JP7163965B2 - 弾性波装置 - Google Patents
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Description
本発明は、ＩＤＴ（ＩｎｔｅｒＤｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）電極を有する弾性波装置に関する。
移動体通信機器の高周波フロントエンド部には、小型化、低損失、および高選択性の特徴を有する弾性表面波フィルタが用いられている。弾性表面波フィルタを構成する弾性表面波素子は、圧電体層の表面にＩＤＴ電極が形成された構成を有しており、電気信号と弾性波信号との間で相互変換が行われる。弾性表面波素子では、弾性表面波として様々な励振モードが利用されている。
特許文献１には、圧電体層表面に対して垂直面内で振動するＳＶ波よりも水平面内で振動するＳＨ波の励振を優勢とする圧電体層のオイラー角の範囲が規定されている。これによれば、ＳＨ波の電気機械結合係数を大きくし、かつ、ＳＶ波の電気機械結合係数を小さくすることで、ＳＨ波を主モードとしＳＶ波スプリアスを排除した、広帯域かつ減衰特性の良好な弾性波フィルタを構成できるとしている。
３Ｇ、４Ｇから５Ｇへと移動体通信システムが進展していく中で、使用周波数帯域は３ＧＨｚ以上の帯域へと高周波化されていく。弾性波素子を高周波化するには、（１）ＩＤＴ電極のピッチで規定されるＩＤＴ波長を小さくする、および、（２）音速を速くする、が挙げられるが、ＩＤＴ波長を小さくすると、ＩＤＴ電極加工精度の限界およびＩＤＴ電極の高抵抗化という問題が発生する。これより、弾性波素子の高周波化には、高音速化が重要となる。
圧電体層を含む基板内には、「遅い横波」、「速い横波」、「縦波」の３種類の体積波（バルク波）が存在するが、横波の成分が優勢である漏洩弾性表面波（ＬＳＡＷ）の位相速度は「遅い横波」と「速い横波」の中間に位置している。特許文献１においては、漏洩弾性表面波（ＬＳＡＷ）を高音速層に閉じ込めることにより、広帯域かつ減衰特性の良好な弾性波フィルタを実現している。これに対して、縦波型漏洩弾性表面波（ＬＬＳＡＷ）の位相速度は「速い横波」と「縦波」の中間に位置しており速い。よって、弾性波素子の高周波化として、縦波型漏洩弾性表面波（ＬＬＳＡＷ）を利用することが挙げられる。
しかしながら、縦波型漏洩弾性表面波（ＬＬＳＡＷ）は、圧電体層を含む基板へ漏洩しながら伝播するモードであるため、Ｑ値が劣化するという問題がある。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、縦波型の弾性波を利用し、すなわち、縦波型漏洩弾性表面波（ＬＬＳＡＷ）を圧電体層およびＩＤＴ電極へ効率的に閉じ込めることでＱ値の優れた弾性波装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る弾性波装置は、互いに対向する第１主面および第２主面を有する圧電体層と、前記第１主面上に直接的または間接的に形成されたＩＤＴ電極と、前記第２主面上に直接的または間接的に形成され、４Ｈ－形あるいは６Ｈ－形の結晶多形シリコンカーバイドを含む高音速部材と、を備える。
本発明によれば、縦波型漏洩弾性表面波（ＬＬＳＡＷ）を利用し、Ｑ値の優れた弾性波装置を提供することが可能となる。
以下、本発明の実施の形態について、実施の形態および図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置および接続形態などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。以下の実施の形態における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面に示される構成要素の大きさまたは大きさの比は、必ずしも厳密ではない。
（実施の形態）
［１－１．弾性波装置の構成］
図１は、実施の形態に係る弾性波装置１の断面図である。同図に示すように、弾性波装置１は、圧電体層１０と、ＩＤＴ（ＩｎｔｅｒＤｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）電極１１０と、高音速部材２０と、を備える。
［１－１．弾性波装置の構成］
図１は、実施の形態に係る弾性波装置１の断面図である。同図に示すように、弾性波装置１は、圧電体層１０と、ＩＤＴ（ＩｎｔｅｒＤｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）電極１１０と、高音速部材２０と、を備える。
圧電体層１０は、互いに対向する第１主面および第２主面を有し、圧電材料からなる薄膜または薄板である。圧電体層１０を構成する材料は、例えば、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＺｎＯ、ＡｌＮ、および水晶などのうち、弾性波装置１に要求される共振Ｑ値および電気機械結合係数などを考慮して適宜選択される。
ＩＤＴ電極１１０は、圧電体層１０の第１主面に形成された電極であり、例えば、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｇ、Ｗ、Ｍｏ、およびＴａなどから選択された金属、または、それらのうちの２以上の金属からなる合金もしくは積層体で構成される。ＩＤＴ電極１１０は、圧電体層１０を平面視した場合に、互いに対向する一対の櫛形電極を有している。一対の櫛形電極のそれぞれは、互いに平行な複数の電極指と、当該複数の電極指を接続するバスバー電極とで構成されている。一方の櫛形電極が有する複数の電極指と、他方の櫛形電極が有する複数の電極指とは、主モード弾性波伝播方向と直交する方向に沿って互いに間挿するように配置されている。ここで、一方の櫛形電極が有する複数の電極指ピッチは、ＩＤＴ波長λと定義される。言い換えれば、一対の櫛形電極を構成する複数の電極指の隣り合う電極指のピッチの２倍がＩＤＴ波長と定義される。なお、上記平面視において、ＩＤＴ電極１１０と主モード弾性波伝播方向に隣り合って反射器が配置されていてもよい。
高音速部材２０は、圧電体層１０の第２主面上に形成され、４Ｈ－形あるいは６Ｈ－形の結晶多形シリコンカーバイドからなる支持基板である。
上記構成を有する弾性波装置１は、縦波型弾性波を利用する弾性波装置であって、例えば、漏洩弾性表面波（ＬＳＡＷ：Ｌｅａｋｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）のうち縦波成分が横波成分より優勢である縦波型漏洩弾性表面波（ＬＬＳＡＷ：Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ－ｔｙｐｅ Ｌｅａｋｙ ＳＡＷ）の励振が可能な弾性波装置である。言い換えると、弾性波装置１は、縦波型漏洩弾性表面波（ＬＬＳＡＷ）を主モード弾性波として利用可能な弾性波装置である。
３Ｇ、４Ｇから５Ｇへと移動体通信システムが進展していく中で、使用周波数帯域は３ＧＨｚ以上の帯域へと高周波化されていく。弾性波装置を高周波化するには、（１）ＩＤＴ電極のピッチで規定されるＩＤＴ波長を小さくする、および、（２）音速を速くする、が挙げられるが、ＩＤＴ波長を小さくすると、ＩＤＴ電極加工精度の限界およびＩＤＴ電極の高抵抗化という問題が発生する。これより、弾性波装置の高周波化には、高音速化が重要となる。
圧電体層を含む基板内には、「遅い横波」、「速い横波」、「縦波」の３種類の体積波（バルク波）が存在するが、横波の成分が優勢である漏洩弾性表面波（ＬＳＡＷ）の位相速度は「遅い横波」と「速い横波」の中間に位置している。これに対して、縦波型漏洩弾性表面波（ＬＬＳＡＷ）の位相速度は「速い横波」と「縦波」の中間に位置しており速い。よって、弾性波装置の高周波化として、縦波型漏洩弾性表面波（ＬＬＳＡＷ）を利用することが挙げられる。
一方で、圧電体層と支持基板との積層構造を有する音響共振器では、支持基板のバルク波音速が圧電体層のそれよりも速い場合、ＩＤＴ電極によって励起されたモードは、支持基板のバルク波と結合せず、当該モードの音響エネルギーは圧電体層およびＩＤＴ電極に集中して分布することとなる。この時、縦波型漏洩弾性表面波（ＬＬＳＡＷ）はもはや漏洩せず、導波された（ｇｕｉｄｅｄ）縦波型の弾性波となる。
上述したように、縦波型漏洩弾性表面波（ＬＬＳＡＷ）は、漏洩弾性表面波（ＬＳＡＷ）に比べて非常に高音速であり、圧電体層の横波（例えばＳＶバルク波およびＳＨバルク波）と容易に結合する。この縦波型漏洩弾性表面波（ＬＬＳＡＷ）を効率よく圧電体層およびＩＤＴ電極に閉じ込めるためには、高音速部材の横波バルク波音速は、縦波型漏洩弾性表面波（ＬＬＳＡＷ）の音速より速いことが望ましい。
しかしながら、一般に、縦波型漏洩弾性表面波（ＬＬＳＡＷ）は、薄い圧電体層と高音速支持基板との積層構造において用いられるシリコンなどの高音速部材の横波バルク波の音速よりも高音速（６０００ｍ／ｓ以上）であるため、縦波型漏洩弾性表面波（ＬＬＳＡＷ）を圧電体層内に閉じ込めることが困難であり、十分なＱ値を確保することが困難であった。
これに対して、本実施の形態の上記構成によれば、支持基板である高音速部材２０が４Ｈ－形あるいは６Ｈ－形の結晶多形シリコンカーバイドからなるので、高音速部材２０の横波バルク波音速を、圧電体層１０を伝播する縦波型漏洩弾性表面波（ＬＬＳＡＷ）の音速より速くできる。よって、縦波型漏洩弾性表面波（ＬＬＳＡＷ）を圧電体層１０およびＩＤＴ電極１１０に効率よく閉じ込めることができるので、弾性波装置１が有する共振特性のＱ値を向上させることが可能となる。よって、縦波型の弾性波を利用し、Ｑ値の優れた弾性波装置１を提供することが可能となる。
シリコンカーバイドは、粘性損が最も小さい材料の一つであり、熱伝導性も大きい。したがって良好な電気特性および耐電力特性を期待しうる。シリコンカーバイドには、３Ｃ－形、４Ｈ－形、６Ｈ－形と呼ばれる結晶多形（ポリタイプ）が存在する。これらのうち、３Ｃ－形はバルク波音速が遅く、これを圧電体層と接する高音速部材として使用した場合、縦波型漏洩弾性表面波（ＬＬＳＡＷ）を閉じ込めるのには充分ではない。一方、４Ｈ－形および６Ｈ－形は、最も遅い横波バルク波音速が約６０００～７０００ｍ／ｓである。
図２Ａは、Ｓｉ、３Ｃ－ＳｉＣ、および４Ｈ（６Ｈ）－ＳｉＣのｃ面（オイラー角表記（０，０，ψ））における逆速度面を示すグラフである。同図に示すように、ｃ面を主面とした高音速部材に適用される場合、Ｓｉおよび３Ｃ－形シリコンカーバイドは、音速が約６０００ｍ／ｓ以下あるのに対して、４Ｈ－形、６Ｈ－形の結晶多形シリコンカーバイドは、音速が約６０００～７０００ｍ／ｓとなっている。これにより、４Ｈ－形、６Ｈ－形の結晶多形シリコンカーバイドを高音速部材２０として用いた場合、縦波型漏洩弾性表面波（ＬＬＳＡＷ）を圧電体層１０およびＩＤＴ電極１１０に効率よく閉じ込めるのに有利であることが解る。
以降では、高音速部材２０として４Ｈ－形、６Ｈ－形の結晶多形シリコンカーバイドを用いた場合の最適な結晶方位について説明する。なお、結晶方位を示すにあたり、以降では、オイラー角表記を用いる。
図２Ｂは、六方晶における結晶面方位を説明する図である。同図に示すように、本実施の形態では、ｃ面方位をオイラー角（０，０，ψ）と表し、ａ面方位をオイラー角（９０，９０，ψ）と表し、ｍ面方位をオイラー角（０，９０，ψ）と表し、ｒ面方位をオイラー角（０，１２２．２３，ψ）と表す。ここで、ψの定義を以下に示す。ψは、ｃ面の場合、ＩＤＴ電極が形成された主面側から俯瞰して見たときの電極指直交方向とシリコンカーバイドのミラー指数 結晶方位［１０００］とのなす角である。また、ψは、ａ面の場合、ＩＤＴ電極が形成された主面側から俯瞰して見たときの電極指直交方向とシリコンカーバイドのミラー指数 結晶方位［０００１］とのなす角である。また、ψは、ｒ面の場合、ＩＤＴ電極が形成された主面側から俯瞰して見たときの電極指直交方向とシリコンカーバイドのミラー指数 結晶方位［１－１０－１］とのなす角である。
なお、実施の形態に係る弾性波装置１において、圧電体層１０の膜厚は、ＩＤＴ電極１１０を構成する複数の電極指ピッチの２倍で規定されるＩＤＴ波長の３倍以下であってもよい。これにより、縦波型漏洩弾性表面波（ＬＬＳＡＷ）を圧電体層１０およびＩＤＴ電極１１０に効率よく閉じ込め易くなるので、弾性波装置１が有する共振特性のＱ値をさらに向上させることが可能となる。
さらに、実施の形態に係る弾性波装置１において、圧電体層１０の膜厚は、ＩＤＴ波長の０．０５倍以上かつ０．５倍以下であることが望ましい。これにより、弾性波装置１の電気機械結合係数と共振特性のＱ値との双方を向上させることが可能となる。
また、圧電体層１０は、タンタル酸リチウムからなっていてもよい。これにより、温度安定性に優れた弾性波装置１を提供できる。
また、圧電体層１０は、ニオブ酸リチウムからなっていてもよい。これにより、電気機械結合係数に優れた弾性波装置１を提供できる。
また、圧電体層１０のオイラー角を（φ，θ，ψ）と表記した場合、－５°≦φ≦５°、かつ、０°≦θ≦９０°、かつ、８５°≦ψ≦９５°であってもよい。例えば、ＹＺ－ＬｉＮｂＯ３（０°，９０°，９０°）からなる圧電体層１０が挙げられる。これにより、高音速であり、かつ、スプリアスの少ない縦波型漏洩弾性表面波（ＬＬＳＡＷ）モードを利用できる。
また、圧電体層１０のオイラー角を（φ，θ，ψ）と表記した場合、１５°≦φ≦９５°、かつ、８５°≦θ≦９５°、かつ、０°≦ψ≦６０°であってもよい。例えば、ＬｉＮｂＯ３（９０°，９０°，３６°）、または、ＬｉＴａＯ３（９０°，９０°，３１°）からなる圧電体層１０が挙げられる。これにより、高音速であり、かつ広帯域な縦波型漏洩弾性表面波（ＬＬＳＡＷ）モードを利用できる。
また、圧電体層１０のオイラー角を（φ，θ，ψ）と表記した場合、－５°≦φ≦５°、かつ、１２０°≦θ≦１６０°、かつ、－５°≦ψ≦５°であってもよい。例えば、４１°－ＬｉＮｂＯ３（０°，－４９°，０°）、または、３６°ＹＸ－ＬｉＴａＯ３（０°，－５４°，０°）からなる圧電体層１０が挙げられる。これにより、Ｑ値が高い縦波型漏洩弾性表面波（ＬＬＳＡＷ）モードを利用できる。
図３Ａは、実施の形態の変形例１に係る弾性波装置１Ａの断面図である。同図に示すように、弾性波装置１Ａは、圧電体層１０と、ＩＤＴ電極１１０と、高音速部材２０と、を備える。高音速部材２０は、高音速層２１と、支持基板２２と、を備える。本変形例に係る弾性波装置１Ａは、実施の形態に係る弾性波装置１と比較して、高音速部材２０の構成が異なる。以下、本変形例に係る弾性波装置１Ａについて、実施の形態に係る弾性波装置１と同じ構成については説明を省略し、異なる構成を中心に説明する。
支持基板２２は、圧電体層１０の第２主面側に、高音速層２１を挟んで形成され、圧電体層１０および高音速層２１を支持する基板である。支持基板２２は、例えば、シリコン、サファイア、およびシリコンカーバイドのいずれかからなる。これにより、支持基板２２上に形成される、結晶多形シリコンカーバイドからなる高音速層２１の結晶性を高め、音響ロスを低減できる。
高音速層２１は、支持基板２２と圧電体層１０との間に配置され、４Ｈ－形あるいは６Ｈ－形の結晶多形シリコンカーバイドからなる薄膜または薄板である。
本変形例の上記構成によれば、高音速層２１が４Ｈ－形あるいは６Ｈ－形の結晶多形シリコンカーバイドからなるので、高音速層２１の横波バルク波音速を、圧電体層１０を伝播する縦波型漏洩弾性表面波（ＬＬＳＡＷ）と結合する横波バルク波音速より速くできる。よって、縦波型漏洩弾性表面波（ＬＬＳＡＷ）を圧電体層１０およびＩＤＴ電極１１０に効率よく閉じ込めることができるので、弾性波装置１Ａが有する共振特性のＱ値を向上させることが可能となる。よって、縦波型の弾性波を利用し、Ｑ値の優れた弾性波装置１Ａを提供することが可能となる。また、４Ｈ－形あるいは６Ｈ－形の結晶多形シリコンカーバイドを、例えば厚板の支持基板２２ではなく、薄膜または薄板状の高音速層２１に適用すればよいので、製造工程の簡素化が図られる。
図３Ｂは、実施の形態の変形例２に係る弾性波装置１Ｂの断面図である。同図に示すように、弾性波装置１Ｂは、圧電体層１０と、ＩＤＴ電極１１０と、高音速部材２０と、機能層３１と、中間層３２と、を備える。高音速部材２０は、高音速層２１と、支持基板２２と、を備える。本変形例に係る弾性波装置１Ｂは、変形例１に係る弾性波装置１Ａと比較して、機能層３１および中間層３２が付加されている点が異なる。以下、本変形例に係る弾性波装置１Ｂについて、変形例１に係る弾性波装置１Ａと同じ構成については説明を省略し、異なる構成を中心に説明する。
中間層３２は、圧電体層１０と高音速層２１との間に配置された低音速層である。中間層３２を伝播する横波バルク波のうち最も遅い横波バルク波の音速は、圧電体層１０を伝搬する主モードの音速よりも遅い。この構成と、弾性波が本質的に低音速な媒質にエネルギーが集中するという性質とにより、弾性表面波エネルギーの高音速部材２０への漏れが抑制される。よって、より効率的に所望のモードを励振しうる。中間層３２は、誘電体膜からなり、例えば、二酸化ケイ素を主成分とする薄膜または薄板である。中間層３２は、さらに、ＳｉＮ、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ３、ＨｆＯ２、ＤＬＣといった誘電体で構成されていてもよく、また、アモルファスシリコンＧｅ、ＧａＮ、ＩｎＰおよびこれらの化合物などの半導体であってもよい。
機能層３１は、圧電体層１０の第１主面上であって、ＩＤＴ電極１１０の少なくとも一部と接するように形成された層である。機能層３１は、ＩＤＴ電極１１０と圧電体層１０との間に、調整層として形成されていてもよいし、また、ＩＤＴ電極１１０を覆うように保護層として形成されていてもよい。機能層３１が調整層として形成されている場合には、当該調整層の膜厚に応じて、電気機械結合係数を調整することが可能である。また、機能層３１が保護層として形成されている場合には、ＩＤＴ電極１１０を外部環境から保護する、周波数温度特性を調整する、および、耐湿性を高めることが可能となる。機能層３１は、例えば、二酸化ケイ素を主成分とする誘電体膜である。
さらに、調整層としての機能層３１が、二酸化ケイ素を主成分とし、炭素原子およびハフニウム原子の少なくとも１つを含む場合には、誘電率の変調によって電気機械結合係数（比帯域）を調整できる。また、保護層としての機能層３１が、二酸化ケイ素を主成分とし、フッ素原子、ボロン原子、窒素原子の少なくとも１つを含む場合には、温度特性をより改善できる。
また、中間層３２および機能層３１が誘電体膜からなることにより、金属材料や半導体材料による寄生容量などの影響の小さい弾性波装置を提供できる。
なお、本変形例に係る弾性波装置１Ｂにおいて、機能層３１および中間層３２のいずれかがなくてもよい。
［１－２．高音速部材の好適条件］
以下では、４Ｈ－形あるいは６Ｈ－形の結晶多形シリコンカーバイドからなる高音速部材２０の横波バルク波音速を、圧電体層１０を伝播する縦波型漏洩弾性表面波（ＬＬＳＡＷ）と結合する横波バルク波音速より速くできる好適条件について説明する。ＡｌからなるＩＤＴ電極１１０／ＬｉＴａＯ３からなる圧電体層１０／４Ｈ－形の結晶多形シリコンカーバイドからなる高音速部材２０の積層構造において、４Ｈ－形の結晶多形シリコンカーバイドの結晶方位（オイラー角表記での伝播角ψ）と音速との関係を、有限要素法を用いたシミュレーションにより求めた。表１に、本シミュレーションで用いたパラメータを示す。
以下では、４Ｈ－形あるいは６Ｈ－形の結晶多形シリコンカーバイドからなる高音速部材２０の横波バルク波音速を、圧電体層１０を伝播する縦波型漏洩弾性表面波（ＬＬＳＡＷ）と結合する横波バルク波音速より速くできる好適条件について説明する。ＡｌからなるＩＤＴ電極１１０／ＬｉＴａＯ３からなる圧電体層１０／４Ｈ－形の結晶多形シリコンカーバイドからなる高音速部材２０の積層構造において、４Ｈ－形の結晶多形シリコンカーバイドの結晶方位（オイラー角表記での伝播角ψ）と音速との関係を、有限要素法を用いたシミュレーションにより求めた。表１に、本シミュレーションで用いたパラメータを示す。
なお、４Ｈ－形の結晶多形シリコンカーバイドと、６Ｈ－形の結晶多形シリコンカーバイドとは、弾性特性が、同一である。よって、以下の４Ｈ－形の結晶多形シリコンカーバイドからなる高音速部材２０で求められた好適条件は、６Ｈ－形の結晶多形シリコンカーバイドからなる高音速部材２０にも適用される。
図４Ａは、ＬＮ圧電体層／高音速部材の積層構造におけるＩＤＴ電極（Ａｌ）膜厚と音速との関係を示すグラフである。また、図４Ｂは、ＬＮ圧電体層／高音速部材の積層構造におけるＩＤＴ電極（Ｃｕ）膜厚と音速との関係を示すグラフである。図４Ａおよび図４Ｂには、ＩＤＴ電極の膜厚を変化させた場合の、ＩＤＴ電極および圧電体層を伝播する弾性波の音速および比帯域（***振周波数と共振周波数との周波数差を共振周波数で除した値）が示されている。
図４Ａおよび図４Ｂに示すように、ＩＤＴ電極の膜厚を薄くするほど、音速は速くなり、また、比帯域は大きくなる（電気機械結合係数は大きくなる）。弾性波装置の高周波化に対応、かつ広帯域化を実現するためには、共振子の比帯域として１０％以上を確保することが好ましく、音速として６０００～７０００ｍ／ｓを確保することが好ましい。このことからも、高音速部材２０としては、音速６０００～７０００ｍ／ｓの弾性波をＩＤＴ電極および圧電体層に閉じ込めるため、７５００ｍ／ｓ程度以上の横波バルク波音速を確保することが好ましい。
図５Ａは、ｃ面４Ｈ－ＳｉＣ（シリコンカーバイド）高音速部材における伝播角ψと音速との関係を示すグラフである。また、図５Ｂは、ｃ面４Ｈ－ＳｉＣ高音速部材の逆速度面を示すグラフである。図５Ａには、ｃ面（０，０，ψ）を主面とする高音速部材２０の「縦波バルク波」、「速い横波バルク波」、および「遅い横波バルク波」の伝播角ψと音速との関係が示されている。
高音速部材２０の横波バルク波音速を、圧電体層１０を伝播する縦波型漏洩弾性表面波（ＬＬＳＡＷ）と結合する横波バルク波音速より速くするには、高音速部材２０の最も「遅い横波バルク波」の音速を縦波型漏洩弾性表面波（ＬＬＳＡＷ）の音速より速くすることが望ましい。
ここで、縦波型漏洩弾性表面波（ＬＬＳＡＷ）の音速が６０００～７５００ｍ／ｓであることから、高音速部材２０の「遅い横波バルク波」の音速を、７５００ｍ／ｓ以上とすることが望ましい。ただし、図５Ａに示すように、高音速部材２０の「遅い横波バルク波」の音速は、伝播角ψの全角度範囲において、７５００ｍ／ｓ以上とならない。
よって、高音速部材２０に含まれる４Ｈ－形あるいは６Ｈ－形の結晶多形シリコンカーバイドのオイラー角が（０，０，ψ）で表記される場合、より良好なＱ特性を確保しつつ広帯域化するためのψの好適条件はない。
図６Ａは、ａ面４Ｈ－ＳｉＣ高音速部材における伝播角ψと音速との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。また、図６Ｂは、ａ面４Ｈ－ＳｉＣ高音速部材における逆速度面を示すグラフである。図６Ａには、ａ面（９０，９０，ψ）を主面とする高音速部材の「縦波バルク波」、「速い横波バルク波」、および「遅い横波バルク波」の伝播角ψと音速との関係が示されている。
ここで、縦波型漏洩弾性表面波（ＬＬＳＡＷ）の音速が６０００～７５００ｍ／ｓであることから、高音速部材２０の「遅い横波バルク波」の音速を、７５００ｍ／ｓ以上とすることが望ましい。これより、図６Ａから、高音速部材２０の「遅い横波バルク波」の音速が７５００ｍ／ｓ以上となる好適範囲は、２０°≦ψ≦４０°、１４０°≦ψ≦１６０°、２００°≦ψ≦２２０°、および、３２０°≦ψ≦３４０°、のいずれかである。
これにより、高音速部材２０の横波バルク波音速を約７５００ｍ／ｓ以上とすることができるので、より高速（～７５００ｍ／ｓ）な縦波型漏洩弾性表面波の閉じ込めが可能となる。よって、より広帯域な弾性波装置を高精度に形成することが可能となる。
図７Ａは、ＬＴ圧電体層／ｍ面４Ｈ－ＳｉＣ高音速部材の積層構造における伝播角ψと音速との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。また、図７Ｂは、ＬＴ圧電体層／ｍ面４Ｈ－ＳｉＣ高音速部材の積層構造における逆速度面のシミュレーション結果を示すグラフである。図７Ａには、上述した有限要素法シミュレーションにより求められた、ｍ面（０，９０，ψ）を主面とする高音速部材２０の「縦波バルク波」、「速い横波バルク波」、および「遅い横波バルク波」の伝播角ψと音速との関係が示されている。
ここで、縦波型漏洩弾性表面波（ＬＬＳＡＷ）の音速が６０００～７５００ｍ／ｓであることから、高音速部材２０の「遅い横波バルク波」の音速を、７５００ｍ／ｓ以上とすることが望ましい。これより、図７Ａから、高音速部材２０の「遅い横波バルク波」の音速が７５００ｍ／ｓ以上となる好適範囲は、２０°≦ψ≦４０°、１４０°≦ψ≦１６０°、２００°≦ψ≦２２０°、および、３２０°≦ψ≦３４０°、のいずれかである。
これにより、高音速部材２０の横波バルク波音速を約７５００ｍ／ｓ以上とすることができるので、より高速（～７５００ｍ／ｓ）な縦波型漏洩弾性表面波の閉じ込めが可能となる。よって、より広帯域な弾性波装置を高精度に形成することが可能となる。
図８Ａは、ＬＴ圧電体層／ｒ面４Ｈ－ＳｉＣ高音速部材の積層構造における伝播角ψと音速との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。また、図８Ｂは、ＬＴ圧電体層／ｒ面４Ｈ－ＳｉＣ高音速部材の積層構造における逆速度面のシミュレーション結果を示すグラフである。図８Ａには、上述した有限要素法シミュレーションにより求められた、ｒ面（０，１２２．２３，ψ）を主面とする高音速部材２０の「縦波バルク波」、「速い横波バルク波」、および「遅い横波バルク波」の伝播角ψと音速との関係が示されている。
ここで、縦波型漏洩弾性表面波（ＬＬＳＡＷ）の音速が６０００～７５００ｍ／ｓであることから、高音速部材２０の「遅い横波バルク波」の音速を、７５００ｍ／ｓ以上とすることが望ましい。これより、図８Ａから、高音速部材２０の「遅い横波バルク波」の音速が７５００ｍ／ｓ以上となる好適範囲は、２０°≦ψ≦５０°、１３０°≦ψ≦１６０°、２００°≦ψ≦２３０°、および、３１０°≦ψ≦３４０°、のいずれかである。
これにより、高音速部材２０の横波バルク波音速を約７５００ｍ／ｓ以上とすることができるので、より高速（～７５００ｍ／ｓ）な縦波型漏洩弾性表面波の閉じ込めが可能となる。よって、より広帯域な弾性波装置を高精度に形成することが可能となる。
［１－３．弾性波装置の共振特性］
図９Ａは、実施例および比較例１に係るＬＴ圧電体層／ＳｉＣ高音速部材の積層構造におけるインピーダンス特性を比較したグラフである。また、図９Ｂは、実施例および比較例１に係るＬＴ圧電体層／ＳｉＣ高音速部材の積層構造におけるコンダクタンス特性を比較したグラフである。図９Ａおよび図９Ｂには、実施例および比較例１に係る弾性波装置のインピーダンス特性およびコンダクタンス特性を有限要素法シミュレーションにより求めた結果が示されている。
ここで、実施例に係る弾性波装置は、表１に示された積層構造およびパラメータを有している。高音速部材２０として、４Ｈ－形の結晶多形シリコンカーバイドが用いられている。一方、比較例１に係る弾性波装置は、ＩＤＴ電極および圧電体層については実施例に係る弾性波装置と同様の構成であるが、高音速部材として３Ｃ－形シリコンカーバイドが用いられている。
実施例に係る弾性波装置では、縦波型漏洩弾性表面波（ＬＬＳＡＷ）の圧電体層１０およびＩＤＴ電極１１０への閉じ込めが成立し、図９Ａに示すように、Ｑ値の大きな共振点および***振点を有するインピーダンス特性が得られていることがわかる。また、図９Ｂに示すように、実施例に係る弾性波装置では、良好なコンダクタンス特性が得られていることがわかる。
一方、比較例１に係る弾性波装置では、図９Ａおよび図９Ｂに示すように、インピーダンス特性およびコンダクタンス特性において、急峻なピークが現れず、縦波型漏洩弾性表面波（ＬＬＳＡＷ）の圧電体層およびＩＤＴ電極への閉じ込めが不十分なため、縦波型漏洩弾性表面波（ＬＬＳＡＷ）が高音速部材２０へ漏洩してしまっていることが推察される。
つまり、図２Ａの逆速度面の比較からもわかるように、横波バルク波音速が７０００ｍ／ｓ以上を有する４Ｈ－形および６Ｈ－形の結晶多形シリコンカーバイドは、縦波型漏洩弾性表面波（ＬＬＳＡＷ）を充分に閉じ込めることができる。これに対して、３Ｃ－形の横波バルク波音速は４０００ｍ／ｓ程度であり、当該モードを閉じ込めるには不十分である。すなわち、同じシリコンカーバイドであっても、縦波型漏洩弾性表面波（ＬＬＳＡＷ）モードで良好なＱ値を得ることができるのは、４Ｈ－形または６Ｈ－形の結晶多形シリコンカーバイドを高音速部材２０として使用した場合であることがわかる。
図１０は、変形例２および比較例２に係る圧電体層／中間層／高音速部材の積層構造におけるインピーダンス特性を比較したグラフである。図１０には、変形例２および比較例２に係る弾性波装置のインピーダンス特性を有限要素法シミュレーションにより求めた結果が示されている。
ここで、変形例２に係る弾性波装置１Ｂは、図３Ｂに示された積層構造を有している。ただし、機能層３１は付加されていない。一方、比較例２に係る弾性波装置は、ＩＤＴ電極、圧電体層、中間層については変形例２に係る弾性波装置１Ｂと同様の構成であるが、高音速層の材料構成が異なる。表２に、本シミュレーションで用いた変形例２および比較例２に係る弾性波装置のパラメータを示す。
表２に示すように、変形例２に係る弾性波装置１Ｂでは、ＩＤＴ電極１１０の材料をＡｌとし、圧電体層１０の材料をＬｉＮｂＯ３（オイラー角表記（９０°，９０°，４０°））とし、高音速部材２０の材料を４Ｈ－形の結晶多形シリコンカーバイド（オイラー角表記（０°，０°，０°））とし、中間層３２の材料をＳｉＯ２とした。
一方、比較例に係る弾性波装置では、ＩＤＴ電極、圧電体層、および中間層の材料は、変形例２と同様であり、高音速部材の材料をダイヤモンド（オイラー角表記（０°，０°，０°））とした。
図１０のインピーダンス特性より明らかなように、極めて音速の速いダイヤモンド（横波バルク波音速：１００００ｍ／ｓ以上）を高音速部材として用いた比較例２に係る弾性波装置では、４ＧＨｚ付近にインピーダンスの極小点（共振点）および極大点（***振点）が見られ、ＬＬＳＡＷモードがＩＤＴ電極、圧電体層および中間層に閉じこもっていることがわかる。しかしながら、同時に、縦波型漏洩弾性表面波（ＬＬＳＡＷ）の縦波バルク波音速よりも速い音速を有するスプリアスモードも、ＩＤＴ電極、圧電体層および中間層に閉じこもるため、５ＧＨｚよりも高周波側の帯域において多数のスプリアスモードが生じている。
これに対して、変形例２に係る弾性波装置１Ｂでは、４Ｈ－形の結晶多形シリコンカーバイドの横波バルク波音速が、縦波型漏洩弾性表面波（ＬＬＳＡＷ）に比較的近いために、上記スプリアスモードは高音速部材２０に漏洩し、大きなスプリアスレスポンスは残らない。つまり、変形例２に係る弾性波装置１Ｂでは、４Ｈ－形の結晶多形シリコンカーバイドからなる高音速部材２０によりスプリアスを抑制することが可能である。
ダイヤモンドの横波バルク波音速は、極めて速い(１００００ｍ／ｓ以上)。このような高音速のバルク波は、粘性損の観点からは好ましいが、一方で帯域外のスプリアス発生を引き起こしてしまう。これは、縦波型漏洩弾性表面波（ＬＬＳＡＷ）よりも高音速である、高次の板波モードが高音速部材であるダイヤモンドによって同時に閉じこもるためである。これに対して、４Ｈ－形または６Ｈ－形の結晶多形シリコンカーバイドの横波バルク波音速は、縦波型漏洩弾性表面波（ＬＬＳＡＷ）よりも１０％程度速く、上記のようなスプリアスモードより遅い。そのため、スプリアスモードが高音速部材に漏洩し、スプリアスの発生が抑制できる。
図１１Ａは、ＬＮ圧電体層／高音速部材の積層構造における圧電体層の膜厚を変化させたときのインピーダンス特性の変化を示すグラフである。同図には、ＬｉＮｂＯ３からなる圧電体層の膜厚を変化させた場合のインピーダンス（共振）特性が示されている。同図に示すように、圧電体層の膜厚が厚くなるほどスプリアスモードが基本モードに近づくことがわかる。
図１１Ｂは、ＬＮ圧電体層／高音速部材の積層構造における圧電体層の膜厚とスプリアス発生周波数との関係を示すグラフである。同図に示すように、圧電体層の膜厚が厚くなるほど、スプリアス（共振周波数）／基本モード（***振周波数）が小さくなる。言い換えれば、圧電体層の膜厚が厚くなるほど、スプリアスモードの発生周波数と基本モードの発生周波数との間隔が小さくなる。圧電体層の膜厚が厚くなると、やがて、スプリアスが弾性波装置の通過帯域内に侵入するようになり、通過特性が劣化する。
これより、スプリアスが弾性波装置の通過帯域内に侵入しないためのスプリアス（共振周波数）／基本モード（***振周波数）として、略１．２以上を確保することが好ましい。縦波型漏洩弾性表面波（ＬＬＳＡＷ）の主モードの音速を約６５００～６７００ｍ／ｓとした場合、約８０００ｍ／ｓ（ＬＬＳＡＷの主モード音速×１．２）以上の音速を有するスプリアスモードを漏洩させる必要がある。このため、支持基板である高音速部材２０の横波バルク波音速は、８０００ｍ／ｓ以下であることが好ましい。
これにより、例えば、８０００ｍ／ｓより高速であって不要なスプリアスを発生させる高次の板波モードが漏洩する。よって、特定の縦波型漏洩弾性表面波を選択的に閉じ込めることが可能となる。よって、Ｑ特性に優れ、かつ、スプリアスが抑圧された弾性波装置を提供できる。このことは、本実施の形態に係る弾性波装置１、１Ａおよび１Ｂが、３ＧＨｚ以上の高周波帯域においても、高周波フィルタ、マルチプレクサ、およびＲＦフロントエンド回路を構成する上で、小型化、低損失、および高選択性の特徴を有することができることを意味する。
（その他の実施の形態）
以上、実施の形態に係る弾性波装置について説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。上記実施の形態における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施の形態や、上記実施の形態に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本発明に係る弾性波装置を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。
以上、実施の形態に係る弾性波装置について説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。上記実施の形態における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施の形態や、上記実施の形態に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本発明に係る弾性波装置を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。
なお、上記実施の形態では、縦波型漏洩弾性表面波（ＬＬＳＡＷ）モードを強勢に励起する圧電体層のカット角としてＸカットを例示したが、この限りでない。また、漏洩弾性表面波（ＬＳＡＷ）モードについても同様のことが成り立つのは明らかである。
本発明は、さまざまな電子機器や通信機器に広く用いられる。電子機器としては、例えば、高周波フィルタ、マルチプレクサ、およびＲＦフロントエンド部品が挙げられる。
１、１Ａ、１Ｂ 弾性波装置
１０ 圧電体層
２０ 高音速部材
２１ 高音速層
２２ 支持基板
３１ 機能層
３２ 中間層
１１０ ＩＤＴ電極
１０ 圧電体層
２０ 高音速部材
２１ 高音速層
２２ 支持基板
３１ 機能層
３２ 中間層
１１０ ＩＤＴ電極
Claims (18)
- 互いに対向する第１主面および第２主面を有する圧電体層と、
前記第１主面上に直接的または間接的に形成されたＩＤＴ電極と、
前記第２主面上に直接的または間接的に形成され、４Ｈ－形あるいは６Ｈ－形の結晶多形シリコンカーバイドを含む高音速部材と、を備え、
前記高音速部材は、前記圧電体層を支持する支持基板と、
前記支持基板と前記圧電体層との間に配置された高音速層と、を有し、
前記高音速層は、４Ｈ－形あるいは６Ｈ－形の結晶多形シリコンカーバイドからなり、
前記高音速層の横波バルク波音速は、前記圧電体層の横波バルク波音速より速い、
弾性波装置。 - 前記高音速部材の横波バルク波音速は、前記圧電体層を伝播する主モードの音速より速い、
請求項１に記載の弾性波装置。 - 前記支持基板は、シリコン、サファイア、およびシリコンカーバイドのいずれかからなる、
請求項１に記載の弾性波装置。 - 互いに対向する第１主面および第２主面を有する圧電体層と、
前記第１主面上に直接的または間接的に形成されたＩＤＴ電極と、
前記第２主面上に直接的または間接的に形成され、４Ｈ－形あるいは６Ｈ－形の結晶多形シリコンカーバイドを含む高音速部材と、を備え、
前記高音速部材に含まれる４Ｈ－形あるいは６Ｈ－形の結晶多形シリコンカーバイドのオイラー角は、（１）（９０，９０，ψ）で表記され、かつ、（２）２０°≦ψ≦４０°、１４０°≦ψ≦１６０°、２００°≦ψ≦２２０°、および、３２０°≦ψ≦３４０°、のいずれかである、
弾性波装置。 - 互いに対向する第１主面および第２主面を有する圧電体層と、
前記第１主面上に直接的または間接的に形成されたＩＤＴ電極と、
前記第２主面上に直接的または間接的に形成され、４Ｈ－形あるいは６Ｈ－形の結晶多形シリコンカーバイドを含む高音速部材と、を備え、
前記高音速部材に含まれる４Ｈ－形あるいは６Ｈ－形の結晶多形シリコンカーバイドのオイラー角は、（１）（０，９０，ψ）で表記され、かつ、（２）２０°≦ψ≦４０°、１４０°≦ψ≦１６０°、２００°≦ψ≦２２０°、および、３２０°≦ψ≦３４０°、のいずれかである、
弾性波装置。 - 互いに対向する第１主面および第２主面を有する圧電体層と、
前記第１主面上に直接的または間接的に形成されたＩＤＴ電極と、
前記第２主面上に直接的または間接的に形成され、４Ｈ－形あるいは６Ｈ－形の結晶多形シリコンカーバイドを含む高音速部材と、を備え、
前記高音速部材に含まれる４Ｈ－形あるいは６Ｈ－形の結晶多形シリコンカーバイドのオイラー角は、（１）（０，１２２．２３，ψ）で表記され、かつ、（２）２０°≦ψ≦５０°、１３０°≦ψ≦１６０°、２００°≦ψ≦２３０°、および、３１０°≦ψ≦３４０°、のいずれかである、
弾性波装置。 - 互いに対向する第１主面および第２主面を有する圧電体層と、
前記第１主面上に直接的または間接的に形成されたＩＤＴ電極と、
前記第２主面上に直接的または間接的に形成され、４Ｈ－形あるいは６Ｈ－形の結晶多形シリコンカーバイドを含む高音速部材と、を備え、
前記圧電体層は、タンタル酸リチウムからなる、
弾性波装置。 - 互いに対向する第１主面および第２主面を有する圧電体層と、
前記第１主面上に直接的または間接的に形成されたＩＤＴ電極と、
前記第２主面上に直接的または間接的に形成され、４Ｈ－形あるいは６Ｈ－形の結晶多形シリコンカーバイドを含む高音速部材と、を備え、
前記圧電体層は、ニオブ酸リチウムからなる、
弾性波装置。 - 前記高音速部材は、前記圧電体層を支持する支持基板であり、
前記支持基板は、４Ｈ－形あるいは６Ｈ－形の結晶多形シリコンカーバイドからなる、
請求項４～８のいずれか１項に記載の弾性波装置。 - 前記高音速部材は、前記圧電体層を支持する支持基板と、
前記支持基板と前記圧電体層との間に配置された高音速層と、を有し、
前記高音速層は、４Ｈ－形あるいは６Ｈ－形の結晶多形シリコンカーバイドからなり、
前記高音速層の横波バルク波音速は、前記圧電体層の横波バルク波音速より速い、
請求項４～８のいずれか１項に記載の弾性波装置。 - 前記圧電体層の膜厚は、前記ＩＤＴ電極を構成する複数の電極指ピッチの２倍で規定されるＩＤＴ波長の３倍以下である、
請求項１～１０のいずれか１項に記載の弾性波装置。 - 前記圧電体層の膜厚は、前記ＩＤＴ波長の０．０５倍以上かつ０．５倍以下である、
請求項１１に記載の弾性波装置。 - 前記高音速部材の横波バルク波音速は、７５００ｍ／ｓ以上である、
請求項１～１２のいずれか１項に記載の弾性波装置。 - 前記高音速部材の横波バルク波音速は、８０００ｍ／ｓ以下である、
請求項１～１３のいずれか１項に記載の弾性波装置。 - 前記圧電体層のオイラー角を（φ，θ，ψ）と表記した場合、
－５°≦φ≦５°、かつ、０°≦θ≦９０°、かつ、８５°≦ψ≦９５°である、
請求項１～１４のいずれか１項に記載の弾性波装置。 - 前記圧電体層のオイラー角を（φ，θ，ψ）と表記した場合、
１５°≦φ≦９５°、かつ、８５°≦θ≦９５°、かつ、０°≦ψ≦６０°である、
請求項１～１４のいずれか１項に記載の弾性波装置。 - 前記圧電体層のオイラー角を（φ，θ，ψ）と表記した場合、
－５°≦φ≦５°、かつ、１２０°≦θ≦１６０°、かつ、－５°≦ψ≦５°である、
請求項１～１４のいずれか１項に記載の弾性波装置。 - さらに、
前記圧電体層と前記高音速部材との間に配置された中間層を備え、
前記中間層を伝播する横波バルク波のうち最も遅い横波バルク波の音速は、前記圧電体層を伝搬する主モードの音速よりも遅い、
請求項１～１７のいずれか１項に記載の弾性波装置。
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