を求め、表面弾性波素子の諸特性に及ぼすそれらの効果を評価した。
【００３５】
図３は、本実施例により製造された表面弾性波素子について、ＺｎＯ層の厚さとＳｉＯ２層の厚さに対する電気機械結合係数Ｋ２の関係を二次元直交座標グラフとして示したものである。図３のグラフにおいて、横軸はＺｎＯ層の厚さに関するパラメータｋｈ１（上述の式（２）参照）であり、縦軸はＳｉＯ２層の厚さに関するパラメータｋｈ２（上述の式（３）参照）である。また、グラフの各曲線に付随する数値は、曲線に対応する電気機械結合係数Ｋ２の値である。これらの単位は％である。
【００３６】
図４は、本実施例により製造された表面弾性波素子について、ＺｎＯ層の厚さとＳｉＯ２層の厚さに対する伝播速度ｖの関係を二次元直交座標グラフとして示したものである。図４のグラフにおいて、横軸はＺｎＯ層の厚さに関するパラメータｋｈ１、縦軸はＳｉＯ２層の厚さに関するパラメータｋｈ２である。また、グラフの各曲線に付随する数値は、曲線に対応する伝播速度ｖの値である。伝播速度ｖの単位は、ｍ／ｓである。
【００３７】
図５は、本実施例により製造された表面弾性波素子について、ＺｎＯ層の厚さとＳｉＯ２層の厚さに対する周波数温度特性ＴＣＦの関係を二次元直交座標グラフとして示したものである。図５のグラフにおいて、横軸はＺｎＯ層の厚さに関するパラメータｋｈ１、縦軸はＳｉＯ２層の厚さに関するパラメータｋｈ２である。また、グラフの各曲線に付随する数値は、曲線に対応する周波数温度特性ＴＣＦの値である。周波数温度特性ＴＣＦの単位は、ｐｐｍ／℃である。
【００３８】
ここで、図３において電気機械結合係数Ｋ２が０．２％以上であり、図４において伝播速度ｖが４８００ｍ／ｓ以上を満たし、かつ、図５において周波数温度特性ＴＣＦが−２０〜＋２０ｐｐｍ／℃を満たすｋｈ１及びｋｈ２の数値範囲を図６に示す。図６は、図３〜図５と同様に、横軸をｋｈ１、縦軸をｋｈ２とした二次元直交座標グラフである。本図において、電気機械結合係数Ｋ２が０．２％以上であり、伝播速度ｖが４８００ｍ／ｓ以上であり、かつ、周波数温度特性ＴＣＦが−２０〜＋２０ｐｐｍ／℃であるｋｈ１及びｋｈ２の数値は、本図中の点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌ、Ｍ、Ｎ、Ｐ、Ｑ、Ａを順に線分で結んでなる領域（各線分上を含む）で与えられる。ここで、点Ａは座標（ｋｈ１＝２．６８、ｋｈ２＝８．００）で与えられ、点Ｂは座標（ｋｈ１＝２．６０、ｋｈ２＝７．８０）で与えられ、点Ｃは座標（ｋｈ１＝２．４０、ｋｈ２＝７．３８）で与えられ、点Ｄは座標（ｋｈ１＝２．２０、ｋｈ２＝６．９０）で与えられ、点Ｅは座標（ｋｈ１＝２．１０、ｋｈ２＝６．６０）で与えられ、点Ｆは座標（ｋｈ１＝２．０２、ｋｈ２＝５．９０）で与えられ、点Ｇは座標（ｋｈ１＝２．１０、ｋｈ２＝５．２５）で与えられ、点Ｈは座標（ｋｈ１＝２．４０、ｋｈ２＝４．８２）で与えられ、点Ｉは座標（ｋｈ１＝２．８０、ｋｈ２＝４．８０）で与えられ、点Ｊは座標（ｋｈ１＝３．２０、ｋｈ２＝４．８８）で与えられ、点Ｋは座標（ｋｈ１＝３．６０、ｋｈ２＝５．１０）で与えられ、点Ｌは座標（ｋｈ１＝４．００、ｋｈ２＝５．５８）で与えられ、点Ｍは座標（ｋｈ１＝４．４０、ｋｈ２＝６．２６）で与えられ、点Ｎは座標（ｋｈ１＝４．８０、ｋｈ２＝７．１８）で与えられ、点Ｐは座標（ｋｈ１＝４．８０、ｋｈ２＝７．４０）で与えられ、点Ｑは座標（ｋｈ１＝４．５０、ｋｈ２＝８．００）で与えられる。すなわち、表面弾性波の３次モードの５倍高調波を用い、図６に示す点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌ、Ｍ、Ｎ、Ｐ、Ｑ、Ａを順に線分で結んでなる領域（各線分上を含む）で与えられるｋｈ１及ぴｋｈ２の数値をとることにより、電気機械結合係数Ｋ２が０．２％以上であり、伝播速度ｖが４８００ｍ／ｓ以上であり、かつ、周波数温度特性ＴＣＦが−２０〜＋２０ｐｐｍ／℃である表面弾性波素子が得られる。
【００３９】
また、表面弾性波の伝播速度ｖが４８００〜５８５０ｍ／ｓである場合、上述の式（１）により、櫛形電極の電極部の線幅を０．５μｍ以上として形成することができる。このため、櫛形電極の製造が容易となり、表面弾性波素子の量産が容易となる。また、櫛形電極の電極部の線幅を０．５μｍ以上とし、表面弾性波の中心周波数を５．０〜１４．６ＧＨｚとした場合又はより好ましくは表面弾性波の中心周波数を９．５〜１０．５ＧＨｚとした場合でも、上述した電気機械結合係数Ｋ２、伝播速度ｖ及び周波数温度特性ＴＣＦの特性が得られる。
【００４０】
（第二実施例）
本実施例の表面弾性波素子は、第一実施例と同様な手法を用い、条件を変更して１０ＧＨｚ付近の中心周波数で動作する表面弾性波素子を製造した。ＺｎＯの膜厚ｔｚを変化させてパラメータｋｈ１が２．０〜４．８となるように表面弾性波素子を製造した。また、ＳｉＯ２の膜厚ｔｓを変化させてパラメータｋｈ２が４．５〜８．０となるように表面弾性波素子を製造した。そして、第一実施例と同様に、ＺｎＯ層の厚さとＳｉＯ２層の厚さに対する電気機械結合係数Ｋ２、伝播速度ｖ及び周波数温度特性ＴＣＦの関係を表した二次元直交座標グラフを作成し、それらの二次元直交座標グラフに基づいて、電気機械結合係数Ｋ２が０．４％以上を満たし、伝播速度ｖが４８００ｍ／ｓ以上を満たし、かつ、周波数温度特性ＴＣＦが−２０〜＋２０ｐｐｍ／℃を満たすｋｈ１及びｋｈ２の数値範囲を二次元直交座標グラフとして表した。その二次元直交座標グラフを図７に示す。
【００４１】
図７において、横軸はｋｈ１、縦軸はｋｈ２である。本図において、電気機械結合係数Ｋ２が０．４％以上であり、伝播速度ｖが４８００ｍ／ｓ以上であり、かつ、周波数温度特性ＴＣＦが−２０〜＋２０ｐｐｍ／℃であるｋｈ１及びｋｈ２の数値は、本図中の点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌ、Ａを順に線分で結んでなる領域（各線分上を含む）で与えられる。ここで、点Ａは座標（ｋｈ１＝３．５０、ｋｈ２＝７．９８）で与えられ、点Ｂは座標（ｋｈ１＝３．４０、ｋｈ２＝７．８０）で与えられ、点Ｃは座標（ｋｈ１＝３．２０、ｋｈ２＝７．４６）で与えられ、点Ｄは座標（ｋｈ１＝３．００、ｋｈ２＝６．９０）で与えられ、点Ｅは座標（ｋｈ１＝２．８０、ｋｈ２＝６．４５）で与えられ、点Ｆは座標（ｋｈ１＝３．００、ｋｈ２＝６．００）で与えられ、点Ｇは座標（ｋｈ１＝３．２０、ｋｈ２＝５．９２）で与えられ、点Ｈは座標（（ｋｈ１＝３．６０、ｋｈ２＝６．２５）で与えられ、点Ｉは座標（ｋｈ１＝３．８０、ｋｈ２＝６．６０）で与えられ、点Ｊは座標（ｋｈ１＝４．００、ｋｈ２＝６．９８）で与えられ、点Ｋは座標（ｋｈ１＝４．２０、ｋｈ２＝７．６２）で与えられ、点Ｌは座標（ｋｈ１＝４．３０、ｋｈ２＝７．９５）で与えられる。すなわち、図７に示す点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌ、Ａを順に線分で結んでなる領域（各線分上を含む）で与えられるｋｈ１及びｋｈ２の数値をとることにより、電気機械結合係数Ｋ２が０．４％以上であり、伝播速度ｖが４８００ｍ／ｓ以上であり、かつ、周波数温度特性ＴＣＦが−２０〜＋２０ｐｐｍ／℃である表面弾性波素子が得られる。
【００４２】
また、表面弾性波の伝播速度ｖが４８００〜５８５０ｍ／ｓである場合、上述の式（１）により、櫛形電極の電極部の線幅を０．５μｍ以上として形成することができる。このため、櫛形電極の製造が容易となり、表面弾性波素子の量産が容易となる。また、櫛形電極の電極部の線幅を０．５μｍ以上とし、表面弾性波の中心周波数を５．０〜１３．９ＧＨｚとした場合又はより好ましくは表面弾性波の中心周波数を９．５〜１０．５ＧＨｚとした場合でも、上述した電気機械結合係数Ｋ２、伝播速度ｖ及び周波数温度特性ＴＣＦの特性が得られる。
【００４３】
第一実施例において、電気機械結合係数Ｋ２が０．２％以上であり、伝播速度ｖが４８００ｍ／ｓ以上であり、かつ、周波数温度特性ＴＣＦが−２０〜＋２０ｐｐｍ／℃であるような、ｋｈ１およびｋｈ２の範囲を図６に示した。また第二実施例において、電気機械結合係数Ｋ２が０．４％以上であり、伝播速度ｖが４８００ｍ／ｓ以上であり、かつ、周波数温度特性ＴＣＦが−２０〜＋２０ｐｐｍ／℃であるような、ｋｈ１およびｋｈ２の範囲を図７に示した。これらの実施例において周波数温度特性ＴＣＦがさらに良好な−１０〜＋１０ｐｐｍ／℃である表面弾性波素子を得るには、図５に示した周波数温度特性のグラフからＴＣＦが−１０〜＋１０ｐｐｍ／℃となるようなｋｈ１およびｋｈ２の領域を読み取り、これをそれぞれ図６（第一実施例）または図７（第二実施例）に重ねて、両者が重なり合う領域を求めればよい。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、表面弾性波の３次モードの５倍高調波を用いることにより、高周波領域で良好な伝播特性、電気機械結合係数、周波数温度特性を得ることができる。また、櫛形電極の電極部分の線幅を大きくできるため、量産性の向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態に係る表面弾性波素子の説明図である。
【図２】 図１の表面弾性波素子における櫛形電極の説明図である。
【図３】 第一実施例に係る表面弾性波素子における電気機械結合係数を示すグラフである。
【図４】 第一実施例に係る表面弾性波素子における伝播速度を示すグラフである。
【図５】 第一実施例に係る表面弾性波素子における周波数温度特性を示すグラフである。
【図６】 第一実施例に係る表面弾性波素子におけるパラメータｋｈ１及びｋｈ２の範囲を示すグラフである。
【図７】 第二実施例に係る表面弾性波素子におけるパラメータｋｈ１及びｋｈ２の範囲を示すグラフである。
【符号の説明】
１…表面弾性波素子、２…基板、３…ダイヤモンド層、４…ＺｎＯ層、５…櫛形電極、６…ＳｉＯ２層、５１、５２…電極、５３…電極指。
【発明の属する技術分野】
本発明は、ダイヤモンドを含む表面弾性波素子に関するものであり、特に、ＧＨｚ帯以上の高周波領域においても良好な動作特性を有する表面弾性波素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ダイヤモンドを含む表面弾性波素子としては、特開平１０−２７６０６１号公報に記載されるように、ダイヤモンド層の上にＺｎＯ層を形成し、このＺｎＯ層の上に表面弾性波の励振及び受信を行う櫛形電極を形成し、更に、ＺｎＯ層の上に櫛形電極を覆うようにしてＳｉＯ２層を形成した表面弾性波素子が知られている。この表面弾性波素子は、２次モードの表面弾性波を利用する場合に櫛形電極の厚さ、ＺｎＯ層の厚さ及びＳｉＯ２層の厚さを最適な組み合わせとすることにより、良好な伝播特性、電気機械結合特性及び周波数温度特性を実現し、更に低い伝播損失を実現しようとするものであり、伝播速度８０００〜１００００ｍ／ｓにおいて、周波数温度特性が−１５〜＋１５ｐｐｍ／℃であり、電気機械結合係数が０．１〜１．３％を実現している。
【０００３】
また、特開２００１−１８５９８９号公報には、ダイヤモンド層の上にＺｎＯ層を積層し、その上に櫛形電極を配置した構造を有する表面弾性波素子が記載されている。この表面弾性波素子は１次モードないし５次モードの表面弾性波を利用する場合に、ＺｎＯ層の厚さを最適にすることにより、良好な伝播特性および電気機械結合特性を得ようとするもので、伝播速度が５５００ｍ／ｓ以上で電気機械結合係数が０．５％以上の特性を実現している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した従来の表面弾性波素子にあっては、１０ＧＨｚ程度の高周波帯に用いようとすると、伝播速度を１００００ｍ／ｓの高速なものとしても、櫛形電極の線幅と線間を合わせて０．５μｍ程度とし、線幅を０．２５μｍ程度の細さにする必要がある。このため、量産化には問題がある。
【０００５】
一方、表面弾性波素子において、高周波帯では電気機械結合係数が小さくなるという問題もある。例えば、水晶では、基本波で０．１％であるが、５倍波では０．０２５％と小さくなる。電気機械結合係数が小さいと、低損失のフィルタを実現できなくなる。
【０００６】
そこで本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、量産性に適し、高周波領域で動作特性に優れる表面弾性波素子を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明に係る表面弾性波素子は、ダイヤモンド層と、ダイヤモンド層の上に形成された厚さｔｚのＺｎＯ層と、ＺｎＯ層の上に形成され表面弾性波の励振及び受信を行う櫛形電極と、櫛形電極を覆いＺｎＯ層の上に形成された厚さｔｓのＳｉＯ２層を備え、表面弾性波の３次モードの基本波の波長をλとしたときに、ｋｈ１＝５・２π・（ｔｚ／λ）、ｋｈ２＝５・２π・（ｔｓ／λ）で与えられるｋｈ１及びｋｈ２が、横軸にｋｈ１、縦軸にｋｈ２を与える二次元直交座標グラフにおいて、座標（ｋｈ１＝２．６８、ｋｈ２＝８．００）で与えられる点Ａと、座標（ｋｈ１＝２．６０、ｋｈ２＝７．８０）で与えられる点Ｂと、座標（ｋｈ１＝２．４０、ｋｈ２＝７．３８）で与えられる点Ｃと、座標（ｋｈ１＝２．２０、ｋｈ２＝６．９０）で与えられる点Ｄと、座標（ｋｈ１＝２．１０、ｋｈ２＝６．６０）で与えられる点Ｅと、座標（ｋｈ１＝２．０２、ｋｈ２＝５．９０）で与えられる点Ｆと、座標（ｋｈ１＝２．１０、ｋｈ２＝５．２５）で与えられる点Ｇと、座標（ｋｈ１＝２．４０、ｋｈ２＝４．８２）で与えられる点Ｈと、座標（ｋｈ１＝２．８０、ｋｈ２＝４．８０）で与えられる点Ｉと、座標（ｋｈ１＝３．２０、ｋｈ２＝４．８８）で与えられる点Ｊと、座標（ｋｈ１＝３．６０、ｋｈ２＝５．１０）で与えられる点Ｋと、座標（ｋｈ１＝４．００、ｋｈ２＝５．５８）で与えられる点Ｌと、座標（ｋｈ１＝４．４０、ｋｈ２＝６．２６）で与えられる点Ｍと、座標（ｋｈ１＝４．８０、ｋｈ２＝７．１８）で与えられる点Ｎと、座標（ｋｈ１＝４．８０、ｋｈ２＝７．４０）で与えられる点Ｐと、座標（ｋｈ１＝４．５０、ｋｈ２＝８．００）で与えられる点Ｑと、Ａ点とを順に線分で結ぶ１６本の線分からなる領域ＡＢＣＤＥＦＧＨＩＪＫＬＭＮＰＱＡの１６本の線上を含む内部に与えられ、表面弾性波の３次モードの５倍高調波が用いられることを特徴とする。
【０００８】
また本発明に係る表面弾性波素子は、ダイヤモンド層と、ダイヤモンド層の上に形成された厚さｔｚのＺｎＯ層と、ＺｎＯ層の上に形成され表面弾性波の励振及び受信を行う櫛形電極と、櫛形電極を覆いＺｎＯ層の上に形成された厚さｔｓのＳｉＯ２層を備え、表面弾性波の３次モードの基本波の波長をλとしたときに、ｋｈ１＝５・２π・（ｔｚ／λ）、ｋｈ２＝５・２π・（ｔｓ／λ）で与えられるｋｈ１及びｋｈ２が、横軸にｋｈ１、縦軸にｋｈ２を与える二次元直交座標グラフにおいて、座標（ｋｈ１＝３．５０、ｋｈ２＝７．９８）で与えられる点Ａと、座標（ｋｈ１＝３．４０、ｋｈ２＝７．８０）で与えられる点Ｂと、座標（ｋｈ１＝３．２０、ｋｈ２＝７．４６）で与えられる点Ｃと、座標（ｋｈ１＝３．００、ｋｈ２＝６．９０）で与えられる点Ｄと、座標（ｋｈ１＝２．８０、ｋｈ２＝６．４５）で与えられる点Ｅと、座標（ｋｈ１＝３．００、ｋｈ２＝６．００）で与えられる点Ｆと、座標（ｋｈ１＝３．２０、ｋｈ２＝５．９２）で与えられる点Ｇと、座標（ｋｈ１＝３．６０、ｋｈ２＝６．２５）で与えられる点Ｈと、座標（ｋｈ１＝３．８０、ｋｈ２＝６．６０）で与えられる点Ｉと、座標（ｋｈ１＝４．００、ｋｈ２＝６．９８）で与えられる点Ｊと、座標（ｋｈ１＝４．２０、ｋｈ２＝７．６２）で与えられる点Ｋと、座標（ｋｈ１＝４．３０、ｋｈ２＝７．９５）で与えられる点Ｌと、Ａ点とを順に線分で結ぶ、１２本の線分からなる領域ＡＢＣＤＥＦＧＨＩＪＫＬＡの１２本の線上を含む内部に与えられ、表面弾性波の３次モードの５倍高調波が用いられることを特徴とする。
【０００９】
また本発明に係る表面弾性波素子は、前述の表面弾性波の中心周波数をｆ０、伝播速度をｖとしたときに、伝播速度ｖが４８００〜５８５０ｍ／ｓであり、櫛形電極の電極線幅をｄｍ、電極間隔をｄｆとしたとき、電極ピッチ（ｄｍ＋ｄｆ）がｄｍ＋ｄｆ＝（５・ｖ）／（２・ｆ０）で与えられることを特徴とする。
【００１０】
また本発明に係る表面弾性波素子は、前述の表面弾性波の中心周波数をｆ０、伝播速度をｖとしたときに、伝播速度ｖが４８００〜５５８０ｍ／ｓであり、櫛形電極の電極線幅をｄｍ、電極間隔をｄｆとしたとき、電極ピッチ（ｄｍ＋ｄｆ）がｄｍ＋ｄｆ＝（５・ｖ）／（２・ｆ０）で与えられることを特徴とする。
【００１１】
また本発明に係る表面弾性波素子は、前述の櫛形電極の電極線幅が０．５μｍ以上であり、表面弾性波の中心周波数が５．０〜１４．６ＧＨｚであることを特徴とする。
【００１２】
また本発明に係る表面弾性波素子は、前述の櫛形電極の電極線幅が０．５μｍ以上であり、表面弾性波の中心周波数が５．０〜１３．９ＧＨｚであることを特徴とする。
【００１３】
さらに本発明に係る表面弾性波素子は、前述の櫛形電極の電極線幅が０．５μｍ以上であり、表面弾性波の中心周波数が９．５〜１０．５ＧＨｚであることを特徴とする。
【００１４】
これらの発明によれば、表面弾性波の３次モードの５倍高調波を用いることにより、高周波領域で良好な伝播特性、電気機械結合係数、周波数温度特性を得ることができる。また、櫛形電極の電極部分の線幅を大きくできるため、量産性の向上が図れる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づき、本発明の実施形態について説明する。尚、各図において同一要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００１６】
図１に本実施形態に係る表面弾性波素子の断面図を示す。本図に示すように、本実施形態に係る表面弾性波素子１は、シリコン製の基板２の上にダイヤモンド層３を備えている。ダイヤモンド層３を構成するダイヤモンドとしては、天然型ダイヤモンド、合成ダイヤモンドのいずれであってもよい。また、単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド又は非晶質ダイヤモンドのいずれを用いてもよい。なお、図１では、シリコンの基板２上に薄膜としてダイヤモンド層３を形成しているが、ダイヤモンド単体を用いてもよい。合成ダイヤモンドの場合は、ＣＶＤ、イオンプレーテイング法、ＰＶＤ、熱フイラメント法など、どの製造方法を用いてもダイヤモンド層を形成することができる。
【００１７】
ダイヤモンド層３の上には、ＺｎＯ層４が形成されている。ＺｎＯ層４は、構成するＺｎＯがｃ軸配向性ＺｎＯであることが望ましい。ここで、「ｃ軸配向」であるとは、ＺｎＯ膜の（００１）面が基板と平行であるように形成されていることをいう。形成されたＺｎＯ膜がｃ軸配向であり、また多結晶であれば、ＺｎＯの本来有する圧電性を十分に利用した表面弾性波素子を実現することが可能となる。
【００１８】
ＺｎＯ層４の上には、櫛形電極５が形成されている。櫛形電極５は、表面弾性波の励振及び受信を行うものである。図２に示すように、櫛形電極５は、例えば、シングル電極タイプとされ、電極５１と電極５２を備えて構成される。電極５１と電極５２は、相対向して設けられ、それそれ他方へ向けて突出する櫛歯状の電極指５３を多数形成している。ここで電極指の線幅をｄｍ、電極の線間隔をｄｆとすると、電極指５３のピッチ（線幅ｄｍ＋線間ｄｆ）は、表面弾性波の３次モードの５倍高調波の中心周波数をｆ０、伝播速度をｖとすると、次の式（１）により与えられる。
【００１９】
ｄｍ＋ｄｆ＝（５・ｖ）／（２・ｆ０） ‥‥（１）
また、伝播速度ｖが４８００〜５８５０ｍ／ｓである場合、電極指５３は、その線幅ｄｍを０．５μｍ以上として形成される。このため、電極指５３がある程度の線幅を有するため、櫛形電極５の製造が容易となり、表面弾性波素子１の量産が容易となる。
【００２０】
なお、図２では、シングル電極タイプのものを示したが、櫛形電極５としては、二本の電極指５３を一組として突出させるダブル電極タイプのものであってもよい。また、櫛形電極５を挟み込むように、両側に反射器電極（グレーテイング反射器等）を配置し、入出力電極間を伝播する表面弾性波を反射器電極の間で多重反射させ定在波を発生させる表面弾性波共振器の構成をとってもよい。櫛型電極５などを構成する材料は、導電性材料であればよく、加工性等の点からはアルミニウムが好ましく用いられる。
【００２１】
ＺｎＯ層４の上には、櫛形電極５を覆うようにしてＳｉＯ２層６が形成されている。ＳｉＯ２層６は、表面弾性波素子１における温度特性を良好にする機能を有し、また、圧電体及び櫛型電極５に対する保護膜としても機能し、外部環境からの湿気及び不純物等の影響を著しく低減させるものである。このＳｉＯ２層６は、非晶質ＳｉＯ２からなることが望ましい。また、ＳｉＯ２層６の表面弾性波の伝播速度の温度変化は、ダイヤモンド層３及びＺｎＯ層４の温度変化と異符号となっている。このため、例えば表面弾性波素子１の温度が上昇すると、ＳｉＯ２層６中の表面弾性波の伝播速度は増大するが、ダイヤモンド層３及ぴＺｎＯ層４中の表面弾性波の伝播速度は減少する。したがって、ＳｉＯ２層６がダイヤモンド層３及びＺｎＯ層４における伝播速度の温度変化を相殺し、その結果、表面弾性波の伝播速度が温度変化に対し安定したものとなる。
【００２２】
【実施例】
次に、本実施形態に係る表面弾性波素子１の実施例を説明する。この実施例では、圧電体であるＺｎＯ層４の厚さｔｚと保護層であるＳｉＯ２層６の厚さｔｓを変えて表面弾性波素子１を製造し、最適な伝播速度ｖ、電気機械結合係数Ｋ２及び周波数温度特性ＴＣＦを与えるようなＺｎＯ層４の厚さｔｚ及びＳｉＯ２層６の厚さｔｓの最適化を行った。
【００２３】
（第一実施例）
本実施例の表面弾性波素子は、以下のように製造した。１０ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍのシリコン基板上にマイクロ波プラズマＣＶＤ法を用いて多結晶ダイヤモンドを厚さ５０μｍまで成膜した後、ダイヤモンド表面をダイヤモンドコート研磨機を用いて膜厚２０μｍまで研磨した。多結晶ダイヤモンドの原料には、ＣＨ４をＨ２で１００倍に希釈したガスを用いた。
【００２４】
そして、このダイヤモンドの上にＺｎＯ多結晶薄膜を、Ａｒと酸素の混合ガスでスパッ夕する方法により形成した。スパッタ条件は、基板温度４００℃、ＲＦパワー１６０Ｗ、圧力２．７Ｐａとした。スパッタの時間を変えることにより、ＺｎＯの膜厚を変化させることができる。そして、ｋｈ１＝２．０〜４．８となるように、ＺｎＯ層の膜厚ｔｚを変えたものを作製した。ここで、ｋｈ１は、ＺｎＯ層の厚さを表面弾性波の３次モードの基本波の波長λに対して相対的に表現するためのパラメータであり、次の式（２）により表されるものである。
【００２５】
【００２６】
次に、ＺｎＯ層の上にＡｌを抵抗加熱法により蒸着し、櫛形電極を形成した。櫛形電極は、フオトリソグラフィー及びエッチングにより、シングル電極構造の持つさまざまな線幅のものを形成した。
【００２７】
そして、櫛形電極を覆うようにして、ＺｎＯ層の上に非晶質ＳｉＯ２膜を形成した。非晶質ＳｉＯ２膜の形成は、基板温度１５０℃、ＲＦパワー２００Ｗ、Ａｒ：Ｏ２＝１：１の混合ガス、圧力０．０１Ｔｏｒｒ、ターゲットＳｉＯ２の条件の下でスパッタリングより行った。スパッタの時間を変えることにより、ＳｉＯ２の膜厚を変化させることができる。そして、ｋｈ２＝４．０〜８．０となるように、ＳｉＯ２層の膜厚ｔｓを変えたものを作製した。
【００２８】
ここで、ｋｈ２は、ＳｉＯ２層の厚さを表面弾性波の３次モードの基本波の波長λに対して相対的に表現するためのパラメータであり、次の式（３）により表されるものである。
【００２９】
【００３０】
そして、これらの各表面弾性波素子について、入力電極５１と５２の間に高周波電力を印加して表面弾性波を励起させ、ｖ＝ｆ０λＭ（ｆ０：中心周波数）の関係から、励起された表面弾性波の３次モードの５倍高調波の伝播速度を求めた。
【００３１】
各表面弾性波素子の電気機械結合係数Ｋ２は、ネットワークアナライザ（横河ヒューレットパッカード社製、８７９１Ａ）を用いて３次モードにおいて測定された各表面弾性波素子の櫛形電極の放射コンダクタンスの実部Ｇに基づき、次の式（４）により求めた。
【００３２】
Ｋ２＝Ｇ／（８・ｆ０・Ｃ・Ｎ） ‥‥（４）
但し、ｆ０は中心周波数、Ｃは櫛形電極の全静電容量、Ｎは櫛形電極の対の数である。
【００３３】
周波数温度特性ＴＣＦは中心周波数と温度の関係から求めた。すなわち、表面弾性波素子を室温から８０℃までヒーターで加熱し１０℃おきに中心周波数を測定したところ、直線関係が得られ、この直線の傾きからＴＣＦを求めた。
【００３４】
また、表面弾性波素子のＺｎＯ層の正確な厚さｔｚ及びＳｉＯ２層の正確な厚さｔｓは、上述した各パラメータを測定した後、表面弾性波素子を切断し、切断面をＳＥＭで観察することにより求めた。そして、厚さｔｚ、ｔｓに基づいて、パラメータｋｈ１及びｋｈ２を求め、表面弾性波素子の諸特性に及ぼすそれらの効果を評価した。
【００３５】
図３は、本実施例により製造された表面弾性波素子について、ＺｎＯ層の厚さとＳｉＯ２層の厚さに対する電気機械結合係数Ｋ２の関係を二次元直交座標グラフとして示したものである。図３のグラフにおいて、横軸はＺｎＯ層の厚さに関するパラメータｋｈ１（上述の式（２）参照）であり、縦軸はＳｉＯ２層の厚さに関するパラメータｋｈ２（上述の式（３）参照）である。また、グラフの各曲線に付随する数値は、曲線に対応する電気機械結合係数Ｋ２の値である。これらの単位は％である。
【００３６】
図４は、本実施例により製造された表面弾性波素子について、ＺｎＯ層の厚さとＳｉＯ２層の厚さに対する伝播速度ｖの関係を二次元直交座標グラフとして示したものである。図４のグラフにおいて、横軸はＺｎＯ層の厚さに関するパラメータｋｈ１、縦軸はＳｉＯ２層の厚さに関するパラメータｋｈ２である。また、グラフの各曲線に付随する数値は、曲線に対応する伝播速度ｖの値である。伝播速度ｖの単位は、ｍ／ｓである。
【００３７】
図５は、本実施例により製造された表面弾性波素子について、ＺｎＯ層の厚さとＳｉＯ２層の厚さに対する周波数温度特性ＴＣＦの関係を二次元直交座標グラフとして示したものである。図５のグラフにおいて、横軸はＺｎＯ層の厚さに関するパラメータｋｈ１、縦軸はＳｉＯ２層の厚さに関するパラメータｋｈ２である。また、グラフの各曲線に付随する数値は、曲線に対応する周波数温度特性ＴＣＦの値である。周波数温度特性ＴＣＦの単位は、ｐｐｍ／℃である。
【００３８】
ここで、図３において電気機械結合係数Ｋ２が０．２％以上であり、図４において伝播速度ｖが４８００ｍ／ｓ以上を満たし、かつ、図５において周波数温度特性ＴＣＦが−２０〜＋２０ｐｐｍ／℃を満たすｋｈ１及びｋｈ２の数値範囲を図６に示す。図６は、図３〜図５と同様に、横軸をｋｈ１、縦軸をｋｈ２とした二次元直交座標グラフである。本図において、電気機械結合係数Ｋ２が０．２％以上であり、伝播速度ｖが４８００ｍ／ｓ以上であり、かつ、周波数温度特性ＴＣＦが−２０〜＋２０ｐｐｍ／℃であるｋｈ１及びｋｈ２の数値は、本図中の点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌ、Ｍ、Ｎ、Ｐ、Ｑ、Ａを順に線分で結んでなる領域（各線分上を含む）で与えられる。ここで、点Ａは座標（ｋｈ１＝２．６８、ｋｈ２＝８．００）で与えられ、点Ｂは座標（ｋｈ１＝２．６０、ｋｈ２＝７．８０）で与えられ、点Ｃは座標（ｋｈ１＝２．４０、ｋｈ２＝７．３８）で与えられ、点Ｄは座標（ｋｈ１＝２．２０、ｋｈ２＝６．９０）で与えられ、点Ｅは座標（ｋｈ１＝２．１０、ｋｈ２＝６．６０）で与えられ、点Ｆは座標（ｋｈ１＝２．０２、ｋｈ２＝５．９０）で与えられ、点Ｇは座標（ｋｈ１＝２．１０、ｋｈ２＝５．２５）で与えられ、点Ｈは座標（ｋｈ１＝２．４０、ｋｈ２＝４．８２）で与えられ、点Ｉは座標（ｋｈ１＝２．８０、ｋｈ２＝４．８０）で与えられ、点Ｊは座標（ｋｈ１＝３．２０、ｋｈ２＝４．８８）で与えられ、点Ｋは座標（ｋｈ１＝３．６０、ｋｈ２＝５．１０）で与えられ、点Ｌは座標（ｋｈ１＝４．００、ｋｈ２＝５．５８）で与えられ、点Ｍは座標（ｋｈ１＝４．４０、ｋｈ２＝６．２６）で与えられ、点Ｎは座標（ｋｈ１＝４．８０、ｋｈ２＝７．１８）で与えられ、点Ｐは座標（ｋｈ１＝４．８０、ｋｈ２＝７．４０）で与えられ、点Ｑは座標（ｋｈ１＝４．５０、ｋｈ２＝８．００）で与えられる。すなわち、表面弾性波の３次モードの５倍高調波を用い、図６に示す点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌ、Ｍ、Ｎ、Ｐ、Ｑ、Ａを順に線分で結んでなる領域（各線分上を含む）で与えられるｋｈ１及ぴｋｈ２の数値をとることにより、電気機械結合係数Ｋ２が０．２％以上であり、伝播速度ｖが４８００ｍ／ｓ以上であり、かつ、周波数温度特性ＴＣＦが−２０〜＋２０ｐｐｍ／℃である表面弾性波素子が得られる。
【００３９】
また、表面弾性波の伝播速度ｖが４８００〜５８５０ｍ／ｓである場合、上述の式（１）により、櫛形電極の電極部の線幅を０．５μｍ以上として形成することができる。このため、櫛形電極の製造が容易となり、表面弾性波素子の量産が容易となる。また、櫛形電極の電極部の線幅を０．５μｍ以上とし、表面弾性波の中心周波数を５．０〜１４．６ＧＨｚとした場合又はより好ましくは表面弾性波の中心周波数を９．５〜１０．５ＧＨｚとした場合でも、上述した電気機械結合係数Ｋ２、伝播速度ｖ及び周波数温度特性ＴＣＦの特性が得られる。
【００４０】
（第二実施例）
本実施例の表面弾性波素子は、第一実施例と同様な手法を用い、条件を変更して１０ＧＨｚ付近の中心周波数で動作する表面弾性波素子を製造した。ＺｎＯの膜厚ｔｚを変化させてパラメータｋｈ１が２．０〜４．８となるように表面弾性波素子を製造した。また、ＳｉＯ２の膜厚ｔｓを変化させてパラメータｋｈ２が４．５〜８．０となるように表面弾性波素子を製造した。そして、第一実施例と同様に、ＺｎＯ層の厚さとＳｉＯ２層の厚さに対する電気機械結合係数Ｋ２、伝播速度ｖ及び周波数温度特性ＴＣＦの関係を表した二次元直交座標グラフを作成し、それらの二次元直交座標グラフに基づいて、電気機械結合係数Ｋ２が０．４％以上を満たし、伝播速度ｖが４８００ｍ／ｓ以上を満たし、かつ、周波数温度特性ＴＣＦが−２０〜＋２０ｐｐｍ／℃を満たすｋｈ１及びｋｈ２の数値範囲を二次元直交座標グラフとして表した。その二次元直交座標グラフを図７に示す。
【００４１】
図７において、横軸はｋｈ１、縦軸はｋｈ２である。本図において、電気機械結合係数Ｋ２が０．４％以上であり、伝播速度ｖが４８００ｍ／ｓ以上であり、かつ、周波数温度特性ＴＣＦが−２０〜＋２０ｐｐｍ／℃であるｋｈ１及びｋｈ２の数値は、本図中の点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌ、Ａを順に線分で結んでなる領域（各線分上を含む）で与えられる。ここで、点Ａは座標（ｋｈ１＝３．５０、ｋｈ２＝７．９８）で与えられ、点Ｂは座標（ｋｈ１＝３．４０、ｋｈ２＝７．８０）で与えられ、点Ｃは座標（ｋｈ１＝３．２０、ｋｈ２＝７．４６）で与えられ、点Ｄは座標（ｋｈ１＝３．００、ｋｈ２＝６．９０）で与えられ、点Ｅは座標（ｋｈ１＝２．８０、ｋｈ２＝６．４５）で与えられ、点Ｆは座標（ｋｈ１＝３．００、ｋｈ２＝６．００）で与えられ、点Ｇは座標（ｋｈ１＝３．２０、ｋｈ２＝５．９２）で与えられ、点Ｈは座標（（ｋｈ１＝３．６０、ｋｈ２＝６．２５）で与えられ、点Ｉは座標（ｋｈ１＝３．８０、ｋｈ２＝６．６０）で与えられ、点Ｊは座標（ｋｈ１＝４．００、ｋｈ２＝６．９８）で与えられ、点Ｋは座標（ｋｈ１＝４．２０、ｋｈ２＝７．６２）で与えられ、点Ｌは座標（ｋｈ１＝４．３０、ｋｈ２＝７．９５）で与えられる。すなわち、図７に示す点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌ、Ａを順に線分で結んでなる領域（各線分上を含む）で与えられるｋｈ１及びｋｈ２の数値をとることにより、電気機械結合係数Ｋ２が０．４％以上であり、伝播速度ｖが４８００ｍ／ｓ以上であり、かつ、周波数温度特性ＴＣＦが−２０〜＋２０ｐｐｍ／℃である表面弾性波素子が得られる。
【００４２】
また、表面弾性波の伝播速度ｖが４８００〜５８５０ｍ／ｓである場合、上述の式（１）により、櫛形電極の電極部の線幅を０．５μｍ以上として形成することができる。このため、櫛形電極の製造が容易となり、表面弾性波素子の量産が容易となる。また、櫛形電極の電極部の線幅を０．５μｍ以上とし、表面弾性波の中心周波数を５．０〜１３．９ＧＨｚとした場合又はより好ましくは表面弾性波の中心周波数を９．５〜１０．５ＧＨｚとした場合でも、上述した電気機械結合係数Ｋ２、伝播速度ｖ及び周波数温度特性ＴＣＦの特性が得られる。
【００４３】
第一実施例において、電気機械結合係数Ｋ２が０．２％以上であり、伝播速度ｖが４８００ｍ／ｓ以上であり、かつ、周波数温度特性ＴＣＦが−２０〜＋２０ｐｐｍ／℃であるような、ｋｈ１およびｋｈ２の範囲を図６に示した。また第二実施例において、電気機械結合係数Ｋ２が０．４％以上であり、伝播速度ｖが４８００ｍ／ｓ以上であり、かつ、周波数温度特性ＴＣＦが−２０〜＋２０ｐｐｍ／℃であるような、ｋｈ１およびｋｈ２の範囲を図７に示した。これらの実施例において周波数温度特性ＴＣＦがさらに良好な−１０〜＋１０ｐｐｍ／℃である表面弾性波素子を得るには、図５に示した周波数温度特性のグラフからＴＣＦが−１０〜＋１０ｐｐｍ／℃となるようなｋｈ１およびｋｈ２の領域を読み取り、これをそれぞれ図６（第一実施例）または図７（第二実施例）に重ねて、両者が重なり合う領域を求めればよい。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、表面弾性波の３次モードの５倍高調波を用いることにより、高周波領域で良好な伝播特性、電気機械結合係数、周波数温度特性を得ることができる。また、櫛形電極の電極部分の線幅を大きくできるため、量産性の向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態に係る表面弾性波素子の説明図である。
【図２】 図１の表面弾性波素子における櫛形電極の説明図である。
【図３】 第一実施例に係る表面弾性波素子における電気機械結合係数を示すグラフである。
【図４】 第一実施例に係る表面弾性波素子における伝播速度を示すグラフである。
【図５】 第一実施例に係る表面弾性波素子における周波数温度特性を示すグラフである。
【図６】 第一実施例に係る表面弾性波素子におけるパラメータｋｈ１及びｋｈ２の範囲を示すグラフである。
【図７】 第二実施例に係る表面弾性波素子におけるパラメータｋｈ１及びｋｈ２の範囲を示すグラフである。
【符号の説明】
１…表面弾性波素子、２…基板、３…ダイヤモンド層、４…ＺｎＯ層、５…櫛形電極、６…ＳｉＯ２層、５１、５２…電極、５３…電極指。
Claims (7)
- ダイヤモンド層と、
前記ダイヤモンド層の上に形成された厚さｔｚのＺｎＯ層と、
前記ＺｎＯ層の上に形成され表面弾性波の励振及び受信を行う櫛形電極と、
前記櫛形電極を覆い前記ＺｎＯ層の上に形成された厚さｔｓのＳｉＯ２層と、を備え、
前記表面弾性波の３次モードの基本波の波長をλとしたときに、ｋｈ１＝５・２π・（ｔｚ／λ）、ｋｈ２＝５・２π・（ｔｓ／λ）で与えられる前記ｋｈ１及び前記ｋｈ２が、横軸に前記ｋｈ１、縦軸に前記ｋｈ２を与える二次元直交座標グラフにおいて、
座標（ｋｈ１＝２．６８、ｋｈ２＝８．００）で与えられる点Ａと、
座標（ｋｈ１＝２．６０、ｋｈ２＝７．８０）で与えられる点Ｂと、
座標（ｋｈ１＝２．４０、ｋｈ２＝７．３８）で与えられる点Ｃと、
座標（ｋｈ１＝２．２０、ｋｈ２＝６．９０）で与えられる点Ｄと、
座標（ｋｈ１＝２．１０、ｋｈ２＝６．６０）で与えられる点Ｅと、
座標（ｋｈ１＝２．０２、ｋｈ２＝５．９０）で与えられる点Ｆと、
座標（ｋｈ１＝２．１０、ｋｈ２＝５．２５）で与えられる点Ｇと、
座標（ｋｈ１＝２．４０、ｋｈ２＝４．８２）で与えられる点Ｈと、
座標（ｋｈ１＝２．８０、ｋｈ２＝４．８０）で与えられる点Ｉと、
座標（ｋｈ１＝３．２０、ｋｈ２＝４．８８）で与えられる点Ｊと、
座標（ｋｈ１＝３．６０、ｋｈ２＝５．１０）で与えられる点Ｋと、
座標（ｋｈ１＝４．００、ｋｈ２＝５．５８）で与えられる点Ｌと、
座標（ｋｈ１＝４．４０、ｋｈ２＝６．２６）で与えられる点Ｍと、
座標（ｋｈ１＝４．８０、ｋｈ２＝７．１８）で与えられる点Ｎと、
座標（ｋｈ１＝４．８０、ｋｈ２＝７．４０）で与えられる点Ｐと、
座標（ｋｈ１＝４．５０、ｋｈ２＝８．００）で与えられる点Ｑと、
前記Ａ点とを順に線分で結ぶ、１６本の線分からなる領域ＡＢＣＤＥＦＧＨＩＪＫＬＭＮＰＱＡの前記１６本の線上を含む内部に与えられ、
前記表面弾性波の３次モードの５倍高調波が用いられること、
を特徴とする表面弾性波素子。 - ダイヤモンド層と、
前記ダイヤモンド層の上に形成された厚さｔｚのＺｎＯ層と、
前記ＺｎＯ層の上に形成され表面弾性波の励振及び受信を行う櫛形電極と、
前記櫛形電極を覆い前記ＺｎＯ層の上に形成された厚さｔｓのＳｉＯ２層と、を備え、
前記表面弾性波の３次モードの基本波の波長をλとしたときに、ｋｈ１＝５・２π・（ｔｚ／λ）、ｋｈ２＝５・２π・（ｔｓ／λ）で与えられる前記ｋｈ１及び前記ｋｈ２が、横軸に前記ｋｈ１、縦軸に前記ｋｈ２を与える二次元直交座標グラフにおいて、
座標（ｋｈ１＝３．５０、ｋｈ２＝７．９８）で与えられる点Ａと、
座標（ｋｈ１＝３．４０、ｋｈ２＝７．８０）で与えられる点Ｂと、
座標（ｋｈ１＝３．２０、ｋｈ２＝７．４６）で与えられる点Ｃと、
座標（ｋｈ１＝３．００、ｋｈ２＝６．９０）で与えられる点Ｄと、
座標（ｋｈ１＝２．８０、ｋｈ２＝６．４５）で与えられる点Ｅと、
座標（ｋｈ１＝３．００、ｋｈ２＝６．００）で与えられる点Ｆと、
座標（ｋｈ１＝３．２０、ｋｈ２＝５．９２）で与えられる点Ｇと、
座標（ｋｈ１＝３．６０、ｋｈ２＝６．２５）で与えられる点Ｈと、
座標（ｋｈ１＝３．８０、ｋｈ２＝６．６０）で与えられる点Ｉと、
座標（ｋｈ１＝４．００、ｋｈ２＝６．９８）で与えられる点Ｊと、
座標（ｋｈ１＝４．２０、ｋｈ２＝７．６２）で与えられる点Ｋと、
座標（ｋｈ１＝４．３０、ｋｈ２＝７．９５）で与えられる点Ｌと、
前記Ａ点とを順に線分で結ぶ、１２本の線分からなる領域ＡＢＣＤＥＦＧＨＩＪＫＬＡの前記１２本の線上を含む内部に与えられ、
前記表面弾性波の３次モードの５倍高調波が用いられること、
を特徴とする表面弾性波素子。 - 前記表面弾性波の３次モードの５倍高調波の中心周波数をｆ０、伝播速度をｖとしたときに、
前記伝播速度ｖが４８００〜５８５０ｍ／ｓであり、
前記櫛形電極の電極線幅をｄｍ、電極間隔をｄｆとしたとき、電極ピッチ（ｄｍ＋ｄｆ）がｄｍ＋ｄｆ＝（５・ｖ）／（２・ｆ０）で与えられること、
を特徴とする請求項１に記載の表面弾性波素子。 - 前記表面弾性波の３次モードの５倍高調波の中心周波数をｆ０、伝播速度をｖとしたときに、
前記伝播速度ｖが４８００〜５５８０ｍ／ｓであり、
前記櫛形電極の電極線幅をｄｍ、電極間隔をｄｆとしたとき、電極ピッチ（ｄｍ＋ｄｆ）がｄｍ＋ｄｆ＝（５・ｖ）／（２・ｆ０）で与えられること、
を特徴とする請求項２に記載の表面弾性波素子。 - 前記櫛形電極の電極線幅ｄｍが０．５μｍ以上であり、
前記表面弾性波の３次モードの５倍高調波の中心周波数が５．０〜１４．６ＧＨｚ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。 - 前記櫛形電極の電極線幅ｄｍが０．５μｍ以上であり、
前記表面弾性波の３次モードの５倍高調波の中心周波数が５．０〜１３．９ＧＨｚであること、
を特徴とする請求項２に記載の表面弾性波素子。 - 前記櫛形電極の電極線幅が０．５μｍ以上であり、
前記表面弾性波の３次モードの５倍高調波の中心周波数が９．５〜１０．５ＧＨｚであること、
を特徴とする請求項１または２に記載の表面弾性波素子。
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