2017 Fiscal Year Annual Research Report
High-coupling longitudinal-type leaky surface acoustic wave using bonded dissimilar material structure and its application to high-frequency filter for next generation communications
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17H03233
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| Research Institution | University of Yamanashi |
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Principal Investigator |
垣尾 省司 山梨大学, 大学院総合研究部, 教授 (70242617)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
水野 潤 早稲田大学, ナノ理工学研究機構, 上級研究員(研究院教授) (60386737)
鈴木 雅視 山梨大学, 大学院総合研究部, 特任助教 (60763852)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | SAWフィルタ / 縦型リーキー弾性表面波 / 異種材料接合 / 高結合化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
移動通信システムの発展に伴って，LiNbO3(LN)やLiTaO3(LT)などの圧電結晶を用いた弾性表面波(SAW)フィルタの高周波化・広帯域化が強く要請されている．縦型リーキーSAW(LLSAW)は，通常のSAWと比べて1.5～2倍の位相速度を持つため高周波化に有利であるが，非常に大きな伝搬損失を有する．本研究では，異種材料接合技術を用いてLLSAWの高結合化を図り，次世代移動通信システム端末に適用可能な高周波フィルタを実現させることを目的としている．本年度の主な研究成果を以下に示す．
1. 1波長以下の板厚をもつLN，LT薄板をATカット45°X水晶と接合すると，LLSAWの弾性エネルギーが表面付近に集中するため，単体の3倍の結合係数が得られ，周波数温度係数が1/2以下に低減することを理論的，実験的に明らかにした．さらに，X カット水晶を用いると，結合係数は単体の2倍であるものの，小さい伝搬減衰（0.0005dB/波長）が得られることを理論的に明らかにした．
2. 現在のフィルタに多用されている横波型のLSAWについても，LN，LT薄板をATカット水晶と接合すると，弾性エネルギーの強い集中効果が得られ，高結合，高安定，低損失なLSAWが得られることを理論的，実験的に明らかにした．特に，LT薄板をAT90°X-水晶と接合すると，単体の2.3倍(11.9%)の結合係数，零温度係数，0.0002dB/波長の小さい伝搬減衰が同時に得られる板厚が存在することを理論的に明らかにした．
3. 伝搬損失や温度係数の測定値に，接合界面の不均一性による計算値との相違が観測された．その改善を目的として，イオンビームスパッタリングにより成膜した膜厚50nm のSiO2，およびAl2O3薄膜を中間層とすると，LT薄板とSTカット水晶の接合強度が1.4から2.9，10.5MPaにそれぞれ増加した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
翌年度に計画していた，LLSAWに対する数値目標（6,000m/s以上の位相速度，5%以上の結合係数，-30 ppm/℃よりも良好な周波数温度係数，0.03dB/波長以下の伝搬損失）を得るための接合基板構造の最適パラメータをほぼ確立した．また，副次的な成果として，横波型のLSAWについても極めて良好な特性を有する接合基板構造の最適パラメータを見出した．さらに，接合界面を跨いで伝搬するSAWの音響損失と接合・研磨プロセスの相関について，共振Q値とマイクロボイドの面積・厚みとの相関をシミュレーションにより明らかにした．以上から，当初の計画以上に進展していると判定される．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成29年度に見出した，LLSAWに対して低伝搬減衰を得るための最適方位の水晶支持基板（Xカット）を用いて，高速・高結合・高安定・低損失基板構造を確立させる．具体的な実施方法は以下の通りである．
１．接合基板構造の設計・作製： カット水晶基板とLN，LT薄板を，接合層（アモルファス膜，または金属膜）を介して接合，および直接接合させた構造において，LLSAWの位相速度，結合係数，温度係数，伝搬損失の各数値目標を得るためのパラメータ，接合層の材質を，理論解析，および有限要素法シミュレーションにより設計する．得られた設計指針に従って，LN，LTと水晶基板を，接合層を介して低温接合した試料の作製，および直接接合した試料を作製する．
２．伝搬・共振特性の評価と基板構造の確立： 作製されたLN，LT/水晶接合試料を20×15mm程度に切断し，LN，LT側を設計した最適厚み(数μm)に薄板化し，表面を鏡面研磨する．研磨側表面に波長5～10μm程度の送受電極指(IDT)，および共振子パターンを作製する．ネットワークアナライザを用いてLLSAWの伝搬特性，共振特性，温度特性を評価し，高速・高結合・高安定・低損失基板構造を確立する．
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