JP7292100B2 - 弾性表面波素子、フィルタ回路及び電子部品 - Google Patents

弾性表面波素子、フィルタ回路及び電子部品 Download PDF

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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。
弾性表面波(SAW:Surface Acoustic Wave)を用いる弾性表面波(SAW)素子は主に移動体通信端末のフィルタやデュプレクサ(アンテナ共用器)として用いられている。SAW素子に用いられる圧電基板としては、LiTaOやLiNbOといった単結晶圧電材料が広く用いられている。
一方で最近、BAND25に代表されるような送受信の周波数間隔の非常に狭い周波数帯域を利用する通信システムや、キャリアアグリゲーションのような複数の周波数帯域を利用して同時に通信を行う通信システムの開発に伴い、低挿入損失かつ通過帯域と減衰帯域の間の遷移域が非常に急峻なデバイスに対する市場要求が高まっている。
通過帯域と減衰帯域の間の遷移域を狭くするためにLiTaOと支持基板を接合することで、圧電基板の線膨張係数を改善するものとして特許文献1のような事例がある。しかしながら特許文献1に記載の技術は、線膨張係数の低下による周波数温度特性の改善に留まっており、挿入損失を十分に低減できていない。
最近、さらに損失を低減し温度特性を改善するような手法として、特許文献2に記載のように圧電基板と支持基板を接合し、かつ圧電基板の厚さをSAWの音響波長の1倍以下(「1音響波長以下」等と記載する)と非常に薄くする技術が提案されている。この技術によると、漏洩弾性表面波の漏洩成分を圧電基板内に閉じ込めることで大幅な特性改善を実現している。しかしながら、圧電基板を1音響波長以下とすることで圧電基板の厚さが1μm程度あるいはそれ以下になってしまい製造が困難となる問題や、圧電基板の厚さのばらつきによってSAW素子の周波数特性に大きなばらつきが生じてしまう問題などが生じる。
特許第3952666号公報 特許第5713025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、製造しやすく、安定な周波数特性を有する弾性表面波素子、フィルタ回路、電子部品を提供する。
本弾性表面波素子は、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。
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)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LiTaO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LiNbO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LiTaO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。
また、本フィルタ回路は、共振子として、上述の弾性表面波素子を複数個備えたことを特徴とする。またここで、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。または、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、あるいは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。
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。
本発明によれば、圧電材料層の厚さが音響波長の1倍を超える場合であっても、スプリアスが抑制される設計条件を選択しているので、製造しやすく、良好な特性を持つ弾性表面波素子を得ることができる。
実施の形態に係るSAW素子の縦断側面図である。 前記SAW素子の平面図である。 圧電材料層の厚さに応じたスプリアスの発生位置の変化を示す特性図である。 伝搬損失最小周波数を求めるためのシミュレーションモデル図である。 伝搬損失最小周波数を示す特性図である。 電極指の厚さとSAWの伝搬速度との関係を示す特性図である。 圧電材料層の厚さと弾性波の伝搬速度との関係を示す特性図である。 電極指の厚さと、共振周波数、伝搬損失最小周波数における実効音速との関係を示す特性図である。 実施形態、比較形態に係るSAW素子の特性図である。 高音速層を備えたSAW素子の縦断側面図である。 伝搬損失最小周波数を変化させたときのアドミッタンス特性図である。 圧電材料のカットを変化させたときのアドミッタンス特性図である。 圧電材料層の厚さと弾性波の伝搬速度との関係を示す第2の特性図である。 電極指の厚さと、共振周波数、伝搬損失最小周波数における実効音速との関係を示す第2の特性図である。 圧電材料として水晶を用いたSAW素子の特性図である。 圧電材料としてシリコンを用いたSAW素子の特性図である。 他の例に係るSAW素子の縦断側面図である。 本例のSAW素子を共振子に用いたフィルタ回路の構成図である。 共振周波数、伝搬損失最小周波数における、電極占有率と実効音速との関係を示す特性図である。
始めに、図1、2を参照しながら実施形態に係る弾性表面波素子(SAW素子)1の構成例について説明する。図1は本例のSAW素子1を模式的に示した縦断側面図、図2は、当該SAW素子1を模式的に示した拡大平面図である。
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。
IDT電極は、例えば圧電体層101の対向する2辺に沿って伸びるように設けられ、各々信号ポート11a、11bに接続される2本のバスバー12a、12bと、各バスバー12a、12bから、これらバスバー12a、12bと交差する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。
図2に示すように、一方のバスバー12a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12b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12bに接続された電極指3bは、前記一方のバスバー12a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。また図2に示すように、各バスバー2a、2bにはダミー電極31を接続してもよい。
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。
圧電体層101を構成する材料として、42°近辺の回転YカットX伝搬(オイラー角表記で(0°、132°、0°))のLiTaO(以下、「42LT」とも記載する)を例示できる。バスバー2a、2b、電極指3a、3bは、例えばアルミニウム(Al)により構成されている。
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。
上述の構成を備えるSAW素子1においては、メインモードの漏洩弾性表面波(Leaky SAW)が励振され、「遅い横波」と呼ばれる弾性波成分が圧電体層101内部方向へ漏洩することにより音響的損失が生じる。このため、通常、漏洩弾性表面波を利用したSAW素子は、Q値が制限されてしまう。
これに対して本例のSAW素子1は、前記遅い横波の伝搬速度が、圧電体層101におけるSAWの速度よりも高い材料からなる支持基板102上に、圧電体層101を接合した構成となっている。この構成により、圧電体層101の内部に向けて漏洩する弾性波成分を圧電体層101内に閉じ込め、Q値を改善することが可能となる。
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。
一方で、薄板状の圧電体層101を、弾性波の伝搬速度が高い支持基板102上に接合した場合、圧電体層101の内部方向に漏洩した弾性波成分によって板波系のスプリアスモードが生じる。例えば既述の特許文献2においては、圧電体層101の厚さを極めて薄くして、1音響波長(λ)未満としている。これにより、板波系のスプリアスモードの生じる周波数が、SAW素子1で構成されたフィルタの通過帯域外に生じるように設計することができる。
しかしながら、例えば特許文献2においては圧電体層の厚みは0.5λ以下程度であることが好適であるという記述がみられる。このとき1~2GHzのSAW素子1の場合、圧電体層101の厚みHは2μm~1μm程度以下であり、非常に薄い圧電体層101を製造する必要がある。通常、圧電体層101は、結晶から切り出して支持基板102上に直接接合などにより接合され,研磨等により所望の厚みに加工する。このため、極めて薄い圧電体層101の製造は困難であるばかりでなく、圧電体層101の厚さのばらつきによってSAW素子1の周波数特性に大きなばらつきが生じてしまうおそれがある。
一方、1音響波長以上の厚さを有する圧電体層101を用いる場合には、製造上の問題は抑えられるが、既述のように板波によるスプリアスの問題が生じる。
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。
図3によれば、1音響波長以上の厚さの圧電体層101にて、SAW素子1の共振周波数、反共振周波数の近辺に、スプリアス応答(SP)が発生していることが分かる。また、当該スプリアスは、圧電体層101が厚くなるに従い、周波数が低下すると共に、その強度が小さくなる傾向があることが確認できる。
本実施形態では、圧電体層101の厚さを1音響波長以上にする際に生じるスプリアスを抑圧することで、製造上の困難さを緩和しつつ高性能なSAW素子1を得る。
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。
例えば参考文献(O.Kawachi, et al., IEEE Transaction of Ultrasonics, Ferroelectric and Frequency Control Vol.48. No.5 (2001) 10.1109/58.949755)に記載のように、伝搬損失最小周波数fdにおいて、既述の「遅い横波」は漏洩弾性表面波と分離していることが知られている。これは、伝搬損失最小周波数fdにおいては、SAWの励振に伴う漏洩成分が非常に小さくなるということを示している。
そこで、圧電体層101を1音響波長以上の厚さとした際に生じるスプリアスの周波数と、伝搬損失最小周波数fdとを揃えることにより、スプリアスの原因となる板波を誘起する漏洩成分を小さく抑えれば、スプリアスを抑圧することが可能となる。これにより通過帯域内におけるスプリアスの発生を抑圧しつつ、漏洩弾性表面波を圧電体層101内に閉じ込めることで損失を低減する。
次に、共振周波数frや伝搬損失最小周波数fd、あるいは各モードの周波数を特定する手法について説明する。図4は、圧電体層101上に電極指3を配置し、その右、左の端部が連続であるという境界条件を課した、無限周期グレーティング構造のモデルである。当該モデルについて有限要素法(FEM:Finite Element Method)を用いた解析を行うことによって上述の各周波数を特定することができる。
例えば図4において、圧電材料として48LTを用い、アルミニウム電極指3の厚さhが音響波長λの11%、電極間隔dが2μm、電極幅wが1μm、音響波長λが4μmとして計算した結果を図5に示す。図5によれば、コンダクタンス(アドミタンスの実部)の最大ピークを共振周波数frとして特定し、コンダクタンスの最小ピークを伝搬損失最小周波数fdとして特定することができる。
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)。
一方、板波を計算する場合は、図4において、圧電材料の下部に支持基板102を設けたモデルに変更して同様の解析を行う。圧電体層101の厚さ、構成材料、カット角や電極指3の厚さ、構成材料などをパラメータとして、メインモードと各板波のスプリアス周波数を計算する。これにより、SAWや遅い横波のモードチャートを得ることができる(後述の図7や図13)。
特に断らない限り、以下の解析では、支持基板102の構成材料(支持基板材料)は42LT、電極指3の電極材料はアルミニウム、電極指3の間隔dは2μm、電極指3の電極指幅wは1μm(電極占有率0.5)とし、SAWの音響波長λは4μm、電極指3の本数は257本、反射器13は両側各32本であり、電極指3と反射器13は同間隔、電極指3(3a、3b)の交差幅は20λに設定した場合について解析している。
図6は電極占有率(電極指3の電極指幅w/電極指3の配置間隔d)が0.5であるとき、SAWの波長で規格化した電極指3の厚さに対するSAW速度の依存性を示している。この結果から、電極指3の厚さを音響波長(λ)の9%程度以上とすると、SAW速度が支持基板102を構成する42LTのバルク波の1つである「速い横波」の音速4210m/sの0.93倍(約3915m/s)以下になる。この結果、速い横波に起因する板波スプリアスが通過帯域内からはずれるため、好適であることが分かる。
但し、電極指3の電極占有率が0.5より大きい場合や、電極材料がCuやAu、Pt、Ti、Ru、W、Mo、Co等といったAlより高密度の材料である場合、あるいは高密度の電極材料とAlとが複合、積層されている電極指3等の場合は、電極指3の厚さが音響波長λの9%未満でもSAW速度は十分に遅くなりうる。このため、電極指3の厚さhは音響波長λの9%以上に設定する場合に限定されることはない。
図7はSAWの波長λで規格化した圧電体層101の厚さに対する、メインモードと板波スプリアスモードの音速をプロットしたモードチャートである。既述の解析条件に加え、電極指3の厚さhは、480nm(音響波長λの12%)として解析している。図7中、「SHSAW」はメインモード、「SV1、SV2、SV3」はそれぞれ次数の異なる遅い横波による板波スプリアスを示している。
また図8は圧電体層101上に形成した電極指3の各膜厚における、伝搬損失最小周波数fd、共振周波数frの実効音速のプロットである。ここで、実効音速は、音響波長λを用いて各周波数fd、frを速度換算した値である。また、電極指3の厚さについても音響波長λを用いて規格化している。
図8によれば、電極指3の厚さを変化させることによって、伝搬損失最小周波数fdと共振周波数frとの相対的な周波数位置を調整することが可能であることが分かる。例えば、電極指3の間隔dを2μm(音響波長λが4μm)とし、膜厚480nm(音響波長λの12%)のアルミニウムの電極指3にてIDT電極を形成したとき、伝搬損失最小周波数fdはその実効速度が約3620m/sである。
一方、既述の図7によれば、遅い横波SV1による板波スプリアスが約3620m/sとなる圧電体層101の板厚は1.7音響波長であることが読み取れる。従って、圧電体層101の板厚の実寸法を6.8μm程度にすれば板波スプリアスの周波数と、伝搬損失最小周波数fdとが揃うことになる。
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。
ここで、既述の特許文献2に記載の技術のように、すべての板波スプリアスを帯域外に位置させるとしたとき、図7によれば圧電体層101の板厚は、2.4μm(規格化板厚0.6)程度にすればよいことも分かる。しかしながら圧電体層101の板厚が±0.2μm程度ばらついたとした場合、圧電体層101の板厚が2.4μmとすると、共振周波数frのばらつきが600ppm程度となる解析結果が得られた。
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。
さらに図7からは、圧電体層101の板厚が大きくなるに連れて各板波スプリアスの音速(即ちスプリアスが生じる周波数)の傾きも小さくなっている。従って、板厚の変化に対して板波スプリアスが生じる周波数の依存性も小さくなってくることが分かる。この観点でも圧電体層101の板厚を厚くすることにより、板波スプリアスの周波数と、伝搬損失最小周波数fdとを揃えやすくなり製造上のばらつきによる特性変動を小さくできる。
一方で図7によれば、SHSAWとSVn(n=1、2、3)のモードが近づくとき、お互いのモードが結合するために、圧電体層101の板厚に対するメインモードの周波数感度が大きくなってしまう。このことから、SV1の板波スプリアスが共振周波数より低く、SV2の板波スプリアスは共振周波数より十分に高くなるような圧電体層101板厚を選択することで、スプリアス強度や共振周波数に対する板厚の影響を低めることが可能となる。
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。
以上に説明した考え方に基づき、実施形態に係るSAW素子1、及び従来のLT単結晶を用いた比較形態に係るSAW素子のアドミタンスとコンダクタンス特性を図9に示す。実施形態における設計は42LT(オイラー角表記で(0°、132°、0°))、圧電体層101の板厚は6.8μm、電極指3の厚さは480nm(音響波長λの12%)、支持基板102はシリコン基板であり、その他の条件は既述の解析条件の設定と同様である。
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。
比較がしやすいように、図9においては実施形態、比較形態それぞれの共振周波数が1となるように横軸を規格化している。共振周波数-反共振周波数間におけるコンダクタンスの値が小さいとその共振子は損失が小さいということであり、比較形態と比べて反共振周波数(規格化周波数:1.04)付近にてコンダクタンスが10dB以上改善していることが分かる。
また図9の解析結果をみると、図7の遅い横波SV1による板波スプリアスの実効速度である約3620m/sに対応する、905MHz(規格化周波数にして0.966)近辺にスプリアスは生じておらず、本例の設計手法で板波スプリアスが抑圧できていることが分かる。
本実施形態によれば、圧電体層101の厚さが1音響波長を超える場合であっても、板波に起因するスプリアスが抑制される設計条件を選択しているので、製造しやすく、良好な特性を持つSAW素子1を得ることができる。
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。
次に、圧電体層101の厚さ(板厚)以外の設計変数についても確認しておく。
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。
本例のSAW素子1にてラダー型フィルタを構成することを考慮すれば、より好適には、共振周波数を基点として、共振周波数-反共振周波数の間隔の倍程度の周波数帯域にてSAWが非漏洩状態となることが好ましい。この観点では、メインモードのSAW速度の1.08倍以上程度の音速を、支持基板102が有していることが望ましい。
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。
図9を用いて説明した損失低減や、上述の周波数温度特性の改善は、支持基板102の構成材料としてSiを用いた場合の特有の効果ではない。バルク波の音速が十分に大きく、線膨張係数が小さく、本例のSAW素子1に用いること可能な構成材料として、シリコン(Si)、炭化ケイ素(SiC)、ダイヤモンド(C)、サファイア(単結晶Al)、水晶(SiO)、アルミナ(多結晶Al)、スピネル(MgAl)からなる支持基板材料群から選択された支持基板材料を例示することができる。
また支持基板102の構成材料がバルク波の音速に関する上述の要件を満たさない場合であっても、図10に示すように、酸化アルミニウム(Al)や酸化チタニウム(TiO)、窒化アルミニウム(AlN)といったバルク波の音速が高い誘電体膜、あるいはベリリウムなどの金属膜(高音速層103)を積層したものに圧電体層101を接合してSAW素子1aを構成してもよい。この場合、圧電体層101の下部に存在する高音速層103にて、漏洩成分がエヴァネセントになり反射される。高音速層103は1音響波長以上程度あれば適当である。また、ここに挙げた材料以外でも適当な密度や弾性率といった物性を有してさえいれば本例のSAW素子1、1aへの適用は可能となる。
次に圧電体層101の構成材料であるLiTaOのカット角を変化させた場合においても、図6~9を用いて説明した例と同様の議論が成り立つことを説明する。
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LiTaO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。
そこで本例のSAW素子1を共振子として用いるフィルタ回路の帯域幅に応じて圧電体層101に用いるLiTaOのカット角を変化させることで、好適な電気機械結合係数を得ることが可能となる。使用したいカット角に応じて電極指3の厚さと圧電体層101の板厚とを決定できれば、既述の例と同様に共振-反共振周波数近傍のスプリアスを抑圧することが可能となる。
例えば48°回転Yカット-X伝搬(オイラー角表記で(0°、138°、0°))のLiTaOを例に上げると、電極指3の厚さhを440nm(音響波長λの11%)とし、圧電体層101の板厚Hを4.6、5、5.4μmと変化させ、他の条件は既述の解析条件と同様として解析を行った。
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。
ここで図11(b)と同じ設計条件にて48LTの代わりに42LTを用いて圧電体層101を構成した場合の解析結果を図12に示す。LiTaOのカット角のみが異なる設計であるが、こちらでは960MHz付近に大きなスプリアスSPが生じてしまうことが分かる。
また、48LT(電極指3の厚さ440nm)の圧電体層101におけるモードチャートを図13に示し、48LTの圧電体層101上に形成した電極指3の各膜厚における、伝搬損失最小周波数fd、共振周波数frの実効音速のプロットを図14に示す。これらの図から、圧電体層101の構成材料として48LTを用いた場合は、電極指3の厚さが440nm(音響波長の11%)、圧電体層101の板厚5μm(1.25音響波長)であるとき、伝搬損失最小周波数fdの実効速度と、板波スプリアスの速度がどちらも約3830m/sとなり、これらの周波数を揃えることができる。
上述の解析結果から、LiTaOのカット角を変化させた場合でも、電極指3の厚さ、圧電体層101の板厚を適切に設定することによってスプリアスを抑圧できることが分かる。言い替えると、任意のカット角のLiTaOについても、電極指3の厚さと圧電体層101の板厚を適切に選択することにより、スプリアスが抑圧されたSAW素子1を得ることが可能となる。従って、設計するフィルタ回路の周波数帯域幅にあわせて圧電体層101のカット角を選択することも可能となる。
LiTaO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。
また、回転YカットLiNbOの圧電体層101上で励振される漏洩弾性表面波についても伝搬損失最小周波数fdを有するため、上述の手法を適用することが可能である。
LiNbO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。
以上に検討したように、SAW素子1において、圧電体層101の厚さはIDT電極で励振する弾性表面波の波長に比例する。そこで圧電体層101が最も薄くなる場合を想定して、SAW素子1の適用範囲上限程度である2.6GHzにおける実サイズを考える。この場合、SAWの波長は1.5μm程度となるため、SAW素子1における圧電体層101の板厚は1.5音響波長、つまり2.2μm程度となり、1μm以上の板厚とすることができる。
従来の1音響波長以下の板厚の圧電体層101を貼り合わせる構造では、0.3音響波長程度が例示されており、1μmを大きく下回るような構造になっている(例えば特許文献2)。このことから本例のSAW素子1の加工上の優位性が示される。また、実用的かつ比較的低い周波数である1GHz程度であっても、従来のSAW素子の板厚は1μm程度であり、かつ要求される偏差が小さいことから加工難易度は非常に高いことが分かる。
デュプレクサやマルチプレクサ機能を有する電子部品への応用を考慮した場合、組み合わせるフィルタ回路の通過帯域内におけるスプリアスはアイソレーションの悪化につながるため、共振周波数付近のみならず、広い周波数にわたってスプリアスが無いことが望まれる。
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。
図16は42LTの圧電体層101の板厚を6.8μmとし、支持基板102の構成材料としてSiを用いた場合の特性図である。共振-反共振周波数の付近はスプリアスが無くフィルタの通過帯域形成には十分な特性を有しているが、1,050MHz以降において遅い横波と速い横波による板波に起因する複数のスプリアスSPsが生じている。
同様にSiを支持基板102の構成材料として用いた図11(b)の例では、高い周波数における板波スプリアスを抑圧できている。これは板波が支持基板102の内部に漏洩することにより、板波の閉じ込めが非常に弱くなり、それによるスプリアスが大きく抑圧されるためである。
この現象は、図15に示す例のように水晶により支持基板102を構成する場合に限らず、既述のように支持基板102におけるバルク波の伝搬速度(音速)を適当に選択することで可能となる。より具体的な音速の選択方法として、SAWが表面に閉じ込められる(非漏洩状態となる)ように支持基板102の構成材料を選択する必要がある。適切な構成材料を選択し、支持基板102におけるバルク波の音速をSAW速度の1.05倍程度以上とする。さらに、スプリアスとなる高い周波数の板波が漏洩モードになるように、圧電体層101を伝搬する遅い横波による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が、支持基板102における前記バルク波より高音速とする必要もある。
実際、解析によるこのカット角(0°,90°,105°)における水晶の最も遅いバルク波速度は4100m/s程度(SAW速度の1.09倍)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4480m/s程度なので上述の要件を満たしている。
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。
本例への応用として通常の弾性表面波素子と同様に、耐候性、耐環境性改善のために酸化ケイ素、酸窒化ケイ素や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材料の単層あるいはこれらの複数を含む積層構造を有する誘電体膜をパッシベーション膜104として、IDT電極上に形成することが考えられる(図17のSAW素子1b)。また、このときパッシベーション膜104において、LiTaOやLiNbOとは周波数温度特性が反対の酸化ケイ素あるいは酸窒化ケイ素を用いれば温度変動による周波数変動を低減する効果が生じることが知られている(誘電体膜の装荷)。これは弾性波素子の温度特性の改善にも寄与する。
次いで、上述のSAW素子1、1a、1bを用いてフィルタ回路を構成する例について説明する。
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。
図18に示した回路構成は一例であり、SAW素子1の数の変更や、DMS(Double Mode SAW)フィルタとの組み合わせ、インダクタ、キャパシタ等の付加回路によるフィルタ特性の調整、改善は当然可能である。この場合、直列共振子1cと並列共振子1dのSAWの波長は異なるため、SAWの波長で規格化した圧電体層101の板厚も互いに相違することとなる。一方で、これらの直列共振子1c、並列共振子1dは例えば共通の圧電体層101上に同時にパターニングされるため、電極指3の厚さを互いに相違させることが困難な場合がある。
そこで、このような場合においても双方の直列共振子1c、並列共振子1dにおける板波スプリアスを抑圧することが可能な設計変数が必要となる。この点、図19に示す例は、それぞれの直列共振子1c、並列共振子1dの電極占有率を異ならせることによって、伝搬損失最小周波数fdと共振周波数frとの相対的な周波数位置を調整できることを示している。なお、この解析では電極指3の厚さは480nm(音響波長λの12%)としている。
周波数の低い並列共振子1dの方が波長は長くなるため、規格化された圧電体層101の板厚は薄くなり、共振周波数に対して板波スプリアスの生じる周波数は相対的に高くなる。つまり並列共振子1dより直列共振子1cにおける電極指3の電極占有率を大きくする(言い替えると直列共振子1cより並列共振子1dにおける電極指3の電極占有率を小さくする)。この結果、並列共振子1dの共振周波数に対する伝搬損失最小周波数fdの相対的な周波数が高くなり、両方のスプリアスを抑圧可能とし、フィルタに好適な設計が可能となる。
またフィルタ回路内に、電極占有率が相違する共振子を配置する際の基準は、既述のように並列共振子1dよりも直列共振子1cの電極占有率を大きくする例に限定されない。例えば、共振周波数に応じて、電極占有率を相違させる共振子を選択してもよい。
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。
このとき、電極指3の電極占有率については、例えば「(1)=(2)=(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大きい共振子1cを設けてもよい。また1個に限らず、「(1)=(2)<(3)<(4)」のように、電極占有率が大きい共振子1cを複数個設けてもよい。
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。
この他、ラダー型フィルタを複数個備えるデュプレクサやマルチプレクサを構成するにあたり、予め選択した1個または複数個のラダー型フィルタについてのみ、選択したフィルタに含まれる直列共振子1cの電極占有率を大きくしてもよい。これとは反対に、選択したフィルタに含まれる直列共振子1dの電極占有率を小さくしてもよい。
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。
本例のSAW素子1、1a、1bを用いれば、通過帯域内に板波に起因するスプリアスが生じない良好なフィルタ回路を得ることが可能となる。この結果、当該フィルタ回路を応用して、マルチプレクサやマルチフィルタ機能を有する電子部品も構成することが可能となる。
1、1a、1b
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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 前記圧電材料層はLiTaO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。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 前記圧電材料層はLiNbO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。
  10. 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。
  11. 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。
  12. 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。
  13. 前記圧電材料層はLiTaO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。
  14. 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。
  15. 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。
  16. 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。
  17. 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。
  18. 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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