JP3890740B2 - 弾性表面波導波路構造及びそれを用いたデバイス - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は弾性表面波(以下、SAWと称す)変換器および反射器などの弾性表面波導波路構造に関し、特にIDT電極、グレーティング反射器と並行して両側に電極指幅の異なるグレーティングを配した弾性表面波導波路構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、高性能、小型、高生産性等の優れた特徴を有するSAWフィルタが多くの通信分野で用いられ、ことに携帯電話等の普及の一翼を担っている。
図6は従来のSAWデバイスの弾性表面波導波路として用いられるIDT電極20とグレーティング電極21との構成を示す平面図である。IDT電極20は、周知のように圧電基板上に表面波の伝搬方向に沿って幅LTの電極指を間隙STおいてピッチP1( P1 = LT + ST )にて配列し、交互に正負のバスバー22a、22bと電気的に接続する構造である。即ちIDT電極指20の電極指周期LはピッチP1の2倍L=2 P1となる。
一方、グレーティング電極21は、IDT電極20と同様に幅LRの電極指を間隙SRおいてピッチP2( P2= LR + SR )にて配列し、一般的にはその両端をバスバー22c、22dと電気的に接続する構造である。ただ、表面波を反射するという機能があれば十分であるため、バスバーを省略した電極指の配列のみで用いる場合もある。
【0003】
図6に示したIDT電極20及びグレーティング電極21を伝搬する表面波を導波という観点から考察する。IDT電極20により励起された表面波は、励起された位置では電極指列と垂直方向に位相速度を持つ平面波に近いが、伝搬するにしたがい回折して広がり、平面波の波面はしだいに乱れてくる。ここで、IDT電極20の電極指はグレーティング電極21の電極指と同様に電界短絡、質量負荷効果による反射及び速度変化の作用を有するので、グレーティング効果を記述するときは、IDT電極20、グレーティング電極21共にグレーティングと云うことにする。
図6に示すIDT電極20、グレーティング電極21の構成がある長さ以上連続するか、あるいはグレーティング電極21と同様なグレーティング電極(図示していない)をIDT電極20を中心として対称に配置することにより、励起された表面波がグレーティング電極間を何度も往復するような状態であれば、IDT電極20とグレーティング電極21とは導波路として機能し、導波モードが形成される場合がある。
【0004】
この原因は、図6に示すグレーティング領域Aとバスバー22a、b、c及び22dの領域Bとにおける表面波の位相速度の違いにより、A、B両者の境界で表面波が全反射を起こすためであると考えることが出来る。このとき、領域Aで示す導波路と直角方向の最低次対称モードの変位分布は、概略、図6中の破線αで示されたようになり導波路内部に表面波の振動エネルギーが閉じ込められることになる。
【0005】
上記のような、導波状態、即ち表面波の振動エネルギーが閉じ込められる状態を形成するためには、いくつかの条件を充たする必要がある。橋本らが「有限厚金属グレーティングを斜め伝搬する弾性表面波の高速解析法」、電子情報通信学会技報、US95-47(1955-09)に示しているように、導波状態を形成するためには、IDT電極20の電極指の垂直方向(主伝搬方向)と表面波の伝搬方向とのなす角度が小さい範囲で、表面波の逆速度面(逆速度とは表面波の位相速度の逆数即ちSlownessを云う)が図7(a)に示すように進行方向に凸である場合には、図6に示す内側のグレーティング領域Aにおける表面波の速度を外側の領域Bのそれよりも遅く、また、図7(b)に示すように逆速度面が進行方向に凹である場合には、領域Bの速度の方を領域Aのそれよりも遅くしなければならないことが示されている。
【0006】
例えば、上記の条件が満たされない場合には、励振された表面波が回折のため領域Bの外側へ放射され、その変位分布は図6に示す実線βのようになり、表面波のエネルギーを領域Aに閉じ込めることはできず、導波モードは形成されない。この放射による損失は、導波路が長いほど大きく、共振子であればQ値の低下、フィルタであれば挿入損失の増加をもたらすことになる。
【0007】
図6の領域A、Bにおける伝搬速度の違いについてさらに詳しく述べる。前述したように橋本らは文献中で、逆速度面が進行方向に凸である場合、導波状態を形成するためには、外側領域Bの表面波の速度を領域Aのそれより速くすればよいと述べている。例えば、バスバーの領域BがIDT電極20、グレーティング電極21の電極指と同じ膜厚のメタライズ膜にて構成した場合、バスバーの領域Bはグレーティング領域Aよりも電極面積密度が大きくなるため、短絡効果および質量負荷効果が大きく、領域Bにおける伝搬速度が領域Aのそれより遅くなるはずである。
ところが、電極パターンの膜厚がある厚さ以上となると、領域Bがグレーティングと同じメタライズ面であっても、グレーティング領域Aの電極指端部における電気的及び機械的なエネルギー蓄積効果により領域Aにおける表面波の伝搬速度が領域Bのそれより遅くなるため、図6の電極構成であっても表面波が導波されることが知られている。実際に、ST-cut水晶基板(逆速度面が凸)にアルミニウム(Al)電極を用いた場合では、0.3〜0.4%L(L=2P1)という非常に薄い膜厚以上で、グレーティング領域Aにおける伝搬速度の方が領域Bのそれより遅くなることが分かっている。ここで、LはIDT電極20の周期であり、デバイスの中心周波数における表面波の波長とほぼ等しい。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
逆に、表面波の逆速度面が凹となる基板材料を用いる場合、導波状態を形成するためには領域Bの速度をグレーティング領域Aよりも遅くしなければならない。 例えば、上記の橋本の文献中にも示されているように、主伝搬方向の逆速度面が凹となる代表的な圧電基板には36゜YカットX伝搬LiTaO3(または42゜Yカット)があり、この基板は、携帯電話等のRFフィルタ用として数多く用いられている。これまでは比較的膜厚の薄い電極を用いてデバイスを構成していたが、インピーダンスを低く抑えロスを低減するために、電極膜厚h/Lが10%にも及ぶような厚い膜厚の共振器型表面波RFフィルタが必要になり、実用化されつつある。
しかしながら、前述したように電極膜厚を厚くするとA<Bとなり、凹の場合、導波状態を形成することができなくなってしまう。そのためフィルタの挿入損失が増大して所望の特性が得られないという不具合が生じる。このフィルタは無線機のフロントエンドに用いられるため挿入損失への要求は厳しく、挿入損失が大きいと無線機の感度を劣化させるという問題があった。
本発明は上記問題を解決するためになされたものであって、主伝搬方向の逆速度面が凹であるような基板において、従来のIDT電極構造では導波が出来ない膜厚でも導波を可能とし、回折による損失の増加を低減する弾性表面波導波路構造を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明に係る弾性表面波導波路構造及びそれを用いたデバイスの請求項1記載の発明は、36°YカットX伝搬LiTaO3、又は42°YカットX伝搬LiTaO3において、IDT電極の開口の両外側に、開口部の電極指よりも幅広の電極指を有するグレーティング電極を配置し、且つ、IDT電極の電極指ピッチLで基準化した電極膜厚H/Lを4.5%より大きく設定することを特徴とする弾性表面波導波路構造及びそれを用いたデバイスである。請求項2記載の発明は、請求項1に記載の弾性表面波導波路のIDT電極の両側にグレーティング反射器を配置し、該グレーティング反射器の上下方向に、グレーティング反射器よりも幅広の電極指を有するグレーティング電極を配置したことを特徴とする弾性表面波導波路構造及びそれを用いたデバイスである。請求項3記載の発明は、請求項1又は請求項2記載の弾性表面波導波路を用いて構成した共振子やフィルタなどの弾性表面波デバイスである。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下本発明を図面に示した実施の形態に基づいて詳細に説明する。
本発明の理解を容易にするためグレーティング効果について少し説明する。 図2は実験値を基に計算した36゜Y−X伝搬LiTaO3基板上のリーキータイプ表面波を用いて、ライン占有率η(η=LT/( LT +ST))の値をη=0.5とした場合の自由表面速度Vfに対する表面波の位相速度Vの比V/Vfと、電極膜厚h/Lとの関係を示す図である。グレーティング上の速度は、橋本らも示しているようにブラッグ周波数(各電極指からの反射波が同位相となる周波数)付近で分散を示すため、グレーティングが形成するストップバンド中央における速度Vg(平均的な速度)を破線Vgで示し、ストップバンド下端における速度VgL(最低速度)を点線VgLで代表的に示してある。実線Vmは領域Bのメタライズ面における速度であり、周波数依存性はない。尚、同図においては、これらいずれの速度も自由表面速度Vfにより正規化した値となっている。
【0011】
図2からも明らかのように膜厚h/L=0(膜厚は0であるが電気的には短絡)では、強い電気的短絡効果のためグレーティング電極上の速度より領域Bのメタライズ面の速度の方が遅くなる。しかし、膜厚h/Lが図中矢印で示す約4.5%を超えると、グレーティングの電極指のエネルギー蓄積効果が大きくなり、励起される周波数がストップバンド下端付近ではグレーティング領域Aの速度の方が遅くなる。その結果として、グレーティング領域Aでは導波できずに表面波のエネルギーが領域Bの外側に放射され損失が生ずることになる。
一般に、ストップバンド下端付近の共振を用いて表面波共振子や共振器型表面波フィルタを構成するため、このグレーティング領域Aでの回折損失は、表面波共振子のQ値の低下や前記フィルタの挿入損失の増加をもたらす。
【0012】
グレーティングからの反射によりストップバンドが形成され、速度分散が起こることは前述した通りである。図3はこの速度分散の周波数依存性を36゜Y−XLiTaO3基板上に付着したアルミニウム合金電極の膜厚h/Lが7%の場合について示したものである。縦軸は自由表面波速度Vfに対する表面波の速度Vの比V/Vf 、横軸は自由表面波速度VfをIDT電極の周期で除した周波数f0に対する表面波の周波数fの比f/f0として、各々のライン占有率に対する速度変化を図示している。この図に示した横軸に並行な直線γはメタライズ面を伝搬する表面波の速度Vmに相当する。ライン占有率ηが0.5の場合を見ると、前述したように図中矢印δで示すストップバンド下端付近の周波数では、表面波の速度が直線γで示すメタライズ面における速度Vmより遅くなることを示している。
【0013】
メタライズ面即ち、バスバーの領域の電極膜厚のみ厚くすることにより、領域Bの速度をさらに低下させることが出来るものの、成膜およびフォトリソグラフィーの工程が2度必要になり、製造コストを増加させるので好ましくない。
本発明は1回のフォトリソグラフィ工程にて製造可能な弾性表面波電極構造を提供するものである。
【0014】
図1は本発明に係る導波路構造を示す平面図であり、圧電基板(図示しない)の主面上に表面波の伝搬方向に沿ってIDT電極2とグレーティング電極3を配置すると共にIDT電極2の開口部の両側にグレーティング電極4a、4bをIDT電極2、グレーティング電極3と近接して並置する。IDT電極2は互いに間挿し合う複数本の電極指を有する一対のくし形電極により構成され、グレーティング電極3はほぼピッチで電極指が配置されたものである。
【0015】
IDT電極2、グレーティング電極3及びグレーティング電極4a、4bのそれぞれの隣接する電極指中央の間隔即ち電極指ピッチはほぼ等しくする。IDT電極2、グレーティング電極3それぞれの電極指幅LT、LRはほぼ等しくするが、グレーティング電極4a、4bの電極指幅LGは電極指幅LT、LRより幅広に形成する。IDT電極2、グレーティング3とグレーティング4a、4bのそれぞれの共通バスバー5a、5bをグレーティング領域Aと領域Bの境界に設ける。このような構成とすることによりIDT電極2とグレーティング電極3とからなるグレーティング領域Aとグレーティング電極4a、4bからなる領域Bのそれぞれの表面波の伝搬速度を異ならせることが可能となる。これにより表面波の逆速度面が凹となる圧電基板の場合であっても図中左端に示した変位分布曲線αに示すように導波が可能となる。
【0016】
図3にライン占有率η=0.6と0.5の場合の速度分散を示したが、ライン占有率η=0.6速度はどの周波数においても占有率η=0.5の速度より遅い。即ち、図1に示す領域Bのライン占有率をグレーティング領域Aのそれより大きくすれば、領域Bの表面波の伝搬速度を領域Aのそれより遅くすることができて、リーキータイプ表面波の導波が可能であることを示している。
【0017】
図4は本発明に係る弾性表面波導波路構造の他の実施例で、圧電基板上にIDT電極6とグレーティング電極7を配置し、IDT電極6の開口部の両側にグレーティング8a、9bを並置する。IDT電極6の電極指より図中上下方向に交互に電極指を延在し、またグレーティング電極7より上下方向に電極指を延在して、グレーティング8a、9bの電極指と接続し、それぞれの両端にバスバー9a、9bを形成した例である。この場合もIDT電極6、グレーティング7の電極指の幅はほぼ同じくするが、グレーティング電極9a、9bの電極指幅はIDT電極6の電極指幅より幅広に形成する。
【0018】
図5は本発明に係る他の実施例でIDT電極10、グレーティング電極11の開口部の両側に並置したグレーティング電極12a、12bより構成される。IDT電極10、グレーティング電極11とグレーティング電極12a、12bとの間にそれぞれバスバー13b、13cを形成すると共にグレーティング電極12a、12bの両端にもバスバー13a、13dを形成した例である。グレーティング電極12a、12bの電極指幅をIDT電極10、グレーティング電極11の電極指はより幅広に形成することにより、領域Bの伝搬速度を領域Aのそれより遅くすることができる。更に、バスバーを多用して電極指のオーミックロスを減少させることが可能である。
電極指の抵抗による影響、例えばQ値の劣化等を避けるためには場合には、図1よりも図5を用いる方が望ましく、グレーティング領域Aと領域Bとの間にメタライズ領域を少しでも配置したくない場合には図4の構造を用いれば良い。
【0019】
図1、4、5に示した弾性表面波導波路構造を応用した例としは、SAW共振器、SAWフィルタ等がある。SAW共振子を構成する場合は図1、4、5に示したIDT部とグレーティング部を用いて、表面波の伝搬方向に沿ってグレーティング部、IDT部、グレーティング部の順に近接して配置すればよい。
また、SAWフィルタを構成する場合は、図1、4、5に示したグレーティング部を表面波の伝搬方向に沿って2つ配置し、その間に複数のIDT部あるいは2つのIDT部と1つ以上のグレーティング部とを近接配置すればよい。このような配置により縦結合型多重モードSAWフィルタを構成することができる。
なお、IDT電極部のピッチとグレーティング部のピッチとはそれによって構成されるSAWデバイスのQ値が最大になるように適宜設定すればよいことは云うまでもない。
【0020】
【発明の効果】
本発明は以上説明したように構成したので、主伝搬方向の逆速度面が凹面となるような弾性表面波基板において膜厚を厚くした場合にも、全ての周波数範囲において導波が可能となり、低損失なフィルタを実現する上で著しい効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る弾性表面波導波路構造のIDT電極部、グレーティング電極部の構成を示す電極パターン図である。
【図2】 36°Y−X伝搬LiTaO3基板上のメタライズ部の速度Vm、グレーティング電極を付着した場合のストップバンド中央における速度Vgとストップバンド下端における速度VgLと膜厚h/Lとの関係を示す図である。
【図3】電極指占有率ηを変えた場合のストップバンド部の自由表面速度に対する表面波の速度比の周波数依存性を示す図である。
【図4】 本発明に係る他の弾性表面波導波路構造のIDT電極部、グレーティング電極部の構成を示す電極パターン図である。
【図5】本発明に係る他の弾性表面波導波路構造のIDT電極部、グレーティング電極部の構成を示す電極パターン図である。
【図6】従来の弾性表面波導波路構造のIDT電極部、グレーティング電極部の構成を示す電極パターン図である。
【図7】表面波のX軸方向の逆速度面SXが(a)は凸である場合、(b)は凹である場合の説明図である。
【符号の説明】
2、6、10・・IDT電極
3、7、11・・グレーティング電極
4a、4b、8a、8b,12a、12b・・グレーティング電極
5a、5b、9a、9b、13a、13b、13c、13d・・バスバー
A、B・・領域
α・・最低次の対称モードの変位分布
V・・表面波の速度
Vf・・自由表面波速度
Vg・・ストップバンド中央における速度(平均速度)
Vm・・メタライズ面の速度
VgL・・ストップバンド下端における速度
h/L・・膜厚
η・・ライン占有率
f・・表面波の周波数
f0・・自由表面波速度VfをIDT電極の周期で除した周波数
γ・・メタライズ面の速度Vmを示す
δ・・ストップバンド下端近傍
Claims (3)
- 36°YカットX伝搬LiTaO3、又は42°YカットX伝搬LiTaO3において、IDT電極の開口の両外側に、開口部の電極指よりも幅広の電極指を有するグレーティング電極を配置し、且つ、IDT電極の電極指ピッチLで基準化した電極膜厚H/Lを4.5%より大きく設定することを特徴とする弾性表面波導波路構造及びそれを用いたデバイス。
- 請求項1に記載のIDT電極の弾性表面波の伝搬方向の両側にグレーティング反射器を配置し、該グレーティング反射器の上下方向に、グレーティング反射器の電極指よりも幅広の電極指を有するグレーティング電極を配置したことを特徴とする弾性表面波導波路構造及びそれを用いたデバイス。
- 請求項1又は請求項2記載の弾性表面波導波路を用いて構成した共振子やフィルタなどの弾性表面波導波路構造及びそれを用いたデバイス。
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