JP7433873B2 - 弾性波共振器、フィルタ、及びマルチプレクサ - Google Patents

弾性波共振器、フィルタ、及びマルチプレクサ Download PDF

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Description

本発明は、弾性波共振器、フィルタ、及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し、圧電層の厚さを弾性表面波の波長以下にすることが知られている（例えば、特許文献１）。支持基板と圧電層との間に酸化シリコン層を設けることが知られている（例えば、特許文献２）。また、弾性表面波共振器において、共振周波数と***振周波数とで周波数温度係数が異なることが知られている（例えば、特許文献３）。
特開２０１７－３４３６３号公報 特開２０１５－７３３３１号公報 特開２０１７－１５２８６８号公報
弾性波共振器で構成したフィルタを所望の特性とするために、弾性波共振器において共振周波数と***振周波数の周波数温度係数の差を小さくすることが望ましい。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、共振周波数と***振周波数の周波数温度係数の差を小さくす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、カット角が７０°以上９０°以下の範囲にある回転ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウムである圧電層と、前記支持基板と前記圧電層との間に設けられ、酸化シリコンを含み、前記圧電層の弾性定数の温度係数の符号とは反対の符号である弾性定数の温度係数を有する絶縁層と、前記圧電層上に設けられ、各々複数の電極指を有し、一方の櫛型電極の電極指の平均ピッチが前記圧電層の上面と前記絶縁層の下面の間隔の１／２以上である一対の櫛型電極と、を備え、前記絶縁層の厚さは、前記一対の櫛型電極のうちの一方の櫛型電極の電極指の平均ピッチの０．３倍以上０．７倍以下であり、前記圧電層の厚さは、前記一対の櫛型電極のうちの一方の櫛型電極の電極指の平均ピッチの０．３倍以上０．５倍以下である、弾性波共振器である。
上記構成において、前記圧電層は、カット角が８０°以上９０°以下の範囲にある回転ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウムである構成とすることができる。
上記構成において、前記絶縁層は、二酸化シリコン層である構成とすることができる。
上記構成において、前記一対の櫛型電極のうちの一方の櫛型電極の電極指の平均ピッチは、前記複数の電極指の配列方向における前記一対の櫛型電極のうちの一方の櫛型電極の長さを前記複数の電極指の本数で除した数である構成とすることができる。
上記構成において、前記支持基板は、サファイア基板、アルミナ基板、シリコン基板、スピネル基板、水晶基板、石英基板、又は炭化シリコン基板である構成とすることができる。
本発明は、上記記載の弾性波共振器を含むフィルタである。
本発明は、上記記載のフィルタを含むマルチプレクサである。
本発明によれば、共振周波数と***振周波数の周波数温度係数の差を小さくできる。
図１（ａ）は、実施例１に係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。 図２は、弾性波を説明する断面図である。 図３（ａ）及び図３（ｂ）は、シミュレーションＡ及びＢにおける弾性波共振器の断面図である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）は、シミュレーションＡ及びＢにおける位置Ｚに対する総変位分布を示す図である。 図５（ａ）から図５（ｃ）は、バルク波を説明する断面図である。 図６は、圧電層のカット角に対する周波数温度係数を示す図である。 図７は、圧電層のカット角に対する共振周波数と***振周波数との周波数温度係数の差及び電気機械結合係数を示す図である。 図８（ａ）及び図８（ｂ）は、圧電層のカット角に対する共振周波数と***振周波数との周波数温度係数の差及び電気機械結合係数を絶縁層の有り無しで比較した図である。 図９（ａ）及び図９（ｂ）は、絶縁層の厚さを変えた場合での、圧電層のカット角に対する共振周波数と***振周波数との周波数温度係数の差を示す図である。 図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、絶縁層の厚さを変えた場合での、圧電層のカット角に対する電気機械結合係数を示す図である。 図１１は、実施例２に係る弾性波共振器の断面図である。 図１２は、実施例３に係る弾性波共振器の断面図である。 図１３（ａ）から図１３（ｃ）は、実施例４から実施例４の変形例２に係る弾性波共振器の断面図である。 図１４は、実施例５に係るフィルタの回路図である。 図１５は、実施例６に係るデュプレクサの回路図である。
以下、図面を参照し本発明の実施例について説明する。
図１（ａ）は、実施例１に係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、支持基板及び圧電層の積層方向をＺ方向とする。Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向は、圧電層の結晶方位のＸ軸方向及び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伝搬の場合、Ｘ方向は結晶方位のＸ軸方向となる。
図１（ａ）及び図１（ｂ）のように、実施例１の弾性波共振器１００では、支持基板１０上に絶縁層１１が接合されている。絶縁層１１上に圧電層１２が接合されている。絶縁層１１は支持基板１０上に直接接合されていてもよいし、接合層等を介し間接的に接合されていてもよい。圧電層１２は絶縁層１１上に直接接合されていてもよいし、接合層等を介し間接的に接合されていてもよい。圧電層１２上に弾性波素子２０が設けられている。弾性波素子２０はＩＤＴ（Interdigital Transducer）２２と反射器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及び反射器２４は、圧電層１２上の金属膜１４により形成される。
ＩＤＴ２２は、対向する一対の櫛型電極１８を備える。櫛型電極１８は、複数の電極指１５と、複数の電極指１５が接続されたバスバー１６と、を備える。一対の櫛型電極１８の電極指１５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１８は、交差領域２５の少なくとも一部において電極指１５がほぼ互い違いとなるように対向して設けられている。交差領域２５において複数の電極指１５が励振する弾性波は、主にＸ方向に伝搬する。一対の櫛型電極１８のうち一方の櫛型電極１８の電極指１５のピッチがほぼ弾性波の波長λとなる。すなわち、弾性波の波長λは、一対の櫛型電極１８の電極指１５のピッチの２倍にほぼ等しい。反射器２４は、ＩＤＴ２２の電極指１５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１２は、単結晶タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）層であり、回転ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウム層である。絶縁層１１は、酸化シリコン（ＳｉＯ）を含む絶縁層である。絶縁層１１は、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）層でもよいし、酸化シリコンを主成分とし弗素又は窒素等の不純物を含んでいてもよい（例えばＳｉＯＦ層又はＳｉＯＮ層）。絶縁層１１の弾性定数の温度係数の符号は圧電層１２の弾性定数の温度係数の符号と反対である。絶縁層１１と圧電層１２の弾性定数の温度係数の正負の符号を反対とすることで、弾性波共振器の周波数温度係数（ＴＣＦ：Temperature Coefficient of Frequency）を小さくできる。
支持基板１０は、圧電層１２のＸ方向の線膨張係数より小さな線膨張係数を有する。支持基板１０として圧電層１２より線膨張係数の小さい材料を用いると、温度変化による電極指１５のピッチの変化が小さくなり、弾性波共振器の周波数温度係数を小さくできる。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、スピネル基板、水晶基板、石英基板、又は炭化シリコン基板である。サファイア基板は単結晶のＡｌ２Ｏ３を主成分とする基板である。アルミナ基板は多結晶のＡｌ２Ｏ３を主成分とする基板である。シリコン基板は単結晶又は多結晶のＳｉを主成分とする基板である。スピネル基板は単結晶又は多結晶のＭｇＡｌ２Ｏ４を主成分とする基板である。水晶基板は単結晶のＳｉＯ２を主成分とする基板である。石英基板はアモルファスのＳｉＯ２を主成分とする基板である。炭化シリコン基板は単結晶又は多結晶のＳｉＣを主成分とする基板である。主成分とするとは、各基板に記載した原子の合計が５０原子％以上である場合でもよいし、８０原子％以上である場合でもよい。
金属膜１４は、例えばアルミニウム、銅、又はモリブデンを主成分とする膜であり、例えばアルミニウム膜、銅膜、又はモリブデン膜である。電極指１５と圧電層１２との間にチタン膜又はクロム膜等の密着膜が設けられていてもよい。密着膜は電極指１５より薄い。電極指１５を覆うように絶縁膜が設けられていてもよい。絶縁膜は保護膜又は温度補償膜として機能してもよい。
支持基板１０の厚さは例えば５０μｍから５００μｍである。絶縁層１１の厚さＴ１は、例えば０．１μｍから１０μｍであり、例えば弾性波の波長λ以下である。圧電層１２の厚さＴ２は、例えば０．１μｍから１０μｍであり、例えば弾性波の波長λ以下である。弾性波の波長λは例えば１μｍから６μｍである。２本の電極指１５を１対としたときの対数は２０対から３００対である。ＩＤＴ２２のデュティ比は、電極指１５の太さ／電極指１５のピッチであり、例えば３０％から８０％である。ＩＤＴ２２の開口長は例えば１０λから５０λである。
［製造方法］
弾性波共振器１００の製造方法について説明する。支持基板１０上に絶縁層１１をＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いて成膜する。絶縁層１１上に圧電基板を表面活性化法を用いて接合させた後、圧電基板をＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）を用いて薄膜化させて圧電層１２を形成する。圧電層１２上にＩＤＴ２２及び反射器２４を形成する。
［絶縁層１１と圧電層１２の厚さの説明］
絶縁層１１の厚さＴ１と圧電層１２の厚さＴ２について説明する。図２は、弾性波を説明する断面図である。図２のように、ＩＤＴ２２の電極指１５は弾性波５０を励振する。なお、図中の弾性波５０は変位のイメージを示しており実際の弾性波の変位とは異なる。圧電層１２が回転ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウム層である場合、ＩＤＴ２２は主にＳＨ（Shear Horizontal）波を励振する。ＳＨ波は圧電層１２の表面に平行で且つＳＨ波の伝搬方向に直交方向に変位する波である。弾性波共振器の周波数温度係数を小さくするには、絶縁層１１内に弾性表面波の変位が分布していることが求められる。
そこで、共振周波数における総変位分布をシミュレーションした。図３（ａ）及び図３（ｂ）は、シミュレーションＡ及びＢにおける弾性波共振器の断面図である。図３（ａ）のように、シミュレーションＡでは、４２°回転ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウムからなる圧電基板１２´を用いた。図３（ｂ）のように、シミュレーションＢでは、サファイアからなる支持基板１０上に４２°回転ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウムからなる圧電層１２が設けられた基板を用いた。圧電層１２の厚さＴ１は約０．７λとした。シミュレーションＡ及びＢともに電極指１５が接する圧電基板１２´及び圧電層１２の表面を０とし、基板の深さ方向を位置Ｚとした。
図４（ａ）及び図４（ｂ）は、シミュレーションＡ及びＢにおける位置Ｚに対する総変位分布を示す図である。図４（ａ）及び図４（ｂ）の上に圧電基板１２´、支持基板１０、及び圧電層１２の範囲を示す矢印を図示している。図４（ａ）のように、シミュレーションＡでは、Ｚ／λが２以下にほとんどの変位が収まる。特に、Ｚ／λが１．５以下にほとんどの変位が収まる。これは、弾性表面波は圧電基板１２´の表面から２λ（特に１．５λ）までの範囲を伝搬することを示している。図４（ｂ）のように、シミュレーションＢでは、Ｚ／λが１以下にほとんどの変位が収まる。とくに支持基板１０内にはほとんど変位が分布しない。これは、支持基板１０の位相速度が大きいためである。
以上のシミュレーション結果のように、弾性表面波は、圧電基板１２´の表面から２λ（特に１．５λ）以内を伝搬する。このことから、実施例１において、絶縁層１１に周波数温度係数を小さくする機能を発揮させるには、絶縁層１１は圧電層１２の上面から２λ（特に１．５λ）以内に存在することが求められる。
次に、バルク波について説明する。図５（ａ）から図５（ｃ）は、バルク波を説明する断面図である。図５（ａ）のように、圧電基板１２´を用いる場合、ＩＤＴ２２が圧電基板１２´の表面にＳＨ波等の弾性表面波５２を励振する。弾性表面波５２の変位が存在する厚さＴ４は２λ程度である。ＩＤＴ２２が弾性表面波５２を励振するとき、ＩＤＴ２２は圧電基板１２´内にバルク波５４を放出する。バルク波５４は主モードの弾性表面波５２に比べて１／１０程度の大きさである。バルク波５４が存在する厚さＴ５は１０λ程度である。バルク波５４が圧電基板１２´内を伝搬すると弾性表面波５２のエネルギーがバルク波５４として失われる。よって、弾性波共振器の損失が大きくなる。
図５（ｂ）のように、支持基板１０上に弾性定数の温度係数の符号が圧電層１２と反対の絶縁層１１を設け、絶縁層１１上に圧電層１２を設ける。圧電層１２の厚さＴ１は厚さＴ４より小さい。これにより、弾性表面波５２の変位は圧電層１２と絶縁層１１の両方に分布する。よって、周波数温度係数を小さくできる。絶縁層１１の厚さＴ２が大きいと、絶縁層１１内をバルク波５４が伝搬する。これにより、弾性表面波５２のエネルギーがバルク波５４として失われる。よって、弾性波共振器の損失が大きくなる。矢印５６のように、支持基板１０内にはバルク波は伝搬しない。
図５（ｃ）のように、実施例１では、絶縁層１１を薄くし、厚さＴ１とＴ２の合計の厚さ（すなわち、圧電層１２の上面と絶縁層１１の下面との間の間隔）をＴ４以下に小さくする。支持基板１０は、絶縁層１１及び圧電層１２の位相速度（音速）より大きい位相速度を有する。例えば、タンタル酸リチウム、二酸化シリコン、及びサファイアの速い横波の位相速度は、約４２１１ｍ／秒、約５８４０ｍ／秒、及び約６７６１ｍ／秒である。このため、矢印５６のように、支持基板１０内にバルク波は伝搬し難い。弾性表面波５２及びバルク波５４ともに圧電層１２及び絶縁層１１内に閉じ込められる。よって、弾性波共振器の損失を抑制できる。また、バルク波に起因したスプリアスを抑制できる。
［圧電層１２のカット角の説明］
圧電層１２のカット角を変え、共振周波数ｆｒ及び***振周波数ｆａの周波数温度係数（ＴＣＦ）と電気機械結合係数（ｋ２）を計算したシミュレーションについて説明する。シミュレーションは図１（ａ）及び図１（ｂ）に示した構造を用いて以下の条件にて行った。
支持基板１０：サファイア基板
絶縁層１１：厚さ６００ｎｍ（０．４λ）の二酸化シリコン層
圧電層１２：厚さ６００ｎｍ（０．４λ）の回転ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウム層
金属膜１４：厚さ１５０ｎｍのアルミニウム膜
電極指１５のピッチ×２：１５００ｎｍ（弾性波の波長λ）
電極指１５の幅：３７５ｎｍ
図６は、圧電層のカット角に対する周波数温度係数を示す図である。横軸は圧電層１２のカット角であり、縦軸は周波数温度係数である。ドットはシミュレーション点であり、曲線は近似曲線である（以下の同様な図においても同様である）。共振周波数ｆｒのシミュレーション結果を太線で図示し、***振周波数ｆａのシミュレーション結果を細線で図示している。周波数温度係数は、弾性波共振器の温度が２５℃のときと８５℃のときとの周波数差から求めた。
図６のように、圧電層１２のカット角が０°から８０°までは、***振周波数ｆａの周波数温度係数は共振周波数ｆｒの周波数温度係数よりもマイナス側に位置する。共振周波数ｆｒの周波数温度係数と***振周波数ｆａの周波数温度係数との差は圧電層１２のカット角が０°から大きくなるに従い小さくなり、８０°で差がほぼなくなる。圧電層１２のカット角が８０°から１２０°の間では、共振周波数ｆｒの周波数温度係数と***振周波数ｆａの周波数温度係数とは、差がほぼない状態を維持しながら同様な軌跡をたどる。圧電層１２のカット角が１２０°より大きくなると、共振周波数ｆｒの周波数温度係数と***振周波数ｆａの周波数温度係数との差が開きだし、***振周波数ｆａの周波数温度係数は共振周波数ｆｒの周波数温度係数よりもマイナス側に位置する。
図７は、圧電層のカット角に対する共振周波数と***振周波数との周波数温度係数の差及び電気機械結合係数を示す図である。横軸は圧電層１２のカット角であり、左縦軸は共振周波数ｆｒと***振周波数ｆａとの周波数温度係数の差（ｆｒ－ｆａ）、右縦軸は電気機械結合係数である。周波数温度係数の差を太線で図示し、電気機械結合係数を細線で図示している。
図７のように、圧電層１２のカット角が５０°より大きく１５０°より小さい範囲では、共振周波数ｆｒと***振周波数ｆａとの周波数温度係数の差の絶対値は１０ｐｐｍ／Ｋ以下に低く抑えられている。特に、圧電層１２のカット角が８０°以上１２０°以下の範囲では、共振周波数ｆｒと***振周波数ｆａとの周波数温度係数の差はほぼゼロとなっている。一方、電気機械結合係数は、圧電層１２のカット角が２０°のときに極大となり、カット角が１２０°のときにほぼゼロとなり、その間ではカット角が大きくなるに従い減少している。
このように、絶縁層１１と圧電層１２の合計厚さが０．８λのような２λ以下の場合（すなわち、圧電層１２の上面と絶縁層１１の下面との間の間隔が２λ以下の場合）では、圧電層１２のカット角を５０°より大きく１５０°より小さくすることで周波数温度係数の差の絶対値を１０ｐｐｍ／Ｋ以下に低く抑えられる。特に、圧電層１２のカット角を８０°以上１２０°以下にすることで周波数温度係数の差がほぼゼロとなる。
次に、圧電層１２のカット角に対する共振周波数ｆｒと***振周波数ｆａとの周波数温度係数の差及び電気機械結合係数を絶縁層１１の有り無しで比較した。絶縁層１１が有るときのシミュレーションは図６及び図７のときと同じ条件で行った。絶縁層１１が無いときのシミュレーションは絶縁層１１が無いこと以外は図６及び図７のときと同じ条件で行った。
図８（ａ）は、圧電層のカット角に対する共振周波数と***振周波数との周波数温度係数の差を絶縁層の有り無しで比較した図、図８（ｂ）は、圧電層のカット角に対する電気機械結合係数を絶縁層の有り無しで比較した図である。図８（ａ）及び図８（ｂ）の横軸は圧電層１２のカット角である。図８（ａ）の縦軸は共振周波数ｆｒと***振周波数ｆａとの周波数温度係数の差（ｆｒ－ｆａ）であり、図８（ｂ）の縦軸は電気機械結合係数である。絶縁層１１が有る場合を太線で図示し、絶縁層１１が無い場合を細線で図示している。
図８（ａ）のように、絶縁層１１が設けられている場合は、絶縁層１１が設けられていない場合に比べて、圧電層１２のカット角全域にわたって周波数温度係数の差の絶対値が小さくなる。圧電層１２のカット角が８０°以上１２０°以下の範囲では、絶縁層１１が設けられている場合では周波数温度係数の差がほぼゼロになるのに対し、絶縁層１１が設けられていない場合では周波数温度係数の差がゼロにはならずに２～５ｐｐｍ／Ｋ程度となっている。
図８（ｂ）のように、絶縁層１１が設けられている場合は、絶縁層１１が設けられていない場合に比べて、圧電層１２のカット角全域にわたって電気機械結合係数が小さくなるが、圧電層１２のカット角が３０°以上９０°以下の範囲では電気機械結合係数の差は小さい。
以上のように、実施例１によれば、周波数温度係数を小さくし且つ損失及びスプリアスを抑制するために、圧電層１２の上面と絶縁層１１の下面との間の間隔を２λ以下にする。言い換えると、一方の櫛型電極１８の電極指１５の平均ピッチを圧電層１２の上面と絶縁層１１の下面との間の間隔の１／２以上とする。一方の櫛型電極１８の電極指１５の平均ピッチは、一方の櫛型電極１８のＸ方向の長さを一方の櫛型電極１８の電極指１５の本数で除することにより算出できる。また、ＩＤＴ２２のＸ方向の長さを電極指１５の対数（電極指１５の本数の１／２）で除することで一方の櫛型電極１８の電極指１５の平均ピッチとしてもよい。このような場合に、図７のように、圧電層１２のカット角を５０°より大きく１５０°より小さい範囲内にする。これにより、弾性波共振器の共振周波数ｆｒと***振周波数ｆａとの周波数温度係数の差の絶対値を小さくできる。また、図８（ａ）のように、絶縁層１１を設けることで、絶縁層１１を設けない場合に比べて、周波数温度係数の差の絶対値を小さくできる。弾性表面波を圧電層１２及び絶縁層１１内に伝搬させるため、一方の櫛型電極１８の電極指１５の平均ピッチは、絶縁層１１と圧電層１２の合計厚さの１／０．１倍以下が好ましく、１／０．５倍以下がより好ましく、１倍以下が更に好ましい。
圧電層１２のカット角はオイラー角の表示で表すと（φ、θ、ψ）＝（０°、１４０°～２４０°、０°）であり、製造上の誤差を含めると（φ、θ、ψ）＝（０°±５°、１４０°～２４０°、０°±１０°）の範囲であってもよい。
図７のように、電気機械結合係数の確保と周波数温度係数の差の低減との両立の点から、圧電層１２のカット角は５０°より大きく９０°以下の場合が好ましく、５５°以上９０°以下がより好ましく、５０°より大きく７０°以下の場合が更に好ましく、５５°以上７０°以下の場合がより更に好ましい。また、電気機械結合係数を確保しつつ周波数温度係数の差を良好に低減する点から、圧電層１２のカット角は６０°以上９０°以下の場合でもよく、６０°以上８０°以下の場合でもよく、７０°以上９０°以下の場合でもよい。
図９（ａ）及び図９（ｂ）は、絶縁層の厚さを変えた場合での、圧電層のカット角に対する共振周波数と***振周波数との周波数温度係数の差を示す図である。横軸は圧電層１２のカット角であり、縦軸は共振周波数ｆｒと***振周波数ｆａとの周波数温度係数の差（ｆｒ－ｆａ）である。図９（ａ）は、圧電層１２の厚さを０．３λに固定し、絶縁層１１の厚さを０．３λ、０．５λ、０．７λ、０．９λと変えた点以外は図６及び図７のときと同じ条件で行ったシミュレーション結果である。図９（ｂ）は、圧電層１２の厚さを０．５λに固定し、絶縁層１１の厚さを０．３λ、０．５λ、０．７λ、０．９λと変えた点以外は図６及び図７のときと同じ条件で行ったシミュレーション結果である。
図９（ａ）及び図９（ｂ）のように、絶縁層１１の厚さが大きくても又は小さくても周波数温度係数の差の絶対値が大きくなり、周波数温度係数の差の絶対値が小さくなる絶縁層１１の厚さの適切な範囲があることが分かる。圧電層１２のカット角が５０°より大きい場合における周波数温度係数の差の絶対値を小さくするには、絶縁層１１の厚さは、０．１λ以上０．７λ以下が好ましく、０．３λ以上０．７λ以下がより好ましく、０．５λ以上０．７λ以下が更に好ましい。また、図９（ａ）は圧電層１２の厚さが０．３λのシミュレーション結果であり、図９（ｂ）は圧電層１２の厚さが０．５λのシミュレーション結果であることから、圧電層１２の厚さは、０．２λ以上０．６λ以下が好ましく、０．３λ以上０．５λ以下がより好ましい。
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、絶縁層の厚さを変えた場合での、圧電層のカット角に対する電気機械結合係数を示す図である。横軸は圧電層１２のカット角であり、縦軸は電気機械結合係数である。図１０（ａ）は、圧電層１２の厚さを０．３λに固定し、絶縁層１１の厚さを０．３λ、０．５λ、０．７λ、０．９λと変えた点以外は図６及び図７のときと同じ条件で行ったシミュレーション結果である。図１０（ｂ）は、圧電層１２の厚さを０．５λに固定し、絶縁層１１の厚さを０．３λ、０．５λ、０．７λ、０．９λと変えた点以外は図６及び図７のときと同じ条件で行ったシミュレーション結果である。
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）のように、絶縁層１１の厚さが大きくなるほど電気機械結合係数は小さくなることが分かる。したがって、電気機械結合係数の低下を抑制する点から、絶縁層１１の厚さは、０．７λ以下の場合が好ましく、０．５λ以下の場合がより好ましく、０．４λ以下の場合が更に好ましい。
図６から図１０（ｂ）のシミュレーション結果から、電気機械結合係数の確保と周波数温度係数の差の低減との両立のために、絶縁層１１の厚さは０．１λ以上０．７λ以下が好ましく、圧電層１２の厚さは０．２λ以上０．６λ以下が好ましい。絶縁層１１の厚さは０．３λ以上０．７λ以下がより好ましく、圧電層１２の厚さは０．３λ以上０．５λ以下がより好ましい。言い換えると、絶縁層１１の厚さは一方の櫛型電極１８の電極指１５の平均ピッチの０．１倍以上０．７倍以下が好ましく、圧電層１２の厚さは一方の櫛型電極１８の電極指１５の平均ピッチの０．２倍以上０．６倍以下が好ましい。絶縁層１１の厚さは一方の櫛型電極１８の電極指１５の平均ピッチの０．３倍以上０．７倍以下がより好ましく、圧電層１２の厚さは一方の櫛型電極１８の電極指１５の平均ピッチの０．３倍以上０．５倍以下がより好ましい。
電気機械結合係数の確保及び周波数温度係数の差の低減のために、絶縁層１１の厚さは０．３λ以上０．５λ以下の場合でもよく、０．４λ以上０．７λ以下の場合でもよく、０．５λ以上０．７λ以下の場合でもよい。圧電層１２の厚さは０．３λ以上０．４λ以下の場合でもよい。
図６から図１０（ｂ）に示したシミュレーション結果は、絶縁層１１が二酸化シリコン（ＳｉＯ２）層である場合であるが、弗素添加酸化シリコン（ＳｉＯＦ）層又は窒素添加酸化シリコン（ＳｉＯＮ）層等のように酸化シリコン（ＳｉＯ）を含んでいれば同様の結果が得られると考えられる。したがって、絶縁層１１は、二酸化シリコン層である場合に限られず、酸化シリコンを含む絶縁層であればよい。酸化シリコンを含むとは、ＳｉとＯが合わせて５０原子％以上含まれる場合であり、８０原子％以上含まれる場合が好ましい。
図１１は、実施例２に係る弾性波共振器の断面図である。図１１のように、実施例２に係る弾性波共振器２００では、絶縁層１１が設けられてなく、支持基板１０上に圧電層１２が接合されている。圧電層１２は支持基板１０上に直接接合されていてもよいし、接合層等を介し間接的に接合されていてもよい。その他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。実施例２の弾性波共振器２００は、支持基板１０上に圧電基板を表面活性化法を用いて接合させる点以外は、実施例１の弾性波共振器１００と同じ方法で形成される。
実施例１に記載したように、弾性表面波は圧電層１２の表面から２λ以内を伝搬する。すなわち、圧電層１２の厚さが２λより大きい場合、圧電層１２の表面から２λよりも大きく離れた領域は弾性表面波が伝搬しない領域である。したがって、支持基板１０と圧電層１２の間に絶縁層１１が設けられていない場合では、弾性波共振器の小型化の点から、圧電層１２の厚さを２λ以下にする。言い換えると、一方の櫛型電極１８の電極指１５の平均ピッチを圧電層１２の厚さの１／２以上とする。このような場合に、図８（ａ）のように、圧電層１２のカット角を５０°より大きく１５０°より小さい範囲にすることで、弾性波共振器の共振周波数ｆｒと***振周波数ｆａとの周波数温度係数の差の絶対値を小さくできる。
絶縁層１１が設けられていない場合でも、実施例１と同様に、電気機械結合係数の確保と周波数温度係数の差の低減との両立の点から、圧電層１２のカット角は５０°より大きく９０°以下の場合が好ましく、５５°以上９０°以下がより好ましく、５０°より大きく７０°以下が更に好ましく、５５°以上７０°以下がより更に好ましい。また、電気機械結合係数を確保しつつ周波数温度係数の差を良好に低減する点から、圧電層１２のカット角は６０°以上９０°以下の場合でもよく、６０°以上８０°以下の場合でもよく、７０°以上９０°以下の場合でもよい。
圧電層１２の厚さは、弾性波共振器の小型化の点から、１．８λ以下の場合でもよく、１．５λ以下の場合でもよく、１．０λ以下の場合でもよい。
図１２は、実施例３に係る弾性波共振器の断面図である。図１２のように、実施例３に係る弾性波共振器３００では、絶縁層１１と圧電層１２の間に接合層２６が設けられている。接合層２６は、例えばアルミナ、シリコン、又は窒化アルミニウムで形成され、厚さが例えば１ｎｍ～１００ｎｍである。支持基板１０と絶縁層１１の界面６０に凹凸が形成されている。凹凸は規則的に形成されていてもよいし、不規則であってもよい。界面６０の算術平均粗さＲａは例えば１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であり、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下が好ましく、１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下が更に好ましい。界面６０の凹凸は、例えば支持基板１０上に形成したマスク層をマスクに支持基板１０の上部をエッチング法又はサンドブラスト法で除去した後に支持基板１０上に絶縁層１１を成膜することで形成される。例えば、支持基板１０がサファイア基板の場合、支持基板１０の上部の除去には塩素系ガスを用いたドライエッチング法を用いることができる。支持基板１０の材料によりエッチング液及びエッチングガスを適宜選択する。その他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。
実施例３のように、絶縁層１１と圧電層１２の間に接合層２６が設けられることで、絶縁層１１と圧電層１２の接合強度を強くすることができる。支持基板１０と絶縁層１１の界面６０に凹凸が形成されることで、ＩＤＴ２２で励振された弾性波が圧電層１２及び絶縁層１１内に閉じ込められ易くなる。また、バルク波に起因したスプリアスも抑制される。
図１３（ａ）から図１３（ｃ）は、実施例４から実施例４の変形例２に係る弾性波共振器の断面図である。図１３（ａ）のように、実施例４に係る弾性波共振器４００では、絶縁層１１と圧電層１２の間に接合層２６が設けられ、支持基板１０と絶縁層１１の間に境界層２７が設けられている。境界層２７は、圧電層１２及び絶縁層１１を伝搬する弾性表面波よりも境界層２７中のバルク波の音速が速い層であり、例えばアルミナ、窒化アルミニウム、シリコン、窒化シリコン、又は炭化シリコンで形成されている。境界層２７の厚さは、例えば０．５λ以上であり、１．５λ以上が更に好ましい。その他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。
実施例４のように、支持基板１０と絶縁層１１の間に高音速層である境界層２７が設けられることで、ＩＤＴ２２で励振された弾性波が圧電層１２及び絶縁層１１内に閉じ込められ易くなる。
図１３（ｂ）のように、実施例４の変形例１に係る弾性波共振器４１０では、支持基板１０と境界層２７の界面６２に凹凸が形成されている。凹凸は規則的に形成されていてもよいし、不規則であってもよい。界面６２の算術平均粗さＲａは例えば１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であり、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下が好ましく、１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下が更に好ましい。その他の構成は、実施例４と同じであるため説明を省略する。このように、支持基板１０と境界層２７の界面６２に凹凸が形成されることでバルク波に起因したスプリアスを低減できる。
図１３（ｃ）のように、実施例４の変形例２に係る弾性波共振器４２０では、支持基板１０と境界層２７の界面６２に凹凸が形成され、境界層２７と絶縁層１１の界面６４に凹凸が形成されている。凹凸は規則的に形成されていてもよいし、不規則であってもよい。界面６２、６４の算術平均粗さＲａは例えば１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であり、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下が好ましく、１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下が更に好ましい。その他の構成は、実施例４と同じであるため説明を省略する。このように、境界層２７と絶縁層１１の界面６４に凹凸が形成されることで、ＩＤＴ２２で励振された弾性波が圧電層１２及び絶縁層１１内に閉じ込められ易くなる。また、バルク波に起因したスプリアスも抑制される。
図１４は、実施例５に係るフィルタの回路図である。図１４のように、実施例５のフィルタ５００は、入力端子Ｔｉｎと出力端子Ｔｏｕｔとの間に１又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又は複数の並列共振器Ｐ１及びＰ２が並列に接続されている。１又は複数の直列共振器Ｓ１からＳ３並びに１又は複数の並列共振器Ｐ１及びＰ２の少なくとも１つに実施例１から実施例４の変形例２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。
図１５は、実施例６に係るデュプレクサの回路図である。図１５のように、実施例６のデュプレクサ６００は、共通端子Ａｎｔと送信端子Ｔｘとの間に送信フィルタ７０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７２が接続されている。送信フィルタ７０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７２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帯域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７０及び受信フィルタ７２の少なくとも一方を実施例５のフィルタとすることができる。なお、マルチプレクサとしてデュプレクサの場合を例に示したがトリプレクサ又はクワッドプレクサでもよい。
以上、本願発明の実施形態について詳述したが、本願発明はかかる特定の実施形態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願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 圧電層
１２´ 圧電基板
１４ 金属膜
１５ 電極指
１６ バスバー
１８ 櫛型電極
２０ 弾性波素子
２２ ＩＤＴ
２４ 反射器
２５ 交差領域
２６ 接合層
２７ 境界層
５０ 弾性波
５２ 弾性表面波
５４ バルク波
６０、６２、６４ 界面
７０ 送信フィルタ
７２ 受信フィルタ
１００、２００、３００、４００、４１０、４２０ 弾性波共振器
５００ フィルタ
６００ デュプレクサ

Claims (7)

  1. 支持基板と、
    前記支持基板上に設けられ、カット角が７０°以上９０°以下の範囲にある回転ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウムである圧電層と、
    前記支持基板と前記圧電層との間に設けられ、酸化シリコンを含み、前記圧電層の弾性定数の温度係数の符号とは反対の符号である弾性定数の温度係数を有する絶縁層と、
    前記圧電層上に設けられ、各々複数の電極指を有し、一方の櫛型電極の電極指の平均ピッチが前記圧電層の上面と前記絶縁層の下面の間隔の１／２以上である一対の櫛型電極と、を備え、
    前記絶縁層の厚さは、前記一対の櫛型電極のうちの一方の櫛型電極の電極指の平均ピッチの０．３倍以上０．７倍以下であり、
    前記圧電層の厚さは、前記一対の櫛型電極のうちの一方の櫛型電極の電極指の平均ピッチの０．３倍以上０．５倍以下である、弾性波共振器。
  2. 前記圧電層は、カット角が８０°以上９０°以下の範囲にある回転ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウムである、請求項１に記載の弾性波共振器。
  3. 前記絶縁層は、二酸化シリコン層である、請求項１または２に記載の弾性波共振器。
  4. 前記一対の櫛型電極のうちの一方の櫛型電極の電極指の平均ピッチは、前記複数の電極指の配列方向における前記一対の櫛型電極のうちの一方の櫛型電極の長さを前記複数の電極指の本数で除した数である、請求項１から３のいずれか一項に記載の弾性波共振器。
  5. 前記支持基板は、サファイア基板、アルミナ基板、シリコン基板、スピネル基板、水晶基板、石英基板、又は炭化シリコン基板である、請求項１から４のいずれか一項に記載の弾性波共振器。
  6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の弾性波共振器を含むフィルタ。
  7. 請求項６に記載のフィルタを含むマルチプレクサ。
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