JP7517701B2 - 高次モードの弾性表面波を利用するデバイス - Google Patents

Description

本発明は、基本モードのオーバートーンとなる高次モードの利用を提供する高次モード弾性表面波（ＳＡＷ；surface acoustic wave）デバイスに関する。

近年、スマートフォン等で主に使用されている７００ＭＨｚから３ＧＨｚの周波数帯には、８０近くのバンドがあり、非常に混雑している。その対策として、次世代無線通信システムの第５世代移動通信システム（５Ｇ）では、３．６ＧＨｚから４．９ＧＨｚの周波数帯の利用が計画されており、さらに、その次の世代では、６ＧＨｚ以上の周波数帯を使用する計画もなされている。

これらの計画に対し、代表的な弾性波デバイスである弾性表面波デバイスでは、耐電力および製造技術の限界から、すだれ状電極（ＩＤＴ；interdigital transducer）の周期（λ）を小さくすることができず、高周波化に限界がある。図１（ａ）および（ｂ）に、従来のＳＡＷデバイスの一例として、圧電基板にＬｉＴａＯ_３結晶の４２°回転Ｙ板を用い、Ｘ方向伝搬のすだれ状電極５２をＡｌで形成した構造の平面図および断面図を示す。図１（ｂ）の断面図は、図１（ａ）の平面図における切断線Ｉ－Ｉによる断面を示している。

図１（ｃ）に、すだれ状電極５２の周期が１．２μｍのとき得られたインピーダンスの周波数特性を示す。その共振周波数は約３．２ＧＨｚ、比帯域幅は３．８％、インピーダンス比は６５ｄＢであった。また、１７．２ＧＨｚに高次モードらしき小さなレスポンスが見られるが、使用できるレベルではない。すだれ状電極５２の周期を１μｍまで微細化したとしても、その共振周波数は約３．８ＧＨｚであり、このように、従来のＳＡＷデバイスでは、５Ｇ以降はもちろん、５Ｇに必要とされる周波数帯をカバーすることもできない。

ここで、特許文献１には、メタライゼーション比０．４５以下のＡｌより重いＰｔ，Ｃｕ，Ｍｏ，Ｎｉ，Ｔａ，Ｗなどの電極をオイラー角（０°，８０～１３０°、０°）のＬｉＮｂＯ_３基板に埋め込んでラブ波の基本モードを励振し、広い帯域幅が得られるようにした弾性表面波デバイスが開示されている。また、非特許文献１には、４２°回転Ｙ板のＬｉＴａＯ_３基板に０．１波長以下のＣｕ電極を埋め込み、その上にＡｌ電極を形成して、基本モードで励振して高いＱ値が得られるようにした弾性表面波デバイスが開示されている。一方、１．９ＧＨｚの周波数帯を有する弾性波フィルタとして、ＡｌＮやＳｃＡｌＮの圧電薄膜を用いたバルク弾性波デバイス（ＦＢＡＲ；film bulk acoustic resonator）が研究されている（例えば、非特許文献２参照）。

国際公開第２０１４／０５４５８０号

T. Kimura, M. Kadota, and Y. IDA, "High Q SAW resonator using upper-electrodes on Grooved-electrode in LiTaO3", Proc. IEEE Microwave Symp. (IMS), p.1740, 2010. Keiichi Umeda et al., "PIEZOELECTRIC PROPERTIES OF ScAlN THIN FILMS FOR PIRZO-MEMS DEVICES", MEMS 2013, Taipei, Taiwan January 20-24, 2013

しかしながら、特許文献１、非特許文献１に記載された技術は、電極に使用する金属が重く、メタライゼーション比も小さく、５Ｇ以降で求められる３．６ＧＨｚ以上の高周波数帯では十分な性能が得られなかった。非特許文献２に記載のバルク弾性波デバイスは、圧電薄膜が多結晶薄膜であるため、１．９ＧＨｚで５５ｄＢのインピーダンス比しか得られておらず、超高周波での減衰が大きく、良好な特性を実現するのは難しかった。また、ＦＢＡＲの周波数は、薄膜の音速／（２×薄膜の厚み）で決定され、周波数を高くするためには、薄膜の厚みを極端に薄くしなければならない。現行のＦＢＡＲは、自己支持された圧電薄膜を有するため、それが極端に薄くなる超高周波帯では、機械的強度を保てなかった。

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、３．８ＧＨｚ以上の高周波数帯でも、良好な特性を得ることができると共に、十分な機械的強度を保つことができる高次モード弾性表面波デバイスを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る高次モード弾性表面波デバイスは、ＬｉＴａＯ_３結晶又はＬｉＮｂＯ_３結晶を含む圧電基板と、圧電基板の表面に埋め込まれたすだれ状電極とを含み、高次モードの弾性表面波を利用するものである。

高次モード弾性表面波デバイスは、圧電基板の表面にすだれ状電極を埋め込むことにより、ＳＡＷの高次モード（１次モード、２次モード、３次モードなど）を励振することができ、大きいインピーダンス比を有する高次モードを得ることができる。高次モード弾性表面波デバイスは、その高次モードを利用することにより、高周波化を図ることができ、３．８ＧＨｚ以上の高周波数帯でも良好な特性を得ることができる。また、高次モードを利用することにより、３．８ＧＨｚ以上の高周波数帯でも圧電基板を超薄板化したり、すだれ状電極の周期を小さくしたりする必要がなく、十分な機械的強度を保つことができる。なお、圧電基板には、圧電薄膜や圧電薄板も含まれる。

高次モード弾性表面波デバイスにおいて、すだれ状電極は、圧電基板の表面から突出して形成されていてもよい。この場合でも、大きいインピーダンス比を有する高次モードを得ることができる。

高次モード弾性表面波デバイスは、圧電基板に接するように設けられた薄膜又は基板を有していてもよい。また、圧電基板のすだれ状電極が設けられた表面とは反対側の面に接するように設けられた支持基板及び／又は多層膜を有していてもよい。支持基板を有するとき、支持基板は、金属以外の材料から構成されてもよい。また、支持基板は、Ｓｉ、水晶、サファイア、ガラス、石英、ゲルマニウム及びアルミナの少なくとも１つから構成されてもよい。また、多層膜を有するとき、多層膜は、音響インピーダンスが異なる複数の層を積層した音響多層膜から構成されてもよい。これらの場合にも、大きいインピーダンス比を有する高次モードを得ることができる。

係る高次モード弾性表面波デバイスで、すだれ状電極のメタライゼーション比は、０．４５以上、０．９以下であることが好ましく、０．６３以上であることがより好ましい。この場合、より大きいインピーダンス比を有する高次モードを得ることができる。また、帯域幅を拡げることもできる。

また、高次モード弾性表面波デバイスは、より大きいインピーダンス比を有する高次モードを得るために、以下の構成であってもよい。すなわち、圧電基板は、ＬｉＴａＯ_３結晶から構成され、すだれ状電極は、Ｔｉ，Ａｌ及びＭｇ合金の少なくとも１つから構成されてもよい。この場合、すだれ状電極は、圧電基板の表面から、弾性表面波の波長／メタライゼーション比が０．０７５～０．３（波長／メタライゼーション比が０．５のときは、０．１５～０．６）の範囲にある深さまで埋め込まれていることが好ましく、弾性表面波の波長／メタライゼーション比が０．１１５～０．３（波長／メタライゼーション比が０．５のときは、０．２３～０．６）の範囲にある深さまで埋め込まれていることがより好ましい。ここで、埋め込まれた電極の断面が、基板表面に対して垂直でない場合は、メタライゼーション比および電極幅は、実効的なメタライゼーション比と電極幅とする。以下でも同様とする。

また、圧電基板は、ＬｉＴａＯ_３結晶から構成され、すだれ状電極は、Ａｇ，Ｍｏ，Ｃｕ，及びＮｉの少なくとも１つから構成されてもよい。この場合、すだれ状電極は、圧電基板の表面から、弾性表面波の波長／メタライゼーション比が０．０８～０．３（波長／メタライゼーション比が０．５のときは、０．１６～０．６）の範囲にある深さまで埋め込まれていることが好ましく、弾性表面波の波長／メタライゼーション比が０．０９～０．３（波長／メタライゼーション比が０．５のときは、０．１８～０．６）の範囲にある深さまで埋め込まれていることがより好ましい。

また、圧電基板は、ＬｉＴａＯ_３結晶から構成され、すだれ状電極は、Ｐｔ，Ａｕ，Ｗ，Ｔａ及びＨｆの少なくとも１つから構成されてもよい。この場合、すだれ状電極は、圧電基板の表面から、弾性表面波の波長／メタライゼーション比が０．０８～０．３（波長／メタライゼーション比が０．５のときは、０．１６～０．６）の範囲にある深さまで埋め込まれていることが好ましく、弾性表面波の波長／メタライゼーション比が０．１２５～０．３（波長／メタライゼーション比が０．５のときは、０．２５～０．６）の範囲にある深さまで埋め込まれていることがより好ましい。

また、圧電基板は、ＬｉＮｂＯ_３結晶から構成され、すだれ状電極は、Ｔｉ，Ａｌ及びＭｇ合金の少なくとも１つから構成されてもよい。この場合、すだれ状電極は、圧電基板の表面から、弾性表面波の波長／メタライゼーション比が０．０７～０．３（波長／メタライゼーション比が０．５のときは、０．１４～０．６）の深さまで埋め込まれていることが好ましく、弾性表面波の波長／メタライゼーション比が０．１０５～０．３（波長／メタライゼーション比が０．５のときは、０．２１～０．６）の深さまで埋め込まれていることがより好ましい。

また、圧電基板は、ＬｉＮｂＯ_３結晶から構成され、すだれ状電極は、Ａｇ，Ｍｏ，Ｃｕ，及びＮｉの少なくとも１つから構成されてもよい。この場合、すだれ状電極は、圧電基板の表面から、弾性表面波の波長／メタライゼーション比が０．０６５～０．３（波長／メタライゼーション比が０．５のときは、０．１３～０．６波長）の深さまで埋め込まれていることが好ましく、弾性表面波の波長／メタライゼーション比が０．０９～０．３（波長／メタライゼーション比が０．５のときは、０．１８～０．６波長）の深さまで埋め込まれていることがより好ましい。

また、圧電基板は、ＬｉＮｂＯ_３結晶から構成され、すだれ状電極は、Ｐｔ，Ａｕ，Ｗ，Ｔａ及びＨｆの少なくとも１つから構成されてもよい。この場合、すだれ状電極は、圧電基板の表面から、弾性表面波の波長／メタライゼーション比が０．０７５～０．３（波長／メタライゼーション比が０．５のときは、０．１５～０．６）の深さまで埋め込まれていることが好ましく、弾性表面波の波長／メタライゼーション比が０．１１５～０．３（波長／メタライゼーション比が０．５のときは、０．２３～０．６波長）の深さまで埋め込まれていることがより好ましい。

また、圧電基板は、ＬｉＴａＯ_３結晶から構成され、オイラー角が（０°±２０°、１１２°～１４０°、０°±５°）の範囲にあり、またはこれと結晶学的に等価なオイラー角であることが好ましく、さらに、オイラー角が（０°±１０°、１２０°～１３２°、０°±５°）の範囲にあり、またはこれと結晶学的に等価なオイラー角であることがより好ましい。

また、圧電基板は、ＬｉＮｂＯ_３結晶から構成され、オイラー角が（０°±２５°、７８°～１５３°、０°±５°）の範囲にあり、またはこれと結晶学的に等価なオイラー角であることが好ましく、さらに、オイラー角が（０°±２０°、８７°～１４３°、０°±５°）の範囲にあり、またはこれと結晶学的に等価なオイラー角であることがより好ましい。

ここで、オイラー角（φ、θ、ψ）は、右手系であり、圧電基板の切断面と、弾性表面波の伝搬方向とを表現するものである。すなわち、圧電基板を構成する結晶や、ＬｉＴａＯ_３またはＬｉＮｂＯ_３の結晶軸Ｘ、Ｙ、Ｚに対し、Ｚ軸を回転軸としてＸ軸を反時計廻りにφ回転し、Ｘ’軸を得る。次に、そのＸ’軸を回転軸としてＺ軸を反時計廻りにθ回転しＺ’軸を得る。このとき、Ｚ’軸を法線とし、Ｘ’軸を含む面を、圧電基板の切断面とする。また、Ｚ’軸を回転軸としてＸ’軸を反時計廻りにψ回転した方向を、弾性表面波の伝搬方向とする。また、これらの回転によりＹ軸が移動して得られる、Ｘ’軸およびＺ’軸と垂直な軸を、Ｙ′軸とする。

オイラー角をこのように定義することにより、例えば、４０°回転Ｙ板のＸ方向伝搬は、オイラー角で（０°、１３０°、０°）と表され、４０°回転Ｙ板の９０°Ｘ方向伝搬は、オイラー角で（０°、１３０°、９０°）と表される。なお、圧電基板を所望のオイラー角で切り出す際には、オイラー角の各成分に対して、最大で±０．５°程度の誤差が発生する可能性がある。すだれ状電極の形状に関しては、伝搬方向ψに対し、±３°程度の誤差が生じる可能性がある。弾性波の特性に関しては、（φ、θ、ψ）のオイラー角のうち、φ、ψに関しては、±５°程度のずれによる特性差はほとんどない。

圧電基板のすだれ状電極が設けられた表面とは反対側の面に接するよう設けられた支持基板、薄膜及び多層膜の少なくとも１つを含み、支持基板の横波音速又は等価的な横波音速が２０００～３０００ｍ／ｓ又は６０００～８０００ｍ／ｓの範囲にあり、圧電基板の厚みは０．２波長から２０波長の範囲にあってもよい。

圧電基板のすだれ状電極が設けられた表面とは反対側の面に接するよう設けられた支持基板、薄膜及び多層膜の少なくとも１つを含み、支持基板の横波音速又は等価的な横波音速が３０００～６０００ｍ／ｓの範囲にあり、圧電基板の厚みは２波長から２０波長の範囲にあってもよい。

圧電基板の前記すだれ状電極が設けられた表面とは反対側の面に接するよう設けられた支持基板、薄膜及び多層膜の少なくとも１つを含み、支持基板の線膨張係数は１０．４×１０^－６／℃以下であり、αを線膨張係数として、支持基板／圧電基板の厚みの比ＴＲは、下記の（１）式で規定されたＴＲの値以上であってもよい。

ＴＲ＝α×０．５５×１０^６ ＋ ２．１８ （１）

本発明によれば、３．８ＧＨｚ以上の高周波数帯でも、良好な特性を得ることができると共に、十分な機械的強度を保つことができる高次モード弾性表面波デバイスを提供することができる。

図１（ａ）は従来の弾性表面波デバイス［Ａｌすだれ状電極／４２°回転Ｙ板Ｘ方向伝搬ＬｉＴａＯ_３結晶］を示す平面図であり、図１（ｂ）は断面図であり、図１（ｃ）は図１（ａ）および図１（ｂ）の弾性表面波デバイスのインピーダンスの周波数特性を示すグラフである。 図２（ａ）本実施の形態の高次モード弾性表面波デバイスであり、図２（ｂ）は図２（ａ）の薄膜を有する変形例であり、図２（ｃ）は図２（ａ）のすだれ状電極が突出した変形例であり、図２（ｄ）は図２（ａ）の支持基板を有する変形例であり、図２（ｅ）は図２（ｄ）のすだれ状電極が突出した変形例であり、図２（ｆ）は図２（ｄ）の圧電基板と支持基板との間に多層膜を有する変形例を示す断面図である。 図２（ａ）から図２（ｆ）に示す高次モード弾性表面波デバイスにおいて、埋め込まれた電極の側面が基板表面に対して垂直でない場合の断面図である。 図２（ａ）に示す高次モード弾性表面波デバイス［Ａｌ電極／（０°，１２６．５°，０°）ＬｉＴａＯ_３結晶基板］について、図４（ａ）はすだれ状電極のメタライゼーション比が０．５のときのインピーダンスの周波数特性を示すグラフであり、図４（ｂ）は図４（ａ）の１次モードの共振周波数付近を拡大したグラフであり、図４（ｃ）は１次モードの共振周波数における変位分布を示すグラフであり、図４（ｄ）はすだれ状電極のメタライゼーション比が０．７のときの１次モードのインピーダンスの周波数特性を示すグラフである。 図２（ｃ）に示す高次モード弾性表面波デバイス［Ａｌ電極（メタライゼーション比０．５）／（０°，１２６．５°，０°）ＬｉＴａＯ_３結晶基板］について、インピーダンスの周波数特性を示すグラフである。 図２（ｄ）に示す高次モード弾性表面波デバイス［Ａｌ電極（メタライゼーション比０．５）／（０°，１２６．５°，０°）ＬｉＴａＯ_３結晶基板／支持基板］について、図６（ａ）は支持基板がＳｉ基板から構成されたとき、図６（ｂ）は支持基板が水晶基板から構成されたときのインピーダンスの周波数特性を示すグラフである。 図２（ｆ）に示す高次モード弾性表面波デバイス［Ａｌ電極（メタライゼーション比０．５）／（０°，１２６．５°，０°）ＬｉＴａＯ_３結晶基板］について、１次モードのインピーダンスの周波数特性を示すグラフである。 図２（ａ）に示す高次モード弾性表面波デバイス［Ａｌ電極（メタライゼーション比０．５）／（０°，１１６°，０°）ＬｉＮｂＯ_３結晶基板］について、図８（ａ）はインピーダンスの周波数特性を示すグラフ、図８（ｂ）は図８（ａ）の１次モードの共振周波数付近を拡大したグラフである。 図２（ａ）に示す高次モード弾性表面波デバイス［Ｃｕ電極（メタライゼーション比０．５）／（０°，１１６°，０°）ＬｉＮｂＯ_３結晶基板］について、インピーダンスの周波数特性を示すグラフである。 図２（ａ）に示す高次モード弾性表面波デバイス［すだれ状電極（メタライゼーション比０．５）／（０°，１２６．５°，０°）ＬｉＴａＯ_３結晶基板］、すだれ状電極がＡｌ電極、Ｃｕ電極およびＡｕ電極について、図１０（ａ）は各電極の厚みと１次モードの比帯域幅との関係、図１０（ｂ）は各電極の厚みと１次モードのインピーダンス比との関係を示すグラフである。 図２（ａ）に示す高次モード弾性表面波デバイス［Ａｌ電極（メタライゼーション比０．５）／（０°，θ，０°）ＬｉＴａＯ_３結晶基板］について、図１１（ａ）はθと１次モードの比帯域幅との関係、図１１（ｂ）はθと１次モードのインピーダンス比との関係を示すグラフである。 図２（ａ）に示す高次モード弾性表面波デバイス［Ａｌ電極（メタライゼーション比０．５）／（０°，θ，０°）ＬｉＴａＯ_３結晶基板］について、図１２は（φ，１２６．５°，０°）ＬｉＴａＯ_３結晶基板において、φと１次モードのインピーダンス比との関係を示すグラフである。 図２（ａ）に示す高次モード弾性表面波デバイス［すだれ状電極（メタライゼーション比０．５）／（０°，１１６°，０°）ＬｉＮｂＯ_３結晶基板］、すだれ状電極がＡｌ電極、Ｃｕ電極およびＡｕ電極について、図１３（ａ）は各電極の厚みと１次モードの比帯域幅との関係、図１３（ｂ）は各電極の厚みと１次モードのインピーダンス比との関係を示すグラフである。 図２（ａ）に示す高次モード弾性表面波デバイス［Ａｌ電極（メタライゼーション比０．５）／（０°，θ，０°）ＬｉＮｂＯ_３結晶基板］について、図１４（ａ）はθと１次モードの比帯域幅との関係、図１４（ｂ）はθと１次モードのインピーダンス比との関係を示すグラフである。 図２（ａ）に示す高次モード弾性表面波デバイス［Ａｌ電極（メタライゼーション比０．５）／（φ，θ，０°）ＬｉＮｂＯ_３結晶基板］について、図１５は（φ，１１６°，０°）ＬｉＮｂＯ_３結晶基板において、φと１次モードのインピーダンス比との関係を示すグラフである。 図２（ａ）に示す高次モード弾性表面波デバイス［Ａｌ電極／（０°，１２６．５°，０°）ＬｉＴａＯ_３結晶基板］について、図１６（ａ）はＡｌ電極のメタライゼーション比と１次モードの位相速度との関係、図１６（ｂ）はＡｌ電極のメタライゼーション比と１次モードのインピーダンス比との関係を示すグラフである。 図２（ａ）に示す高次モード弾性表面波デバイス［Ａｌ電極（メタライゼーション比０．８５）／（０°，１２６．５°，０°）ＬｉＴａＯ_３結晶基板］のインピーダンスの周波数特性を示すグラフである。 図１７に示す高次モード弾性表面波デバイスについて、図１８（ａ）はすだれ状電極の厚みと０次～３次のモードの位相速度との関係、図１８（ｂ）はすだれ状電極の厚みと０次～３次のモードのインピーダンス比との関係を示すグラフである。 図２（ｄ）に示す高次モード弾性表面波デバイス［溝深さ０．２λのＣｕ電極（メタライゼーション比０．５）／（０°，１２６．５°，０°）ＬｉＴａＯ_３結晶の基板／支持基板］について、支持基板がｃサファイア、Ｓｉ、水晶、パイレックス（登録商標）ガラス、鉛ガラスから構成されるときの１次モードのインピーダンス比のＬｉＴａＯ_３結晶基板厚み依存性を示すグラフである。 図２（ｄ）に示す高次モード弾性表面波デバイス［溝深さ０．２３λのＣｕ電極（メタライゼーション比０．５）／（０°，１１６°，０°）ＬｉＮｂＯ_３結晶の基板／支持基板］について、支持基板がｃサファイア、Ｓｉ、水晶、パイレックスガラス、鉛ガラスから成るときの１次モードのインピーダンス比のＬｉＮｂＯ_３結晶の基板厚み依存性を示すグラフである。 図２（ｄ）に示す高次モード弾性表面波デバイス［溝深さ０．３λのＡｌ電極（メタライゼーション比０．５）／（０°，１２６．５°，０°）ＬｉＴａＯ_３結晶の基板および（０°，１１６°，０°）ＬｉＮｂＯ_３結晶の基板／支持基板］の周波数温度係数について、支持基板の線膨張係数ごとのＬｉＴａＯ_３結晶の基板およびＬｉＮｂＯ_３結晶の厚み依存性を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。図２乃至図２１は、本発明の実施の形態の高次モード弾性表面波デバイスに関するものである。図２（ａ）に示すように、高次モード弾性表面波デバイス１０は、高次モードの弾性表面波（ＳＡＷ）を利用するものであって、圧電基板１１とすだれ状電極（ＩＤＴ）１２とを有している。

圧電基板１１は、ＬｉＴａＯ_３結晶またはＬｉＮｂＯ_３結晶から構成されている。すだれ状電極１２は、圧電基板１１の表面に埋め込まれている。なお、すだれ状電極１２は、上面が圧電基板１１の表面と同一平面上、あるいは、その平面より下にあり、圧電基板１１の表面から突出していてもよい。以下、電極厚みは、溝に埋め込まれた電極厚さをいう。

高次モード弾性表面波デバイス１０は、図２（ｂ）に示すように、すだれ状電極１２の隙間の圧電基板１１の表面を覆うよう設けられた薄膜１３を有していてもよい。薄膜１３は、例えば、ＳｉＯ_２薄膜である。すだれ状電極１２は、上面が薄膜１３の表面と同一平面上にある。また、高次モード弾性表面波デバイス１０は、図２（ａ）に示すように、すだれ状電極１２が圧電基板１１の表面と同一でも良いし、下にあっても良い。図２（ｃ）に示すように、すだれ状電極１２が圧電基板１１の表面から突出するよう設けられていてもよい。

また、高次モード弾性表面波デバイス１０は、図２（ｄ）に示すように、支持基板１４を有し、圧電基板１１が厚みの小さい薄板から構成され、支持基板１４が、圧電基板１１のすだれ状電極１２が設けられた表面とは反対側の面に接するように設けられていてもよい。支持基板１４は、例えば、Ｓｉ基板や水晶基板、サファイア基板、ガラス基板、石英基板、ゲルマニウム基板またはアルミナ基板などの半導体あるいは絶縁基板である。また、図２（ｄ）の構成に加えて、図２（ｂ）のように、圧電基板１１の表面に薄膜１３が形成されていてもよい。また、高次モード弾性表面波デバイス１０は、図２（ｅ）に示すように、図２（ｄ）の構成に加えて、図２（ｃ）のように、すだれ状電極１２が圧電基板１１の表面から突出するよう設けられていてもよい。

また、高次モード弾性表面波デバイス１０は、図２（ｆ）に示すように、図２（ｄ）の構成に加えて、圧電基板１１と支持基板１４との間に設けられた多層膜１５を有していてもよい。多層膜１５は、例えば、音響インピーダンスが異なる複数の層を積層した音響多層膜である。また、図２（ｆ）の構成に加えて、図２（ｂ）のように、圧電基板１１の表面に薄膜１３が形成されていてもよく、図２（ｃ）のように、すだれ状電極１２が圧電基板１１の表面から突出していてもよい。

高次モード弾性表面波デバイス１０は、圧電基板１１の表面にすだれ状電極１２を埋め込むことにより、ＳＡＷの高次モード（１次モード、２次モード、３次モードなど）を励振することができ、大きいインピーダンス比を有する高次モードを得ることができる。高次モードは、約２倍、３倍、４倍の周波数を励振するオーバートーンとも呼ぶことがある。高次モード弾性表面波デバイス１０は、その高次モードを利用することにより、高周波化を図ることができ、３．８ＧＨｚ以上の高周波数帯でも良好な特性を得ることができる。また、高次モードを利用することにより、３．８ＧＨｚ以上の高周波数帯でも圧電基板１１を超薄板化したり、すだれ状電極の周期を小さくしたりする必要がなく、十分な機械的強度を保つことができる。

高次モード弾性表面波デバイス１０は、例えば、以下のようにして製造することができる。まず、圧電基板１１の表面に、すだれ状電極１２を埋め込むための電極溝を形成する。すなわち、圧電基板１１の表面の電極溝を形成しない部分に、レジスト等を塗布し、Ａｒ等のイオンで乾式エッチングを行って、圧電基板１１の表面に電極溝を形成する。このとき、レジストの代わりに、レジスト以外の材料として、エッチング時の速度が圧電基板１１のエッチング速度より遅い材料を用いてもよい。また、乾式エッチングのほかに、湿式でエッチングする方法を用いてもよい。

次に、その電極溝を圧電基板１１の表面まで埋める程度の厚みで、圧電基板１１の表面全体に、電極用の金属を成膜する。その後、湿式エッチングあるいは洗浄等でレジストを除去する。これにより、電極溝に埋め込められたすだれ状電極１２を形成することができる。なお、すだれ状電極１２の厚みが所望の厚みでない場合には、さらにエッチング等によりすだれ状電極１２の厚みを調整する工程を行ってもよい。

以下では、図２に示す各構成の高次モード弾性表面波デバイス１０について、インピーダンス比や比帯域幅等を求めた。図１（ｃ）を参照すると、インピーダンス比は、共振特性のインピーダンスのうち、最も低い共振周波数ｆｒでの共振インピーダンスＺｒと、最も高い反共振周波数ｆａでの反共振インピーダンスＺａとの比２０×ｌｏｇ（Ｚａ／Ｚｒで与えられる。比帯域幅は、（ｆａ－ｆｒ）／ｆｒで与えられる。また、図１（ａ）を参照すると、すだれ状電極５２のメタライゼーション比は、弾性表面波の伝搬方向に沿って、すだれ状電極５２の電極指の幅Ｆを、電極指の周期（λ）の半分（電極指の幅Ｆと電極指間の隙間Ｇとの和）で除した比率、すなわちＦ／（Ｆ＋Ｇ）＝２×Ｆ／λによって与えられる。

図３に示すように、すだれ状電極１２の電極が基板表面に垂直ではなく傾いて基板内に埋め込まれた場合があり得る。このような場合には、メタライゼーション比及び電極幅は、実効的なメタライゼーション比および電極幅とする。すなわち、電極溝の側面と圧電基板１１の表面とがなす角γが９０度より小さいときには、各電極の表面の幅ａ、底の幅ｂ、埋め込まれた深さｄとすると、面極の実効的な幅ｃは（ａ＋ｂ）／２、メタライゼーション比は（ｃ／（ｃ＋ｅ））で与えるものとする。埋め込まれた電極深さはｄのままである。

ここでは、すだれ状電極１２の周期（λ）を１μｍ、メタライゼーション比を０．５、すなわち、電極指の幅を０．２５μｍ、電極指の隙間を０．２５μｍとした。なお、以下では、オイラー角（φ、θ、ψ）を、単に（φ、θ、ψ）で表す。また、圧電基板１１やすだれ状電極１２の厚み等を、使用する弾性表面波デバイスの波長λ（すだれ状電極の周期）に対する倍率で表す。

図４に、図２（ａ）に示す構造を有する高次モード弾性表面波デバイス１０の、インピーダンスの周波数特性等を示す。圧電基板１１は、（０°，１２６．５°，０°）ＬｉＴａＯ_３結晶である。すだれ状電極１２は、厚みが０．３６λのＡｌ電極から構成され、圧電基板１１の表面から深さ０．３６λまで埋め込まれている。すだれ状電極１２のメタライゼーション比が０．５のときの、インピーダンスの周波数特性を図４（ａ）および図４（ｂ）に、１次モードの共振周波数における変位分布を図４（ｃ）に示す。図４（ｂ）は、図４（ａ）の１次モードの共振周波数付近を拡大したものである。また、すだれ状電極１２のメタライゼーション比が０．７のときの、インピーダンスの周波数特性を図４（ｄ）に示す。

図４（ａ）に示すように、すだれ状電極１２を圧電基板１１に埋め込むことにより、図１に示す従来のＳＡＷデバイスの０次モードの共振周波数３．３ＧＨｚの１．３６倍の共振周波数４．５ＧＨｚの０次モードが得られていることが確認された。しかも、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、共振周波数４．５ＧＨｚの０次モードに対し、その約２倍の共振周波数９．６ＧＨｚの１次モードが大きく励振されていることが確認された。その１次モードの比帯域幅は３％、インピーダンス比は６７ｄＢであり、図１に示す従来のＳＡＷデバイスよりも大きなインピーダンス比が得られていることが確認された。１次モードの共振周波数は、従来のＳＡＷデバイスの共振周波数の約２．９倍である。

また、図４（ｃ）に示すように、共振周波数９．５ＧＨｚの１次モードは、ＳＨ（shear horizontal）成分のみから構成されており、従来のＳＡＷデバイスの共振周波数もＳＨ成分から構成されることから、基本モード（０次）の高次モード（１次モード）であることがわかる。なお、図４（ｃ）中の「Ｌ」は縦波成分、「ＳＶ」は shear vertical 成分を表している。また、図４（ｄ）に示すように、メタライゼーション比を０．７にすることにより、１次モードの共振周波数がメタライゼーション比を０．５の時の１．２倍の１１．２ＧＨｚに、比帯域幅が１３％広い３．４％に、インピーダンス比が３ｄＢ大きい７０ｄＢになることが確認された。

図５に、図２（ｃ）に示す構造を有する高次モード弾性表面波デバイス１０の、インピーダンスの周波数特性を示す。圧電基板１１は、（０°，１２６．５°，０°）ＬｉＴａＯ_３結晶である。すだれ状電極１２は、厚みが０．３８λのＡｌ電極から構成され、圧電基板１１の表面から深さ０．３６λまで埋め込まれ、圧電基板１１の表面から０．０２λ突出している。すだれ状電極１２のメタライゼーション比は、０．５である。

図５に示すように、図４（ａ）および図４（ｂ）と比べ、高次モード（１次モード）の共振周波数は少し高くなっていることが確認された。また、インピーダンス比は５０ｄＢと小さくなるが、比帯域幅が１％と狭くなっており、狭帯域化に適しているといえる。また、スプリアスとなる基本モード（０次）の励振が小さいことが確認された。

図６に、図２（ｄ）に示す構造を有する高次モード弾性表面波デバイス１０の、インピーダンスの周波数特性を示す。圧電基板１１は、（０°，１２６．５°，０°）ＬｉＴａＯ_３結晶であり、厚みが０．５λである。すだれ状電極１２は、厚みが０．３６λのＡｌ電極から構成され、圧電基板１１の表面から深さ０．３６λまで埋め込まれている。すだれ状電極１２のメタライゼーション比は、０．５である。支持基板１４は、Ｓｉまたは水晶から構成され、いずれも厚みが３５０μｍであり、接着剤や直接接合により圧電基板１１と接合されている。支持基板１４がＳｉ基板から構成されるときのインピーダンスの周波数特性を図６（ａ）に、支持基板１４が水晶基板から構成されるときのインピーダンスの周波数特性を図６（ｂ）に示す。

図６（ａ）に示すように、Ｓｉ支持基板を有する場合、１次モードの共振周波数が９ＧＨｚであり、比帯域幅が２．８％、インピーダンス比が７１ｄＢであることが確認された。また、図６（ｂ）に示すように、水晶基板を有する場合、１次モードの共振周波数が９ＧＨｚであり、比帯域幅が３．５％、インピーダンス比が６８ｄＢであることが確認された。図６（ａ）および図６（ｂ）を図４（ｂ）と比較すると、支持基板１４を設けることにより、インピーダンス比が大きくなることが確認された。なお、より大きいインピーダンス比を得るためには、圧電基板１１は、支持基板１４より薄いことが好ましく、２０波長以下であることがより好ましく、さらに１０波長以下であることが好ましい。

図７に、図２（ｆ）に示す構造を有する高次モード弾性表面波デバイス１０の、インピーダンスの周波数特性を示す。圧電基板１１は、（０°，１２６．５°，０°）ＬｉＴａＯ_３結晶であり、厚みが０．５λである。すだれ状電極１２は、厚みが０．３６λのＡｌ電極から構成され、圧電基板１１の表面から深さ０．３６λまで埋め込まれている。すだれ状電極１２のメタライゼーション比は、０．５である。多層膜１５は、音響インピーダンスが異なるＳｉＯ_２層（厚み０．２５μｍ）とＴａ層（厚み０．２５μｍ）とを、交互に６層積層した音響多層膜から構成される。支持基板１４は、Ｓｉ基板から構成され、厚みが３５０μｍである。なを、この音響膜の層数は６層以外でも良い。

図７に示すように、１次モードの共振周波数が９．５ＧＨｚであり、比帯域幅が２．６％、インピーダンス比が６９ｄＢであることが確認された。図７を図６（ａ）と比較すると、多層膜１５を設けることにより、帯域幅がやや狭くなると共に、インピーダンス比がやや小さくなることが確認された。

図８に、図２（ａ）に示す構造を有する高次モード弾性表面波デバイス１０の、インピーダンスの周波数特性を示す。図８（ａ）はインピーダンスの周波数特性を示し、図８（ｂ）は図８（ａ）の１次モードの共振周波数付近を拡大したものである。圧電基板１１は、（０°，１１６°，０°）ＬｉＮｂＯ_３結晶である。すだれ状電極１２は、厚みが０．３５λのＡｌ電極から構成され、圧電基板１１の表面から深さ０．３５λまで埋め込まれている。すだれ状電極１２のメタライゼーション比は、０．５である。

図８（ａ）および８（ｂ）に示すように、圧電基板１１がＬｉＮｂＯ_３結晶の場合も、ＬｉＴａＯ_３結晶の場合（図４参照）と同様に、１０．４ＧＨｚの高次モード（１次モード）が大きく励振されていることが確認された。その１次モードの比帯域幅は６．４％、インピーダンス比は６８ｄＢであり、図４（ｂ）に示すＬｉＴａＯ_３結晶の１次モードと比べて、帯域幅が広くなり、インピーダンス比が大きくなっていることが確認された。

図９に、図２（ａ）に示す構造を有する高次モード弾性表面波デバイス１０の、インピーダンスの周波数特性を示す。圧電基板１１は、（０°，１１６°，０°）ＬｉＮｂＯ_３結晶である。すだれ状電極１２は、厚みが０．２４λのＣｕ電極から構成され、圧電基板１１の表面から深さ０．２４λまで埋め込まれている。すだれ状電極１２のメタライゼーション比は、０．５である。

図９に示すように、すだれ状電極１２がＣｕ電極の場合、１次モードの共振周波数は、Ａｌ電極の場合（図８（ａ）参照）と比べて、９．５ＧＨｚと少し低くなるが、Ａｌ電極よりも薄く（浅く）形成しても、Ａｌ電極と同程度である６８ｄＢのインピーダンス比が得られることが確認された。

図１０に、図２（ａ）に示す構造を有する高次モード弾性表面波デバイス１０の、すだれ状電極１２の厚みと１次モードの比帯域幅およびインピーダンス比との関係を示す。圧電基板１１は、（０°，１２６．５°，０°）ＬｉＴａＯ_３結晶である。すだれ状電極１２は、Ａｌ電極、Ｃｕ電極、またはＡｕ電極から構成されている。すだれ状電極１２のメタライゼーション比は、０．５である。各電極の厚み（深さ）を０．０２λ～０．６λまで変化させたときの、各電極の厚みと比帯域幅との関係、および、各電極の厚みと１次モードのインピーダンス比との関係を、それぞれ図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示す。

図１０（ａ）に示すように、同じ厚み（深さ）のときには、Ａｌ電極の帯域幅が最も広く、Ｃｕ電極、Ａｕ電極の順に帯域幅が狭くなっていくことが確認された。また、各電極とも、厚み（深さ）が大きくなるに従って、帯域幅が広がっていくことも確認された。また、図１０（ｂ）に示すように、Ａｌ電極で０．１５λ～０．６λ、Ｃｕ電極およびＡｕ電極で０．１６λ～０．６λのとき、インピーダンス比が５０ｄＢ以上になることが確認された。また、Ａｌ電極で０．２３λ～０．６λ、Ｃｕ電極で０．１８λ～０．６λ、Ａｕ電極で０．２５λ～０．６λのとき、インピーダンス比が６０ｄＢ以上になることが確認された。さらにＡｌ電極で０．３λ～０．６λ、Ｃｕ電極で０．２９λ～０．６λ、Ａｕ電極で０．５５λ～０．６λのとき、インピーダンス比が６５ｄＢ以上になることが確認された。

なお、電極の厚み×メタライゼーション比は一定であり、例えば、メタライゼーション比が０．５、電極の厚み０．１５λに対し、メタライゼーション比０．７５の場合、電極の厚みは、０．５×０．１５λ／０．７５＝０．１０λとなる。このため、例えば、メタライゼーション比０．５のときのＡｌ電極の厚み０．１５λに対し、メタライゼーション比０．７５の場合には、Ａｌ電極の厚みが０．１０λ以上あればよいことになる。

なお、図２（ａ）に示す構造に限らず、図２（ｂ）～図２（ｆ）に示す構造であっても、各電極の厚みに対するインピーダンス比の関係は変わらないものと考えられる。また、各電極の厚みに対するインピーダンス比の関係は、密度１５００～６０００ｋｇ／ｍ^３の電極材料（例えば、Ｔｉ，Ｍｇ合金）はＡｌ電極と、密度６０００～１２０００ｋｇ／ｍ^３の電極材料（例えば、Ａｇ，Ｍｏ，Ｎｉ）はＣｕ電極と、密度１２０００～２３０００ｋｇ／ｍ^３の電極材料（例えば、Ｐｔ，Ｗ，Ｔａ，Ｈｆ）はＡｕ電極と同じ傾向を示す。また、用いる電極材料が合金の場合や、異なる金属で積層されたものである場合には、それぞれの材料の厚みと密度とから計算された平均密度により、上記の電極の厚みに対するインピーダンス比の関係の傾向が決まる。

図１１に、図２（ａ）に示す構造を有する高次モード弾性表面波デバイス１０の、圧電基板１１のオイラー角と１次モードの比帯域幅およびインピーダンス比との関係を示す。圧電基板１１は、（０°，θ，０°）ＬｉＴａＯ_３結晶である。すだれ状電極１２は、厚みが０．３６λのＡｌ電極から構成され、圧電基板１１の表面から深さ０．３６λまで埋め込まれている。すだれ状電極１２のメタライゼーション比は、０．５である。オイラー角を構成するθを０°～１８０°まで変化させたときの、θと比帯域幅との関係、および、θとインピーダンス比との関係を、それぞれ図１１（ａ）および図１１（ｂ）に示す。

図１１（ａ）および図１１（ｂ）に示すように、θ＝１１２°～１６８°のとき、比帯域幅が２．５％以上であり、θ＝１１２°～１４０°のとき、インピーダンス比が５０ｄＢ以上になることが確認された。また、θ＝１２０°～１３２°のとき、比帯域幅が２．６～２．７％であり、インピーダンス比が６０ｄＢ以上になることが確認された。また、図１２に示すようにφ＝－２０°から２０°でインピーダンス比が５０ｄＢ以上、φ＝－１０°から１０°でインピーダンス比が６０ｄＢ以上になることが確認された。

図１３に、図２（ａ）に示す構造を有する高次モード弾性表面波デバイス１０の、すだれ状電極１２の厚みと１次モードの比帯域幅およびインピーダンス比との関係を示す。圧電基板１１は、（０°，１１６°，０°）ＬｉＮｂＯ_３結晶である。すだれ状電極１２は、Ａｌ電極、Ｃｕ電極、またはＡｕ電極から構成されている。すだれ状電極１２のメタライゼーション比は、０．５である。各電極の厚み（深さ）を０．０２λ～０．６λまで変化させたときの、各電極の厚みと比帯域幅との関係、および、各電極の厚みとインピーダンス比との関係を、それぞれ図１３（ａ）および図１３（ｂ）に示す。

図１３（ａ）に示すように、０．１λ以上で同じ厚み（深さ）のときには、Ａｌ電極の帯域幅が最も広く、Ｃｕ電極、Ａｕ電極の順に帯域幅が狭くなっていくことが確認された。また、各電極とも、０．４λ以下では、厚み（深さ）が大きくなるに従って、帯域幅が広がっていくことも確認された。また、図１３（ｂ）に示すように、Ａｌ電極で０．１４λ～０．６λ、Ｃｕ電極で０．１３λ～０．６λ、Ａｕ電極で０．１５λ～０．６λのとき、インピーダンス比が５０ｄＢ以上になることが確認された。また、Ａｌ電極で０．２１λ～０．６λ、Ｃｕ電極で０．１８λ～０．６λ、Ａｕ電極で０．２３λ～０．６λのとき、インピーダンス比が６０ｄＢ以上になることが確認された。なお、上述のように、電極の厚み×メタライゼーション比は一定である。

なお、図２（ａ）に示す構造に限らず、図２（ｂ）～図２（ｆ）に示す構造であっても、各電極の厚みに対するインピーダンス比の関係は変わらないものと考えられる。また、各電極の厚みに対するインピーダンス比の関係は、密度１５００～６０００ｋｇ／ｍ^３の電極材料（例えば、Ｔｉ，Ｍｇ合金）はＡｌ電極と、密度６０００～１２０００ｋｇ／ｍ^３の電極材料（例えば、Ａｇ，Ｍｏ，Ｎｉ）はＣｕ電極と、密度１２０００～２３０００ｋｇ／ｍ^３の電極材料（例えば、Ｐｔ，Ｗ，Ｔａ，Ｈｆ）はＡｕ電極と同じ傾向を示す。また、用いる電極材料が合金の場合や、異なる金属で積層されたものである場合には、それぞれの材料の厚みと密度とから計算された平均密度により、上記の電極の厚みに対するインピーダンス比の関係の傾向が決まる。

図１４に、図２（ａ）に示す構造を有する高次モード弾性表面波デバイス１０の、圧電基板１１のオイラー角と１次モードの比帯域幅およびインピーダンス比との関係を示す。圧電基板１１は、（０°，θ，０°）ＬｉＮｂＯ_３結晶である。すだれ状電極１２は、厚みが０．３λのＡｌ電極から構成され、圧電基板１１の表面から深さ０．３λまで埋め込まれている。すだれ状電極１２のメタライゼーション比は、０．５である。オイラー角を構成するθを５０°～１８０°まで変化させたときの、θと比帯域幅との関係、および、θとインピーダンス比との関係を、それぞれ図１４（ａ）および図１４（ｂ）に示す。

図１４（ａ）および図１４（ｂ）に示すように、θ＝７８°～１５３°のとき、比帯域幅が４．４～６．５％であり、インピーダンス比が５０ｄＢ以上になることが確認された。また、θ＝８７°～１４３°のとき、比帯域幅が５．２～６．５％であり、インピーダンス比が６０ｄＢ以上になることが確認された。さらにθ＝９４°～１３５°のとき、比帯域幅が５．７～６．５％であり、インピーダンス比が６５ｄＢ以上になることが確認された。また、図１５に示すようにφ＝－２５°から２５°でインピーダンス比が５０ｄＢ以上、φ＝－２０°から２０°でインピーダンス比が６０ｄＢ以上になること、φ＝－１０°から１０°でインピーダンス比が７０ｄＢ以上になることが確認された。

図１６に、図２（ａ）に示す構造を有する高次モード弾性表面波デバイス１０の、すだれ状電極１２のメタライゼーション比と１次モードの位相速度およびインピーダンス比との関係を示す。圧電基板１１は、（０°，１２６．５°，０°）ＬｉＴａＯ_３結晶である。すだれ状電極１２は、厚みが０．３６λのＡｌ電極から構成され、圧電基板１１の表面から深さ０．３６λまで埋め込まれている。Ａｌ電極のメタライゼーション比を、０．３～０．９まで変化させたときの、メタライゼーション比と位相速度との関係、および、メタライゼーション比とインピーダンス比との関係を、それぞれ図１６（ａ）および図１６（ｂ）に示す。

図１６（ａ）に示すように、位相速度は、約１００００～１１５００ｍ／ｓであり、概ねメタライゼーション比が大きいほど速くなる傾向があることが確認された。また、図１６（ｂ）に示すように、メタライゼーション比が０．４以上のとき、インピーダンス比が５０ｄＢ以上、メタライゼーション比が４．５以上のとき、インピーダンス比が６０ｄＢ以上、メタライゼーション比が０．５２以上のとき、インピーダンス比が６５ｄＢ以上、メタライゼーション比が０．６３以上のとき、インピーダンス比が７０ｄＢ以上になることが確認された。

図１７に、図２（ａ）に示す構造を有する高次モード弾性表面波デバイス１０の、インピーダンスの周波数特性を示す。圧電基板１１は、（０°，１２６．５°，０°）ＬｉＴａＯ_３結晶である。すだれ状電極１２は、厚みが０．２λのＡｌ電極から構成され、圧電基板１１の表面から深さ０．２λまで埋め込まれている。すだれ状電極１２のメタライゼーション比は、０．８５である。

図１７に示すように、０次モードの高次モードである１次モード、２次モード、３次モードが励振されていることが確認された。図４や図８に示すように、メタライゼーション比が０．５のときには、２次モードや３次モードはほとんど確認できないことから、メタライゼーション比を大きくすることにより、２次や３次などの高次モードが励振されると考えられる。

図１７と同じ構造で、すだれ状電極１２の厚みを０．０５λ～０．５５λまで変化させたときの、すだれ状電極１２の厚みと０次～３次のモードの位相速度との関係、および、すだれ状電極１２の厚みと０次～３次のモードのインピーダンス比との関係を、図１８（ａ）および図１８（ｂ）に示す。図１８（ａ）に示すように、例えば、すだれ状電極１２の厚みが０．３λのとき、０次モードと比べて位相速度が約２．７倍の１次モード、４．７倍の２次モード、約６．９倍の３次モードの高次モードが励振されていることが確認された。また、このとき、図１８（ｂ）に示すように、インピーダンス比は、０次モードが４７ｄＢであるのに対し、１次モードが５７ｄＢ、２次モードが４０ｄＢ、３次モードが４５ｄＢであり、十分に使用可能なレベルであることが確認された。

表１に図２（ｄ）に示す高次モード弾性表面波デバイス［溝電極／ＬｉＴａＯ_３結晶あるいはＬｉＮｂＯ_３結晶基板／支持基板］用の支持基板の密度、縦波音速、横波音速を示す。縦波音速は（（ｃ_３３／密度）の平方根）、横波音速は（（ｃ_４４／密度）の平方根）で表される。ここで、Ｃ_ｉｊは弾性スチフネス定数である。横波音速に応じてＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅの５つにグループ分けしてある。

図１９には、図２（ｄ）に示す高次モード弾性表面波デバイス［溝深さ０．２λのＣｕ電極（メタライゼーション比０．５）／（０°，１２６．５°，０°）ＬｉＴａＯ_３結晶基板／支持基板］の、支持基板がｃサファイア、Ｓｉ、水晶、パイレックス（Ｐｙｒｅｘ）ガラス、鉛ガラスから構成されたときの、インピーダンス比のＬｉＴａＯ_３結晶基板厚み依存性を示している。図中、白抜きの記号は、周波数特性の帯域内にリップルのない特性を示し、黒塗りの記号は、帯域内にリップルのある特性を示している。いずれの支持基板でも、ＬｉＴａＯ_３結晶厚み２０波長以上では、支持基板のないＬｉＴａＯ_３結晶基板だけの時のインピーダンス比６２ｄＢと一致するが、２０波長以下のＬｉＴａＯ_３結晶厚におけるインピーダンス比はそれに比べ大きくなる。

表１に示したＬｉＴａＯ_３結晶の横波音速３６０４ｍ／ｓよりはるかに横波音速の遅い表１の横波音速２０００～３０００ｍ／ｓのグループＡの２４１４ｍ／ｓの鉛ガラスの場合は、ＬｉＴａＯ_３結晶厚み０．２λ以上２０λ未満で帯域内リップルなく、６２ｄＢのインピーダンス比が、１０波長以下で６３ｄＢ以上のインピーダンス比が得られる。横波音速がＬｉＴａＯ_３結晶よりはるかに速い、表１の横波音速６００１～８０００ｍ／ｓのＥグループの音速６０７３ｍ／ｓのサファイアの場合も、帯域内のリップルなしにＬｉＴａＯ_３結晶厚み０．２λ以上２０λ未満で帯域内リップルなく、６２ｄＢ以上のインピーダンス比が、ＬｉＴａＯ_３結晶厚み０．２λ以上１０λで、６３ｄＢ以上のインピーダンス比が得られる。

しかし、横波がＬｉＴａＯ_３結晶の横波音速に近い表１の横波音速３０００～４２２０ｍ／ｓのＢグループのパイレックスガラス、４２２０～５０００ｍ／ｓのＣグループの水晶、４２２０～５０００ｍ／ｓのＤグループのＳｉ基板の支持基板の場合はＬｉＴａＯ_３結晶厚０．２λ以上２λ未満では帯域内にリップルが生じ、ＬｉＴａＯ_３結晶厚２λから２０λ未満で、６２ｄＢ以上のインピーダンス比が得られ、ＬｉＴａＯ_３結晶厚２λから１０λでは６４．５ｄＢ以上のインピーダンス比が得られる。

図２０には、図２（ｄ）に示す高次モード弾性表面波デバイス［溝深さ０．２３λのＣｕ電極（メタライゼーション比０．５）／（０°，１１２°，０°）ＬｉＮｂＯ_３結晶基板／支持基板］の、支持基板がｃサファイア、Ｓｉ、水晶、パイレックスガラス、鉛ガラスから構成されるときの、インピーダンス比のＬｉＴａＯ_３結晶基板厚み依存性を示している。図中、白抜きの記号は、周波数特性の帯域内にリップルのない特性を示し、黒塗りの記号は、帯域内にリップルのある特性を示している。いずれの支持基板でも、ＬｉＮｂＯ_３結晶厚み２０波長以上では、支持基板のないＬｉＮｂＯ_３結晶基板だけの時のインピーダンス比６８ｄＢと一致するが、２０波長未満のＬｉＮｂＯ_３結晶厚におけるインピーダンス比はそれに比べ大きくなる。

表１に示したＬｉＴａＯ_３結晶の横波音速３６０４ｍ／ｓよりはるかに横波音速の遅い表１のグループＡの横波音速２４１４ｍ／ｓの鉛ガラスの場合は、ＬｉＴａＯ_３結晶厚み０．２λ以上２０λ未満で帯域内リップルなく、６８～８０ｄＢ以上のインピーダンス比が、１０波長以下で７１．５ｄＢ以上のインピーダンス比が得られる。表１のＣグループの横波音速６０７３ｍ／ｓとＬｉＴａＯ_３結晶よりはるかに速いサファイアの場合も、帯域内のリップルなしにＬｉＴａＯ_３結晶厚み０．２λ以上２０λ未満で帯域内リップルなく、６８～７１ｄＢのインピーダンス比が得られ、ＬｉＴａＯ_３結晶厚１０波長以下で７０ｄＢ以上のインピーダンス比が得られる。

しかし、横波がＬｉＴａＯ_３結晶の横波音速に近い表１のＢ、Ｃ，Ｄグループの横波音速３０００～６０００ｍ／ｓのパイレックス（Ｐｙｒｅｘ）、水晶、Ｓｉの支持基板の場合は、ＬｉＴａＯ_３結晶厚０．２λ以上２λ未満では帯域内にリップルが生じ、ＬｉＴａＯ_３結晶厚２λから２０λ未満で、６８～７７ｄＢのインピーダンス比が、ＬｉＴａＯ_３結晶厚２λから１０λ未満で、７１．５～７７ｄＢのインピーダンス比が得られる。

なお、ＬｉＴａＯ_３結晶やＬｉＮｂＯ_３結晶の圧電板と支持基板との間にＳｉＯ_２膜、ＳｉＯ膜、ＳｉＯＦなどＳｉＯ化合物膜などの薄膜がある場合は、その膜と下の支持基板との平均の横波音速と考える。圧電基板と支持基板の間にＳｉＯ_２膜、ＳｉＯ化合物膜、あるいは音響多層膜が介在する場合でも、それらの２波長以内の音速の見かけ上の平均値が、表１のＡ，Ｂ，Ｃのいずれかのグループに属する音速で、圧電基板の最適膜厚は決定される。その場合、圧電基板に接する１層目の材料のウエイトを７０％とし、それ以降をすべて３０％とする。たとえば、１層目のＳｉＯ_２膜（横波音速３５７２ｍ／ｓ）が０．５波長厚、サファイア（横波音速６０７３ｍ／ｓ）支持基板厚が１．５波長の場合は、（３５７２×０．５×０．７＋６０７３×１．５×０．３）＝３９８３ｍ／ｓとなり、グループＥで最適な基板厚のＬｉＴａＯ_３結晶，ＬｉＮｂＯ_３結晶基板を使用すれば良い。

表２にＬｉＴａＯ_３結晶とＬｉＮｂＯ_３結晶の線膨張係数、およびＬｉＴａＯ_３結晶やＬｉＮｂＯ_３結晶より小さい代表的な基板の線膨張係数を示す。表２には、図２（ｄ）に示す高次モード弾性表面波デバイス［溝電極／圧電基板／支持基板］構造で用いられる各種支持基板の線膨張係数が示されている。

図２１に図２（ｄ）に示す高次モード弾性表面波デバイス［溝深さ０．３λのＡｌ電極（メタライゼーション比０．５）／（０°，１２６．５°，０°）ＬｉＴａＯ_３結晶基板／支持基板］と溝深さ０．３λのＡｌ電極（メタライゼーション比０．５）／（０°，１１２°，０°）ＬｉＮｂＯ_３結晶基板／支持基板］の周波数温度係数の、支持基板の線膨張係数ごとのＬｉＴａＯ_３結晶およびＬｉＮｂＯ_３結晶／支持基板依存性を示す。縦軸の周波数温度係数はＬｉＴａＯ_３結晶あるいはＬｉＮｂＯ_３結晶／支持基板を用いたときの温度１℃あたりの周波数変化率、すなわち（－２０から８０℃間における最大周波数変化量／（１００～２０℃における温度の最大変化量（この場合８０）））で表され、左と右の縦軸はそれぞれ、ＬｉＴａＯ_３結晶基板、ＬｉＮｂＯ_３結晶基板を用いたときの周波数温度係数である。横軸は支持基板と圧電基板の比、すなわち、（支持基板の厚み／ＬｉＴａＯ_３結晶基板あるいはＬｉＮｂＯ_３結晶基板厚）で表している。

支持基板にのみＡｌの溝電極を設けたときの周波数温度係数はそれぞれ、－４５、－１００ｐｐｍ／℃であるが、線膨張係数０．５×１０^－６／℃の支持基板を用いた場合、圧電基板／支持基板の厚み比が２．５以上でＬｉＴａＯ_３結晶では、－２５ｐｐｍ／℃より、ＬｉＮｂＯ_３結晶では－３５ｐｐｍ／℃より良好な周波数温度係数が得られる。線膨張係数３．３５×１０^－６／℃の支持基板を用いた場合、圧電基板／支持基板の厚み比が４以上で、線膨張係数８．４×１０^－６／℃の支持基板を用いた場合、圧電基板／支持基板の厚み比が６．７以上で、線膨張係数１０．４×１０^－６／℃の支持基板を用いた場合、圧電基板／支持基板の厚み比が８以上でＬｉＴａＯ_３結晶の場合、－２５ｐｐｍ／℃、ＬｉＮｂＯ_３結晶の場合－３５ｐｐｍ／℃より良好な周波数温度係数が得られる。この線膨張係数αと圧電基板／支持基板の厚み比ＴＲとの関係は次の（２）式で表される。

ＴＲ＝α×０．５５×１０^６ ＋ ２．１８ （２）
よって、（２）式で得られるＴＲより大きな圧電基板／支持基板の厚み比となる、圧電基板、支持基板を用いれば良い。圧電基板と支持基板の間にＳｉＯ_２膜、ＳｉＯ化合膜、あるいは音響多層膜が介在する場合でも、厚みに応じた線膨張係数の平均値と、総厚みとからＴＲを計算すればよい。表２に示したＬｉＴａＯ_３結晶やＬｉＮｂＯ_３結晶より線膨張経緯数の小さい、１０．４×１０^－６／℃以下の支持基板を使用するのが望ましく、それ以下の線膨張係数ならなお良い。

１０ 高次モード弾性表面波デバイス
１１ 圧電基板
１２ すだれ状電極（ＩＤＴ）
１３ 薄膜
１４ 支持基板
１５ 多層膜

Claims (26)

1. 高次モードの弾性表面波を利用するデバイスであって、
   ＬｉＴａＯ _３ 結晶を含む圧電基板と、
   前記圧電基板の表面に埋め込まれたすだれ状電極と
   を含み、
   前記すだれ状電極は、Ｔｉ，Ａｌ及びＭｇ合金の少なくとも１つを含み、前記圧電基板の表面から、前記弾性表面波の波長／メタライゼーション比が０．０７５～０．３の範囲にある深さまで埋め込まれている、デバイス。
2. 高次モードの弾性表面波を利用するデバイスであって、
   ＬｉＴａＯ _３ 結晶を含む圧電基板と、
   前記圧電基板の表面に埋め込まれたすだれ状電極と
   を含み、
   され、
   前記すだれ状電極は、Ａｇ，Ｍｏ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｐｔ，Ａｕ，Ｗ，Ｔａ及びＨｆの少なくとも１つを含み、前記圧電基板の表面から、前記弾性表面波の波長／メタライゼーション比が０．０８～０．３の範囲にある深さまで埋め込まれている、デバイス。
3. 高次モードの弾性表面波を利用するデバイスであって、
   ＬｉＴａＯ _３ 結晶を含む圧電基板と、
   前記圧電基板の表面に埋め込まれたすだれ状電極と
   を含み、
   前記すだれ状電極は、Ｔｉ，Ａｌ及びＭｇ合金の少なくとも１つを含み、前記圧電基板の表面から、前記弾性表面波の波長／メタライゼーション比が０．１１５～０．３の範囲にある深さまで埋め込まれている、デバイス。
4. 高次モードの弾性表面波を利用するデバイスであって、
   ＬｉＴａＯ _３ 結晶を含む圧電基板と、
   前記圧電基板の表面に埋め込まれたすだれ状電極と
   を含み、
   前記すだれ状電極は、Ａｇ，Ｍｏ，Ｃｕ及びＮｉの少なくとも１つを含み、前記圧電基板の表面から、前記弾性表面波の波長／メタライゼーション比が０．０９～０．３の範囲にある深さまで埋め込まれている、デバイス。
5. 高次モードの弾性表面波を利用するデバイスであって、
   ＬｉＴａＯ _３ 結晶を含む圧電基板と、
   前記圧電基板の表面に埋め込まれたすだれ状電極と
   を含み、
   前記すだれ状電極は、Ｐｔ，Ａｕ，Ｗ，Ｔａ及びＨｆの少なくとも１つを含み、前記圧電基板の表面から、前記弾性表面波の波長／メタライゼーション比が０．１２５～０．３の範囲にある深さまで埋め込まれている、デバイス。
6. 高次モードの弾性表面波を利用するデバイスであって、
   ＬｉＮｂＯ _３ 結晶を含む圧電基板と、
   前記圧電基板の表面に埋め込まれたすだれ状電極と
   を含み、
   前記すだれ状電極は、Ｔｉ，Ａｌ及びＭｇ合金の少なくとも１つを含み、前記圧電基板の表面から、前記弾性表面波の波長／メタライゼーション比が０．０７～０．３の範囲にある深さまで埋め込まれている、デバイス。
7. 高次モードの弾性表面波を利用するデバイスであって、
   ＬｉＮｂＯ _３ 結晶を含む圧電基板と、
   前記圧電基板の表面に埋め込まれたすだれ状電極と
   を含み、
   前記すだれ状電極は、Ａｇ，Ｍｏ，Ｃｕ及びＮｉの少なくとも１つを含み、前記圧電基板の表面から、前記弾性表面波の波長／メタライゼーション比が０．０６５～０．３の範囲にある深さまで埋め込まれている、デバイス。
8. 高次モードの弾性表面波を利用するデバイスであって、
   ＬｉＮｂＯ _３ 結晶を含む圧電基板と、
   前記圧電基板の表面に埋め込まれたすだれ状電極と
   を含み、
   前記すだれ状電極は、Ｐｔ，Ａｕ，Ｗ，Ｔａ及びＨｆの少なくとも１つを含み、前記圧電基板の表面から、前記弾性表面波の波長／メタライゼーション比が０．０７５～０．３の範囲にある深さまで埋め込まれている、デバイス。
9. 高次モードの弾性表面波を利用するデバイスであって、
   ＬｉＮｂＯ _３ 結晶を含む圧電基板と、
   前記圧電基板の表面に埋め込まれたすだれ状電極と
   を含み、
   前記すだれ状電極は、Ｔｉ，Ａｌ及びＭｇ合金の少なくとも１つを含み、前記圧電基板の表面から、前記弾性表面波の波長／メタライゼーション比が０．１０５～０．３の範囲にある深さまで埋め込まれている、デバイス。
10. 高次モードの弾性表面波を利用するデバイスであって、
    ＬｉＮｂＯ _３ 結晶を含む圧電基板と、
    前記圧電基板の表面に埋め込まれたすだれ状電極と
    を含み、
    前記すだれ状電極は、Ａｇ，Ｍｏ，Ｃｕ及びＮｉの少なくとも１つを含み、前記圧電基板の表面から、前記弾性表面波の波長／メタライゼーション比が０．０９～０．３の範囲にある深さまで埋め込まれている、デバイス。
11. 高次モードの弾性表面波を利用するデバイスであって、
    ＬｉＮｂＯ _３ 結晶を含む圧電基板と、
    前記圧電基板の表面に埋め込まれたすだれ状電極と
    を含み、
    前記すだれ状電極は、Ｐｔ，Ａｕ，Ｗ，Ｔａ及びＨｆの少なくとも１つを含み、前記圧電基板の表面から、前記弾性表面波の波長／メタライゼーション比が０．１１５～０．３の範囲にある深さまで埋め込まれている、デバイス。
12. 前記圧電基板は、オイラー角が（０°±２０°、１１２°～１４０°、０°±５°）の範囲にあり、又はこれと結晶学的に等価なオイラー角である、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のデバイス。
13. 前記圧電基板は、オイラー角が（０°±１０°、１２０°～１３２°、０°±５°）の範囲にあり、又はこれと結晶学的に等価なオイラー角である請求項１乃至５のいずれか１項に記載のデバイス。
14. 前記圧電基板は、オイラー角が（０°±２５°、７８°～１５３°、０°±５°）の範囲にあり、又はこれと結晶学的に等価なオイラー角である、請求項６乃至１１のいずれか１項に記載のデバイス。
15. 前記圧電基板は、オイラー角が（０°±２０°、８７°～１４３°、０°±５°）の範囲にあり、又はこれと結晶学的に等価なオイラー角である、請求項６乃至１１のいずれか１項に記載のデバイス。
16. 高次モードの弾性表面波を利用するデバイスであって、
    ＬｉＴａＯ _３ 結晶又はＬｉＮｂＯ _３ 結晶を含む圧電基板と、
    前記圧電基板の表面に埋め込まれたすだれ状電極と、
    前記圧電基板の前記すだれ状電極が設けられた表面とは反対側の面に接するよう設けられた支持基板と
    を含み、
    前記支持基板の横波音速又は等価的な横波音速が２０００～３０００ｍ／ｓ又は６０００～８０００ｍ／ｓの範囲にあり、前記圧電基板の厚みは０．２波長から２０波長の範囲にある、デバイス。
17. 高次モードの弾性表面波を利用するデバイスであって、
    ＬｉＴａＯ _３ 結晶又はＬｉＮｂＯ _３ 結晶を含む圧電基板と、
    前記圧電基板の表面に埋め込まれたすだれ状電極と、
    前記圧電基板の前記すだれ状電極が設けられた表面とは反対側の面に接するよう設けられた支持基板と
    を含み、
    前記支持基板の横波音速又は等価的な横波音速が３０００～６０００ｍ／ｓの範囲にあり、前記圧電基板の厚みは２波長から２０波長の範囲にある、デバイス。
18. 高次モードの弾性表面波を利用するデバイスであって、
    ＬｉＴａＯ _３ 結晶又はＬｉＮｂＯ _３ 結晶を含む圧電基板と、
    前記圧電基板の表面に埋め込まれたすだれ状電極と、
    前記圧電基板の前記すだれ状電極が設けられた表面とは反対側の面に接するよう設けられた支持基板と
    を含み、
    前記支持基板の線膨張係数は１０．４×１０^－６／℃以下であり、αを線膨張係数として、前記支持基板／前記圧電基板の厚みの比は、下記の（１）式で規定されたＴＲの値以上である、デバイス。
    ＴＲ＝α×０．５５×１０^６ ＋ ２．１８ （１）
19. 前記すだれ状電極は、前記圧電基板の表面と同一面ではないように形成される、請求項１乃至１８のいずれか１項に記載のデバイス。
20. 前記圧電基板に接するよう設けられた薄膜又は基板を含む、請求項１乃至１９のいずれか１項に記載のデバイス。
21. 支持基板及び／又は多層膜をさらに含み、
    前記支持基板及び／又は前記多層膜は前記圧電基板の前記すだれ状電極が設けられた表面とは反対側の面に設けられる、請求項１乃至１５のいずれか１項に記載のデバイス。
22. 前記支持基板は、金属以外の材料を含む、請求項２１に記載のデバイス。
23. 前記支持基板は、Ｓｉ、水晶、サファイア、ガラス、石英、ゲルマニウム及びアルミナの少なくとも１つを含む、請求項２２に記載のデバイス。
24. 前記多層膜は、音響インピーダンスが異なる複数の層を積層した音響多層膜を含む、請求項２１乃至２３のいずれか１項に記載のデバイス。
25. 前記すだれ状電極のメタライゼーション比は、０．４５以上である請求項１乃至２４のいずれか１項に記載のデバイス。
26. 前記すだれ状電極のメタライゼーション比は、０．６３以上である請求項１乃至２４のいずれか１項に記載のデバイス。

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