JPH0336326B2 - - Google Patents
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- JPH0336326B2 JPH0336326B2 JP58107436A JP10743683A JPH0336326B2 JP H0336326 B2 JPH0336326 B2 JP H0336326B2 JP 58107436 A JP58107436 A JP 58107436A JP 10743683 A JP10743683 A JP 10743683A JP H0336326 B2 JPH0336326 B2 JP H0336326B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- plane
- surface acoustic
- acoustic wave
- silicon substrate
- zinc oxide
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic elements; Electromechanical resonators
- H03H9/25—Constructional features of resonators using surface acoustic waves
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Surface Acoustic Wave Elements And Circuit Networks Thereof (AREA)
Description
本発明は、高効率で動作し得る構造の表面弾性
波素子に関するものである。 弾性体表面に沿つて伝播する表面弾性波を利用
した各種表面弾性波素子が最近盛んに開発されつ
つある。この理由としては、第1に表面弾性波の
伝播速度は電磁波速度の約10-5倍であり、素子の
小型化と高密度化が可能であること。 第2に表面弾性波は物質表面を伝播するため伝
送路の任意の場所から信号のタツピピングが可能
であること。第3に物質表面にエネルギーが集中
していることから、光や半導体のキヤリアとの相
互作用を利用したデバイス、あるいは高いエネル
ギー密度により非線形効果を利用したデバイスに
応用できること。第4にその製造技術にIC技術
が活用できるため、ICと組み合わせた新しい素
子の実現が期待できること、等が挙げられる。 第1図および第2図は従来の表面弾性波素子の
構造を示すもので、1はシリコン等から成る半導
体基板、2,3は各々酸化亜鉛膜(ZnO)および
窒化アルミニウム膜(AlN)から成る圧電膜、
4,5は酸化亜鉛膜2上および窒化アルミニウム
膜3上に設けられたくし型電極で、例えば4は入
力電極、5は出力電極として使用される。 ここで入力電極4から励振された表面弾性波は
上記酸化亜鉛膜2表面あるいは窒化アルミニウム
膜3表面を伝播して出力電極5から取り出され
る。 これらの構造において表面弾性波としてレイリ
ー波を伝播させた時第2図の構造は位相速度とし
て5000m/s〜5500m/sの値が得られ、第1図
の構造の値2700m/s〜5100m/sに比較して高
速であるために、高周波数領域での動作に適して
いるといる利点がある。 しかしながらその反面第1図の構造に比べ第2
図の構造のものは素子特性上重要な指標である電
気機械結合係数が劣るため、効率良く動作するこ
とができない欠点がある。 本発明は以上の問題に対処してなされたもの
で、シリコン基板を用い、このシリコン基板上に
窒化アルミニウム膜を形成すると共にこの窒化ア
ルミニウム膜上に酸化亜鉛膜を形成し、これらシ
リコン基板上、窒化アルミニウム膜上あるいは酸
化亜鉛膜上の少なくともいずれかに電極を形成す
るように構成して従来欠点を除去するようにした
表面弾性波素子を提供することを目的とするもの
である。以下図面を参照して本発明実施例を説明
する。 第3図乃至第5図は本発明実施例による表面弾
性波素子を示す断面図で、11はシリコン基板、
12はこのシリコン基板11上に形成された膜厚
h2を有する窒化アルミニウム膜、13はこの窒化
アルミニウム膜12上に形成された膜厚h1を有す
る酸化亜鉛膜、14,15は各々くし型電極から
成る入力電極および出力電極である。 上記各構造において、入力電極14および出力
電極15は、第3図においては酸化亜鉛膜13上
に、第4図においては窒化アルミニウム膜12上
に、第5図においてはシリコン基板11上に各々
形成される。 また第6図乃至第10図は本発明の他の実施例
を示すもので前実施例と同一部分は同一番号で示
し、16は上記シリコン基板11上、窒化アルミ
ニウム膜12上あるいは酸化亜鉛膜13上のいず
れかに形成された導電膜で膜厚は無限に小さいこ
とが望ましい。 なお導電膜16あるいは酸化亜鉛膜13はくし
型電極の少なくとも交差幅部分の真上か真下のど
ちらかに位置するように形成されていることが望
ましい。 上記各構造において導電膜16は、第6図およ
び第7図においてはシリコン基板11上に、第8
図および第9図においては酸化亜鉛膜13上に、
第10図においてはシリコン基板11上および酸
化亜鉛膜13上に各々形成される。 以上の実施例各構造のシリコン基板11、窒化
アルミニウム膜12および酸化亜鉛膜13の結晶
面および表面弾性波の伝播軸を下表の如く設定
し、各々組み合わせた。 第11図は第6図の実施例構造の表面弾性波素
子において酸化亜鉛膜13を(0001)面とほぼ等
価な面、窒化アルミニウム膜12を(0001)面と
ほぼ等価な面、シリコン基板11(100)面とほ
ぼ等価な面および〔011〕軸方向とほぼ等価な方
向に設定し{ZnO(0001)/AlN(0001)/Si
(100)〔011〕と略記}、表面弾性波としてレイリ
ー波を伝播させた場合に得られた特性曲線を示す
もので、横軸は酸化亜鉛膜13の膜厚h1の厚さを
ωh2(ωは角周波数)で示し、縦軸は電気機械結
合係数Kの二乗値K2を百分
波素子に関するものである。 弾性体表面に沿つて伝播する表面弾性波を利用
した各種表面弾性波素子が最近盛んに開発されつ
つある。この理由としては、第1に表面弾性波の
伝播速度は電磁波速度の約10-5倍であり、素子の
小型化と高密度化が可能であること。 第2に表面弾性波は物質表面を伝播するため伝
送路の任意の場所から信号のタツピピングが可能
であること。第3に物質表面にエネルギーが集中
していることから、光や半導体のキヤリアとの相
互作用を利用したデバイス、あるいは高いエネル
ギー密度により非線形効果を利用したデバイスに
応用できること。第4にその製造技術にIC技術
が活用できるため、ICと組み合わせた新しい素
子の実現が期待できること、等が挙げられる。 第1図および第2図は従来の表面弾性波素子の
構造を示すもので、1はシリコン等から成る半導
体基板、2,3は各々酸化亜鉛膜(ZnO)および
窒化アルミニウム膜(AlN)から成る圧電膜、
4,5は酸化亜鉛膜2上および窒化アルミニウム
膜3上に設けられたくし型電極で、例えば4は入
力電極、5は出力電極として使用される。 ここで入力電極4から励振された表面弾性波は
上記酸化亜鉛膜2表面あるいは窒化アルミニウム
膜3表面を伝播して出力電極5から取り出され
る。 これらの構造において表面弾性波としてレイリ
ー波を伝播させた時第2図の構造は位相速度とし
て5000m/s〜5500m/sの値が得られ、第1図
の構造の値2700m/s〜5100m/sに比較して高
速であるために、高周波数領域での動作に適して
いるといる利点がある。 しかしながらその反面第1図の構造に比べ第2
図の構造のものは素子特性上重要な指標である電
気機械結合係数が劣るため、効率良く動作するこ
とができない欠点がある。 本発明は以上の問題に対処してなされたもの
で、シリコン基板を用い、このシリコン基板上に
窒化アルミニウム膜を形成すると共にこの窒化ア
ルミニウム膜上に酸化亜鉛膜を形成し、これらシ
リコン基板上、窒化アルミニウム膜上あるいは酸
化亜鉛膜上の少なくともいずれかに電極を形成す
るように構成して従来欠点を除去するようにした
表面弾性波素子を提供することを目的とするもの
である。以下図面を参照して本発明実施例を説明
する。 第3図乃至第5図は本発明実施例による表面弾
性波素子を示す断面図で、11はシリコン基板、
12はこのシリコン基板11上に形成された膜厚
h2を有する窒化アルミニウム膜、13はこの窒化
アルミニウム膜12上に形成された膜厚h1を有す
る酸化亜鉛膜、14,15は各々くし型電極から
成る入力電極および出力電極である。 上記各構造において、入力電極14および出力
電極15は、第3図においては酸化亜鉛膜13上
に、第4図においては窒化アルミニウム膜12上
に、第5図においてはシリコン基板11上に各々
形成される。 また第6図乃至第10図は本発明の他の実施例
を示すもので前実施例と同一部分は同一番号で示
し、16は上記シリコン基板11上、窒化アルミ
ニウム膜12上あるいは酸化亜鉛膜13上のいず
れかに形成された導電膜で膜厚は無限に小さいこ
とが望ましい。 なお導電膜16あるいは酸化亜鉛膜13はくし
型電極の少なくとも交差幅部分の真上か真下のど
ちらかに位置するように形成されていることが望
ましい。 上記各構造において導電膜16は、第6図およ
び第7図においてはシリコン基板11上に、第8
図および第9図においては酸化亜鉛膜13上に、
第10図においてはシリコン基板11上および酸
化亜鉛膜13上に各々形成される。 以上の実施例各構造のシリコン基板11、窒化
アルミニウム膜12および酸化亜鉛膜13の結晶
面および表面弾性波の伝播軸を下表の如く設定
し、各々組み合わせた。 第11図は第6図の実施例構造の表面弾性波素
子において酸化亜鉛膜13を(0001)面とほぼ等
価な面、窒化アルミニウム膜12を(0001)面と
ほぼ等価な面、シリコン基板11(100)面とほ
ぼ等価な面および〔011〕軸方向とほぼ等価な方
向に設定し{ZnO(0001)/AlN(0001)/Si
(100)〔011〕と略記}、表面弾性波としてレイリ
ー波を伝播させた場合に得られた特性曲線を示す
もので、横軸は酸化亜鉛膜13の膜厚h1の厚さを
ωh2(ωは角周波数)で示し、縦軸は電気機械結
合係数Kの二乗値K2を百分
【表】
【表】
率で示すものである。第11図から明らかなよう
にωh1=1600、ωh2=1000に選んだ曲線A上の点
aにおいて極大値(又は最大値)K2=0.68%(レ
イリー波音速v=4440m/sが得られた。 また第12図は同様にして第9図の実施例構造
の表面弾性波素子において、 {ZnO(0001)/AlN(1120)〔0001〕/Si(100)
〔011〕}に設定した場合に得られた特性極線を示
すものである。第12図から明らかなようにωh1
=1660,ωh2=1000に選んだ曲線B上の点bにお
いて極大値K2=0.54%(レイリー波音速v=
4460m/s)が得られた。 さらに第13図は同様にして第4図の実施例構
造の表面弾性波素子において、 {ZnO(0001)/AlN(0001)/Si(100)〔011〕}
に設定した場合に得られた特性曲線を示すもので
ある。第13図から明らかなようにωh1=8600,
ωh2=15500に選んだ曲線C上の点cにおいて極
大値K2=3.71%(レイリー波音速v=3260m/
s)が得られた。 さらにまた第14図は同様にして第4図の実施
例構造の表面弾性波素子において、 {ZnO(0001)/AlN(1120)〔0001〕/Si
(100)〔011〕}に設定した場合に得られた特性曲
線を示すものである。第14図から明らかなよう
にωh1=8600,ωh2=13500に選んだ曲線D上の点
bにおいて極大値K2=4.71%(レイリー波音速v
=3260m/s)が得られた。 以上の各実施例で得られたK2は第1図および
第2図の従来の2層構造素子で得られた値よりも
大であり、高効率で動作させることができる。 また前記表で示したシリコン基板11、窒化ア
ルミニウム膜12および酸化亜鉛膜13の結晶面
および伝播軸の組み合せの中で、第11図乃至第
14図に設定した結晶面および伝播軸の組み合せ
以外の場合でもそれらとほぼ同様な効果が得られ
ることを確認した。 さらに第11図乃至第14図に示した実施例構
造以外の場合でもそれらとほぼ同様な効果が得ら
れることを確認した。 さらにまた前記表においてシリコン基板11、
窒化アルミニウム膜12および酸化亜鉛膜13の
結晶面および伝播軸は、それに示された所定値か
ら10゜以下の傾きを有している場合でも素子特性
には本質的な差異は認められない。 第15図は本発明のその他の実施例構造として
コンボルバ用素子に適用した例を示すもので、入
力電極14および出力電極15表面のみに酸化亜
鉛膜13を形成したものである。なお17はゲー
ト電極である。 この構造によればゲート電極17部分は窒化ア
ルミニウム膜12/シリコン基板11の2層構造
を保つているので、群速度の周波数分散が小さい
という利点を活かしたままでK2特性に優れた素
子を得ることができる。 前記実施例構造においてシリコン基板11上に
設けた導電膜16の代りに、シリコン基板11自
身の表面部に不純物ドーピング等により高導電部
を設けるようにしてもよい。 またくし型構造の電極の代りに、シリコン基板
11、窒化アルミニウム膜12あるいは酸化亜鉛
膜13の内部に発生する電気的ポテンシヤルを利
用することができる。 以上述べて明らかなように本発明によれば、シ
リコン基板を用い、このシリコン基板上に窒化ア
ルミニウム膜を形成すると共にこの窒化アルミニ
ウム膜上に酸化亜鉛膜を形成し、これらシリコン
基板上窒化アルミニウム膜上あるいは酸化亜鉛膜
上の少なくともいずれかに電極を形成するように
構成したものであるから、電気機械結合係数を大
きくすることができるので効率よく動作させるこ
とができる。 本文実施例の説明では表面弾性波としてはレイ
リー波を用いた場合で説明したが、これに限らず
セザワ波を用いた場合にも同様な効果が期待でき
る。また本発明によればシリコン基板として集積
回路と共通基板を用いることにより、集積回路技
術を活用して機能素子と半導体素子を一体化した
小型かつ高密度な素子の実現が可能である。
にωh1=1600、ωh2=1000に選んだ曲線A上の点
aにおいて極大値(又は最大値)K2=0.68%(レ
イリー波音速v=4440m/sが得られた。 また第12図は同様にして第9図の実施例構造
の表面弾性波素子において、 {ZnO(0001)/AlN(1120)〔0001〕/Si(100)
〔011〕}に設定した場合に得られた特性極線を示
すものである。第12図から明らかなようにωh1
=1660,ωh2=1000に選んだ曲線B上の点bにお
いて極大値K2=0.54%(レイリー波音速v=
4460m/s)が得られた。 さらに第13図は同様にして第4図の実施例構
造の表面弾性波素子において、 {ZnO(0001)/AlN(0001)/Si(100)〔011〕}
に設定した場合に得られた特性曲線を示すもので
ある。第13図から明らかなようにωh1=8600,
ωh2=15500に選んだ曲線C上の点cにおいて極
大値K2=3.71%(レイリー波音速v=3260m/
s)が得られた。 さらにまた第14図は同様にして第4図の実施
例構造の表面弾性波素子において、 {ZnO(0001)/AlN(1120)〔0001〕/Si
(100)〔011〕}に設定した場合に得られた特性曲
線を示すものである。第14図から明らかなよう
にωh1=8600,ωh2=13500に選んだ曲線D上の点
bにおいて極大値K2=4.71%(レイリー波音速v
=3260m/s)が得られた。 以上の各実施例で得られたK2は第1図および
第2図の従来の2層構造素子で得られた値よりも
大であり、高効率で動作させることができる。 また前記表で示したシリコン基板11、窒化ア
ルミニウム膜12および酸化亜鉛膜13の結晶面
および伝播軸の組み合せの中で、第11図乃至第
14図に設定した結晶面および伝播軸の組み合せ
以外の場合でもそれらとほぼ同様な効果が得られ
ることを確認した。 さらに第11図乃至第14図に示した実施例構
造以外の場合でもそれらとほぼ同様な効果が得ら
れることを確認した。 さらにまた前記表においてシリコン基板11、
窒化アルミニウム膜12および酸化亜鉛膜13の
結晶面および伝播軸は、それに示された所定値か
ら10゜以下の傾きを有している場合でも素子特性
には本質的な差異は認められない。 第15図は本発明のその他の実施例構造として
コンボルバ用素子に適用した例を示すもので、入
力電極14および出力電極15表面のみに酸化亜
鉛膜13を形成したものである。なお17はゲー
ト電極である。 この構造によればゲート電極17部分は窒化ア
ルミニウム膜12/シリコン基板11の2層構造
を保つているので、群速度の周波数分散が小さい
という利点を活かしたままでK2特性に優れた素
子を得ることができる。 前記実施例構造においてシリコン基板11上に
設けた導電膜16の代りに、シリコン基板11自
身の表面部に不純物ドーピング等により高導電部
を設けるようにしてもよい。 またくし型構造の電極の代りに、シリコン基板
11、窒化アルミニウム膜12あるいは酸化亜鉛
膜13の内部に発生する電気的ポテンシヤルを利
用することができる。 以上述べて明らかなように本発明によれば、シ
リコン基板を用い、このシリコン基板上に窒化ア
ルミニウム膜を形成すると共にこの窒化アルミニ
ウム膜上に酸化亜鉛膜を形成し、これらシリコン
基板上窒化アルミニウム膜上あるいは酸化亜鉛膜
上の少なくともいずれかに電極を形成するように
構成したものであるから、電気機械結合係数を大
きくすることができるので効率よく動作させるこ
とができる。 本文実施例の説明では表面弾性波としてはレイ
リー波を用いた場合で説明したが、これに限らず
セザワ波を用いた場合にも同様な効果が期待でき
る。また本発明によればシリコン基板として集積
回路と共通基板を用いることにより、集積回路技
術を活用して機能素子と半導体素子を一体化した
小型かつ高密度な素子の実現が可能である。
第1図および第2図は共に従来例を示す断面
図、第3図乃至第10図および第15図はいずれ
も本発明実施例を示す断面図、第11図乃至第1
4図はいずれも本発明によつて得られた結果を示
す特性図である。 11……シリコン基板、12……窒化アルミニ
ウム膜、13……酸化亜鉛膜、14……入力電
極、15……出力電極、16……導電膜、17…
…ゲート電極。
図、第3図乃至第10図および第15図はいずれ
も本発明実施例を示す断面図、第11図乃至第1
4図はいずれも本発明によつて得られた結果を示
す特性図である。 11……シリコン基板、12……窒化アルミニ
ウム膜、13……酸化亜鉛膜、14……入力電
極、15……出力電極、16……導電膜、17…
…ゲート電極。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1 シリコン基板と、このシリコン基板上に形成
された窒化アルミニウム単結晶膜と、この窒化ア
ルミニウム膜上に形成された酸化亜鉛膜と、上記
シリコン基板上、窒化アルミニウム膜上あるいは
酸化亜鉛膜上の少なくともいずれかに形成された
電極とを含み、上記酸化亜鉛膜の膜厚h1が0<
ωh1<15500.0(ただし、ωは表面弾性波の角周波
数)の範囲に属し、かつ上記窒化アルミニウム膜
の膜厚h2が0<ωh2<15500.0(ただし、ωは表面
弾性波の角周波数)の範囲に属することを特徴と
する表面弾性波素子。 2 上記シリコン基板が(100)面とほぼ等価な
面、(110)面とほぼ等価な面、(111)面とほぼ等
価な面あるいは(112)面とほぼ等価な面のいず
れかでカツトされてなることを特徴とする特許請
求の範囲第1項記載の表面弾性波素子。 3 上記シリコン基板の(100)面とほぼ等価な
面に対しては[001]軸方向とほぼ等価な方向又
は[011]軸方向とほぼ等価な方向に、(110)面
とほぼ等価な面に対しては[001]軸方向とほぼ
等価な本向又は[110]軸方向とほぼ等価な方
向に、(111)面とほぼ等価な面に対しては[11
2]軸方向とほぼ等価な方向に、および(112)
面とほぼ等価な面に対しては[111]軸方向とほ
ぼ等価な方向にそれぞれ表面弾性波を伝播させる
ように構成したことを特徴とする特許請求の範囲
第2項記載の表面弾性波素子。 4 上記窒化アルミニウム膜はその(1120)面
とほぼ等価な面、(1100)面とほぼ等価な面あ
るいは(0001)面とほぼ等価な面のいずれかが上
記シリコン基板のカツト面と平行になるように配
置されてなることを特徴とする特許請求の範囲第
2項記載の表面弾性波素子。 5 上記窒化アルミニウム膜の(1120)面とほ
ぼ平行な面および(1100)面とほぼ平行な面に
対して共に[0001]軸方向とほぼ等価な方向に表
面弾性波を伝播させるように構成したことを特徴
とする特許請求の範囲第4項記載の表面弾性波素
子。 6 上記酸化亜鉛膜はその(0001)面とほぼ等価
な面が上記シリコン基板のカツト面と平行になる
ように配置されてなることを特徴とする特許請求
の範囲第2項記載の表面弾性波素子。 7 上記結晶面およびその伝播軸が所定結晶面お
よび伝播軸方向から10゜以内の傾きを持つことを
特徴とする特許請求の範囲第2項乃至第6項のい
ずれかに記載の表面弾性波素子。 8 上記シリコン基板上、窒化アルミニウム膜上
あるいは酸化亜鉛膜上の少なくともいずれかに導
電膜が形成されることを特徴とする特許請求の範
囲第1項乃至第7項のいずれかに記載の表面弾性
波素子。 9 上記電極がくし型構造を有することを特徴と
する特許請求の範囲第1項乃至第8項のいずれか
に記載の表面弾性波素子。 10 上記導電膜が上記くし型電極の少なくとも
交差幅部分の真上か真下の少なくともどちらかに
位置することを特徴とする特許請求の範囲第1項
乃至第9項のいずれかに記載の表面弾性波素子。 11 上記酸化亜鉛膜が上記くし型電極の少なく
とも交差幅部分の真上か真下かの少なくともどち
らかに位置することを特徴とする特許請求の範囲
第1項乃至第10項のいずれかに記載の表面弾性
波素子。 12 上記シリコン基板として集積回路と共通の
基板を用いたことを特徴とする特許請求の範囲第
1項乃至第11項のいずれかに記載の表面弾性波
素子。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58107436A JPS59231911A (ja) | 1983-06-14 | 1983-06-14 | 表面弾性波素子 |
| US06/618,971 US4567393A (en) | 1983-06-14 | 1984-06-11 | Surface acoustic wave device having AlN and ZnO layers on a Si substrate |
| DE3422108A DE3422108A1 (de) | 1983-06-14 | 1984-06-14 | Akustische oberflaechenwellen ausbildendes bauelement |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58107436A JPS59231911A (ja) | 1983-06-14 | 1983-06-14 | 表面弾性波素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS59231911A JPS59231911A (ja) | 1984-12-26 |
| JPH0336326B2 true JPH0336326B2 (ja) | 1991-05-31 |
Family
ID=14459092
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58107436A Granted JPS59231911A (ja) | 1983-06-14 | 1983-06-14 | 表面弾性波素子 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4567393A (ja) |
| JP (1) | JPS59231911A (ja) |
| DE (1) | DE3422108A1 (ja) |
Families Citing this family (28)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60119114A (ja) * | 1983-11-30 | 1985-06-26 | Murata Mfg Co Ltd | 表面波装置 |
| JPS6382100A (ja) * | 1986-09-26 | 1988-04-12 | Hitachi Ltd | 圧電素子およびその製造方法 |
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