JP7231015B2 - 弾性波装置 - Google Patents
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Description
本発明は、弾性波装置に関する。
従来、弾性波装置は携帯電話機のフィルタなどに広く用いられている。下記の特許文献１には、弾性波装置の一例が開示されている。この弾性波装置においては、支持基板、高音速膜、低音速膜及び圧電膜がこの順序で積層されており、圧電膜上にＩＤＴ電極（Ｉｎｔｅｒ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）が設けられている。上記積層構造が設けられていることにより、Ｑ値が高められている。
上記の弾性波装置のＩＤＴ電極として、一般的に知られるＡｌ電極を適用すると、Ｑ値を高めることについて一定の効果が得られる。しかしながら、Ａｌのヤング率は比較的小さいため、得られるＱ値には限界があり、そのようなＱ値では、所望のＱ値に対して不十分な場合もあった。
本発明の目的は、Ｑ特性を高めることができる、弾性波装置を提供することにある。
本発明に係る弾性波装置のある広い局面では、エネルギー閉じ込め層と、前記エネルギー閉じ込め層上に設けられており、カット角が－１０°以上、６５°以下であるＹカットＸ伝搬のタンタル酸リチウムを用いた圧電体層と、前記圧電体層上に設けられているＩＤＴ電極とを備え、前記ＩＤＴ電極が複数の電極指を有し、前記複数の電極指が、Ａｌ層またはＡｌを含む合金層であるＡｌ金属層と、ヤング率が２００ＧＰａ以上であり、かつＡｌよりも音響インピーダンスが高い高音響インピーダンス金属層とを有する積層体からなり、前記高音響インピーダンス金属層が、前記Ａｌ金属層よりも前記圧電体層側に位置しており、前記ＩＤＴ電極の電極指ピッチにより規定される波長をλとし、前記圧電体層の波長比膜厚をｔＬＴとしたときに、ｔＬＴ≦１であり、前記電極指の各層の膜厚を前記Ａｌ金属層の密度及びヤング率により規格化した各規格化膜厚の合計をＴとしたときに、下記の式１を満たす。
Ｔ≦０．１１２５ｔＬＴ＋０．０５７４…式１
本発明に係る弾性波装置の他の広い局面では、エネルギー閉じ込め層と、前記エネルギー閉じ込め層上に設けられており、カット角が－１０°以上、６５°以下であるＹカットＸ伝搬のタンタル酸リチウムを用いた圧電体層と、前記圧電体層上に設けられているＩＤＴ電極とを備え、前記ＩＤＴ電極が複数の電極指を有し、前記複数の電極指が、Ａｌ層またはＡｌを含む合金層であるＡｌ金属層と、ヤング率が２００ＧＰａ以上であり、かつＡｌよりも音響インピーダンスが高い高音響インピーダンス金属層とを有する積層体からなり、前記高音響インピーダンス金属層が、前記Ａｌ金属層よりも前記圧電体層側に位置しており、前記高音響インピーダンス金属層が、Ｍｏ層、Ｗ層またはＲｕ層であり、下記の式２を満たし、前記式２の各係数及び前記高音響インピーダンス金属層を構成する金属の組み合わせが、下記の表１に示す組み合わせである。
本発明に係る弾性波装置によれば、Ｑ特性を高めることができる。
以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。
なお、本明細書に記載の各実施形態は、例示的なものであり、異なる実施形態間において、構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることを指摘しておく。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る弾性波装置の正面断面図である。
弾性波装置１は圧電性基板２を有する。本実施形態の圧電性基板２は、エネルギー閉じ込め層３と、エネルギー閉じ込め層３上に設けられている圧電体層７とを有する。本実施形態のエネルギー閉じ込め層３は、高音速材料層としての高音速支持基板５と、高音速支持基板５上に設けられている低音速膜６との積層体である。圧電体層７は、カット角が－１０°以上、６５°以下であるＹカットＸ伝搬のタンタル酸リチウムを用いた圧電体層である。
圧電性基板２の圧電体層７上にはＩＤＴ電極８が設けられている。ＩＤＴ電極８に交流電圧を印加することにより、弾性波が励振される。圧電性基板２上におけるＩＤＴ電極８の弾性波伝搬方向両側には、一対の反射器９Ａ及び反射器９Ｂが設けられている。本実施形態の弾性波装置１は弾性波共振子である。もっとも、本発明に係る弾性波装置１は弾性波共振子には限定されず、複数の弾性波共振子を有するフィルタ装置などであってもよい。
上記低音速膜６は相対的に低音速な膜である。より具体的には、低音速膜６を伝搬するバルク波の音速は、圧電体層７を伝搬するバルク波の音速よりも低い。本実施形態においては、低音速膜６は酸化ケイ素膜である。酸化ケイ素はＳｉＯｘで表される。ｘは任意の正数である。弾性波装置１においては、低音速膜６を構成する酸化ケイ素はＳｉＯ２である。なお、低音速膜６の材料は上記に限定されず、例えば、ガラス、酸窒化ケイ素、酸化タンタル、または、酸化ケイ素にフッ素、炭素やホウ素、水素、あるいはシラノール基を加えた化合物を主成分とする材料を用いることができる。
上記高音速材料層は相対的に高音速な材料からなる層である。より具体的には、高音速材料層を伝搬するバルク波の音速は、圧電体層７を伝搬する弾性波の音速よりも高い。高音速材料層である高音速支持基板５の材料としては、例えば、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、シリコン、サファイア、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、水晶、アルミナ、ジルコニア、コージライト、ムライト、ステアタイト、フォルステライト、マグネシア、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜またはダイヤモンドなど、上記材料を主成分とする媒質を用いることができる。
本実施形態の弾性波装置１は、高音速支持基板５及び低音速膜６の積層体であるエネルギー閉じ込め層３上に圧電体層７が積層された構成を有するため、弾性波のエネルギーを圧電体層７側に効果的に閉じ込めることができる。なお、低音速膜６は必ずしも設けられていなくともよい。本実施形態では、高音速材料層上に、低音速膜６を介して間接的に圧電体層７が設けられているが、高音速材料層上に直接的に圧電体層７が設けられていてもよい。
図２は、第１の実施形態に係る弾性波装置の平面図である。
ＩＤＴ電極８は、対向し合う第１のバスバー１６及び第２のバスバー１７を有する。ＩＤＴ電極８は、第１のバスバー１６にそれぞれ一端が接続されている複数の第１の電極指１８を有する。さらに、ＩＤＴ電極８は、第２のバスバー１７にそれぞれ一端が接続されている複数の第２の電極指１９を有する。複数の第１の電極指１８と複数の第２の電極指１９とは互いに間挿し合っている。
図１に示すように、ＩＤＴ電極８はＡｌ金属層１５と、高音響インピーダンス金属層１４とを有する積層体からなる。Ａｌ金属層１５は、Ａｌ層またはＡｌを含む合金層である。本実施形態では、Ａｌ金属層１５はＡｌ層である。ＩＤＴ電極８における高音響インピーダンス金属層１４は、ヤング率が２００ＧＰａ以上であり、かつＡｌよりも音響インピーダンスが高い金属層である。弾性波装置１における高音響インピーダンス金属層１４は、Ｍｏ層、Ｗ層またはＲｕ層である。もっとも、高音響インピーダンス金属層１４は上記に限定されない。高音響インピーダンス金属層１４は、Ａｌ金属層１５よりも圧電体層７側に位置している。
ところで、ＩＤＴ電極８の電極指ピッチにより規定される波長をλとし、圧電体層７の波長比膜厚をｔＬＴとしたときに、ｔＬＴ≦１である。電極指ピッチとは、ＩＤＴ電極８の電極指中心間距離をいう。
ＩＤＴ電極８の電極指の各層の膜厚をＡｌ金属層１５の密度及びヤング率により規格化した各規格化膜厚の合計をＴとする。なお、Ｔは、ＩＤＴ電極８が有する複数の電極指のうちの任意の電極指における上記規格化膜厚の合計である。本実施形態では、いずれの第１の電極指１８のＴ及び第２の電極指１９のＴも同じである。ここで、任意の金属種ｉの波長比膜厚をｔｉ、密度をρｉ、ヤング率をＹｉとする。ｉは０以上の正数であり、ｉ＝０がＡｌ金属層１５を構成する金属種である。Ａｌ金属層１５の波長比膜厚はｔ０、密度はρ０、ヤング率はＹ０である。本願発明者らは、上記のように定義づけすることにより、Ａｌ金属層１５の密度ρ０及びヤング率Ｙ０により規格化したＩＤＴ電極８の複数の第１の電極指１８及び複数の第２の電極指１９の各層の膜厚の合計Ｔを、以下のように表すことができることを見出した。
以下においては、Ａｌ金属層１５の密度ρ０及びヤング率Ｙ０により規格化した膜厚を単に規格化膜厚と記載することがある。ここで、弾性波装置１では、ＩＤＴ電極８の電極指の各層の規格化膜厚の合計Ｔと、圧電体層７の波長比膜厚ｔＬＴとの関係において、下記の式１を満たす。
Ｔ≦０．１１２５ｔＬＴ＋０．０５７４…式１
さらに、弾性波装置１は下記の式２を満たす。なお、高音響インピーダンス金属層１４がＭｏ層である場合、Ｗ層である場合、Ｒｕ層である場合のそれぞれにおいては、式２の各係数は下記の表２に示す通りの値である。
もっとも、式１を満たしていればよく、必ずしも式２を満たしていなくともよい。
本実施形態の特徴は以下の構成を有することにある。１）ＩＤＴ電極８の第１の電極指１８及び第２の電極指１９がＡｌ金属層１５及び高音響インピーダンス金属層１４を有する積層体からなり、高音響インピーダンス金属層１４がＡｌ金属層１５よりも圧電体層７側に位置していること。２）高音響インピーダンス金属層１４のヤング率が２００ＧＰａ以上であること。３）ｔＬＴ≦１であり、上記式１を満たすこと。４）上記式２を満たし、式２の各係数及び高音響インピーダンス金属層１４を構成する金属の組み合わせが、上記表２に示す組み合わせであること。それによって、Ｑ特性を高めることができ、エネルギーの損失を効果的に低くすることができる。これを以下において説明する。
なお、本明細書においてＱ特性は、周波数ｆとＱ値との積である、ｆ×Ｑにより表す特性である。以下においては、膜厚をｔとしたときに、膜厚をｔ／λ×１００（％）として表すことがある。
図３（ａ）～図３（ｃ）を用いて、１）高音響インピーダンス金属層１４がＩＤＴ電極８の第１の電極指１８及び第２の電極指１９を構成する積層体において、Ａｌ金属層１５よりも圧電体層７側に位置すること、及び、２）高音響インピーダンス金属層１４のヤング率が２００ＧＰａ以上であることにより、Ｑ値を高めることができることを説明する。図４～図１０を用いて、３）ｔＬＴ≦１であり、上記式１を満たすことにより、Ｑ特性を高めることができ、エネルギーの損失を低くすることができることを説明する。さらに、図６などを用いて、４）上記式２を満たし、式２の各係数及び高音響インピーダンス金属層１４を構成する金属の組み合わせが、上記表２に示す組み合わせであることによって、より確実にＱ値を高めることができることを示す。
ここで、第１の実施形態における高音響インピーダンス金属層に相当する金属層をＭ層とする。Ｍ層のヤング率とＱ値との関係を求めるために、Ｍ層の密度及びヤング率を異ならせて、有限要素法によるシミュレーションを行った。なお、上記シミュレーションは、弾性波装置が低音速膜を有さず、高音速支持基板上に直接的に圧電体層が設けられている条件において行った。より具体的には、条件は以下の通りである。
ＩＤＴ電極の層構成：圧電体層側から、Ｍ層／Ａｌ層
Ｍ層の密度：２．７ｇ／ｃｍ３、５．４ｇ／ｃｍ３、８．１ｇ／ｃｍ３、１０．８ｇ／ｃｍ３、１３．５ｇ／ｃｍ３、１６．２ｇ／ｃｍ３、１８．９ｇ／ｃｍ３または２１．６ｇ／ｃｍ３
Ｍ層の膜厚：２％、４％または６％
Ａｌ層の膜厚：７％
圧電体層の材料：４２°Ｙカットのタンタル酸リチウム（４２Ｙ－ＬｉＴａＯ３）
圧電体層の膜厚：０．３λ
エネルギー閉じ込め層の層構成：高音速支持基板
高音速支持基板の材料：ＺカットＸ伝搬の水晶
Ｍ層の密度：２．７ｇ／ｃｍ３、５．４ｇ／ｃｍ３、８．１ｇ／ｃｍ３、１０．８ｇ／ｃｍ３、１３．５ｇ／ｃｍ３、１６．２ｇ／ｃｍ３、１８．９ｇ／ｃｍ３または２１．６ｇ／ｃｍ３
Ｍ層の膜厚：２％、４％または６％
Ａｌ層の膜厚：７％
圧電体層の材料：４２°Ｙカットのタンタル酸リチウム（４２Ｙ－ＬｉＴａＯ３）
圧電体層の膜厚：０．３λ
エネルギー閉じ込め層の層構成：高音速支持基板
高音速支持基板の材料：ＺカットＸ伝搬の水晶
図３（ａ）～図３（ｃ）は、高音響インピーダンス金属層に相当する金属層である、Ｍ層のヤング率と、Ｑ値との関係を示す図である。図３（ａ）においては、Ｍ層の膜厚を２％とし、Ｍ層の密度を異ならせたそれぞれの場合における、Ｍ層のヤング率に対するＱ値の依存性を示す。図３（ｂ）においては、Ｍ層の膜厚を４％とし、Ｍ層の密度を異ならせたそれぞれの場合における、Ｍ層のヤング率に対するＱ値の依存性を示す。図３（ｃ）においては、Ｍ層の膜厚を６％とし、Ｍ層の密度を異ならせたそれぞれの場合における、Ｍ層のヤング率に対するＱ値の依存性を示す。
図３（ａ）に示すように、Ｍ層の密度がいずれの場合においても、Ｍ層のヤング率が２００ＧＰａ以上であれば、Ｑ値が安定して高くなることがわかる。同様に、図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示すように、Ｍ層の膜厚が異なる場合においても、Ｍ層のヤング率が２００ＧＰａ以上であれば、Ｑ値が安定して高くなることがわかる。よって、図１に示す第１の実施形態においては、高音響インピーダンス金属層１４のヤング率が２００ＧＰａ以上であるため、Ｑ値を安定して高めることができる。
図４において、ＩＤＴ電極がＡｌ層のみからなる点において第１の実施形態と異なる弾性波装置のＱ特性を示す。Ｑ特性を測定した弾性波装置の条件は以下の通りである。なお、弾性波伝搬方向から見て、ＩＤＴ電極における隣り合う電極指が重なり合っている領域を交叉領域とする。交叉領域の、弾性波伝搬方向に直交する方向に沿う寸法を交叉幅とする。
ＩＤＴ電極の層構成：Ａｌ層
ＩＤＴ電極の波長λ：２μｍ
ＩＤＴ電極の電極指の対数：１００対
ＩＤＴ電極の交叉幅：１５λ
反射器の電極指の本数：１０本
圧電体層の材料：５５°Ｙカットのタンタル酸リチウム（５５Ｙ－ＬｉＴａＯ３）
圧電体層の膜厚：０．１５λ以上、０．３λ以下
エネルギー閉じ込め層の層構成：高音速支持基板／低音速膜
低音速膜の材料：酸化ケイ素
ＩＤＴ電極の波長λ：２μｍ
ＩＤＴ電極の電極指の対数：１００対
ＩＤＴ電極の交叉幅：１５λ
反射器の電極指の本数：１０本
圧電体層の材料：５５°Ｙカットのタンタル酸リチウム（５５Ｙ－ＬｉＴａＯ３）
圧電体層の膜厚：０．１５λ以上、０．３λ以下
エネルギー閉じ込め層の層構成：高音速支持基板／低音速膜
低音速膜の材料：酸化ケイ素
図４は、ＩＤＴ電極がＡｌ層のみからなる場合における、圧電体層の膜厚毎のＱ特性を示す図である。図４においては、破線は、圧電体層の膜厚が３００ｎｍの場合の結果を示し、一点鎖線は、圧電体層の膜厚が４００ｎｍの場合の結果を示し、二点鎖線は、圧電体層の膜厚が５００ｎｍの場合の結果を示し、実線は、圧電体層の膜厚が６００ｎｍの場合の結果を示す。
図４に示すように、圧電体層がいずれの膜厚であっても、Ｑ特性が最大値をとるＩＤＴ電極の電極指の膜厚が存在することがわかる。圧電体層の膜厚に対して電極指の膜厚が薄すぎると、反射係数は小さくなるため、Ｑ特性は低くなる。他方、電極指の膜厚が厚すぎると、音響エネルギーの損失が比較的大きいＩＤＴ電極の金属層にエネルギーが多く分布することとなり、Ｑ特性が劣化することとなる。そのため、Ｑ特性が最大値をとる電極指の膜厚が存在する。また、圧電体層の膜厚が厚くなると、音響損失の小さい圧電単結晶に音響エネルギーが比較的多く分布することになる。そのため、エネルギー閉じ込めが成立する範囲においては、圧電体層の波長比膜厚が厚くなるほど達成可能なＱ特性の最大値が大きい。ここで、ＩＤＴ電極がＡｌ層のみからなる場合の、Ｑ特性が最大値をとるときのＩＤＴ電極の電極指の膜厚をＴ０とする。電極指の膜厚をＴ０まで厚くするにつれて、Ｑ特性が高くなり、かつ電極指の電気抵抗値が低くなる。
図４に示すように、Ｔ０は圧電体層の膜厚に応じて変動する。本願発明者らは、圧電体層の波長比膜厚ｔＬＴを用いた、Ｔ０を求める下記の近似式を導出した。なお、下記の近似式におけるＴ０は波長比膜厚である。
Ｔ０≒０．１１２５ｔＬＴ＋０．０５７４
図５及び図６において、ＩＤＴ電極が、Ａｌ金属層としてのＡｌ層と、高音響インピーダンス金属層としてのＭｏ層との積層体からなる弾性波装置のＱ特性を示す。該弾性波装置の条件は以下の通りである。
ＩＤＴ電極の層構成：圧電体層側からＭｏ層／Ａｌ層
ＩＤＴ電極の波長λ：２μｍ
ＩＤＴ電極の電極指の対数：１００対
ＩＤＴ電極の交叉幅：１５λ
反射器の電極指の本数：１０本
圧電体層の材料：５５°Ｙカットのタンタル酸リチウム（５５Ｙ－ＬｉＴａＯ３）
圧電体層の膜厚：０．３λまたは０．４λ
エネルギー閉じ込め層の層構成：高音速支持基板／低音速膜
低音速膜の材料：酸化ケイ素
ＩＤＴ電極の波長λ：２μｍ
ＩＤＴ電極の電極指の対数：１００対
ＩＤＴ電極の交叉幅：１５λ
反射器の電極指の本数：１０本
圧電体層の材料：５５°Ｙカットのタンタル酸リチウム（５５Ｙ－ＬｉＴａＯ３）
圧電体層の膜厚：０．３λまたは０．４λ
エネルギー閉じ込め層の層構成：高音速支持基板／低音速膜
低音速膜の材料：酸化ケイ素
下記の図５及び図６においては、Ｍｏ層の膜厚が０％、１％、２％または３％のそれぞれの場合において、Ａｌ層の膜厚を変化させることにより、ＩＤＴ電極の電極指の各層の膜厚の合計Ｔを変化させた場合のＱ特性の変化を示す。
図５は、ＩＤＴ電極がＡｌ層のみまたはＭｏ層及びＡｌ層からなり、圧電体層の膜厚が０．４λである場合の、Ｑ特性を示す図である。図６は、ＩＤＴ電極がＡｌ層のみまたはＭｏ層及びＡｌ層からなり、圧電体層の膜厚が０．３λである場合の、Ｑ特性を示す図である。図５及び図６においては、一点鎖線はＭｏ層の膜厚が１％の場合の結果を示し、二点鎖線はＭｏ層の膜厚が２％の場合の結果を示し、実線はＭｏ層の膜厚が３％の場合の結果を示す。破線はＩＤＴ電極がＡｌ層のみからなる場合の結果を示す。図５においては、ＩＤＴ電極がＡｌ層のみからなる場合の、Ｑ特性が最大値をとるときのＩＤＴ電極の電極指の上記膜厚Ｔ０を、規格化膜厚として、直線状の破線により示す。図６以降のＱ特性を示す図においても同様である。
高音響インピーダンス金属層であるＭｏ層がＡｌ層よりも圧電体層側に積層されている場合、図５に示すように、少なくとも規格化膜厚の関係がＴ≦Ｔ０のときには、ＩＤＴ電極がＡｌ層のみからなる場合よりもＱ特性が優位であることがわかる。図６に示す場合においても同様である。このように、Ｔ≦Ｔ０の場合には、Ｑ特性を高めることができる。よって、エネルギーの損失を低くすることができる。
ここで、Ｔ≦Ｔ０の関係において、上記のＴ０の近似式を適用することにより、式１を導出することができる。
Ｔ≦０．１１２５ｔＬＴ＋０．０５７４…式１
式１を満たすことにより、Ｑ特性を高めることができ、エネルギーの損失を低くすることができる。さらに、以下において、高音響インピーダンス金属層がＭｏ層以外である場合においても、式１を満たすことによりＱ特性を高められることを示す。
図５及び図６に示すＱ特性を求めた条件と、ＩＤＴ電極のＭｏ層を他の高音響インピーダンス金属層としたこと以外は同様の条件の弾性波装置のＱ特性を、下記の図７～図１０に示す。高音響インピーダンス金属層をＷ層とした場合においては、Ｗ層の膜厚を０．５％、１％または２％とした。高音響インピーダンス金属層をＲｕ層とした場合においては、Ｒｕ層の膜厚を１％、２％または３％とした。
図７は、ＩＤＴ電極がＡｌ層のみまたはＷ層及びＡｌ層からなり、圧電体層の膜厚が０．４λである場合の、Ｑ特性を示す図である。図８は、ＩＤＴ電極がＡｌ層のみまたはＷ層及びＡｌ層からなり、圧電体層の膜厚が０．３λである場合の、Ｑ特性を示す図である。図７及び図８においては、一点鎖線はＷ層の膜厚が０．５％の場合の結果を示し、二点鎖線はＷ層の膜厚が１％の場合の結果を示し、実線はＷ層の膜厚が２％の場合の結果を示す。破線はＩＤＴ電極がＡｌ層のみからなる場合の結果を示す。
高音響インピーダンス金属層であるＷ層がＡｌ層よりも圧電体層側に積層されている場合、図７に示すように、少なくとも規格化膜厚の関係がＴ≦Ｔ０のときには、ＩＤＴ電極がＡｌ層のみからなる場合よりもＱ特性が優位であることがわかる。図８に示す場合においても同様である。このように、高音響インピーダンス金属層がＷ層である場合においても、上記式１を満たすことにより、Ｑ特性を高めることができ、エネルギーの損失を低くすることができる。
図９は、ＩＤＴ電極がＡｌ層のみまたはＲｕ層及びＡｌ層からなり、圧電体層の膜厚が０．４λである場合の、Ｑ特性を示す図である。図１０は、ＩＤＴ電極がＡｌ層のみまたはＲｕ層及びＡｌ層からなり、圧電体層の膜厚が０．３λである場合の、Ｑ特性を示す図である。図９及び図１０においては、一点鎖線はＲｕ層の膜厚が１％の場合の結果を示し、二点鎖線はＲｕ層の膜厚が２％の場合の結果を示し、実線はＲｕ層の膜厚が３％の場合の結果を示す。破線はＩＤＴ電極がＡｌ層のみからなる場合の結果を示す。
高音響インピーダンス金属層であるＲｕ層がＡｌ層よりも圧電体層側に積層されている場合、図９に示すように、少なくとも規格化膜厚の関係がＴ≦Ｔ０のときには、ＩＤＴ電極がＡｌ層のみからなる場合よりもＱ特性が優位であることがわかる。図１０に示す場合においても同様である。このように、高音響インピーダンス金属層がＲｕ層である場合においても、上記式１を満たすことにより、Ｑ特性を高めることができ、エネルギーの損失を低くすることができる。
さらに、ＩＤＴ電極の電極指の各層の膜厚の合計Ｔが規格化膜厚Ｔ０以下の場合だけではなく、ＩＤＴ電極の電極指の各層の膜厚の合計Ｔが規格化膜厚Ｔ０より大きい場合においても、Ｑ特性を高めることができる場合がある。本願発明者らは、Ｔ≦Ｔ０の場合、及び、Ｔ＞Ｔ０の場合の双方おいて、Ｑ特性を高めることができる条件を見出した。より具体的には、下記の式２を満たし、かつ式２におけるそれぞれの各係数及び高音響インピーダンス金属層を構成する金属が上記表２に示す組み合わせであることにより、Ｔ≦Ｔ０の場合、及び、Ｔ＞Ｔ０の場合の双方において、Ｑ特性を高めることができる。すなわち、Ｔがあらゆる値をとる場合において、Ｑ特性を高めることができる。従って、エネルギーの損失をより一層確実に低くすることができる。
式２を満たし、かつ式２におけるそれぞれの各係数及び高音響インピーダンス金属層を構成する金属が上記表２に示す組み合わせである場合には、必ずしも式１を満たしていなくともよい。もっとも、式１を満たしていることが望ましい。
ところで、図１に示すＩＤＴ電極８におけるＡｌ金属層１５がＡｌ層であり、Ａｌ層の膜厚が８５ｎｍ以上であることが好ましい。それによって、Ａｌ層の形成に際しＡｌ層の膜厚にばらつきが生じた場合においても、電気抵抗値を安定させることができる。これを下記の図１１を用いて説明する。なお、図１１においては、導電率をＡｌ層の膜厚により規格化した規格化導電率を示す。
図１１は、Ａｌ層の膜厚と規格化導電率との関係を示す図である。図１１においては、各プロットがＡｌ層の各膜厚における規格化導電率を示す。図１１中の破線は、後述する式３の関係を示す。
図１１に示すように、Ａｌ層の膜厚が厚くなり、８５ｎｍに近づくほど、規格化導電率が高くなっていることがわかる。Ａｌ層の膜厚が８５ｎｍ以上である場合においては、規格化導電率が一定となっていることがわかる。よって、Ａｌ層の膜厚を８５ｎｍ以上とすることにより、電気抵抗値を安定させることができる。
なお、図１１に示すＡｌ層の膜厚と規格化導電率との関係は、下記の式３により表すことができる。ここで、ｉを金属種とし、ｈｉを金属種ｉの膜厚とし、κを導電率とし、κｓａｔを飽和導電率とする。もっとも、第１の実施形態では、金属種ｉはＡｌである。
κ（ｈｉ）＝κｓａｔ｛０．３６ｌｎ（ｈｉ）－０．６｝…式３
式３は、膜厚ｈｉが、導電率κが飽和導電率κｓａｔとなる臨界膜厚ｈｉ－ｓａｔよりも薄い場合の式である。膜厚ｈｉが臨界膜厚ｈｉ－ｓａｔを超えると、導電率κについては、κ（ｈｉ）＝κｓａｔの関係が成立する。臨界膜厚ｈｉ－ｓａｔは、式３における｛０．３６ｌｎ（ｈｉ）－０．６｝が１となり、κ（ｈｉ）＝κｓａｔが成立するときの膜厚ｈｉである。より具体的には、臨界膜厚ｈｉ－ｓａｔは、約８５．１５ｎｍである。このことからも明らかなように、Ａｌ層の膜厚を８５ｎｍ以上とすることにより、導電率を安定させることができ、電気抵抗値を安定させることができる。
ところで、図１２に示すように、圧電体層７としてのＬｉＴａＯ３膜の膜厚が、０．０５λ以上、０．５λ以下の範囲では、比帯域が大きく変化する。従って、電気機械結合係数をより広い範囲で調整することができる。よって、電気機械結合係数及び比帯域の調整範囲を広げるためには、圧電体層７の膜厚が、０．０５λ以上、０．５λ以下の範囲内であることが好ましい。
図１３に示すように、圧電体層７としてのＬｉＴａＯ３膜の膜厚が、０．０５λ以上、０．３５λ以下の範囲では、電気機械結合係数をより一層高くすることができる。これにより、スプリアスを遠ざけることができる。よって、圧電体層７の膜厚は、０．０５λ以上、０．３５λ以下の範囲内であることがより好ましい。
図１に示すように、第１の実施形態においては、エネルギー閉じ込め層３は、高音速支持基板５及び低音速膜６の積層体であるが、エネルギー閉じ込め層３の構成はこれに限定されない。以下において、エネルギー閉じ込め層の構成が第１の実施形態と異なる、第１の実施形態の第１～第３の変形例を示す。第１～第３の変形例においても、第１の実施形態と同様に、Ｑ特性を高めることができ、エネルギーの損失を低くすることができる。
図１４に示す第１の変形例においては、圧電性基板２２Ａは、高音速支持基板５と、高音速支持基板５上に直接的に設けられている圧電体層７とを有する。本変形例のエネルギー閉じ込め層は高音速支持基板５である。
図１５に示す第２の変形例においては、圧電性基板２２Ｂは、支持基板２４と、支持基板２４上に設けられている高音速膜２５と、高音速膜２５上に設けられている低音速膜６と、低音速膜６上に設けられている圧電体層７とを有する。本変形例の高音速材料層は高音速膜２５である。エネルギー閉じ込め層２３は、高音速膜２５及び低音速膜６の積層体である。
高音速膜２５の材料としては、例えば、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、シリコン、サファイア、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、水晶、アルミナ、ジルコニア、コージライト、ムライト、ステアタイト、フォルステライト、マグネシア、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜またはダイヤモンドなど、上記材料を主成分とする媒質を用いることができる。
支持基板２４の材料としては、例えば、酸化アルミニウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、水晶などの圧電体、アルミナ、マグネシア、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、ジルコニア、コージライト、ムライト、ステアタイト、フォルステライトなどの各種セラミック、サファイア、ダイヤモンド、ガラスなどの誘電体、シリコン、窒化ガリウムなどの半導体または樹脂などを用いることができる。
図１６に示す第３の変形例においては、圧電性基板２２Ｃは、支持基板２４と、支持基板２４上に設けられている音響反射膜２６と、音響反射膜２６上に設けられている圧電体層７とを有する。本変形例のエネルギー閉じ込め層は音響反射膜２６である。
音響反射膜２６は複数の音響インピーダンス層の積層体である。より具体的には、音響反射膜２６は、相対的に音響インピーダンスが低い低音響インピーダンス層２７Ａ及び低音響インピーダンス層２７Ｂと、相対的に音響インピーダンスが高い高音響インピーダンス層２８Ａ及び高音響インピーダンス層２８Ｂとを有する。本変形例においては、音響反射膜２６において、低音響インピーダンス層及び高音響インピーダンス層は交互に積層されている。なお、低音響インピーダンス層２７Ａが音響反射膜２６において最も圧電体層７側に位置する層である。
音響反射膜２６は、低音響インピーダンス層及び高音響インピーダンス層をそれぞれ２層ずつ有する。もっとも、音響反射膜２６は、低音響インピーダンス層及び高音響インピーダンス層をそれぞれ少なくとも１層ずつ有していればよい。
低音響インピーダンス層の材料としては、酸化ケイ素またはアルミニウムなどを用いることができる。
高音響インピーダンス層の材料としては、例えば、白金またはタングステンなどの金属や、窒化アルミニウムまたは窒化ケイ素などの誘電体を用いることができる。
１…弾性波装置
２…圧電性基板
３…エネルギー閉じ込め層
５…高音速支持基板
６…低音速膜
７…圧電体層
８…ＩＤＴ電極
９Ａ，９Ｂ…反射器
１４…高音響インピーダンス金属層
１５…Ａｌ金属層
１６，１７…第１，第２のバスバー
１８，１９…第１，第２の電極指
２２Ａ～２２Ｃ…圧電性基板
２３…エネルギー閉じ込め層
２４…支持基板
２５…高音速膜
２６…音響反射膜
２７Ａ，２７Ｂ…低音響インピーダンス層
２８Ａ，２８Ｂ…高音響インピーダンス層
２…圧電性基板
３…エネルギー閉じ込め層
５…高音速支持基板
６…低音速膜
７…圧電体層
８…ＩＤＴ電極
９Ａ，９Ｂ…反射器
１４…高音響インピーダンス金属層
１５…Ａｌ金属層
１６，１７…第１，第２のバスバー
１８，１９…第１，第２の電極指
２２Ａ～２２Ｃ…圧電性基板
２３…エネルギー閉じ込め層
２４…支持基板
２５…高音速膜
２６…音響反射膜
２７Ａ，２７Ｂ…低音響インピーダンス層
２８Ａ，２８Ｂ…高音響インピーダンス層
Claims (10)
- エネルギー閉じ込め層と、
前記エネルギー閉じ込め層上に設けられており、カット角が－１０°以上、６５°以下であるＹカットＸ伝搬のタンタル酸リチウムを用いた圧電体層と、
前記圧電体層上に設けられているＩＤＴ電極と、
を備え、
前記ＩＤＴ電極が複数の電極指を有し、前記複数の電極指が、Ａｌ層またはＡｌを含む合金層であるＡｌ金属層と、ヤング率が２００ＧＰａ以上であり、かつＡｌよりも音響インピーダンスが高い高音響インピーダンス金属層と、を有する積層体からなり、
前記高音響インピーダンス金属層が、前記Ａｌ金属層よりも前記圧電体層側に位置しており、
前記ＩＤＴ電極の電極指ピッチにより規定される波長をλとし、前記圧電体層の波長比膜厚をｔＬＴとしたときに、ｔＬＴ≦１であり、
前記高音響インピーダンス金属層がＭｏ層であり、
前記電極指の、任意の金属種ｉにより構成されている各層の前記波長比膜厚をｔ ｉ 、前記金属種ｉの密度をρ ｉ 、ヤング率をＹ ｉ とし、ｉが０以上の正数であり、前記金属種ｉが、ｉ＝０の場合に前記Ａｌ金属層を構成する金属種であり、前記Ａｌ金属層の前記波長比膜厚がｔ ０ 、密度がρ ０ 、ヤング率がＹ ０ であり、前記Ａｌ金属層の前記密度ρ ０ 及び前記ヤング率Ｙ ０ の積により、前記電極指の前記各層の前記密度ρ ｉ 、前記ヤング率Ｙ ｉ 及び前記波長比膜厚ｔ ｉ の積を割ることにより規格化した各規格化膜厚の合計をＴとしたときに、下記の式１を満たす、弾性波装置。
Ｔ≦０．１１２５ｔＬＴ＋０．０５７４…式１ - エネルギー閉じ込め層と、
前記エネルギー閉じ込め層上に設けられており、カット角が－１０°以上、６５°以下であるＹカットＸ伝搬のタンタル酸リチウムを用いた圧電体層と、
前記圧電体層上に設けられているＩＤＴ電極と、
を備え、
前記ＩＤＴ電極が複数の電極指を有し、前記複数の電極指が、Ａｌ層またはＡｌを含む合金層であるＡｌ金属層と、ヤング率が２００ＧＰａ以上であり、かつＡｌよりも音響インピーダンスが高い高音響インピーダンス金属層と、を有する積層体からなり、
前記高音響インピーダンス金属層が、前記Ａｌ金属層よりも前記圧電体層側に位置しており、
前記ＩＤＴ電極の電極指ピッチにより規定される波長をλとし、前記圧電体層の波長比膜厚をｔ ＬＴ としたときに、ｔ ＬＴ ≦１であり、
前記高音響インピーダンス金属層が、Ｍｏ層またはＷ層であり、
前記電極指の、任意の金属種ｉにより構成されている各層の前記波長比膜厚をｔ ｉ 、前記金属種ｉの密度をρ ｉ 、ヤング率をＹ ｉ とし、ｉが０以上の正数であり、前記金属種ｉが、ｉ＝０の場合に前記Ａｌ金属層を構成する金属種であり、前記Ａｌ金属層の前記波長比膜厚がｔ ０ 、密度がρ ０ 、ヤング率がＹ ０ であり、前記Ａｌ金属層の前記密度ρ ０ 及び前記ヤング率Ｙ ０ の積により、前記電極指の前記各層の前記密度ρ ｉ 、前記ヤング率Ｙ ｉ 及び前記波長比膜厚ｔ ｉ の積を割ることにより規格化した各規格化膜厚の合計をＴとしたときに、下記の式２を満たし、
前記式２の各係数及び前記高音響インピーダンス金属層を構成する金属の組み合わせが、前記高音響インピーダンス金属層を構成する金属がＭｏである場合、ａ０（２）が１２３１５．２３６８、ａ０（１）が２３６０．５９９０、ｃ０が０．２２５０、ｂ０が６２８７．８９９９、ａＬＴ（２）が－５４６５６．６４００、ａＬＴ（１）が１２７９９．３１８４、ｃＬＴが０．２２５０、ａＭ（２）が－２５６１３６．５９３６、ａＭ（１）が－２２６２３．１３４８、ｃＭが０．０８４４、ｄＬＴ－Ｍが０．００００、ｂが６４８１．５２９５であり、前記高音響インピーダンス金属層を構成する金属がＷである場合、ａ０（２）が１２３１５．２３６８、ａ０（１）が２３６０．５９９０、ｃ０が０．２２５０、ｂ０が６２８７．８９９９、ａＬＴ（２）が－５７１７６．４５００、ａＬＴ（１）が１０７７４．６５３０、ｃＬＴが０．２２５０、ａＭ（２）が－２５２０４８．６９５０、ａＭ（１）が－１５６１２．４３５０、ｃＭが０．０８５１、ｄＬＴ－Ｍが７２３７０．３１５３、ｂが６４１６．９９５３である、弾性波装置。
- 前記Ａｌ金属層がＡｌ層であり、前記Ａｌ金属層の膜厚が８５ｎｍ以上である、請求項１または２に記載の弾性波装置。
- 前記エネルギー閉じ込め層が高音速材料層を有し、
前記高音速材料層を伝搬するバルク波の音速が、前記圧電体層を伝搬する弾性波の音速よりも高い、請求項１～３のいずれか１項に記載の弾性波装置。 - 前記エネルギー閉じ込め層が、前記高音速材料層と前記圧電体層との間に設けられている低音速膜を有し、
前記低音速膜を伝搬するバルク波の音速が、前記圧電体層を伝搬するバルク波の音速よりも低い、請求項４に記載の弾性波装置。 - 前記高音速材料層が高音速支持基板である、請求項４または５に記載の弾性波装置。
- 支持基板をさらに備え、
前記高音速材料層が、前記支持基板と前記低音速膜との間に設けられている高音速膜である、請求項５に記載の弾性波装置。 - 支持基板をさらに備え、
前記エネルギー閉じ込め層が、前記支持基板上に設けられている音響反射膜であり、
前記音響反射膜が、相対的に音響インピーダンスが高い高音響インピーダンス層と、相対的に音響インピーダンスが低い低音響インピーダンス層と、を有し、前記高音響インピーダンス層及び前記低音響インピーダンス層が交互に積層されており、
前記音響反射膜上に前記圧電体層が設けられている、請求項１～３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が０．０５λ以上、０．５λ以下である、請求項１～８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が０．０５λ以上、０．３５λ以下である、請求項９に記載の弾性波装置。
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