WO2021090775A1 - 弾性波装置 - Google Patents

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英樹 岩本
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株式会社村田製作所
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    • H03H9/02574—Characteristics of substrate, e.g. cutting angles of combined substrates, multilayered substrates, piezoelectrical layers on not-piezoelectrical substrate

Definitions

  • the present invention relates to an elastic wave device.
  • Patent Document 1 discloses an example of an elastic wave device.
  • a piezoelectric film is provided on a support substrate, and an IDT (Interdigital Transducer) electrode is provided on the piezoelectric film.
  • Silicon, silicon carbide, or the like is used for the support substrate.
  • Lithium tantalate, lithium niobate, and the like are used for the piezoelectric film.
  • the characteristics of the main mode may be deteriorated or a large spurious due to the Rayleigh wave may occur. It became clear that there was.
  • An object of the present invention is to provide an elastic wave device that uses a silicon carbide substrate as a support substrate, can improve the characteristics of the main mode, and can easily suppress spurious caused by Rayleigh waves.
  • the elastic wave device includes a support substrate, a piezoelectric layer provided on the support substrate, and an IDT electrode provided on the piezoelectric layer, and the support substrate has a hexagonal structure.
  • This is a silicon carbide substrate, which uses SH waves as the main mode.
  • an elastic wave device that uses a silicon carbide substrate as a support substrate, can improve the characteristics of the main mode, and can easily suppress spurious caused by Rayleigh waves.
  • FIG. 1 is a front sectional view of an elastic wave device according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view of the elastic wave device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic view showing the definition of the crystal axis of silicon carbide and the a-plane, m-plane, c-plane and r-plane of silicon carbide.
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the propagation angle ⁇ SiC and the electromechanical coupling coefficients of SH waves and Rayleigh waves when the main surface of the silicon carbide substrate is the r surface in the first embodiment of the present invention. is there.
  • FIG. 1 is a front sectional view of an elastic wave device according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view of the elastic wave device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic view showing the definition of the crystal axis of silicon carbide and the a-plane, m-
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the propagation angle ⁇ SiC and the electromechanical coupling coefficients of SH waves and Rayleigh waves when the main surface of the silicon carbide substrate is the a surface in the first embodiment of the present invention. is there.
  • FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the propagation angle ⁇ SiC and the electromechanical coupling coefficients of SH waves and Rayleigh waves when the main surface of the silicon carbide substrate is the m surface in the first embodiment of the present invention. is there.
  • FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the propagation angle ⁇ SiC and the electromechanical coupling coefficients of SH waves and Rayleigh waves when the main surface of the silicon carbide substrate is the c-plane in the first embodiment of the present invention. is there.
  • FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the propagation angle ⁇ SiC and the sound velocity of the SH wave and the Rayleigh wave when the main surface of the silicon carbide substrate is the c-plane.
  • FIG. 9 is a diagram showing the impedance characteristics of SH waves as the main mode of the first embodiment and the comparative example of the present invention.
  • FIG. 10 is a front sectional view of an elastic wave device according to a modified example of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the propagation angle ⁇ SiC and the electromechanical coupling coefficient of the Rayleigh wave when the main surface of the silicon carbide substrate is the r surface in the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the propagation angle ⁇ SiC and the electromechanical coupling coefficient of the Rayleigh wave when the main surface of the silicon carbide substrate is the a surface in the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the propagation angle ⁇ SiC and the electromechanical coupling coefficient of the Rayleigh wave when the main surface of the silicon carbide substrate is the m surface in the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a diagram showing the relationship between the propagation angle ⁇ SiC and the electromechanical coupling coefficient of the Rayleigh wave when the main surface of the silicon carbide substrate is the c-plane in the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a front sectional view of an elastic wave device according to a first embodiment of the present invention.
  • the elastic wave device 1 has a support substrate.
  • the support substrate of this embodiment is a silicon carbide substrate 2. More specifically, the crystal structure of the silicon carbide substrate 2 is a 4H-SiC type hexagonal structure.
  • the silicon carbide substrate 2 may have a hexagonal structure other than the 4H-SiC type, for example, a 6H-SiC type.
  • the piezoelectric layer 4 is provided directly on the silicon carbide substrate 2.
  • the piezoelectric layer 4 of the present embodiment is a lithium tantalate layer.
  • An IDT electrode 5 is provided on the piezoelectric layer 4. By applying an AC voltage to the IDT electrode 5, elastic waves are excited.
  • the elastic wave device 1 uses SH waves as the main mode.
  • the elastic wave device 1 of the present embodiment is an elastic surface wave resonator.
  • the surface acoustic wave device according to the present invention is not limited to the surface acoustic wave resonator, and may be a filter device having a plurality of surface acoustic wave resonators.
  • FIG. 2 is a plan view of the elastic wave device according to the first embodiment.
  • the IDT electrode 5 has a first bus bar 16 and a second bus bar 17 facing each other.
  • the IDT electrode 5 has a plurality of first electrode fingers 18 each having one end connected to the first bus bar 16. Further, the IDT electrode 5 has a plurality of second electrode fingers 19 each having one end connected to the second bus bar 17.
  • the plurality of first electrode fingers 18 and the plurality of second electrode fingers 19 are interleaved with each other.
  • the IDT electrode 5 is made of a single layer Al film.
  • the materials of the reflector 6A and the reflector 6B are the same as those of the IDT electrode 5.
  • the materials of the IDT electrode 5, the reflector 6A and the reflector 6B are not limited to the above.
  • the IDT electrode 5, the reflector 6A and the reflector 6B may be made of a laminated metal film in which a plurality of metal layers are laminated.
  • FIG. 3 is a schematic view showing the definition of the crystal axis of silicon carbide and the a-plane, m-plane, c-plane and r-plane of silicon carbide.
  • the silicon carbide substrate 2 is a 4H-SiC type hexagonal silicon carbide single crystal substrate.
  • the crystal axis of the silicon carbide constituting the silicon carbide substrate 2 is (a1, a2, a3, C).
  • the a1 axis, the a2 axis, and the a3 axis are equivalent due to the symmetry of the crystal structure.
  • the main surface of the silicon carbide substrate 2 in the elastic wave device 1 is, for example, a-plane, m-plane, c-plane or r-plane.
  • the main surface of the silicon carbide substrate 2 on the piezoelectric layer 4 side is the (11-20) plane.
  • the (11-20) plane is a plane orthogonal to the crystal axis represented by the Miller index [11-20] in the crystal structure.
  • the elastic wave propagation angle ⁇ SiC in the silicon carbide substrate 2 is the elastic wave propagation direction and the silicon carbide when viewed from the main surface side where the IDT electrode 5 of the piezoelectric layer 4 is formed.
  • the Euler angles of the silicon carbide substrate 2 be ( ⁇ SiC , ⁇ SiC , ⁇ SiC ).
  • the ⁇ SiC at Euler angles is the propagation angle ⁇ SiC .
  • the (11-20) plane is expressed by Euler angles, it is (90 °, 90 °, ⁇ SiC ).
  • the main surface of the silicon carbide substrate 2 is the c-plane
  • the main surface of the silicon carbide substrate 2 on the piezoelectric layer 4 side is the (0001) plane.
  • the propagation angle ⁇ SiC of the silicon carbide substrate 2 is the elastic wave propagation direction and the Miller index of silicon carbide when viewed from the main surface side where the IDT electrode 5 of the piezoelectric layer 4 is formed. It is an angle formed by the crystal orientation [1000] of.
  • the (0001) plane is expressed by Euler angles, it is (0 °, 0 °, ⁇ SiC ).
  • the main surface of the silicon carbide substrate 2 is the m-plane
  • the main surface of the silicon carbide substrate 2 on the piezoelectric layer 4 side is the (1-100) surface.
  • the propagation angle ⁇ SiC of the silicon carbide substrate 2 is the elastic wave propagation direction and the Miller index of silicon carbide when viewed from the main surface side where the IDT electrode 5 of the piezoelectric layer 4 is formed. It is an angle formed by the crystal orientation [0001] of.
  • the (1-100) plane is expressed by Euler angles, it is (0 °, 90 °, ⁇ SiC ).
  • the main surface of the silicon carbide substrate 2 is the r-plane
  • the main surface of the silicon carbide substrate 2 on the piezoelectric layer 4 side is the (1-102) plane.
  • the propagation angle ⁇ SiC of the silicon carbide substrate 2 is the elastic wave propagation direction and the Miller index of silicon carbide when viewed from the main surface side where the IDT electrode 5 of the piezoelectric layer 4 is formed. It is an angle formed by the crystal orientation [1-10-1] of.
  • the (1-102) plane is expressed by Euler angles, it is (0 °, 122.23 °, ⁇ SiC ).
  • the plane orientation or Euler angles of the silicon carbide substrate 2 are not limited to these.
  • the feature of this embodiment is that the piezoelectric layer 4 and the silicon carbide substrate 2 having a 4H-SiC type hexagonal structure are laminated, and the elastic wave device 1 uses the SH mode. Thereby, in the elastic wave device 1 using the silicon carbide substrate 2, spurious due to the Rayleigh wave can be suppressed. The details will be described below.
  • ⁇ be the wavelength defined by the electrode finger pitch of the IDT electrode 5.
  • the electrode finger pitch is an average value of the distances between the center of the electrode fingers of adjacent electrode fingers in the IDT electrode 5.
  • Silicon Carbide Substrate 2 Material: 4H-SiC type hexagonal SiC Piezoelectric layer 4; Material: 0 ° Y-LiTaO 3 , Thickness: 0.2 ⁇ IDT electrode 5; material ... Al, thickness ... 0.05 ⁇
  • the main surface of the silicon carbide substrate 2 is the r surface.
  • the electromechanical coupling coefficient of the SH wave, which is the main mode, and the electromechanical coupling coefficient of the Rayleigh wave, which is a spurious wave are changed by changing the propagation angle ⁇ SiC within the range of 0 ° or more and 180 ° or less. And was simulated.
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the propagation angle ⁇ SiC and the electromechanical coupling coefficients of SH waves and Rayleigh waves when the main surface of the silicon carbide substrate is the r surface in the first embodiment.
  • the Rayleigh wave is suppressed even if the propagation angle ⁇ SiC is changed.
  • the electromechanical coupling coefficient of the SH wave is larger than the electromechanical coupling coefficient of the Rayleigh wave even if the propagation angle ⁇ SiC is changed.
  • the propagation angle ⁇ SiC is preferably in the range of 0 ° or more and 55 ° or less or 115 ° or more and 170 ° or less.
  • the following shows that Rayleigh waves can be suppressed even when the main surface of the silicon carbide substrate 2 is other than the r surface.
  • the main surface of the silicon carbide substrate 2 is set. The same simulation as above was performed for the a-plane, m-plane, or c-plane.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the propagation angle ⁇ SiC and the electromechanical coupling coefficients of SH waves and Rayleigh waves when the main surface of the silicon carbide substrate is the a surface in the first embodiment.
  • the propagation angle ⁇ SiC is within the range of 20 ° or more and 160 ° or less.
  • the electromechanical coupling coefficient of the SH wave can be effectively increased, and spurious due to the Rayleigh wave can be effectively suppressed.
  • the propagation angle ⁇ SiC is within the range of 30 ° or more and 70 ° or less or 110 ° or more and 150 ° or less.
  • FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the propagation angle ⁇ SiC and the electromechanical coupling coefficients of SH waves and Rayleigh waves when the main surface of the silicon carbide substrate is the m surface in the first embodiment.
  • the propagation angle ⁇ SiC is within the range of 20 ° or more and 160 ° or less, as in the case of the a-plane.
  • the electromechanical coupling coefficient of the SH wave can be effectively increased, and spurious due to the Rayleigh wave can be effectively suppressed.
  • the propagation angle ⁇ SiC is within the range of 30 ° or more and 70 ° or less or 110 ° or more and 150 ° or less. As a result, spurious emissions caused by Rayleigh waves can be further suppressed.
  • FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the propagation angle ⁇ SiC and the electromechanical coupling coefficient of the SH wave and the Rayleigh wave when the main surface of the silicon carbide substrate is the c-plane in the first embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the propagation angle ⁇ SiC and the sound velocity of the SH wave and the Rayleigh wave when the main surface of the silicon carbide substrate is the c-plane.
  • the Rayleigh wave can be effectively suppressed even when the main surface of the silicon carbide substrate 2 is the c-plane.
  • FIGS. 7 and 8 when the main surface of the silicon carbide substrate 2 is the c-plane, even if the propagation angle ⁇ SiC is changed, the electromechanical coupling coefficient of the SH wave and the Rayleigh wave and the electromechanical coupling coefficient and The speed of sound has not changed. In this way, even if the propagation angle ⁇ SiC is changed, the characteristic fluctuation is unlikely to occur. Therefore, when the main surface of the silicon carbide substrate 2 is the c-plane, it is easy to obtain desired characteristics regardless of the variation in the propagation angle ⁇ SiC.
  • the characteristics of the main mode can be enhanced. This is shown below.
  • an elastic wave device having a silicon carbide substrate having a 3C-SiC type cubic structure was prepared. 35 ° Y-LiTaO 3 was used for the elastic wave device 1 having the configuration of the present embodiment and the piezoelectric layer of the comparative example.
  • FIG. 9 is a diagram showing the impedance characteristics of the SH wave as the main mode of the first embodiment and the comparative example.
  • the resistance at the antiresonance frequency is about 130 dB, whereas in the first embodiment, the resistance is as high as about 148 dB.
  • the characteristics of the main mode can be improved.
  • FIG. 10 is a front sectional view of the elastic wave device according to the modified example of the first embodiment.
  • the bass velocity film 23 is provided between the silicon carbide substrate 2 and the piezoelectric layer 4.
  • the low sound velocity film 23 is a relatively low sound velocity film. More specifically, the sound velocity of the bulk wave propagating in the bass velocity film 23 is lower than the sound velocity of the bulk wave propagating in the piezoelectric layer 4.
  • the bass velocity film 23 of the present embodiment is a silicon oxide film. Silicon oxide is represented by SiO x. x is any positive number.
  • the silicon oxide constituting the bass velocity film 23 of the present embodiment is SiO 2 .
  • the material of the bass velocity film 23 is not limited to the above, and for example, a material containing glass, silicon nitride, lithium oxide, or a compound obtained by adding fluorine, carbon, or boron to silicon oxide may be used. it can.
  • the piezoelectric layer 4 may be indirectly provided on the silicon carbide substrate 2 via the bass velocity film 23.
  • spurious due to Rayleigh waves can be suppressed as in the first embodiment.
  • the bass velocity film 23 is a silicon oxide film as in this modification, the absolute value of the frequency temperature coefficient TCF in the elastic wave device can be reduced. Therefore, the frequency temperature characteristic can be improved.
  • the piezoelectric layer 4 is a lithium tantalate layer, but the piezoelectric layer 4 may be a lithium niobate layer.
  • the effect of the second embodiment in which the piezoelectric layer 4 is a lithium niobate layer is shown below. Since the configuration of the second embodiment is the same as that of the first embodiment except for the configuration of the piezoelectric layer 4, the reference numerals in FIG. 1 are used.
  • An elastic wave device 1 having the configuration of the second embodiment and having the following design parameters was prepared.
  • Silicon Carbide Substrate 2 Material: 4H-SiC type hexagonal SiC Piezoelectric layer 4; Material: 0 ° Y-LiNbO 3 , Thickness: 0.2 ⁇ IDT electrode 5; material ... Al, thickness ... 0.05 ⁇
  • the main surface of the silicon carbide substrate 2 is the r surface.
  • the electromechanical coupling coefficient of the SH wave, which is the main mode, and the electromechanical coupling coefficient of the Rayleigh wave, which is a spurious wave are changed by changing the propagation angle ⁇ SiC within the range of 0 ° or more and 180 ° or less. And was simulated.
  • FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the propagation angle ⁇ SiC and the electromechanical coupling coefficient of the Rayleigh wave when the main surface of the silicon carbide substrate is the r surface in the second embodiment.
  • the propagation angle ⁇ SiC is preferably in the range of 0 ° or more and 25 ° or less or in the range of 105 ° or more and 140 ° or less.
  • the following shows that Rayleigh waves can be suppressed even when the main surface of the silicon carbide substrate 2 is other than the r surface.
  • the main surface of the silicon carbide substrate 2 is set. The same simulation as above was performed for the a-plane, m-plane, or c-plane.
  • FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the propagation angle ⁇ SiC and the electromechanical coupling coefficient of the Rayleigh wave when the main surface of the silicon carbide substrate is the a surface in the second embodiment.
  • the Rayleigh wave is suppressed to less than 1.2% even if the propagation angle ⁇ SiC is changed. Therefore, even when the main surface of the silicon carbide substrate 2 is the a-plane, it becomes easy to suppress spurious caused by Rayleigh waves.
  • Propagation angle ⁇ It is preferable that SiC is in the range of 0 ° or more and 30 ° or less, 70 ° or more and 110 ° or less, or 150 ° or more and 180 ° or less. Thereby, the electromechanical coupling coefficient of the Rayleigh wave can be set to 1% or less, and the spurious caused by the Rayleigh wave can be further suppressed.
  • FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the propagation angle ⁇ SiC and the electromechanical coupling coefficient of the Rayleigh wave when the main surface of the silicon carbide substrate is the m surface in the second embodiment.
  • the Rayleigh wave is less than 1.2% even if the propagation angle ⁇ SiC is changed as in the case of the a-plane. It can be seen that it is suppressed. Therefore, even when the main surface of the silicon carbide substrate 2 is the m-plane, spurious due to Rayleigh waves can be easily suppressed.
  • Propagation angle ⁇ It is preferable that SiC is in the range of 0 ° or more and 30 ° or less, 70 ° or more and 110 ° or less, or 150 ° or more and 180 ° or less. Thereby, the electromechanical coupling coefficient of the Rayleigh wave can be set to 1% or less, and the spurious caused by the Rayleigh wave can be further suppressed.
  • FIG. 14 is a diagram showing the relationship between the propagation angle ⁇ SiC and the electromechanical coupling coefficient of the Rayleigh wave when the main surface of the silicon carbide substrate is the c-plane in the second embodiment.
  • the electromechanical coupling coefficient of the Rayleigh wave can be suppressed to less than 1% even if the propagation angle ⁇ SiC is changed. ing. Therefore, even when the main surface of the silicon carbide substrate 2 is the c-plane, spurious due to Rayleigh waves can be easily suppressed.
  • the electromechanical coupling coefficient of the Rayleigh wave does not change even if the propagation angle ⁇ SiC is changed. Therefore, the Rayleigh wave can be effectively suppressed regardless of the variation of the propagation angle ⁇ SiC.
  • each characteristic when the silicon carbide substrate 2 has a 4H-SiC type hexagonal structure is shown, but the silicon carbide substrate 2 is a 6H-SiC type. It is known that the same characteristics are obtained even when the hexagonal structure is used. Therefore, even when the silicon carbide substrate 2 has a 6H-SiC type hexagonal structure, the characteristics of the main mode can be improved and spurious caused by Rayleigh waves can be suppressed.
  • Elastic wave device 2 ... Silicon carbide substrate 4 ... Piezoelectric layer 5 . IDT electrodes 6A, 6B ... Reflectors 16, 17 ... First and second bus bars 18, 19 ... First and second electrode fingers 23 ... Bass piezo

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Abstract

支持基板として炭化ケイ素基板を用いており、メインモードの特性を向上させることができ、かつレイリー波によるスプリアスを抑制することができる、弾性波装置を提供する。　本発明の弾性波装置１は、支持基板と、支持基板上に設けられている圧電体層４と、圧電体層４上に設けられているＩＤＴ電極５とを備える。支持基板は六方晶構造である炭化ケイ素基板２である。ＳＨ波をメインモードとして利用している。

Description

弾性波装置
　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、支持基板上に圧電膜が設けられており、圧電膜上にＩＤＴ（Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ　Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）電極が設けられている。支持基板にはシリコンや炭化ケイ素などが用いられている。圧電膜にはタンタル酸リチウムやニオブ酸リチウムなどが用いられている。
国際公開第２０１２／０８６６３９号
　しかしながら、本願発明者の検討により、上記のような弾性波装置における支持基板に用いられる炭化ケイ素の結晶の形態などによっては、メインモードの特性が劣化するおそれや、レイリー波による大きなスプリアスが生じるおそれがあることが明らかになった。
　本発明の目的は、支持基板として炭化ケイ素基板を用いており、メインモードの特性を向上させることができ、かつレイリー波によるスプリアスを抑制し易い、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は、支持基板と、前記支持基板上に設けられている圧電体層と、前記圧電体層上に設けられているＩＤＴ電極とを備え、前記支持基板が六方晶構造である炭化ケイ素基板であり、ＳＨ波をメインモードとして利用している。
　本発明によれば、支持基板として炭化ケイ素基板を用いており、メインモードの特性を向上させることができ、かつレイリー波によるスプリアスを抑制し易い、弾性波装置を提供することができる。
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。 図２は、本発明の第１の実施形態に係る弾性波装置の平面図である。 図３は、炭化ケイ素の結晶軸の定義並びに炭化ケイ素のａ面、ｍ面、ｃ面及びｒ面を示す模式図である。 図４は、本発明の第１の実施形態において、炭化ケイ素基板の主面がｒ面である場合における、伝搬角ψＳｉＣとＳＨ波及びレイリー波の電気機械結合係数との関係を示す図である。 図５は、本発明の第１の実施形態において、炭化ケイ素基板の主面がａ面である場合における、伝搬角ψＳｉＣとＳＨ波及びレイリー波の電気機械結合係数との関係を示す図である。 図６は、本発明の第１の実施形態において、炭化ケイ素基板の主面がｍ面である場合における、伝搬角ψＳｉＣとＳＨ波及びレイリー波の電気機械結合係数との関係を示す図である。 図７は、本発明の第１の実施形態において、炭化ケイ素基板の主面がｃ面である場合における、伝搬角ψＳｉＣとＳＨ波及びレイリー波の電気機械結合係数との関係を示す図である。 図８は、炭化ケイ素基板の主面がｃ面である場合における、伝搬角ψＳｉＣとＳＨ波及びレイリー波の音速との関係を示す図である。 図９は、本発明の第１の実施形態及び比較例のメインモードとしての、ＳＨ波のインピーダンス特性を示す図である。 図１０は、本発明の第１の実施形態の変形例に係る弾性波装置の正面断面図である。 図１１は、本発明の第２の実施形態において、炭化ケイ素基板の主面がｒ面である場合における、伝搬角ψＳｉＣとレイリー波の電気機械結合係数との関係を示す図である。 図１２は、本発明の第２の実施形態において、炭化ケイ素基板の主面がａ面である場合における、伝搬角ψＳｉＣとレイリー波の電気機械結合係数との関係を示す図である。 図１３は、本発明の第２の実施形態において、炭化ケイ素基板の主面がｍ面である場合における、伝搬角ψＳｉＣとレイリー波の電気機械結合係数との関係を示す図である。 図１４は、本発明の第２の実施形態において、炭化ケイ素基板の主面がｃ面である場合における、伝搬角ψＳｉＣとレイリー波の電気機械結合係数との関係を示す図である。
　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は支持基板を有する。本実施形態の支持基板は炭化ケイ素基板２である。より具体的には、炭化ケイ素基板２の結晶構造は、４Ｈ－ＳｉＣ型の六方晶構造である。なお、炭化ケイ素基板２は、例えば６Ｈ－ＳｉＣ型などの、４Ｈ－ＳｉＣ型以外の六方晶構造であってもよい。
　炭化ケイ素基板２上に直接的に圧電体層４が設けられている。本実施形態の圧電体層４はタンタル酸リチウム層である。圧電体層４上にはＩＤＴ電極５が設けられている。ＩＤＴ電極５に交流電圧を印加することにより、弾性波が励振される。弾性波装置１はＳＨ波をメインモードとして利用している。
　圧電体層４上におけるＩＤＴ電極５の弾性波伝搬方向両側には、一対の反射器６Ａ及び反射器６Ｂが設けられている。本実施形態の弾性波装置１は弾性表面波共振子である。もっとも、本発明に係る弾性波装置は弾性表面波共振子には限定されず、複数の弾性表面波共振子を有するフィルタ装置などであってもよい。
　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５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５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５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。
　ＩＤＴ電極５は単層のＡｌ膜からなる。反射器６Ａ及び反射器６Ｂの材料も、ＩＤＴ電極５と同様の材料である。なお、ＩＤＴ電極５、反射器６Ａ及び反射器６Ｂの材料は上記に限定されない。あるいは、ＩＤＴ電極５、反射器６Ａ及び反射器６Ｂは、複数の金属層が積層された積層金属膜からなっていてもよい。
　以下において、本実施形態における炭化ケイ素基板２の詳細を説明する。
　図３は、炭化ケイ素の結晶軸の定義並びに炭化ケイ素のａ面、ｍ面、ｃ面及びｒ面を示す模式図である。
　図３に示すように、炭化ケイ素基板２は４Ｈ－ＳｉＣ型の六方晶構造の炭化ケイ素単結晶基板である。本明細書において、炭化ケイ素基板２を構成する炭化ケイ素の結晶軸は、（ａ１，ａ２，ａ３，Ｃ）とする。炭化ケイ素においては、結晶構造の対称性により、ａ１軸、ａ２軸及びａ３軸はそれぞれ等価である。
　弾性波装置１における炭化ケイ素基板２の主面は、例えば、ａ面、ｍ面、ｃ面またはｒ面である。炭化ケイ素基板２の主面がａ面である場合、炭化ケイ素基板２においては圧電体層４側の主面が（１１－２０）面となっている。（１１－２０）面とは、結晶構造において、ミラー指数［１１－２０］で表される結晶軸に直交する面である。この状態において、炭化ケイ素基板２における弾性波の伝搬角ψＳｉＣとは、圧電体層４のＩＤＴ電極５が形成された主面側から俯瞰して見たときの、弾性波伝搬方向と炭化ケイ素のミラー指数の結晶方位［０００１］とのなす角である。ここで、炭化ケイ素基板２のオイラー角を（φＳｉＣ，θＳｉＣ，ψＳｉＣ）とする。なお、オイラー角におけるψＳｉＣは上記伝搬角ψＳｉＣである。（１１－２０）面をオイラー角で表記した場合、（９０°，９０°，ψＳｉＣ）である。
　炭化ケイ素基板２の主面がｃ面である場合、炭化ケイ素基板２においては圧電体層４側の主面が（０００１）面となっている。この状態において、炭化ケイ素基板２の伝搬角ψＳｉＣとは、圧電体層４のＩＤＴ電極５が形成された主面側から俯瞰して見たときの、弾性波伝搬方向と炭化ケイ素のミラー指数の結晶方位［１０００］とのなす角である。（０００１）面をオイラー角で表記した場合、（０°，０°，ψＳｉＣ）である。
　炭化ケイ素基板２の主面がｍ面である場合、炭化ケイ素基板２においては圧電体層４側の主面が（１－１００）面となっている。この状態において、炭化ケイ素基板２の伝搬角ψＳｉＣとは、圧電体層４のＩＤＴ電極５が形成された主面側から俯瞰して見たときの、弾性波伝搬方向と炭化ケイ素のミラー指数の結晶方位［０００１］とのなす角である。（１－１００）面をオイラー角で表記した場合、（０°，９０°，ψＳｉＣ）である。
　炭化ケイ素基板２の主面がｒ面である場合、炭化ケイ素基板２においては圧電体層４側の主面が（１－１０２）面となっている。この状態において、炭化ケイ素基板２の伝搬角ψＳｉＣとは、圧電体層４のＩＤＴ電極５が形成された主面側から俯瞰して見たときの、弾性波伝搬方向と炭化ケイ素のミラー指数の結晶方位［１－１０－１］とのなす角である。（１－１０２）面をオイラー角で表記した場合、（０°，１２２．２３°，ψＳｉＣ）である。なお、炭化ケイ素基板２の面方位またはオイラー角は、これらに限定されるものではない。
　本実施形態の特徴は、圧電体層４及び４Ｈ－ＳｉＣ型の六方晶構造である炭化ケイ素基板２が積層されており、弾性波装置１がＳＨモードを利用していることにある。それによって、炭化ケイ素基板２を用いた弾性波装置１において、レイリー波によるスプリアスを抑制することができる。この詳細を以下において説明する。
　第１の実施形態の構成を有し、以下の設計パラメータとした弾性波装置１を用意した。ここで、ＩＤＴ電極５の電極指ピッチにより規定される波長をλとする。電極指ピッチとは、ＩＤＴ電極５における、隣り合う電極指同士の電極指中心間距離の平均値である。
　炭化ケイ素基板２；材料…４Ｈ－ＳｉＣ型の六方晶構造のＳｉＣ
　圧電体層４；材料…０°Ｙ－ＬｉＴａＯ３、厚み…０．２λ
　ＩＤＴ電極５；材料…Ａｌ、厚み…０．０５λ
　ここでは、炭化ケイ素基板２の主面はｒ面としている。上記弾性波装置１において、伝搬角ψＳｉＣを０°以上、１８０°以下の範囲内において変化させて、メインモードであるＳＨ波の電気機械結合係数と、スプリアスとなるレイリー波の電気機械結合係数とをシミュレーションした。
　図４は、第１の実施形態において、炭化ケイ素基板の主面がｒ面である場合における、伝搬角ψＳｉＣとＳＨ波及びレイリー波の電気機械結合係数との関係を示す図である。
　図４に示すように、伝搬角ψＳｉＣを変化させても、レイリー波が抑制されていることがわかる。なお、ＳＨ波の電気機械結合係数は、伝搬角ψＳｉＣを変化させても、レイリー波の電気機械結合係数よりも大きいことがわかる。このように、第１の実施形態においては、レイリー波によるスプリアスを抑制し易くなる。
　炭化ケイ素基板２の主面がｒ面である場合には、伝搬角ψＳｉＣは０°以上、５５°以下の範囲内または１１５°以上、１７０°以下の範囲内であることが好ましい。それによって、レイリー波の電気機械結合係数を１％以下にすることができ、レイリー波によるスプリアスをより一層抑制することができる。
　以下において、炭化ケイ素基板２の主面がｒ面以外である場合においても、レイリー波を抑制できることを示す。第１の実施形態の構成を有し、かつ図４に示した電気機械結合係数を求めたときの弾性波装置１と同様の設計パラメータの弾性波装置１において、炭化ケイ素基板２の主面をａ面、ｍ面またはｃ面として、上記と同様のシミュレーションを行った。
　図５は、第１の実施形態において、炭化ケイ素基板の主面がａ面である場合における、伝搬角ψＳｉＣとＳＨ波及びレイリー波の電気機械結合係数との関係を示す図である。
　図５に示すように、炭化ケイ素基板２の主面がａ面である場合にも、ほぼ全ての伝搬角ψＳｉＣにおいてレイリー波によるスプリアスが抑制されている。すなわち、炭化ケイ素基板２の主面がａ面である場合にも、レイリー波によるスプリアスが抑制され易いことがわかる。炭化ケイ素基板２の主面がａ面である場合には、伝搬角ψＳｉＣが２０°以上、１６０°以下の範囲内であることが好ましい。この場合には、ＳＨ波の電気機械結合係数を効果的に大きくすることができ、かつレイリー波によるスプリアスを効果的に抑制することができる。伝搬角ψＳｉＣが３０°以上、７０°以下の範囲内または１１０°以上、１５０°以下の範囲内であることがより好ましい。それによって、レイリー波によるスプリアスをより一層抑制することができる。
　図６は、第１の実施形態において、炭化ケイ素基板の主面がｍ面である場合における、伝搬角ψＳｉＣとＳＨ波及びレイリー波の電気機械結合係数との関係を示す図である。
　炭化ケイ素基板２の主面がｍ面である場合には、ａ面である場合と同様に、伝搬角ψＳｉＣが２０°以上、１６０°以下の範囲内であることが好ましい。この場合には、ＳＨ波の電気機械結合係数を効果的に大きくすることができ、かつレイリー波によるスプリアスを効果的に抑制することができる。伝搬角ψＳｉＣが３０°以上、７０°以下の範囲内または１１０°以上、１５０°以下の範囲内であることがより好ましい。それによって、レイリー波によるスプリアスをより一層抑制することができる。
　図７は、第１の実施形態において、炭化ケイ素基板の主面がｃ面である場合における、伝搬角ψＳｉＣとＳＨ波及びレイリー波の電気機械結合係数との関係を示す図である。図８は、炭化ケイ素基板の主面がｃ面である場合における、伝搬角ψＳｉＣとＳＨ波及びレイリー波の音速との関係を示す図である。
　図７に示すように、炭化ケイ素基板２の主面がｃ面である場合においても、レイリー波を効果的に抑制し易いことがわかる。加えて、図７及び図８に示すように、炭化ケイ素基板２の主面がｃ面である場合には、伝搬角ψＳｉＣを変化させても、ＳＨ波及びレイリー波の電気機械結合係数及び音速は変化していない。このように、伝搬角ψＳｉＣを変化させても、特性変動が生じ難い。よって、炭化ケイ素基板２の主面がｃ面である場合には、伝搬角ψＳｉＣのばらつきによらず所望の特性を得易い。
　本実施形態のように、炭化ケイ素基板２を４Ｈ－ＳｉＣ型の六方晶構造とすることにより、メインモードの特性を高めることができる。これを以下において示す。なお、比較例として、炭化ケイ素基板を３Ｃ－ＳｉＣ型の立方晶構造とした弾性波装置を用意した。なお、本実施形態の構成を有する弾性波装置１及び比較例の圧電体層には、３５°Ｙ－ＬｉＴａＯ３を用いた。
　図９は、第１の実施形態及び比較例のメインモードとしての、ＳＨ波のインピーダンス特性を示す図である。
　図９に示すように、比較例においては、***振周波数における抵抗が約１３０ｄＢであることに対し、第１の実施形態においては上記抵抗は約１４８ｄＢと高いことがわかる。このように、炭化ケイ素基板２を４Ｈ－ＳｉＣ型の六方晶構造とした第１の実施形態においては、メインモードの特性を向上させることができる。
　図１０は、第１の実施形態の変形例に係る弾性波装置の正面断面図である。
　本変形例においては、炭化ケイ素基板２と圧電体層４との間に低音速膜２３が設けられている。低音速膜２３は、相対的に低音速な膜である。より具体的には、低音速膜２３を伝搬するバルク波の音速は、圧電体層４を伝搬するバルク波の音速よりも低い。本実施形態の低音速膜２３は酸化ケイ素膜である。酸化ケイ素はＳｉＯｘにより表される。ｘは任意の正数である。本実施形態の低音速膜２３を構成する酸化ケイ素はＳｉＯ２である。なお、低音速膜２３の材料は上記に限定されず、例えば、ガラス、酸窒化ケイ素、酸化リチウム、または、酸化ケイ素にフッ素、炭素やホウ素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。
　このように、炭化ケイ素基板２上に、低音速膜２３を介して間接的に圧電体層４が設けられていてもよい。この場合においても、第１の実施形態と同様に、レイリー波によるスプリアスを抑制することができる。加えて、本変形例のように低音速膜２３が酸化ケイ素膜である場合には、弾性波装置における周波数温度係数ＴＣＦの絶対値を小さくすることができる。よって、周波数温度特性を良好にすることができる。
　ところで、第１の実施形態においては、圧電体層４はタンタル酸リチウム層であったが、圧電体層４はニオブ酸リチウム層であってもよい。圧電体層４がニオブ酸リチウム層である第２の実施形態の効果を以下において示す。なお、第２の実施形態の構成は圧電体層４の構成以外は第１の実施形態と同様であるため、図１の符号を援用する。
　第２の実施形態の構成を有し、以下の設計パラメータとした弾性波装置１を用意した。
　炭化ケイ素基板２；材料…４Ｈ－ＳｉＣ型の六方晶構造のＳｉＣ
　圧電体層４；材料…０°Ｙ－ＬｉＮｂＯ３、厚み…０．２λ
　ＩＤＴ電極５；材料…Ａｌ、厚み…０．０５λ
　ここでは、炭化ケイ素基板２の主面はｒ面としている。上記弾性波装置１において、伝搬角ψＳｉＣを０°以上、１８０°以下の範囲内において変化させて、メインモードであるＳＨ波の電気機械結合係数と、スプリアスとなるレイリー波の電気機械結合係数とをシミュレーションした。
　図１１は、第２の実施形態において、炭化ケイ素基板の主面がｒ面である場合における、伝搬角ψＳｉＣとレイリー波の電気機械結合係数との関係を示す図である。
　図１１に示すように、伝搬角ψＳｉＣを変化させても、レイリー波が０．６％未満に抑制されていることがわかる。このように、第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、レイリー波によるスプリアスを抑制し易くなる。
　炭化ケイ素基板２の主面がｒ面である場合には、伝搬角ψＳｉＣは０°以上、２５°以下の範囲内または１０５°以上、１４０°以下の範囲内であることが好ましい。それによって、レイリー波の電気機械結合係数をほぼ０％にすることができ、レイリー波によるスプリアスをより一層効果的に抑制することができる。
　以下において、炭化ケイ素基板２の主面がｒ面以外である場合においても、レイリー波を抑制できることを示す。第２の実施形態の構成を有し、かつ図１１に示した電気機械結合係数を求めたときの弾性波装置１と同様の設計パラメータの弾性波装置１において、炭化ケイ素基板２の主面をａ面、ｍ面またはｃ面として、上記と同様のシミュレーションを行った。
　図１２は、第２の実施形態において、炭化ケイ素基板の主面がａ面である場合における、伝搬角ψＳｉＣとレイリー波の電気機械結合係数との関係を示す図である。
　図１２に示すように、炭化ケイ素基板２の主面がａ面である場合には、伝搬角ψＳｉＣを変化させても、レイリー波が１．２％未満に抑制されていることがわかる。従って、炭化ケイ素基板２の主面がａ面である場合においても、レイリー波によるスプリアスを抑制し易くなる。伝搬角ψＳｉＣが０°以上、３０°以下の範囲内、７０°以上、１１０°以下の範囲内または１５０°以上、１８０°以下の範囲内であることが好ましい。それによって、レイリー波の電気機械結合係数を１％以下とすることができ、レイリー波によるスプリアスをより一層抑制することができる。
　図１３は、第２の実施形態において、炭化ケイ素基板の主面がｍ面である場合における、伝搬角ψＳｉＣとレイリー波の電気機械結合係数との関係を示す図である。
　図１３に示すように、炭化ケイ素基板２の主面がｍ面である場合には、ａ面である場合と同様に、伝搬角ψＳｉＣを変化させても、レイリー波が１．２％未満に抑制されていることがわかる。従って、炭化ケイ素基板２の主面がｍ面である場合においても、レイリー波によるスプリアスを抑制し易くなる。伝搬角ψＳｉＣが０°以上、３０°以下の範囲内、７０°以上、１１０°以下の範囲内または１５０°以上、１８０°以下の範囲内であることが好ましい。それによって、レイリー波の電気機械結合係数を１％以下とすることができ、レイリー波によるスプリアスをより一層抑制することができる。
　図１４は、第２の実施形態において、炭化ケイ素基板の主面がｃ面である場合における、伝搬角ψＳｉＣとレイリー波の電気機械結合係数との関係を示す図である。
　図１４に示すように、炭化ケイ素基板２の主面がｃ面である場合においては、伝搬角ψＳｉＣを変化させても、レイリー波の電気機械結合係数を１％未満に抑制することができている。従って、炭化ケイ素基板２の主面がｃ面である場合においても、レイリー波によるスプリアスを抑制し易くなる。加えて、炭化ケイ素基板２の主面がｃ面である場合には、伝搬角ψＳｉＣを変化させても、レイリー波の電気機械結合係数は変化していない。よって、伝搬角ψＳｉＣのばらつきによらず、レイリー波を効果的に抑制することができる。
　なお、図４～図９及び図１１～図１４においては、炭化ケイ素基板２を４Ｈ－ＳｉＣ型の六方晶構造とした場合の各特性を示したが、炭化ケイ素基板２を６Ｈ－ＳｉＣ型の六方晶構造とした場合においても同様の特性となることがわかっている。よって、炭化ケイ素基板２が６Ｈ－ＳｉＣ型の六方晶構造である場合においても、メインモードの特性を向上させることができ、かつレイリー波によるスプリアスを抑制することができる。
１…弾性波装置
２…炭化ケイ素基板
４…圧電体層
５…ＩＤＴ電極
６Ａ，６Ｂ…反射器
１６，１７…第１，第２のバスバー
１８，１９…第１，第２の電極指
２３…低音速膜

Claims (12)

  1. 　支持基板と、
    　前記支持基板上に設けられている圧電体層と、
    　前記圧電体層上に設けられているＩＤＴ電極と、
    を備え、
    　前記支持基板が六方晶構造である炭化ケイ素基板であり、
    　ＳＨ波をメインモードとして利用している、弾性波装置。
  2. 　前記炭化ケイ素基板が４Ｈ－ＳｉＣ型の六方晶構造である、請求項１に記載の弾性波装置。
  3. 　前記炭化ケイ素基板が６Ｈ－ＳｉＣ型の六方晶構造である、請求項１に記載の弾性波装置。
  4. 　前記炭化ケイ素基板の主面が、ａ面、ｍ面、ｃ面及びｒ面のうちいずれかの面である、請求項１～３のいずれか１項に記載の弾性波装置。
  5. 　前記圧電体層がタンタル酸リチウム層である、請求項１～４のいずれか１項に記載の弾性波装置。
  6. 　前記炭化ケイ素基板の主面がａ面及びｍ面のうちのいずれか一方であり、
    　弾性波が伝搬する伝搬角をψＳｉＣとしたときに、前記炭化ケイ素基板における前記伝搬角ψＳｉＣが３０°以上、７０°以下の範囲内または１１０°以上、１５０°以下の範囲内である、請求項５に記載の弾性波装置。
  7. 　前記炭化ケイ素基板の主面がｒ面であり、
    　弾性波が伝搬する伝搬角をψＳｉＣとしたときに、前記炭化ケイ素基板における前記伝搬角ψＳｉＣが０°以上、５５°以下の範囲内または１１５°以上、１７０°以下の範囲内である、請求項５に記載の弾性波装置。
  8. 　前記圧電体層がニオブ酸リチウム層である、請求項１～４のいずれか１項に記載の弾性波装置。
  9. 　前記炭化ケイ素基板の主面がａ面及びｍ面のうちのいずれか一方であり、
    　弾性波が伝搬する伝搬角をψＳｉＣとしたときに、前記炭化ケイ素基板における前記伝搬角ψＳｉＣが０°以上、３０°以下の範囲内、７０°以上、１１０°以下の範囲内または１５０°以上、１８０°以下の範囲内である、請求項８に記載の弾性波装置。
  10. 　前記炭化ケイ素基板の主面がｒ面であり、
    　弾性波が伝搬する伝搬角をψＳｉＣとしたときに、前記炭化ケイ素基板における前記伝搬角ψＳｉＣが０°以上、２５°以下の範囲内または１０５°以上、１４０°以下の範囲内である、請求項８に記載の弾性波装置。
  11. 　前記炭化ケイ素基板の主面がｃ面である、請求項５または８に記載の弾性波装置。
  12. 　前記炭化ケイ素基板と前記圧電体層との間に設けられている低音速膜をさらに備え、
    　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１～１１のいずれか１項に記載の弾性波装置。
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