JP2010268429A - 弾性境界波装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電気機械結合係数を高めることができ、広帯域化を図ることができる弾性境界波装置を提供する。
【解決手段】圧電基板２の上面に溝２ａが形成されており、ＩＤＴ電極３Ａ〜３Ｃが、厚み方向において少なくとも一部が圧電基板２の上面に形成されている溝２ａに埋め込まれるように形成されており、圧電基板２の上面に、第１の誘電体層６及び第１の誘電体層６よりも音速が速い第２の誘電体層７が積層されている、弾性境界波装置１。
【選択図】図２

Description

本発明は、共振子やフィルタ装置として用いられる弾性境界波装置に関し、より詳細には、ＬｉＴａＯ_３からなる圧電基板上に、酸化珪素層及び酸化珪素よりも音速の速い誘電体からなる誘電体層が積層されている三媒質構造の弾性境界波装置に関する。

近年、弾性表面波装置に代えて、弾性境界波装置が注目されている。弾性境界波装置は、空洞を有するパッケージを必要としないため、小型化を進めることができる。

下記の特許文献１には、図５に示す断面構造を有する弾性境界波装置１０１が開示されている。弾性境界波装置１０１では、ＬｉＴａＯ_３からなる圧電基板１０２上に、第１，第２の誘電体層１０３，１０４がこの順序で積層されている。第２の誘電体層１０４の音速は第１の誘電体層１０３の音速よりも速い。また、圧電基板１０２の上面には、ＩＤＴ電極１０５が形成されており、ＩＤＴ電極１０５を覆うように上記第１の誘電体層１０３が形成されている。

ＷＯ２００７／１２４７３２

特許文献１には、上記のとおり、圧電基板１０２上に第１，第２の誘電体層１０３，１０４を積層している三媒質構造の弾性境界波装置１０１が開示されている。ここでは、第２の誘電体層１０４を設けることにより、導波路効果により弾性境界波の損失が低められ、さらにＬｉＴａＯ_３からなる圧電基板１０２において、オイラー角を特定の範囲とすることにより、電気機械結合係数等の特性を高めることができるとされている。

しかしながら、特許文献１に記載の構成では、オイラー角を特定の範囲に選択したとしても、電気機械結合係数をなお充分に高めることはできなかった。

本発明の目的は、上述した従来技術の現状に鑑み、弾性境界波の電気機械結合係数をより一層高めることができ、従って、広帯域化を図ることができる、弾性境界波装置を提供することにある。

本発明によれば、上面に溝が形成された圧電基板と、前記圧電基板上に積層された第１の誘電体層と、前記第１の誘電体層上に積層された第２の誘電体層と、前記圧電基板と前記第１の誘電体層との界面に配置されており、厚み方向において少なくとも一部が前記圧電基板の上面に形成された溝に埋め込まれているＩＤＴ電極とを備える、弾性境界波装置が提供される。

本発明に係る弾性境界波装置のある特定の局面では、前記ＩＤＴ電極が厚み方向において一部が前記圧電基板の上面に形成された前記溝に埋め込まれており、残りの部分が圧電基板の上面から上方に突出している。このように、本発明においては、ＩＤＴ電極の厚み方向において一部のみが溝に埋め込まれていてもよい。もっとも、ＩＤＴ電極は、厚み方向において全部が上記溝に埋め込まれていてもよい。その場合には、ＩＤＴ電極の上面と圧電基板の上面とが面一となり、第１，第２の誘電体層の上面を平坦化することができる。

本発明に係る弾性境界波装置の他の特定の局面では、前記圧電基板が、ＬｉＴａＯ_３またはＬｉＮｂＯ_３からなる。ＬｉＴａＯ_３やＬｉＮｂＯ_３は、電気機械結合係数を高めることができるため、広帯域化を図ることができる。

本発明に係る弾性境界波装置のさらに他の特定の局面では、前記第１の誘電体層が酸化珪素からなる。酸化珪素は、正の周波数温度係数ＴＣＦを有するため、負の周波数温度係数を有するＬｉＴａＯ_３などの圧電材料からなる圧電基板と組み合わせて用いられた場合、弾性境界波装置の周波数温度係数ＴＣＦの絶対値を小さくすることができる。

本発明に係る弾性境界波装置のさらに別の特定の局面では、前記第２の誘電体層が、窒化珪素、酸窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム及び珪素からなる群から選択された少なくとも１種の誘電体材料からなる。これらの誘電体材料は、酸化珪素よりも音速が速く、従って、第２の誘電体層よりも内側に弾性境界波を閉じ込めることができる。よって、導波路効果により、伝搬損失を小さくすることができる。

本発明に係る弾性境界波装置のさらに別の特定の局面では、前記ＩＤＴ電極が、密度が１６ｇ／ｃｍ^３以上の金属材料からなる電極層を主体とする。このような高密度の金属材料からなる電極層が主体である場合、ＩＤＴ電極の耐電力性を高めることができる。このような金属としては、特に限定されないが、Ｐｔ、Ｗ、Ｔａ、Ａｕ、及びＩｒからなる群から選択された少なくとも１種の金属または該金属を主体とする合金を好適に用いることができる。

もっとも、本発明に係る弾性境界波装置では、前記ＩＤＴ電極が、密度が４ｇ／ｃｍ^３以上、１６ｇ／ｃｍ^３未満の金属もしくは合金からなる補助電極層をさらに有していてもよい。この場合には、補助電極層を構成する金属材料を選択することにより、電極層間、あるいは圧電基板や誘電体層に対する密着性を高めたり、あるいは両側の電極層間の電極材料の相互拡散を抑制したりすることができる。このような補助電極層を構成する材料としては、例えば、Ｔｉ、ＴｉＯ_２、ＴｉＮ、Ｎｉ及びＮｉＣｒからなる群から選択された少なくとも１種の金属を好適に用いることができる。

また、本発明に係る弾性境界波装置では、前記ＩＤＴ電極が、ＡｌまたはＡｌを主成分とする電極層をさらに備えていてもよい。ＡｌまたはＡｌを主成分とする電極層は、電気抵抗が低いため、ＩＤＴ電極の電気的抵抗を低めることができる。

本発明に係る弾性境界波装置によれば、圧電基板の上面に形成された溝に、ＩＤＴ電極の厚み方向の少なくとも一部が埋め込まれているため、電気機械結合係数を高めることができる。従って、弾性境界波装置の広帯域化を図ることが可能となる。

よって、例えば弾性境界波フィルタにおいて通過帯域を広げたり、弾性境界波共振子において、共振周波数と反共振周波数との周波数差を広げたりすることが可能となる。

また、圧電基板の上面に形成された溝にＩＤＴ電極の一部が埋め込まれているので、電極の突出量が減る分、酸化珪素からなる第１の誘電体層と第２の誘電体層との界面の凹凸が小さくなる。その結果、上記界面での散乱波が少なくなって、弾性境界波装置の特性が良化する。また、上記界面の凹凸が小さいので、第１の誘電体層である酸化珪素層を均等に削ることができ、酸化珪素層による周波数調整精度を高めることができる。

本発明の弾性境界波装置の電極構造を説明するための部分拡大正面断面図である。 （ａ）は本発明の一実施形態の弾性境界波装置の電極構造を示す模式的平面図であり、（ｂ）は、本発明の一実施形態の弾性境界波装置の模式的正面断面図である。 本発明の実施形態に係る弾性境界波装置及び比較例の弾性境界波装置の各減衰量周波数特性を示す図である。 本発明の実施形態に係る弾性境界波装置において、ＩＤＴ電極の溝に対する埋込量を変化させた場合の比帯域幅の変化を示す図である。 従来の弾性境界波装置の電極構造を説明するための模式的断面図である。

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。

図２（ａ），（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る弾性境界波装置を説明するための模式的平面断面図及び模式的正面断面図である。

図２（ｂ）に示すように、弾性境界波装置１は、ＬｉＴａＯ_３からなる圧電基板２を有する。圧電基板２は、ＬｉＮｂＯ_３や水晶などの他の圧電単結晶、またはＰＺＴなどの圧電セラミックスにより形成してもよい。圧電基板２の上面には、溝２ａが形成されている。

溝２ａに、ＩＤＴ電極３の厚み方向においてＩＤＴ電極３Ａ〜３Ｃの少なくとも一部が埋め込まれるようにして、ＩＤＴ電極３が形成されている。

本実施形態では、図２（ａ）に示すように、ＩＤＴ電極３Ａ〜３Ｃと、ＩＤＴ電極３Ａ〜３Ｃの設けられている領域の弾性境界波の伝搬方向両側に配置された反射器４，５とを有する電極構造が形成されている。すなわち、３ＩＤＴ型の縦結合共振子型弾性境界波フィルタが、この電極構造により構成されている。ＩＤＴ電極３Ａ〜３Ｃは、それぞれ、複数本の電極指３ａを有する。反射器４，５は、複数本の電極指を両端で短絡してなるグレーティング型反射器である。

上記電極構造を覆うように、第１の誘電体層６が形成されている。そして、第１の誘電体層６の上面に、第１の誘電体層６に比べて音速が速い誘電体材料からなる第２の誘電体層７が形成されている。

本実施形態では、第１の誘電体層６は酸化珪素からなり、第２の誘電体層７は窒化珪素からなる。

従って、弾性境界波装置１は、圧電基板２と、第１の誘電体層６と、第２の誘電体層７とをこの順序で積層してなるいわゆる、三媒質構造の弾性境界波装置である。三媒質構造の弾性境界波装置では、第２の誘電体層７が設けられているので、弾性境界波は第２の誘電体層７よりも内側に閉じ込められる。従って、導波路効果により損失を低減することができる。

なお、第１の誘電体層６は、本実施形態のように、酸化珪素からなることが好ましい。酸化珪素は正の周波数温度係数ＴＣＦを有する。他方、ＬｉＴａＯ_３やＬｉＮｂＯ_３などの圧電材料は、負の周波数温度係数ＴＣＦを有する。従って、酸化珪素を用いることにより、弾性境界波装置１の周波数温度係数ＴＣＦの絶対値を小さくすることができる。すなわち、温度変化による周波数特性の変化を小さくすることができ、好ましい。

また、ＩＤＴ電極３Ａ〜３Ｃ及び反射器４，５の電極指は、溝２ａにその一部が埋め込まれている。従って、溝内に電極材料の一部が充填されて電極指が形成されているため、ＩＤＴ電極３Ａ〜３Ｃにおいては、電気機械結合係数Ｋ^２を高めることができ、それによって、比帯域幅の拡大を図ることができる。

これを、以下においてより具体的に説明する。

図１は、本実施形態の弾性境界波装置１のＩＤＴ電極３の１本の電極指が形成されている部分を拡大して示す。ＩＤＴ電極３は、図示のように、溝２ａに一部が埋め込まれている。ここで、溝２ａの深さをＡとする。

ＩＤＴ電極３は、下から順にＴｉ膜１１、Ｐｔ膜１２、Ｔｉ膜１３、Ａｌ膜１４及びＴｉ膜１５をこの順序で積層した構造を有する。

なお、Ｔｉの密度は４．５４ｇ／ｃｍ^３であり、Ｐｔの密度は２１．４５ｇ／ｃｍ^３であり、Ａｌ膜の密度は２．７ｇ／ｃｍ^３である。

本明細書においては、複数の電極層からなるＩＤＴ電極において、各電極層の密度に応じて以下のように分類する。

密度が１６ｇ／ｃｍ^３以上の金属からなる電極層を主電極層とする。従って、上記Ｐｔ膜１２は主電極層である。密度が４ｇ／ｃｍ^３以上、１６ｇ／ｃｍ^３未満の金属からなる電極層を補助電極層とする。従って、上記Ｔｉ膜１１，１３，１５は、それぞれ、補助電極層である。

密度が４ｇ／ｃｍ^３未満の電極層を低密度電極層とする。Ａｌ膜１４は、低密度電極層である。

上記実施形態に従って、縦結合共振子型の弾性境界波装置１を以下の仕様で作製し、その減衰量周波数特性を測定した。

上記弾性境界波装置１の各層の厚みは以下の通りとした。

窒化珪素からなる第２の誘電体層７＝２２００ｎｍ
第１の誘電体層６＝７６０ｎｍ
電極積層構造：上から順にＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ｔｉ＝１０／１５０／１０／７６／１０（単位はいずれもｎｍ）

ＬｉＴａＯ_３からなる圧電基板２のオイラー角のθは１３２°とした。すなわち、オイラー角は、（０°，１３２°，０°）であり、従って、伝搬角ψは０°である。溝２ａの深さは８６ｎｍとした。

ＩＤＴ電極３のデューティ比は０．５０とした。

ＩＤＴ電極３における電極指交叉幅は８０μｍとし、ＩＤＴ電極３Ａ〜３Ｃにおける電極指の対数はそれぞれ、８，１４及び８とした。反射器４，５の電極指の対数は１５とした。ＩＤＴ電極３Ａ〜３Ｃにおけるλは１．９μｍとし、ＩＤＴ同士が隣り合っている部分の電極指２本は狭ピッチ電極指部とした。狭ピッチ電極指部のλは１．７μｍとした。なお、λは弾性境界波の波長である。

また、反射器４，５のλは１．９２μｍとした。

この弾性境界波装置の伝送特性を図３に実線で示す。比較のために、溝埋込量Ａを８６ｎｍから０ｎｍとしたことを除いては、すなわち溝を形成しなかったことを除いては上記と同様にして構成された比較例の弾性境界波装置を作製した。この比較例の弾性境界波装置の伝送特性を図３に破線で示す。

図３から明らかなように、比較例に比べ、本実施形態によれば、通過帯域を広げることができ、通過帯域内における損失を低減することができ、さらに通過帯域の高周波数化が可能とされていることがわかる。これは、溝２ａにＩＤＴ電極の一部が埋め込まれているため、電気機械結合係数Ｋ^２が大きくなり、それによって通過帯域が広げられていることによる。また、オイラー角のθが最適な値に近づくため、音速が高くなり、それによって、損失の低減だけでなく、音速が高められて周波数が高められているものと考えられる。

次に、上記実施形態と同様にして、但しＩＤＴ電極３Ａ〜３Ｃ及び反射器４，５において、厚み方向で溝２ａに埋め込まれている埋込量をλの０％、１％、２％、３％、４％、５％と変化させることにより、複数種の弾性境界波装置を作製した。なお、０％は、上記比較例に相当する。

このようにして得られた複数種の弾性境界波装置において伝送特性を測定し、溝埋込量と比帯域幅との関係を調べた。結果を図４に示す。図４から明らかなように、溝埋込量が増加するにつれ、比帯域幅が広がり、従って電気機械結合係数Ｋ^２が高くなっていくことがわかる。

なお、ＩＤＴ電極３Ａ〜３Ｃは、厚み方向においてその一部が溝２ａに埋め込まれていたが、ＩＤＴ電極３Ａ〜３Ｃの厚み方向における全ての部分が溝２ａに埋め込まれ、ＩＤＴ電極３Ａ〜３Ｃの上面と圧電基板２の上面とが面一とされていてもよい。また、縦結合共振子型の弾性境界波装置１につき説明したが、本発明は３ＩＤＴ型の縦結合共振子型弾性境界波フィルタ装置に限らず、様々な弾性境界波装置に適用し得ることを指摘しておく。

また、上記実施形態では、主電極層としてのＰｔ膜１２の上方にＴｉ膜１３，１５からなる各補助電極層が形成されており、下方にもＴｉ膜１１からなる補助電極層が形成されていたが、補助電極層は上方及び下方のいずれかにのみ形成されていてもよい。

前述した通り、Ｔｉなどの補助電極層を構成する材料は、電極層同士や電極層と圧電基板などとの密着性を高めたり、電極材料の拡散を防止したりする機能を有するため、主電極層の下方にも補助電極層が設けられていてもよい。

また、上記実施形態では、主電極層として、Ｐｔ膜１２が設けられていたが、複数の主電極層が形成されていてもよい。

主電極層を構成する金属は、密度が１６ｇ／ｃｍ^３以上である限り特に限定されない。好ましくは、Ｐｔ、Ｗ、Ｔａ、Ａｕ及びＩｒからなる群から選択された少なくも１種の金属または該金属を主体とする合金が用いられ、その場合には、信頼性を高めることができる。

補助電極層を構成する金属は、密度が４ｇ／ｃｍ^３以上、１６ｇ／ｃｍ^３未満の密度を有する限り、特に限定されない。好ましくは、Ｔｉ、ＴｉＯ_２、ＴｉＮ、Ｎｉ及びＮｉＣｒからなる群から選択された少なくとも１種の金属からなり、その場合には、他の電極層や圧電基板への密着性を高めたり、電極層間における電極材料の拡散を抑制したりすることができる。

また、上記実施形態では、低密度電極層を構成しているＡｌ膜１４が設けられていたが、低密度電極層は備えられておらずともよい。

また、低密度電極層を構成する材料としてＡｌを用いたが、もっとも、低密度電極層は、密度が４ｇ／ｃｍ^３未満の適宜の金属により形成することができる。ＡｌまたはＡｌを主体とする合金が好ましく、その場合には、電気抵抗が低いため、ＩＤＴ電極の抵抗損失を低くすることができる。

なお、上述した実施形態では、ＩＤＴ電極３Ａ〜３Ｃは、上記主電極層、補助電極層及び低密度電極層を積層した構造を有するが、ＩＤＴ電極３Ａ〜３Ｃは、このような複数の電極層を積層した構造に限定されない。単一の金属もしくは合金層により、ＩＤＴ電極３Ａ〜３Ｃを形成してもよい。

また、第１の誘電体層６は、酸化珪素により形成されていたが、他の誘電体材料、例えば窒化珪素、酸窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムまたは珪素などにより形成してもよい。

第２の誘電体層７は、第１の誘電体層６よりも音速が速い限り、適宜の誘電体材料により形成することができる。このような誘電体材料としては、好ましくは、窒化珪素、酸窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムまたは珪素などを挙げることができ、いずれにしても、音速が相対的に速いため、第２の誘電体層７よりも内側に境界波のエネルギーを閉じ込めることができる。従って、伝送特性を良好なものとすることができる。また、窒化珪素、酸窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムまたは珪素は、汎用されている誘電体材料であるため、第２の誘電体層７を容易に形成することができる。

１…弾性境界波装置
２…圧電基板
２ａ…溝
３…ＩＤＴ電極
３Ａ〜３Ｃ…ＩＤＴ電極
３ａ…電極指
４，５…反射器
６…第１の誘電体層
７…第２の誘電体層（窒化珪素層）
１１，１３，１５…Ｔｉ膜
１２…Ｐｔ膜
１４…Ａｌ膜

Claims (10)

1. 上面に溝が形成された圧電基板と、
   前記圧電基板上に積層された第１の誘電体層と、
   前記第１の誘電体層上に積層された第２の誘電体層と、
   前記圧電基板と前記第１の誘電体層との界面に配置されており、厚み方向において少なくとも一部が前記圧電基板の上面に形成された溝に埋め込まれているＩＤＴ電極とを備える、弾性境界波装置。
2. 前記ＩＤＴ電極が厚み方向において一部が前記圧電基板の上面に形成された前記溝に埋め込まれており、残りの部分が圧電基板の上面から上方に突出している、請求項１に記載の弾性境界波装置。
3. 前記圧電基板が、ＬｉＴａＯ_３またはＬｉＮｂＯ_３からなる、請求項１または２に記載の弾性境界波装置。
4. 前記第１の誘電体層が酸化珪素からなる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の弾性境界波装置。
5. 前記第２の誘電体層が、窒化珪素、酸窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム及び珪素からなる群から選択された少なくとも１種の誘電体材料からなる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の弾性境界波装置。
6. 前記ＩＤＴ電極が、密度が１６ｇ／ｃｍ^３以上の金属材料からなる電極層を主体とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の弾性境界波装置。
7. 前記ＩＤＴ電極の前記主たる電極層を構成する金属が、Ｐｔ、Ｗ、Ｔａ、Ａｕ、及びＩｒからなる群から選択された少なくとも１種の金属または該金属を主体とする合金である、請求項６に記載の弾性境界波装置。
8. 前記ＩＤＴ電極が、密度が４ｇ／ｃｍ^３以上、１６ｇ／ｃｍ^３未満の金属もしくは合金からなる補助電極層をさらに有する、請求項６または７に記載の弾性境界波装置。
9. 前記補助電極層が、Ｔｉ、ＴｉＯ_２、ＴｉＮ、Ｎｉ及びＮｉＣｒからなる群から選択された少なくとも１種の金属からなる、請求項８に記載の弾性境界波装置。
10. 前記ＩＤＴ電極が、ＡｌまたはＡｌを主成分とする電極層をさらに備える、請求項１〜９のいずれか１項に記載の弾性境界波装置。

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