JP2015012324A - 弾性境界波装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電気機械結合係数Ｋ２及び反射係数を効果的に高めることができる弾性境界波装置を提供する。【解決手段】ＬｉＮｂＯ３層２上に、酸化ケイ素層３及び高音速媒質層４が積層されており、高音速媒質層４を伝搬する遅い横波の音速は、酸化ケイ素層３を伝搬する遅い横波の音速よりも高く、ＬｉＮｂＯ３層２と酸化ケイ素層３との界面にＩＤＴ電極５が設けられており、ＩＤＴ電極５が、Ｐｔ膜上にＡｌ膜を積層した構造を有し、Ｐ＋ＳＶ型弾性境界波を利用しており、該Ｐ＋ＳＶ型弾性境界波の波長λとしたときに、酸化ケイ素層３の厚みが０．７λ〜１．０λの範囲にあり、Ｐｔ膜の膜厚が０．０４２λ〜０．０６λの範囲にあり、Ａｌ膜の膜厚が０．０８λ〜０．２０λの範囲にある、弾性境界波装置１。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば帯域フィルタや共振子として用いられる弾性境界波装置に関し、より詳細には、いわゆる三媒質構造の弾性境界波装置に関する。

従来、三媒質構造の弾性境界波装置が種々提案されている。例えば下記の特許文献１や特許文献２では、ＬｉＮｂＯ_３上に、ＳｉＯ_２層及び高音速媒質層がこの順序で積層されている。ＩＤＴ電極は、ＬｉＮｂＯ_３とＳｉＯ_２層との間の界面に設けられている。特許文献１では、高次モードを抑制するためには、ＳｉＯ_２層の厚みは、０．７λ以下であることが好ましい旨が記載されている。また、特許文献２では、ＳｉＯ_２層の膜厚を１．４λ以下とすることが好ましい旨が記載されている。

ＷＯ２００６／１１４９３０ Ａ１ ＷＯ２０１０／０７９５７５ Ａ１

特許文献１や特許文献２に記載の弾性境界波装置では、利用する弾性境界波の電気機械結合係数Ｋ^２が十分大きくなく、またＩＤＴ電極における反射係数が小さいという問題があった。

本発明の目的は、利用する弾性境界波の電気機械結合係数Ｋ^２が十分に大きく、かつＩＤＴ電極の反射係数を効果的に高め得る弾性境界波装置を提供することにある。

本発明に係る弾性境界波装置は、ＬｉＮｂＯ_３と、上記ＬｉＮｂＯ_３上に積層されている酸化ケイ素層と、上記酸化ケイ素層上に積層されている高音速媒質層とを備える。高音速媒質層は、伝搬する遅い横波の音速が、酸化ケイ素層を伝搬する遅い横波よりも相対的に高い。本発明の弾性境界波装置では、上記ＬｉＮｂＯ_３と、上記酸化ケイ素層との間に配置されたＩＤＴ電極とがさらに備えられている。

本発明の弾性境界波装置は、Ｐ＋ＳＶ型弾性境界波を利用している。

本発明では、ＩＤＴ電極がＰｔ膜と、Ｐｔ膜上に積層されたＡｌ膜とを有する。Ｐｔ膜の膜厚は０．０４２λ〜０．０６λの範囲にあり、Ａｌ膜の膜厚は０．０８λ〜０．２０λの範囲にある。なお、λは利用する弾性境界波であるＰ＋ＳＶ型弾性境界波の波長である。また、上記酸化ケイ素層の厚みは、０．７λ〜１．０λの範囲とされている。

本発明に係る弾性境界波装置では、好ましくは、上記ＬｉＮｂＯ_３のオイラー角が（０°，１７°〜３９°，０°）の範囲にある。

本発明に係る弾性境界波装置によれば、利用するＰ＋ＳＶ型弾性境界波の電気機械結合係数Ｋ^２を高めることができ、かつＩＤＴ電極の反射係数を効果的に高めることが可能となる。さらに、ＩＤＴ電極がＰｔ膜及びＡｌ膜を含む積層金属膜からなるため、ＩＤＴ電極における電気抵抗を低めることが可能となる。

（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る弾性境界波装置の正面断面図及び電極構造を示す模式的平面図である。 本発明の一実施形態の弾性境界波装置の積層構造を説明するための模式的部分拡大断面図である。 ＳｉＯ_２膜の膜厚（λ）と比帯域との関係を示す図である。 ＳｉＯ_２膜の膜厚（λ）とＩＤＴ電極のストップバンドの幅ＳＢ（％）との関係を示す図である。 Ｐｔ膜の膜厚（λ）と比帯域との関係を示す図である。 Ｐｔ膜の膜厚（λ）とＩＤＴ電極のストップバンドの幅ＳＢ（％）との関係を示す図である。 Ｐ＋ＳＶ型及びＳＨ型境界波のオイラー角のθと比帯域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。

図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る弾性境界波装置の正面断面図及びその電極構造を示す模式的平面図である。弾性境界波装置１は、ＬｉＮｂＯ_３層２と、ＬｉＮｂＯ_３層２上に積層されている酸化ケイ素層としてのＳｉＯ_２層３と、ＳｉＯ_２層３上に積層されている高音速媒質層４とを有する。すなわち、弾性境界波装置１は、いわゆる三媒質構造の弾性境界波装置である。

ＬｉＮｂＯ_３層２と、ＳｉＯ_２層３との間に、ＩＤＴ電極５及び反射器６，７を含む電極構造が形成されている。

上記高音速媒質層４は、伝搬する遅い横波の音速が、ＳｉＯ_２層３を伝搬する遅い横波の音速よりも高い誘電体からなる。このような誘電体としては、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、ケイ素、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）などを挙げることができる。

本実施形態では、高音速媒質層４は、ＳｉＮからなる。ＩＤＴ電極５及び反射器６，７は、本実施形態では、Ｐｔ膜と、Ｐｔ膜上に積層されたＡｌ膜とを有する。

図２は、弾性境界波装置の積層構造を説明するための模式的部分拡大断面図である。ここでは、ＩＤＴ電極５の一本の電極指が設けられている部分が拡大して示されている。ＩＤＴ電極５の電極指５ａを拡大して示すように、ＩＤＴ電極５は、Ｐｔ膜１１上に、Ａｌ膜１２を積層してなる積層金属膜からなる。なお、ＩＤＴ電極５では、他の金属膜がさらに積層されていてもよい。

本実施形態の弾性境界波装置１は、Ｐ＋ＳＶ型弾性境界波を利用している。この弾性境界波の波長λとしたとき、Ｐｔ膜１１の膜厚は、０．０４２λ〜０．０６λの範囲にあり、Ａｌ膜１２の膜厚が０．０８λ〜０．２０λの範囲にあり、ＳｉＯ_２層３の膜厚が、０．７λ〜１．０λの範囲とされている。弾性境界波装置１では、ＩＤＴ電極５及びＳｉＯ_２膜３が上記のように構成されているため、Ｐ＋ＳＶ型弾性境界波の電気機械結合係数Ｋ^２を大きくすることができ、ＩＤＴ電極５の反射係数を効果的に高めることができる。これを、図３〜図６を参照して説明する。

上記弾性境界波装置１の特性値を、有限要素法を用いてシミュレーションにより求めた。ＬｉＮｂＯ_３層２のオイラー角は（０°，３０°，０°）とした。言い換えれば、１２０°ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ_３を用いた。

ＬｉＮｂＯ_３層２の厚みは、４．０λとした。また、高音速媒質層４としてのＳｉＮ膜の厚みは２．０λとした。

ＩＤＴ電極におけるデューティー比は０．５とした。上記ＩＤＴ電極５において、Ｐｔ膜１１の膜厚を０．０５λとし、Ａｌ膜１２の膜厚は０．１０λとした。ＳｉＯ_２層３の膜厚を種々変化させ、複数種の弾性境界波装置１の特性値を得た。

このようにして用意した複数種の弾性境界波装置について、電気機械結合係数Ｋ^２に相当する比帯域（％）と、反射係数に相当するストップバンド幅ＳＢ（％）を計算した。結果を図３及び図４に示す。

なお、比帯域（％）は、比帯域（％）＝｛（反共振周波数―共振周波数）／共振周波数｝×１００で求めた。比帯域（％）は、電気機械結合係数Ｋ^２と比例関係にある。

また、ストップバンド幅ＳＢ（％）は、反射係数と相関を有している。

図３から明らかなように、ＳｉＯ_２層３の膜厚が変化すると、比帯域が変化する。ＳｉＯ_２層３の膜厚が、０．５λ〜１．０λの範囲では、比帯域は十分大きく、かつＳｉＯ_２層の膜厚のばらつきによる比帯域のばらつきも小さい。すなわち、製造ばらつきによる弾性境界波装置の特性の変動を小さくすることができる。また、ＳｉＯ_２層３の膜厚が０．５λ未満では、比帯域の値が小さくなるだけでなく、ＳｉＯ_２層３の膜厚の変化により比帯域が大幅に変動することがわかる。すなわち、製造ばらつきによる弾性境界波装置の特性の変動が大きくなる。

図４から、ＳｉＯ_２層３の膜厚が増加すると、ストップバンド幅ＳＢ（％）が大きくなっていくことがわかる。特に、ＳｉＯ_２層３の膜厚が、０．７λ以上では、ストップバンド幅が８．２％以上と大きく、しかもＳｉＯ_２層３の膜厚の変化によるストップバンド幅の変化が小さいことがわかる。

よって、ＳｉＯ_２層３の膜厚を０．７λ〜１．０λの範囲とすることにより、比帯域及びストップバンド幅を十分に大きくし得ることがわかる。

なお、前述した特許文献１では、ＳｉＯ_２層の厚みを厚くすると、高次モードが発生するため、ＳｉＯ_２層の膜厚は０．７λ以下が好ましいと記載されている。これは、オイラー角が（０°，１０５°，０°）のＬｉＮｂＯ_３において、ＳＨ型弾性境界波を用いた場合に、高次モードを抑制するための条件として、記載されているものである。

本実施形態では、Ｐ＋ＳＶ型弾性境界波を使用しているため、高次モードは発生し難い。

また、上記と同様にして、但し、ＳｉＯ_２層３の膜厚を０．８０λ、Ａｌ膜１２の膜厚を０．１０λと固定し、Ｐｔ膜１１の膜厚を変化させた場合の弾性境界波装置について、比帯域（％）及びストップバンド幅ＳＢ（％）を計算した。結果を図５及び図６に示す。

図５から明らかなように、Ｐｔ膜１１の膜厚が厚くなるにつれ、比帯域が大きくなり、図６からストップバンド幅ＳＢも大きくなることがわかる。従って、電気機械結合係数Ｋ^２を高めるには、Ｐｔ膜１１の膜厚は厚い方が好ましく、０．０４２λ以上とすることにより、比帯域を３．４％以上と十分大きくすることができる。さらに、図６より、Ｐｔ膜１１の膜厚が０．０６λ以上では、ストップバンド幅ＳＢは、ほぼ一定である。従って、ストップバンド幅を高めるには、Ｐｔ膜１１の膜厚が厚い方が望ましいが、０．０６λ以上にする必要は必ずしもない。

他方、Ｐｔ膜１１の膜厚が厚過ぎると、電極指の幅の変化に対する周波数の変化量が大きくなる。そのため、製造ばらつきが大きくなる。従って、Ｐｔ膜１１の膜厚は、特性が確保し得る限り、薄いことが望ましい。従って、本発明では、Ｐｔ膜１１の膜厚は、０．０４２λ〜０．０６λの範囲とされる。

他方、Ａｌ膜１２の膜厚を厚くすると、電極指の電気抵抗が小さくなる。従って、弾性境界波装置１を低損失化するには、Ａｌ膜１２は厚い方が望ましい。１〜２ＧＨｚの周波数帯で用いられているＬｉＴａＯ_３基板を有する弾性表面波装置では、Ａｌ電極の膜厚は、通常、０．０８λ〜０．１０λとされている。本発明の弾性境界波装置を、ＬｉＴａＯ_３基板を用いた上記弾性表面波装置と同じ用途で用いる場合には、電気抵抗を含め同等以上の電気的特性を得るには、Ａｌ膜１２の膜厚は０．０８λ以上とする必要がある。

ＬｉＴａＯ_３を用いた弾性表面波装置では、Ａｌ膜の厚みが０．１０λを超えると、電気抵抗による損失が小さくなるが、伝搬損失が大きくなるという問題があった。そのため、損失が逆に増加しがちであった。

これに対して、本発明の弾性境界波装置では、電極を厚くしたとしても、伝搬損失はさほど大きくならない。従って、Ａｌ膜１２の厚みを厚くすることで電気抵抗による損失を低減し、それによってデバイス全体の損失を低減することができる。

もっとも、電極の厚みが厚くなり過ぎると、ＩＤＴ電極上に形成される酸化ケイ素層に不連続な部分が形成されたり、酸化ケイ素層と高音速媒質層との境界に凹凸が生じることによる不具合が生じるおそれがある。そのため、Ａｌ膜１２の厚みは、０．２０λ以下とすることが必要である。

よって、本発明では、Ｐｔ膜の膜厚が上記のように０．０４２λ〜０．０６λの範囲とされており、Ａｌ膜の膜厚が０．０８λ〜０．２０λの範囲とされる。

なお、Ｐｔ膜は、Ｐｔのみからなる膜の他、Ｐｔを主体とする膜であってもよい。Ａｌ膜も、Ａｌを主体とする膜であってもよい。

また、上記実施形態では、ＬｉＮｂＯ_３層２のオイラー角は（０°，３０°，０°）としたが、これに限るものではない。図７に有限要素法により求めたＬｉＮｂＯ_３層２のオイラー角（０°，θ，０°）のθとＳＨ型境界波およびＰ＋ＳＶ型境界波の比帯域の関係を示す。ＳｉＯ_２層の膜厚は０．８０λ、Ｐｔ膜の膜厚は０．０５λ、Ａｌ膜の膜厚は０．１０λとした。これから明らかなように、ＬｉＮｂＯ_３層のオイラー角が（０°，１７°〜３９°，０°）の場合、ＳＨ型境界波の比帯域は０．３％以下となり、スプリアスモードとなるＳＨ型境界波を十分に抑制することができる。また、ＬｉＮｂＯ_３層のオイラー角が（０°，２７°〜３６°，０°）の場合、ＳＨ型境界波の比帯域は０．１％以下となり、スプリアスモードとなるＳＨ型境界波をさらに抑制することができる。特に、オイラー角（０°，３０°，０°）付近においては、Ｐ＋ＳＶ型境界波の比帯域が約３．５％と比較的大きくなるのに対して、ＳＨ型境界波の比帯域はほぼゼロとなり、ＳＨ型境界波によるスプリアスは発生しない。

なお、図１（ｂ）では、１ポート型弾性境界波共振子の電極構造を示したが、本発明におけるＩＤＴ電極を含む電極構造は、これに限定されるものではない。すなわち、弾性境界波装置の機能及び用途によって、電極構造はＩＤＴ電極を含む限り、適宜変形することができる。

１…弾性境界波装置
２…ＬｉＮｂＯ_３層
３…ＳｉＯ_２層（酸化ケイ素層）
４…高音速媒質層
５…ＩＤＴ電極
５ａ…電極指
６，７…反射器
１１…Ｐｔ膜
１２…Ａｌ膜

Claims (2)

1. ＬｉＮｂＯ_３と、
   前記ＬｉＮｂＯ_３上に積層されている酸化ケイ素層と、
   前記酸化ケイ素層上に積層されており、酸化ケイ素層を伝搬する遅い横波よりも、遅い横波の音速が相対的に高い高音速媒質層と、
   前記ＬｉＮｂＯ_３と、前記酸化ケイ素層との間に配置されたＩＤＴ電極とを備え、
   Ｐ＋ＳＶ型弾性境界波を利用しており、
   弾性境界波の波長λとしたときに、前記ＩＤＴ電極が、Ｐｔ膜と、Ｐｔ膜上に積層されたＡｌ膜とを有し、Ｐｔ膜の膜厚が０．０４２λ〜０．０６λの範囲にあり、Ａｌ膜の膜厚が０．０８λ〜０．２０λの範囲にあり、
   前記酸化ケイ素層の厚みが、０．７λ〜１．０λの範囲とされている、弾性境界波装置。
2. 前記ＬｉＮｂＯ_３のオイラー角が（０°，１７°〜３９°，０°）の範囲にある、請求項１に記載の弾性境界波装置。

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