JP5700132B2 - 弾性波装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧電体を伝搬する弾性波を利用した弾性波装置に関し、より詳細には、圧電体を伝搬する弾性波の主伝搬モードの振動分布が存在する媒質層を支持基板と圧電体との間に配置してなる弾性波装置に関する。

従来、共振子や帯域フィルタとして、弾性波装置が広く用いられている。近年、弾性波装置では、高周波化が強く求められている。

下記の特許文献１には、上記のような要求に応える弾性表面波装置が開示されている。特許文献１では、誘電体基板上に硬質の誘電体層が形成されている。硬質誘電体層上に圧電体薄膜が積層されている。また、圧電体薄膜上に、漏洩弾性表面波を励振させるための電極が設けられている。ここでは、漏洩弾性表面波の波長をλとし、圧電体薄膜の厚さをＴｐとしたとき、規格化膜厚ｋｈｐ＝２πＴｐ／λが約０．５〜１．５の範囲とされている。それによって、弾性表面波装置の高周波化を果し得るとされている。

特開２００４−２８２２３２号公報

特許文献１に記載の弾性表面波装置では、誘電体基板と圧電体薄膜との間に硬質誘電体層が配置されており、それによって高音速化が図られている。しかしながら、そのような構成では、利用しようとする漏洩弾性表面波だけでなく、弾性表面波の高次モードが、圧電体薄膜表面と、圧電体薄膜と硬質誘電体層との境界とで反射しながら伝搬することとなる。そのため、高次モードによるスプリアスが現れ、特性が劣化するという問題があった。

また、従来の弾性表面波装置では、製造ばらつきにより圧電体薄膜の厚みがばらつくと、弾性表面波装置の特性がばらつくという問題があった。

本発明の目的は、高周波化を図ることができ、周波数ばらつきが小さく、しかも高次モードによるスプリアスを抑制することができ、良好な共振特性やフィルタ特性を得ることを可能とする弾性波装置を提供することにある。

本発明に係る弾性波装置は、支持基板と、支持基板上に積層された媒質層と、媒質層上に積層されており、バルク波が伝搬する圧電体と、圧電体の一方面に形成されているＩＤＴ電極とを備える。本発明では、媒質層が前記圧電体を伝搬する弾性波の音速よりも、前記弾性波の主成分であるバルク波と同じバルク波の伝搬速度が低速である低速媒質と、前記圧電体を伝搬する前記弾性波の音速よりも、前記弾性波の主成分であるバルク波と同じバルク波の伝搬速度が高速である高速媒質とを含んでおり、前記高速媒質で該媒質層を形成した場合の主振動モードの音速をＶ_Ｈ、前記低速媒質で該媒質層を形成した場合の主振動モードの音速をＶ_Ｌ、としたとき、前記媒質層が形成された弾性波装置における主振動モードの音速が、Ｖ_Ｌ＜主振動モードの音速＜Ｖ_Ｈ、となるように、前記媒質層が形成されている。

本発明に係る弾性波装置のある特定の局面では、前記媒質層が、低速媒質と高速媒質とを混合してなる複合媒質からなる。この場合には、高速媒質と低速媒質の混合比に応じて、高速媒質と低速媒質を伝搬するバルク波音速の間のバルク波音速をもつ中速媒質を容易に形成することができる。しかも、上記混合比を調整することにより、媒質層を伝搬するバルク波を高精度に制御することができる。

本発明に係る弾性波装置の他の特定の局面では、前記媒質層が、前記低速媒質からなる低速媒質層と、前記高速媒質からなる高速媒質層とを有する積層体からなる。その場合には、低速媒質層の厚み及び高速媒質層の厚みを制御することにより、媒質層を伝搬するバルク波音速を容易に制御することができる。また、低速媒質層と高速媒質層とを積層するだけで、媒質層を容易に形成することができる。好ましくは、前記積層体は３層以上の積層された層からなる。

本発明に係る弾性波装置の他の特定の局面では、前記媒質層を伝搬し、かつ前記圧電体を伝搬する弾性波の主伝搬モードのバルク波と同じバルク波成分の音速が、前記高速媒質を伝搬する前記バルク波の音速と、前記低速媒質を伝搬するバルク波の音速との間の値である。この場合には、高次モードスプリアスをより効果的に抑制することができ、かつ製造ばらつきを抑制することができる。

本発明に係る弾性波装置では、好ましくは、媒質層の誘電率は、圧電体の誘電率よりも低くされている。この場合には、電気機械結合係数ｋ^２を大きくすることができる。

本発明に係る弾性波装置のさらに別の特定の局面では、前記積層体からなる媒質層において、前記低速媒質層が前記高速媒質層よりも前記圧電体側に配置されている。この場合には、弾性波のエネルギーの集中性を高めることができる。従って、共振特性を改善することができる。

本発明に係る弾性波装置では、媒質層が上記低速媒質と高速媒質とを含むため、圧電体の厚みによる主伝搬モードの周波数ばらつきを抑制することができる。また、高次モードによるスプリアスを効果的に抑制することができる。従って、高周波化を図りつつ、良好な共振特性やフィルタ特性を得ることができる。

図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る弾性波装置の略図的正面断面図であり、図１（ｂ）は、その電極構造を示す模式的平面図である。 図２は、ＳｉＯＮからなる複合媒質におけるＮ／（Ｏ＋Ｎ）（％）と、縦波及び横波の音速との関係を示す図である。 図３は、４２°ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ_３にＳｉＯＮからなる媒質層を積層した構造を有する弾性波装置におけるＯ／（Ｎ＋Ｏ）（％）と、Ｕ２−１、Ｕ１−１及びＵ２−２モードの音速との関係を示す図である。 図４は、４２°ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ_３にＳｉＯＮからなる媒質層を積層した構造を有する弾性波装置におけるＯ／（Ｎ＋Ｏ）（％）と、Ｕ２−１、Ｕ１−１及びＵ２−２モードの電気機械結合係数ｋ^２との関係を示す図である。 図５は、４２°ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ_３にＳｉＯＮからなる媒質層を積層した構造を有する弾性波装置におけるＯ／（Ｎ＋Ｏ）（％）と、Ｕ２−１、Ｕ１−１及びＵ２−２モードの伝搬損失αとの関係を示す図である。 図６（ａ）は、ＳｉＯＮからなる媒質層を有しない比較例の弾性波装置のインピーダンス特性を示し、図６（ｂ）は、ＳｉＯＮにおけるＯ／（Ｎ＋Ｏ）が１００％の場合のインピーダンス特性を示す図である。 図７（ａ）及び図７（ｂ）は、ＳｉＯＮからなる媒質層におけるＯ／（Ｎ＋Ｏ）の割合が８０重量％及び６０重量％である場合のインピーダンス特性を示す各図である。 図８（ａ）及び図８（ｂ）は、ＳｉＯＮからなる媒質層におけるＯ／（Ｎ＋Ｏ）の割合が４０重量％及び２０重量％である場合のインピーダンス特性を示す各図である。 図９は、ＳｉＯＮからなる媒質層におけるＯ／（Ｎ＋Ｏ）が０％すなわちＳｉＮである場合のインピーダンス特性を示す図である。 図１０は、４２°ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ_３における基本モードのＵ１モード、Ｕ２モード及びＵ３モードのエネルギー分布を示す図である。 図１１は、媒質層ＳｉＯＮにおいて、Ｏ／（Ｎ＋Ｏ）が０％である場合の基本モードのＵ１モード、Ｕ２モード及びＵ３モードのエネルギー分布を示す図である。 図１２は、媒質層ＳｉＯＮにおいて、Ｏ／（Ｎ＋Ｏ）が０％である場合のスプリアスである高次モードのＵ１成分、Ｕ２成分及びＵ３成分のエネルギー分布を示す図である。 図１３は、媒質層ＳｉＯＮにおいて、Ｏ／（Ｎ＋Ｏ）が４０％である場合の基本モードのＵ１モード、Ｕ２モード及びＵ３モードのエネルギー分布を示す図である。 図１４は、媒質層ＳｉＯＮにおいて、Ｏ／（Ｎ＋Ｏ）が４０％である場合のスプリアスである高次モードのＵ１成分、Ｕ２成分及びＵ３成分のエネルギー分布を示す図である。 図１５は、媒質層ＳｉＯＮにおいて、Ｏ／（Ｎ＋Ｏ）が８０％である場合の基本モードのＵ１モード、Ｕ２モード及びＵ３モードのエネルギー分布を示す図である。 図１６は、媒質層ＳｉＯＮにおいて、Ｏ／（Ｎ＋Ｏ）が８０％である場合のスプリアスである高次モードのＵ１成分、Ｕ２成分及びＵ３成分のエネルギー分布を示す図である。 図１７は、媒質層ＳｉＯＮにおいて、Ｏ／（Ｎ＋Ｏ）が１００％である場合の基本モードのＵ１モード、Ｕ２モード及びＵ３モードのエネルギー分布を示す図である。 図１８は、媒質層ＳｉＯＮにおいて、Ｏ／（Ｎ＋Ｏ）が１００％である場合のスプリアスである高次モードのＵ１成分、Ｕ２成分及びＵ３成分のエネルギー分布を示す図である。 図１９は、本発明の他の実施形態に係る弾性波装置の模式的正面断面図である。 図２０は、本発明のさらに他の実施形態に係る弾性波装置の模式的正面断面図である。 図２１は、本発明のさらに別の実施形態に係る弾性波装置の模式的正面断面図である。 図２２は、ＳｉＯＮからなる媒質層と、ＳｉＯ_２からなる低速媒質層とを積層した構造における積層数と、積層割合と、音速との関係を示す図である。 図２３は、ＳｉＯＮからなる媒質層と、ＳｉＯ_２からなる低速媒質層とを積層した構造における積層数と、積層割合と、インピーダンスとの関係を示す図である。 図２４は、ＳｉＯＮからなる媒質層と、ＳｉＯ_２からなる低速媒質層とを積層した構造における積層数と、積層割合と、比帯域幅（Ｆａ−Ｆｒ）／Ｆｒとの関係を示す図である。 図２５は、ＳｉＯＮからなる媒質層と、ＳｉＯ_２からなる低速媒質層とを積層した構造における積層数と、積層割合と、インピーダンス最小値Ｚｒとの関係を示す図である。 図２６は、ＳｉＯ_２からなる低速媒質層と、ＳｉＮからなる高速媒質層との積層体を用いた構成における積層体の積層数を変化させた場合のインピーダンス特性の変化を示す図である。 図２７は、ＳｉＯ_２からなる低速媒質層と、ＳｉＮからなる高速媒質層との積層体を用いた構成における積層体の積層数を変化させた場合の位相特性の変化を示す図である。 図２８は、ＳｉＯ_２からなる低速媒質層と、ＳｉＮからなる高速媒質層との積層体を用いた構成における積層体の積層数を変化させた場合のインピーダンス特性の変化を示す図である。 図２９は、ＳｉＯ_２からなる低速媒質層と、ＳｉＮからなる高速媒質層との積層体を用いた構成における積層体の積層数を変化させた場合の位相特性の変化を示す図である。 図３０は、ＳｉＯ_２からなる低速媒質層及びＳｉＮからなる高速媒質層を積層した構造を用いた構成における、ＳｉＯ_２の厚み比と、音速との関係を示す図である。 図３１は、ＳｉＯ_２からなる低速媒質層及びＳｉＮからなる高速媒質層を積層した構造を用いた構成における、ＳｉＯ_２の厚み比と、山谷比（Ｚａ／Ｚｒ）の関係を示す図である。 図３２は、ＳｉＯ_２からなる低速媒質層及びＳｉＮからなる高速媒質層を積層した構造を用いた構成における、ＳｉＯ_２の厚み比と、比帯域幅（Ｆａ−Ｆｒ）／（Ｆｒ）との関係を示す図である。 図３３は、ＳｉＯ_２からなる低速媒質層及びＳｉＮからなる高速媒質層を積層した構造を用いた構成における、ＳｉＯ_２の厚み比と、最小インピーダンスＺｒとの関係を示す図である。 図３４（ａ）及び図３４（ｂ）は、本発明の弾性波装置の変形例を示す模式的正面断面図である。

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。

なお、本発明において、弾性波及び波の各成分の定義は以下の通りとする。

周知のように、弾性波は、弾性体の表面や固体間の界面に沿って伝搬する波である。弾性波には、弾性表面波、弾性境界波及び板波などが存在する。弾性波は、Ｕ１成分、Ｕ２及びＵ３成分の内、少なくとも１つの振動成分が弾性体表面や上記界面を介して結合しつつ伝搬する波である。ここで、Ｕ１は、弾性波の伝搬方向であり、Ｕ２は弾性体表面や界面の面方向かつ弾性波の伝搬方向に垂直な方向であり、Ｕ３は上記弾性体表面や界面に垂直な方向である。Ｕ１成分とは、Ｕ１方向の振動成分であり、Ｐ波成分とも称されている。また、Ｕ２成分は、Ｕ２方向の振動成分であり、ＳＨ波成分とも称されている。Ｕ３成分は、Ｕ３方向の振動成分であり、ＳＶ波成分とも称されている。

異方性の結晶であるＬｉＴａＯ_３やＬｉＮｂＯ_３を伝搬する弾性波では、多くの結晶方位で上記Ｕ１成分〜Ｕ３成分が結合しつつ伝搬する。このうち、ＳＶ波成分とＰ波成分とが振動の主体となる伝搬モードが、弾性表面波ではレイリー波、弾性境界波ではストンリー波、板波の場合にはラム波と称されている。ＳＨ波成分が振動の主体となる弾性波伝搬モードとしては、ＳＨ型弾性表面波、ＳＨ型弾性境界波、ＳＨ型板波と称されている。Ｐ波成分が振動の主体となる弾性波としては、縦波型表面波が知られている。

例えば、ＳＨ型弾性表面波は、ＳＨ波が主振動成分であり、ＳＨ波に、ＳＶ波及びＰ波が結合しつつ、伝搬する。従って、ＳＨ型表面波を例にとると、上記ＳＨ波が主振動成分となる。

酸化ケイ素、窒化ケイ素または窒化アルミニウムのような等方性の弾性体中を伝搬するバルク波についても、伝搬方向に対して垂直な方向の変位を有する横波（Ｓ波）、及び伝搬方向に対して水平な方向の変位を有する縦波（Ｐ波）が存在する。また、単結晶や窒化アルミニウムなどの配向膜などの異方性を有する弾性体中を伝搬するバルク波では、横波は速い横波と遅い横波の２種類として伝搬する。また、これらのバルク波は、材料によって、固有の音速を有する。

本発明において、高速媒質とは、弾性波装置において利用する弾性波の主振動成分であるバルク波と同じバルク波の音速が、利用する弾性波の音速よりも速い弾性体をいうものとする。なお、前記主振動成分がＳＨ波やＳＶ波である場合、同じバルク波とは、ほぼ同方向の変位成分を有する横波を示す。低速媒質とは、弾性波装置で利用する弾性波の主振動成分と同じバルク波の音速が、利用する弾性波の音速よりも遅い弾性体をいうものとする。そして、前記高速媒質で該媒質層を形成した場合の主振動モードの音速をＶ_Ｈ、前記低速媒質で該媒質層を形成した場合の主振動モードの音速をＶ_Ｌ、としたとき、前記媒質層が形成された弾性波装置における主振動モードの音速が、Ｖ_Ｌ＜主振動モードの音速＜Ｖ_Ｈ、となるような主振動モードの音速を、中間音速と定義する。また、以下において、波長は、特に断らない限り、利用する弾性波すなわち主伝搬モードの波長をいうものとする。この波長は、ＩＤＴ電極の電極指周期と等しい。

図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る模式的正面断面図である。

弾性波装置１は、支持基板２を有する。支持基板２上に媒質層３が積層されている。媒質層３上に圧電体４が積層されている。圧電体４上にＩＤＴ電極５を含む電極構造が形成されている。

支持基板２は、媒質層３及び圧電体４を支持し得る適宜の材料により形成することができる。このような材料としては、ガラス、アルミナなどの絶縁性セラミックス、ＬｉＮｂＯ_３などの結晶を用いることができる。なお、ＬｉＮｂＯ_３などの結晶を用いる場合、圧電体として利用するものではないため、低品位であり、かつ安価な結晶を用いることが望ましい。

圧電体４は、ＩＤＴ電極５に交流電界を印加させた際に、弾性波を励振させるために設けられている。このような圧電体４については、特に限定されないが、ＬｉＴａＯ_３、ＬｉＮｂＯ_３、水晶などの圧電体単結晶を好適に用いることができる。本実施形態では、圧電体４は、４２°ＹカットＸ伝搬、オイラー角で（０°，１３２°，０°）のＬｉＴａＯ_３を用いている。

ＩＤＴ電極５は、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｗ、Ｍｏなどの適宜の金属またはこれらの金属を主体とする合金により形成することができる。ＩＤＴ電極５は、複数の金属膜を積層してなる積層金属膜により形成されていてもよい。本実施形態では、ＩＤＴ電極５は、Ａｌからなる。なお、上記電極構造は特に限定されず、例えば、図１（ｂ）に示すように、ＩＤＴ電極５の弾性波伝搬方向両側に反射器６，７を配置した構造を用いることができる。この場合には、本発明に従って弾性表面波共振子を構成することができる。

本実施形態の弾性波装置１の特徴は、上記媒質層３が圧電体４のＩＤＴ電極５が設けられている側とは反対側の面に積層されていることにある。すなわち、媒質層３は、支持基板２と圧電体４との間に積層されている。

媒質層３は、本実施形態では、低速媒質と高速媒質とを混合してなる複合媒質からなる。本実施形態では、媒質層３は、酸化ケイ素と、窒化ケイ素の混合材料からなる。窒化ケイ素が上記高速媒質に相当し、酸化ケイ素が低速媒質に相当する。そして、媒質層３を設けることにより、弾性波装置１では、前述した中間音速の主振動モードが伝搬する。

弾性波装置１では、上記媒質層３が設けられているため、圧電体４の膜厚がばらついていたとしても、弾性波装置１の周波数ばらつきを小さくすることができる。加えて、大きな電気機械結合係数ｋ^２を得ることができる。これを、以下において詳細に説明する。

以下においては、複合媒質層の厚みは、３λとした。また、４２°ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ_３からなる圧電体４の厚みは、０．５λとした。ＡｌからなるＩＤＴ電極５の厚みは、０．０８λとした。このような構成における複合媒質層における酸化ケイ素と窒化ケイ素との混合比と、弾性表面波の音速Ｖｍ、電気機械結合係数ｋ^２、伝搬損失α、パワーフロー角ＰＦＡ、振動変位、インピーダンス特性との関係をそれぞれ求めた。

なお、本実施形態の弾性波装置１では、ＳＨ波を主体とするＳＨ型表面波の基本モードを利用するものである。従って、ＳＨ型表面波の高次モードやレイリー波はスプリアスとなる。

本実施形態で、複合媒質層からなる媒質層３は、前述したように、窒化ケイ素と酸化ケイ素との混合材料からなる。ここで、混合比Ｎ／（Ｏ＋Ｎ）を変化させた場合の音速の変化を図２に示す。混合比Ｎ／（Ｏ＋Ｎ）（％）は、窒化ケイ素と酸化ケイ素の合計に対する窒化ケイ素の割合（重量％）の略記である。

窒化ケイ素におけるＳ波の音速Ｖｓは５９７３ｍ／秒であり、酸化ケイ素におけるＳ波の音速Ｖｓは３７５７ｍ／秒である。また、窒化ケイ素におけるＰ波の音速Ｖｐは１０６４２ｍ／秒であり、酸化ケイ素におけるＰ波の音速Ｖｐは５９６０ｍ／秒である。

図２から明らかなように、混合比Ｎ／（Ｏ＋Ｎ）を変化させることにより、音速Ｖｐ及びＶｓを変化させ得ることがわかる。すなわち、酸化ケイ素と窒化ケイ素の混合物である酸窒化ケイ素ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ（ｘ，ｙは整数）の音速は、酸化ケイ素の音速と、窒化ケイ素の音速の中間の値となる。そして、混合比Ｎ／（Ｏ＋Ｎ）を調整することにより、縦波であるＰ波及び横波であるＳ波の音速を調整し得ることがわかる。特に、図２に示すように、上記混合比を高めることにより、Ｐ波の音速Ｖｐ及びＳ波の音速Ｖｓを高め得ることがわかる。

また、上記酸窒化ケイ素ＳｉＯ_ｘＮ_ｙにおける組成と、弾性定数Ｃ_１１及びＣ_１２、密度ρ及び誘電率ε１１との関係を下記の表１に示す。

なお、酸窒化ケイ素ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ膜におけるｘ及びｙは、酸化ケイ素ＳｉＯ_２と、窒化ケイ素Ｓｉ_３Ｎ_４を基準に計算により求めることができる。表１において、Ｎが０％の場合には、酸化ケイ素ＳｉＯ_２となる。また、Ｏ（％）は、酸化ケイ素ＳｉＯ_２の混合割合を示すこととなる。

上記複合媒質層からなる媒質層３を用いて、前述した条件を前提として、下記の計算方法により、弾性波装置１における表面波の音速Ｖｍ、電気機械結合係数ｋ^２、伝搬損失αを求めた。

ここでは、文献（A method for estimating optimal cuts and
propagation directions for excitation and propagation directions for excitation
of piezoelectric surface waves」（J.J.Campbell and
W.R.Jones,IEEE Trans.Sonics and Ultrason.,Vol.SU-15(1968) pp.209-217）に開示されている方法に準じた。開放境界の場合には、ＩＤＴ電極５と圧電体４との境界における変位点、電位点、電束密度の法線成分は生じないこととした。上下方向の応力は連続であり、媒質層３と支持基板２との界面での弾性波の反射は生じないこととした。ＩＤＴ電極５としてのＡｌの比誘電率は１として、音速及び伝搬損失を求めた。短絡境界の場合には、ＩＤＴ電極５と圧電体４との境界における電位は０として求めた。

電気機械結合係数ｋ^２は、下記の式（１）により求めた。なお、式（１）におけるＶｆは開放境界における音速である。Ｖｍはメタライズされた場合、すなわちＩＤＴ電極５を有する弾性波装置１における音速とした。

ｋ^２＝２ｘ｜Ｖｆ−Ｖｍ｜／Ｖｆ …（１）
図３は、このようにして求めた混合比Ｏ／（Ｎ＋Ｏ）と弾性波装置１における各振動成分の音速との関係を示す図である。また、図４は、上記混合比と電気機械結合係数ｋ^２との関係を示し、図５は、上記混合比と伝搬損失αとの関係を示す図である。図３〜図５において、Ｕ１−１は、Ｐ波とＳＶ波とが主体のレイリー波を示す。Ｕ２−１は、ＳＨ波のＳＨ型表面波の基本モードを示し、弾性波装置１で用いる弾性波である。Ｕ２−２は、ＳＨ型表面波の高次モードを示す。前述したように、ＳＨ型表面波の基本モードを利用するため、すなわちＵ２−１を利用するため、Ｕ２―２及びＵ１−１はスプリアスとなるモードである。

図３から明らかなように、Ｏ／（Ｎ＋Ｏ）が６０％を超えると、横波の速度Ｖｓよりも、Ｕ１−１モードの音速が高くなる。従って、混合比が６０％以上であると、レイリー波が漏洩モードとなる。よって、好ましくは、混合比Ｏ／（Ｎ＋Ｏ）は、６０％以上であることが望ましい。

また、図５より、上記混合比Ｏ／（Ｎ＋Ｏ）が６０％以上であると、スプリアスとなるＵ１−１モード、すなわちレイリー波の伝搬損失αが大きくなる。従って、スプリアスとなるレイリー波の応答を小さくすることができる。

媒質層３を設けなかった場合、すなわち４２°ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ_３における電気機械結合係数ｋ^２は、７．７％である。図４から明らかなように、上記混合比Ｏ／（Ｎ＋Ｏ）が８５％以下、並びに９３％以上１００％以下の範囲内では、媒質層３を設けたことにより、媒質層３を設けない場合に比べ、電気機械結合係数ｋ^２を高め得ることがわかる。

図６（ａ），（ｂ）〜図９は、上記弾性波装置１における混合比を変化させた場合のインピーダンス特性を示す図である。

図６（ａ）は、媒質層３を有しない４２°ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ_３のインピーダンス特性を示す。図６（ｂ）、図７（ａ），（ｂ）、図８（ａ），（ｂ）は、それぞれ、上記混合比が１００、８０、６０、４０及び２０（％）の場合の結果を示し、図９は上記混合比が０、すなわち媒質層が窒化ケイ素からなる場合の結果を示す。

図７（ｂ）、図８（ａ），（ｂ）及び図９では、矢印Ｂ１〜Ｂ４で示す大きなスプリアスが現れている。このスプリアスは、Ｕ２−２あるいはＵ１−１によるものである。

すなわち、混合比Ｏ／（Ｎ＋Ｏ）が例えば２０％や４０％である場合、図３に示したように横波の音速ＶｓよりもスプリアスとなるＵ１−１及びＵ２−２モードの音速が低い。従って、ＳＨ型表面波の高次モードやレイリー波が漏洩モード化しない。また、図５から明らかなように、Ｕ１−１モードすなわちレイリー波の伝搬損失やＳＨ型表面波の高次モードの伝搬損失も小さい。加えて、図４から明らかなように、スプリアスとなるＵ１−１モード及びＵ２−２モードの電気機械結合係数もそれぞれ、２％程度または０．３〜０．８％程度である。そのため、図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、これらのモードによるスプリアスＢ２，Ｂ３が現れている。

これに対して、ＳＨ型表面波の音速が、酸窒化ケイ素のＳ波の音速と近接すると、図７（ａ）に示すように、スプリアスとなる高次モードの応答も小さくなる。

なお、高速媒質である窒化ケイ素を用いた場合には、図９に示すように、高次モードスプリアスが大きくなる。なお、上記高次モードは、ＬｉＴａＯ_３からなる圧電体表面と、ＬｉＴａＯ_３からなる圧電体４と媒質層３との界面の間にエネルギーが集中して伝搬するモードである。これを、図１０〜図１８を参照して説明する。

なお、図１０は、媒質層を有しない４２°ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ_３におけるＵ１成分、Ｕ２成分及びＵ３成分のエネルギー分布を示す図である。

図１０〜図１８における縦軸は、弾性波装置の上下方向位置を示し、図１０における０はＬｉＴａＯ_３の上面の位置を示す。また、図１１〜図１８においては、０は圧電体と媒質層との間の界面の位置を示す。従って、＋０．５λの位置が、圧電体表面の位置に相当する。また、図１０、図１１、図１３、図１５及び図１７は、利用する弾性波すなわちＳＨ型表面波の基本モードのＵ１成分〜Ｕ３成分のエネルギー分布を示す。他方、図１２，図１４、図１６及び図１８は、スプリアスであるＳＨ型表面波の高次モードのＵ１成分、Ｕ２成分及びＵ３成分の分布を示す。図１１、図１３、図１５及び図１７は、それぞれ、上記混合比が０％、４０％、８０％及び１００％の場合の結果を示す。同様に、図１２、図１４、図１６及び図１８も、上記混合比が０％、４０％、８０％及び１００％の場合の結果を示す。

図１２、図１４、図１６及び図１８から明らかなように、上記スプリアスとなる高次モードは、ＬｉＴａＯ_３の表面と、ＬｉＴａＯ_３と媒質層との界面との間にエネルギーを集中して伝搬するモードである。

また、図１１、図１３、図１５及び図１７から明らかなように、ＳＨ型表面波の基本モードの振動は、ＬｉＴａＯ_３だけでなく、媒質層側にも分布している。上記弾性波装置１では、媒質層３の厚みが、振動エネルギーが分布する厚みよりも厚くなっている。そのため、利用するＳＨ型表面波の基本モードは、媒質層３の下方に配置されている支持基板２の影響を受けない。よって、支持基板２として安価な基板を用いたとしても、ＳＨ型表面波の基本モードの特性は劣化し難い。図１１、図１３、図１５及び図１７から明らかなように、上記媒質層３の厚みは、１λ程度であればよいことがわかる。すなわち、媒質層の厚みを１λ以上とすることにより、ＳＨ型表面波の基本モードは、支持基板２による影響を受け難い。

なお、４２°ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ_３におけるＳＨ型表面波の基本モードの音速は４０３６ｍ／秒である。従って、上記弾性波装置１において伝搬するＳＨ型表面波の基本モードの音速に近い。媒質層３に上記ＳＨ型表面波の基本モードの振動エネルギーは分布している。しかしながら、酸窒化ケイ素からなる媒質層３におけるＳＨ型表面波の基本モードの音速が４２°ＹカットＸ伝搬ＬｉＴａＯ_３を伝搬するＳＨ型表面波の基本モードの音速に近いので、ＬｉＴａＯ_３の厚みを、０．５λから、例えば０．２λまたは０．８λなどの厚みに変更したとしても、主伝搬モードであるＳＨ型表面波の基本モードの音速の変動は、小さい。すなわち、ＬｉＴａＯ_３に、高速媒質のみからなる媒質層を接した構造に比べ、媒質層３を有するため、ＳＨ型表面波の基本モードの音速の変動は小さくなる。従って、本実施形態によれば、ＬｉＴａＯ_３からなる圧電体４の厚みが製造時にばらついていたとしても、周波数ばらつきを小さくすることができる。

従来の４２°ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ_３を用いた場合、ＳＨ型表面波の電気機械結合係数ｋ^２は前述の通り７．７％である。これに対して、図４に示したように、本実施形態の弾性波装置１では、電気機械結合係数は、前述したように、混合比Ｏ／（Ｎ＋Ｏ）が８５％以下、及び９３％以上の広い範囲にわたり、８〜９％と高くなる。これは、誘電率が低い酸化ケイ素及び窒化ケイ素を含む媒質層３がＳＨ型表面波の基本モードの振動エネルギーが分布するほど近接配置されていることによる。すなわち、それによって寄生容量が減少し、かつ駆動力となる電界強度は誘電率が高いＬｉＴａＯ_３側に集中する。よって、振動エネルギーも、図１１、図１３及び図１５に示すように、ＬｉＴａＯ_３側に集中することとなる。そのため、電気機械結合係数ｋ^２に比例する駆動力が高くなり、電気機械結合係数ｋ^２と反比例する寄生容量が減少することになり、電気機械結合係数ｋ^２が高くなっているものと考えられる。

図１９は、本発明の第２の実施形態に係る弾性波装置を示す模式的正面断面図である。

図１９に示す弾性波装置１１では、支持基板１２上に、媒質層１３及び圧電体４及びＩＤＴ電極５が積層されている。圧電体４及びＩＤＴ電極５は、第１の実施形態と同様である。すなわち、圧電体４は４２°ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ_３からなり、その厚みは０．５λである。ＩＤＴ電極５は、Ａｌからなり、厚みは０．０８λ、デューティは０．５である。

本実施形態では、媒質層１３は、低速媒質からなる低速媒質層１３ａ，１３ｃと、高速媒質からなる高速媒質層１３ｂ，１３ｄとを積層してなる積層体からなる。このように、本発明における媒質層は、高速媒質層と低速媒質層とを積層した積層体であってもよく、この場合にも、媒質層１３は、低速媒質と高速媒質とを含むものとなる。第２の実施形態においても、媒質層１３を設けることにより、弾性波装置１１では、前述した中間音速の主振動モードが伝搬する。

このように、高速媒質と低速媒質を積層した構造により媒質層を形成した場合、以下のような利点がある。

ａ）媒質層が、低速媒質／高速媒質／低速媒質の構造の場合、
支持基板に低速な材料や弾性波を散乱するような粗い材料、樹脂のような吸音する材料を用いた場合、低速媒質層まで主振動のエネルギーが分布すると、主振動が減衰する。よって、主振動は高速媒質層にとどめるのが望ましい。ここで、支持基板に高速で弾性波の減衰の小さい材料を用いた場合、最下層の低速媒質層と接するように、高音速基板を配すれば、主振動の減衰は避けられる。

この場合、低速媒質／高速媒質のような２層構造に比べると、低速媒質／高速媒質／低速媒質の方が細かな音速調整ができるため、より望ましい。

ｂ）媒質層が、高速媒質／低速媒質／高速媒質の構造の場合、
低速媒質／高速媒質と高速媒質／低速媒質／高速媒質を比べると、最下層の高速媒質層まで主振動のエネルギーを分布させた場合、その上層の高速媒質／低速媒質／高速媒質の方が、低速媒質／高速媒質より細かな音速調整ができるため、より望ましい。加えて、圧電膜裏面に高速媒質／低速媒質／高速媒質層を形成した後に支持基板を接合する工法では、主振動のエネルギーが分布している領域に接合界面が存在しないので、接合状態によらず安定する利点がある。

従って、高速媒質と低速媒質を積層した構造とする場合は、３層以上積層する構造がより好ましい。

図２０は、第２の実施形態の変形例に係る弾性波装置２１を示す。第２の実施形態と異なるところは、ＩＤＴ電極５が、圧電体４の下面に積層されていることにある。このように、本発明においては、ＩＤＴ電極５は、圧電体４と接する限り、下面側に形成されていてもよい。

図２１は、第２の実施形態の他の変形例に係る弾性波装置を示す。図２１に示す弾性波装置３１では、ＩＤＴ電極５が、積層体からなる媒質層１３の上面に形成されている。このＩＤＴ電極５を覆うように圧電体４が配置されている。このようにＩＤＴ電極５は、積層体からなる媒質層１３の上面に形成されていてもよい。

なお、前述した第１の実施形態の弾性波装置１においても、同様にＩＤＴ電極５は圧電体４の下面に形成されていてもよく、また複合媒質層からなる媒質層３の上面に形成されていてもよい。

図２２〜図２５は、上記第２の実施形態に係る弾性波装置１１における媒質層１３の積層数と利用するＳＨ型表面波の基本モードの特性との関係を示す各図である。また、図２２〜図２５においては、積層体からなる媒質層において、窒化ケイ素からなる高速媒質層の厚みと、酸化ケイ素からなる低速媒質層の厚みとの比率を変化させた場合の結果を示す。図２２〜図２５中におけるＮ／Ｏは、この厚みの比を示し、例えばＮ／Ｏ＝１／９は、窒化ケイ素の厚み割合が１０％、酸化ケイ素の厚みの割合が９０％であることを示す。

図２２は、上記のようにして積層体の構成を変化させた場合のＳＨ型表面波の音速の変化を示す。また、図２３は、インピーダンスＺの変化を示す。図２４は、比帯域幅（Ｆａ−Ｆｒ）／Ｆｒ（％）の変化を示す。ここで、Ｆａは、反共振周波数、Ｆｒは共振周波数を示す。また、図２５は、最小インピーダンス値Ｚｒの絶対値の変化を示す。

上記図２２〜図２５の結果は、「周期構造圧電性導波路の有限要素法解析」（電子通信学会論文誌 Ｖｏｌ．Ｊ６８−Ｃ Ｎｏ１，１９８５／１，ｐｐ．２１−２７）において提案されている有限要素法を拡張することにより求めた。すなわち、半波長区間に１本のストリップを２区間配置した。また、電気的に１Ｖとした電極指と０Ｖとした電極指とのインピーダンスや容量を導出した。それによって、共振周波数Ｆｒ、反共振周波数Ｆａ、インピーダンスの最小値Ｚｒ、最大値Ｚａにより、インピーダンス比│Ｚ│＝│Ｚａ／Ｚｒ│や比帯域幅（Ｆａ−Ｆｒ）／Ｆｒを求めた。共振周波数Ｆｒにおける弾性表面波の音速は、ＩＤＴの周期λより、Ｆｒ×λ（ｍ／秒）で求めることができる。

弾性表面波の振動エネルギーは、ＩＤＴ電極と圧電体の間の界面から１λの深さまでの領域に大半のエネルギーが集中している。従って、ＩＤＴ電極と圧電体との界面の上下方向±４λ、すなわち８λの厚みの範囲を検討した。支持基板下面の境界条件は、弾性的に固定とした。

なお、図２２〜図２５では、酸化ケイ素からなる低速媒質層と窒化ケイ素からなる高速媒質層の厚みの比は、１：９、３：７、５：５、７：３及び９：１とした。上記厚みの比が２：８などの中間値は、プロットされていない。しかしながら、例えば、２：８の前後の１：９と３：７の結果から補完して得られる値と、２：８の場合の結果はほぼ一致することが確かめられている。

積層体における積層数は、高速媒質層１層及び低速媒質層１層を積層した構成から、両者を合計で１２８層積層した場合まで検討した。例えば、図２２の積層数１におけるＮ／Ｏ＝１／９とは、窒化ケイ素からなる高速媒質層１層に対し、酸化ケイ素からなる低速媒質層を９層積層した場合を示す。

また、図２２〜図２５においては、圧電体４側に、低速媒質層を配置した場合と、圧電体４側に高速媒質層を配置した場合の双方の結果を示す。図中、Ｎ／Ｏと記載されている内容は、高速媒質層である窒化ケイ素がＬｉＴａＯ_３からなる圧電体４に近接しており、Ｏ／Ｎと記載している内容が、低速媒質層である酸化ケイ素がＬｉＴａＯ_３側に近接している場合の結果である。

なお、上記積層体を窒化ケイ素のみにより構成した場合には、Ｆｒ×λは４０６５ｍ／秒となる。また、上記媒質層を酸化ケイ素のみからなる積層体で構成した場合、３７８５ｍ／秒となる。

図２６〜図２９は、図２２〜図２５と同様にして構成した各弾性波装置におけるインピーダンス特性及び位相特性を示す図である。図２６及び図２７は、それぞれ、低速媒質層である酸化ケイ素をＬｉＴａＯ_３側に配置した場合の弾性波装置のインピーダンス特性及び位相特性を示す。

図２８は、高速媒質層である窒化ケイ素をＬｉＴａＯ_３側に配置した場合のインピーダンス特性を示し、図２９は位相特性を示す。

図３０〜図３３は、ＳｉＯ_２からなる低速媒質層及びＳｉＮからなる高速媒質層を積層した構造を用いた構成における、ＳｉＯ_２の厚み比と、音速Ｆｒ×λ、山谷比（Ｚａ／Ｚｒ）、比帯域幅（Ｆａ−Ｆｒ）／（Ｆｒ）及び最小インピーダンスＺｒとの関係をそれぞれ示す図である。図３０〜図３３において、ＬＡＹ１は１層であること、ＬＡＹ３は３層であることを示す。

なお、図２２〜図２５、図２６〜図２９及び図３０〜図３３においては、積層体の厚みは１λと一定としている。

図２２から明らかなように、積層体からなる媒質層の厚みが一定である場合、積層数が増加するにつれて、酸化ケイ素がＬｉＴａＯ_３側にある場合には、積層数の増加に伴って音速が高くなっている。逆に、高速媒質層である窒化ケイ素がＬｉＴａＯ_３側にある場合には、積層数が増加するにつれて、音速が低下している。もっとも、いずれの場合であっても、積層数が１００を超えていくと、厚み比率に応じた音速に収束している。そして、収束した音速値は、窒化ケイ素の音速及び酸化ケイ素の音速の中間の値となっている。従って、上記高速媒質層と低速媒質層とを積層してなる積層体を伝搬するバルク波の音速は、第１の実施形態の混合材料からなる媒質層３の場合と同様に、窒化ケイ素と酸化ケイ素の厚みの比に応じた中間の値となると考えられる。

また、高速媒質層である窒化ケイ素がＬｉＴａＯ_３側に位置している場合には、積層数が少なく、窒化ケイ素層の合計厚みが厚くなると、インピーダンス比│Ｚ│や共振抵抗Ｚｒが著しく劣化する。例えば、図２３から明らかなように、Ｎ／Ｏ＝１／９では、積層数が１層の場合、インピーダンス比│Ｚ│は３０ｄＢと悪化している。これに対して、低速媒質層を構成している酸化ケイ素がＬｉＴａＯ_３に近接している場合には、インピーダンス比│Ｚ│は劣化しない。これは、高速媒質層が圧電体に近接していると、ＬｉＴａＯ_３の表面に利用するＳＨ型表面波の基本モードのエネルギーが集中せず、漏洩するためと考えられる。

従って、低速媒質層が圧電体側に配置されている構成が好ましい。その場合には、高速媒質層１層と低速媒質層の１層のみを積層した積層体であっても、伝搬損失を抑制することができ、その結果、インピーダンス比│Ｚ│が７０ｄＢよりも大きくなり、かつインピーダンスの最小値の絶対値を１．２Ωよりも小さくすることができる。すなわち、良好な共振特性を得ることができる。

もっとも、高速媒質層はＬｉＴａＯ_３側に位置されていてもよい。その場合には、高速媒質層及び低速媒質層を少なくとも２層ずつ積層することにより、あるいはＮ／Ｏ比を３／７以上とすればよい。それによって積層体全体が比較的高い音速を実現することができ、それによって、インピーダンス比│Ｚ│を５０ｄＢ以上とすることができる。

また、図３０〜図３３より、積層数が１層〜３層と少ない場合には、低速媒質層が圧電体側に位置する方が比帯域幅（Ｆａ−Ｆｒ）／（Ｆｒ）が大きくなり、電気機械結合係数ｋ^２を高め得ることがわかる。同様に、積層数が１層〜３層と少ない場合、圧電体側の音速の影響が大きいことがわかる。

なお、上述した第１，第２の実施形態及び変形例では、弾性表面波を用いたが、本発明は、弾性表面波だけでなく、弾性境界波を用いてもよい。このような本発明の媒質層を有する弾性境界波装置を図３４（ａ）及び図３４（ｂ）に模式的に示す。

図３４（ａ）に示す弾性境界波装置４１では、支持基板２上に媒質層３、圧電体４及びＩＤＴ電極５を含む電極構造がこの順序で積層されている。ここまでは、第１の実施形態の弾性波装置１と同様である。本実施形態では、弾性境界波を利用するため、ＩＤＴ電極５を覆うように、誘電体層４２が積層されている。誘電体層４２は、酸化ケイ素、窒化ケイ素または窒化アルミニウムなどの適宜の誘電体より形成され得る。

また、図３４（ｂ）に示す弾性境界波装置４３では、第１の誘電体層４４がＩＤＴ電極５を覆うように形成されており、第１の誘電体層４４上に第２の誘電体層４５が積層されている。第１の誘電体層４４は、伝搬する遅い横波音速が、第２の誘電体層４５を構成している誘電体よりも遅い適宜の誘電体材料からなる。このような誘電体材料の組み合わせの例としては、酸化ケイ素からなる第１の誘電体層４４と、窒化ケイ素または窒化アルミニウムからなる第２の誘電体層４５との組み合わせなどを例示することができる。

なお、弾性境界波装置４１，４３において、支持基板２、媒質層３、圧電体４及びＩＤＴ電極５は、第１の実施形態と同様の材料により構成することができる。

１…弾性波装置
２…支持基板
３…媒質層
４…圧電体
５…ＩＤＴ電極
６，７…反射器
１１…弾性波装置
１２…支持基板
１３…媒質層
１３ａ，１３ｃ…低速媒質層
１３ｂ，１３ｄ…高速媒質層
２１，３１…弾性波装置

Claims (7)

1. 支持基板と、
   前記支持基板上に積層された媒質層と、
   前記媒質層上に積層されており、バルク波が伝搬する圧電体と、前記圧電体の一方面に形成されているＩＤＴ電極とを備え、
   前記媒質層が、前記圧電体を伝搬する弾性波の音速よりも、前記弾性波の主成分であるバルク波と同じバルク波の伝搬速度が低速である低速媒質と、前記圧電体を伝搬する前記弾性波の音速よりも、前記弾性波の主成分であるバルク波と同じバルク波の伝搬速度が高速である高速媒質とを含んでおり、
   前記高速媒質で該媒質層を形成した場合の主振動モードの音速をＶ_Ｈ、前記低速媒質で該媒質層を形成した場合の主振動モードの音速をＶ_Ｌ、としたとき、前記媒質層が形成された弾性波装置における主振動モードの音速が、Ｖ_Ｌ＜主振動モードの音速＜Ｖ_Ｈ、となるように、前記媒質層が形成されている、弾性波装置。
2. 前記媒質層が、低速媒質と高速媒質とを混合してなる複合媒質からなる、請求項１に記載の弾性波装置。
3. 前記媒質層が、前記低速媒質からなる低速媒質層と、前記高速媒質からなる高速媒質層とを有する積層体からなる、請求項１に記載の弾性波装置。
4. 前記積層体が３層以上の積層された層からなる、請求項３に記載の弾性波装置。
5. 前記媒質層を伝搬し、かつ前記圧電体を伝搬する弾性波の主伝搬モードのバルク波と同じバルク波成分の音速が、前記高速媒質を伝搬する前記バルク波の音速と、前記低速媒質を伝搬するバルク波の音速との間の値である、請求項１または２に記載の弾性波装置。
6. 前記媒質層の誘電率が、前記圧電体の誘電率よりも小さい、請求項１〜５のいずれか一項に記載の弾性波装置。
7. 前記積層体からなる媒質層において、前記低速媒質層が前記高速媒質層よりも前記圧電体側に配置されている、請求項３に記載の弾性波装置。

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