(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024051091
(43)【公開日】2024-04-10
(54)【発明の名称】弾性波デバイス用の変換器構造体
(51)【国際特許分類】
H03H 9/25 20060101AFI20240403BHJP
H03H 9/145 20060101ALI20240403BHJP
【ＦＩ】
H03H9/25 C
H03H9/145 Z
【審査請求】有
【請求項の数】35
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2024027731
(22)【出願日】2024-02-27
(62)【分割の表示】P 2022510846の分割
【原出願日】2020-09-18
(31)【優先権主張番号】19306123.1
(32)【優先日】2019-09-18
(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP
(31)【優先権主張番号】19306124.9
(32)【優先日】2019-09-18
(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP
(71)【出願人】
【識別番号】598054968
【氏名又は名称】ソイテック
【氏名又は名称原語表記】Ｓｏｉｔｅｃ
【住所又は居所原語表記】Ｐａｒｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｑｕｅ ｄｅｓ ｆｏｎｔａｉｎｅｓ ｃｈｅｍｉｎ Ｄｅｓ Ｆｒａｎｑｕｅｓ ３８１９０ Ｂｅｒｎｉｎ， Ｆｒａｎｃｅ
(74)【代理人】
【識別番号】100107456
【弁理士】
【氏名又は名称】池田 成人
(74)【代理人】
【識別番号】100162352
【弁理士】
【氏名又は名称】酒巻 順一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100123995
【弁理士】
【氏名又は名称】野田 雅一
(74)【代理人】
【識別番号】100154656
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴木 英彦
(72)【発明者】
【氏名】バランドラス， シルヴァイン
(72)【発明者】
【氏名】クルジョン， エミリエ
(72)【発明者】
【氏名】バーナード， フローレント
(57)【要約】
【課題】新規な表面弾性デバイス用の変換器構造体を提供する。
【解決手段】本発明は、圧電層を備える複合基板と、ブラッグ条件を満たすピッチｐを有する複数の電極手段を備える交差指状くし型電極の対と、を備える、表面弾性デバイス用の変換器構造体において、交差指状くし型電極が圧電層に埋め込まれており、このことによって、使用時には電極手段の体積内で波伝搬モードの励起が生じており、これが構造体の主たる伝搬モードとなる、変換器構造体、に関する。本発明はまた、上記したような少なくとも１つの変換器構造体を備える弾性波デバイスにも、及び前記変換器構造体を製造するための方法にも関する。本発明はまた、弾性波デバイスにおける前記変換器構造体の電極手段内を伝搬するバルク波の周波数を使用して、特に３ＧＨｚを超える高い周波数での寄与を生じさせることにも関する。
【選択図】 図１
【解決手段】本発明は、圧電層を備える複合基板と、ブラッグ条件を満たすピッチｐを有する複数の電極手段を備える交差指状くし型電極の対と、を備える、表面弾性デバイス用の変換器構造体において、交差指状くし型電極が圧電層に埋め込まれており、このことによって、使用時には電極手段の体積内で波伝搬モードの励起が生じており、これが構造体の主たる伝搬モードとなる、変換器構造体、に関する。本発明はまた、上記したような少なくとも１つの変換器構造体を備える弾性波デバイスにも、及び前記変換器構造体を製造するための方法にも関する。本発明はまた、弾性波デバイスにおける前記変換器構造体の電極手段内を伝搬するバルク波の周波数を使用して、特に３ＧＨｚを超える高い周波数での寄与を生じさせることにも関する。
【選択図】 図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
圧電層（１０４）と、
ピッチｐを有する複数の電極手段（１１２＿ｉ、１１４＿ｊ、４１８、４２０）を備える、交差指状くし型電極（１０８、１１０、４１２、４１４）の対と、
を備える、弾性デバイス用の変換器構造体（１００、２００、３００、４０８、４１０）において、
前記交差指状くし型電極（１０８、１１０、４１２、４１４）の前記電極手段が前記圧電層（１０４）に埋め込まれており、
前記電極手段の音響インピーダンスが前記圧電層の音響インピーダンス未満である、変換器構造体。
ピッチｐを有する複数の電極手段（１１２＿ｉ、１１４＿ｊ、４１８、４２０）を備える、交差指状くし型電極（１０８、１１０、４１２、４１４）の対と、
を備える、弾性デバイス用の変換器構造体（１００、２００、３００、４０８、４１０）において、
前記交差指状くし型電極（１０８、１１０、４１２、４１４）の前記電極手段が前記圧電層（１０４）に埋め込まれており、
前記電極手段の音響インピーダンスが前記圧電層の音響インピーダンス未満である、変換器構造体。
【請求項2】
前記ピッチｐがｐ＝λ／２によって与えられるブラッグ条件を満たし、λが前記変換器の動作弾性波波長である、請求項１に記載の変換器構造体。
【請求項3】
前記電極手段（１１２＿ｉ、１１４＿ｊ、４１８、４２０）の「ａ」が幅、「ｐ」がピッチである、アスペクト比ａ／ｐが、０，３～０，７５の間、特に０，４～０，６５の間で構成されている、請求項１又は２に記載の変換器構造体。
【請求項4】
前記圧電層がベース基板（１０６）の上に設けられている、請求項１～３のいずれか一項に記載の変換器構造体。
【請求項5】
前記圧電層（６０４、７０４）と前記ベース基板（６０６、７１０）の間に取り付け層（６０８、７０６）、特に二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を更に備える、請求項４に記載の変換器構造体。
【請求項6】
前記圧電層（７０４）と前記ベース基板（７１０）の間に高速度層（７１８）を更に備え、前記高速度層が、前記圧電層（１０４）の材料及び結晶方位よりも高いせん断波の位相速度を可能にする材料で製作されている、請求項４又は５に記載の変換器構造体。
【請求項7】
前記高速度層（７１８）が前記取り付け層（７０６）と前記ベース基板（７１０）の間に配置されている、請求項５及び６に記載の変換器構造体。
【請求項8】
前記圧電層（７０４）と前記ベース基板（７１０）の間にトラップリッチ層（７０８）、特にポリシリコントラップリッチ層を更に備える、請求項４～７のいずれか一項に記載の変換器構造体。
【請求項9】
前記トラップリッチ層（７０８）が前記高速度層（７１８）と前記ベース基板（７１０）の間に配置されている、請求項７及び８に記載の変換器構造体。
【請求項10】
前記埋め込まれた電極手段（１１２＿ｉ、１１４＿ｊ、４１８、４２０）及び前記圧電層（１０４）の上にカバー層（３０２）を更に備える、請求項１～９のいずれか一項に記載の変換器構造体。
【請求項11】
前記カバー層（３０２）が、前記圧電層（１０４）の材料及び／又は結晶方位よりも高いせん断波の位相速度を可能にする、材料で製作されている及び／又は結晶方位を有する、請求項１０に記載の変換器構造体。
【請求項12】
前記圧電層（１０４）及び／又は前記電極手段の下にブラッグミラー（２０４）を更に備える、請求項１～７のいずれか一項に記載の変換器構造体。
【請求項13】
前記埋め込まれた電極手段（１１２＿ｉ、１１４＿ｊ、４１８、４２０）の厚さは前記圧電層（１０４）の厚さ以下である、請求項４～１２のいずれか一項に記載の変換器構造体。
【請求項14】
前記電極手段の前記厚さｔｅがλ＞ｔｅ＞０，１＊λを満たす、請求項１３に記載の変換器構造体。
【請求項15】
前記ベース基板（１０６）の音響インピーダンスが前記圧電層（１０４）の音響インピーダンスのオーダーであり、特に前記圧電層（１０４）の前記音響インピーダンスのプラス又はマイナス２５％の範囲内、より特定的には前記圧電層（１０４）のプラス又はマイナス１５％の範囲内である、請求項４～１４のいずれか一項に記載の変換器構造体。
【請求項16】
前記埋め込まれた電極手段が前記圧電層（１０４、２０３）の溝の中に充填される、請求項１～１５のいずれか一項に記載の変換器構造体。
【請求項17】
前記溝が、角錐形状若しくは台形形状（２０１ａ）又はＶ形状若しくはＵ形状（２０１ｃ）を有する断面を有する、並びに／或いは、前記溝の側壁及び／又は底部が凸状（２０７ｂ）又は凹状（２０７ａ）又はスカラップ状（２０７ｃ）の形状を有する、請求項１６に記載の変換器構造体。
【請求項18】
前記溝の前記底部（２１５）に誘電体層（２１１）が設けられている、請求項１６又は１７に記載の変換器構造体。
【請求項19】
前記溝（６１６、６１８）の前記側壁及び底壁が導電材料（６２０、６２２）で覆われており、前記溝（６１６、６１８）の残りの部分が誘電体材料（６２４、６２６）で充填されている、請求項１７に記載の変換器構造体。
【請求項20】
前記溝（６９６、６９８）が前記圧電層（６０４）の中に延びており、前記溝（６９６、６９８）の前記側壁が導電材料（６５６、６５８）によって覆われており、前記溝（６９６、６９８）の残りの部分が誘電体材料（６９２、６９４）で充填されている、請求項１７に記載の変換器構造体。
【請求項21】
前記圧電層（６０４）に向いた側壁だけが前記導電材料（６５６、６５８）によって覆われている、請求項２０に記載の変換器構造体。
【請求項22】
前記誘電体材料が前記導電材料よりも高いせん断波位相速度を有する材料である、請求項１８～２１のいずれか一項に記載の変換器構造体。
【請求項23】
前記誘電体材料が、前記導電材料の温度係数周波数と符号が反対である温度係数周波数を有する、請求項１８～２２のいずれか一項に記載の変換器構造体。
【請求項24】
前記カバー層（６７２）の前記誘電体材料と前記溝（６５２、６５４）の中に充填されている前記誘電体材料（６６０、６６２）が同じである、請求項１０又は１１と組み合わせた請求項１８～２３のいずれか一項に記載の変換器構造体。
【請求項25】
前記電極手段がマンガンよりも軽い材料、特にアルミニウム、又はＣｕ、Ｓｉ、若しくはＴｉを含むアルミニウム合金で製作されている、請求項１～２４のいずれか一項に記載の変換器構造体。
【請求項26】
前記圧電層がタンタル酸リチウム又はニオブ酸リチウムである、請求項１～２５のいずれか一項に記載の変換器構造体。
【請求項27】
前記ベース基板（１０６）がシリカ、石英、溶融石英、若しくはガラス、又はＬｉＴａＯ３、又はＬｉＮｂＯ３、又はケイ素、特にＳｉ（１１１）のうちの１つである、請求項６と組み合わせた請求項１～２６のいずれか一項に記載の変換器構造体。
【請求項28】
前記高速度層（７１８）が、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、又は炭素ベースのもの、特に単結晶ダイヤモンド、非晶質炭化物、ナノ粒子多結晶ダイヤモンドのうちの１つである、請求項６と組み合わせた請求項１～２７のいずれか一項に記載の変換器構造体。
【請求項29】
前記カバー層（３０２、６７２）が、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、又は炭素ベースのもの、特に単結晶ダイヤモンド、非晶質炭化物、ナノ粒子多結晶ダイヤモンドのうちの１つである、請求項１０と組み合わせた請求項１～２８のいずれか一項に記載の変換器構造体。
【請求項30】
前記誘電体材料が、炭素ベースのもの、特に特に単結晶ダイヤモンド、非晶質炭化物、ナノ粒子多結晶ダイヤモンド、又はＡｌＮ、又はＳｉＯ２である、請求項１８～２０のいずれか一項と組み合わせた請求項１～２９のいずれか一項に記載の変換器構造体。
【請求項31】
交差指状くし型電極（２０２、２０４）の前記対が１つの領域（２１８）又はより多くの領域を備え、前記領域では、２つ以上の隣り合う電極手段（２０６、２０８）が同じくし型電極（２０２、２０４）に属しており、前記電極手段の互いまでの距離が、異なるくし型電極に属する前記隣り合う電極手段と同じである、請求項１～３０のいずれか一項に記載の変換器構造体。
【請求項32】
同じくし型電極に属する前記２つ以上の隣り合う電極手段は、異なるくし型電極に属する前記隣り合う電極手段と同じ幾何形状を有する、請求項３１に記載の変換器構造体。
【請求項33】
同じくし型電極（２０２、２０４）に属する２つ以上の隣り合う電極手段（２０６）を有する３つ以上の領域（２１８）を有する、請求項３１又は３２に記載の変換器構造体において、隣り合う領域の互いに対する距離が異なっている、特に、前記隣り合う領域が前記変換器構造体の広がりにわたってランダムに分散されていることを特徴とする、変換器構造体。
【請求項34】
同じくし型電極（２０２、２０４）に属する２つ以上の隣り合う電極手段（２０６、２０８）を有する複数の領域（２１８）が有する、同じくし型電極に属する隣り合う電極手段の数が異なる、請求項３１～３３のいずれか一項に記載の変換器構造体。
【請求項35】
前記電極手段がＩ線リソグラフィによって実現可能な寸法を有する、特に３５０ｎｍよりも大きい幅を有する、請求項１～３４のいずれか一項に記載の変換器構造体。
【請求項36】
請求項１～３５のいずれか一項に記載の少なくとも１つの変換器構造体（１００、２００、３００、４０８、４１０）を備える弾性波デバイス（４００）であって、前記弾性波デバイス（４００）が弾性波共振器、及び／又は弾性波フィルタ、及び／又は弾性波センサ、及び／又は周波数源である、弾性波デバイス（４００）。
【請求項37】
３ＧＨｚを超えるＲＦ信号で前記変換器構造体を駆動するように構成されている無線周波数（ＲＦ）供給手段を更に備える、請求項３６に記載の弾性波デバイス。
【請求項38】
前記２つの交差指状電極に交番電位を印加して、前記圧電層と比較して前記電極手段においてより大きい振動振幅を有し、前記圧電層の基本せん断波モードよりも高い等価速度を有するせん断モードを励起するステップを含む、請求項１～３７のいずれか一項に記載の変換器構造体を使用する方法。
【請求項39】
前記せん断モードは前記圧電層と比較して主として前記電極手段内で生じる、請求項３８に記載の方法。
【請求項40】
前記２つの交差指状電極に交番電位を印加して、前記電極手段において、前記電極の内部でせん断運動を呈すること及び前記圧電層の基本せん断波モードよりも高い等価速度を有することのない、一対の中性線を有するせん断モードを励起するステップを含む、請求項１～３９のいずれか一項に記載の変換器構造体を使用する方法。
【請求項41】
前記変換器構造体が、フィルタ、特にラダー型フィルタ及び／若しくはインピーダンスフィルタ及び／若しくは結合フィルタ、又は共振器、又は遅延線、又はセンサの一部である、請求項３８～４０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項42】
前記フィルタが３ＧＨｚよりも高い周波数で使用される、請求項４１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は弾性波デバイスに関し、特に弾性波デバイス用の変換器構造体に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、表面弾性波（ＳＡＷ）デバイスが、フィルタ、センサ、及び遅延線などのますます多くの実際的用途で採用されている。特にＳＡＷフィルタは携帯電話用途において興味深いものであるが、その理由は、複雑な電気回路を採用しなくても、これまでにないコンパクトさで低損失の高次バンドパスフィルタを形成できるからである。したがってＳＡＷフィルタは、性能及びサイズの点で、他のフィルタ技術を上回る大きな利益をもたらす。
【0003】
典型的な表面弾性波デバイスには、表面伝搬基板上に１つ又は複数の交差指状変換器（ｉｎｔｅｒ－ｄｉｇｉｔａｔｅｄ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）（ＩＤＴ）が形成されており、これを使用して、基板の圧電効果を利用することによって、弾性波から電気信号への、又はその逆の変換が行われる。交差指状変換器（ＩＤＴ）は、圧電基板上に交差指状金属指が配設されている、対向する「電極くし（ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｃｏｍｂ）」を備える。これらの指を電気的に励起させることによって、基板上でレイリー表面弾性波が生じる。その他の波のタイプであるせん断波及び縦方向に偏波した波は体積中を進んで吸収されるので、フィルタ用途のためには最適化した金属グレーティング厚さを用いる必要がある。反対に、表面弾性波が変換器の下にある圧電基板材料中を伝搬することによって、それらの指を横断する方向に電気信号が誘起され得る。
【0004】
ＳＡＷデバイスは一般に、圧電材料として、石英、ＬｉＮｂＯ３、又はＬｉＴａＯ３のモノリシック結晶から製作されるウエハを使用する。しかしながら、圧電基板の使用は、使用される圧電材料に応じて、ＬｉＮｂＯ３若しくはＬｉＴａＯ３の場合の温度への感度の高さ、又は石英の場合の電気機械結合の弱さの、いずれかをもたらす。
【0005】
また更に、一般に弾性波速度は、ほとんどの場合３０００～４０００ｍ／ｓに留まる位相速度を特に考慮すると、単結晶の材料特性によって制限される。実際には、石英の場合、レイリー表面弾性波が最もよく使用されるモードであり、それらの位相速度は３０００～３５００ｍ．ｓ－１の範囲にわたる。せん断波の使用によって、最大５１００ｍ．ｓ－１の位相速度が可能になる。石英では結合は０，５％に留まる。タンタル酸リチウムの場合、レイリー波は３０００～３５００ｍ．ｓ－１の範囲の位相速度を示すが、モード結合は辛うじて２％に達し得る。ニオブ酸リチウム上でのレイリー波は最大３９００ｍ．ｓ－１の位相速度に達し、５，６％の結合係数を有するが、ＩＤＴの上にＳｉＯ２パッシベーション層を用いることで８％を達成し得る。
【0006】
ＬｉＴａＯ３及びＬｉＮｂＯ３上のせん断波は疑似モードとも呼ばれ、放射漏洩、いわゆる漏洩モードを示す。その場合、表面はこれらの波を部分的に誘導する。したがって、電極グレーティングは、表面付近のエネルギーを捕捉するのに大きな役割を果たす。位相速度はどちらの材料も４０００～４５００ｍ．ｓ－１の範囲である。
【0007】
最後に、ＬｉＴａＯ３及びＬｉＮｂＯ３基板上ではある結晶カットに沿って圧縮モードも励起され得るが、ここでもまた、モードは本質的に漏洩性であり、したがってバルク内への波放射に起因する漏洩効果を最小限にするために、周波数に対する特定の電極厚さを必要とする。
【0008】
漏洩効果を克服するための１つの手法では、複合基板の使用に至っている。複合基板はベース基板上に形成された圧電層を備える。複合基板によってベース基板用の材料の選択肢が多くなり、ダイヤモンド、サファイア、炭化ケイ素、又はケイ素などの高い弾性波伝搬速度を有するベース基板材料を選択することができる。光学系の場合と同様、そのようなベース基板の使用はモードの誘導をもたらす。
【0009】
複合基板は、強い電気機械結合、すなわち１％よりも大きい電気機械係数ｋｓ
２と、温度安定性、すなわち２０ｐｐｍ／Ｋ未満の周波数温度係数（ＴＣＦ）と、を組み合わせることができ、ＳＡＷデバイスの性能を改善し、設計の柔軟性をもたらすことができる。
【0010】
しかしながら、弾性波デバイスは約１～３ＧＨｚまでの動作周波数に留まる。その理由は、所与の位相速度に関して、くし型電極の電極ピッチ又は機械的周期ｐが弾性波の波長λを決定するからであり、これは関係式（変数間の関係を表す等式）ｐ＝λ／ｎ（ｎ≧２、一般には２である）によって与えられる。２ＧＨｚを超える周波数での動作には、１００ｎｍのオーダー以下の金属の寸法及び厚さが必要となるが、このことには構造体の安定性の問題がある。したがって実際には、より高い動作周波数が要求される場合に、くし型電極をそれ以上小型化するのは困難である。このことは、一方では、ＳＡＷ産業において今日使用されているＩ線リソグラフィと比較してより高い分解能のリソグラフィ技術を使用する必要性に起因しており、他方では、構造において生じる電気損失に起因している。
【0011】
したがって、３ＧＨｚを超えるＳＡＷデバイスを作り出すためには、大きな技術的努力が必要である。
【発明の概要】
【0012】
本発明の目的はしたがって、パラメータの改善された弾性波デバイス用の交差指状変換器構造体を提供することによって上に挙げた欠点を克服すること、及び、３ＧＨｚを超える周波数で機能できるが依然として標準的なＩ線リソグラフィを使用して製造可能な弾性波デバイスを提供することである。
【0013】
本発明の目的は、圧電層と、ピッチｐを有する複数の電極手段を備える交差指状くし型電極の対と、を備える弾性波デバイス用の変換器構造体において、交差指状くし型電極の電極手段が圧電層に埋め込まれており、電極手段の音響インピーダンスが圧電層の音響インピーダンス未満である、変換器構造体、によって達成される。ある変形形態によれば、交差指状くし型電極の全体を埋め込むことができる。
【0014】
進歩性を有する装置では、電極手段が圧電層に埋め込まれており、且つ電極手段の音響インピーダンスが圧電層の音響インピーダンスよりも小さいので、本質的に電極手段の体積に制限された、せん断波に似た伝搬モード（電極モード）が励起され得る。実際には、境界条件は、電極手段内でのせん断モードの励起を可能にするようなものとなる。音響インピーダンスの違いに起因して、電極手段の側縁部における反射率は、エネルギーを本質的に電極内に閉じ込めるのに十分な大きさである。それでもなお、交差指状くし型電極によるグレーティング構成に起因して、交互の電気極性の存在下で、圧電層内である程度の振動が誘起され、このことが電極の振動間のコヒーレンスをもたらし、このことにより、ある電極から次の対向する隣り合う電極への位相振動を伴う共振現象がもたらされる。変換器の動作弾性波波長λは変換器構造体の共振周波数ｆｒとリンクしており、このときｆｒ＝ｖ／２ｐ＝ｖ／λであり、ｖは弾性波伝搬基板における弾性波伝搬速度である。したがって、この所与の幾何形状において、例えば１０．０００ｍ．ｓ－１ものオーダーの、上述したものよりも遥かに高い等価位相速度が観察され得る。電極手段内部のバルク弾性波は、上記したような先行技術の配置構成の圧電層内を誘導された波と比較して、より高い周波数での共振を伴うので、このモードによって、変換器構造体が、Ｉ線リソグラフィの製造技術に制限されることなく、従来技術の変換器構造体と比較してより高い、３ＧＨｚを超える周波数で機能することが可能になる。
【0015】
特に、電極手段と圧電層の間の音響インピーダンスの比は、０．５未満であるのが好ましい。２％を超える、好ましくは３％を超える電気機械結合を生む材料の組合せが、電極内部でのモードの確立及び電極間のコヒーレントな結合にとって有利である。
【0016】
ある変形形態によれば、ピッチｐはｐ＝λ／２によって与えられるブラッグ条件を満たし、λは前記変換器の動作弾性波波長である。この状況では、電極モードはより効率的に励起される。
【0017】
本発明の変形形態によれば、電極手段の「ａ」が幅、「ｐ」がピッチである、電極手段の金属化比ａ／ｐは、０，３～０，７５の間、特に０，４～０，６５の間で構成され得る。この範囲のａ／ｐ比を使用することは電極手段において励起されるバルク弾性波の形成にとって有利であり、圧電層の弾性表面モードの寄与を低減又は抑制する。
【0018】
本発明の変形形態によれば、圧電層をベース基板の上に設けることができる。ベース基板を使用することは、エネルギーを表面付近、特に電極手段内部に閉じ込めるのに有利である。
【0019】
ある変形形態によれば、変換器構造体は、圧電層とベース基板の間に、取り付け層、特に二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を更に備え得る。変換器構造体を最適化するために、取り付け層を介して、圧電層及び下にあるベース基板として様々な材料を使用することができる。周波数温度係数（ＴＣＦ）を改善するために、二酸化ケイ素が使用され得る。
【0020】
ある変形形態によれば、変換器構造体は、圧電層とベース基板の間に高速度層を更に備えることができ、この高速度層は、圧電層の材料及び結晶方位よりも高いせん断波の位相速度を可能にする材料で製作される。このことにより基本せん断モードを加速することが可能になるが、その位相速度は表面スキミングバルク波（ＳＳＢＷ）とも呼ばれるベース基板の低速せん断バルク波速度よりも大きくなり得、その場合、基本せん断モードは圧電層において誘導され得ず、ベース基板内で拡散することになる。
【0021】
ある変形形態によれば、高速度層は、取り付け層とベース基板の間に配置され得る。圧電層と高速度層の間に取り付け層を配置することによって加速特性を活用することができ、このとき下にある構造体への圧電層の取り付け工程を変更する必要はないので、高速度層の材料選択とは関係なく高品質の圧電層が得られるようになる。
【0022】
ある変形形態によれば、変換器構造体は、圧電層とベース基板の間にトラップリッチ層、特にポリシリコントラップリッチ層を更に備え得る。トラップリッチ層によって漏れ電流を抑制することができる。
【0023】
ある変形形態によれば、トラップリッチ層は、高速度層とベース基板の間に配置され得る。この順序であれば、全体的な構造において様々な層の個々の利点が維持され得る。
【0024】
ある変形形態によれば、変換器構造体は、埋め込まれた電極手段及び圧電層の上に、カバー層を更に備え得る。このことにより、電極におけるせん断モードの誘導が更に改善され、エレクトロマイグレーションの可能性が更に低減される。
【0025】
ある変形形態によれば、カバー層は、圧電層の材料及び／又は結晶方位よりも高いせん断波の位相速度を可能にする、材料で製作され得る及び／又は結晶方位を有し得る。この結果、基本せん断モードの速度が圧電層におけるその速度と比較して加速されるように、カバー層の材料を選択することができる。このことによってベース基板の体積内への拡散が促進され、その結果、本質的に電極モードだけが圧電層の誘導ドメイン内に留まる。
【0026】
本発明の変形形態によれば、変換器構造体は、圧電層の下に及び／又は埋め込まれた電極手段の下に、ブラッグミラーを更に備え得る。ブラッグミラーはベース基板へのエネルギー損失を低減するもので、デバイス構造に機械的安定性を付与できる。
【0027】
本発明の変形形態によれば、埋め込まれた電極手段の厚さは、圧電層の厚さ以下とすることができる。この結果、従来の変換器構造体と比較してより厚い電極が使用され、以って、電極におけるせん断モードの確立が可能になると共に、電極の安定性を高めること、及び抵抗損失を低減することが可能になる。
【0028】
本発明の変形形態によれば、電極手段の厚さｔｅは、λ＞ｔｅ＞０，１＊λ。この厚さ範囲内では、表面付近の電気機械場を、単結晶の場合は電極の厚さと同等の厚さの、又は複合ウエハの場合は圧電層と電極を足した厚さの領域内に、集中させることが可能になる。この結果電気機械結合及びスペクトル純度の改善がもたらされることになり、デバイス応答に対するモード寄与を単一に又は少なくとも制限された数にすることが可能になる。
【0029】
本発明の変形形態によれば、複合基板のベース基板の音響インピーダンスは圧電層の音響インピーダンスのオーダーであり、特に圧電層の音響インピーダンスのプラス又はマイナス２５％の範囲内、より特定的には圧電層のプラス又はマイナス１５％の範囲内である。特に、電極が圧電層と同じ厚さを有する場合、インピーダンス整合によって、せん断モードを電極内に閉じ込めることが可能になる。
【0030】
ある変形形態によれば、埋め込まれた電極は圧電層の溝の中に充填され得る。溝は、角錐形状若しくは台形形状又はＶ形状若しくはＵ形状を有する断面を有し得る、並びに／或いは、溝の側壁及び／又は底部は、凸状又は凹状又はスカラップ状の形状を有する。特に、角錐形状、又は平行な辺のうち短い方が変換器構造体の表面にある台形形状では、垂直壁を有する溝と比較して、品質係数の改善がもたらされる。
【0031】
本発明の変形形態によれば、溝の底部に誘電体層を設けることができる。本発明の変形形態によれば、溝の側壁及び底壁を導電材料で覆うことができ、溝の残りの部分は誘電体材料で充電することができる。本発明の変形形態によれば、溝は圧電層の中に延びることができ、溝の側壁を導電材料によって覆うことができ、溝の残りの部分は誘電体材料で充電することができる。本発明の変形形態によれば、圧電層に向いた側壁だけを導電材料によって覆うことができる。本発明の変形形態によれば、誘電体材料は、導電材料よりも高いせん断波位相速度を有する材料とすることができる。既に説明したように、このことによって基本せん断波の位相速度をＳＳＢＷ速度を超えることができるように加速することが可能になり、その結果ベース基板内でのその拡散が可能になる。
【0032】
本発明の変形形態によれば、誘電体材料は、導電材料の温度係数周波数と符号が反対の温度係数周波数を有し得る。したがって、デバイスをより広い温度範囲にわたって使用することができる。
【0033】
本発明の変形形態によれば、カバー層の誘電体材料と溝に充填される誘電体材料は同じであり得る。したがって、１つのプロセスステップにおいて両方の有利な特徴を実現できる。
【0034】
ある変形形態によれば、電極手段の材料は、マンガンよりも軽い材料、特にアルミニウム、又はＣｕ、Ｓｉ、若しくはＴｉを含むアルミニウム合金で製作することができる。特に、アルミニウムとタンタル酸リチウムの組合せによって３％を超える結合係数が得られ、このとき圧電層内に基本せん断モードは存在しない。
【0035】
ある変形形態によれば、圧電層はタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）又はニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）とすることができる。いずれの材料でも、複合基板、特にいわゆるピエゾオンインシュレータ基板（ＰＯＩ）が、工業規模で得られる。
【0036】
ある変形形態によれば、ベース基板は、シリカ、二酸化ケイ素、若しくはガラス石英、若しくは溶融石英、若しくはガラス、又はＬｉＴａＯ３、又はＬｉＮｂＯ３、又はケイ素、特にＳｉ（１１１）とすることができる。これらの基板を使用すると、電極手段内部のせん断モードは残留するが、圧電層内の基本せん断モードは抑制され得る。Ｓｉ（１１１）では、ＳＳＢＷ速度はＳｉ（１００）と比較して特に低い。同時に、例えばピエゾエレクトリックオンインシュレータ（ＰＯＩ）基板を使用することによって、ガラス又はＳｉＯ２基板上の圧電層が工業規模で得られる。
【0037】
ある変形形態によれば、高速度層は、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、又は炭素ベースのもの、特に単結晶ダイヤモンド、非晶質炭化物、ナノ粒子多結晶ダイヤモンドのうちの１つである。ある変形形態によれば、カバー層は、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、又は炭素ベースのもの、特に単結晶ダイヤモンド、非晶質炭化物、ナノ粒子多結晶ダイヤモンドのうちの１つであり得る。ある変形形態によれば、誘電体材料は炭素ベースのもの、特に単結晶ダイヤモンド、非晶質炭化物、ナノ粒子多結晶ダイヤモンド、又はＡｌＮ、又はＳｉＯ２であり得る。これらの材料は基本せん断モード寄与の低減を可能にする。ＳｉＯ２の使用によってＴＣＦ特性を改善することができる。
【0038】
ある変形形態によれば、交差指状くし型電極の上記対が１つの領域又はより多くの領域を備え、上記領域では、２つ以上の隣り合う電極手段が同じくし型電極に属しており、上記電極手段の互いまでの距離が、異なるくし型電極に属する上記隣り合う電極手段と同じである。ここで、当該距離は、上記で定義された上記ピッチｐに対応する縁部間距離である。ある変形形態によれば、同じくし型電極に属する２つ以上の隣り合う電極手段は、異なるくし型電極に属する隣り合う電極手段と同じ幾何形状を有する。隣り合う電極手段を同じ電位にリンクするが同じ機械的周期性を変わらず有することによって系から弾性波源が除去され、その結果電気機械結合が低下する。このことを使用して電気機械結合を調整すること、及び、以って、つまり帯域通過の幅を微調整することによって、フィルタの形成時にフィルタの伝達関数を調節することができる。
【0039】
ある変形形態によれば、２つ以上の、特に少なくとも３つの隣り合う電極手段を有する領域が、同じくし型電極に属すことができ、それらは周期的に分散されない、特に、ランダムに分散される。これらは特に、変換器構造体の広がりにわたって隣り合う領域の互いに対する距離が異なるという点で特徴付けられる。系の対称性を下げることによって、より高次の周期性のスプリアス寄与を低減すること、又は抑制することすらできる。
【0040】
ある変形形態によれば、同じくし型電極に属する２つ以上の隣り合う電極手段を有する領域が有する、同じくし型電極に属する隣り合う電極手段の数は、様々であり得る。様々な数の隣り合う電極手段を有する領域を同じ電位に接続することによって、スプリアス寄与を更に低減できる。
【0041】
ある変形形態によれば、変換器構造体の電極手段はＩ線リソグラフィによって実現可能な寸法を有し得る、特に、３５０ｎｍよりも大きい幅を有し得る。したがって、２４８ｎｍ又は１９３ｎｍ又は更に短い波長を使用するリソグラフィツールと比較して、より安価なリソグラフィ手段を使用して、３ＧＨｚを超える周波数で使用可能なデバイスを製造することができる。
【0042】
本発明の目的は、少なくとも１つの既に記載したような変換器構造体、特に弾性波共振器、及び／又は弾性波フィルタ、及び／又は弾性波センサを備える弾性波デバイスによっても達成される。３ＧＨｚを超える周波数で動作可能なこの弾性波デバイスは、更に高度な、及びしたがってより高価なリソグラフィツールを使用することなく、Ｉ線リソグラフィ技術を使用して製造可能である。この結果、その周波数がせいぜい２ＧＨｚに留まるＳＡＷデバイスを使用したレイリー表面波と比較して、電極せん断波モードの使用は、パターニング技術を変更する必要なく周波数範囲の拡張を可能にする。複合基板を使用すると、２０ｐｐｍ／Ｋよりも小さい低減された一次の周波数温度係数（ＴＣＦ）を達成することができ、この結果デバイス性能が温度に対して安定する。本発明を使用すると、５％又は更には１０％よりも大きく最大で１５％である相対帯域幅を有する弾性波バンドパスフィルタが実現され得る。
【0043】
ある変形形態によれば、弾性デバイスは、３ＧＨｚを超えるＲＦ信号で変換器構造体を駆動するように構成されている無線周波数（ＲＦ）供給手段を更に備え得る。このように、Ｉ線リソグラフィを使用して、３ＧＨｚ超で機能するデバイスを実現できる。
【0044】
ある変形形態によれば、弾性波デバイスは、既に記載したような入力及び出力変換器構造体を備え得る。
【0045】
本発明の目的はまた、２つの交差指状電極に交番電位を印加して、圧電層と比較して主として又は専ら電極手段内で生じ、圧電層の基本せん断波モードよりも高い等価速度を有するせん断モードを励起するステップを含む、上記したような変換器構造体を使用する方法によっても達成される。少なくとも、電極手段における振動振幅は、圧電層の場合よりも大きい。特にラダー型フィルタ及び／又はインピーダンスフィルタ及び／又は結合フィルタに対する、既に記載したような変換器構造体の電極手段内を伝搬するせん断波のより高い周波数の使用は、３ＧＨｚ超で、より特定的には３，５ＧＨｚ超で機能するデバイスをもたらす。同時に、デバイスを形成するために、Ｉ線リソグラフィを使用することができる。
【0046】
本発明の目的は、２つの交差指状電極に交番電位を印加して、電極手段において、電極の内部でせん断運動を呈すること及び圧電層の基本せん断波モードよりも高い等価速度を有することのない、一対の中性線を有するせん断モードを励起するステップを含む、上記したような変換器構造体を使用する方法によっても達成される。このモードの利用によって、３ＧＨｚ超、特に３，５ＧＨｚ超で機能する、ラダー型フィルタ及び／又はインピーダンスフィルタ及び／又は結合フィルタなどのデバイスを実現できるように、より高い共振周波数を活用することが可能になり、一方このとき、デバイスのパターンを形成するためにはＩ線リソグラフィが使用される。
【0047】
本発明は、参照符号によって本発明の特徴が識別される添付の図と併せて解釈される、以下の説明を参照して理解され得る。
【図面の簡単な説明】
【0048】
【図1】本発明の第１の実施形態に係る、弾性波デバイス用の複合基板上の交差指状変換器構造体を示す図である。
【図3a】本発明の第１の実施形態の例に係る、シミュレーションした励起モードの広帯域高調波アドミッタンスを示す図である。
【図3b】観察されたモードの振動を示すメッシュ図である。
【図3c】位相が対立しているモードの振動を示すメッシュ図である。
【図3e】励起モードのコンダクタンス及び抵抗を示す図である。
【図3f】励起モードの分散特性を示す図である。
【図3g】第１の実施形態に係る別の例の内部の変形を示す図である。
【図3h】第１の実施形態に係る別の例の内部の変形を示す図である。
【図4】圧電層内の３つの異なる電極形状を示す図であり、（ａ）は第２の実施形態に係るもの、（ｂ）は第１の実施形態に係るもの、（ｃ）は第３の実施形態に係るものである。
【図4d】３つの異なる電極幾何形状に対応する高調波サセプタンスを示す図である。
【図4e】３つの異なる電極幾何形状に対応する高調コンダクタンスを示す図である。
【図4f】凹状の側壁を有する電極形状の更なる変形形態を示す図である。
【図4g】凸状の側壁を有する電極形状の更なる変形形態を示す図である。
【図4h】スカラップ状の側壁を有する電極形状の更なる変形形態を示す図である。
【図4i】溝の中に誘電体層がある、電極形状の更なる変形形態を示す図である。
【図4j】溝の中に誘電体層がある、電極形状の更なる変形形態を示す図である。
【図5】電極内に閉じ込められるせん断モードの発生に対する電極の厚さの効果を示す図である。
【図6】本発明の第４の実施形態に係る、弾性波デバイス用の交差指状変換器構造体を示す図である。
【図7a】本発明の第５の実施形態に係る、弾性波デバイス用の交差指状変換器構造体を示す図である。
【図7b】本発明の第５の実施形態に係る、シミュレーションした励起モードの広帯域高調波アドミッタンスを示す図である。
【図7c】本発明の第５の実施形態の変形形態に係る、シミュレーションした励起モードの広帯域高調波アドミッタンスを示す図である。
【図7d】本発明の第５の実施形態の変形形態に係る、シミュレーションした励起モードの広帯域高調波アドミッタンスを示す図である。
【図8】本発明の第１～第５の実施形態のうちのいずれか１つに係る変換器構造体の、第６の実施形態を示す図である。
【図9a】本発明の第７の実施形態を示す図であり、５ＧＨｚのフィルタに関する。
【図10a】本発明に係るより高次のモードを示す図である。
【図10b】ＬｉＴａＯ３基板及びＳｉＯ２基板に関する、このモードの高調波コンダクタンス及び抵抗を示す図である。
【図10c】Ａｌ２Ｏ３基板及びＳｉ基板に関する、このモードの高調波コンダクタンス及び抵抗を示す図である。
【図11】抑制された弾性波源を有する本発明の第８の実施形態を示す図である。
【図12a】本発明の第９の実施形態の変形形態の一つを示す。
【図12b】本発明の第９の実施形態の変形形態の他の一つを示す。
【図12c】本発明の第９の実施形態の変形形態のさらに他の一つを示す。
【図14a】誘電体としてダイヤモンド状炭素を使用しているときの、第９の実施形態に係る変換器構造体のアドミッタンス及びインピーダンスを示す図である。
【図14b】誘電体としてダイヤモンド状炭素を使用しているときの、第９の実施形態に係る変換器構造体のアドミッタンス及びインピーダンスを示す図である。
【図14c】第９の実施形態に係る変換器構造体において観察されるモードの振動を示すメッシュ図である。
【図15a】誘電体として窒化アルミニウムを使用しているときの、第９の実施形態に係る変換器構造体のアドミッタンス及びインピーダンスを示す図である。
【図15b】誘電体として窒化アルミニウムを使用しているときの、第９の実施形態に係る変換器構造体のアドミッタンス及びインピーダンスを示す図である。
【図16a】誘電体として二酸化ケイ素を使用しているときの、第９の実施形態に係る変換器構造体のコンダクタンスＧ及び抵抗Ｒを示す図である。
【図16b】共振の拡大図である。
【図16c】反共振の拡大図である。
【図16d】第９の実施形態に係る変換器の第４の変形形態を示す図である。
【図17a】第１０の実施形態に係る変換器構造体の変形形態の一つを示す図である。
【図17b】第１０の実施形態に係る変換器構造体の変形形態の他の一つを示す図である。
【図18a】本発明に係る変換器の実例を示す、電子顕微鏡で撮影した画像の一つである。
【図18b】本発明に係る変換器の実例を示す、電子顕微鏡で撮影した画像の他の一つである。
【図19a】上記実例のサセプタンス及び抵抗の実験測定を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0049】
ここで本発明について、有利な実施形態を使用し、例示的なものとして、図面を参照してより詳細に記載する。記載した実施形態は単に本発明に従う可能な構成に過ぎず、上記したような個々の特徴は、本発明に係る更なる実施形態を実現すべく、互いに独立して又は組み合わせて提供され得ることに留意すべきである。
【0050】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る弾性波デバイス用の交差指状変換器構造体を示す。
【0051】
変換器構造体１００は、弾性波伝搬基板１０２を備える。弾性波伝搬基板は、ベース基板１０６の上に形成される圧電層１０４を備える、複合基板１０２とすることができる。複合基板は、いわゆるピエゾエレクトリックオンインシュレータ基板又はＰＯＩ基板とすることができる。他の実施形態では、圧電層はバルク材料を形成できるほどの厚さであり得る。
【0052】
本明細書において例として記載されている圧電層１０４は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）又はタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）であってもよい。圧電材料層１０４は、例えばスマートカット（ＳｍａｒｔＣｕｔ）（登録商標）層転移技術を使用した直接接合によって、ベース基板１０６に取り付けることができる。ベース基板１０６上に形成される圧電層１０４の厚さは１波長λ以下の、特に約２μｍ以下の、特に０，５λ未満の、更により特定的には０，４λ未満のオーダーであり得る。
【0053】
本明細書において例として記載されている圧電層は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、特に、標準的なＩＥＥＥ１９４９ Ｓｔｄ－１７６に従って、３６°＜θ＜５２°若しくは６０°＜θ＜６８°若しくは１２０°＜θ＜１４０°である（ＹＸｌ）／θとして、並びに８５°＜Ψ＜９５°である（ＹＸｔ）／Ψとして、並びにΦ＝９０°、－３０°＜θ＜＋４５°、及び０°＜Ψ＜４５°である（ＹＸｗｌｔ）／ΦθΨとして定義される結晶方位を有するＬｉＮｂＯ３、又は、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、特に標準的なＩＥＥＥ１９４９ Ｓｔｄ－１７６に従って、３６°＜θ＜５２°である（ＹＸｌ）／θとして定義される結晶方位を有する、ＬｉＴａＯ３、より特定的には、標準的なＩＥＥＥ１９４９ Ｓｔｄ－１７６に従って（ＹＸｌ）／４２°切断として定義される、４２°Ｙ切断、Ｘ伝搬のＬｉＴａＯ３であってもよい。
【0054】
既に述べたように、ある変形形態によれば、バルク圧電材料と等価な圧電層厚さも使用できるように、圧電層１０４の厚さを波長λよりも大きくすることができる。
【0055】
本発明の第１の実施形態において使用されるベース基板１０６は、シリカ基板、シリカ、石英、溶融石英、又はガラスである。この種の基板では低速せん断バルク波速度（ＳＳＢＷ）は圧電層における基本弾性バルクせん断モードのＳＳＢＷよりも劣り、このため圧電層のバルクせん断モードは表面からバルクへの放射及び拡散によって抑制される。
【0056】
４５００ｍ／ｓ以上の高い弾性波伝搬速度を有する他の基板、例えばケイ素、ダイヤモンド、サファイア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、又は窒化アルミニウムを使用してもよいが、その場合、電極を圧電層の上に配置したときに励起されるモードに対応する基本誘導せん断モードが存在し得る。
【0057】
この実施形態では、ベース基板１０６の厚さは圧電層１０４の厚さよりも大きい。好ましい状況は、圧電層１０４の厚さよりも少なくとも１０倍大きい、特に５０～１００倍大きいベース基板厚さに対応している。
【0058】
また更に、複合基板１０２のベース基板１０６の音響インピーダンスは圧電層の音響インピーダンスのオーダーであり、特にプラス／マイナス２５％の範囲内、より特定的にはプラス／マイナス１５％の範囲内である。ある変形形態によれば、これらは同じである。
【0059】
本発明の変形形態では、ベース基板１０６は圧電材料の最上層の近くに、トラップリッチ層を更に備えてもよい。そのようなトラップリッチ層は、ベース基板１０６の絶縁性能を改善することができ、多結晶、非晶質、又は多孔質材料のうちの少なくとも１つ、例えば多結晶ケイ素、非晶質ケイ素、又は多孔質ケイ素などによって形成されてもよい。用語「トラップリッチ」においては、電荷を吸収できるがただし導電層を形成しない層が理解される。
【0060】
複合基板は、圧電層がベース基板に転移される層転移法によって得ることができる。接合及び薄層化などの方法又はサブ波長層の転移を可能にするスマート－カット（登録商標）などの層転移法を使用することができる。そのような複合基板は、例えば接合若しくは取り付け層、特にＳｉＯ２、又は他の機能層、例えばトラップリッチ、ブラッグミラー、低速度／高速度積層体などの、追加の層又は層の積層体を備えてもよい。
【0061】
ある変形形態では、ベース基板１０６はシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板であってもよい。シリコンオンインシュレータ基板（ＳＯＩ）は、例えば中間ＳｉＯ２（接合）層を使用した分子接着、及び、前記のスマート－カット（登録商標）プロセスなどのケイ素層を転移するための手段によって得られる。
【0062】
変換器構造体１００は、対向する交差指状くし型電極１０８及び１１０の対を更に備え、それらの各々が、それらの対応する導電性部分１１６及び１１８から延びて互いに交差指状を成している、複数の電極手段１１２＿ｉ及び１１４＿ｊ（ここでは１＜＝Ｉ、ｊ＜＝４）をそれぞれ有する。くし型電極１０８及び１１０、並びに特に電極手段１１２＿ｉ、１１４＿ｊは、音響インピーダンスが圧電層１０４の場合よりも低い限りは、任意の好適な導電性金属で、例えば純アルミニウム、又はＣｕ、Ｓｉ、若しくはＴｉをドープしたＡｌなどの合金で、形成される。一般に、マンガンよりも軽い、したがってクロムを始めとしてそれよりも軽い電極材料が適している。この実施形態によれば、電極手段１１２＿ｉ、１１４＿ｊのａが幅、ｐがピッチであるアスペクト比ａ／ｐは、０，３～０，７５の間、特に０，４～０，６５の間で構成される。電極手段１１２＿ｉ、１１４＿ｊの金属化又はアスペクト比ａ／ｐ、及び厚さｔｅは、デバイスにおける放射損失及び電気機械結合を制御するためのパラメータである。
【0063】
電気負荷１２０が、くし型電極１０８、１１０にまたがるように連結されているものとして示されている。ただし、変換器１００が、基板１０２内に弾性波を励起するために、又は受け取った弾性波を電気信号に変換するために、又は両方のために利用されるかどうかに応じて、電極１０８、１１０にまたがるように電源電位１２０が連結されてもよいことが理解されよう。
【0064】
電極手段、例えば１１２＿１～１１２＿４及び１１４＿１～１１４＿４は交差指状であり、それらの対応するくし型電極１０８及び１１０を介して交番電位に接続される。交番電位は示されているような＋Ｖ及び－Ｖ、又はマス（ｍａｓｓ）及び負荷／電源電位とすることができる。
【0065】
この実施形態では、電極手段１１２＿ｉ、１１４＿ｊは全て、同じ長さｌ、幅ａ、及び厚さｔｅを有する。本発明の変形形態によれば、電極手段１１２＿ｉ、１１４＿ｊはまた、異なる長さｌ、及び／又は幅ａ、及び／又は厚さｔｅも有し得る。
【0066】
電極手段１１２＿ｉ及び１１４＿ｊ及びそれらの対応するくし型電極１０８及び１１０は、同じ平面内に設けられる。ある変形形態によれば、電極手段１１２＿ｉ及び１１４＿ｊは圧電層１０４に埋め込まれており、電極手段間の電気接続を提供するくし型電極１０８、１１０を圧電層１０４の上に置いてもよい。
【0067】
また更に、変換器構造体１００に対して、ブラッグ条件に対応して、λ／２で定義されλが弾性波の動作波長である電極ピッチｐが使用される。電極ピッチｐは、対向するくし型電極１０８及び１１０からの２つの隣り合う電極手段の間の、例えば１１２＿３と１１４＿３の間の距離に対応している。この場合、波長λは、同じくし型電極１０８又は１１０からの２つの隣り合う電極手段の間の、例えば１１２＿３と１１２＿４の間の距離に対応している。そのようなブラッグ条件では、変換器は、動作周波数ｆｒにおいて同調モードで動作していると言われ、その場合、変換器構造体内で励起される全ての弾性波はコヒーレントで同相である。したがって電極ピッチｐは、変換器構造体の利用の周波数を定める。動作周波数ｆｒは、ｖが変換器構造体１００内を伝搬する弾性波の実効位相速度、ｐが変換器構造体１００の電極ピッチであるときのｖ／２ｐによって与えられる、位相一致の条件によって固定される。
【0068】
電極手段１１２＿ｉ、１１４＿ｊは圧電層１０４に埋め込まれており、それらの厚さｔｅが圧電層１０４の厚さｔ以下となるように、圧電層１０４に完全に埋め込まれているのが好ましい。
【0069】
電極手段１１２＿ｉ～１１４＿ｊの厚さは、波長λに対して以下の関係を満たすものとする：０，１＜ｔｅ／λ＜１。
【0070】
したがって、電極手段１１２＿ｉ～１１４＿ｊは、圧電基板の上に交差指状電極が形成されている従来技術の交差指状変換器構造体の電極よりも厚い。これらはしたがって、より良好な安定性及び電気損失の低減をもたらす。また更に、埋め込まれた電極によって電力効果に起因するアコーストマイグレーション（ａｃｏｕｓｔｏ－ｍｉｇｒａｔｉｏｎ）及びエレクトロマイグレーションの可能性が制限されるので、電力操作が改善される。金属は溝の中に配置され、このため表面拡散及び金属マイグレーションに起因する直接の金属接触が防止される。
【0071】
くし型電極１０８、１１０の導電性部分１１６、１１８は、圧電層１０４及び／又は埋め込まれた電極手段１１２＿ｉ、１１４＿ｊ上に設けることができる。
【0072】
変換器構造体１００の電極１０８及び１１０における電荷分布によって、電極１０８、１１０の電極手段１１２＿ｉ、１１４＿ｊの延伸方向ｚに対して垂直なことを意味する、図１において矢印Ｅで示すような電界方向に、弾性波が励起される。
【0073】
従来技術のＳＡＷデバイスでは、レイリー表面弾性波、ラム波、又はせん断波など、様々なモードが存在する可能性がある。これに対し、この進歩性を有する変換器構造体１００は、主として電極内部に集中されるせん断に似たモードをもたらす新しいモードを可能にする。このモードを以下では電極モードと呼ぶ。
【0074】
このことは、電極手段が圧電層に埋め込まれていること、及び、電極手段の音響インピーダンスが圧電層の音響インピーダンスよりも小さいことによる。実際には、境界条件は、電極手段内でのせん断モードの励起を可能にするようなものとなる。最大の振動は電極の中央で生じ、ある電極手段から次の隣り合う電極手段へと符号を変えていく。
【0075】
音響インピーダンスの違いに起因して、電極手段の側縁部における反射率は、エネルギーを本質的に電極内に閉じ込めるのに十分な大きさである。それでもなお、交差指状くし型電極によるグレーティング構成に起因して、交互の電気極性の存在下で、圧電層内である程度の振動が誘起され、このことが電極の振動間のコヒーレンスをもたらし、このことにより共振現象がもたらされるが、依然としてモードの誘導を得ることはできる。
【0076】
変換器の動作弾性波波長λは変換器構造体の共振周波数ｆｒとリンクしており、このときｆｒ＝ｖ／２ｐ＝ｖ／λであり、ｖは弾性波伝搬基板における弾性波伝搬速度である。
【0077】
このモードは、変換器構造体１００ａ及び２つの隣り合う電極手段１１２＿３及び１１４＿３の上面図である図２に概略的に示されている。Ｓ． Ｂａｌｌａｎｄｒａｓ ｅｔ ａｌ， Ｆｉｎｉｔｅ－ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｐｅｒｉｏｄｉｃ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ９３， ７０２ （２００３）； ｈｔｔｐｓ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１０６３／１．１５２４７１１を参照して数値シミュレーションを行い、せん断運動が電極手段内に集中するこのモードの励起を立証した。実際にはせん断運動は圧電層１０４内にも存在するが、圧電層１０４における振動の大きさと比較してより大きい大きさの振動が、電極においてある電極から他の電極へと交互の振動方向に生じる。
【0078】
図３ａは、本発明の第１の実施形態の第１の例に係る、シミュレーションした励起モードの広帯域高調波アドミッタンスを示す。
【0079】
この実施形態では、変換器構造体は、シリカ基板上のＬｉＴａＯ３圧電層に埋め込まれたＡｌ－Ｃｕ電極を備える。変換器構造体の波長λは２，８μｍに等しく、したがってｐ＝１．４μｍであり、電極のアスペクト比ａ／ｐは０，４３に等しい。この実施形態では、図１に示すように、電極１１２＿ｉ、１１４＿ｊは圧電層１０４に埋め込まれており、幾何学的な視点において切れ目のない材料を表すが、結果的な層の物理特性は周期的に分散される。
【0080】
以下に示す結果から分かるように、このモードの固有の特徴は、等価位相速度約９８５０ｍ．ｓ－１で伝搬する漏洩ＳＡＷに類似しており、この場合、典型的には約３７５０ｍ．ｓ－１である、二酸化ケイ素における表面スキミングバルク波（ＳＳＢＷ）よりも高い。実際は、金属化比ａ／ｐが約０，４３、共振周波数が３，４５ＧＨｚである構造体の機械的周期が２．８μｍであると考えると、約９８５０ｍ．ｓ－１の等価速度が達成される。モードの速度は、共振周波数３，４５ＧＨｚに電気周期２，８μｍを掛けた積によって得られる。モードの速度は、阻止帯域の始まりと終わりの周波数の和に機械的周期を掛けたものとして計算される。以下を更に参照されたい。
【0081】
図３ａは、図２に既に示したような電極のせん断モードが励起される構成に関して得られたシミュレーションデータを示す。グラフは、Ｇ高調波及びＢ高調波の両方について、Ｘ軸上のＭＨｚでの周波数範囲の関数として、左側のＹ軸上にＳ単位のコンダクタンスＧを、右側のＹ軸上にＳ単位のサセプタンスＢを表す。見て取れるように、広帯域高調波アドミッタンスが観察され、３，４５ＧＨｚにせん断共振がある。３，４５ＧＨｚのせん断共振は主たる励起モードである。また更に、約１，５ＧＨｚ及び約７ＧＨｚにおいて、遥かに小さい２つの寄与が認められる。
【0082】
【0083】
本発明によれば、上述したパラメータは、せん断バルク弾性モードが主として金属電極手段１１２＿ｉ、１１４＿ｊ内で励起され、ｙ方向に偏波され、ｚ方向に変位を生じるようなものであった。有用なＥ場はｘ方向に沿って延びる。この場合、振動は主として電極内に位置し、電極自体の基本せん断バルク波の近くで変形が生じる。圧電層１０４内でせん断運動も観察されるが、最大の大きさの振動は、電極１１２＿ｉ、１１４＿ｊにおいて交互の振動方向で生じる。
【0084】
せん断変位方向は、＋Ｖ／－Ｖ電気分極構造によって変換器１００が励起されるときに、ある電極から別の電極へと交互に入れ替わる。この電極の位相の対立によって電極の縁部における電荷の蓄積が増加し、その結果、電極１１２＿ｉ、１１４＿ｊにおけるバルクモードの励起が向上する。圧電層１０４は応力を電極縁部に限定しており、変換器構造体はブラッグ条件で動作するので、グレーティングに沿った境界条件を満たすときに振動のコヒーレンスが生じる。せん断運動は圧電層１０４内にも存在するが、最大の大きさの振動は、電極においてある電極から他の電極へと交互の振動方向に生じる。
【0085】
変換器構造体内を伝搬する主たる弾性波はこの場合、電極１１２＿ｉ、１１４＿ｊ内に本質的に閉じ込められるバルクせん断波である。変換器構造体１００の共振周波数ｆｒはｆｒ＝Ｖ／２ｐ＝Ｖ／λによって与えられ、ｖは弾性波伝搬基板における弾性波伝搬速度、λは変換器の動作弾性波波長である。
【0086】
電極手段におけるバルク弾性波は、圧電層内で基本せん断モードの誘導波よりも高い周波数での共振を有するので、この変換器構造体は、特に３ＧＨｚを超える、より高い周波数で機能し得る。したがって、先行技術のデバイスの場合よりも高い周波数を利用することができ、このとき、より小さい特徴へと移るために、ＳＡＷ産業で現在使用されているツール、特にＩ線リソグラフィステッパよりも洗練されたリソグラフィツールを使用する必要はない。
【0087】
本発明の主たる態様はしたがって、このタイプの構造体が、上で説明したように、電極手段内に閉じ込められるせん断バルクモードに似た、主として電極内に位置するせん断モードの励起を可能にする、というものである。電極モードは疑似又は漏洩モードとしての条件を満たす、すなわち漏洩が低減されているものの完全には抑制されていない状態で閉じ込められる場合があり、このことが電極間の同調をもたらす。このモードは、圧電層内のせん断モードを利用する複合基板上の従来技術の交差指状変換器構造体を用いて達成可能な等価速度よりも、遥かに大きい等価速度を呈する。その他のモードは強度が遥かに低いか又は抑制されているが、その主たる原因は、低いＳＳＢＷ速度を有ししたがって標準的なせん断モードの拡散を可能にする、シリカ基板を使用していることにある。
【0088】
この進歩性を有する構成は個々の共振器ネットワーク又はグレーティングとして理解することができるが、この場合共振器は圧電層を介して結合されており、したがって位相速度が基本せん断モードと比較してより高くても、基板内への拡散の少なくとも大部分が防止され、この結果漏洩モードと同等となる。
【0089】
【0090】
図３ｄに示すグラフは、Ｇ高調波及びＢ高調波の両方について、Ｘ軸上の３４００～３６００ＭＨｚの間の周波数範囲に対して、左側のＹ軸上にＳ単位のコンダクタンスを、右側のＹ軸上にＳ単位のサセプタンスを表す。約３，４７５ＧＨｚでの共振及び約３，５２５ＧＨｚでの反共振を見て取れる。共振及び反共振は十分に分離されており、約３％の結合係数をもたらす。共振は阻止帯域の始まりにおいて生じる。
【0091】
この特定のケースでは、約９％の反射係数、約５００の共振の品質係数Ｑ、及び約１０００の反共振の品質係数Ｑが達成される。
【0092】
変換器構造体の特徴、例えばアスペクト比ａ／ｐ、電極の厚さ、及び使用される材料を修正することによって、結合係数が改善され得る。特に、電極のアスペクト比ａ／ｐ及び厚さによって、速度、電気機械結合、品質係数又は放射損失、及び反射係数の制御が可能になる。
【0093】
図３ｅは、材料選択は同じであるがアスペクト比ａ／ｐが０，５７である場合に得られた、第１の実施形態の変形形態に関する励起モードのコンダクタンス及び抵抗を示す。
【0094】
更にこの構成では、電極内部に集中されるせん断モードが励起される。グラフは、Ｇ高調波及びＲ高調波の両方について、Ｘ軸上の３４５０～３７５０ＭＨｚの間の周波数範囲に対して、左側のＹ軸上にＳ単位のコンダクタンスを、右側のＹ軸上にＳ単位のサセプタンスを表す。約３５５０ＧＨｚでの共振及び約３７００ＧＨｚでの反共振が得られる。
【0095】
この場合、アスペクト比ａ／ｐの０，４３から０，５７への増大が、１０ｋｍ．ｓ－１を超えるまでの伝搬モードの等価位相速度の上昇と、１０％を超えるまでの結合係数の向上とをもたらす。しかしながら、反射係数はこの時点では５％未満である。共振ではＱ係数は依然として５００に等しいが、反共振ではＱ係数はこの時点で３５０に等しい。
【0096】
図３ｆは、本発明の第１の実施形態に係る、図３ａに示されているような励起モードの分散特性を示す。この場合、アドミッタンスは、ブラッグ条件としても認識される前記第１ブリルアン帯の縁部に対応する０，５の値の付近の、規格化した様々な波長について計算される。０，５よりも小さい規格化した波長については、曲線上で及びより低い周波数に見ることができるように、モードの励起の効率は低下する。このことを考慮し、周波数及び規格化した波長に対する最大アドミッタンスモジュール（ａｄｍｉｔｔａｎｃｅ ｍｏｄｕｌｅｓ）の推移をプロットすることによって、従来の周期格子における任意の波伝搬の分散曲線を思わせる、投影された２Ｄ表現が得られる。見て取れるように、共振は阻止帯域の始まりにおいて生じる。
【0097】
基板の選択は、電極内に集中したせん断モード以外のモードを抑制しなければならないか又はそれらが少なくとも所望のモードと比較して単に弱い場合に重要である。上述したように、この条件は、基板におけるＳＳＢＷ速度が圧電層における基本せん断モードの速度よりも低いときに得られる。この場合、基本せん断モードは基板に浸透することになり、そのエネルギーは分散される。
【0098】
また更に、そのモードにとって有利になるように、音響インピーダンスは圧電層の音響インピーダンスに近いべきである。
【0099】
４５００ｍ．ｓ－１以上の高い弾性波伝搬速度を有する他の基板、例えばケイ素、ダイヤモンド、サファイア、炭化ケイ素、又は窒化アルミニウムを変わらず使用してもよいが、その場合、電極内に集中させた目的のモードに加えて、バルクせん断モードが存在し得る。
【0100】
これは複合基板の使用が必須でないことの理由でもある。タンタル酸リチウム又はニオブ酸リチウムのバルク圧電基板であっても、表面エリアに電極を埋め込んだ状態で使用され得る。この場合ですら、電極モードが観察できる。
【0101】
図３ｇ及び図３ｈは、第１の実施形態に係る別の例の内部の変形を示す。ここではせん断運動は交差指状電極１０８、１１０のエリアにそれほど集中していないが、依然主要な唯一のものである。圧電層１０４における振動は、シミュレーションではほとんど確認できなかった。
【0102】
実施形態のこの例では、変換器構造体は、シリカ基板上のＬｉＴａＯ３（ＹＸｌ）／４２°圧電層に埋め込まれた、Ａｌ－Ｃｕ（２％Ｃｕ）電極を備える。変換器構造体の波長λは２，８μｍに等しく、したがってｐ＝１．４μｍであり、電極のアスペクト比ａ／ｐは０，５に等しく、溝深さはｔｅ／λ＝２０％である。この実施形態では、図１に示す第１の例の場合のように、電極１１２＿ｉ、１１４＿ｊは圧電層１０４に埋め込まれている。
【0103】
図３ｈは、電極モードが参照符号１３０で示すような上述した同調条件ｆ＝ｖ／２ｐを満たすことを示す、ｘｚ平面におけるモードの図である。図３ｈは、各電極１０８、１１０に２つの中性振動点１３２によって特徴付けられる、電極１０８、１１０の内部のせん断運動を示す。また更に、各電極１０８、１１０の縁部１３４ａ、１３４ｂ、１３６ａ、１３６ｂは、各々同調して動く。このことは、１つの電極１０８又は１１０内で、両方の境界面において同じ符号の電荷が存在することを示している。
【0104】
図４の（ａ）～（ｃ）は、電極－共振モードの励起に関して考慮した３つの異なる電極形状を有するような具現化の、３つの変形形態を示す。これらの図は、１つの電極手段１１２－ｉ又は１１４－ｉを通る、図１のｘ－ｙ平面における切断図を示す。３つ全ての図において、１機械的周期が表されている。埋め込まれた電極は圧電層の溝の中に充填されている。シミュレーションの目的で（結果を図４ｄ及び図４ｆに示す）、グレーティングは無限に長く、高調波＋Ｖ／－Ｖ励起によって励起されるものと仮定されている。電極は、バルク基板とのそれらの底部境界面からバルク基板内にエネルギーを放射する。
【0105】
Ａｌ電極２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃはそれぞれ水平方向のクロスハッチで表されており、圧電層２０３、ここではＬｉＴａＯ３は斜めのクロスハッチとなっており、底部層２０５は垂直方向のクロスハッチとなっており、これはＳｉＯ２若しくは別の境界面材料のいずれか、又は圧電層２０３と同じ材料であり得る。
【0106】
図４の（ａ）は本発明の第２の実施形態を示す。この場合、圧電層の溝２０３は、角錐形又は台形の断面を有する。そこの溝の中に埋め込まれる電極２０１ａは、本発明の第２の実施形態によれば、その断面において角錐形又は台形タイプの形状を有する。この実施形態では、台形の平行な辺のうち短い方の辺が圧電層２０３の上面と揃っている。
【0107】
【0108】
本発明の第３の実施形態に係る電極２０１ｃは台形形状を有する溝の中に充填されるが、第２の実施形態とは対照的に、平行な辺の短辺が、圧電層２０３の表面にではなくその内部に配置される。したがって、電極２０１ｃは切頭Ｖ形状タイプのものである。
【0109】
この場合、電極は圧電層２０３の内側の様々な形状の溝を充填するが、その厚さに応じてバルク材料のように振る舞う。
【0110】
【0111】
【0112】
このシミュレーションによって、角錐形状は他の２つよりも興味深いが、結合効率は比較的低いことが明らかに示された。
【0113】
【0114】
図４ｆは、凹形状を有する側壁２０７ａを有する圧電層２０３の溝の内部の電極２０１ｄを示す。図４ｇは、凸形状を有する側壁２０７ｂを有する圧電層２０３の溝の内部の電極２０１ｅを示す。図４ｈは、スカラップ形状を有する側壁２０７ｃを有する圧電層２０３の溝の内部の電極２０１ｆを示す。側壁の表面を大きくすることによって、境界面に同じ符号のより多くの電荷が存在でき、以ってモードの固有の特徴に寄与する電荷分布、及びしたがってモード励起の強度が改善される。モードのＱ係数、例えば捕捉効率が電極の形状に依存することも留意され得る。したがって、電極モードの動作条件を改善するためには、作用表面及びアスペクト比の両方を最適化するのが好ましい。
【0115】
更に又は代替として、溝の底部もまた、凸状又は凹状又はスカラップ状の形状を有し得る。
【0116】
図４ｉは、図４の（ｂ）に示されているような第１の実施形態に基づく更なる実施形態を示すが、これはその他の実施形態及び変形形態にも適合させることができる。圧電層２０３の溝の底部２１５に、誘電体層２１１、例えばＳｉ３Ｎ４が設けられる。次いで溝を充填するように電極の導電層２１３が設けられる。誘電体層２１１の存在に起因して、電極の底部には電荷が存在しない。導電材料よりも高いせん断速度を有する誘電体を使用して、基本せん断モードを、その位相速度が底部層のＳＳＢＷ速度を超えるように加速することができ、この結果基本せん断モードは、底部層２０５により良好に吸収されるようになる。この現象については、更に後ほど図７及び図１２に関連してより詳細に記載する。
【0117】
図４ｊは、先の変形形態に基づく更なる変形形態を示す。ここでは導電層２１７は底部層２０５と接合している。誘電体層２１１はここでも導電層２１７を圧電層２０３に対して仕切っており、その結果導電層２１５は圧電層と側壁２１９及び２２１だけを介して圧電層と接合している。
【0118】
電極の導電材料が図４ｉ及び図４ｊに示すように上下の圧電材料と接触していない場合に、位相速度、共振Ｑ係数、反射係数、及び結合係数ｋ２などのパラメータを、そのような特徴のない同等の構造と比較して最適化できることが分かっている。
【0119】
【0120】
図５は、電極内のせん断モードに対する電極手段１１２＿ｉ及び１１４＿ｊの厚さの効果を示す。ここでは、Ｓｉ（１００）上の３２５ｎｍ厚さの二酸化ケイ素層上の（ＹＸｌ）／４２°タンタル酸リチウム圧電層に埋め込まれたアルミニウム電極の高調波分析が１μｍピッチに関して示されており、０，３５に設定された金属／圧電ａ／ｐ比が提示されている。図５は、５％～１５％の相対的な金属層高さｔｅ／λに対するアドミッタンスを示す。０，１よりも大きいｔｅ／λ比から開始しさえすれば共振を観察できることが認識できる。
【0121】
上に示したその他の例と比較して、約５，１５ＧＨｚのより高い周波数で共振が生じるが、これはピッチがより小さいためである。
【0122】
図６は、本発明の第４の実施形態に係る、弾性波デバイス用の交差指状変換器構造体を示す。
【0123】
変換器構造体３００は、第１の実施形態の変換器構造体１００の基板１０２と比較して異なる弾性波伝搬基板３０２を備えるが、これが第１の実施形態に対する唯一の違いである。他の全ての特徴は同じでありしたがって改めて詳細には記載しないが、それらの上記の記載を参照する。
【0124】
変換器構造体３００は、複合基板１０２のようにベース基板３０６の上に形成される圧電層１０４を備える、複合基板３０２を備えるが、また更に、ベース基板３０６の上且つ圧電層１０４の下に形成される、ブラッグミラーとも呼ばれる音響ミラー３０４を備える。
【0125】
ブラッグミラー３０４は複数の積層された層３０６～３０９を備え、偶数の参照符号３０６、３０８を有する層は第１の材料のものであり、奇数の参照符号３０７、３０９を有する層は第２の材料のものである。第１の材料と第２の材料は異なる音響インピーダンスを有し、したがってブラッグミラー３０４は、高インピーダンス層と低インピーダンス層の交互の積層体を備えている。
【0126】
ブラッグミラー３０４は、反射を保証するために、高インピーダンス／低インピーダンスが交互になった、波長の約４分の１の厚さを有する層の対の、周期的な繰り返しを有する。
【0127】
第１及び第２の材料は、タングステン、モリブデン、ＬｉＴａＯ３、Ａ２Ｏ３、ＡＩＮ、ＬｉＮｂＯ３、Ｓｉ３Ｎ４、及びＳｉＯ２とＳｉ３Ｎ４の任意の組合せ（オキシ窒化ケイ素として知られておりＳｉＯｘＮｙと表記され、ｘ及びｙが化合物中の各元素の量を制御する）、及びＺｎＯ、アルミニウム、又はＳｉＯ２の中から選択され得る。
【0128】
ある変形形態では、第１の材料が低インピーダンスを有し第２の材料が高インピーダンスを有するように、第１の材料と第２の材料を入れ替えることができる。
【0129】
この実施形態では、ブラッグミラー３０４は、高インピーダンス層と低インピーダンス層の交互の積層体を形成する、４つの層３０６～３０９を有するものとして表されている。しかしながら別の変形形態では、ブラッグミラー３０４は、高インピーダンと低インピーダンスが交互になった、積層体を形成する４つよりも多い又は４つよりも少ない層も有し得る。
【0130】
ブラッグミラー３０４中の対の数を増やすことによってミラーの反射率が向上し、ブラッグ対における材料同士の間のインピーダンス比を高めることによって、反射率及び帯域幅の両方が向上する。一般に選択される積層体の材料は例えば、二酸化チタン及びシリカである。
【0131】
本発明によれば、圧電層１０４及びブラッグミラー３０４は、構造体内に存在する追加のモードの寄与を低減して、変換器構造体１００内で一意のモードを促進するように構成されており、その結果、そのような変換器構造体１００に基づく弾性波デバイスのスペクトル純度が保証され、スペクトル汚染が防止される。
【0132】
１つの手法は、変換器構造体内で一意のモードが促進されるように、及びこのモードにとって効率的な反射係数が実現されるように、ブラッグミラー３０４の積層体の厚さを最適化することである。ブラッグミラー３０４はこの場合、電極手段１１２、１１４内で生成された振動をベース基板１０６から音響的に切り離す。
【0133】
図７ａは、本発明の第５の実施形態に係る、弾性波デバイス用の交差指状変換器構造体を示す。
【0134】
変換器構造体４００は、第１の実施形態の変換器構造体１００の上にカバー層４０２を備えるが、これが第１の実施形態に対する唯一の違いである。他の全ての特徴は同じでありしたがって改めて詳細には記載しないが、それらの上記の記載を参照する。
【0135】
変換器構造体４００は、ベース基板１０６の上に形成される圧電層１０４を備える、複合基板１０２を備える。
【0136】
本発明のこの実施形態では、埋め込まれた電極１０８、１１０の上、及び圧電層１０４の上に、層４０２が存在する。層４０２は、ケイ素、サファイアＡｌ２Ｏ３、ガーネットすなわちイットリウム系材料、窒化アルミニウムＡｌＮ、炭化ケイ素ＳｉＣ、窒化ケイ素Ｓｉ３Ｎ４などの高速度低損失材料を含む、パッシベーション層又は誘導基板であり得る。
【0137】
更なる変形形態によれば、層４０２は炭素ベースの層、例えば、単結晶ダイヤモンド、非晶質炭化物層、ナノ粒子多結晶ダイヤモンド（ＮＣＤ）、又は、圧縮波速度を１５ｋｍ．ｓ－１よりも上に及びせん断波速度を７ｋｍ－ｓ－１よりも上に押し上げることのできる、あらゆるダイヤモンド状炭素層であってもよい。更に別の実施形態では、層４０２としてＳｉＯ２の層が使用され得る。ＳｉＯ２は、構造全体のＴＣＦ値を改善するためのＴＣＦ補正器の役割を果たし得る。
【0138】
カバー層４０２は、例えばＴＣＦ補正器として、及び一般にケイ素ベースの基板として、ガラスで製作することもできる。
【0139】
高速度低損失材料の使用によって、基本せん断波モードの位相速度がベース基板のＳＳＢＷ速度を超えて又は大きく超えて加速され、その結果、ベース基板１０６内への拡散によって、望まれないモードが抑制され得る。
【0140】
図７ａに示す実施形態では、カバー層４０２は、複合基板１０２のベース基板１０６と同じ材料で製作されている。しかしながら、カバー層４０２は、複合基板のベース基板とは異なっていてもよい。
【0141】
更なる変形形態によれば、層４０２は電極手段１０８、１１０の上にだけ、又は圧電層１０４の上にだけ、存在し得る。
【0142】
図７ｂ～図７ｄは、２，８μｍの弾性波波長、アルミニウム電極及び圧電層１０４としての（ＹＸｌ／／４２°）タンタル酸リチウムでの０，５のａ／ｐ比に対する、本発明の第５の実施形態に係る、シミュレーションした励起モードの広帯域高調波アドミッタンスを示す。
【0143】
図７ｂでは、カバー層４０２及びベース基板１０６は二酸化ケイ素である。励起モードは３，５ＧＨｚで生じる。図７ｃでは、カバー層４０２、ベース基板１０６、及び圧電層１０４は、（ＹＸｌ／／４２°）タンタル酸リチウムである。励起モードはやはり約３，５ＧＨｚで生じる。約６，５ＧＨｚにおいて更なる寄与が明らかであるが、これは第３高調波に原因を求めることができる。しかしながらこれは本質的にコンダクタンスに存在し、対応するサセプタンスには符号変化がなく、低結合であることを示している。
【0144】
図７ｄでは、カバー層４０２及びベース基板１０６はケイ素基板である。励起モードは３，５ＧＨｚで生じるが、ここでは圧電層内の基本せん断モードも励起され、これをより低い周波数において、すなわち約１，８ＧＨｚにおいて見ることができる。
【0145】
本発明はまた、各々が本発明の第１～第５の実施形態のいずれか１つに係るものである、２つの変換器構造体を備える弾性波デバイスにも関する。
【0146】
代替形態では、２つの変換器構造体のうちの一方だけが本発明に係る表面弾性デバイスであり得、他方は従来技術に従うものであり得る。
【0147】
弾性波デバイスは、弾性波共振器、及び／又は弾性波フィルタ、及び／又は弾性波センサ、及び／又は高周波数源であり得る。弾性デバイスは、３ＧＨｚを超えるＲＦ信号で変換器構造体を駆動するように構成されている無線周波数（ＲＦ）供給手段を更に備え得る。
【0148】
図８は、変換器構造体の第６の実施形態を示す。
【0149】
【0150】
製造工程に従って、金属層の厚さは、除去された領域５１０の全体にわたって一定ではない。表面エネルギー特性に起因して、側壁５０８における金属層の厚さは中央部の厚さを上回っている。
【0151】
変換器構造体５００は、上記した変換器構造体と同じ様式で機能する。
【0152】
特にラダー型フィルタ及び／又はインピーダンスフィルタ及び／又は結合フィルタに対する、弾性波デバイスにおける上記したような変換器構造体の電極手段内を伝搬するバルク波の周波数の使用によって、高周波数での、特に３ＧＨｚ超での、より特定的には３，５ＧＨｚ超での寄与を生じさせることが可能になる。
【0153】
変換器構造体に対してそのような埋め込まれた電極手段を使用することで、弾性波デバイスの性能及びそれらの適用範囲をバルク圧電基板と比較して改善することができ、製造ツール、すなわちＩ線リソグラフィを変更する必要はない。
【0154】
図９ａ及び図９ｂは、第７の実施形態として、典型的な市場要求、例えば５Ｇ ｓｕｂ－６－ＧＨｚ（Ｃ帯域）フィルタリングに従う、本発明の効果的な実装を示すフィルタの実例を示す。この実例はシリカ上のＬｉＴａＯ３に埋め込まれたＡｌ電極に基づいており、以下のパラメータを有する：ピッチｐ＝１μｍ、これが２μｍの波長λを生み、その結果図５に示すような５ＧＨｚ付近での共振をもたらす、及び、７００ｎｍの電極及び圧電層の厚さ、したがってｔｅ／λの比は０，３５。ＳＡＷラダー型フィルタ設計の通常の手法によれば、直列のブランチの共振は並列のブランチの反共振において生じる。
【0155】
本発明に係るこの例は、標準的なＳＡＷ製造技術を使用して、例えばＩ線リソグラフィ及び単一金属層堆積を使用して、単一のバッチで製造可能である。グレーティングピッチｐ及び／又はアスペクト比ａ／ｐ及び／又はｔｅ／λ比を使用した共振周波数の微調整が実現され得る。特性を改善するために、図７ａ及び図６に示すようなパッシベーション層又はブラッグミラーを使用してもよい。
【0156】
この実例のフィルタは、図１に示すような基本的な変換器構造体に基づいている。この手法に基づいて共振器が形成され、直列に及び並列に組み合わされて、当技術分野で知られているようなカスケードとして又はラダー型フィルタ構造として構成され得るセルが形成される。
【0157】
この実例では、それぞれの材料比ａ／ｐ＝０，６及び０，６５である、３５％の２つのグレーティングを使用した。いずれの場合も、高調波アドミッタンス及びインピーダンスを計算したが、それらが図９ａに示されている。ａ／ｐ＝０，６５のグレーティングの共振はａ／ｐ＝０．６のグレーティングの反共振に近いが、このことは上述したようなラダー型フィルタの設計の前提条件である。
【0158】
これらの応答を組み合わせることによって当技術分野で知られているような４π－セルフィルタの伝達関数を計算することができ、その結果が図９ｂに示されている。この伝達関数は、本発明に従って電極が埋め込まれているとき、７００ｎｍの厚さの電極を有し５ＧＨｚ超で動作する超小型フィルタによって、電力操作の改善が可能になることを示している。この構成では、物理的マイグレーションは存在しない。この進歩性を有するフィルタはＬｉＴａＯ３に１０％を超える結合係数ｋｓ
２をもたらす。このことは、２つの材料間のスケーリングを考慮してＬｉＮｂＯ３を使用することによって改善され得る。
【0159】
提案されている設計は３００ＭＨｚの帯域幅を示す。共振－反共振条件を調整することで、改善された整合によって、４００ＭＨｚのオーダーの高い帯域幅をもたらすことができる。上述したように、調整はピッチ及び／又は比ａ／ｐを調節することで成立し得る。
【0160】
図１０ａは、電極の電極せん断モードのより高い高調波モードも励起され得ることを示す。図１０ａは実際には、３次高調波のせん断運動を示している。このモードでは、各電極において４つの中性振動点又は線が観察される。図１０ａに示すような電極せん断モードは、７００ｎｍ厚さのＡｌ垂直電極を有する変換器構造体について得られ、金属比ａ／ｐは０，５であり、ピッチは１，４μｍであり、圧電層はＬｉＴａＯ３（ＹＸｌ）／４２°である。図７ｂとは対照的に、ここでは３次高調波が電極の縁部において大きな振動を生み、その結果、結合を特徴付けることのできるモードの固有の特徴が生じる。図１０ｂでは、図４の（ａ）に示すような電極の角錐形状ではその他のタイプの電極よりも良好なＱが得られることを考慮して、ＬＴＯ、Ｓｉ、ＳｉＯ２及びサファイア基板について比較が行われている。その他のパラメータは図１０ａの場合と同じである。
【0161】
図１０ｂ及び図１０ｃは、様々なベース基板、ＬｉＴａＯ３、ＳｉＯ２、Ｓｉ、及びサファイアに関する、対応する高調波コンダクタンスＧ及びサセプタンスＢを示す。これらのモードは興味深いものであるが、その理由は、約８，７５ＧＨｚの高い共振周波数に起因して、それらが高い等価速度を示すからである。本発明に係る変換器構造体の使用による対応するモードの励起は、高周波数源の開発に有利に使用できる。図１０ｃはサセプタンスの符号変化を示しており、モードの結合が有効であることを示唆している。
【0162】
図１１は、本発明の第８の実施形態を示す。図１１は、本発明の第１の実施形態に係る表面弾性波デバイス用の交差指状変換器構造体２００を示している。交差指状変換器構造体２００は、圧電層２１２に埋め込まれている複数の電極手段１２０６及び２０８を各々備える、交差指状くし型電極２０２及び２０４の対を備える。
【0163】
第１の実施形態の場合と同様、電極手段２０６及び２０８は、指２０６、２０８の形状を有する。この実施形態のある変形形態では、電極手段は更に、同じくし型電極に属する２つ以上の直接隣り合う電極指から各々成る、分かれた指２０６、２０８を有してもよい。
【0164】
圧電層２１２は、ベース基板２１４を更に備える複合基板２１０の一部である。圧電層は同じ材料のものであり、厚さに関してはその他の実施形態で記載したものと同じ特性を有する。
【0165】
ベース基板２１４の厚さは、その熱膨張を圧電層２１２に適用するために、及び温度変化に対する変換器の感度を低下させるために、圧電層２１２の厚さよりも大きくすることができる。好ましい状況は、圧電層２１２の厚さよりも少なくとも１０倍大きいベース基板厚さに対応するものである。
【0166】
ベース基板２１４は、第１の実施形態の場合と同じ材料のものである。
【0167】
ベース基板２１４に異なる材料を使用することによって、設計の柔軟性を高めることができる。
【0168】
交差指状くし型電極２０２及び２０４の対は、複数の電極指２０６及び２０８を備える。電極指、例えば２０６＿１，２０８＿１～２０６＿４、２０８＿４の及び対応する２０８＿５、２０６＿７～２０８＿８、２０６＿１０は交差指状であり、それらのくし型電極２０２及び２０４を介して交番電位に接続され、圧電層２１２に埋め込まれている。交番電位は示されているような＋Ｖ及び－Ｖ、又は変形形態ではマス及び負荷／電源電位とすることができる。電極指は金属製であり、全てが同じ長さｌ、幅ｗ、及び厚さｔを有する。また更に、ここでもまた、変換器構造体２００に対して、λ／２として定義される電極ピッチｐが使用される。電極指の数は固定されておらず、デバイスが備えるものは図１１に示されているよりも多い場合も又は少ない場合もある。
【0169】
本発明の変形形態によれば、電極指２０６、２０８はまた、異なる長さｌ、幅ｗ、及び厚さｔｅも有し得る。
【0170】
第１の実施形態と同様に、厚さｔｅは、圧電層２１２の厚さ以下である。
【0171】
第８の実施形態は、変換器構造体２００が第２の領域とも呼ばれる領域２１８を更に備え、そこでは、直接隣り合う電極指という意味でもある２つの隣り合う電極指２０８＿４及び２０８＿５が、同じ電位、ここでは＋Ｖに接続されており、対向する交差指状くし型電極２０２からのどの電極指２０６も間にはない、という点で、特異性を有する。２つの隣り合う電極指２０８＿４及び２０８＿５はまた、－Ｖにも、又はマス（ｍａｓｓ）にも、又は負荷／電源電位ＶＩＮ（図示せず）にも、接続され得る。この文脈では、１つの第１の領域又は複数の第１の領域は、変換器構造体のうち、直接隣り合う電極指が異なるくし型電極に属する部分である。
【0172】
電極手段２０６、２０８が同じ電位にある２つ以上の隣り合う指の分かれた指２０６、２０８によって表されるこの変形形態では、同じ電位に接続された２つの隣り合う電極手段２０６、２０８は、分かれた指２０８の同じ電位に接続されている、分かれた指２０６の全ての指を指し得る。しかしまた、分かれた指２０６の少なくとも１つの電極指が、分かれた指２０８の同じ電位に接続されている場合もある。
【0173】
図１１では、領域又は第２のもの２１８は実際には変換器構造体２００の中央に置かれており、このため領域２１８の左及び右の各側に、８つの電極指又は４つの電極指対が存在する。この実施形態のある変形形態では、領域２１８を変換器構造体の異なる位置に置くことができ、その結果、電極指対は領域２１８の両側に不均一に分散される。領域２１８は、変換器構造体２００のいずれかの末端に置くこともできる。
【0174】
既に述べたように、電極指２０６＿１、２０８＿１～２０６＿４、２０８＿４及び対応する２０８＿５、２０６＿５～２０８＿８、２０６＿８は交差指状であり、交番電位を有する。領域２１８の存在に起因して、領域２１８の左側では、交差指状電極指２０６＿１、２０８＿１～２０６＿４、２０８＿４がそれぞれ交番電位－Ｖ／＋Ｖにあり、一方、領域２１８の右側では、交差指状電極指２０８＿５、２０６＿５～２０８＿８、２０６＿８がそれぞれ交番電位＋Ｖ／－Ｖにあることが、実際に見て取れる。
【0175】
交番電位で接続された隣り合う電極指の対によって、電気－弾性波源（ｅｌｅｃｔｒｏ－ａｃｏｕｓｔｉｃ ｓｏｕｒｃｅ）が画定される。例えば、ここで図１１において、交番電位－Ｖ／＋Ｖである隣り合う交差指状電極指２０６＿１及び２０８＿１は、電気－弾性波源２２０を画定する。一方、交番電位＋Ｖ／－Ｖである隣り合う交差指状電極指２０８＿１及び２０６＿２は、電気－弾性波源２２２を画定する。このように、隣り合う交差指状電極指２０６＿２、２０８＿２～２０６＿４、２０８＿４の対もまた各々が電気－弾性波源２２０を画定し、これに対応して、隣り合う交差指状電極指２０８＿２、２０６＿３及び２０８＿３、２０６＿４の対もまた各々が電気－弾性波源２２０を画定する。特にこの場合、領域２１８の左側には、合計８つの交差指状電極指２０６＿１、２０８＿１～２０６＿４、２０８＿４によって、４つの有効な電気－弾性波源２２０及び３つの有効な電気－弾性波源２２２が存在する。
【0176】
領域２１８の右側では、交番電位＋Ｖ／－Ｖで接続された隣り合う交差指状電極指の対、例えば２０８＿５及び２０６＿５も電気－弾性波源２２２を画定し、交番電位－Ｖ／＋Ｖである隣り合う交差指状電極指２０６＿５及び２０８＿６の対も電気－弾性波源２２０を画定する。領域２１８の右側では、合計８つの交差指状電極指２０８＿５、２０６＿５～２０８＿８、２０６＿８によって、４つの有効な電気－弾性波源２２２及び３つの有効な電気－弾性波源２２０が存在する。しかしここでは、領域２１８の左側にある電気－弾性波源２２０、２２２は、領域２１８の右側の電気－弾性波源２２２、２２０と、特にπだけ位相が対立している。
【0177】
しかしながら、電極ピッチｐはλ／２として定義されるので、このことは、変換器構造体２００がブラッグ条件で同調モードで動作していることを意味する。したがって、領域２１８の左側の複数の電気－弾性波源２２０、２２２は全て同相で互いにコヒーレントであり、一方、領域２１８の右側の複数の電気－弾性波源２２２、２２０は全て同相で互いにコヒーレントである。
【0178】
領域２１８においては、２つの隣り合う電極指２０８＿４と２０８＿５の間に電気－弾性波源２２０又は２２２が存在しないが、その理由は、それらがいずれも同じ電位に接続されているからである。
【0179】
ある変形形態によれば、電位の極性は、第１の交差指状くし型電極２０６と第２の交差指状くし型電極２０８の間で入れ替えてもよく、又は、一方のくし型電極のマス及び他方のくし型電極の負荷／電源電位ＶＩＮに接続されてもよい。
【0180】
変換器構造体２００に第２の領域２１８が存在することに起因して、領域２１８の左側の電気－弾性波源は領域２１８の右側の電気－弾性波源と反対の位相にあるので、変換器内での電気－弾性波源の位相はπだけ反転している。したがって、同じくし型電極に接続された２つの電極指の各側から変換器に向かって放射されるエネルギーを組み合わせることによって、変換器における電気－弾性波源同士の間で弱め合う干渉が生じ、一方で、変換器の外部に向かって放射されるエネルギーは、実際には出射されると、ＳＡＷデバイス内の変換器構造体の両側に配置されたミラーによって反射されることになる。
【0181】
したがって、変換器構造体２００内に存在する、変換器構造体２００におけるコヒーレントで同相の電気－弾性波源の量は、例えば図１に示すように全ての電極指が交番電位にある同じサイズの変換器構造体と比較して、少なくなっている。この結果、変換器構造体における電気機械結合係数ｋｓ
２は小さくなっている。
【0182】
この場合、この特定の実施形態では、変換器構造体２００における領域２１８の右側及び左側は、領域２１８が変換器構造体２００の中央に配置されているので、全く同じ数の、すなわち８つの交差指状電極指２０６及び２０８を有し、その結果、７つの有効な電気－弾性波源が得られる。この場合、変換器構造体２００における電気機械結合係数ｋｓ
２は、２分の１ずつ小さくなる。ここでも、同じくし型電極に接続された２つの電極指の各側から変換器に向かって放射されるエネルギーを組み合わせることによって、変換器構造体における電気－弾性波源同士の間で弱め合う干渉が生じ、一方で、変換器の外部に向かって放射されるエネルギーは、実際には出射されるとミラーによって反射されることになる。この結果変換器の効率が２分の１ずつ低下する。
【0183】
また更に、先行技術の状況と比較して、複合基板２１２の境界面２１６で反射されるモードの位相コヒーレンスの実現性も修正される。変換器構造体内で位相がシフトする場合、位相整合条件に合致しない波を検出する見込みはない。したがって、境界面２１６で反射する弾性波の検出が低下し、そしてこのことが、変換器構造体２００に基づくＳＡＷデバイスのフィルタ動作において、これらの反射に起因する望まれない周波数での寄生共振の低減をもたらす。
【0184】
したがって、本発明に係る変換器構造体２００における弾性波の生成及び／又は検出は、変換器構造体２００内に存在する同相の電気－弾性波源の量によって制御される。２つの隣り合う電極指が同じ電位に接続される結果構造体内でπの位相変化が生じるが、このことは、変換器構造体の効率に対して寄生モードを排除するというプラスの効果を有する。変換器の寸法、例えば電極指の幅又は長さ又は電極間距離などを変更する必要はないが、このことはそのような構造の製造技術に影響を及ぼすと考えられ、上記した変換器構造体を採用する共振器の共振の品質を大きく低下させる可能性がある。
【0185】
第８の実施形態の変形形態によれば、変換器構造体にはただ１つよりも多くの領域２１８が存在してもよく、この結果変換器構造体内の抑制される電気－弾性波源の数が増え、以って電気機械結合係数ｋｓ
２が更に小さくなり得る。これは、フィルタの帯域幅を制御して様々なフィルタ帯域に対処するためのより大きな自由度を得るための、効率的な方法である。
【0186】
別の変形形態によれば、ただ２つよりも多くの、例えば３つ以上の隣り合う電極手段２０８＿４及び２０８＿５を同じ電位にリンクさせてもよく、以って更なる発生源が抑制され得る。加えて、又は別の変形形態によれば、抑制された発生源を有する領域が２つ以上存在し得る。その場合、それらを変換器構造体の広がりにわたってランダムに分散させるのが有利であろう。より多くの領域が存在する場合、同じ電位にリンクされる隣り合う電極手段の数は異なる。
【0187】
図１２ａ～図１２ｃは、本発明の第９の実施形態の３つの変形形態を示す。例えば図１又は図４の（ａ）～（ｃ）に示すような、圧電層内の溝が専ら導電材料で、特にＡｌ又はＡｌ合金などの金属で充填される上記したケースとは異なり、第９の実施形態の変換器構造体の変形形態は、圧電層の溝の中に誘電体材料も含む。この違いに加えて、第６の実施形態の変形形態は第１の実施形態と同じ構造的特徴及び特性を有し、その他の実施形態２～８のいずれか１つ又は組合せと組み合わせることができる。
【0188】
図１２ａは、２つの隣り合う電極手段６１２及び６１４が各々異なるくし型電極に属する、第９の実施形態の第１の変形形態の変換器構造体６００の、部分切断図を示す。電極手段６１２及び６１４は、ベース基板６０６上に取り付け層６０８を介して設けられた圧電層６０４の、溝６１６及び６１８に埋め込まれている。この実施形態の溝６１６及び６１８の側壁及び底壁は、導電材料６２０及び６２２、例えば上記したようなＡｌ又はＡｌ合金によって覆われている。溝６１６及び６１８の残りの部分は、少なくとも部分的に誘電体材料６２４及び６２６、特にダイヤモンド炭素で充填される。
【0189】
図１２ｂは、第９の実施形態の変形形態に係る変換器構造体６５０を示す。第１の変形形態６００で使用したものと同じ参照符号を有する要素は改めて記載しないが、参照は行う。
【0190】
この変形形態では、溝６５２及び６５４は、圧電層全体を貫通して取り付け層６０８まで延びている。ここでも、溝６５２及び６５４の側壁、並びにここではベース層６０６の取り付け層６０８と接触している、溝の底部は、導電材料６５６及び６５８によって覆われている。溝６５２及び６５４の残りの部分は、少なくとも部分的に誘電体材料６６０及び６６２で充填される。第１の変形形態の場合と同じ材料を使用することができる。
【0191】
この実施形態の利点は、金属材料、特にＡｌベースの金属の位相速度よりも大きい位相速度を有する材料の使用が可能になることである。結果は、実施形態１と比較してこの実施形態がより高い周波数に達することができることとなった。
【0192】
図１２ｃは、変換器構造体の第３の変形形態６９０を示す。第２の変形形態との唯一の違いは、誘電体材料６９２及び６９４が溝６９６及び６９８の全厚さを貫通して延びて取り付け層６０８に達しており、この結果、溝６９６及び６９８の側壁だけが導電材料６５６及び６５８によって覆われていることである。
【0193】
【0194】
図１３ａに示すように、溝６１６、６１８は圧電層６０４にエッチングされる。次いで図１３ｂに示すように金属堆積ステップが実行されて、圧電層６０４及び溝６１６、６１８の壁が金属層７００で覆われる。続いて誘電体層７０２が金属層７００上に堆積され、その結果溝６１６及び６１８は、少なくとも部分的に誘電体材料で充填される。このことは図１３ｃに示されている。最後に、変換器構造体６００を得るために、研磨ステップ、例えばＣＭＰ研磨ステップが実現される。
【0195】
変換器構造体６５０の第２の変形形態は、溝が圧電層６０４の中を通ってベース基板６０６まで達するようにエッチングステップを構成することによって得られる。
【0196】
図１２ｂに示すような構造体について、図１４ａはコンダクタンスＧ及びサセプタンスＢの数値シミュレーション結果を、図１４ｂはコンダクタンスＧ及びサセプタンスＢ、並びに抵抗Ｒ及びリアクタンスＸの数値シミュレーション結果を示す。このシミュレーションでは、誘電体材料としてダイヤモンド－炭素を、及び溝の中の金属としてアルミニウムを使用した。圧電層６０４はＬｉＴａＯ３（ＹＸｌ）／４２°である。ベース基板６０６もまた、シリカＳｉＯ２の取り付け層６０８によって圧電層６０４に接着された、タンタル酸リチウム（同じ結晶カット）である。
【0197】
この構造はホモタイプ境界とも呼ばれ、これは基板として同じ材料が使用されること、及び圧電層がＳｉＯ２を使用して接合されることを意味する。ＳｉＯ２は、圧電層厚さ及びしたがって励起層厚さを制御するための、エッチ停止層として使用され得る。ＳｉＯ２はＴＣＦの低下をより一層促進し得る。シリカ取り付け層の下にある構造体の部分は放射ドメインとも呼ばれ、ここにおいて望まれないモードが拡散するが、一方で所望のモードは、取り付け層６０８の上の誘導ドメイン内に留まる。
【0198】
機械的周期又は電極ピッチｐは１，４μｍであり、埋め込まれた電極厚さは、１００ｎｍ厚さの金属層６５６、６５８と、誘電体充填材料６６０、６６２としての４００ｎｍ厚さのＡｌＮ／炭素ダイヤモンドとで、５００ｎｍである。このシミュレーションでは、ａ／ｐ＝０，５に近い圧電／電極のアスペクト比を使用した。観察されるモードは漏洩波に対応しているが、１２ｋｍ．ｓ－１の位相速度で２，２％の結合係数に対して、共振の品質係数Ｑｒ及び反共振のＱａはそれぞれ、４００及び６７０に等しくなっている。
【0199】
図１４ｃは数値シミュレーションによって得られた電極モードを示しており、振動などのせん断モードが電極、すなわち金属部分６５６及び誘電体部分６６０内に存在しているが、一方で圧電層６０４の運動はそれよりも少なかった。図１４ｃは、圧電層６０４、埋め込まれた電極、及び取り付け層６０８の有限要素メッシュを示す。このシミュレーションでは境界条件において、取り付け層６０８の下の放射ドメインにおける波挙動を考慮した。窒化アルミニウムＡｌＮを誘電体６６０、６６２とした図１２ｂに示すような構造体における、図１５ａは高調波コンダクタンスＧ及びサセプタンスＢの数値シミュレーション結果を、図１５ｂは、高調波コンダクタンスＧ及びサセプタンスＢ、並びに高調波抵抗Ｒ及びリアクタンスＸの数値シミュレーション結果を示す。誘電体材料以外にも、他の全ての構造パラメータが同じであった。ＡｌＮの位相速度は、ダイヤモンド状炭素と比較して１１．３ｋｍ．ｓ－１に下がっている。この変形形態では、４，４％の結合係数、並びに品質係数Ｑｒ＝１８５０及びＱａ＝９９０が観察できる。
【0200】
図１６ａは高調波コンダクタンスＧ及び抵抗Ｒの数値シミュレーション結果を、図１６ｂは共振の拡大図を、図１６ｃは反共振の拡大図を示す。この変形形態では、図１２ｂに示すような構造体において、誘電体６６０、６６２は二酸化ケイ素ＳｉＯ２である。誘電体材料以外にも、他の全ての構造パラメータが、第９の実施形態の第１及び第２の変形形態と同じであった。
【0201】
ＳｉＯ２の使用によって、溝が専ら金属材料で充填される変換器構造体と比較して、観察されるモードのＴＣＦが改善される。このことは、＋８０ｐｐｍ．Ｋ－１に等しいＳｉＯ２のＴＣＦ係数が、金属のＴＣＦ係数と反対（ｏｐｐｏｓｉｔｅ）であるという事実に起因している。
【0202】
実際にはこの場合、ＳｉＯ２を誘電体６６０、６６２として使用すると、共振のＴＣＦ値－１１ｐｐｍ．Ｋ－１、及び反共振のＴＣＦ値－１４，７ｐｐｍ．Ｋ－１が観察される。結合係数は６，７％であり、共振ＱＲの品質係数は５０００よりも大きい。ＱＡｒはそれよりも小さく約６５０であるが、設計の構造パラメータを最適化することによって改善可能である。
【0203】
観察されるＴＣＦの数は、図１６ｄに示すように変換器構造体６５０の上に追加のＳｉＯ２の層を設ける場合により一層改善され得る。図１６ｄは、第９の実施形態の第４の変形形態に係る変換器構造体６７０を示す。変換器構造体６７０は、ＳｉＯ２の追加の層６７２の存在を除いて、図１２ｂの変換器構造体６５０と一致する。図１２ｃに示すように、誘電体材料を、取り付け層６０８まで下に完全に延ばしてもよい。
【0204】
そのような層を設けることの別の態様は、観察される基本モードを拡散するために必要な場合に、基本せん断モードを基板６０６のＳＳＢＷ速度を超えて加速するために、図７に関連して上で既に記載したように、モードの位相速度を加速することである。
【0205】
溝を充填するために及び追加の層６７２を設けるために同じ誘電体材料を使用する代わりに、２つの異なる材料を使用して、ＴＣＦ及び位相速度を更に最適化することができる。
【0206】
図１７ａ及び図１７ｂは、本発明の第１０の実施形態の２つの変形形態を示す。標準的な誘導せん断モード、例として例えば図７ｄに示すような基本誘導せん断モードと同時に、電極モードが観察できるような状況が生じ得る。
【0207】
そのような状況はまた、ＳｉＯ２上にＬｉＴａＯ３圧電層を有するＰＯＩ複合基板を使用するときにも生じ得る。そのようなＰＯＩ基板の典型的な例は、Ｓｉ（１００）のベース基板上に１μｍトラップリッチポリＳｉ層が、その上に５００ｎｍ厚さのＳｉＯ２が、その上に６００ｎｍ厚さのＬｉＴａＯ３があるものである。この構成では３８００～４２００ｍ．ｓ－１の間の位相速度において基本誘導せん断モードの持続性が観察され、この結果、電極モードよりも約２．５倍高い周波数の電極モードを使用して高周波数帯域に対処するときに、電位の問題が生じる。
【0208】
既に述べたように、図３ａ～図３ｆに関連する記載を参照すると、ベース基板１０６、２０５、３０６、４０６、５０６、６０６の選択が重要な役割を果たす。実際は、基板のＳＳＢＷ速度が圧電層における基本弾性バルクせん断モードのＳＳＢＷ速度よりも小さい場合、バルクせん断モードはベース基板に入ることになり、そこで分散される。
【0209】
基本誘導せん断モードの寄与はＳｉ（１１１）ベース基板を使用することによって予め低減することができるが、このことには、Ｓｉ（１００）上でのＳＳＢＷ速度よりも小さい、５６５０ｍ．ｓ－１に代わって典型的には４７００ｍ．ｓ－１の、又は更に小さいＳＳＢＷ速度を有するという利点がある。（ＹＸｗ）／４５°に対応するＳｉ方位はこの目的において特に興味深い。しかしながらその場合、既に記載したようにいくつかのより高次のモードが抑制されるものの、依然観察できる基本せん断誘導モードの固有の特徴が変わらずある。
【0210】
基本誘導せん断モードの残りの寄与を更に低減するために、第１０の実施形態に係る変換器構造体は、積層体中に少なくとも１つの追加の層を備える。追加の層は、基本誘導せん断波を加速してその速度を基板のＳＳＢＷ速度よりもずっと上まで押し上げるように選択される。
【0211】
図１７ａに示すような変換器構造体７００は、ＳｉＯ２層７０６上に、ここではアルミニウムで製作されている電極７１２、７１４、７１６が埋め込まれた、ＬｉＴａＯ３圧電層７０４を備える。構造体は、Ｓｉ（１１１）のベース基板７１０上に、トラップリッチポリＳｉ層７０８を更に備える。
【0212】
変換器構造体７００は、ＳｉＯ２層７０６とトラップリッチ層７０８の間に挟まれた、高速度低損失層とも呼ばれる追加の層７１８を更に備える。高速度層７１８は、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、又はＳｉＣの層のうちの１つである。これらの材料は全て、１０ｋｍ．ｓ－１を超える圧縮バルク波速度値、及び５ｋｍ．ｓ－１を超えるせん断バルク波速度を示す。代替として、高速度層７１８は炭素ベース、すなわち、単結晶ダイヤモンド、非晶質炭化物層、ナノ粒子多結晶ダイヤモンド（ＮＣＤ）、並びに、圧縮波速度を１５ｋｍ．ｓ－１よりも上に及びせん断波速度を７ｋｍ．ｓ－１よりも上に押し上げることのできるあらゆるダイヤモンド状炭素層であり得る。
【0213】
図１７ｂは、第１０の実施形態の第２の変形形態を示す。これは第１の変形形態に基づいているが、高速度低損失層でもある第２の追加の層７２０を更に備え、これは第１の追加の層７１８と同じか又は異なる材料のものであり得る。いずれの層７１８、７２０も、基本誘導せん断モードの速度を加速するものである。図１８ａは、本発明に係る変換器の実例を示す、電子顕微鏡で撮影した画像を示す。この写真は、図１に示されているような第１の実施形態の構造体に対応する変換器構造体８００の側方切断図を示しており、変換器構造体８００は、ＬｉＴａＯ３（ＹＸｌ）／４２°バルク基板８０４に埋め込まれたアルミニウム電極８０２を有する。電極８０２及びバルク基板８０４の表面の上の層８０６は変換器の特性の測定後に追加されており、画像化の目的のためのコントラスト強調層の役割を果たす。ピッチはｐ＝３．４μｍであり、電極８０２の高さはｈ＝５１０ｎｍであった。アスペクト比ａ／ｐは０，５であった。構造体は５０対の電極手段を有していた。
【0214】
図１８ｂは矩形８０８によって強調された領域の拡大図であり、その結果電極８０６の形状が示されている。バルク基板８０４の溝は台形形状を有し、その平行な辺のうちの長い方が、バルク基板８０４の表面８１０と揃っている。側壁８１２及び８１４は僅かに凹んだ形状であり、底表８１４は凸状である。
【0215】
【0216】
【0217】
図１８ａ及び図１８ｂに示すような製造されたデバイスは、１０９５０ｍ．ｓ－１のモードの位相速度、１，８５％の結合係数ｋｓ
２、及び品質係数Ｑａｒ＝３５０を示した。約１，６ＧＨｚの、したがって基本せん断モードの５８０ＭＨｚよりも遥かに高い周波数で、モードを観察した。測定されたコンダクタンス及び抵抗は図１９ａに示されている。
【0218】
図１８ｃに示されているようなＦＥＭメッシュを使用した無限長の変換器構造体を想定したシミュレーション結果は、上記した電極モードについて、実験結果と一致する結果をもたらした。１０８６２ｍ．ｓ－１の速度、０，６２％の結合係数ｋｓ
２、及び１００のオーダーの品質係数Ｑａｒを観察できた。更に、このモードは約１，６ＧＨｚで生じ、コンダクタンス及び抵抗の依存性において類似の挙動を示す。
【0219】
本発明のいくつかの実施形態について記載した。しかしなお、続く特許請求の範囲から逸脱することなく、様々な修正及び改良を行うことのできることが理解される。
【符号の説明】
【0220】
１０４…圧電層、１０８、１１０…交差指状くし型電極、１１２＿ｉ、１１４＿ｊ…電極手段、１００…変換器構造体。
【図1】
【図2】
【図3a】
【図3b】
【図3c】
【図3d】
【図3e】
【図3f】
【図3g】
【図3h】
【図4】
【図4d】
【図4e】
【図4f】
【図4g】
【図4h】
【図4i】
【図4j】
【図5】
【図6】
【図7a】
【図7b】
【図7c】
【図7d】
【図8】
【図9a】
【図9b】
【図10a】
【図10b】
【図10c】
【図11】
【図12a】
【図12b】
【図12c】
【図13a】
【図13b】
【図13c】
【図13d】
【図14a】
【図14b】
【図14c】
【図15a】
【図15b】
【図16a】
【図16b】
【図16c】
【図16d】
【図17a】
【図17b】
【図18a】
【図18b】
【図18c】
【図19a】
【図19b】
【手続補正書】
【提出日】2024-02-27
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
圧電層（１０４）と、
ピッチｐを有する複数の電極手段（１１２＿ｉ、１１４＿ｊ、４１８、４２０）を備える、交差指状くし型電極（１０８、１１０、４１２、４１４）の対と、
を備える、弾性デバイス用の変換器構造体（１００、２００、３００、４０８、４１０）であって、
前記交差指状くし型電極（１０８、１１０、４１２、４１４）の前記電極手段が前記圧電層（１０４）に埋め込まれており、
前記電極手段の音響インピーダンスが前記圧電層の音響インピーダンス未満であり、
前記圧電層がベース基板（１０６）の上に設けられており、
前記ベース基板（１０６）の音響インピーダンスが、前記圧電層（１０４）の前記音響インピーダンスのプラス又はマイナス２５％の範囲内であり、
前記埋め込まれた電極手段が前記圧電層（１０４、２０３）の溝の中に充填され、
前記溝が、角錐形状若しくは台形形状（２０１ａ）又はＶ形状若しくはＵ形状（２０１ｃ）を有する断面を有する、並びに／或いは、前記溝の側壁及び／又は底部が凸状（２０７ｂ）又は凹状（２０７ａ）又はスカラップ状（２０７ｃ）の形状を有し、
前記溝（６９６、６９８）が前記圧電層（６０４）の中に延びており、前記溝（６９６、６９８）の前記側壁が導電材料（６５６、６５８）によって覆われており、前記溝（６９６、６９８）の残りの部分が誘電体材料（６９２、６９４）で充填されている、変換器構造体。
ピッチｐを有する複数の電極手段（１１２＿ｉ、１１４＿ｊ、４１８、４２０）を備える、交差指状くし型電極（１０８、１１０、４１２、４１４）の対と、
を備える、弾性デバイス用の変換器構造体（１００、２００、３００、４０８、４１０）であって、
前記交差指状くし型電極（１０８、１１０、４１２、４１４）の前記電極手段が前記圧電層（１０４）に埋め込まれており、
前記電極手段の音響インピーダンスが前記圧電層の音響インピーダンス未満であり、
前記圧電層がベース基板（１０６）の上に設けられており、
前記ベース基板（１０６）の音響インピーダンスが、前記圧電層（１０４）の前記音響インピーダンスのプラス又はマイナス２５％の範囲内であり、
前記埋め込まれた電極手段が前記圧電層（１０４、２０３）の溝の中に充填され、
前記溝が、角錐形状若しくは台形形状（２０１ａ）又はＶ形状若しくはＵ形状（２０１ｃ）を有する断面を有する、並びに／或いは、前記溝の側壁及び／又は底部が凸状（２０７ｂ）又は凹状（２０７ａ）又はスカラップ状（２０７ｃ）の形状を有し、
前記溝（６９６、６９８）が前記圧電層（６０４）の中に延びており、前記溝（６９６、６９８）の前記側壁が導電材料（６５６、６５８）によって覆われており、前記溝（６９６、６９８）の残りの部分が誘電体材料（６９２、６９４）で充填されている、変換器構造体。
【請求項2】
前記ピッチｐがｐ＝λ／２によって与えられるブラッグ条件を満たし、λが前記変換器構造体の動作弾性波波長である、請求項１に記載の変換器構造体。
【請求項3】
前記電極手段（１１２＿ｉ、１１４＿ｊ、４１８、４２０）の「ａ」が幅、「ｐ」がピッチである、アスペクト比ａ／ｐが、０，３～０，７５の間、特に０，４～０，６５の間で構成されている、請求項１又は２に記載の変換器構造体。
【請求項4】
前記圧電層（６０４、７０４）と前記ベース基板（６０６、７１０）の間に取り付け層（６０８、７０６）、特に二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を更に備える、請求項１～３のいずれか一項に記載の変換器構造体。
【請求項5】
前記圧電層（７０４）と前記ベース基板（７１０）の間に高速度層（７１８）を更に備え、前記高速度層が、前記圧電層（１０４）の材料及び結晶方位よりも高いせん断波の位相速度を可能にする材料で製作されている、請求項１～４のいずれか一項に記載の変換器構造体。
【請求項6】
前記高速度層（７１８）が前記取り付け層（７０６）と前記ベース基板（７１０）の間に配置されている、請求項４に従属する場合の請求項５に記載の変換器構造体。
【請求項7】
前記圧電層（７０４）と前記ベース基板（７１０）の間にトラップリッチ層（７０８）、特にポリシリコントラップリッチ層を更に備える、請求項１～６のいずれか一項に記載の変換器構造体。
【請求項8】
前記トラップリッチ層（７０８）が前記高速度層（７１８）と前記ベース基板（７１０）の間に配置されている、請求項６に従属する場合の請求項７に記載の変換器構造体。
【請求項9】
前記埋め込まれた電極手段（１１２＿ｉ、１１４＿ｊ、４１８、４２０）及び前記圧電層（１０４）の上にカバー層（３０２）を更に備える、請求項１～８のいずれか一項に記載の変換器構造体。
【請求項10】
前記カバー層（３０２）が、前記圧電層（１０４）の材料及び／又は結晶方位よりも高いせん断波の位相速度を可能にする、材料で製作されている及び／又は結晶方位を有する、請求項９に記載の変換器構造体。
【請求項11】
前記圧電層（１０４）及び／又は前記電極手段の下にブラッグミラー（２０４）を更に備える、請求項１～６のいずれか一項に記載の変換器構造体。
【請求項12】
前記埋め込まれた電極手段（１１２＿ｉ、１１４＿ｊ、４１８、４２０）の厚さは前記圧電層（１０４）の厚さ以下である、請求項１～１１のいずれか一項に記載の変換器構造体。
【請求項13】
前記電極手段の前記厚さｔｅがλ＞ｔｅ＞０，１＊λを満たす、請求項１２に記載の変換器構造体。
【請求項14】
前記ベース基板（１０６）の音響インピーダンスが、前記圧電層（１０４）の音響インピーダンスのプラス又はマイナス１５％の範囲内である、請求項１～１３のいずれか一項に記載の変換器構造体。
【請求項15】
前記圧電層（６０４）に向いた側壁だけが前記導電材料（６５６、６５８）によって覆われている、請求項１に記載の変換器構造体。
【請求項16】
前記誘電体材料が前記導電材料よりも高いせん断波位相速度を有する材料である、請求項１に記載の変換器構造体。
【請求項17】
前記誘電体材料が、前記導電材料の温度係数周波数と符号が反対である温度係数周波数を有する、請求項１に記載の変換器構造体。
【請求項18】
前記カバー層（６７２）の誘電体材料と前記溝（６５２、６５４）の中に充填されている前記誘電体材料（６６０、６６２）が同じである、請求項９又は１０に記載の変換器構造体。
【請求項19】
前記電極手段がマンガンよりも軽い材料、特にアルミニウム、又はＣｕ、Ｓｉ、若しくはＴｉを含むアルミニウム合金で製作されている、請求項１～１８のいずれか一項に記載の変換器構造体。
【請求項20】
前記圧電層がタンタル酸リチウム又はニオブ酸リチウムである、請求項１～１９のいずれか一項に記載の変換器構造体。
【請求項21】
前記ベース基板（１０６）がシリカ、石英、溶融石英、若しくはガラス、又はＬｉＴａＯ３、又はＬｉＮｂＯ３、又はケイ素、特にＳｉ（１１１）のうちの１つである、請求項１～２０のいずれか一項に記載の変換器構造体。
【請求項22】
前記高速度層（７１８）が、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、又は炭素ベースのもの、特に単結晶ダイヤモンド、非晶質炭化物、ナノ粒子多結晶ダイヤモンドのうちの１つである、請求項５に従属する場合の請求項１～２１のいずれか一項に記載の変換器構造体。
【請求項23】
前記カバー層（３０２、６７２）が、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、又は炭素ベースのもの、特に単結晶ダイヤモンド、非晶質炭化物、ナノ粒子多結晶ダイヤモンドのうちの１つである、請求項９に従属する場合の請求項１～２２のいずれか一項に記載の変換器構造体。
【請求項24】
交差指状くし型電極（２０２、２０４）の前記対が１つの領域（２１８）又はより多くの領域を備え、前記領域では、２つ以上の隣り合う電極手段（２０６、２０８）が同じくし型電極（２０２、２０４）に属しており、前記電極手段の互いまでの距離が、異なるくし型電極に属する前記隣り合う電極手段と同じである、請求項１～２３のいずれか一項に記載の変換器構造体。
【請求項25】
同じくし型電極に属する前記２つ以上の隣り合う電極手段は、異なるくし型電極に属する前記隣り合う電極手段と同じ幾何形状を有する、請求項２４に記載の変換器構造体。
【請求項26】
同じくし型電極（２０２、２０４）に属する２つ以上の隣り合う電極手段（２０６）を有する３つ以上の領域（２１８）を有する、請求項２４又は２５に記載の変換器構造体において、隣り合う領域の互いに対する距離が異なっている、特に、前記隣り合う領域が前記変換器構造体の広がりにわたってランダムに分散されていることを特徴とする、変換器構造体。
【請求項27】
同じくし型電極（２０２、２０４）に属する２つ以上の隣り合う電極手段（２０６、２０８）を有する複数の領域（２１８）が有する、同じくし型電極に属する隣り合う電極手段の数が異なる、請求項２４～２６のいずれか一項に記載の変換器構造体。
【請求項28】
前記電極手段がＩ線リソグラフィによって実現可能な寸法を有する、特に３５０ｎｍよりも大きい幅を有する、請求項１～２７のいずれか一項に記載の変換器構造体。
【請求項29】
請求項１～２８のいずれか一項に記載の少なくとも１つの変換器構造体（１００、２００、３００、４０８、４１０）を備える弾性波デバイス（４００）であって、前記弾性波デバイス（４００）が弾性波共振器、及び／又は弾性波フィルタ、及び／又は弾性波センサ、及び／又は周波数源である、弾性波デバイス（４００）。
【請求項30】
３ＧＨｚを超えるＲＦ信号で前記変換器構造体を駆動するように構成されている無線周波数（ＲＦ）供給手段を更に備える、請求項２９に記載の弾性波デバイス。
【請求項31】
交差指状くし型電極の前記対に交番電位を印加して、前記圧電層と比較して前記電極手段においてより大きい振動振幅を有し、前記圧電層の基本せん断波モードよりも高い等価速度を有するせん断モードを励起するステップを含む、請求項１～２８のいずれか一項に記載の変換器構造体を使用する方法。
【請求項32】
前記せん断モードは前記圧電層と比較して主として前記電極手段内で生じる、請求項３１に記載の方法。
【請求項33】
交差指状くし型電極の前記対に交番電位を印加して、前記電極手段において、前記電極手段の内部でせん断運動を呈すること及び前記圧電層の基本せん断波モードよりも高い等価速度を有することのない、一対の中性線を有するせん断モードを励起するステップを含む、請求項１～２８のいずれか一項に記載の変換器構造体を使用する方法。
【請求項34】
前記変換器構造体が、フィルタ、特にラダー型フィルタ及び／若しくはインピーダンスフィルタ及び／若しくは結合フィルタ、又は共振器、又は遅延線、又はセンサの一部である、請求項３１～３３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項35】
前記フィルタが３ＧＨｚよりも高い周波数で使用される、請求項３４に記載の方法。
【外国語明細書】