JP2023124332A - 弾性波デバイス、フィルタおよびマルチプレクサ - Google Patents
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Abstract
【課題】伝搬損失を小さくし、周波数温度特性を向上させることが可能な弾性波デバイスを提供する。【解決手段】弾性波デバイスは、支持基板１０と、支持基板１０上に設けられオイラー角が（０±５°、８０°≦θ≦１６０°、０±５°）である単結晶タンタル酸リチウムからなる圧電層１４と、支持基板１０と圧電層１４との間に設けられ、オイラー角が（０±５°、０°≦θ≦７６°、０±５°）、（０±５°、１６７°≦θ≦１８０°、０±５°）または（０±５°、０°≦θ≦１８０°、９０±５°）である単結晶水晶からなる水晶層１２と、圧電層１４における支持基板１０に対し反対側の面に設けられ、平均ピッチＤが、圧電層１４の厚さＴ４の１／２倍以上かつ反対側の面と水晶層１２において支持基板１０側の面との距離Ｔ５の１／４倍以上である複数の電極指１８を有する一対の櫛型電極２０とを備える。【選択図】図１
Description
本発明は、弾性波デバイス、フィルタおよびマルチプレクサに関し、例えば一対の櫛型電極を有する弾性波デバイス、フィルタおよびマルチプレクサに関する。
スマートフォン等の通信機器に用いられる弾性波共振器として、弾性表面波共振器が知られている。弾性表面波共振器を形成する圧電層を支持基板に接合することが知られている。圧電層の厚さを弾性表面波の波長以下とすることが知られている（例えば特許文献１）。圧電層と支持基板との間に温度補償膜を設け、圧電層と温度補償膜との合計の厚さを弾性表面波の波長の２倍以下とすることが知られている（例えば特許文献２）。圧電層と支持基板との間にアモルファス石英基板を設けることが知られている（例えば特許文献３）。支持基板として、単結晶水晶基板を用いることが知られている（例えば特許文献４）。
特許文献２では、温度補償膜として非結晶状の酸化シリコン膜を用いている。酸化シリコン膜が非結晶状である場合、圧電層および酸化シリコン膜を伝搬する弾性波の伝搬損失が大きくなることがある。また、非晶質状の酸化シリコン膜は温度補償膜としての機能が十分ではなく、周波数温度特性が低下することがある。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、伝搬損失を小さくし、周波数温度特性を向上させることを目的とする。
本発明は、支持基板と、前記支持基板上に設けられオイラー角が（０±５°、８０°≦θ≦１６０°、０±５°）である単結晶タンタル酸リチウムからなる圧電層と、前記支持基板と前記圧電層との間に設けられ、オイラー角が（０±５°、０°≦θ≦７６°、０±５°）、（０±５°、１６７°≦θ≦１８０°、０±５°）または（０±５°、０°≦θ≦１８０°、９０±５°）である単結晶水晶からなる水晶層と、前記圧電層における前記支持基板に対し反対側の面に設けられ、平均ピッチが、前記圧電層の厚さの１／２倍以上かつ前記反対側の面と前記水晶層において前記支持基板側の面との距離の１／４倍以上である複数の電極指を有する一対の櫛型電極と、を備える弾性波デバイスである。
上記構成において、前記単結晶タンタル酸リチウムのオイラー角は（０±５°、１２０°≦θ≦１５０°、０±５°）である構成とすることができる。
上記構成において、前記単結晶水晶のオイラー角は（０±５°、０°≦θ≦７６°、０±５°）または（０±５°、１６７°≦θ≦１８０°、０±５°）である構成とすることができる。
上記構成において、前記単結晶水晶のオイラー角は（０±５°、０°≦θ≦１８０°、９０±５°）である構成とすることができる。
本発明は、支持基板と、
前記支持基板上に設けられるオイラー角が（０±５°、８０°≦θ≦１６０°、０±５°）である単結晶ニオブ酸リチウムからなる圧電層と、前記支持基板と前記圧電層との間に設けられ、オイラー角が（０±５°、０°≦θ≦９８°、０±５°）、（０±５°、１４５°≦θ≦１８０°、０±５°）または（０±５°、０°≦θ≦１８０°、９０±５°）である単結晶水晶からなる水晶層と、前記圧電層における前記支持基板に対し反対側の面に設けられ、平均ピッチが、前記圧電層の厚さの１／２倍以上かつ前記反対側の面と前記水晶層において前記支持基板側の面との距離の１／４倍以上である複数の電極指を有する一対の櫛型電極と、を備える弾性波デバイスである。
前記支持基板上に設けられるオイラー角が（０±５°、８０°≦θ≦１６０°、０±５°）である単結晶ニオブ酸リチウムからなる圧電層と、前記支持基板と前記圧電層との間に設けられ、オイラー角が（０±５°、０°≦θ≦９８°、０±５°）、（０±５°、１４５°≦θ≦１８０°、０±５°）または（０±５°、０°≦θ≦１８０°、９０±５°）である単結晶水晶からなる水晶層と、前記圧電層における前記支持基板に対し反対側の面に設けられ、平均ピッチが、前記圧電層の厚さの１／２倍以上かつ前記反対側の面と前記水晶層において前記支持基板側の面との距離の１／４倍以上である複数の電極指を有する一対の櫛型電極と、を備える弾性波デバイスである。
上記構成において、前記単結晶ニオブ酸リチウムのオイラー角は（０±５°、１００°≦θ≦１３０°、０±５°）である構成とすることができる。
上記構成において、前記単結晶水晶のオイラー角は（０±５°、０°≦θ≦９８°、０±５°）または（０±５°、１４５°≦θ≦１８０°、０±５°）である構成とすることができる。
上記構成において、前記単結晶水晶のオイラー角は（０±５°、０°≦θ≦１８０°、９０±５°）である構成とすることができる。
本発明は、支持基板と、前記支持基板上に設けられる圧電層と、前記支持基板と前記圧電層との間に設けられ、配列方向に伝搬する横波音速が前記圧電層内を前記配列方向に伝搬する横波音速以下である単結晶水晶からなる水晶層と、前記圧電層における前記支持基板に対し反対側の面に設けられ、平均ピッチが、前記圧電層の厚さの１／２倍以上かつ前記反対側の面と前記水晶層において前記支持基板側の面との距離の１／４倍以上であり、前記配列方向に配列する複数の電極指を有する一対の櫛型電極と、を備える弾性波デバイスである。
上記構成において、前記圧電層と前記支持基板との間に絶縁層を備える構成とすることができる。
本発明は、上記弾性波デバイスを備えるフィルタである。
本発明は、上記フィルタを備えるマルチプレクサである。
本発明によれば、伝搬損失を小さくし、周波数温度特性を向上させることができる。
以下、図面を参照し本発明の実施例について説明する。
実施例１では弾性波デバイスとして弾性波共振器の例を説明する。図１（ａ）は、実施例１における弾性波共振器の平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ－Ａ断面図である。電極指の配列方向をＸ方向、電極指の延伸方向をＹ方向、支持基板および圧電層の積層方向をＺ方向とする。Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向は、圧電層の結晶方位のＸ軸方向およびＹ軸方向とは必ずしも対応しない。圧電層が回転ＹカットＸ伝搬基板の場合、Ｘ方向は結晶方位のＸ軸方向となる。
図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、支持基板１０上に圧電層１４が設けられている。支持基板１０と圧電層１４との間に水晶層１２が設けられている。支持基板１０と水晶層１２との間に絶縁層１１が設けられている。水晶層１２と圧電層１４との間に接合層１３が設けられている。
圧電層１４上に弾性波共振器２６が設けられている。弾性波共振器２６はＩＤＴ（Interdigital Transducer）２２および反射器２４を有する。反射器２４はＩＤＴ２２のＸ方向の両側に設けられている。ＩＤＴ２２および反射器２４は、圧電層１４上の金属膜１６により形成される。
ＩＤＴ２２は、対向する一対の櫛型電極２０を備える。櫛型電極２０は、複数の電極指１８と、複数の電極指１８が接続されたバスバー１９と、を備える。Ｘ方向からみて一対の櫛型電極２０の電極指１８が交差する領域が交差領域２５である。交差領域２５の長さが開口長である。一対の櫛型電極２０は、交差領域２５の少なくとも一部において電極指１８が１本おきに交互に設けられている。交差領域２５において複数の電極指１８が主に励振する弾性波は、主にＸ方向に伝搬する。一対の櫛型電極２０のうち一方の櫛型電極２０の電極指１８のピッチがほぼ弾性波の波長λとなる。複数の電極指１８のピッチ（電極指１８の中心間のピッチ）をＤとすると、一方の櫛型電極２０の電極指１８のピッチは電極指１８の２本分のピッチＤとなる。反射器２４は、ＩＤＴ２２の電極指１８が励振した弾性波（弾性表面波）を反射する。これにより弾性波はＩＤＴ２２の交差領域２５内に閉じ込められる。
圧電層１４は、例えば回転ＹカットＸ伝搬単結晶タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）基板または回転ＹカットＸ伝搬単結晶ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）基板からなる。圧電層１４の厚さＴ４は、例えば弾性波の波長λ以下であり、０．１λ以上である。
支持基板１０は、例えばサファイア基板、アルミナ基板、シリコン基板、ムライト基板、スピネル基板、水晶基板または石英基板である。サファイア基板は単結晶Ａｌ２Ｏ３基板であり、アルミナ基板は多結晶または非晶質Ａｌ２Ｏ３基板であり、シリコン基板は単結晶または多結晶のシリコン基板であり、ムライト基板は、多結晶または非晶質Ａｌ６Ｏ１３Ｓｉ２基板であり、スピネル基板は多結晶または非晶質ＭｇＡｌ２Ｏ４基板であり、水晶基板は単結晶ＳｉＯ２基板であり、石英基板は多結晶または非晶質ＳｉＯ２基板である。支持基板１０のＸ方向の線膨張係数は圧電層１４のＸ方向の線膨張係数より小さい。これにより、弾性波共振器の周波数温度依存性を小さくできる。
水晶層１２は単結晶水晶（単結晶のＳｉＯ２）からなる。水晶層１２は、温度補償膜として機能し、圧電層１４の弾性定数の温度係数の符号と反対の符号の弾性定数の温度係数を有する。例えば圧電層１４の弾性定数の温度係数は負であり、水晶層１２の弾性定数の温度係数は正である。
水晶層１２が温度補償の機能を有するためにはメイン応答の弾性波のエネルギーが水晶層１２内にある程度存在することが求められる。弾性表面波のエネルギーが集中する範囲は弾性表面波の種類に依存するものの、典型的には弾性表面波のエネルギーは圧電層１４の上面から２λ（λは弾性波の波長）の範囲に集中し、特に圧電層１４の上面からλの範囲に集中する。そこで、水晶層１２の下面から圧電層１４の上面までの距離Ｔ５は、２λ以下である。水晶層１２の厚さＴ２は例えば弾性波の波長λ以下であり、０．１λ以上である。
絶縁層１１は、例えば多結晶または非晶質であり、酸化アルミニウム膜、窒化シリコン膜、窒化アルミニウム膜またシリコン膜である。絶縁層１１は異なる材料からなる複数の層が積層されていてもよい。弾性表面波を圧電層１４および水晶層１２に閉じ込めるため、絶縁層１１の横波音速は水晶層１２の横波音速より速いことが好ましい。支持基板１０の横波音速は絶縁層１１の横波音速より速い。なお、支持基板１０の横波音速は絶縁層１１の横波音速より遅くてもよい。絶縁層１１の厚さＴ１は例えば弾性波の波長λ以上かつ１０λ以下である。
接合層１３は、水晶層１２と圧電層１４を接合する層であり、例えば酸化アルミニウム層、窒化酸化アルミニウム層である。表面活性化法等を用い水晶層１２と圧電層１４とを直接接合することが難しい場合に、接合層１３を設ける。接合層１３は設けなくてもよい。接合層１３の横波音速は圧電層１４の横波音速より速い。接合層１３の厚さＴ３は例えば１ｎｍ以上かつ５０ｎｍ以下である。
金属膜１６は、例えばアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）またはモリブデン（Ｍｏ）を主成分とする膜である。電極指１８と圧電層１４との間にチタン（Ｔｉ）膜またはクロム（Ｃｒ）膜等の密着膜が設けられていてもよい。密着膜は電極指１８より薄い。電極指１８を覆うように絶縁膜が設けられていてもよい。絶縁膜は保護膜または温度補償膜として機能する。
図２（ａ）から図３（ｃ）は、実施例１に係る弾性波デバイスの製造方法を示す断面図である。図２（ａ）に示すように、支持基板１０を準備する。支持基板１０の上面は略平坦面である。図２（ｂ）に示すように、支持基板１０上に絶縁層１１および接合層１３ａを形成する。絶縁層１１および接合層１３ａの形成には、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、真空蒸着法またはスパッタリング法を用いる。接合層１３ａの材料および厚さの例は接合層１３と同様である。
図２（ｃ）に示すように、接合層１３ａ上に水晶層１２を接合する。水晶層１２の接合には例えば表面活性化法を用いる。水晶層１２と絶縁層１１とを直接接合することが難しい場合に接合層１３ａを設ける。接合層１３ａは設けなくてもよい。図２（ｄ）に示すように、水晶層１２の上面を研磨し、水晶層１２を薄膜化する。水晶層１２の研磨には例えばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法を用いる。
図３（ａ）に示すように、水晶層１２上に接合層１３を形成する。接合層１３の形成には、例えばＣＶＤ法、真空蒸着法またはスパッタリング法を用いる。図３（ｂ）に示すように、接合層１３上に圧電層１４を接合する。圧電層１４の接合には例えば表面活性化法を用いる。水晶層１２と圧電層１４とを直接接合することが難しい場合に接合層１３を設ける。接合層１３は設けなくてもよい。図３（ｃ）に示すように、圧電層１４の上面を研磨し、圧電層１４を薄膜化する。圧電層１４の研磨には例えばＣＭＰ法を用いる。その後、圧電層１４上に弾性波共振器２６を形成する。これにより、弾性波デバイスが製造される。
［シミュレーション］
水晶層１２の結晶方位を変え、弾性波共振器の特性をシミュレーションした。シミュレーション条件は以下である。
弾性波の波長λ：１．５μｍ
支持基板１０：厚さが４．５μｍのサファイア基板
絶縁層１１：厚さが６μｍの酸化アルミニウム層
水晶層１２：厚さが３００ｎｍ（０．２λ）の単結晶水晶
接合層１３：厚さが１０ｎｍの窒化酸化アルミニウム層
圧電層１４：厚さが４５０ｎｍ（０．３λ）の４２°ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウム基板
金属膜１６：厚さが１５０ｎｍ（０．１λ）のアルミニウム膜
弾性波の伝搬方向はタンタル酸リチウム基板の結晶方位におけるＸ軸方向である。
比較例では、水晶層１２を非晶質状の酸化シリコン膜とした。
水晶層１２の結晶方位を変え、弾性波共振器の特性をシミュレーションした。シミュレーション条件は以下である。
弾性波の波長λ：１．５μｍ
支持基板１０：厚さが４．５μｍのサファイア基板
絶縁層１１：厚さが６μｍの酸化アルミニウム層
水晶層１２：厚さが３００ｎｍ（０．２λ）の単結晶水晶
接合層１３：厚さが１０ｎｍの窒化酸化アルミニウム層
圧電層１４：厚さが４５０ｎｍ（０．３λ）の４２°ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウム基板
金属膜１６：厚さが１５０ｎｍ（０．１λ）のアルミニウム膜
弾性波の伝搬方向はタンタル酸リチウム基板の結晶方位におけるＸ軸方向である。
比較例では、水晶層１２を非晶質状の酸化シリコン膜とした。
圧電層１４および水晶層１２の結晶方位を弾性表面波デバイスにおいて一般的に用いられるオイラー角で表現する。弾性表面波デバイスにおけるオイラー角（φ、θ、ψ）の定義は以下である。右手系のＸＹＺ座標系において、弾性波の伝搬方向（すなわち電極指１８の配列方向）をＸ方向とし、圧電層１４の上面の法線方向をＺ方向とし、Ｘ方向およびＺ方向に直交する方向（すなわち電極指１８の延伸方向）をＹ方向とする。まず、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向をそれぞれ結晶方位のＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向とする。次に、Ｚ軸を中心に＋Ｘ軸から＋Ｙ軸の方向にφ回転させる。φ回転後のＸ軸を中心に＋Ｙ軸から＋Ｚ軸の方向にθ回転させる。θ回転後のＺ軸を中心に＋Ｘ軸から＋Ｙ軸の方向にψ回転させる。このように、結晶方位を回転させた結晶のオイラー角が（φ、θ、ψ）である。例えば、４２°ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウム基板のオイラー角は（０°、１３２°、０°）である。なお、ここでは、φ、θおよびψとして０°～１８０°を用い表現するが、（φ、θ、ψ）を用い表現されるオイラー角は、等価なオイラー角を含む。
水晶層１２におけるオイラー角を（０°、θ、０°）とし、共振周波数ｆｒおよび***振周波数ｆａにおける弾性波のＴＣＶ（Temperature Coefficient of Velocity）をシミュレーションした。ＴＣＦ（Temperature Coefficient of Frequency）はＴＣＶ－ＣＴＥ（Coefficient of Thermal Expansion）である。ＣＴＥが同じであれば、ＴＣＶの絶対値を小さくするとＴＣＦの絶対値が小さくなる。
図４（ａ）は、シミュレーションにおけるθに対するＴＣＶを示す図である。黒丸および黒三角は、単結晶の水晶層１２を用いた弾性波共振器におけるそれぞれ共振周波数ｆｒおよび***振周波数ｆａにおけるＴＣＶのシミュレーション値である。曲線は、黒丸をつなぐ線および黒三角をつなぐ線である。白丸および白三角は、水晶層１２に非晶質状の酸化シリコン層を用いた比較例である。図４（ａ）に示すように、θが２０°～３０°においてＴＣＶが最も大きくなる。θが１３０°においてＴＣＶが最も小さくなる。θが０°～９０°または１６０°～１８０°では、共振周波数ｆｒおよび***振周波数ｆａにおけるＴＣＶの絶対値は、それぞれ比較例における共振周波数ｆｒおよび***振周波数ｆａにおけるＴＣＶの絶対値より小さくなる。
図４（ｂ）は、θに対するΔＴＣＶを示す図である。ΔＴＣＶは、（共振周波数ｆｒにおけるＴＣＶ）－（***振周波数ｆａにおけるＴＣＶ）である。黒丸は、単結晶の水晶層１２を用いたΔＴＣＶ、白丸は比較例におけるΔＴＣＶである。図４（ｂ）に示すように、θが０°～９０°または１３０°～１８０°では、ΔＴＣＶは比較例のΔＴＣＶより小さくなる。
図５（ａ）は、シミュレーションにおけるθに対するΔＹおよびｋ２を示す図である。ΔＹは、共振周波数にけるアドミッタンスの絶対値と***振周波数におけるアドミッタンスの絶対値の差である。ｋ２は電気機械結合係数である。黒丸および黒三角は、単結晶の水晶層１２を用いた弾性波共振器におけるそれぞれΔＹおよびｋ２のシミュレーション値である。曲線は、黒丸をつなぐ線および黒三角をつなぐ線である。白丸は、比較例におけるΔＹである。図５（ａ）に示すように、単結晶の水晶層１２を用いた弾性波共振器のΔＹは比較例のΔＹより大きい。θが９０°～１５０°においてΔＹおよび電気機械結合係数ｋ２が大きくなる。
図５（ｂ）は、θに対する周波数感度を示す図である。周波数感度は、圧電層１４の厚さＴ４が変化したときの共振周波数ｆｒおよび***振周波数ｆａの変化を示す指標である。黒丸および黒三角は、単結晶の水晶層１２を用いた弾性波共振器におけるそれぞれ共振周波数ｆｒおよび***振周波数ｆａの周波数感度のシミュレーション値である。曲線は、黒丸をつなぐ線および黒三角をつなぐ線である。破線直線は、比較例における共振周波数ｆｒの周波数感度である。図５（ｂ）に示すように、θが３０°において周波数感度が最大となり、θが１２０°～１３０°において周波数感度が最小となる。θが０°～７０°および１７０°～１８０°において周波数感度は比較例より大きくなる。
図６は、単結晶水晶におけるθに対するＸ方向に伝搬する横波音速をシミュレーションした図である。破線は、オイラー角が（０°、１３２°、０°）のタンタル酸リチウム基板の音速である。図６に示すように、単結晶水晶の横波音速はθが３０°が最小であり、θが１２０°が最大である。（０°、１３２°、０°）のタンタル酸リチウム基板の横波音速は約４２５０ｍ／ｓである。
図６と図４（ａ）および図４（ｂ）を比較すると、単結晶の水晶層１２のＸ方向に伝搬する横波音速が小さいと、ＴＣＶの絶対値およびΔＴＣＶは小さくなる。特に、水晶層１２の横波音速が圧電層１４のＸ方向に伝搬する横波音速より遅いθの範囲ではＴＣＶの絶対値およびΔＴＣＶが小さい。この理由は以下と考えられる。特許文献２の図５（ａ）および図５（ｂ）のように、弾性表面波の変位は、圧電層１４の表面近くが最も大きく、圧電層１４の表面から２λ程度の深さまでに収まる。水晶層１２の横波音速が圧電層１４の横波音速より速い場合、弾性表面波は水晶層１２を伝搬しにくくなり、水晶層１２内の弾性表面波の変位は小さくなる。このため、水晶層１２における温度補償の機能が低下する。一方、水晶層１２の横波音速が圧電層１４の横波音速より遅い場合、水晶層１２内の弾性表面波の変位が大きくなる。このため、水晶層１２における温度補償の機能が増大するためと考えられる。
図６と図５（ａ）を比較すると、水晶層１２の横波音速が圧電層１４の横波音速より遅いθの範囲では、水晶層１２の横波音速が圧電層１４の横波音速より速いθの範囲に比べ、ΔＹおよびｋ２が小さい。これは、圧電層１４を伝搬する水晶層１２の横波音速が圧電層１４の横波音速より速い場合、水晶層１２より圧電性の高い圧電層１４内の弾性表面波の変位が大きくなる。このため、ΔＹおよびｋ２が大きくなる。水晶層１２の横波音速が圧電層１４の横波音速より遅い場合、圧電層１４内の弾性表面波の変位が小さくなる。このため、ΔＹおよびｋ２が小さくなると考えられる。水晶層１２の横波音速が圧電層１４の横波音速より遅い場合でも、比較例よりはΔＹおよびｋ２が大きい。これは、比較例では温度補償膜は非晶質状の酸化シリコン膜であることから、温度補償膜を伝搬する弾性表面波の伝搬損失が大きくなる。これに対し、実施例１のように温度補償膜を単結晶水晶とすることで、水晶層１２を伝搬する弾性表面波の伝搬損失を抑制できるためと考えられる。
図６と図５（ｂ）を比較すると、水晶層１２の横波音速が圧電層１４の横波音速より遅いθの範囲では、水晶層１２の横波音速が圧電層１４の横波音速より速いθの範囲より周波数感度が大きい。共振周波数ｆｒおよび***振周波数ｆａを制御する観点からは、水晶層１２の横波音速を圧電層１４の横波音速より速くする方が有利である。
以上のように、θの範囲を水晶層１２の横波音速が圧電層１４の横波音速より遅い範囲とすることで、ＴＣＶの絶対値およびΔＴＣＶが小さくなり、周波数温度特性を向上できる。この範囲では、水晶層１２の横波音速が圧電層１４の横波音速より速い範囲よりΔＹおよびｋ２が小さく、周波数感度が大きいものの、比較例よりΔＹおよびｋ２を大きくできる。水晶層１２を設ける目的は温度補償のためであることから、θの範囲を水晶層１２の横波音速が圧電層１４の横波音速より遅い範囲とすることで、周波数温度特性を向上させ、かつ比較例より伝搬損失を向上できる。
圧電層１４にタンタル酸リチウム基板またはニオブ酸リチウム基板を用いる場合には、ＳＨ（Shear Horizontal）波等の漏洩弾性表面波（ＬＳＡＷ：Leaky Surface Acoustic Wave）またはレイリー波を主モードとして用いるためＹカットＸ伝搬基板を用いる。この場合、圧電層１４のオイラー角は（０°、θ、０°）である。単結晶水晶を水晶層１２に用いる場合、弾性表面波の伝搬方向とエネルギーの伝搬方向との角度であるパワーフロー角が０°であることが好ましい。この観点から水晶層１２のオイラー角は（０°、θ、ψ）であり、ψは０°または９０°である。
まず、オイラー角が（０°、θ、０°）のタンタル酸リチウム基板とオイラー角が（０°、θ、０°）の水晶基板のＸ方向に伝搬する横波音速をシミュレーションして比較した。なお、タンタル酸リチウム基板における横波音速はＬＳＡＷの音速に相当する。図７は、タンタル酸リチウム基板と単結晶水晶基板におけるθに対する横波音速を示す図である。水晶は、単結晶水晶基板の横波音速を示し、ＬＴは、タンタル酸リチウム基板の横波音速を示す。
図７に示すように、タンタル酸リチウム基板では、θが１３５°付近で横波音速が最も速く、このときの横波音速は４２５０ｍ／ｓである。このとき、水晶層１２のθを０°≦θ≦θＱ１（θＱ１＝７６°）またはθＱ２≦θ≦１８０°（θＱ２＝１６７°）とすることで、水晶層１２の横波音速を圧電層１４の横波音速以下とすることができる。タンタル酸リチウムのθが１２０°≦θ≦１５０°では、横波音速はほぼ４２５０ｍ／ｓで一定である。よって、圧電層１４のθが１２０°～１５０°のとき、水晶層１２のθを０°≦θ≦７６°または１６７°≦θ≦１８０°とすることで、水晶層１２の横波音速を圧電層１４の横波音速より遅くできる。
弾性表面波としてＬＳＡＷを用いる場合、圧電層１４のθはθＬ１＝８０°以上かつθＬ２＝１６０°以下の回転ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウム基板を用いることが多い。この範囲のθにおいて圧電層１４の横波音速が最も遅いのはθＬ１＝８０°のときである。このときの圧電層１４の横波音速は約４０００ｍ／ｓである。そこで、水晶層１２のθを０°≦θ≦θＱ３（θＱ３＝６７°）またはθＱ４≦θ≦１８０°（θＱ４＝１７６°）とすることで、水晶層１２の横波音速を圧電層１４の横波音速より遅くできる。
次に、オイラー角が（０°、θ、０°）のニオブ酸リチウム基板とオイラー角が（０°、θ、０°）の水晶基板のＸ方向に伝搬する横波音速をシミュレーションして比較した。図８は、ニオブ酸リチウム基板と単結晶水晶基板におけるθに対する横波音速を示す図である。水晶は、単結晶水晶基板の横波音速を示し、ＬＮは、ニオブ酸リチウム基板の横波音速を示す。
図８に示すように、ニオブ酸リチウム基板では、θが１１３°付近で横波音速が最も速く、このときの横波音速は４８８０ｍ／ｓである。このとき、水晶層１２のθを０°≦θ≦θＱ１（θＱ１＝９８°）またはθＱ２≦θ≦１８０°（θＱ２＝１４５°）とすることで、水晶層１２の横波音速を圧電層１４の横波音速以下とすることができる。ニオブ酸リチウムのθが１００°≦θ≦１３０°では、横波音速はほぼ４８８０ｍ／ｓで一定である。よって、圧電層１４のθが１００°～１３０°のとき、水晶層１２のθを０°≦θ≦９８°または１４５°≦θ≦１８０°とすることで、水晶層１２の横波音速を圧電層１４の横波音速より遅くできる。
弾性表面波としてＬＳＡＷを用いる場合、圧電層１４のθはθＬ１＝８０°以上かつθＬ２＝１６０°以下の回転ＹカットＸ伝搬ニオブ酸リチウム基板を用いることが多い。この範囲のθにおいて圧電層１４の横波音速が最も遅いのはθＬ２＝１６０°のときである。このときの圧電層１４の横波音速は約４６００ｍ／ｓである。そこで、水晶層１２のθを０°≦θ≦θＱ３（θＱ３＝７２°）またはθＱ４≦θ≦１８０°（θＱ４＝１５６°）とすることで、水晶層１２の横波音速を圧電層１４の横波音速より遅くできる。
図９は、単結晶水晶基板におけるθおよびψに対する横波音速を示す図である。横波音速が４０００ｍ／ｓの線を太実線で示し、横波音速が４０００ｍ／ｓより大きい線を細実線で示し、横波音速が４０００ｍ／ｓより小さい線を細破線で示した。図９に示すように、ψが０°および１８０°では、θが１０°～５０°において横波音速が遅く、θが９０°～１６０°において横波音速が速い。ψが４０°～７０°では、θが３０°～５０°において横波音速が速く、θが１００°～１４０°において横波音速が遅い。ψが９０°付近では、θによらず横波音速は３５００ｍ／ｓ～４２５０ｍ／ｓである。ψが９０°付近では、θによらず、水晶層１２の横波音速を回転ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウムおよび回転ＹカットＸ伝搬ニオブ酸リチウム基板の横波音速より遅くできる。ψが９０°付近において、水晶層１２におけるθを０°≦θ≦６０°または１１０°≦θ≦１８０°とすることで、横波音速を４０００ｍ／ｓ以下とすることができる。
以上のように、一対の櫛型電極２０の複数の電極指１８の平均ピッチを、圧電層１４の厚さＴ４の１／２倍以上（すなわち厚さＴ４を弾性波の波長λ以下）とし、かつ圧電層１４における支持基板１０に対し反対側の面と水晶層１２において支持基板１０側の面との距離Ｔ５の１／４倍以上（すなわち距離Ｔ５を２λ以下）とする。このとき、水晶層１２はＸ方向（配列方向）に伝搬する横波音速が圧電層１４内をＸ方向に伝搬する横波音速以下である単結晶水晶とする。これにより、図５（ａ）のように、水晶層１２を伝搬する弾性波の伝搬損失を抑制し、かつ図４（ａ）および図４（ｂ）のように、周波数温度特性を向上できる。水晶層１２におけるＸ方向に伝搬する横波音速は、圧電層１４におけるＸ方向に伝搬する横波音速の０．９８倍以下が好ましく、０．９５倍以下がより好ましく、０．９倍以下がさらに好ましい。
スプリアスおよび損失を抑制するため、電極指１８の平均ピッチは、圧電層１４の厚さＴ４の１／１．６倍以上（すなわち厚さＴ４は０．８λ以下）がより好ましく、厚さＴ４の１倍以上（すなわち厚さＴ４は０．５λ以下）がさらに好ましい。圧電層１４が薄すぎると、圧電特性が劣化する。この観点から、電極指１８の平均ピッチは、圧電層１４の厚さＴ４の１／０．２倍以下（すなわち厚さＴ４は０．１λ以上）が好ましく、厚さＴ４の１／０．４倍以下（すなわち厚さＴ４は０．２λ以上）がよりに好ましい。
弾性表面波を圧電層１４および水晶層１２に閉じ込め、損失の抑制および周波数温度特性を向上させるため、電極指１８の平均ピッチは、圧電層１４の上面と水晶層１２の下面との距離Ｔ５の１／３倍以上（すなわち距離Ｔ５は１．５λ以下）がより好ましく、距離Ｔ５は１／２倍以上（すなわち距離Ｔ５は１λ以下）がさらに好ましい。距離Ｔ５が小さすぎると、弾性表面波が絶縁層１１に漏れてしまう。この観点から、電極指１８の平均ピッチは、距離Ｔ５の１／０．４倍以下（すなわち距離Ｔ５は０．２λ以上）が好ましく、距離Ｔ５の１倍以下（すなわち距離Ｔ５は０．５λ以上）がより好ましい。
弾性表面波を圧電層１４および水晶層１２に閉じ込めるため、電極指１８の平均ピッチは、水晶層１２の厚さＴ２の１／１．６倍以上（すなわち厚さＴ２は０．８λ以下）がより好ましく、厚さＴ２の１倍以上（すなわち厚さＴ２は０．５λ以下）がさらに好ましい。水晶層１２が薄すぎると、温度補償の機能が劣化する。この観点から、電極指１８の平均ピッチは、水晶層１２の厚さＴ２の１／０．２倍以下（すなわち厚さＴ２は０．１λ以上）が好ましく、厚さＴ４の１／０．４倍以下（すなわち厚さＴ２は０．２λ以上）がより好ましい。
オイラー角φおよびψは厳密に０°でなくても、０±５°であれば、図４（ａ）～図９のシミュレーション結果を一般化できる。そこで、図７および図９のように、単結晶タンタル酸リチウムからなる圧電層１４のとき、圧電層１４のオイラー角を（０±５°、８０°≦θ≦１６０°、０±５°）とし、水晶層１２のオイラー角を（０±５°、０°≦θ≦７６°、０±５°）、（０±５°、１６７°≦θ≦１８０°、０±５°）または（０±５°、０°≦θ≦１８０°、９０±５°）とする。圧電層１４および水晶層１２のθの範囲が上記の場合、水晶層１２の横波音速が圧電層１４の横波音速より速い場合も含まれる。このθの範囲において最も遅い圧電層１４の横波音速は４０００ｍ／ｓであり、最も速い水晶層１２の横波音速は４２５０ｍ／ｓである。このθの範囲において、水晶層１２の最も速い横波音速は、圧電層１４の最も遅い横波音速の１．０６２５倍である。この程度であれば、伝搬損失を小さくし、かつ周波数温度特性を向上させることができる。
水晶層１２の横波音速を圧電層１４の横波音速に対しより遅くするため、圧電層１４のオイラー角は（０±５°、１１０°≦θ≦１５０°、０±５°）がより好ましく、（０±５°、１１５°≦θ≦１４５°、０±５°）がさらに好ましい。水晶層１２のオイラー角は、（０±５°、０°≦θ≦６７°、０±５°）または（０±５°、１７６°≦θ≦１８０°、０±５°）が好ましく、（０±５°、０°≦θ≦６０°、０±５°）がさらに好ましい。
図９のように、単結晶タンタル酸リチウムからなる圧電層１４のとき、圧電層１４のオイラー角を（０±５°、８０°≦θ≦１６０°、０±５°）とし、水晶層１２のオイラー角を（０±５°、０°≦θ≦１８０°、９０±５°）とする。これにより、水晶層１２の最も速い横波音速は４２５０ｍ／ｓであり、圧電層１４の最も遅い横波音速は４０００ｍ／ｓとなる。よって、伝搬損失を小さくし、かつ周波数温度特性を向上させることができる。水晶層１２のオイラー角を（０±５°、０°≦θ≦６０°または１１０°≦θ≦１８０°、９０±５°）とすることで、水晶層１２の横波音速を圧電層１４の横波音速より遅くできる。よって、伝搬損失を小さくし、かつ周波数温度特性を向上させることができる。水晶層１２のオイラー角は、（０±５°、０°≦θ≦４０°または１４０°≦θ≦１８０°、９０±５°）がより好ましい。
図８および図９のように、単結晶ニオブ酸リチウムからなる圧電層１４のとき、圧電層１４のオイラー角を（０±５°、８０°≦θ≦１６０°、０±５°）とし、水晶層１２のオイラー角を（０±５°、０°≦θ≦９８°、０±５°）、（０±５°、１４５°≦θ≦１８０°、０±５°）または（０±５°、０°≦θ≦１８０°、９０±５°）とする。圧電層１４および水晶層１２のθの範囲が上記の場合、水晶層１２の横波音速が圧電層１４の横波音速より速い場合も含まれる。このθの範囲において最も遅い圧電層１４の横波音速は４６００ｍ／ｓであり、最も速い水晶層１２の横波音速は４８８０ｍ／ｓである。このθの範囲において、水晶層１２の最も速い横波音速は、圧電層１４の最も遅い横波音速の１．０５４倍である。この程度であれば、伝搬損失を小さくし、かつ周波数温度特性を向上させることができる。
水晶層１２の横波音速を圧電層１４の横波音速に対しより遅くするため、圧電層１４のオイラー角は（０±５°、１００°≦θ≦１４０°、０±５°）がより好ましく、（０±５°、１１０°≦θ≦１３０°、０±５°）がさらに好ましい。水晶層１２のオイラー角は、（０±５°、０°≦θ≦７２°、０±５°）または（０±５°、１５６°≦θ≦１８０°、０±５°）が好ましく、（０±５°、０°≦θ≦６０°、０±５°）がさらに好ましい。
図９のように、単結晶タンタル酸リチウムからなる圧電層１４のとき、圧電層１４のオイラー角を（０±５°、８０°≦θ≦１６０°、０±５°）とし、水晶層１２のオイラー角を（０±５°、０°≦θ≦１８０°、９０±５°）とする。これにより、水晶層１２の最も速い横波音速は４２５０ｍ／ｓであり、圧電層１４の最も遅い横波音速は４６００ｍ／ｓとなる。水晶層１２の横波音速を圧電層１４の横波音速より遅くできる。よって、伝搬損失を小さくし、かつ周波数温度特性を向上させることができる。水晶層１２のオイラー角を（０±５°、０°≦θ≦６０°または１１０°≦θ≦１８０°、９０±５°）とすることで、水晶層１２の横波音速を圧電層１４の横波音速より遅くできる。よって、伝搬損失を小さくし、かつ周波数温度特性を向上させることができる。水晶層１２のオイラー角は、（０±５°、０°≦θ≦４０°または１４０°≦θ≦１８０°、９０±５°）がより好ましい。
水晶層１２と支持基板１０との間に、横波音速が水晶層１２の横波音速より速い絶縁層１１を備える。これにより、圧電層１４および水晶層１２に弾性表面を閉じ込めることができる。よって、水晶層１２が温度補償膜としてより機能することができる。
絶縁層１１が薄くなると弾性波が圧電層１４および水晶層１２に閉じ込められにくくなる。この観点から、絶縁層１１の厚さＴ１は電極指１８の平均ピッチＤの２倍（１λ）以上が好ましく、３．０倍（１．５λ）以上がより好ましい。絶縁層１１を厚くすると、製造工程が増大および製造プロセスの難易度が上昇する。この観点から、絶縁層１１の厚さＴ１は電極指１８の平均ピッチＤの１０倍（５λ）以下が好ましく、８倍（４λ）以下がより好ましい。
弾性表面波を圧電層１４および水晶層１２に閉じ込めるため、絶縁層１１の横波音速は、水晶層１２の横波音速の１．１倍以上が好ましく、１．２倍以上がより好ましい。また、絶縁層１１の横波音速は圧電層１４の横波音速より大きいことが好ましい。絶縁層１１の横波音速が速すぎると、バルク波を含む弾性波が絶縁層１１と水晶層１２との界面で反射されてしまう。この観点から絶縁層１１の横波音速は水晶層１２の横波音速の２．０倍以下が好ましく、１．５倍以下がより好ましい。
［実施例１の変形例１］
図１０は、実施例１の変形例１に係る弾性波デバイスの断面図である。図１０に示すように、支持基板１０と絶縁層１１との界面３０は粗面または凹凸面でもよい。これにより、水晶層１２から絶縁層１１を通過したバルク波等の不要波が支持基板１０と絶縁層１１との界面３０において散乱される。よって、スプリアスを抑制できる。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
図１０は、実施例１の変形例１に係る弾性波デバイスの断面図である。図１０に示すように、支持基板１０と絶縁層１１との界面３０は粗面または凹凸面でもよい。これにより、水晶層１２から絶縁層１１を通過したバルク波等の不要波が支持基板１０と絶縁層１１との界面３０において散乱される。よって、スプリアスを抑制できる。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
図１１（ａ）は、実施例２に係るフィルタの回路図である。図１１（ａ）に示すように、入力端子Ｔｉｎと出力端子Ｔｏｕｔとの間に、１または複数の直列共振器Ｓ１からＳ３が直列に接続されている。入力端子Ｔｉｎと出力端子Ｔｏｕｔとの間に、１または複数の並列共振器Ｐ１およびＰ２が並列に接続されている。１または複数の直列共振器Ｓ１からＳ３および１または複数の並列共振器Ｐ１およびＰ２の少なくとも１つに実施例１およびその変形例の弾性波共振器を用いることができる。ラダー型フィルタの共振器の個数等は適宜設定できる。フィルタは、一対の櫛型電極を２対以上有する多重モード型フィルタでもよい。
［実施例２の変形例１］
図１１（ｂ）は、実施例２の変形例１に係るデュプレクサの回路図である。図１１（ｂ）に示すように、共通端子Ａｎｔと送信端子Ｔｘとの間に送信フィルタ４０が接続されている。共通端子Ａｎｔと受信端子Ｒｘとの間に受信フィルタ４２が接続されている。送信フィルタ４０は、送信端子Ｔｘから入力された高周波信号のうち送信帯域の信号を送信信号として共通端子Ａｎｔに通過させ、他の周波数の信号を抑圧する。受信フィルタ４２は、共通端子Ａｎｔから入力された高周波信号のうち受信帯域の信号を受信信号として受信端子Ｒｘに通過させ、他の周波数の信号を抑圧する。送信フィルタ４０および受信フィルタ４２の少なくとも一方を実施例２のフィルタとすることができる。
図１１（ｂ）は、実施例２の変形例１に係るデュプレクサの回路図である。図１１（ｂ）に示すように、共通端子Ａｎｔと送信端子Ｔｘとの間に送信フィルタ４０が接続されている。共通端子Ａｎｔと受信端子Ｒｘとの間に受信フィルタ４２が接続されている。送信フィルタ４０は、送信端子Ｔｘから入力された高周波信号のうち送信帯域の信号を送信信号として共通端子Ａｎｔに通過させ、他の周波数の信号を抑圧する。受信フィルタ４２は、共通端子Ａｎｔから入力された高周波信号のうち受信帯域の信号を受信信号として受信端子Ｒｘに通過させ、他の周波数の信号を抑圧する。送信フィルタ４０および受信フィルタ４２の少なくとも一方を実施例２のフィルタとすることができる。
マルチプレクサとしてデュプレクサを例に説明したがトリプレクサまたはクワッドプレクサでもよい。
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
１０ 支持基板
１１ 絶縁層
１２ 水晶層
１３、１３ａ 接合層
１４ 圧電層
１６ 金属膜
１８ 電極指
２０ 櫛型電極
２２ ＩＤＴ
２５ 交差領域
２６ 弾性波共振器
４０ 送信フィルタ
４２ 受信フィルタ
１１ 絶縁層
１２ 水晶層
１３、１３ａ 接合層
１４ 圧電層
１６ 金属膜
１８ 電極指
２０ 櫛型電極
２２ ＩＤＴ
２５ 交差領域
２６ 弾性波共振器
４０ 送信フィルタ
４２ 受信フィルタ
Claims (12)
- 支持基板と、
前記支持基板上に設けられオイラー角が（０±５°、８０°≦θ≦１６０°、０±５°）である単結晶タンタル酸リチウムからなる圧電層と、
前記支持基板と前記圧電層との間に設けられ、オイラー角が（０±５°、０°≦θ≦７６°、０±５°）、（０±５°、１６７°≦θ≦１８０°、０±５°）または（０±５°、０°≦θ≦１８０°、９０±５°）である単結晶水晶からなる水晶層と、
前記圧電層における前記支持基板に対し反対側の面に設けられ、平均ピッチが、前記圧電層の厚さの１／２倍以上かつ前記反対側の面と前記水晶層において前記支持基板側の面との距離の１／４倍以上である複数の電極指を有する一対の櫛型電極と、
を備える弾性波デバイス。 - 前記単結晶タンタル酸リチウムのオイラー角は（０±５°、１２０°≦θ≦１５０°、０±５°）である請求項１に記載の弾性波デバイス。
- 前記単結晶水晶のオイラー角は（０±５°、０°≦θ≦７６°、０±５°）または（０±５°、１６７°≦θ≦１８０°、０±５°）である請求項１に記載の弾性波デバイス。
- 前記単結晶水晶のオイラー角は（０±５°、０°≦θ≦１８０°、９０±５°）である請求項１に記載の弾性波デバイス。
- 支持基板と、
前記支持基板上に設けられるオイラー角が（０±５°、８０°≦θ≦１６０°、０±５°）である単結晶ニオブ酸リチウムからなる圧電層と、
前記支持基板と前記圧電層との間に設けられ、オイラー角が（０±５°、０°≦θ≦９８°、０±５°）、（０±５°、１４５°≦θ≦１８０°、０±５°）または（０±５°、０°≦θ≦１８０°、９０±５°）である単結晶水晶からなる水晶層と、
前記圧電層における前記支持基板に対し反対側の面に設けられ、平均ピッチが、前記圧電層の厚さの１／２倍以上かつ前記反対側の面と前記水晶層において前記支持基板側の面との距離の１／４倍以上である複数の電極指を有する一対の櫛型電極と、
を備える弾性波デバイス。 - 前記単結晶ニオブ酸リチウムのオイラー角は（０±５°、１００°≦θ≦１３０°、０±５°）である請求項５に記載の弾性波デバイス。
- 前記単結晶水晶のオイラー角は（０±５°、０°≦θ≦９８°、０±５°）または（０±５°、１４５°≦θ≦１８０°、０±５°）である請求項５に記載の弾性波デバイス。
- 前記単結晶水晶のオイラー角は（０±５°、０°≦θ≦１８０°、９０±５°）である請求項５に記載の弾性波デバイス。
- 支持基板と、
前記支持基板上に設けられる圧電層と、
前記支持基板と前記圧電層との間に設けられ、配列方向に伝搬する横波音速が前記圧電層内を前記配列方向に伝搬する横波音速以下である単結晶水晶からなる水晶層と、
前記圧電層における前記支持基板に対し反対側の面に設けられ、平均ピッチが、前記圧電層の厚さの１／２倍以上かつ前記反対側の面と前記水晶層において前記支持基板側の面との距離の１／４倍以上であり、前記配列方向に配列する複数の電極指を有する一対の櫛型電極と、
を備える弾性波デバイス。 - 前記圧電層と前記支持基板との間に絶縁層を備える請求項１から９のいずれか一項に記載の弾性波デバイス。
- 請求項１から１０のいずれか一項に記載の弾性波デバイスを備えるフィルタ。
- 請求項１１に記載のフィルタを備えるマルチプレクサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2022028037A JP2023124332A (ja) | 2022-02-25 | 2022-02-25 | 弾性波デバイス、フィルタおよびマルチプレクサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2022028037A JP2023124332A (ja) | 2022-02-25 | 2022-02-25 | 弾性波デバイス、フィルタおよびマルチプレクサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2023124332A true JP2023124332A (ja) | 2023-09-06 |
Family
ID=87886064
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2022028037A Pending JP2023124332A (ja) | 2022-02-25 | 2022-02-25 | 弾性波デバイス、フィルタおよびマルチプレクサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2023124332A (ja) |
-
2022
- 2022-02-25 JP JP2022028037A patent/JP2023124332A/ja active Pending
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