JP2012169760A - 弾性表面波装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬｉＮｂＯ_３基板の上に、ＩＤＴ電極を覆うように厚み０．２５λ以上の誘電体層が形成されている弾性表面波装置において、高次モードに起因するスプリアスを抑圧する。
【解決手段】弾性表面波装置１は、ＬｉＮｂＯ_３からなる圧電基板１０と、圧電基板１０の上に形成されたＩＤＴ電極１１と、ＩＤＴ電極１１を覆うように圧電基板１０の上に形成された誘電体層１２とを備えている。ＩＤＴ電極１１の電極指ピッチで決まる波長をλとしたときに誘電体層１２の厚みは、０．２λ以上である。
【選択図】図２

Description

本発明は、弾性表面波装置に関する。特に、本発明は、圧電基板と、圧電基板の上に形成されたＩＤＴ電極と、ＩＤＴ電極を覆うように圧電基板の上に形成された誘電体層とを備える弾性表面波装置に関する。

従来、共振子やフィルタ装置として、弾性表面波を利用した弾性表面波装置が広く利用されている。例えば、下記の特許文献１には、ニオブ酸リチウムからなる圧電基板と、圧電基板の上に形成されたＩＤＴ電極と、ＩＤＴ電極を覆うように圧電基板の上に形成された誘電体層とを備える弾性表面波装置が開示されている。

特開２００８−１３１１２８号公報

本発明者は、鋭意研究の結果、圧電基板としてＬｉＮｂＯ_３基板を用い、ＩＤＴ電極を覆う誘電体層の厚みを、ＩＤＴ電極の電極指のピッチで規定される波長λの０．２倍以上とした弾性表面波装置においては、高次モードに起因するスプリアスが生じることを見出した。

本発明は、係る点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＬｉＮｂＯ_３基板の上に、ＩＤＴ電極を覆うように厚み０．２λ以上の誘電体層が形成されている弾性表面波装置において、高次モードに起因するスプリアスを抑圧することにある。

本発明に係る弾性表面波装置は、圧電基板と、ＩＤＴ電極と、誘電体層とを備えている。圧電基板は、ＬｉＮｂＯ_３からなる。ＩＤＴ電極は、圧電基板の上に形成されている。誘電体層は、ＩＤＴ電極を覆うように圧電基板の上に形成されている。ＩＤＴ電極の電極指ピッチで決まる波長をλとしたときに、誘電体層の厚みは、０．２λ以上である。圧電基板のオイラー角（φ，θ，ψ）のψの絶対値が０°より大きい。

本発明に係る弾性表面波装置のある特定の局面では、ψの絶対値が１５°以下である。この構成によれば、弾性表面波装置の耐電力性を向上することができる。

本発明に係る弾性表面波装置の他の特定の局面では、θが３０°〜４０°の範囲内にあり、φが０°±５°の範囲内にある。

本発明に係る弾性表面波装置の別の特定の局面では、誘電体層の厚みが０．２５λ以上である。この場合、高次モードに起因するスプリアスがより生じやすくなるため、高次モードを抑圧できる本発明が特に効果的である。

本発明に係る弾性表面波装置のさらに他の特定の局面では、誘電体層は、酸化ケイ素からなる誘電体層を含む。この場合、圧電基板と誘電体層との周波数温度係数の符号が逆となる。従って、弾性表面波装置の周波数温度特性を改善することができる。

本発明に係る弾性表面波装置のさらに別の特定の局面では、誘電体層は、酸化ケイ素からなる誘電体層と、酸化ケイ素からなる誘電体層の上に形成されており、窒化ケイ素からなるさらなる誘電体層とを含む。この場合、窒化ケイ素からなるさらなる誘電体層の厚みを調整することにより弾性表面波装置の周波数特性を調整することができる。

本発明に係る弾性表面波装置のまた他の特定の局面では、ＩＤＴ電極は、Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｗ及びＴａからなる群から選ばれた金属、または、Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｗ及びＴａからなる群から選ばれた金属の一種以上を含む合金からなる導電層を含む。この導電層は、比重が重いため、弾性表面波の反射係数を高めることができる。

本発明では、圧電基板のオイラー角（φ，θ，ψ）のψの絶対値が０°より大きい。このため、高次モードに起因するスプリアスを抑圧することができる。

本発明を実施した一実施形態に係る弾性表面波装置の略図的平面図である。 本発明を実施した一実施形態に係る弾性表面波装置の略図的断面図である。 弾性表面波装置のリターンロスを示すグラフである。 ψが０°、５°、１０°、１５°であるときの弾性表面波装置のインピーダンス特性を表すグラフである。 ＬｉＮｂＯ_３基板の伝搬角ψと、ＬｉＮｂＯ_３基板の速い横波音速との関係を表すグラフである。 ψが０°、５°、１０°、１５°であるときの弾性表面波装置のインピーダンス特性を表すグラフである。 伝搬角ψと、（ＳＨ波に起因するスプリアスの周波数／レイリー波の共振周波数）との関係を表すグラフである。

以下、本発明を実施した好ましい形態について、図１及び図２に示す１ポート型の弾性表面波共振子である弾性表面波装置１を例に挙げて説明する。但し、弾性表面波装置１は、単なる例示である。本発明は、弾性表面波装置１に何ら限定されない。本発明に係る弾性表面波装置は、例えば弾性表面波フィルタ装置や弾性表面波分波器であってもよい。

図１は、本実施形態に係る弾性表面波装置の略図的平面図である。図２は、本実施形態に係る弾性表面波装置の略図的断面図である。図２に示すように、弾性表面波装置１は、ＬｉＮｂＯ_３からなる圧電基板１０を備えている。

圧電基板１０の主面１０ａの上には、互いに間挿し合う一対のくし歯状電極からなるＩＤＴ電極１１が形成されている。ＩＤＴ電極１１の材質は、導電材料である限りにおいて特に限定されない。ＩＤＴ電極１１は、例えば、Ａｌ，Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｃｒ及びＰｄからなる群から選ばれた金属、もしくは、Ａｌ，Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｃｒ及びＰｄからなる群から選ばれた一種以上の金属を含む合金により形成することができる。ＩＤＴ電極１１は、上記金属や合金からなる複数の導電層の積層体により構成されていてもよい。もっとも、ＩＤＴ電極１１は、Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｗ及びＴａからなる群から選ばれた金属、または、Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｗ及びＴａからなる群から選ばれた金属の一種以上を含む合金といった比重の重い導電材料からなる導電層を有していることが好ましい。その場合、弾性表面波の反射係数を大きくすることができる。

主面１０ａの上には、ＩＤＴ電極１１を覆うように誘電体層１２が形成されている。誘電体層１２の材質は、特に限定されないが、誘電体層１２は、圧電基板１０と逆符号の周波数温度係数（ＴＣＦ：Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を有する酸化ケイ素や窒化ケイ素により形成されていることが好ましい。その場合、弾性表面波装置１の周波数温度特性を改善することができる。誘電体層１２の厚みは、ＩＤＴ電極１１により励振された弾性波が弾性表面波となるような厚みである限りにおいて特に限定されない。誘電体層１２の厚みは、例えば、０．６λ以下程度とすることができる。

具体的には本実施形態では、誘電体層１２は、圧電基板１０の主面１０ａの上に形成されており、酸化ケイ素からなる第１の誘電体層１３と、第１の誘電体層１３の上に形成されており、窒化ケイ素からなる第２の誘電体層１４とを有する。この場合、第２の誘電体層１４の厚みを調整することにより、弾性表面波装置１の周波数特性を調整することができる。なお、本発明においては、誘電体層は、単一の誘電体層により構成されていてもよいし、３層以上の誘電体層の積層体により構成されていてもよい。

本実施形態において、ＩＤＴ電極１１の電極指ピッチで決まる波長をλとすると、誘電体層１２の厚みは、０．２λ以上であり、０．２５λ以上であることが好ましい。この場合、例えば、圧電基板１０のオイラー角（φ，θ，ψ）のψが０°であると高次モードに起因するスプリアスが発生する。まず、このことを具体例に基づいて説明する。図３は、以下の条件のときの弾性表面波装置のリターンロスを示すグラフである。なお、図３において、０．２３６で示すグラフは、誘電体層の厚みが０．２３６λ（λ＝４．３μｍ）であるときのグラフである。０．２４７で示すグラフは、誘電体層の厚みが０．２４７λ（λ＝４．１μｍ）であるときのグラフである。０．２６０で示すグラフは、誘電体層の厚みが０．２６０λ（λ＝３．９μｍ）であるときのグラフである。０．２７４で示すグラフは、誘電体層の厚みが０．２７４λ（λ＝３．７μｍ）であるときのグラフである。０で示すグラフは、誘電体層の厚みが０λ（λ＝１．８７μｍ）、すなわち、誘電体層が形成されていないときのグラフである。

（図３に示すグラフの条件）
（誘電体層あり）
圧電基板：カット角が１２９°のＬｉＮｂＯ_３基板（ψ＝０°）
ＩＤＴ電極：圧電基板側から、Ｔｉ層（厚み１０ｎｍ）、ＡｌＣｕ層（厚み１３０ｎｍ）、Ｔｉ層（厚み１０ｎｍ）、Ｐｔ層（厚み７８０ｎｍ）及びＮｉＣｒ層（厚み１０ｎｍ）の積層体
ＩＤＴ電極のＤｕｔｙ：０．４７５
誘電体層：圧電基板側から、厚み１０１４ｎｍのＳｉＯ_２層及び厚み４０ｎｍのＳｉＮ層の積層体

（誘電体層なし）
圧電基板：カット角が１２７．５°のＬｉＮｂＯ_３基板（ψ＝０°）
ＩＤＴ電極：圧電基板側から、Ｔｉ層（厚み１０ｎｍ）、ＡｌＣｕ層（厚み１３０ｎｍ）、Ｔｉ層（厚み１０ｎｍ）、Ｐｔ層（厚み３３ｎｍ）及びＮｉＣｒ層（厚み１０ｎｍ）の積層体
ＩＤＴ電極のＤｕｔｙ：０．４

図３に示すグラフより、ψが０°である場合は、誘電体層の厚みが０．２λを上回ると高次モードに起因するスプリアスが生じ、誘電体層の厚みが０．２５λ以上となると高次モードに起因するスプリアスがより大きくなることが分かる。

ここで、本実施形態では、圧電基板１０のオイラー角（φ，θ，ψ）のψの絶対値が０°より大きくされている。このため、厚みが０．２λ以上である誘電体層を形成したときに生じ得る高次モードに起因するスプリアスを抑制することができる。次に、この効果について、具体例に基づいて説明する。

図４は、以下の条件を満たすときの、ψが０°、５°、１０°、１５°であるときの弾性表面波装置のインピーダンス特性を表すグラフである。

（図４に示すグラフの条件）
波長λ：１．９μｍ
圧電基板：カット角が１２７．５°のＬｉＮｂＯ_３基板
ＩＤＴ電極：圧電基板側から、Ｔｉ層（厚み１０ｎｍ）、ＡｌＣｕ層（厚み１３０ｎｍ）、Ｔｉ層（厚み１０ｎｍ）、Ｐｔ層（厚み３３ｎｍ）及びＮｉＣｒ層（厚み１０ｎｍ）の積層体
ＩＤＴ電極のＤｕｔｙ：０．４７５
誘電体層：圧電基板側から、厚み６２３ｎｍ（０．３２８λ）のＳｉＯ_２層及び厚み２０ｎｍのＳｉＮ層の積層体

図４に示すグラフから、ψが０°であるときは、高次モードに起因するスプリアスが大きく現れる。ψの絶対値を０°よりも大きくすることにより、高次モードに起因するスプリアスを抑圧できることが分かる。

なお、ψの絶対値を０°よりも大きくすることにより、高次モードに起因するスプリアスを抑圧できるのは、以下の理由によるものと考えられる。すなわち、図５にも示すように、伝搬角ψの絶対値を０°から大きくするにつれて、圧電基板１０の速い横波の音速を遅くすることができる。不要波である高次モードの音速よりも圧電基板１０の速い横波音速が遅いと、高次モードが圧電基板１０の厚み方向に漏洩し、その結果、高次モードに起因するスプリアスを抑圧できる。このとき、高次モードの音速が圧電基板１０の速い横波より速ければ速いほど、高次モードが圧電基板側へ漏洩する割合が大きくなり、スプリアス抑制の改善効果が顕著となる。よって、伝搬角ψの絶対値を０°から大きくするにつれて、抑圧効果も大きくなる。

しかしながら、圧電基板１０の伝搬角ψの絶対値が大きくなりすぎると、弾性表面波装置１の耐電力性が低下する傾向にある。このため、伝搬角ψの絶対値は、１５°以下であることが好ましく、１０°以下であることがより好ましい。次に、このことについて具体例に基づいて説明する。

図６は、図４に示す弾性表面波装置と同じ弾性表面波装置の１７５０ＭＨｚ〜２０００ＭＨｚにおけるインピーダンス特性を示すグラフである。この弾性表面波装置は、レイリー波を使用するものであり、ＳＨ波は不要波となる。図６に示すように、伝搬角ψの絶対値が大きくなると、不要波であるＳＨ波に起因するスプリアスの周波数位置が、使用するレイリー波の共振周波数に近くなっていき、弾性表面波装置の耐電力性が悪化する傾向にある。これは以下の理由による。すなわち、フィルタ帯域には電力が印加されるが、このとき、レイリー波の共振周波数とＳＨ波に起因するスプリアスの周波数が近いと、フィルタ帯域近傍あるいはフィルタ帯域内にスプリアスが存在することとなり、スプリアスの周波数帯域にも電力が印加されてしまう。その結果、共振子は急速に発熱して、フィルタの耐電力性が劣化する。

図７は、伝搬角ψと、（ＳＨ波に起因するスプリアスの周波数／レイリー波の共振周波数）との関係を表すグラフである。図７に示すように、伝搬角ψの絶対値を１５°以下にすることにより、（ＳＨ波に起因するスプリアスの周波数／レイリー波の共振周波数）を１．０２以上とすることができ、１０°以下とすることにより、（ＳＨ波に起因するスプリアスの周波数／レイリー波の共振周波数）をさらに大きくすることができる。従って、耐電力性を改善する観点からは、伝搬角ψの絶対値は、１５°以下であることが好ましく、１０°以下であることがより好ましい。

圧電基板１０のオイラー角（φ，θ，ψ）のφ及びθは特に限定されない。θは、例えば３０°〜４０°とすることができる。φは、０°±５°の範囲内とすることができる。

なお、本発明において、オイラー角、結晶軸及び等価なオイラー角の意味は以下の通りとする。

オイラー角：
本発明において、基板の切断面と表面波の伝搬方向を表現するオイラー角（φ，θ，ψ）は、文献「弾性波素子技術ハンドブック」（日本学術振興会弾性波素子技術第１５０委員会、第１版第１刷、平成３年１月３０日発行、５４９頁）記載の右手系オイラー角である。すなわち、例えば、ＬｉＮｂＯ_３基板の結晶軸Ｘ、Ｙ、Ｚに対し、Ｚ軸を軸としてＸ軸を反時計廻りにφ回転しＸａ軸を得る。次に、Ｘａ軸を軸としてＺ軸を反時計廻りにθ回転しＺ′軸を得る。Ｘａ軸を含み、Ｚ′軸を法線とする面を基板の切断面とする。そして、Ｚ′軸を軸としてＸａ軸を反時計廻りにψ回転した軸Ｘ′方向を表面波の伝搬方向とする。

結晶軸：
オイラー角の初期値として与える結晶軸Ｘ、Ｙ、Ｚ軸をｃ軸と平行とし、Ｘ軸を等価な３方向のａ軸のうち任意の１つと平行とし、Ｙ軸はＸ軸とＺ軸を含む面の法線方向とする。

等価なオイラー角：
本発明におけるオイラー角（φ，θ，ψ）は結晶学的に等価であればよい。例えば、文献（日本音響学会誌３６巻３号、１９８０年、１４０〜１４５頁）によれば、ＬｉＮｂＯ_３基板は三方晶系３ｍ点群に属する結晶であるので、〔１〕式が成り立つ。

Ｆ（φ，θ，ψ）＝Ｆ（６０°−φ，−θ，１８０°−ψ）
＝Ｆ（６０°＋φ，−θ，ψ）
＝Ｆ（φ，１８０°＋θ，１８０°−ψ）
＝Ｆ（φ，θ，１８０°＋ψ） 〔１〕

ここで、Ｆは、電気機械結合係数ｋｓ２、伝搬損失、ＴＣＦ、ＰＦＡ、ナチュラル一方向性などの任意の表面波特性である。ＰＦＡのナチュラル一方向性は、例えば伝搬方向を正負反転してみた場合、符号は変わるものの絶対量は等しいので実用上等価であると考える。

１…弾性表面波装置
１０…圧電基板
１０ａ…主面
１１…ＩＤＴ電極
１２…誘電体層
１３…第１の誘電体層
１４…第２の誘電体層

Claims (7)

1. ＬｉＮｂＯ_３からなる圧電基板と、前記圧電基板の上に形成されたＩＤＴ電極と、前記ＩＤＴ電極を覆うように前記圧電基板の上に形成された誘電体層とを備え、前記ＩＤＴ電極の電極指ピッチで決まる波長をλとしたときに前記誘電体層の厚みが０．２λ以上である弾性表面波装置であって、
   前記圧電基板のオイラー角（φ，θ，ψ）のψの絶対値が０°より大きい、弾性表面波装置。
2. 前記ψの絶対値が１５°以下である、請求項１に記載の弾性表面波装置。
3. 前記φが０°±５°の範囲内にあり、前記θが３０°〜４０°の範囲内にある、請求項１または２に記載の弾性表面波装置。
4. 前記誘電体層の厚みが０．２５λ以上である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の弾性表面波装置。
5. 前記誘電体層は、酸化ケイ素からなる誘電体層を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の弾性表面波装置。
6. 前記誘電体層は、前記酸化ケイ素からなる誘電体層と、前記酸化ケイ素からなる誘電体層の上に形成されており、窒化ケイ素からなるさらなる誘電体層とを含む、請求項５に記載の弾性表面波装置。
7. 前記ＩＤＴ電極は、Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｗ及びＴａからなる群から選ばれた金属、または、Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｗ及びＴａからなる群から選ばれた金属の一種以上を含む合金からなる導電層を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の弾性表面波装置。

Images