JP7292100B2 - 弾性表面波素子、フィルタ回路及び電子部品 - Google Patents
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Description
前記圧電材料層の上面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、これら複数の電極指の形成領域の両脇に配置された反射器と、を備え、
前記圧電材料層の厚さは、前記複数の電極指の配置間隔に基づき規定される音響波長の1~2.5倍の範囲内であることと、
前記電極指により、前記圧電材料層に励振される弾性波のメインモードが漏洩弾性表面波であることと、
前記漏洩弾性表面波にて、伝搬損失が最小となる伝搬損失最小周波数と、当該漏洩弾性表面波と共に励振される遅い横波に起因して形成される板波スプリアスの周波数とが揃うように設計変数が設定されていることと、
前記圧電材料層の下層に伝搬する弾性波の最も遅いバルク波の伝搬速度が、前記漏洩弾性表面波の速度の1.05倍以上であることと、を特徴とする。
(a)前記設計変数は、圧電材料層の厚さ、前記電極指の厚さ、前記弾性表面波素子の電極指の配置間隔に占める電極指幅の割合である電極占有率と、を含む設計変数群から選択されたこと。
(b)前記支持基板は、シリコン、炭化ケイ素、ダイヤモンド、サファイア、水晶、アルミナ、スピネルからなる支持基板材料群から選択された支持基板材料により構成されていること。
(c)前記支持基板と前記圧電材料層との間には、誘電体あるいは金属材料からなり、前記音響波長の1倍以上の厚さを有する高音速層が形成されていること。
(d)前記支持基板の上面に、直接、前記圧電材料層が形成されているとき、前記支持基板の線膨張係数が、前記圧電材料層における前記漏洩弾性表面波の伝搬方向の線膨張係数より小さいこと。
(e)前記圧電材料層はLiTaO3により構成され、そのカット角がオイラー角表記において(0±10°、120~144°、0±10°)の範囲内であること。このとき、前記電極指は、アルミニウムを含む電極材料により構成され、前記音響波長の9%以上の膜厚を有すること。さらにこのとき、前記圧電材料層の厚さは、前記音響波長の1.2~1.8倍の範囲内であること。
(f)前記圧電材料層はLiNbO3により構成され、そのカット角がオイラー角表記において(0±10°、129~156°、0±10°)の範囲内、または、(0±10°、-5~25°、0±10°)の範囲内であること。
(g)前記複数の電極指及び反射器の上面側に、1層あるいは複数層の誘電体膜が装荷されていること。このとき、前記誘電体膜のうち少なくとも1層が、酸化ケイ素、酸窒化ケイ素、窒化ケイ素からなる誘電体材料群から選択された誘電体により構成されていること。
(h)前記支持基板を横波バルク波が伝搬する際の音速は、前記圧電材料層における遅い横波による2次の板波の音速、あるいは速い横波による1次の板波の音速のどちらか遅い方よりも遅いこと。
(i)前記圧電材料層はLiTaO3により構成され、そのカット角がオイラー角表記において(0±10°、120~144°、0±10°)の範囲内であり、前記支持基板が水晶であること。
本電子部品は、上述のフィルタ回路を複数組備え、マルチフィルタまたはマルチプレクサとして機能することを特徴とする。
図1、2に示すように、例えばSAW素子1は、矩形形状の支持基板102上に、SAWを励振させる圧電体層101を接合し、当該圧電体層101の上面に、IDT(InterDigital Transducer)電極と反射器13とを設けた構成となっている。
反射器13は、短絡された複数の電極指により構成され、上述のIDT電極の両脇に配置される。
図1中に示すように、電極指3(3a、3b)の厚さh、隣り合う電極指3の配置間隔d、電極指3の電極指幅w、電極指3の隙間幅g、圧電体層101の厚さHとする。
すなわち、圧電体層101における伝搬速度が高いために、圧電体層101の表面から漏洩した弾性波(遅い横波)は支持基板102と圧電体層101との境界面で反射される。そして、反射された弾性波が支持基板102表面側へと伝搬しIDT電極で再受信されることで電気信号として検出される。これにより、弾性波の基板内部方向への漏洩による損失が改善され、デバイス性能(Q値)を改善することが可能となる。
例えば図3は、42LTの圧電体層101上にアルミニウム(Al)のIDT電極(電極指3の配置間隔dは2μm、電極指幅wは1μm、電極厚さhは480nm)とし、圧電体層101の厚さHをそれぞれ4.4(1.1λ(音響波長))、5.2(1.3λ)、6μm(1.5λ)と変化させた際の無限周期グレーティングにおける周波数特性のシミュレーション結果を示している。
このような技術上の課題を解決するにあたり、発明者は漏洩弾性表面波の損失が最小となる伝搬損失最小周波数fdに着目し、当該伝搬損失最小周波数fdは、電極指3の厚さhや、圧電体層101のカット角によって調整できることを見出した。
そして、圧電体層101を構成する圧電材料やそのカット角、電極指3を構成する電極材料やその厚さhなどのパラメータを変化させて得られた値をプロットすることで、共振周波数frや伝搬損失最小周波数fdの変化の様子を示すグラフを得ることができる(後述の図8や図14)。
なお、速度を音響波長λで割った値が周波数であるため、(実効)速度が一致していれば、周波数も一致することになる。
これに対して圧電体層101の板厚を6.8μmとすると、共振周波数frのばらつきは100ppm程度に収まり、圧電体層101の製造、加工時におけるばらつきの影響が共振周波数frに与える影響が小さく済む。
具体的には1.2~1.8音響波長程度の板厚であれば、SV1の板波スプリアス周波数の板厚に対する依存性が低く、かつSV2の板波スプリアスの周波数が共振周波数より十分に高いような条件を選択することができる。
比較形態は、支持基板102を含まない42LT単体の圧電体層101を用いた点(板厚は6.8μm)と電極指3の厚さを320nm(音響波長λの8%)にした点を除いて実施形態と同様である。
ここで、「スプリアスの周波数と、伝搬損失最小周波数fdとを揃える」とは、これらの周波数が厳密に一致する場合に限定されない。上述の考え方に基づき、圧電体層101の板厚を決定した結果、板厚の調節を行わなければ発生していたスプリアスを、実用上、問題の無い程度まで低減することができるように、スプリアスの周波数と、伝搬損失最小周波数fdとを近づけることも、これらの周波数を「揃える」ことに含まれる。
本例のSAW素子1においては、当該SAW素子1を共振子として用いたフィルタ回路などの通過帯域内でSAWが非漏洩状態(漏洩した弾性波成分が圧電体層101内に閉じ込められている状態)としている。この状態を形成するためには、支持基板102の構成材料のバルク波音速が十分に速いことが必要である。この観点では、少なくともSAW素子1の共振周波数-反共振周波数間で程度を非漏洩状態にできるように、メインモードのSAWの1.05倍以上程度の音速を支持基板102が有している必要がある。
本実施例では支持基板102にSiを用いているため、その線膨張係数が約3ppm/℃であり、42LTのX軸方向の線膨張係数が約16ppm/℃であることから、薄い圧電体層101の線膨張を支持基板102が抑える働きも期待できる。この結果、線膨張起因の周波数変動が低減され、TCF(Temperature Coefficient of Frequency、周波数温度特性)として13ppm/℃程度の改善も見込まれる。
ここで図7に示したように板波スプリアスの生じる周波数は圧電体層101の厚さへの依存性が大きい一方で、電極指3の厚さへの依存性は小さい。一方、メインモードのSAWの周波数の依存性は電極指3の厚さへの依存性が大きく、伝搬損失最小周波数fdはLiTaO3のカット角と電極指3の厚さへの依存性が大きいことを把握している。
解析結果を図11(a)~(c)にそれぞれ示す。図11(a)(圧電体層101の板厚Hが4.6μm)、図11(c)(同板厚Hが5.4μm)では共振周波数の近傍において、破線で囲んだ位置に板波スプリアスSPが生じている。一方、図11(b)(同板厚Hが5μm)ではスプリアスが消えた特性を得られている。
LiTaO3により圧電体層101を構成する場合の代表的なカット角を例示しておくと、オイラー角表記において(0±10°、120~144°、0±10°)の範囲内である場合を例示できる。
LiNbO3により圧電体層101を構成する場合の代表的なカット角を例示しておくと、オイラー角表記において((0±10°、129~156°、0±10°)の範囲内、または、(0±10°、-5~25°、0±10°)の範囲内である場合を例示できる。
この観点で例えば図15に示すように、支持基板102として水晶(オイラー角表示(0°、90°、105°))を用いることで、共振周波数より十分高い周波数においてもスプリアスを抑圧しながら、挿入損失は前述図9と同等に改善したデバイスが得られる。この時、解析に用いた設計は、既述の解析条件に加え、42LTの圧電体層101の板厚が5.2μm、電極指3の厚さが480nm(音響波長λの12%)であり、支持基板102を水晶としている。
一方で、図16の例では、Siの最も遅いバルク波速度は5860m/s(SAW速度の1.56倍)程度である。また、圧電体層101を伝搬する遅い横波による2次の板波速度は4220m/sなので、上述の要件を満たしていない。
所望のフィルタ特性を得るフィルタ回路の構成として、図18のように入力ポート41、出力ポート42間に直列、及び並列に、それぞれ一以上ずつ本例のSAW素子1、1a、1bを接続し、直列共振子1c、並列共振子1dとする。そして直列共振子1cの共振周波数と、並列共振子1dの反共振周波数とが概略一致するように設計するラダー型フィルタが知られている。
例えば図18中に符号(1)~(4)を付した4つの共振子(直列共振子1c、並列共振子1d)からなるフィルタ回路を考える(この例では符号(※)を付した直列共振子1cは設けられていないものとする)。そしてこれらの共振子1c、1dの共振周波数が「(1)<(2)<(3)<(4)」の順に高くなっているとする。
さらに符号(1)~(4)のフィルタ回路の例につき、電極占有率について、例えば「(2)<(1)=(4)=(3)」や、「(1)<(2)=(3)=(4)」といったように、共振周波数が相違する他の共振子1d、1cよりも電極占有率が小さい共振子1dを設けてもよい。電極占有率が小さい共振子1dは1個に限らず、「(1)<(2)<(3)=(4)」のように複数個設けてもよい。
デュプレクサやマルチプレクサ内のラダー型フィルタ間では、直列共振子1cや直列共振子1dの共振周波数が互いに相違する場合がある。従って、上述の場合も共振周波数が相違する他の共振子1d、1cよりも電極占有率が大きい直列共振子1cや電極占有率が小さい並列共振子1cが設けてられているフィルタ回路の例であると言える。
以上に具体例を挙げて説明してきたように、圧電体層101の厚さH、電極指3の厚さh、電極占有率を含む設計変数群から選択された設計変数の設定を行うことにより、伝搬損失最小周波数fdを調節することが可能である。
SAW素子
101 圧電体層
102 支持基板
13 反射器
3、3a、3b
電極指
Claims (18)
- 支持基板上に設けられた圧電材料層と、
前記圧電材料層の上面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、これら複数の電極指の形成領域の両脇に配置された反射器と、を備え、
前記圧電材料層の厚さは、前記複数の電極指の配置間隔に基づき規定される音響波長の1~2.5倍の範囲内であることと、
前記電極指により、前記圧電材料層に励振される弾性波のメインモードが漏洩弾性表面波であることと、
前記漏洩弾性表面波にて、伝搬損失が最小となる伝搬損失最小周波数と、当該漏洩弾性表面波と共に励振される遅い横波に起因して形成される板波スプリアスの周波数とが揃うように設計変数が設定されていることと、
前記圧電材料層の下層に伝搬する弾性波の最も遅いバルク波の伝搬速度が、前記漏洩弾性表面波の速度の1.05倍以上であることと、を特徴とする弾性表面波素子。 - 前記設計変数は、圧電材料層の厚さ、前記電極指の厚さ、前記弾性表面波素子の電極指の配置間隔に占める電極指幅の割合である電極占有率と、を含む設計変数群から選択されたことを特徴とする請求項1に記載の弾性表面波素子。
- 前記支持基板は、シリコン、炭化ケイ素、ダイヤモンド、サファイア、水晶、アルミナ、スピネルからなる支持基板材料群から選択された支持基板材料により構成されていることを特徴とする請求項1に記載の弾性表面波素子。
- 前記支持基板と前記圧電材料層との間には、誘電体あるいは金属材料からなり、前記音響波長の1倍以上の厚さを有する高音速層が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の弾性表面波素子。
- 前記支持基板の上面に、直接、前記圧電材料層が形成されているとき、前記支持基板の線膨張係数が、前記圧電材料層における前記漏洩弾性表面波の伝搬方向の線膨張係数より小さいことを特徴とする請求項1に記載の弾性表面波素子。
- 前記圧電材料層はLiTaO3により構成され、そのカット角がオイラー角表記において(0±10°、120~144°、0±10°)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。
- 前記電極指は、アルミニウムを含む電極材料により構成され、前記音響波長の9%以上の膜厚を有することを特徴とする請求項6に記載の弾性表面波素子。
- 前記圧電材料層の厚さは、前記音響波長の1.2~1.8倍の範囲内であることを特徴とする請求項7に記載の弾性表面波素子。
- 前記圧電材料層はLiNbO3により構成され、そのカット角がオイラー角表記において(0±10°、129~156°、0±10°)の範囲内、または、(0±10°、-5~25°、0±10°)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。
- 前記複数の電極指及び反射器の上面側に、1層あるいは複数層の誘電体膜が装荷されていることを特徴とする請求項1に記載の弾性表面波素子。
- 前記誘電体膜のうち少なくとも1層が、酸化ケイ素、酸窒化ケイ素、窒化ケイ素からなる誘電体材料群から選択された誘電体により構成されていることを特徴とする請求項10に記載の弾性表面波素子。
- 前記支持基板を横波バルク波が伝搬する際の音速は、前記圧電材料層における遅い横波による2次の板波の音速、あるいは速い横波による1次の板波の音速のどちらか遅い方よりも遅いことを特徴とする請求項1に記載の弾性表面波素子。
- 前記圧電材料層はLiTaO3により構成され、そのカット角がオイラー角表記において(0±10°、120~144°、0±10°)の範囲内であり、前記支持基板が水晶であることを特徴とする請求項10に記載の弾性表面波素子。
- 共振子として、請求項1に記載の弾性表面波素子を複数個備えたことを特徴とするフィルタ回路。
- 前記弾性表面波素子の電極指の配置間隔に占める電極指幅の割合を電極占有率と呼ぶとき、
入出力端子に対して直列に接続された一つ以上の前記共振子である直列共振子と、前記直列共振子に対して並列に接続された前記共振子である一つ以上の並列共振子とを有し、前記並列共振子よりも直列共振子の電極占有率が大きいことを特徴とする請求項14に記載のフィルタ回路。 - 前記弾性表面波素子の電極指の配置間隔に占める電極指幅の割合を電極占有率と呼ぶとき、
共振周波数が互いに相違する二つ以上の共振子を備えたフィルタ回路であって、共振周波数が相違する他の共振子よりも前記電極占有率が大きい共振子を含むことを特徴とする請求項14に記載のフィルタ回路。 - 前記弾性表面波素子の電極指の配置間隔に占める電極指幅の割合を電極占有率と呼ぶとき、
共振周波数が互いに相違する二つ以上の共振子を備えたフィルタ回路であって、共振周波数が相違する他の共振子よりも前記電極占有率が小さい共振子を含むことを特徴とする請求項14に記載のフィルタ回路。 - 請求項14に記載のフィルタ回路を複数組備え、マルチフィルタまたはマルチプレクサとして機能することを特徴とする電子部品。
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