JP7203578B2

JP7203578B2 - 弾性表面波素子

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Publication number: JP7203578B2
Application number: JP2018213939A
Authority: JP
Inventors: 直人松岡
Original assignee: NDK Saw Devices Inc
Current assignee: NDK Saw Devices Inc
Priority date: 2018-11-14
Filing date: 2018-11-14
Publication date: 2023-01-13
Anticipated expiration: 2038-11-14
Also published as: JP2020080519A

Description

本発明は周波数信号を弾性表面波に変換する弾性表面波素子に関する。

Ｑ値が高くスプリアスの少ない弾性表面波素子として、ピストンモードで動作するものが開発されている（例えば特許文献１、２）。ピストンモードは、弾性表面波（ＳＡＷ：Surface Acoustic Wave）の振動モードの１つであり、後述の図２（ａ）に示すように、励振領域ではＳＡＷの振幅がほぼ一定である一方、その外部側の領域にて急激に振幅が減少する振幅分布を示す。

ＳＡＷの励振にあたっては、バスバーに多数の電極指を接続した櫛歯電極が用いられる。弾性表面波素子（ＳＡＷ素子）は、電極指の並び方向に見て、電極指が交差するように２つの櫛歯電極を対向して配置したＩＤＴ（Interdigital Transducer）電極が設けられる。一方の櫛歯電極に所定の周波数を有する周波数信号を入力することによりＳＡＷが励振され、他方の櫛歯電極へと伝播する。

特許文献１、２に記載の技術は、対向して配置された２つのバスバー間の領域について、バスバーが伸びる方向に沿って中央の領域、その両脇の２領域、さらに両脇の２領域の５つ（特許文献１：中央領域、エッジ領域、ギャップ領域、特許文献２：中央励起領域、内縁領域、外縁領域）に分けている。そして、中央の両脇の領域に位置する電極指（特許文献１は「電極部」と記載）の幅を大きくしたり、狭くしたりすることなどによりピストンモードを得ている。また、特許文献１では、ギャップ領域のギャップ長寸法を１～３音響波長程度確保する必要がある旨が記載されている。

しかしながらこれらの手法は、通常のＩＤＴ電極に比べギャップ長の寸法（特許文献１のギャップ領域や特許文献２の外縁領域の寸法）が長くなるため、素子（特許文献１：音響波装置、特許文献２：電気音響変換器）が大型化してしまう問題がある。
なお、特許文献３には、主要弾性波の閉込めを目的として、ＩＤＴ電極の電極指が交差していないギャップ領域（特許文献３には中間領域と記載）に誘電体膜を設ける技術が記載されているが、ピストンモードの励振を目的としたものではない。

特許第５２２１６１６号公報特許第５５０３０２０号公報特許第６１８１７１９号公報

本発明はこのような事情の下になされたものであり、ピストンモードの励振が可能な小型の弾性表面波素子を提供する。

本弾性表面波素子は弾性表面波素子を構成するための圧電基板と、
前記圧電基板上に形成された一対のバスバーと、これらバスバーの各々から対向するバスバーに向かって互いに櫛歯状に伸び出す複数の電極指と、を備え、これら複数の電極指の並び方向に沿って見たとき、一方のバスバーに接続された電極指と、他方のバスバーに接続された電極指とが交差する領域である交差領域と、この交差領域よりも各バスバー側に位置し、前記一方のバスバーに接続された電極指と、前記他方のバスバーに接続された電極指とが交差していない領域であるギャップ領域とが形成された一対のＩＤＴ電極と、
前記電極指が形成された弾性表面波素子の上面全体を覆うように形成され、前記圧電基板の温度－周波数特性とは反対の方向に周波数が変化する温度－周波数特性を有する誘電体膜と、
質量負荷効果により前記ギャップ領域における弾性表面波の伝播速度を、前記交差領域における弾性表面波の伝播速度よりも低下させて、これらギャップ領域と交差領域とにおける弾性表面波の伝播速度の速度差が、前記交差領域にピストンモードの弾性表面波を励振させる速度差となるように、前記誘電体膜の上面側であって、前記ギャップ領域における、前記交差領域内の各電極指の先端部と、バスバーとの間に対応する領域にグレーティング状に形成された伝播速度調節膜と、を備えたことを特徴とする。

上述の弾性表面波素子は、以下の構成を備えていてもよい。
（ａ）隣り合って配置された電極指の中心線間の距離ｄに対し、当該電極指の延伸方向に沿って見た前記ギャップ領域の幅が０．１ｄ～２ｄの範囲内であること。
（ｂ）前記バスバーの上面側には、前記交差領域及びギャップ領域よりも、各バスバーにおける弾性波の減衰が大きくなるようにするための調節膜が形成されていること。
（ｃ）前記圧電基板は、ＬｉＮｂＯ_３であり、前記誘電体膜は酸化ケイ素、酸窒化ケイ素またはフッ素ドープ酸化ケイ素であること。

本発明によれば、一対のＩＤＴ電極の電極指が交差する交差領域の両脇に形成されたギャップ領域に、弾性表面波の伝播速度を低下させる伝播速度調節膜を設け、交差領域における弾性表面波の伝播速度との速度差を調節するので、従来のＩＤＴ電極に長いギャップ長寸法を設けなくとも、ピストンモードの弾性表面波を励振することができる。

実施の形態に係るＳＡＷ素子の平面図及び縦断側面図である。前記ＳＡＷ素子の作用説明図である。他の実施の形態に係るＳＡＷ素子の平面図及び縦断側面図である。実施例のＳＡＷ素子に係る周波数－アドミタンス特性図である。比較例のＳＡＷ素子に係る周波数－アドミタンス特性図である。

以下、図１を参照しながら実施の形態に係る弾性表面波素子（ＳＡＷ素子）の構成例について説明する。図１（ａ）は本例のＳＡＷ素子を模式的に示した拡大平面図、図１（ｂ）、（ｃ）は、各々、Ａ－Ａ’、Ｂ－Ｂ’の位置を模式的に示した縦断側面図である。
図１に示すＳＡＷ素子は、ＳＡＷを励振させる矩形状の圧電基板１１上に形成されたＩＤＴ電極を備える。以下の説明では、矩形状の圧電基板１１の長辺に沿った方向を縦方向（図１（ａ）中のＸ方向）、短辺に沿った方向を横方向（同図中のＹ方向）ともいう。

ＩＤＴ電極は、例えば圧電基板１１の各長辺に沿って縦方向に伸びるように設けられ、各々信号ポート１２ａ、１２ｂに接続された２本のバスバー２ａ、２ｂと、各バスバー２ａ、２ｂから横方向に向けて伸びるように形成された多数本の電極指３ａ、３ｂとを備えている。
圧電基板１１を構成する圧電材料としては、例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化スカンジウムアルミニウム（ＳｃＡｌＮ）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）などを用いる場合を例示することができる。

図１（ａ）に示すように、一方のバスバー２ａに接続された電極指３ａは、対向する位置に配置されたバスバー２ｂ側へ向けて伸び出すように設けられている。また他方のバスバー２ｂに接続された電極指３ｂは、前記一方のバスバー２ａへ向けて伸び出すように設けられている。そして、電極指３ａ、３ｂの並び方向に沿って見たとき、一方のバスバー２ａに接続された電極指３ａと、他方のバスバー２ｂに接続された電極指３ｂとが互い違いに交差して配置されている。
バスバー２ａ、２ｂ、電極指３ａ、３ｂは、例えば銅（Ｃｕ）により構成されている。

上述のように、電極指３ａ、３ｂが交差して配置された領域は、ＩＤＴ電極の交差領域ＺＡＢに相当する。また、交差領域ＺＡＢから見て各バスバー２ａ、２ｂ側には、一方のバスバー２ａ、２ｂに接続された電極指３ａ、３ｂの先端部が、他方のバスバー２ｂ、２ａに到達していないことにより、電極指３ａ、３ｂが交差していない領域が２つ形成されている。これらの領域はギャップ領域ＲＢに相当する。また、各バスバー２ａ、２ｂが形成されている２つの領域をバスバー２ａ、２ｂとも呼ぶ。

さらに本例のＳＡＷ素子は、圧電基板１１を構成する圧電材料の温度－周波数特性の影響を補償する温度補償機能を備えたＴＣ（Temperature Compensate）－ＳＡＷ素子として構成されている。
図１（ｂ）、（ｃ）の縦断側面図に示すように、ＴＣ－ＳＡＷ素子においては、ＩＤＴ電極（バスバー２ａ、２ｂ、電極指３ａ、３ｂ）が形成された圧電基板１１の上面に、誘電体膜５が形成（以下、「装荷」ともいう）されている。図１（ａ）においては、電極指３ａ、３ｂの上面側に誘電体膜５が装荷されていることを表すため、電極指３ａ、３ｂの形成位置（輪郭線）を破線で示してある。

ＴＣ－ＳＡＷ素子に装荷される誘電体膜５は、圧電基板１１の圧電材料とは反対の周波数温度特性を有するものが用いられる。例えば圧電基板１１の圧電材料が、温度の上昇に伴って励振される周波数が低下する負の周波数温度特性を有している場合には、温度の上昇に伴って周波数が上昇する正の周波数温度特性を有する誘電体膜５が装荷される。反対に正の周波数温度特性を有する圧電材料からなる圧電基板１１に対しては、負の周波数温度特性を有する誘電体膜５が装荷される。このように、圧電基板１１とは反対の周波数温度特性を持つ誘電体膜５を装荷することにより、ＳＡＷ素子の周囲の温度変化の影響を低減することができる。

例えば既述のＬｉＮｂＯ_３は負の周波数温度特性を有する。そこで、ＬｉＮｂＯ_３により構成された圧電基板１１に対しては、正の周波数温度特性を有する二酸化ケイ素、酸窒化ケイ素（元素の含有比率に特段の限定はなく、ＳｉＮＯであってもよいし、ＳｉＯ_２に窒素をドープしたものであってもよい）やフッ素をドープした二酸化ケイ素の誘電体膜５を装荷する場合を例示することができる。これらの材料からなる誘電体膜５は、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）やスパッタリングなどの手法によって装荷することができる。

本例のＳＡＷ素子は、以上に説明した構成に加え、ピストンモードのＳＡＷを励振するための構成を備えている。
本件発明者は、横方向に沿って見たとき、図２（ａ）に細い実線で示すように、交差領域ＺＡＢにおけるＳＡＷの伝播速度よりも、ギャップ領域ＲＢ側のＳＡＷの伝播速度を十分に低くすることにより、同図中に太い実線で示す振幅分布を有するピストンモードのＳＡＷを励振することが可能であることを把握している。

そこで本例のＳＡＷ素子は、図１（ａ）～（ｃ）に示すように、当該ＳＡＷ素子に装荷された誘電体膜５のさらに上面側に、質量負荷効果により各ギャップ領域ＲＢのＳＡＷの伝播速度を低下させるための伝播速度調節膜４ａ、４ｂが形成されている。
質量負荷効果を得ることを目的として形成される伝播速度調節膜４ａ、４ｂの構成材料に特段の限定はないが、成膜のしやすさや比重の大きさなどを考慮して、金属や誘電体が選択される。本例のＳＡＷ素子は、比較的成膜がしやすく比重の大きなチタン（Ｔｉ）を伝播速度調節膜４ａ、４ｂとしている。

ピストンモードのＳＡＷを励振させるためには、交差領域ＺＡＢ側のＳＡＷの伝播速度と、ギャップ領域ＲＢ側のＳＡＷの伝播速度との速度差が大きくなるに従って、ギャップ領域ＲＢの横方向の幅寸法が小さくなるように、ＳＡＷ素子の設計を行う必要がある。逆にいうと、所定の幅寸法を有するギャップ領域ＲＢを備えたＳＡＷ素子を設計したとき、上述の速度差を十分に大きくすればピストンモードのＳＡＷを励振することが可能になるといえる。

この観点で本例のＳＡＷ素子の概略の設計変数を示しておくと、ＳＡＷ素子の設計周波数に対応する波長λに対し、電極指３ａ、３ｂの中心線間の距離ｄは、λ／２に設定される。また、小型のＳＡＷ素子を構成する観点では、ギャップ領域ＲＢの幅寸法は、０．１ｄ～２ｄ（０．０５λ～１λ）、好適には０．８ｄ～１．０ｄ（０．４λ～０．５λ）程度に設定される。

実際にピストンモードが励振される構成となっているか否か（ピストンモードが励振される速度差が得られているか否か）は、シミュレーションにより事前に確認することができる。
質量負荷効果を利用する本例のＳＡＷ素子において、ギャップ領域ＲＢにおけるＳＡＷの伝播速度の低下幅は、伝播速度調節膜４ａ、４ｂの構成材料（比重）の選択や、伝播速度調節膜４ａ、４ｂの厚さを変化させることなどによって調節することができる。

ここで図１（ａ）中に砂状のハッチングを付して示すように、本例のＳＡＷ素子は、ギャップ領域ＲＢに隣接する交差領域ＺＡＢ内に配置された各電極指３ａ、３ｂの先端部に隣接した位置に、電極指状に伝播速度調節膜４ａ、４ｂを形成したグレーティング構造となっている。発明者は、このようなグレーティング構造の伝播速度調節膜４ａ、４ｂは、例えばギャップ領域ＲＢの全面に伝播速度調節膜４２を形成する場合にと比較して、ＳＡＷの伝播速度を低減する効果が大きいことを把握している。

また、本例のＳＡＷ素子においては、誘電体膜５の上面側であって、バスバー２ａ、２ｂが形成された各バスバー領域ＳＢの上面側に、伝播速度調節膜４ａ、４ｂと同じ材料からなるバスバー領域膜４１が形成されている。そして、上述の伝播速度調節膜４ａ、４ｂは、当該バスバー領域膜４１と一体に形成されている。
このように、比較的大きな面積を有するバスバー領域膜４１と共に伝播速度調節膜４ａ、４ｂを形成することにより、個別には非常に小さなグレーティング形状の伝播速度調節膜４ａ、４ｂの配置位置や形状、寸法などをより精度よく形成することができる。

以上に説明した伝播速度調節膜４ａ、４ｂを設けることにより、本例のＳＡＷ素子はピストンモードのＳＡＷを励振可能な構成となる。一方で、ギャップ領域ＲＢに隣接して配置されているバスバー領域ＳＢにおける弾性波の減衰が小さいと、バスバー２ａ、２ｂ側にＳＡＷが漏洩してしまい、十分に大きな振幅を持つピストンモードを励振できない場合がある。

ＳＡＷの漏洩を抑える観点では、図２（ｂ）に細い実線で示すように、バスバー領域ＳＢの弾性波の減衰は、交差領域ＺＡＢやギャップ領域ＲＢよりも大幅に大きくなる構成とすることが好ましい。
そこで本例のＳＡＷ素子は、各バスバー２ａ、２ｂの上部側のバスバー領域ＳＢに調節膜６を成膜することにより、当該領域の弾性波の減衰を増大させている。

調節膜６の構成材料としては、信号ポート１２ａ、１２ｂに接続される配線などの構成材料と共通のアルミニウム（Ａｌ）を例示することができる。これにより、配線と一体に調節膜６を形成することが可能となり、ＳＡＷ素子を製造する際の工程数の増加を抑制できる。
十分な大きさの弾性波の減衰を得るため、バスバー２ａ、２ｂ、電極指３ａ、３ｂを構成する銅膜、誘電体膜５、伝播速度調節膜４２及び伝播速度調節膜４２を構成する金属膜や誘電体膜よりも厚い調節膜６が形成される。ＳＡＷ素子においてピストンモードのＳＡＷを励振することができれば、調節膜６の膜厚に特段の限定はないが、既述の波長λの４０％程度以上の厚さを例示することができる。

上述の構成を備えるＳＡＷ素子において、設計周波数の周波数信号が印加されると、ギャップ領域ＲＢに設けた伝播速度調節膜４ａ、４ｂの作用によってピストンモードのＳＡＷが励振される。
また、調節膜６によってバスバー領域ＳＢにおける弾性波の減衰が大きくなっていることで、ＳＡＷの漏洩を抑え、交差領域ＺＡＢ内に振幅の大きなＳＡＷを励振させることができる。

ここで、バスバー領域ＳＢの弾性波の減衰を大きくして、バスバー領域ＳＢ内における高次の横モードの振幅を抑制することにより、ＳＡＷ素子全体で当該高次の横モードの正負の振幅を十分に打消し合う構成とすることができる。高次の横モードは、スプリアス応答として観察され、ＳＡＷ素子の挿入損失の増大を招く要因となる。

例えば図２（ｂ）には、２次の高次の横モードの振幅分布を太線で示している。バスバー領域ＳＢにおける弾性波の減衰を大きくすることにより、調節膜６を設けていない場合の振幅分布（同図中に破線で示してある）と比較して、高次の横モードの振幅が抑えられる。この結果、高次の横モードが発生したとしても、ＳＡＷ素子内で互いに打ち消し合い、スプリアス応答の発生を抑制することができる。

本実施の形態のＳＡＷ素子によれば以下の効果がある。一対のＩＤＴ電極の電極指３ａ、３ｂが交差する交差領域ＺＡＢの両脇に形成されたギャップ領域ＲＢに、ＳＡＷの伝播速度を低下させる伝播速度調節膜４ａ、４ｂを設け、交差領域ＺＡＢにおけるＳＡＷの伝播速度との速度差を調節するので、従来のＩＤＴ電極に新たな領域を追加することなくピストンモードのＳＡＷを励振することができる。

ここで図１（ａ）を用いて説明した例のように、グレーティング構造の伝播速度調節膜４ａ、４ｂを設けることは必須の要件ではない。構成材料の選択や膜厚の調節などにより、ギャップ領域ＲＢ側のＳＡＷの伝播速度の低減効果が十分に得られる場合には、図３に示すようにギャップ領域ＲＢの全面を覆う伝播速度調節膜４２を形成してもよい。
また、バスバー領域ＳＢ側のバスバー領域膜４１と一体に伝播速度調節膜４ａ、４ｂ、４２を形成することも必須ではなく、十分な加工精度が得られる場合には、バスバー領域膜４１を省略して伝播速度調節膜４ａ、４ｂ、４２のみを設けてもよい。

さらには、ピストンモードを励振するＳＡＷ素子は、誘電体膜５が装荷されたＴＣ－ＳＡＷ素子でなくてもよい。この場合には、電極指３ａ、３ｂが形成された圧電基板１１上に直接、伝播速度調節膜４ａ、４ｂ、４２が形成されることになる。従って、電極指３ａ、３ｂやバスバー２ａ、２ｂの短絡を防止する観点から、例えば誘電体により伝播速度調節膜４ａ、４ｂ、４２を形成する場合が好適である。またこのとき、伝播速度調節膜４ａ、４ｂ、４２は、酸化テルルのように、ＳＡＷの伝播速度が低い誘電体を採用してもよい。但し、金属によって伝播速度調節膜４ａ、４ｂを形成することが禁止されるものではなく、電極指３ａ、３ｂやバスバー２ａ、２ｂとの接触を避けつつ、ギャップ領域ＲＢに金属の伝播速度調節膜４ａ、４ｂをグレーティング状に形成してもよい。

以上に説明したＳＡＷ素子は、図１、図３に示す単体のＳＡＷ素子にて電子部品として利用することができる。また、圧電基板１１を縦方向に広げ、ＩＤＴ電極の前後に、グレーティング反射器を設けてもよい。
さらに当該ＳＡＷ素子は、複数のＳＡＷ素子をラダー状に接続したラダー型フィルタのように、共通の圧電基板１１に複数のＩＤＴ電極を設ける場合にも適用することができる。

そしてフィルタ、デュプレクサ、クアッドプレクサ、その他フィルタ機能を有するデバイスに本例のＳＡＷ素子は用いることができる。また当該デバイスは、ＰＡＭｉＤ、ＰＡｉＤ、ＰＡＤなどと呼ばれるパワーアンプデュプレクサモジュール(Power Amp Integrated Duplexer)、ＤｉＦＥＭなどと呼ばれるダイバーシティ受信用モジュール(Diversity Front End Module)に組み込むことができる。

伝播速度調節膜４ａ、４ｂの有無に応じたＳＡＷ素子の周波数特性をシミュレーションにより確認した。
Ａ．シミュレーション条件
（実施例）
図１を用いて説明した、ギャップ領域ＲＢにグレーティング構造の伝播速度調節膜４ａ、４ｂを備えたＳＡＷ素子のシミュレーションモデルを作成し、周波数－アドミタンス特性を調べた。その結果を図４に示す。
（比較例）
伝播速度調節膜４ａ、４ｂ及びバスバー領域膜４１が設けられていない点を除き、実施例と同様の構成のＳＡＷ素子のシミュレーションモデルを作成し、周波数－アドミタンス特性を調べた。その結果を図５に示す。

Ｂ．シミュレーション結果
図４に示す実施例のシミュレーション結果によれば、ＳＡＷの共振点、反共振点が確認され、ＳＡＷ素子として利用可能な特性を備えていることが確認できた。また、高次の横モードに起因するスプリアスも観察されず、挿入損失の小さいＳＡＷ素子を構成することができた。

一方、図５に示すように、比較例に係るＳＡＷ素子においては、高次の横モードに起因する多数のスプリアスが確認され、実施例のＳＡＷ素子と比べて挿入損失が大きくなることが分かる。
このように、実施例と比較例の対比からも、伝播速度調節膜４ａ、４ｂを備えた実施例に係るＳＡＷ素子は、スプリアスの少ない良好な特性を有することが確認された。

ＺＡＢ交差領域
ＲＢギャップ領域
１１圧電基板
２ａ、２ｂバスバー
３ａ、３ｂ電極指
４ａ、４ｂ伝播速度調節膜
５誘電体膜
６調節膜

Claims

弾性表面波素子を構成するための圧電基板と、
前記圧電基板上に形成された一対のバスバーと、これらバスバーの各々から対向するバスバーに向かって互いに櫛歯状に伸び出す複数の電極指と、を備え、これら複数の電極指の並び方向に沿って見たとき、一方のバスバーに接続された電極指と、他方のバスバーに接続された電極指とが交差する領域である交差領域と、この交差領域よりも各バスバー側に位置し、前記一方のバスバーに接続された電極指と、前記他方のバスバーに接続された電極指とが交差していない領域であるギャップ領域とが形成された一対のＩＤＴ電極と、
前記電極指が形成された弾性表面波素子の上面全体を覆うように形成され、前記圧電基板の温度－周波数特性とは反対の方向に周波数が変化する温度－周波数特性を有する誘電体膜と、
質量負荷効果により前記ギャップ領域における弾性表面波の伝播速度を、前記交差領域における弾性表面波の伝播速度よりも低下させて、これらギャップ領域と交差領域とにおける弾性表面波の伝播速度の速度差が、前記交差領域にピストンモードの弾性表面波を励振させる速度差となるように、前記誘電体膜の上面側であって、前記ギャップ領域における、前記交差領域内の各電極指の先端部と、バスバーとの間に対応する領域にグレーティング状に形成された伝播速度調節膜と、を備えたことを特徴とする弾性表面波素子。
隣り合って配置された電極指の中心線間の距離ｄに対し、当該電極指の延伸方向に沿って見た前記ギャップ領域の幅が０．１ｄ～２ｄの範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波素子。
前記バスバーの上面側には、前記交差領域及びギャップ領域よりも、各バスバーにおける弾性波の減衰が大きくなるようにするための調節膜が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の弾性表面波素子。
前記圧電基板は、ＬｉＮｂＯ_３であり、前記誘電体膜は酸化ケイ素、酸窒化ケイ素またはフッ素ドープ酸化ケイ素であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の弾性表面波素子。