CN111953309A - 表面声波元件、滤波电路以及电子零件 - Google Patents

表面声波元件、滤波电路以及电子零件 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种表面声波元件、滤波电路与电子零件，其容易制造、具有稳定的频率特性的表面声波元件等。在支撑基板(102)上设置形成有IDT电极的压电材料层(101)，压电材料层(101)的厚度为声波波长的1倍～2.5倍的范围内，由IDT电极的电极指(3)在压电材料层(101)激发的弹性波的主模式为泄漏表面声波。而且，在泄漏表面声波中，以传播损耗变成最小的传播损耗最小频率(fd)、与因和所述泄漏表面声波一同被激发的作为弹性波的慢横波而形成的板波杂散的频率一致的方式，设定设计变数。另外，在压电材料层(101)的下层传播的弹性波的最慢的体波的传播速度为所述泄漏表面声波的速度的1.05倍以上。

Description

表面声波元件、滤波电路以及电子零件
技术领域
本发明涉及一种将频率信号转换成表面声波的表面声波元件、滤波电路以及电子零件。
背景技术
使用表面声波(Surface Acoustic Wave，SAW)的表面声波(SAW)元件主要用作移动体通信终端的滤波器或双工器(天线共用器)。作为用于SAW元件的压电基板，广泛地使用LiTaO3或LiNbO3等单晶压电材料。
另一方面，最近，伴随利用如以BAND25为代表那样的收发的频率间隔非常狭小的频带的通信系统、或利用如载波聚合(carrier aggregation)那样的多个频带同时进行通信的通信系统的开发，对于插入损耗低、且通频带(passband)与衰减频带(attenuationband)之间的过渡区非常陡峭的元件的市场需求提高。
作为为了使通频带与衰减频带之间的过渡区变得狭小而将LiTaO3与支撑基板接合，由此改善压电基板的线膨胀系数的例子，存在如专利文献1那样的事例。但是，专利文献1中记载的技术止于由线膨胀系数的下降所带来的频率温度特性的改善，无法充分地减少插入损耗。
最近，作为如进一步减少损耗并改善温度特性的方法，如专利文献2中记载那样，提出有将压电基板与支撑基板接合、且使压电基板的厚度变成SAW的声波波长(acousticwavelength)的1倍以下(记载为“一个声波波长以下”等)而非常薄的技术。根据所述技术，将泄漏表面声波的泄漏成分封入压电基板内，由此实现大幅度的特性改善。但是，产生如下的问题等：因将压电基板设为一个声波波长以下而导致压电基板的厚度变成1μm左右或其以下，制造变得困难、或因压电基板的厚度的偏差而导致SAW元件的频率特性产生大的偏差。
[现有技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]日本专利第3952666号公报
[专利文献2]日本专利第5713025号公报
发明内容
[发明所要解决的问题]
本发明是在此种情况下形成，其提供一种容易制造、具有稳定的频率特性的表面声波元件、滤波电路、电子零件。
[解决问题的技术手段]
本表面声波元件包括：压电材料层，设置在支撑基板上；
一对汇流条，形成在所述压电材料层的上表面；多个电极指，相互呈梳齿状地从所述汇流条各者向相向的汇流条伸出；以及反射器，配置在所述多个电极指的形成区域的两侧；
所述压电材料层的厚度为根据所述多个电极指的配置间隔所规定的声波波长的1倍～2.5倍的范围内，
由所述电极指在所述压电材料层激发的弹性波的主模式为泄漏表面声波，
在所述泄漏表面声波中，以传播损耗变成最小的传播损耗最小频率、与因和所述泄漏表面声波一同被激发的慢横波而形成的板波杂散(spurious)的频率一致的方式，设定设计变数，
在所述压电材料层的下层传播的弹性波的最慢的体波(bulk wave)的传播速度为所述泄漏表面声波的速度的1.05倍以上。
所述表面声波元件也可以包括以下的构成。
(a)所述设计变数选自包含压电材料层的厚度、所述电极指的厚度、作为所述表面声波元件的电极指宽度在电极指的配置间隔中所占的比例的电极占有率的设计变数群组。
(b)所述支撑基板包括选自包含硅、碳化硅、金刚石、蓝宝石、石英、氧化铝、尖晶石的支撑基板材料群组中的支撑基板材料。
(c)在所述支撑基板与所述压电材料层之间形成有高音速层，所述高音速层包含电介质或金属材料，具有所述声波波长的1倍以上的厚度。
(d)当在所述支撑基板的上表面直接形成所述压电材料层时，所述支撑基板的线膨胀系数比所述压电材料层中的所述泄漏表面声波的传播方向的线膨胀系数小。
(e)所述压电材料层包含LiTaO3，其切割角在欧拉角(Euler angle)表述中为(0°±10°、120°～144°、0°±10°)的范围内。此时，所述电极指包含含有铝的电极材料，具有所述声波波长的9％以上的膜厚。进而，此时所述压电材料层的厚度为所述声波波长的1.2倍～1.8倍的范围内。
(f)所述压电材料层包含LiNbO3，其切割角在欧拉角表述中为(0°±10°、129°～156°、0°±10°)的范围内、或(0°±10°、-5°～25°、0°±10°)的范围内。
(g)在所述多个电极指及所述反射器的上表面侧装载有一层或多层的电介质膜。此时，所述电介质膜中的至少一层包括选自包含氧化硅、氮氧化硅、氮化硅的电介质材料群组中的电介质。
(h)横波体波在所述支撑基板中传播时的音速比由所述压电材料层中的慢横波所形成的二次的板波的音速、或由快横波所形成的一次的板波的音速中的慢的一方慢。
(i)所述压电材料层包含LiTaO3，其切割角在欧拉角表述中为(0°±10°、120°～144°、0°±10°)的范围内，所述支撑基板为石英。
另外，本滤波电路包括多个所述表面声波元件作为共振器。另外，此处当将所述表面声波元件的电极指宽度在电极指的配置间隔中所占的比例称为电极占有率时，具有作为与输入/输出端子串联连接的一个以上的所述共振器的串联共振器、及作为与所述串联共振器并联连接的一个以上的所述共振器的并联共振器，所述串联共振器的电极占有率比所述并联共振器大。或者，本滤波电路是包括共振频率互不相同的两个以上的共振器的滤波电路，包含所述电极占有率比共振频率不同的其他共振器大的共振器、或包含所述电极占有率比共振频率不同的其他共振器小的共振器。
本电子零件包括多组所述滤波电路，作为多滤波器或复用器发挥功能。
[发明的效果]
根据本发明，即便在压电材料层的厚度超过声波波长的1倍的情况下，由于选择抑制杂散的设计条件，因此也可以获得容易制造、具有良好的特性的表面声波元件。
附图说明
图1是实施方式的SAW元件的纵断侧面图。
图2是所述SAW元件的平面图。
图3是表示与压电材料层的厚度对应的杂散的产生位置的变化的特性图。
图4是用于求出传播损耗最小频率的模拟模型图。
图5是表示传播损耗最小频率的特性图。
图6是表示电极指的厚度与SAW的传播速度的关系的特性图。
图7是表示压电材料层的厚度与弹性波的传播速度的关系的特性图。
图8是表示电极指的厚度与共振频率、传播损耗最小频率中的实效音速的关系的特性图。
图9是实施方式、比较形态的SAW元件的特性图。
图10是包括高音速层的SAW元件的纵断侧面图。
图11(A)～图11(C)是使传播损耗最小频率变化时的导纳特性图。
图12是使压电材料的切割变化时的导纳特性图。
图13是表示压电材料层的厚度与弹性波的传播速度的关系的第二特性图。
图14是表示电极指的厚度与共振频率、传播损耗最小频率中的实效音速的关系的第二特性图。
图15是将石英用作压电材料的SAW元件的特性图。
图16是将硅用作压电材料的SAW元件的特性图。
图17是另一例的SAW元件的纵断侧面图。
图18是将本例的SAW元件用于共振器的滤波电路的构成图。
图19是表示共振频率、传播损耗最小频率中的电极占有率与实效音速的关系的第二特性图。
[符号的说明]
1、1a、1b：SAW元件
101：压电体层
102：支撑基板
13：反射器
3、3a、3b：电极指
具体实施方式
首先，参照图1、图2对实施方式的表面声波元件(SAW元件)1的构成例进行说明。图1是示意性地表示本例的SAW元件1的纵断侧面图，图2是示意性地表示所述SAW元件1的放大平面图。
如图1、图2所示，例如SAW元件1变成如下的构成：在矩形形状的支撑基板102上接合激发SAW的压电体层101，在所述压电体层101的上表面设置叉指换能器(InterDigitalTransducer，IDT)电极与反射器13。
IDT电极例如包括：两根汇流条12a、12b，以沿着压电体层101的相向的两边伸长的方式设置，分别与信号端口11a、信号端口11b连接；以及多根电极指3a、3b，以从各汇流条12a、汇流条12b向与这些汇流条12a、汇流条12b交叉的方向伸长的方式形成。
如图2所示，与一侧的汇流条12a连接的电极指3a以向配置在相向位置的汇流条12b侧伸出的方式设置。另外，与另一侧的汇流条12b连接的电极指3b以向所述一侧的汇流条12a伸出的方式设置。而且，当沿着电极指3a、电极指3b的排列方向观察时，与一侧的汇流条12a连接的电极指3a、及与另一侧的汇流条12b连接的电极指3b交替地交叉配置。另外，如图2所示，也可以将虚拟电极31与各汇流条12a、12b连接。
反射器13包含已短路的多个电极指，配置在所述IDT电极的两侧。
作为构成压电体层101的材料，可例示42°附近的旋转Y切割X传播(在欧拉角表述中(0°、132°、0°))的LiTaO3(以下，也记载为“42LT”)。汇流条12a、汇流条12b、电极指3a、电极指3b例如包含铝(Al)。
如图1中所示，将电极指3(3a、3b)的厚度设为h，将邻接的电极指3的配置间隔设为d，将电极指3的电极指宽度设为w，将电极指3的间隙宽度设为g，将压电体层101的厚度设为H。
在包括所述构成的SAW元件1中，主模式的泄漏表面声波(Leaky SAW)被激发，被称为“慢横波”的弹性波成分向压电体层101内部方向泄漏，由此产生声损耗(acousticloss)。因此，通常，利用泄漏表面声波的SAW元件的Q值受到限制。
相对于此，本例的SAW元件1变成在包含所述慢横波的传播速度比压电体层101中的SAW的速度高的材料的支撑基板102上，接合压电体层101的构成。通过所述构成，可将向压电体层101的内部泄漏的弹性波成分封入压电体层101内，而改善Q值。
即，由于压电体层101中的传播速度高，因此从压电体层101的表面泄漏的弹性波(慢横波)由支撑基板102与压电体层101的边界面反射。而且，经反射的弹性波向支撑基板102表面侧传播并由IDT电极再次接收，由此被作为电信号来检测。由此，由弹性波向基板内部方向的泄漏所产生的损耗得到改善，可改善元件性能(Q值)。
另一方面，当将薄板状的压电体层101接合在弹性波的传播速度高的支撑基板102上时，由在压电体层101的内部方向泄漏的弹性波成分产生板波系的杂散模式。例如在已述的专利文献2中，使压电体层101的厚度变得极薄，设为未满一个声波波长(λ)。由此，能够以产生板波系的杂散模式的频率在包含SAW元件1的滤波器的通频带外产生的方式进行设计。
但是，例如在专利文献2中可看到压电体层的厚度适宜的是0.5λ以下程度的记述。此时，在1GHz～2GHz的SAW元件1的情况下，压电体层101的厚度H为2μm～1μm程度以下，必须制造非常薄的压电体层101。通常，压电体层101从结晶切出并通过直接接合等而接合在支撑基板102上，通过研磨等来加工成所期望的厚度。因此，不仅极薄的压电体层101的制造困难，而且存在因压电体层101的厚度的偏差而导致SAW元件1的频率特性产生大的偏差的担忧。
另一方面，在使用具有一个声波波长以上的厚度的压电体层101的情况下，虽然可抑制制造上的问题，但如已述那样产生由板波所引起的杂散的问题。
例如，图3表示在42LT的压电体层101上设置铝(Al)的IDT电极(电极指3的配置间隔d为2μm，电极指宽度w为1μm，电极厚度h为480nm)，使压电体层101的厚度H分别变化成4.4μm(1.1λ(声波波长))、5.2μm(1.3λ)、6μm(1.5λ)时的无限周期光栅中的频率特性的模拟结果。
根据图3，可知在一个声波波长以上的厚度的压电体层101中，在SAW元件1的共振频率、反共振频率的附近产生杂散响应(Spurious Response，SR)。另外，可确认所述杂散存在如下的倾向：随着压电体层101变厚，频率下降，并且其强度变小。
在本实施方式中，通过抑制将压电体层101的厚度设为一个声波波长以上时产生的杂散，而缓和制造上的困难度并获得高性能的SAW元件1。
在解决此种技术上的问题时，发明人着眼于泄漏表面声波的损耗变成最小的传播损耗最小频率fd，发现所述传播损耗最小频率fd可通过电极指3的厚度h、或压电体层101的切割角来调整。
例如，如参考文献(O.Kawachi等人.,《IEEE超声学、铁电体技术与频率控制汇刊》(IEEE Transaction on Ultrasonics,Ferroelectric and Frequency Control)第48卷，第5页(Vol.48.No.5)(2001)10.1109/58.949755)中记载那样，已知在传播损耗最小频率fd中，已述的“慢横波”与泄漏表面声波分离。这表示在传播损耗最小频率fd中，伴随SAW的激发的泄漏成分变得非常小。
因此，若通过使将压电体层101设为一个声波波长以上的厚度时产生的杂散的频率、与传播损耗最小频率fd一致，而将诱发成为杂散的原因的板波的泄漏成分抑制得小，则可抑制杂散。由此，抑制通频带内的杂散的产生，并将泄漏表面声波封入压电体层101内，由此减少损耗。
继而，对确定共振频率fr或传播损耗最小频率fd、或各模式的频率的方法进行说明。图4是在压电体层101上配置电极指3，并设定其右端部、左端部连续的边界条件的无限周期光栅结构的模型。对所述模型进行使用有限单元法(Finite Element Method，FEM)的分析，由此可确定所述各频率。
例如，图5中表示在图4中，将48LT用作压电材料，将铝电极指3的厚度h设为声波波长λ的11％，将电极间隔d设为2μm，将电极宽度w设为1μm，将声波波长λ设为4μm来进行计算的结果。根据图5，可将电导(导纳的实部)的最大峰值确定为共振频率fr，将电导的最小峰值确定为传播损耗最小频率fd。
而且，对使构成压电体层101的压电材料或其切割角、构成电极指3的电极材料或其厚度h等参数变化所获得的值进行绘图，由此可获得表示共振频率fr或传播损耗最小频率fd的变化的情况的图表(后述的图8或图14)。
另一方面，当计算板波时，在图4中，变更成在压电材料的下部设置有支撑基板102的模型来进行相同的分析。将压电体层101的厚度、构成材料、切割角或电极指3的厚度、构成材料等设为参数，计算主模式与各板波的杂散频率。由此，可获得SAW或慢横波的模式图(后述的图7或图13)。
只要事先无特别说明，则在以下的分析中，对如下情况进行分析，即：将支撑基板102的构成材料(支撑基板材料)设为42LT，将电极指3的电极材料设为铝，将电极指3的间隔d设为2μm，将电极指3的电极指宽度w设为1μm(电极占有率为0.5)，SAW的声波波长λ为4μm，电极指3的根数为257根，反射器13在两侧各32根，将电极指3与反射器13设定成同间隔，将电极指3(3a、3b)的交叉宽度设定成20λ。
图6表示电极占有率(电极指3的电极指宽度w/电极指3的配置间隔d)为0.5时，SAW速度对于利用SAW的波长进行了规格化的电极指3的厚度的依存性。根据其结果，若将电极指3的厚度设为声波波长(λ)的9％程度以上，则SAW速度变成作为构成支撑基板102的42LT的体波之一的“快横波”的音速4210m/s的0.93倍(约3915m/s)以下。其结果，可知起因于快横波的板波杂散从通频带内偏离，因此适宜。
但是，在电极指3的电极占有率比0.5大的情况，或电极材料为Cu或Au、Pt、Ti、Ru、W、Mo、Co等密度比Al高的材料的情况下，或将高密度的电极材料与Al复合、层叠的电极指3等的情况下，即便电极指3的厚度未满声波波长λ的9％，SAW速度也可以充分地变慢。因此，并不限定于将电极指3的厚度h设定成声波波长λ的9％以上的情况。
图7是相对于利用SAW的波长进行了规格化的压电体层101的厚度，对主模式与板波杂散模式的音速进行绘图所得的模式图。除已述的分析条件以外，将电极指3的厚度h设为480nm(声波波长λ的12％)来进行分析。图7中，“SHSAW”表示主模式，“SV1、SV2、SV3”分别表示由次数不同的慢横波所引起的板波杂散。
另外，图8是形成在压电体层101上的电极指3的各膜厚中的传播损耗最小频率fd、共振频率fr的实效音速的绘图。此处，实效音速是利用声波波长λ对各频率fd、频率fr进行速度换算所得的值。另外，关于电极指3的厚度，也利用声波波长λ进行规格化。
根据图8，可知通过使电极指3的厚度变化，可调整传播损耗最小频率fd与共振频率fr的相对的频率位置。例如，当将电极指3的间隔d设为2μm(声波波长λ为4μm)，利用膜厚480nm(声波波长λ的12％)的铝的电极指3来形成IDT电极时，传播损耗最小频率fd的实效速度为约3620m/s。
另一方面，根据已述的图7，可读取由慢横波SV1所引起的板波杂散变成约3620m/s的压电体层101的板厚为1.7个声波波长。因此，若将压电体层101的板厚的实际尺寸设为6.8μm左右，则板波杂散的频率与传播损耗最小频率fd一致。
另外，速度除以声波波长λ所得的值为频率，因此若(实效)速度一致，则频率也一致。
此处，当如已述的专利文献2中记载的技术那样，使所有板波杂散位于频带外时，根据图7，也可知只要将压电体层101的板厚设为2.4μm(规格化板厚为0.6μm)左右即可。但是，在使压电体层101的板厚偏差±0.2μm左右的情况下，若将压电体层101的板厚设为2.4μm，则可获得共振频率fr的偏差变成600ppm左右的分析结果。
相对于此，若将压电体层101的板厚设为6.8μm，则共振频率fr的偏差限制于100ppm左右，压电体层101的制造、加工时的偏差的影响对共振频率fr造成的影响小也没问题。
进而，根据图7，随着压电体层101的板厚变大，各板波杂散的音速(即产生杂散的频率)的倾斜度也变小。因此，可知产生板波杂散的频率对于板厚的变化的依存性也变小。就此观点而言，通过使压电体层101的板厚变厚，也容易使板波杂散的频率与传播损耗最小频率fd一致，可使由制造上的偏差所引起的特性变动变小。
另一方面，根据图7，当SHSAW与SVn(n＝1、2、3)的模式接近时，模式相互结合，因此相对于压电体层101的板厚的主模式的频率灵敏度变大。因此，通过选择如SV1的板波杂散低于共振频率，SV2的板波杂散远高于共振频率的压电体层101板厚，可降低板厚对于杂散强度或共振频率的影响。
具体而言，若为1.2个声波波长～1.8个声波波长左右的板厚，则可选择如SV1的板波杂散频率对于板厚的依存性低、且SV2的板波杂散的频率远高于共振频率的条件。
根据以上所说明的见解，将实施方式的SAW元件1、及以往的使用LT单晶的比较形态的SAW元件的导纳与电导特性示于图9。实施方式中的设计是42LT(在欧拉角表述中(0°、132°、0°))，压电体层101的板厚为6.8μm，电极指3的厚度为480nm(声波波长λ的12％)，支撑基板102为硅基板，其他条件与已述的分析条件的设定相同。
比较形态除使用不包含支撑基板102的42LT单体的压电体层101这一点(板厚为6.8μm)、及将电极指3的厚度设为320nm(声波波长λ的8％)这一点以外，与实施方式相同。
为了容易进行比较，在图9中，以实施方式、比较形态各自的共振频率变成1的方式对横轴进行规格化。可知若共振频率-反共振频率间的电导的值小，则此共振器的损耗小，与比较形态相比，在反共振频率(规格化频率：1.04)附近，电导改善了10dB以上。
另外，若查看图9的分析结果，则可知在与作为由图7的慢横波SV1所引起的板波杂散的实效速度的约3620m/s对应的905MHz(规格化频率为0.966)附近，未产生杂散，在本例的设计方法中可抑制板波杂散。
根据本实施方式，即便在压电体层101的厚度超过一个声波波长的情况下，由于选择抑制起因于板波的杂散的设计条件，因此也可以获得容易制造、具有良好的特性的SAW元件1。
此处，“使杂散的频率与传播损耗最小频率fd一致”并不限定于所述频率严密地一致的情况。以如下方式使杂散的频率与传播损耗最小频率fd接近也包含在使所述频率“一致”中，所述方式是根据所述见解，决定压电体层101的板厚的结果，可将若不进行板厚的调节则产生的杂散减少至实用上无问题的程度为止的方式。
继而，对压电体层101的厚度(板厚)以外的设计变数也加以确认。
在本例的SAW元件1中，在将所述SAW元件1用作共振器的滤波电路等的通频带内，将SAW设为非泄漏状态(已泄漏的弹性波成分被封入压电体层101内的状态)。为了形成此状态，需要支撑基板102的构成材料的体波音速足够快。就此观点而言，支撑基板102必须具有主模式的SAW的1.05倍以上程度的音速，以能够至少在SAW元件1的共振频率-反共振频率间使SAW变成非泄漏状态。
若考虑利用本例的SAW元件1来构成梯型滤波器，则更适宜的是将共振频率作为基点，在共振频率-反共振频率的间隔的倍程度的频带中，SAW优选变成非泄漏状态。就此观点而言，理想的是支撑基板102具有主模式的SAW速度的1.08倍以上程度的音速。
在本实施例中，将Si用于支撑基板102，因此其线膨胀系数为约3ppm/℃，42LT的X轴方向的线膨胀系数为约16ppm/℃，因此也可以期待支撑基板102抑制薄的压电体层101的线膨胀的功能。其结果，起因于线膨胀的频率变动减少，作为频率温度特性(TemperatureCoefficient of Frequency，TCF)，也预计13ppm/℃左右的改善。
使用图9所说明的损耗减少、或所述频率温度特性的改善并非将Si用作支撑基板102的构成材料时的特有的效果。作为体波的音速足够大、线膨胀系数小、可用于本例的SAW元件1的构成材料，可例示：选自包含硅(Si)、碳化硅(SiC)、金刚石(C)、蓝宝石(单晶Al2O3)、石英(SiO2)、氧化铝(多晶Al2O3)、尖晶石(MgAl2O4)的支撑基板材料群组中的支撑基板材料。
另外，即便在支撑基板102的构成材料不满足与体波的音速相关的所述必要条件的情况下，如图10所示，也可以在层叠有氧化铝(Al2O3)或氧化钛(TiO2)、氮化铝(AlN)等体波的音速高的电介质膜，或者铍等的金属膜(高音速层103)者上接合压电体层101来构成SAW元件1a。在此情况下，在存在于压电体层101的下部的高音速层103中，泄漏成分变得短暂易逝并被反射。高音速层103若有一个声波波长以上程度，则适当。另外，即便是此处列举的材料以外，只要具有适当的密度或弹性模数等物性，便可应用于本例的SAW元件1、SAW元件1a。
继而，对即便在使作为压电体层101的构成材料的LiTaO3的切割角变化的情况下，与使用图6～图9所说明的例子相同的讨论也成立进行说明。
此处，如图7所示，产生板波杂散的频率对于压电体层101的厚度的依存性大，另一方面，对于电极指3的厚度的依存性小。另一方面，已掌握主模式的SAW的频率对于电极指3的厚度的依存性大，传播损耗最小频率fd对于LiTaO3的切割角与电极指3的厚度的依存性大。
因此，对应于将本例的SAW元件1用作共振器的滤波电路的带宽，使压电体层101所使用的LiTaO3的切割角变化，由此可获得适宜的机电耦合系数(electromechanicalcoupling coefficient)。若可对应于想要使用的切割角来决定电极指3的厚度与压电体层101的板厚，则可与已述的例子同样地抑制共振频率-反共振频率附近的杂散。
例如，若列举48°旋转Y切割-X传播(在欧拉角表述中(0°、138°、0°))的LiTaO3为例，则将电极指3的厚度h设为440nm(声波波长λ的11％)，使压电体层101的板厚H变化成4.6μm、5μm、5.4μm，将其他条件设为与已述的分析条件相同来进行分析。
将分析结果分别示于图11(A)～图11(C)。在图11(A)(压电体层101的板厚H为4.6μm)、图11(C)(压电体层101的板厚H为5.4μm)中，在共振频率的附近，在由虚线包围的位置产生板波杂散SP。另一方面，在图11(B)(压电体层101的板厚H为5μm)中，获得杂散消失的特性。
此处，将在与图11(B)相同的设计条件下，使用42LT来代替48LT构成压电体层101时的分析结果示于图12中。可知虽然是仅LiTaO3的切割角不同的设计，但此处在960MHz附近产生大的杂散SP。
另外，将48LT(电极指3的厚度为440nm)的压电体层101中的模式图示于图13中，将形成在48LT的压电体层101上的电极指3的各膜厚中的传播损耗最小频率fd、共振频率fr的实效音速的绘图示于图14中。根据这些图，在将48LT用作压电体层101的构成材料的情况下，当电极指3的厚度为440nm(声波波长的11％)，压电体层101的板厚为5μm(1.25个声波波长)时，传播损耗最小频率fd的实效速度与板波杂散的速度均变成约3830m/s，可使这些频率一致。
根据所述分析结果，可知即便在使LiTaO3的切割角变化的情况下，通过适当地设定电极指3的厚度、压电体层101的板厚，也可以抑制杂散。换言之，针对任意的切割角的LiTaO3，通过适当地选择电极指3的厚度与压电体层101的板厚，均可获得抑制了杂散的SAW元件1。因此，也可以对照所设计的滤波电路的频率带宽来选择压电体层101的切割角。
若例示利用LiTaO3来构成压电体层101时的代表性的切割角，则可例示在欧拉角表述中为(0°±10°、120°～144°、0°±10°)的范围内的情况。
另外，关于在旋转Y切割LiNbO3的压电体层101上被激发的泄漏表面声波，由于也具有传播损耗最小频率fd，因此可应用所述方法。
若例示利用LiNbO3来构成压电体层101时的代表性的切割角，则可例示在欧拉角表述中为(0°±10°、129°～156°、0°±10°)的范围内、或(0°±10°、-5°～25°、0°±10°)的范围内的情况。
如以上所研讨那样，在SAW元件1中，压电体层101的厚度与利用IDT电极进行激发的表面声波的波长成比例。因此，设想压电体层101变得最薄的情况，考虑作为SAW元件1的应用范围上限程度的2.6GHz中的实际尺寸。在此情况下，SAW的波长变成1.5μm左右，因此SAW元件1中的压电体层101的板厚变成1.5个声波波长，即2.2μm左右，可设为1μm以上的板厚。
在以往的贴合一个声波波长以下的板厚的压电体层101的结构中，例示0.3个声波波长程度，变成如远低于1μm的结构(例如专利文献2)。因此，本例的SAW元件1显示出加工上的优越性。另外，可知即便是作为实用的且比较低的频率的1GHz左右，由于以往的SAW元件的板厚为1μm左右、且所要求的偏差小，因此加工难易度也非常高。
当考虑应用于具有双工器或复用器功能的电子零件时，由于进行组合的滤波电路的通频带内的杂散牵涉到隔离的恶化，因此期望不仅在共振频率附近无杂散，而且遍及宽广的频率无杂散。
就此观点而言，例如如图15所示，通过将石英(欧拉角表示(0°、90°、105°))用作支撑基板102，可获得在远高于共振频率的频率中也抑制杂散，并与所述图9同等地改善了插入损耗的元件。此时，用于分析的设计除已述的分析条件以外，42LT的压电体层101的板厚为5.2μm，电极指3的厚度为480nm(声波波长λ的12％)，将支撑基板102设为石英。
图16是将42LT的压电体层101的板厚设为6.8μm，将Si用作支撑基板102的构成材料时的特性图。虽然共振频率-反共振频率的附近无杂散，具有足以形成滤波器的通频带的特性，但在1,050MHz以后，产生起因于由慢横波与快横波所形成的板波的多个杂散SPs。
在同样将Si用作支撑基板102的构成材料的图11(B)的例子中，可抑制高频率中的板波杂散。其原因在于：板波在支撑基板102的内部泄漏，由此板波的封入变得非常弱，由此所产生的杂散被大幅度抑制。
所述现象并不限定于如图15中所示的例子那样利用石英来构成支撑基板102的情况，可如已述那样适当地选择支撑基板102中的体波的传播速度(音速)。作为更具体的音速的选择方法，必须以SAW被封入表面(变成非泄漏状态)的方式选择支撑基板102的构成材料。选择适当的构成材料，将支撑基板102中的体波的音速设为SAW速度的1.05倍程度以上。进而，为了成为杂散的高频率的板波变成泄漏模式，也必须将由在压电体层101中传播的慢横波所形成的二次的板波的音速、或由快横波所形成的一次的板波的音速中的慢的一方与支撑基板102中的所述体波相比设为高音速。
实际上，由分析所得的所述切割角(0°、90°、105°)中的石英的最慢的体波速度为4100m/s左右(SAW速度的1.09倍)。另外，由在压电体层101中传播的慢横波所形成的二次的板波速度为4480m/s左右，因此满足所述必要条件。
另一方面，在图16的例子中，Si的最慢的体波速度为5860m/s(SAW速度的1.56倍)左右。另外，由在压电体层101中传播的慢横波所形成的二次的板波速度为4220m/s，因此不满足所述必要条件。
作为对于本例的应用，与通常的表面声波元件同样地，为了改善耐候性、耐环境性，可考虑将具有选自包含氧化硅、氮氧化硅或氮化硅的电介质材料群组中的电介质材料的单层，或含有多个所述材料的层叠结构的电介质膜作为钝化膜104，形成在IDT电极上(图17的SAW元件1b)。另外，已知此时在钝化膜104中，若LiTaO3或LiNbO3使用频率温度特性相反的氧化硅或氮氧化硅，则产生减少由温度变动所引起的频率变动的效果(电介质膜的装载)。这也有助于弹性波元件的温度特性的改善。
继而，对使用所述SAW元件1、SAW元件1a、SAW元件1b来构成滤波电路的例子进行说明。
作为获得所期望的滤波特性的滤波电路的构成，如图18那样在输入端口41、输出端口42间，分别串联及并联地连接各一个以上的本例的SAW元件1、SAW元件1a、SAW元件1b，并设为串联共振器1c、并联共振器1d。而且，已知有以串联共振器1c的共振频率与并联共振器1d的反共振频率大概一致的方式设计的梯型滤波器。
图18中所示的电路构成是一例，当然可进行SAW元件1的数量的变更或与双模表面声波(Double Mode SAW，DMS)滤波器的组合，利用电感器、电容器等附加电路的滤波特性的调整、改善。在此情况下，串联共振器1c与并联共振器1d的SAW的波长不同，因此利用SAW的波长进行了规格化的压电体层101的板厚也互不相同。另一方面，所述串联共振器1c、并联共振器1d例如在共同的压电体层101上同时被图案化，因此存在难以使电极指3的厚度互不相同的情况。
因此，在此种情况下，也需要可抑制串联共振器1c、并联共振器1d两者中的板波杂散的设计变数。关于此点，图19中所示的例子表示通过使串联共振器1c、并联共振器1d各自的电极占有率不同，而可调整传播损耗最小频率fd与共振频率fr的相对的频率位置。另外，在此分析中，将电极指3的厚度设为480nm(声波波长λ的12％)。
频率低的并联共振器1d的波长变长，因此经规格化的压电体层101的板厚变薄，相对于共振频率，产生板波杂散的频率相对地变高。即，与并联共振器1d相比，增大串联共振器1c中的电极指3的电极占有率(换言之，与串联共振器1c相比，减小并联共振器1d中的电极指3的电极占有率)。其结果，相对于并联共振器1d的共振频率的传播损耗最小频率fd的相对的频率变高，可抑制两者的杂散，可进行适合于滤波器的设计。
另外，在滤波电路内配置电极占有率不同的共振器时的基准并不限定于如已述那样，与并联共振器1d相比增大串联共振器1c的电极占有率的例子。例如，也可以对应于共振频率，选择使电极占有率不同的共振器。
例如，在图18中考虑包含附加有符号(1)～符号(4)的四个共振器(串联共振器1c、并联共振器1d)的滤波电路(在此例中，将附加有符号(※)的串联共振器1c设为未设置)。而且，将所述共振器1c、共振器1d的共振频率设为以“(1)＜(2)＜(3)＜(4)”的顺序变高。
此时，关于电极指3的电极占有率，例如也能够以“(1)＝(2)＝(4)＜(3)”、或“(1)＝(2)＝(3)＜(4)”等的方式，设置与共振频率不同的其他共振器1d、共振器1c相比电极占有率大的共振器1c。另外，并不限定于一个，也能够以“(1)＝(2)＜(3)＜(4)”的方式，设置多个电极占有率大的共振器1c。
进而，针对符号(1)～符号(4)的滤波电路的例子，关于电极占有率，例如也能够以“(2)＜(1)＝(4)＝(3)”、或“(1)＜(2)＝(3)＝(4)”等的方式，设置与共振频率不同的其他共振器1d、共振器1c相比电极占有率小的共振器1d。电极占有率小的共振器1d并不限定于一个，也能够以“(1)＜(2)＜(3)＝(4)”的方式设置多个。
此外，在构成包括多个梯型滤波器的双工器或复用器时，也可以仅针对事先选择的一个或多个梯型滤波器，增大已选择的滤波器中所包含的串联共振器1c的电极占有率。也可以与其相反，减小已选择的滤波器中所包含的并联共振器1d的电极占有率。
在双工器或复用器内的梯型滤波器间，存在串联共振器1c或并联共振器1d的共振频率互不相同的情况。因此，所述情况也可以说是设置有与共振频率不同的其他共振器1d、共振器1c相比电极占有率大的串联共振器1c或电极占有率小的并联共振器1d的滤波电路的例子。
如以上列举具体例所说明那样，通过进行选自包含压电体层101的厚度H、电极指3的厚度h、电极占有率的设计变数群组中的设计变数的设定，可调节传播损耗最小频率fd。
若使用本例的SAW元件1、SAW元件1a、SAW元件1b，则可获得在通频带内不产生起因于板波的杂散的良好的滤波电路。其结果，也可以应用所述滤波电路来构成具有复用器或多滤波器功能的电子零件。

Claims (18)

1.一种表面声波元件，其特征在于，包括：
压电材料层，设置在支撑基板上；
一对汇流条，形成在所述压电材料层的上表面；
多个电极指，相互呈梳齿状地从所述汇流条各者向相向的汇流条伸出；以及
反射器，配置在所述多个电极指的形成区域的两侧，
所述压电材料层的厚度为根据所述多个电极指的配置间隔所规定的声波波长的1倍～2.5倍的范围内，
由所述电极指在所述压电材料层激发的弹性波的主模式为泄漏表面声波，
在所述泄漏表面声波中，以传播损耗变成最小的传播损耗最小频率、与因和所述泄漏表面声波一同被激发的慢横波而形成的板波杂散的频率一致的方式，设定设计变数，
在所述压电材料层的下层传播的弹性波的最慢的体波的传播速度为所述泄漏表面声波的速度的1.05倍以上。
2.根据权利要求1所述的表面声波元件，其特征在于，
所述设计变数选自包含压电材料层的厚度、所述电极指的厚度、作为所述表面声波元件的电极指宽度在电极指的配置间隔中所占的比例的电极占有率的设计变数群组。
3.根据权利要求1所述的表面声波元件，其特征在于，
所述支撑基板包括选自包含硅、碳化硅、金刚石、蓝宝石、石英、氧化铝、尖晶石的支撑基板材料群组中的支撑基板材料。
4.根据权利要求1所述的表面声波元件，其特征在于，
在所述支撑基板与所述压电材料层之间形成有高音速层，所述高音速层包含电介质或金属材料，具有所述声波波长的1倍以上的厚度。
5.根据权利要求1所述的表面声波元件，其特征在于，
当在所述支撑基板的上表面直接形成所述压电材料层时，所述支撑基板的线膨胀系数比所述压电材料层中的所述泄漏表面声波的传播方向的线膨胀系数小。
6.根据权利要求1所述的表面声波元件，其特征在于，
所述压电材料层包含LiTaO3，其切割角在欧拉角表述中为(0°±10°、120°～144°、0°±10°)的范围内。
7.根据权利要求6所述的表面声波元件，其特征在于，
所述电极指包含含有铝的电极材料，具有所述声波波长的9％以上的膜厚。
8.根据权利要求7所述的表面声波元件，其特征在于，
所述压电材料层的厚度为所述声波波长的1.2倍～1.8倍的范围内。
9.根据权利要求1所述的表面声波元件，其特征在于，
所述压电材料层包含LiNbO3，其切割角在欧拉角表述中为(0°±10°、129°～156°、0°±10°)的范围内、或(0°±10°、-5°～25°、0°±10°)的范围内。
10.根据权利要求1所述的表面声波元件，其特征在于，
在所述多个电极指及所述反射器的上表面侧装载有一层或多层的电介质膜。
11.根据权利要求10所述的表面声波元件，其特征在于，
所述电介质膜中的至少一层包括选自包含氧化硅、氮氧化硅、氮化硅的电介质材料群组中的电介质。
12.根据权利要求1所述的表面声波元件，其特征在于，
横波体波在所述支撑基板中传播时的音速比由所述压电材料层中的慢横波所形成的二次的板波的音速、或由快横波所形成的一次的板波的音速中的慢的一方慢。
13.根据权利要求10所述的表面声波元件，其特征在于，
所述压电材料层包含LiTaO3，其切割角在欧拉角表述中为(0°±10°、120°～144°、0°±10°)的范围内，所述支撑基板为石英。
14.一种滤波电路，其特征在于，
包括多个根据权利要求1所述的表面声波元件作为共振器。
15.根据权利要求14所述的滤波电路，其特征在于，
当将所述表面声波元件的电极指宽度在电极指的配置间隔中所占的比例称为电极占有率时，
具有作为与输入/输出端子串联连接的一个以上的所述共振器的串联共振器、及作为与所述串联共振器并联连接的一个以上的所述共振器的并联共振器，所述串联共振器的电极占有率比所述并联共振器大。
16.根据权利要求14所述的滤波电路，其特征在于，
当将所述表面声波元件的电极指宽度在电极指的配置间隔中所占的比例称为电极占有率时，
其是包括共振频率互不相同的两个以上的共振器的滤波电路，包含所述电极占有率比共振频率不同的其他共振器大的共振器。
17.根据权利要求14所述的滤波电路，其特征在于，
当将所述表面声波元件的电极指宽度在电极指的配置间隔中所占的比例称为电极占有率时，
其是包括共振频率互不相同的两个以上的共振器的滤波电路，包含所述电极占有率比共振频率不同的其他共振器小的共振器。
18.一种电子零件，其特征在于，
包括多组如权利要求14所述的滤波电路，作为多滤波器或复用器发挥功能。
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