JP2014176076A

JP2014176076A - 弾性表面波・擬似弾性表面波・弾性境界波を用いた弾性表面波基板とその基板を用いた弾性表面波機能素子

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Publication number: JP2014176076A
Application number: JP2013065064A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Yamanouchi; 和彦山之内
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-03-07
Filing date: 2013-03-07
Publication date: 2014-09-22

Abstract

【課題】比較的広帯域で温度特性に優れ、かつ伝搬減衰の小さな弾性表面波基板及び当該基板を用いた電子装置を提供する。
【解決手段】電気機械結合係数（ｋ^２）の大きな回転Ｙカット−Ｘ伝搬ＬｉＴａＯ_３圧電基板１上にすだれ状電極２、誘電体膜３を付着させた構成において、すだれ状電極と誘電体膜の質量付加効果を考慮した表面短絡の条件で、圧電基板１の表面を伝搬する遅い横波より遅い速度で伝搬する疑似弾性表面波を用いること、及び圧電基板と逆の周波数温度特性を持つ誘電体膜３を用いることで、比較的広帯域で温度特性に優れ伝搬減衰の小さな弾性表面波基板が得られる。また、当該基板を用いることで、より温度特性の優れた広帯域の低挿入損失のフィルタ、広帯域電圧制御発振器、遅延線などが得られる。
【選択図】図２

Description

本発明は回転Ｙ−Ｘ伝搬のＬｉＴａＯ_３上に伝搬速度の遅いすだれ状電極、或いはすだれ状電極上にＳｉＯ_２薄膜などの誘電体膜を設けた遅い横波より遅い伝搬速度で伝搬する基板中への放射の無い伝搬減衰が零の横波型の弾性表面波・擬似弾性表面波・擬似弾性境界波基板及びその基板を用いた高周波帯の弾性表面波フィルタ及び弾性表面波機能素子に関するものである。

圧電性基板表面にすだれ状電極を設けた弾性表面波変換器を用いた弾性表面波フィルタ及び弾性表面波機能素子は、テレビの中間周波数帯のフィルタ、移動体通信用のフィルタとして広く応用されている。これらのフィルタでは、比較的帯域幅が広い特性が要求される。また、温度の変化に対する周波数特性の変化の小さいフィルタ、発振器、及び変換器が要求されている。

しかし、従来のフィルタは電気機械結合係数（ｋ^２）の大きな圧電体基板が用いられているが、ｋ^２の大きな基板は一般に温度特性が悪く、温度安定性に欠ける。

一方、温度安定性に優れた弾性表面波基板として、ＳＴ−カット水晶、ＬＳＴ−カット水晶などが提案されている。しかし、これらの単結晶基板は、高安定の発振器として有用であるが、電気機械結合係数が小さいので、広い帯域幅を持ち、挿入損失の小さいフィルタ、広帯域の発振器には向かない。

この改善策として、高結合で温度特性の優れた圧電単結晶、ＫＮｂＯ_３が検討されているが、実用化に重要な大型の単結晶の育成に難点がある。

（１）Ｋ．Ｙａｍａｎｏｕｃｈｉ，Ｋ．ＩｗａｈａｓｈｉａｎｄＫ，Ｓｈｉｂａｙａｍａ：ＷａｖｅＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，３．（１９７９−１２）（２）Ｋ．ＹａｍａｎｏｕｃｈｉａｎｄＳ．Ｈａｙａｍａ：ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ｏｎＳｏｎｉｃｓａｎｄＵｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ，．Ｖｏｌ−１，Ｊａｎ．１９８４

発明が解決しようとする課題

温度安定性に優れ、かつ大きな電気機械結合係数をもつ基板として、ＬｉＮｂＯ_３，ＬｉＴａＯ_３基板表面に、逆の温度特性をもつＳｉＯ_２膜を付着させたＳｉＯ_２／ＬｉＮｂＯ_３、ＳｉＯ_２／ＬｉＴａＯ_３基板が考案され、（文献：Ｋ．Ｙｍａｎｏｕｃｈｉ，Ｋ．ＩｗａｈａｓｈｉａｎｄＫ．Ｓｈｉｂａｙａｍａ：ＷａｖｅＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，３，（１９７９−１２）及び、文献：Ｋ．ＹａｍａｎｏｕｃｈｉａｎｄＳ．Ｈａｙａｍａ：ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ｏｎＳｏｎｉｃｓａｎｄＵｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ−１，Ｊａｎ．，１９８４）、実験により好結果が得られている。この基板は、高安定の発信器及び通常のすだれ状電極を用いたフィルタとしての応用が提案されている。また、これらの基板の内、やや温度特性に優れたＬｉＴａＯ_３基板を用いた大きなｋ^２の基板、或いはより薄い膜厚の薄膜構造基板でかつ広い温度範囲で安定性に優れ、かつ伝搬減衰の小さな弾性表面波基板が要求されている。

課題を解決するための手段

本発明は、高結合で温度特性に優れた回転Ｙ−Ｘ伝搬のＬｉＴａＯ_３圧電性基板表面に伝搬速度の遅い電極を用いたｋ^２の大きな基板、及び薄い膜厚の逆の温度特性を持つ薄膜を付着させることにより広い温度範囲で高安定、かつ広帯域の低挿入損失のフィルタ、広帯域電圧制御発振器、遅延線などを得ることを目的としている。

発明の効果

本発明のフィルタ及び機能素子を用いることにより、広い帯域幅、低挿入損失、かつ温度安定性に優れた弾性表面波フィルタ、高性能の弾性表面波共振器及びＶＣＯなどの弾性波機能素子、高性能の半導体素子と組み合わせた素子が得られる

は、基板上にすだれ状電極を付着させた基板の構造図である。（ａ）すだれ状電極の平面図（ｂ）基板とすだれ状電極の断面図は、誘電体膜／すだれ状電極／圧電体基板の構造図である。は、電極膜厚に対する伝搬減衰特性を示す図である。は、誘電体膜厚に対する周波数温度特性（ＴＣＦ）を示す図である。は、誘電体膜厚に対する伝搬速度を示す図である。

１…圧電単結晶基板、２…すだれ状電極、３…誘電体薄膜、４…界面ショートの伝搬減衰、５…界面オープンの伝搬減衰、６…界面ショートのＴＣＦ、７…界面オープンのＴＣＦ、８…界面ショートの擬似弾性表面波の速度、９…界面オープンの擬似弾性表面波の速度

圧電単結晶表面にすだれ状電極を作成した構造、或いはその表面に基板と逆の周波数温度特性をもつ薄膜、例えばＳｉＯ_２薄膜を作製した、界面ショートで遅い横波より遅い擬似弾性表面波を用いた、より大きなｋ^２と周波数温度特性に優れた基板が本発明の実施形態である。

実施例の１は、図１のように、電気機械結合係数の大きな圧電性或いは電歪性基板上にすだれ状電極を付着させた弾性表面波基板において、圧電性或いは電歪性基板として、回転Ｙ板のカット角が−５度から６０度の範囲のＬｉＴａＯ_３基板であり、かつ弾性表面波の伝搬方向がＸ軸或いはＸ軸からプラス・マイナス５度の範囲であり、その基板上に付着したすだれ状電極の質量付加効果を考慮した表面短絡の条件では遅い横波速度より遅い速度で伝搬する弾性表面波であり、かつ表面開放の条件では、遅い横波より早い速度で伝搬する擬似弾性表面波を用いた基板、或いは、表面開放の条件では、遅い横波より遅い速度で伝搬する弾性表面波を用いた基板構造の電極／回転Ｙ−Ｘ伝搬のＬｉＴａＯ_３基板、及びこの基板を用いた電子装置が実施例の１である。

実施例の２は、図２のように、電気機械結合係数の大きな圧電性或いは電歪性基板上にすだれ状電極を付着させた弾性表面波基板において、その上に周波数温度特性が圧電基板と逆の周波数温度特性をもつ誘電体膜を付着させた基板であって、圧電性或いは電歪性基板として、回転Ｙ板のカット角が−５度から６０度の範囲のＬｉＴａＯ_３基板であり、かつ弾性表面波の伝搬方向がＸ軸或いはＸ軸からプラス・マイナス５度の範囲であり、その上に付着したすだれ状電極と誘電体膜の質量付加効果を考慮した表面短絡の条件では遅い横波速度より遅い速度で伝搬する弾性表面波であり、かつ表面開放の条件では、遅い横波より早い速度で伝搬する擬似弾性表面波を用いた基板、或いは、表面開放の条件では、遅い横波より遅い速度で伝搬する弾性表面波基板構造の誘電体膜／電極／回転Ｙ−Ｘ伝搬のＬｉＴａＯ_３基板或いは誘電体／誘電膜／電極／回転Ｙ−Ｘ伝搬のＬｉＴａＯ_３基板、及びこれらの基板を用いた電子装置が、実施例の２である。

実施例の３は、電気機械結合係数の大きな圧電性或いは電歪性基板上にすだれ状電極を付着させた弾性表面波基板において、その上に周波数温度特性が圧電基板と逆の周波数温度特性をもつ誘電体膜を付着させた基板であって、圧電性或いは電歪性基板として、回転Ｙ板のカット角が−５度から６０度の範囲のＬｉＴａＯ_３基板であり、かつ弾性表面波の伝搬方向がＸ軸或いはＸ軸からプラス・マイナス５度の範囲である、その基板上に付着したすだれ状電極と誘電体膜の質量付加効果を考慮した表面短絡の条件では遅い横波速度より遅い速度で伝搬する、そのエネルギーの９０％以上を基板中に集中し、誘電体薄膜表面のエネルギーは、１０％以下の擬似弾性境界波であり、かつ表面開放の条件では、遅い横波より早い速度で伝搬する擬似弾性境界波基板、或いは、表面開放の条件では、遅い横波より遅い速度で伝搬する擬似弾性境界波基板構造の誘電体膜／電極／回転Ｙ−Ｘ伝搬のＬｉＴａＯ_３基板、及び誘電体膜上に更に誘電体膜を付着させた誘電体／誘電体膜／電極／回転Ｙ−Ｘ伝搬のＬｉＴａＯ_３基板、この基板を用いた電子装置が実施例の３である。

実施例の４は、請求項１，２、３において、誘電体膜として、溶解石英、ガラス、ＴｅＯ_２、ＡｌＮ、ＳｉＣなどであり、すだれ状電極として、Ａｕ，Ａｌ、Ｃｕ，Ａｇ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｇｅなど、またこれらの合金などであり、すだれ状電極の膜厚、Ｈ_１／λ（Ｈ_１：薄膜の膜厚、λ：波長）が、Ｈ_１／λ＝０．０１からＨ_１／λ＝０．２の範囲にあり、誘電体膜の膜厚として、Ｈ_２／λ（Ｈ_２：薄膜の膜厚、λ：波長）が、Ｈ_２／λ＝０．０１からＨ_２／λ＝２．０の範囲にある、電極／回転Ｙ−Ｘ伝搬のＬｉＴａＯ_３基板、及び誘電体薄膜／電極／回転Ｙ−Ｘ伝搬のＬｉＴａＯ_３基板及びこの基板、或いは誘電体／誘電体／電極／回転Ｙ−Ｘ伝搬のＬｉＴａＯ_３基板、及びこの基板を用いた電子装置が実施例の４である。

実施例の５は、請求項１、２、３、４において、すだれ状電極材料を基板表面に埋め込んだ構造の弾性表面波基板、及びこの基板を用いた電子装置が実施例の５である。

実施例の６は、誘電体薄膜の構造として、すだれ状電極上の表面に誘電体膜を付着させた構造、或いはすだれ状電極間に誘電体膜を付着させた構造の弾性波基板とこの基板を用いた電子装置が実施例の６である。

実施例の７は、ＬｉＴａＯ_３単結晶、水晶、ランガサイト単結晶上にすだれ状電極を付着させた弾性表面波基板において、その基板上に付着したすだれ状電極膜の質量付加効果を考慮した表面短絡の条件では遅い横波速度より遅い速度で伝搬する基板であり、かつ表面開放の条件では、遅い横波より早い速度で伝搬する擬似弾性表面波基板、或いは、表面開放の条件では、遅い横波より遅い速度で伝搬する擬似弾性表面波基板を用いた電極／単結晶或いはその上に誘電体薄膜を付着した、誘電体／電極／単結晶基板、或いは弾性擬似境界波を用いた基板、及びこの基板を用いた電子装置が実施例の７である。
本特許の特性を以下に示す。
図３は、回転２０°カット、Ｘ伝搬のＬｉＴａＯ_３基板上に膜厚Ｈ_１／λのＡｕ（Ｈ_１；Ａｕの膜厚、λ：弾性表面波の波長）を付着させた場合の伝搬減衰をします。図の４は、すだれ状電極の共振状態に対応する界面ショートの場合の伝搬減衰、図の５は、すだれ状電極の***振状態に対応する界面オープンの場合の伝搬減衰を示す。擬似弾性表面波の伝搬速度が遅い横波の速度である３３４０ｍ／ｓより遅くなった、短絡の場合のＨ_１／λ＝０．０３３０以上では、伝搬減衰が零となり、良好な共振特性が得られる。また、***振では、電極に発生する電荷が限りなく零である必要があり、Ｈ_１／λ＝０．０３３０以上、Ｈ_１／λ＝０．０４１２５の範囲では、界面オープンでは、伝搬減衰が存在するが、***振状態での特性の劣化は少ない。しかし、Ｈ_１／λ＝０．０４１２５以上では、擬似弾性表面波の伝搬速度が遅い横波の速度である３３４０ｍ／ｓ以下では、伝搬減が零となり、シャープな***振特性が得られる。また、このカット角では、大きなｋ^２が得られる特徴がある。
図４は、回転２０°カット、Ｘ伝搬のＬｉＴａＯ_３基板上に膜厚Ｈ_１／λ＝０．０５のＡｕを付着させた後、膜厚Ｈ_２／λのＳｉＯ_２膜（Ｈ_２；ＳｉＯ_２の膜厚、λ：弾性表面波の波長）を付着させた場合のＴＣＦを示す。図の６は、すだれ状電極の共振状態に対応する界面ショートの場合のＴＣＦ、図の７は、すだれ状電極の***振状態に対応する界面オープンの場合のＴＣＦを示す。図から、ショートの場合は、Ｈ_２／λ＝０．１６付近で零ＴＣＦが得られることが判る。一方、界面オープンのＴＣＦも−１５ｐｐｍ／°Ｃと良好な値が得られている。また、Ａｕの膜厚、Ｈ_１／λ＝０．０５の場合は、界面ショート、オープンいずれでも、伝搬減衰は零である。
図５は、回転２０°カット、Ｘ伝搬のＬｉＴａＯ_３基板上に膜厚Ｈ_１／λ＝０．０５のＡｕを付着させた後、膜厚Ｈ_２／λのＳｉＯ_２膜（Ｈ_２；ＳｉＯ_２の膜厚、λ：弾性表面波の波長）を付着させた場合の擬似弾性表面波の速度を示す。図の８は、すだれ状電極の共振状態に対応する界面ショートの場合の速度、図の９は、すだれ状電極の***振状態に対応する界面オープンの場合のＴＣＦを示す。図から、ショートの場合、及びオープンの場合の速度は、Ｈ_２／λ＝０．６以上では、膜厚に対する速度の変化が非常に小さく、弾性波のエネルギーの約９０％以上が、基板中に集中し、薄膜表面のエネルギーは、約１０％以下となり、擬似弾性境界波が伝搬している。従って、Ｈ_２／λ＝０．６以上では、この基板は、擬似弾性境界波基板である。

Claims

電気機械結合係数の大きな圧電性或いは電歪性基板上にすだれ状電極を付着させた弾性表面波基板において、圧電性或いは電歪性基板として、回転Ｙ板のカット角が−５度から６０度の範囲のＬｉＴａＯ_３基板であり、かつ弾性表面波の伝搬方向がＸ軸或いはＸ軸からプラス・マイナス５度の範囲であり、その基板上に付着したすだれ状電極の質量付加効果を考慮した表面短絡の条件では遅い横波速度より遅い速度で伝搬する弾性表面波であり、かつ表面開放の条件では、遅い横波より早い速度で伝搬する擬似弾性表面波を用いた基板、或いは、表面開放の条件では、遅い横波より遅い速度で伝搬する弾性表面波を用いた基板構造の電極／回転Ｙ−Ｘ伝搬のＬｉＴａＯ_３基板、及びこの基板を用いた電子装置。
電気機械結合係数の大きな圧電性或いは電歪性基板上にすだれ状電極を付着させた弾性表面波基板において、その上に周波数温度特性が圧電基板と逆の周波数温度特性をもつ誘電体膜を付着させた基板であって、圧電性或いは電歪性基板として、回転Ｙ板のカット角が−５度から６０度の範囲のＬｉＴａＯ_３基板であり、かつ弾性表面波の伝搬方向がＸ軸或いはＸ軸からプラス・マイナス５度の範囲であり、その上に付着したすだれ状電極と誘電体膜の質量付加効果を考慮した表面短絡の条件では遅い横波速度より遅い速度で伝搬する弾性表面波であり、かつ表面開放の条件では、遅い横波より早い速度で伝搬する擬似弾性表面波を用いた基板、或いは、表面開放の条件では、遅い横波より遅い速度で伝搬する弾性表面波基板構造の誘電体膜／電極／回転Ｙ−Ｘ伝搬のＬｉＴａＯ_３基板或いは誘電体／誘電膜／電極／回転Ｙ−Ｘ伝搬のＬｉＴａＯ３基板、及びこれらの基板を用いた電子装置。
電気機械結合係数の大きな圧電性或いは電歪性基板上にすだれ状電極を付着させた弾性表面波基板において、その上に周波数温度特性が圧電基板と逆の周波数温度特性をもつ誘電体膜を付着させた基板であって、圧電性或いは電歪性基板として、回転Ｙ板のカット角が−５度から６０度の範囲のＬｉＴａＯ_３基板であり、かつ弾性表面波の伝搬方向がＸ軸或いはＸ軸からプラス・マイナス５度の範囲である、その基板上に付着したすだれ状電極と誘電体膜の質量付加効果を考慮した表面短絡の条件では遅い横波速度より遅い速度で伝搬する、そのエネルギーの９０％以上を基板中に集中し、誘電体薄膜表面のエネルギーは、１０％以下の擬似弾性境界波であり、かつ表面開放の条件では、遅い横波より早い速度で伝搬する擬似弾性境界波基板、或いは、表面開放の条件では、遅い横波より遅い速度で伝搬する擬似弾性境界波基板構造の誘電体膜／電極／回転Ｙ−Ｘ伝搬のＬｉＴａＯ_３基板、及び誘電体膜上に更に誘電体膜を付着させた誘電体／誘電体膜／電極／回転Ｙ−Ｘ伝搬のＬｉＴａＯ_３基板、この基板を用いた電子装置。
請求項１，２、３において、誘電体膜として、溶解石英、ガラス、ＴｅＯ_２、ＡｌＮ、ＳｉＣなどであり、すだれ状電極として、Ａｕ，Ａｌ、Ｃｕ，Ａｇ，Ｓｉ，Ｃｒ，Ｇｅ，Ｎｉなど、またこれらの合金などであり、すだれ状電極の膜厚、Ｈ_１／λ（Ｈ_１：薄膜の膜厚、λ：波長）が、Ｈ_１／λ＝０．０１からＨ_１／λ＝０．２の範囲にあり、誘電体膜の膜厚として、Ｈ_２／λ（Ｈ_２：薄膜の膜厚、λ：波長）が、Ｈ_２／λ＝０．０１からＨ_２／λ＝２．０の範囲にある、電極／回転Ｙ−Ｘ伝搬のＬｉＴａＯ_３基板、及び誘電体薄膜／電極／回転Ｙ−Ｘ伝搬のＬｉＴａＯ_３基板及びこの基板、或いは誘電体／誘電体／電極／回転Ｙ−Ｘ伝搬のＬｉＴａＯ_３基板、及びこの基板を用いた電子装置。
請求項１、２、３、４において、すだれ状電極材料を基板表面に埋め込んだ構造の弾性表面波基板、及びこの基板を用いた電子装置。
誘電体薄膜の構造として、すだれ状電極上の表面に誘電体膜を付着させた構造、或いはすだれ状電極間に誘電体膜を付着させた構造の弾性波基板とこの基板を用いた電子装置。
ＬｉＴａＯ_３単結晶、水晶、ランガサイト単結晶上にすだれ状電極を付着させた弾性表面波基板において、その基板上に付着したすだれ状電極膜の質量付加効果を考慮した表面短絡の条件では遅い横波速度より遅い速度で伝搬する基板であり、かつ表面開放の条件では、遅い横波より早い速度で伝搬する擬似弾性表面波基板、或いは、表面開放の条件では、遅い横波より遅い速度で伝搬する擬似弾性表面波基板を用いた電極／単結晶、或いはその上に誘電体薄膜を付着した、誘電体／電極／単結晶基板、或いは弾性擬似境界波を用いた基板、及びこの基板を用いた電子装置。