【公開日：2024.07.25】【最終更新日：2024.06.04】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

23TU0020

利用課題名 / Title

9GHz超弾性波デバイスの開発/Research of Ultra-high Frequency Acoustic Devices

利用した実施機関 / Support Institute

東北大学 / Tohoku Univ.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）-

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed（副 / Sub）-

キーワード / Keywords

BAWデバイス,高次モード,高周波デバイス/ High frequency device,MEMS/NEMSデバイス/ MEMS/NEMS device,セラミックスデバイス/ Ceramic device,蒸着・成膜/ Vapor deposition/film formation,電子線リソグラフィ/ EB lithography

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

門田 道雄

所属名 / Affiliation

東北大学大学院工学研究科

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

TU-167：電子ビーム蒸着装置
TU-064：エリオニクス 130kV EB描画装置

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

高速、大容量通信を目的として、5Gでは3.3〜5 GHzおよび24.25〜40 GHzが使用され、また、6Gでは40 GHz以上が計画されている。その空いた5～24.25　GHzでは、近年、5～７GHzはUNII用に、6.2～8.2 GHzはUWB用、7～24 GHzはFR3に割り当てられている。この周波数帯ではコイルとコンデンサからなるLCフィルタしかなく、今後、周波数の過密化や新しいシステムの導入に伴い、急峻な周波数特性、温度特性に優れた弾性波フィルタの実現が熱望されている。
筆者は、次の5点を考慮し、高周波bulk acoustic wave (BAW) 共振子を試作した。①音響損失の観点から圧電多結晶膜より単結晶薄板の方が高周波化に有利、②横波より音速の速い縦波が有利、③LiTaO₃より圧電性の大きいLiNbO₃(LN)基板の方が有利、④自己保持の不要な(solidly mounted type : SM)構造が有利、⑤基本波の3倍の高次モードを利用。

実験 / Experimental

【利用した主な装置】　EB蒸着装置
【実験方法】　分極の異なる方位の薄板を2枚重ねたLN薄板/ 音響多層膜/ 保持基板のＬＮ薄板側にレジスト塗布、露光、現像、ＥＢ蒸着、レジスト剥離で、ＬＮ上に10 nm厚のTi、100 nm厚のAl電極を形成し、周波数特性を測定した。多層膜は従来の1/5～1/6の厚みにすることにより3次モードを強く励振できることを見出した。

結果と考察 / Results and Discussion

Fig. 1に分極方向が180º異なる1 µm厚と0.9µm厚の36ºY (LN)/ 厚み0.06波長のSiO₂とTa膜が交互に6層の多層膜/ 水晶保持基板構造の試作したBAW共振子の概略構造を示す。Fig. 2にその周波数特性を示す。基本波の3倍超の中心周波数9.8 GHzと12 GHzが励振されている。インピーダンス比はそれぞれ、32 dBと29 dBが得られた。2枚のLNの厚みが異なるため、1 µm厚LNで9.8 GHzを、0.9 µm厚LNで12 GHzが励振していることになる。2枚のLN厚を同じに厚みで作成することにより、より大きなインピーダンス比が得られる。LN厚が0.9～1 µm厚と厚いにもかかわらず、音響多層膜構造BAWで初めて11.8 GHzを励振することができた。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

Fig. 1 Structure of fabricated solidly mounted bulk acoustic wave resonator (SM-BAWR).

Fig. 2 Frequency characteristic of SM-BAWR using　double LN plates composed of 0.9 and 1.0 μm thick plates.

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

本研究の一部は総務省の戦略的情報通信研究開発推進事業(SCOPE)(#JP225002001)の委託を受けた。

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

1. Michio Kadota, Acoustic Devices (PAW, SAW, and BAW) using Wafer Bonding Technology, 2023 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS), , (2023).
   DOI: 10.1109/IUS51837.2023.10306999
   
2. Michio Kadota, 9.5–12 GHz solidly mounted bulk acoustic wave resonators utilizing overtone of thickness extension mode, Japanese Journal of Applied Physics, 63, 03SP59(2024).
   DOI: 10.35848/1347-4065/ad2653
   

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

1. 門田 他, 圧電材料デバイスシンポジウム2024,A2.

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：1件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件