JP2023137104A - 弾性波デバイス、フィルタ、およびマルチプレクサ - Google Patents
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Abstract
【課題】電気機械結合係数を向上させることが可能な弾性波デバイスを提供する。【解決手段】弾性波デバイスは、基板と、基板上に設けられた下部電極と、下部電極上に設けられ、単結晶ニオブ酸リチウム層であり、右手系のＸＹＺ座標系において上面の面方向で互いに直交する方向をＸ方向およびＹ方向、上面の法線方向をＺ方向としたときのオイラー角が（０°±５°、１０５°±５°、１１°～２８°）、または、（９０°±５°、１０５°±５°、１１°～２８°）である圧電層と、圧電層を挟んで下部電極と対向する共振領域を形成するように圧電層上に設けられた上部電極とを備える。【選択図】図５
Description
本発明は、弾性波デバイス、フィルタ、およびマルチプレクサに関する。
携帯電話等の無線端末の高周波回路用のフィルタおよびデュプレクサとして、圧電薄膜共振器を用いたフィルタおよびデュプレクサが知られている。圧電薄膜共振器には、ＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）タイプとＳＭＲ（Solidly Mounted Resonator）タイプがある。ＦＢＡＲタイプの圧電薄膜共振器は、基板上に圧電層と圧電層を挟む下部電極および上部電極とを備え、圧電層を挟み下部電極と上部電極が対向する領域において基板と下部電極との間に空隙が形成されている。ＳＭＲタイプの圧電薄膜共振器は、空隙の代わりに、音響インピーダンスの高い膜と低い膜が交互に積層された音響反射膜が設けられている。圧電層を挟み下部電極と上部電極が対向する領域は、弾性波が共振する共振領域である。
圧電層にニオブ酸リチウム層またはタンタル酸リチウム層を用いることが知られている。この場合に、高いＱ値を得るために、ニオブ酸リチウム層またはタンタル酸リチウム層のオイラー角を特定の角度範囲内とすることが知られている（例えば特許文献１）。
近年、フィルタの高性能化の要望が大きく、例えばフィルタ特性の広帯域化が求められている。フィルタ特性の広帯域化は、電気機械結合係数の大きな弾性波デバイスを用いることで実現できる。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、電気機械結合係数を向上させることを目的とする。
本発明は、基板と、前記基板上に設けられた下部電極と、前記下部電極上に設けられ、単結晶ニオブ酸リチウム層であり、右手系のＸＹＺ座標系において上面の面方向で互いに直交する方向をＸ方向およびＹ方向、上面の法線方向をＺ方向としたときのオイラー角が（０°±５°、１０５°±５°、１１°～２８°）、または、（９０°±５°、１０５°±５°、１１°～２８°）である圧電層と、前記圧電層を挟んで前記下部電極と対向する共振領域を形成するように前記圧電層上に設けられた上部電極と、を備える弾性波デバイスである。
上記構成において、前記共振領域において前記基板と前記下部電極との間に設けられた音響反射膜を備え、前記圧電層のオイラー角は（０°±５°、１０５°±５°、１１°～２３°）、または、（９０°±５°、１０５°±５°、１１°～２３°）である構成とすることができる。
上記構成において、前記圧電層のオイラー角は（０°±５°、１０５°±５°、１１°～１７°）、または、（９０°±５°、１０５°±５°、１１°～１７°）である構成とすることができる。
上記構成において、前記共振領域において前記下部電極は前記基板との間に空隙を挟んで前記基板上に設けられ、前記圧電層のオイラー角は（０°±５°、１０５°±５°、１１°～２１°）、または、（９０°±５°、１０５°±５°、１１°～２１°）である構成とすることができる。
上記構成において、前記圧電層のオイラー角は（０°±５°、１０５°±５°、１１°～１６°）、または、（９０°±５°、１０５°±５°、１１°～１６°）である構成とすることができる。
上記構成において前記下部電極および前記上部電極はアルミニウムを含む膜である構成とすることができる。
本発明は、上記に記載の弾性波デバイスを含むフィルタである。
本発明は、上記に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、電気機械結合係数を向上させることができる。
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
図１（ａ）は、実施例１に係る弾性波デバイス１００の平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ－Ａ断面図である。図１（ａ）では、図の明瞭化のために、付加膜２８にハッチングを付している。図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、弾性波デバイス１００は、圧電薄膜共振器であり、基板１０上に音響反射膜３１が設けられ、音響反射膜３１上に圧電層１４が設けられている。圧電層１４の上面および下面は略平坦である。圧電層１４の上下に上部電極１６と下部電極１２が設けられている。圧電層１４の少なくとも一部を挟み下部電極１２と上部電極１６とが平面視において重なる領域は共振領域５０である。
共振領域５０の平面形状は略矩形である。矩形はほぼ直線の４つの辺を有する。４つの辺の延伸方向をＸ方向およびＹ方向とする。音響反射膜３１、下部電極１２、圧電層１４、および上部電極１６が積層された方向をＺ方向とする。
下部電極１２と上部電極１６との間に高周波電力を印加すると、共振領域５０内の圧電層１４に弾性波の変位がＺ方向に交差する方向（すなわち厚さ方向に対して歪み方向）に振動する弾性波が励振される。この振動を厚みすべり振動という。厚みすべり振動の変位の最も大きい方向（厚みすべり振動の変位方向）を厚みすべり振動の方向６０とする。例えば、厚みすべり振動の方向６０はＹ方向からＺ方向に少し傾いた方向である。弾性波の波長は圧電層１４の厚さのほぼ２倍である。下部電極１２および上部電極１６は、厚みすべり振動の方向６０に交差（例えば直交）する方向に共振領域５０から引き出されている。
共振領域５０は、中央領域５４と、中央領域５４に対してＸ方向両側のエッジ領域５２と、を有する。エッジ領域５２はほぼＹ方向に延伸する。エッジ領域５２のＸ方向の幅はＹ方向においてほぼ一定である。エッジ領域５２の上部電極１６上に付加膜２８が設けられている。共振領域５０のうちエッジ領域５２に挟まれた中央領域５４には付加膜２８は設けられていない。
付加膜２８、上部電極１６、圧電層１４、および下部電極１２の厚さをそれぞれＴ２８、Ｔ１６、Ｔ１４、およびＴ１２とする。
音響反射膜３１は、音響インピーダンスの低い膜３１ｂと音響インピーダンスの高い膜３１ａとが交互に積層されている。音響インピーダンスの高い膜３１ａおよび音響インピーダンスの低い膜３１ｂの膜厚は、例えばそれぞれほぼλ／４（λは弾性波の波長）である。これにより、音響反射膜３１は弾性波を反射する。音響インピーダンスの高い膜３１ａおよび音響インピーダンスの低い膜３１ｂの積層数は任意に設定できる。音響反射膜３１は、音響特性の異なる少なくとも２種類の層が積層されていればよい。また、基板１０が音響反射膜３１の音響特性の異なる少なくとも２種類の層のうちの１層であってもよい。例えば、音響反射膜３１は、基板１０中に音響インピーダンスの異なる１種類の層が設けられている構成でもよい。平面視において、音響反射膜３１は共振領域５０に重なり、音響反射膜３１は共振領域５０と同じ大きさまたは共振領域５０より大きい。
基板１０は、例えばシリコン基板、サファイア基板、アルミナ基板、スピネル基板、石英基板、水晶基板、ガラス基板、セラミック基板、またはＧａＡｓ基板である。下部電極１２および上部電極１６は、例えばルテニウム（Ｒｕ）、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、またはイリジウム（Ｉｒ）等の単層膜またはこれらの積層膜である。付加膜２８は、下部電極１２および上部電極１６において例示した金属膜、もしくは酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化タンタル膜、または酸化ニオブ膜等の絶縁膜である。付加膜２８の材料は下部電極１２および上部電極１６の材料と同じでもよいし、異なっていてもよい。
圧電層１４は、単結晶ニオブ酸リチウム層である。圧電層１４の結晶方位は、オイラー角表示で（０°±５°、１０５°±５°、１１°～２８°）、または、（９０°±５°、１０５°±５°、１１°～２８°）である。オイラー角をこのような角度とする理由については後述する。
オイラー角（α、β、γ）は以下のように定義される。右手系のＸＹＺ座標系において、圧電層１４の上面の法線方向をＺ方向とし、Ｚ方向に直交する方向であって圧電層１４の上面の面方向で互いに直交する方向をＸ方向およびＹ方向とする。まず、Ｘ方向、Ｙ方向、およびＺ方向をそれぞれ結晶方位のＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向とする。次に、Ｚ軸方向を中心に＋Ｘ軸方向から＋Ｙ軸方向にα回転させる。α回転後のＸ軸方向を中心に＋Ｙ軸方向から＋Ｚ軸方向にβ回転させる。β回転後のＺ軸方向を中心に＋Ｘ軸方向から＋Ｙ軸方向にγ回転させる。このように結晶方位を回転させた結晶のオイラー角が（α、β、γ）である。なお、本実施例では、α、β、およびγとして０°～１８０°を用い表現するが、（α、β、γ）を用い表現されるオイラー角は、等価なオイラー角を含む。
図２（ａ）から図２（ｃ）を用いて、オイラー角が（０°、１０５°、１１°～２８°）と表される圧電層１４の結晶方位について説明する。図２（ａ）から図２（ｃ）では、下部電極１２、圧電層１４、および上部電極１６を図示している。図２（ａ）に示すように、＋Ｘ方向、＋Ｙ方向、および＋Ｚ方向をそれぞれ圧電層１４の結晶方位の＋Ｘ軸方向、＋Ｙ軸方向、および＋Ｚ軸方向とする。図２（ｂ）に示すように、図２（ａ）の状態から、Ｘ軸方向を中心に＋Ｙ軸方向および＋Ｚ軸方向を＋Ｙ軸方向から＋Ｚ軸方向に１０５°回転させる。次に、図２（ｃ）に示すように、図２（ｂ）の状態から、Ｚ軸方向を中心に＋Ｘ軸方向および＋Ｙ軸方向を＋Ｘ軸方向から＋Ｙ軸方向に１１°～２８°回転させる。このように回転させると、＋Ｚ方向は＋Ｚ軸方向を１０５°回転させた方向となる。圧電層１４の結晶方位のＸ軸に対して垂直方向が厚みすべり振動の方向６０となるため、Ｙ方向に対してＺ方向に１１°～２８°傾いた方向が厚みすべり振動の方向６０となる。オイラー角では（０°、１０５°、１１°～２８°）となる。
圧電層１４に厚みすべり振動を励振させる点から、結晶方位のＸ軸方向は、＋Ｘ方向から圧電層１４の上面の面方向に±５°の範囲内とすることが好ましく、±１°の範囲内とすることが好ましい。＋Ｚ方向は、＋Ｚ軸方向から１０５°回転した方向から±５°の範囲内とすることが好ましく、±１°の範囲内とすることが好ましい。したがって、圧電層１４の結晶方位としては（０°±５°、１０５°±５°、１１°～２８°）となる。
図３（ａ）から図３（ｄ）を用いて、オイラー角が（９０°、１０５°、１１°～２８°）と表される圧電層１４の結晶方位について説明する。図３（ａ）から図３（ｄ）では、下部電極１２、圧電層１４、および上部電極１６を図示している。図３（ａ）に示すように、＋Ｘ方向、＋Ｙ方向、および＋Ｚ方向をそれぞれ圧電層１４の結晶方位の＋Ｘ軸方向、＋Ｙ軸方向、および＋Ｚ軸方向とする。図３（ｂ）に示すように、図３（ａ）の状態から、Ｚ軸方向を中心に＋Ｘ軸方向および＋Ｙ軸方向を＋Ｘ軸方向から＋Ｙ軸方向に９０°回転させる。図３（ｃ）に示すように、図３（ｂ）の状態から、Ｘ軸方向を中心に＋Ｙ軸方向および＋Ｚ軸方向を＋Ｙ軸方向から＋Ｚ軸方向に１０５°回転させる。次に、図３（ｄ）に示すように、図３（ｃ）の状態から、Ｚ軸方向を中心に＋Ｘ軸方向および＋Ｙ軸方向を＋Ｘ軸方向から＋Ｙ軸方向に１１°～２８°回転させる。このように回転させると、＋Ｚ方向は＋Ｚ軸方向を１０５°回転させた方向となる。圧電層１４の結晶方位のＸ軸に対して垂直方向が厚みすべり振動の方向６０となるため、Ｘ方向に対してＺ方向に１１°～２８°傾いた方向が厚みすべり振動の方向６０となる。オイラー角では（９０°、１０５°、１１°～２８°）となる。
圧電層１４に厚みすべり振動を励振させる点から、結晶方位のＸ軸方向は、＋Ｘ方向から圧電層１４の上面の面方向に±５°の範囲内とすることが好ましく、±１°の範囲内とすることが好ましい。＋Ｚ方向は、＋Ｚ軸方向から１０５°回転した方向から±５°の範囲内とすることが好ましく、±１°の範囲内とすることが好ましい。したがって、圧電層１４の結晶方位としては（９０°±５°、１０５°±５°、１１°～２８°）となる。
［シミュレーション］
実施例１の弾性波デバイス１００に対して、結晶方位がオイラー角で（０°、１０５°、γ）と表される単結晶ニオブ酸リチウム層を圧電層１４に用い、γの大きさを変えることによる電気機械結合係数ｋ２およびスプリアス強度の変化についてシミュレーションを行った。シミュレーション条件は以下である。
弾性波の波長λ：圧電層１４の厚さＴ１４×２
Ｘ方向の条件：Ｘ方向の幅を３０λとし、境界条件は無限に連続とする。
Ｙ方向の条件：共振領域５０のＹ方向の幅を０．５λとする。
付加膜２８：厚さＴ２８が９０ｎｍの酸化シリコン膜
上部電極１６：厚さＴ１６が４６ｎｍのアルミニウム膜
圧電層１４：厚さＴ１４が４６０ｎｍで、結晶方位がオイラー角で（０°、１０５°、γ）と表される単結晶ニオブ酸リチウム層
下部電極１２：厚さＴ１２が４６ｎｍのアルミニウム膜
音響インピーダンスの高い膜３１ａ：厚さが１９４ｎｍのタングステン膜
音響インピーダンスの低い膜３１ｂ：厚さが１５２ｎｍの酸化シリコン膜
基板１０：シリコン基板
実施例１の弾性波デバイス１００に対して、結晶方位がオイラー角で（０°、１０５°、γ）と表される単結晶ニオブ酸リチウム層を圧電層１４に用い、γの大きさを変えることによる電気機械結合係数ｋ２およびスプリアス強度の変化についてシミュレーションを行った。シミュレーション条件は以下である。
弾性波の波長λ：圧電層１４の厚さＴ１４×２
Ｘ方向の条件：Ｘ方向の幅を３０λとし、境界条件は無限に連続とする。
Ｙ方向の条件：共振領域５０のＹ方向の幅を０．５λとする。
付加膜２８：厚さＴ２８が９０ｎｍの酸化シリコン膜
上部電極１６：厚さＴ１６が４６ｎｍのアルミニウム膜
圧電層１４：厚さＴ１４が４６０ｎｍで、結晶方位がオイラー角で（０°、１０５°、γ）と表される単結晶ニオブ酸リチウム層
下部電極１２：厚さＴ１２が４６ｎｍのアルミニウム膜
音響インピーダンスの高い膜３１ａ：厚さが１９４ｎｍのタングステン膜
音響インピーダンスの低い膜３１ｂ：厚さが１５２ｎｍの酸化シリコン膜
基板１０：シリコン基板
図４（ａ）および図４（ｂ）は、実施例１に係る弾性波デバイス１００の周波数に対するアドミッタンスの実部Ｒｅａｌ（Ｙ）および絶対値｜Ｙ｜のシミュレーション結果である。図４（ａ）には、結晶方位がオイラー角で（０°、１０５°、０°）と表されるニオブ酸リチウム層を圧電層１４に用いた場合のシミュレーション結果が示されている。図４（ｂ）には、結晶方位がオイラー角で（０°、１０５°、２０°）と表されるニオブ酸リチウム層を圧電層１４に用いた場合のシミュレーション結果が示されている。アドミッタンス｜Ｙ｜では、共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａのピークが観察される。アドミッタンスの実部Ｒｅａｌ（Ｙ）では、絶対値｜Ｙ｜に比べスプリアス応答が大きく観察される。
図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、結晶方位がオイラー角で（０°、１０５°、０°）と表されるニオブ酸リチウム層を圧電層１４に用いた場合（図４（ａ））と、（０°、１０５°、２０°）と表されるニオブ酸リチウム層を圧電層１４に用いた場合（図４（ｂ））とでは、共振周波数ｆｒと反共振周波数ｆａの周波数間隔が異なる結果となった。反共振周波数ｆａと共振周波数ｆｒとの差は電気機械結合係数ｋ２に比例する。結晶方位がオイラー角で（０°、１０５°、０°）と表されるニオブ酸リチウム層を圧電層１４に用いた場合（図４（ａ））の電気機械結合係数ｋ２は３２．６３％であり、（０°、１０５°、２０°）と表されるニオブ酸リチウム層を圧電層１４に用いた場合（図４（ｂ））の電気機械結合係数ｋ２は３４．９４％であった。このことから、結晶方位がオイラー角で（０°、１０５°、γ）と表されるニオブ酸リチウム層を圧電層１４に用いた場合に、γの大きさを変えることで電気機械結合係数ｋ２が変化すると考えられる。
また、共振周波数ｆｒと反共振周波数ｆａの間の周波数においてスプリアス４０が発生している。このスプリアス４０は、結晶方位がオイラー角で（０°、１０５°、２０°）と表されるニオブ酸リチウム層を圧電層１４に用いた場合（図４（ｂ））では、（０°、１０５°、０°）と表されるニオブ酸リチウム層を圧電層１４に用いた場合（図４（ａ））に比べて大きくなっている。このことから、結晶方位がオイラー角で（０°、１０５°、γ）と表されるニオブ酸リチウム層を圧電層１４に用いた場合に、γの大きさを変えることでスプリアス４０の大きさも変化すると考えられる。以下において、スプリアス４０の最大強度と最小強度の差ｈをスプリアス強度とする。
図５は、実施例１において、結晶方位がオイラー角で（０°、１０５°、γ）と表される圧電層１４のオイラー角γに対する電気機械結合係数ｋ２およびスプリアス強度のシミュレーション結果である。図５に示すように、電気機械結合係数ｋ２は、オイラー角γが１１°のときに３３．８％となり、オイラー角γが２３°のときに３４．９３％となり、オイラー角γが２３°まではほとんど減少しない結果であった。オイラー角γが２８°のときの電気機械結合係数ｋ２は３４．０２％となり、オイラー角γが１１°のときの電気機械結合係数ｋ２と同等の大きさであった。このことから、オイラー角γを１１°～２８°の範囲内の値とすることで、電気機械結合係数ｋ２を向上させることができる。
一方、スプリアス４０のスプリアス強度は、オイラー角γが１１°～１４°の間では角度が大きくなるに従い減少し、１４°で最も小さくなった後、１４°より大きくなると角度が大きくなるに従い増加している。オイラー角γが１１°のときのスプリアス強度は１２．４ｄＢで、オイラー角γが１７°のときのスプリアス強度はオイラー角γが１１°のときと同等の１３．２ｄＢであった。このことから、オイラー角γを１１°～１７°の範囲内の値とすることで、スプリアス強度が大きくなることを抑制できる。
なお、上記シミュレーションでは、下部電極１２および上部電極１６にアルミニウム膜を用いたが、ルテニウム、クロム、アルミニウム、チタン、銅、モリブデン、タングステン、タンタル、白金、ロジウム、またはイリジウム等の単層膜またはこれらの積層膜を用いた場合でも、オイラー角γの好ましい範囲は変わらないと考えられる。
図６は、実施例２に係る弾性波デバイス２００の断面図である。実施例２の弾性波デバイス２００は、実施例１の弾性波デバイス１００と同じく圧電薄膜共振器である。図６に示すように、弾性波デバイス２００では、音響反射膜３１の代わりに空隙３０が設けられている。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２においても、圧電層１４は、結晶方位がオイラー角で（０°±５°、１０５°±５°、１１°～２８°）、または、（９０°±５°、１０５°±５°、１１°～２８°）と表される単結晶ニオブ酸リチウム層である。
［シミュレーション］
実施例２の弾性波デバイス２００に対して、実施例１と同じく、結晶方位がオイラー角で（０°、１０５°、γ）と表される単結晶ニオブ酸リチウム層を圧電層１４に用い、γの大きさを変えることによる電気機械結合係数ｋ２およびスプリアス強度の変化についてシミュレーションを行った。また、結晶方位がオイラー角で（９０°、１０５°、γ）と表される単結晶ニオブ酸リチウム層を圧電層１４に用い、γの大きさを変えることによる電気機械結合係数ｋ２およびスプリアス強度の変化についてもシミュレーションを行った。シミュレーション条件は以下である。
弾性波の波長λ：圧電層１４の厚さＴ１４×２
Ｘ方向の条件：Ｘ方向の幅を３０λとし、境界条件は無限に連続とする。
Ｙ方向の条件：共振領域５０のＹ方向の幅を０．５λとする。
付加膜２８：厚さＴ２８が７０ｎｍの酸化シリコン膜
上部電極１６：厚さＴ１６が４４ｎｍのアルミニウム膜
圧電層１４：厚さＴ１４が４４０ｎｍで、結晶方位がオイラー角で（０°、１０５°、γ）または（９０°、１０５°、γ）と表される単結晶ニオブ酸リチウム層
下部電極１２：厚さＴ１２が４４ｎｍのアルミニウム膜
基板１０：シリコン基板
実施例２の弾性波デバイス２００に対して、実施例１と同じく、結晶方位がオイラー角で（０°、１０５°、γ）と表される単結晶ニオブ酸リチウム層を圧電層１４に用い、γの大きさを変えることによる電気機械結合係数ｋ２およびスプリアス強度の変化についてシミュレーションを行った。また、結晶方位がオイラー角で（９０°、１０５°、γ）と表される単結晶ニオブ酸リチウム層を圧電層１４に用い、γの大きさを変えることによる電気機械結合係数ｋ２およびスプリアス強度の変化についてもシミュレーションを行った。シミュレーション条件は以下である。
弾性波の波長λ：圧電層１４の厚さＴ１４×２
Ｘ方向の条件：Ｘ方向の幅を３０λとし、境界条件は無限に連続とする。
Ｙ方向の条件：共振領域５０のＹ方向の幅を０．５λとする。
付加膜２８：厚さＴ２８が７０ｎｍの酸化シリコン膜
上部電極１６：厚さＴ１６が４４ｎｍのアルミニウム膜
圧電層１４：厚さＴ１４が４４０ｎｍで、結晶方位がオイラー角で（０°、１０５°、γ）または（９０°、１０５°、γ）と表される単結晶ニオブ酸リチウム層
下部電極１２：厚さＴ１２が４４ｎｍのアルミニウム膜
基板１０：シリコン基板
図７は、実施例２において、結晶方位がオイラー角で（９０°、１０５°、γ）と表される圧電層１４のオイラー角γに対する電気機械結合係数ｋ２およびスプリアス強度のシミュレーション結果である。図７に示すように、電気機械結合係数ｋ２は、オイラー角γが１１°のときに４０．４６％となり、オイラー角γが２１°のときに４１．８２％となり、オイラー角γが２１°までは角度が大きくなるに従い大きくなっている。オイラー角γが２８°のときの電気機械結合係数ｋ２は４０．６８％となり、オイラー角γが１１°のときの電気機械結合係数ｋ２と同等の大きさとなっている。このことから、オイラー角γを１１°～２８°の範囲内の値とすることで、電気機械結合係数ｋ２を向上させることができる。
一方、スプリアス４０のスプリアス強度は、オイラー角γが１１°～１５°の間では角度が大きくなるに従い減少し、１５°より大きくなると２１°までは角度が大きくなるに従い増加している。オイラー角γが１１°のときのスプリアス強度は１９．８ｄＢで、オイラー角γが１６°のときのスプリアス強度はオイラー角γが１１°のときと同等の大きさであった。このことから、オイラー角γを１１°～１６°の範囲内の値とすることで、スプリアス強度が大きくなることを抑制できる。
図８は、実施例２において、結晶方位がオイラー角で（０°、１０５°、γ）と表される圧電層１４のオイラー角γに対する電気機械結合係数ｋ２およびスプリアス強度のシミュレーション結果である。図８に示すように、電気機械結合係数ｋ２は、オイラー角γが２１°までは角度が大きくなるに従い大きくなっている。電気機械結合係数ｋ２は、オイラー角γが１１°のときと２８°のときとで同等の大きさとなっている。このことから、オイラー角γを１１°～２８°の範囲内の値とすることで、電気機械結合係数ｋ２を向上させることができる。
一方、スプリアス４０のスプリアス強度は、オイラー角γが１１°～１４°の間では角度が大きくなるに従い減少し、１４°より大きくなると２２°までは角度が大きくなるに従い増加している。オイラー角γが１１°のときのスプリアス強度とオイラー角γが１７°より少し小さいときのスプリアス強度とが同等の大きさであった。このことから、オイラー角γを１１°～１６°の範囲内の値とすることで、スプリアス強度が大きくなることを抑制できる。
なお、上記シミュレーションでは、下部電極１２および上部電極１６にアルミニウム膜を用いたが、ルテニウム、クロム、アルミニウム、チタン、銅、モリブデン、タングステン、タンタル、白金、ロジウム、またはイリジウム等の単層膜またはこれらの積層膜を用いた場合でも、オイラー角γの好ましい範囲は変わらないと考えられる。
なお、実施例２において、圧電層１４の結晶方位のオイラー角が（９０°、１０５°、γ）の場合のシミュレーション結果である図７と、（０°、１０５°、γ）の場合のシミュレーション結果である図８と、では、電気機械結合係数ｋ２およびスプリアス強度の観点から好ましいオイラー角γの範囲はほぼ同じであった。したがって、実施例１においても、圧電層１４の結晶方位のオイラー角が（９０°、１０５°、γ）の場合の好ましいオイラー角γの好ましい範囲は、（０°、１０５°、γ）の場合のシミュレーション結果である図５の場合とほぼ同じと考えられる。
以上のように、実施例１および実施例２によれば、圧電層１４にオイラー角が（０°±５°、１０５°±５°、１１°～２８°）、または、（９０°±５°、１０５°±５°、１１°～２８°）の単結晶ニオブ酸リチウム層を用いている。これにより、電気機械結合係数ｋ２を向上させることができる。
実施例１の図５のように、共振領域５０において基板１０と下部電極１２との間に音響反射膜３１が設けられたＳＭＲ（Solidly Mounted Resonator）タイプの圧電薄膜共振器の場合、電気機械結合係数ｋ２を向上させる点から、圧電層１４に用いる単結晶ニオブ酸リチウム層のオイラー角は、（０°±５°、１０５°±５°、１１°～２３°）の場合が好ましく、（０°±５°、１０５°±５°、１２°～２２°）の場合がより好ましく、（０°±５°、１０５°±５°、１３°～２２°）の場合が更に好ましく、（０°±５°、１０５°±５°、１４°～２２°）の場合がより更に好ましい。また、上述したように、オイラー角が（９０°、１０５°、γ）の場合の好ましいオイラー角γの範囲は、（０°、１０５°、γ）の場合とほぼ同じと考えられる。したがって、電気機械結合係数ｋ２を向上させる点から、圧電層１４に用いる単結晶ニオブ酸リチウム層のオイラー角は、（９０°±５°、１０５°±５°、１１°～２３°）の場合が好ましく、（９０°±５°、１０５°±５°、１２°～２２°）の場合がより好ましく、（９０°±５°、１０５°±５°、１３°～２２°）の場合が更に好ましく、（９０°±５°、１０５°±５°、１４°～２２°）の場合がより更に好ましい。
また、実施例１の図５のように、ＳＭＲタイプの圧電薄膜共振器の場合、電気機械結合係数ｋ２を向上させつつ、スプリアス強度が大きくなることを抑制する点から、圧電層１４に用いる単結晶ニオブ酸リチウム層のオイラー角は、（０°±５°、１０５°±５°、１１°～１７°）の場合が好ましく、（０°±５°、１０５°±５°、１２°～１６°）の場合がより好ましく、（０°±５°、１０５°±５°、１３°～１５°）の場合が更に好まく、（０°±５°、１０５°±５°、１４°～１５°）の場合がより更に好ましい。また、上述したように、オイラー角が（９０°、１０５°、γ）の場合の好ましいオイラー角γの範囲は、（０°、１０５°、γ）の場合とほぼ同じと考えられる。したがって、スプリアス強度が大きくなることを抑制する点から、圧電層１４に用いる単結晶ニオブ酸リチウム層のオイラー角は、（９０°±５°、１０５°±５°、１１°～１７°）の場合が好ましく、（９０°±５°、１０５°±５°、１２°～１６°）の場合がより好ましく、（９０°±５°、１０５°±５°、１３°～１５°）の場合が更に好ましく、（９０°±５°、１０５°±５°、１４°～１５°）の場合がより更に好ましい。
実施例２の図７のように、共振領域５０において基板１０と下部電極１２との間に空隙３０が設けられたＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）タイプの圧電薄膜共振器の場合、電気機械結合係数ｋ２を向上させる点から、圧電層１４に用いる単結晶ニオブ酸リチウム層のオイラー角は、（９０°±５°、１０５°±５°、１１°～２１°）の場合が好ましく、（９０°±５°、１０５°±５°、１２°～２１°）の場合がより好ましく、（９０°±５°、１０５°±５°、１３°～２１°）の場合が更に好まく、（９０°±５°、１０５°±５°、１４°～２１°）の場合がより更に好ましい。また、実施例２の図８のように、（０°±５°、１０５°±５°、１１°～２１°）の場合が好ましく、（０°±５°、１０５°±５°、１２°～２１°）の場合がより好ましく、（０°±５°、１０５°±５°、１３°～２１°）の場合が更に好まく、（０°±５°、１０５°±５°、１４°～２１°）の場合がより更に好ましい。
また、実施例２の図７のように、ＦＢＡＲタイプの圧電薄膜共振器の場合、電気機械結合係数ｋ２を向上させつつ、スプリアス強度が大きくなることを抑制する点から、圧電層１４に用いる単結晶ニオブ酸リチウム層のオイラー角は、（９０°±５°、１０５°±５°、１１°～１６°）の場合が好ましく、（９０°±５°、１０５°±５°、１２°～１５°）の場合がより好ましく、（９０°±５°、１０５°±５°、１３°～１５°）の場合が更に好ましく、（９０°±５°、１０５°±５°、１４°～１５°）の場合がより更に好ましい。また、実施例２の図８のように、（０°±５°、１０５°±５°、１１°～１６°）の場合が好ましく、（０°±５°、１０５°±５°、１２°～１５°）の場合がより好ましく、（０°±５°、１０５°±５°、１３°～１５°）の場合が更に好まく、（０°±５°、１０５°±５°、１４°～１５°）の場合がより更に好ましい。
図９は、実施例３に係るフィルタ３００の回路図である。図９に示すように、フィルタ３００は、入力端子Ｔｉｎと出力端子Ｔｏｕｔとの間に、１また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または複数の並列共振器Ｐ１、Ｐ２が並列に接続されている。並列共振器Ｐ１、Ｐ２は、入力端子Ｔｉｎと出力端子Ｔｏｕｔとの間の経路とグランド端子との間に接続されている。１または複数の直列共振器Ｓ１からＳ３、および、１または複数の並列共振器Ｐ１、Ｐ２の少なくとも１つの共振器に実施例１または実施例２に係る弾性波デバイス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は適宜設定できる。
図１０は、実施例４に係るデュプレクサ４００のブロック図である。図１０に示すように、デュプレクサ４００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端子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および受信フィルタ７２の少なくとも一方を、実施例３のフィルタとすることができる。マルチプレクサとしてデュプレクサを例に説明したが、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 基板
１２ 下部電極
１４ 圧電層
１６ 上部電極
２８ 付加膜
３０ 空隙
３１ 音響反射膜
３１ａ 音響インピーダンスの高い膜
３１ｂ 音響インピーダンスの低い膜
４０ スプリアス
５０ 共振領域
５２ エッジ領域
５４ 中央領域
６０ 厚みすべり振動の方向
７０ 送信フィルタ
７２ 受信フィルタ
１００、２００ 弾性波デバイス
３００ フィルタ
４００ デュプレクサ
Ｓ１～Ｓ３ 直列共振器
Ｐ１、Ｐ２ 並列共振器
１２ 下部電極
１４ 圧電層
１６ 上部電極
２８ 付加膜
３０ 空隙
３１ 音響反射膜
３１ａ 音響インピーダンスの高い膜
３１ｂ 音響インピーダンスの低い膜
４０ スプリアス
５０ 共振領域
５２ エッジ領域
５４ 中央領域
６０ 厚みすべり振動の方向
７０ 送信フィルタ
７２ 受信フィルタ
１００、２００ 弾性波デバイス
３００ フィルタ
４００ デュプレクサ
Ｓ１～Ｓ３ 直列共振器
Ｐ１、Ｐ２ 並列共振器
Claims (8)
- 基板と、
前記基板上に設けられた下部電極と、
前記下部電極上に設けられ、単結晶ニオブ酸リチウム層であり、右手系のＸＹＺ座標系において上面の面方向で互いに直交する方向をＸ方向およびＹ方向、上面の法線方向をＺ方向としたときのオイラー角が（０°±５°、１０５°±５°、１１°～２８°）、または、（９０°±５°、１０５°±５°、１１°～２８°）である圧電層と、
前記圧電層を挟んで前記下部電極と対向する共振領域を形成するように前記圧電層上に設けられた上部電極と、を備える弾性波デバイス。 - 前記共振領域において前記基板と前記下部電極との間に設けられた音響反射膜を備え、
前記圧電層のオイラー角は（０°±５°、１０５°±５°、１１°～２３°）、または、（９０°±５°、１０５°±５°、１１°～２３°）である、請求項１に記載の弾性波デバイス。 - 前記圧電層のオイラー角は（０°±５°、１０５°±５°、１１°～１７°）、または、（９０°±５°、１０５°±５°、１１°～１７°）である、請求項２に記載の弾性波デバイス。
- 前記共振領域において前記下部電極は前記基板との間に空隙を挟んで前記基板上に設けられ、
前記圧電層のオイラー角は（０°±５°、１０５°±５°、１１°～２１°）、または、（９０°±５°、１０５°±５°、１１°～２１°）である、請求項１に記載の弾性波デバイス。 - 前記圧電層のオイラー角は（０°±５°、１０５°±５°、１１°～１６°）、または、（９０°±５°、１０５°±５°、１１°～１６°）である、請求項４に記載の弾性波デバイス。
- 前記下部電極および前記上部電極はアルミニウムを含む膜である、請求項１から５のいずれか一項に記載の弾性波デバイス。
- 請求項１から６のいずれか一項に記載の弾性波デバイスを含むフィルタ。
- 請求項７に記載のフィルタを含むマルチプレクサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2022043134A JP2023137104A (ja) | 2022-03-17 | 2022-03-17 | 弾性波デバイス、フィルタ、およびマルチプレクサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2022043134A JP2023137104A (ja) | 2022-03-17 | 2022-03-17 | 弾性波デバイス、フィルタ、およびマルチプレクサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2023137104A true JP2023137104A (ja) | 2023-09-29 |
Family
ID=88145867
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2022043134A Pending JP2023137104A (ja) | 2022-03-17 | 2022-03-17 | 弾性波デバイス、フィルタ、およびマルチプレクサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2023137104A (ja) |
-
2022
- 2022-03-17 JP JP2022043134A patent/JP2023137104A/ja active Pending
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