JP7380703B2 - 弾性波装置 - Google Patents
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Description
本発明は、弾性波装置に関する。
従来、弾性波装置は携帯電話機のフィルタなどに広く用いられている。下記の特許文献１には、弾性波装置の一例が開示されている。この弾性波装置においては、支持基板上に圧電膜が設けられており、圧電膜上にＩＤＴ（Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）電極が設けられている。支持基板にはシリコンや炭化ケイ素などが用いられている。圧電膜にはタンタル酸リチウムやニオブ酸リチウムなどが用いられている。
しかしながら、本願発明者の検討により、上記のような弾性波装置における支持基板に用いられる炭化ケイ素の結晶の形態などによっては、高次モードによる大きなスプリアスが生じるおそれがあることが明らかになった。
本発明の目的は、支持基板として炭化ケイ素基板を用いており、高次モードを抑制することができる、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、支持基板上に設けられている圧電体層と、圧電体層上に設けられており、複数の電極指を有するＩＤＴ電極とを備え、支持基板が、３Ｃ－ＳｉＣ型の立方晶構造である炭化ケイ素基板であり、圧電体層がタンタル酸リチウム層またはニオブ酸リチウム層であり、ＳＨ波をメインモードとして利用している。
本発明によれば、支持基板として炭化ケイ素基板を用いており、高次モードを抑制することができる、弾性波装置を提供することができる。
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、本明細書に記載の各実施形態は、例示的なものであり、異なる実施形態間において、構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることを指摘しておく。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る弾性波装置の正面断面図である。
弾性波装置１は支持基板を有する。本実施形態の支持基板は炭化ケイ素基板２である。より具体的には、炭化ケイ素基板２の結晶構造は、３Ｃ－ＳｉＣ型の立方晶構造である。
炭化ケイ素基板２上には、低音速膜３が設けられている。低音速膜３上には、圧電体層が設けられている。本実施形態の圧電体層はタンタル酸リチウム層４である。もっとも、圧電体層はニオブ酸リチウム層であってもよい。
タンタル酸リチウム層４上には、ＩＤＴ電極５が設けられている。ＩＤＴ電極５に交流電圧を印加することにより、様々なモードの弾性波が励振される。弾性波装置１はＳＨ波をメインモードとして利用している。
本実施形態においては、炭化ケイ素基板２を伝搬するバルク波の遅い横波の音速が、圧電体層を伝搬するＳＨ波の音速よりも高い。より具体的には、炭化ケイ素基板２を伝搬するバルク波の遅い横波の音速が、圧電体層を伝搬するＳＨ波の反共振周波数における音速よりも高い。ここで、炭化ケイ素基板２を伝搬するバルク波の遅い横波の音速をＶＬｏｗとし、圧電体層を伝搬するＳＨ波の音速をＶＳＨとし、圧電体層を伝搬するＳＨ波の反共振周波数における音速をＶＳＨａとしたときに、ＶＬｏｗ＞ＶＳＨａである。なお、必ずしもＶＬｏｗ＞ＶＳＨａの関係ではなくともよい。反共振周波数以外の周波数において、ＶＬｏｗ＞ＶＳＨの関係が成立していてもよい。
タンタル酸リチウム層４上におけるＩＤＴ電極５の弾性波伝搬方向両側には、一対の反射器６Ａ及び反射器６Ｂが設けられている。本実施形態の弾性波装置１は弾性波共振子である。もっとも、本発明に係る弾性波装置１は弾性波共振子には限定されず、複数の弾性波共振子を有するフィルタ装置などであってもよい。
図２は、第１の実施形態に係る弾性波装置の平面図である。
ＩＤＴ電極５は、対向し合う第１のバスバー１６及び第２のバスバー１７を有する。ＩＤＴ電極５は、第１のバスバー１６にそれぞれ一端が接続されている複数の第１の電極指１８を有する。さらに、ＩＤＴ電極５は、第２のバスバー１７にそれぞれ一端が接続されている複数の第２の電極指１９を有する。複数の第１の電極指１８と複数の第２の電極指１９とは互いに間挿し合っている。なお、弾性表面波の伝搬方向をＳ方向とし、Ｓ方向に直交する方向をＬ方向とする。Ｌ方向は、第１の電極指１８及び第２の電極指１９が延びる方向である。
ＩＤＴ電極５は単層のＡｌ膜からなる。反射器６Ａ及び反射器６Ｂの材料も、ＩＤＴ電極５と同様の材料である。なお、ＩＤＴ電極５、反射器６Ａ及び反射器６Ｂの材料は上記に限定されない。あるいは、ＩＤＴ電極５、反射器６Ａ及び反射器６Ｂは、複数の金属層が積層された積層金属膜からなっていてもよい。
図１に示す低音速膜３は、相対的に低音速な膜である。より具体的には、低音速膜３を伝搬するバルク波の音速は、圧電体層としてのタンタル酸リチウム層４を伝搬するバルク波の音速よりも低い。本実施形態の低音速膜３は酸化ケイ素膜である。酸化ケイ素はＳｉＯｘにより表される。ｘは任意の正数である。本実施形態の低音速膜３を構成する酸化ケイ素はＳｉＯ２である。なお、低音速膜３の材料は上記に限定されず、例えば、ガラス、酸窒化ケイ素、酸化リチウム、または、酸化ケイ素にフッ素、炭素やホウ素を加えた化合物を主成分とする材料を用いることができる。
弾性波装置１においては、炭化ケイ素基板２上に、低音速膜３を介して間接的にタンタル酸リチウム層４が積層されている。なお、炭化ケイ素基板２上に、直接的にタンタル酸リチウム層４が積層されていてもよい。
以下において、本実施形態における炭化ケイ素基板２の詳細を説明する。
図３は、炭化ケイ素の結晶軸の定義を示す模式図である。図４は、炭化ケイ素の（１００）面を示す模式図である。図５は、炭化ケイ素の（１１０）面を示す模式図である。
図３に示すように、炭化ケイ素基板２は３Ｃ－ＳｉＣ型の立方晶構造の炭化ケイ素単結晶基板である。本明細書において、炭化ケイ素基板２を構成する炭化ケイ素の結晶軸は、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）とする。炭化ケイ素においては、結晶構造の対称性により、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸はそれぞれ等価である。
弾性波装置１における炭化ケイ素基板２の面方位は、例えば（１００）である。（１００）とは、結晶構造において、ミラー指数［１００］で表される結晶軸に直交する（１００）面においてカットした基板であることを示す。ここで、（１００）面は、図４に示す面である。もっとも、その他の結晶学的に等価な面も含む。なお、炭化ケイ素基板２の主面は（１００）面には限定されず、例えば、図５に示す（１１０）面であってもよい。ここで、炭化ケイ素基板２のオイラー角を（φＳｉＣ，θＳｉＣ，ψＳｉＣ）とする。炭化ケイ素基板２の上記各面をオイラー角により表示すると、（１００）面の場合には（９０°，９０°，ψＳｉＣ）であり、（１１０）面の場合には（－４５°，－９０°，９０°）である。なお、炭化ケイ素基板２の面方位またはオイラー角はこれらに限定されるものではない。本明細書においては、特に断りのない場合には、Ｘ軸方向は［１００］方向と同じ方向であるとし、Ｙ軸方向は［０１０］方向と同じ方向であるとし、Ｚ軸方向は［００１］方向と同じ方向であるとする。
本実施形態の特徴は、タンタル酸リチウム層４及び３Ｃ－ＳｉＣ型の立方晶構造である炭化ケイ素基板２が積層されており、弾性波装置１がＳＨモードを利用していることにある。それによって、炭化ケイ素基板２を用いた弾性波装置１において、高次モードを抑制することができる。この詳細を以下において説明する。
第１の実施形態の構成を有し、以下の設計パラメータとした弾性波装置１を用意した。ここで、ＩＤＴ電極５の電極指ピッチにより規定される波長をλとする。電極指ピッチとは、ＩＤＴ電極５における、隣り合う電極指同士の電極指中心間距離の平均値である。
炭化ケイ素基板２；材料…３Ｃ－ＳｉＣ型の立方晶構造のＳｉＣ、面方位…（１００）、厚み…１μｍ
低音速膜３；材料…ＳｉＯ２、厚み…０．１λ
タンタル酸リチウム層４；材料…３５°Ｙ－ＬｉＴａＯ３、厚み…０．１５λ
ＩＤＴ電極５；材料…Ａｌ、厚み…０．０５λ
低音速膜３；材料…ＳｉＯ２、厚み…０．１λ
タンタル酸リチウム層４；材料…３５°Ｙ－ＬｉＴａＯ３、厚み…０．１５λ
ＩＤＴ電極５；材料…Ａｌ、厚み…０．０５λ
さらに、第１の比較例として、炭化ケイ素基板に用いる炭化ケイ素が４Ｈ－ＳｉＣ型の六方晶構造である弾性波装置を用意した。第１の比較例の設計パラメータは、炭化ケイ素基板以外においては、上記弾性波装置１の設計パラメータと同様である。第１の実施形態の構成を有する上記弾性波装置１と、第１の比較例とにおいて、高次モードの強度を比較した。
図６は、第１の実施形態及び第１の比較例における高次モードの強度を示す図である。
図６に示すように、第１の比較例においては、６０００ＭＨｚ付近において、大きな高次モードが生じている。一方で、第１の実施形態においては、第１の比較例よりも、高次モードの強度が大幅に小さくなっていることがわかる。このように、第１の実施形態においては、高次モードを抑制することができる。
第１の実施形態のように、圧電体層を伝搬する高次モードの音速が、炭化ケイ素基板２を伝搬するバルク波の遅い横波の音速よりも高いことが好ましい。それによって、高次モードが炭化ケイ素基板２側に漏洩することにより、高次モードをより確実に抑制することができる。
ところで、弾性波装置１において励振される各モードの電気機械結合係数は、タンタル酸リチウム層４に用いるタンタル酸リチウムのカット角に依存する。以下において、ＳＨ波をメインモードとして利用する場合において好適な上記カット角の範囲を示す。
図７は、タンタル酸リチウム層のカット角と、ＳＨ波及びＳＶ波の電気機械結合係数との関係を示す図である。
弾性波装置１においては、ＳＨ波以外にもＳＶ波が励振される。図７に示すように、タンタル酸リチウム層のカット角が０°以上、１０°以下の場合及び５０°以上、１８０°以下の場合には、ＳＨ波の電気機械結合係数がＳＶ波の電気機械結合係数よりも大きいことがわかる。よって、上記カット角の範囲内においては、ＳＨ波の励振強度は、他のモードであるＳＶ波の励振強度よりも大きい。よって、タンタル酸リチウム層のカット角が０°以上、１０°以下の場合及び５０°以上、１８０°以下であることが好ましい。この場合には、ＳＨ波を好適にメインモードとして利用することができる。
ここで、ＩＤＴ電極５の厚みは０．０７λ以下であることが好ましい。それによって、Ｑ値を高めることができる。これを以下において説明する。
第１の実施形態の構成を有し、以下の設計パラメータとし、ＩＤＴ電極５の厚みを異ならせた複数の弾性波装置１を用意した。
炭化ケイ素基板２；材料…３Ｃ－ＳｉＣ型の立方晶構造のＳｉＣ、面方位…（１００）
低音速膜３；材料…ＳｉＯ２、厚み…０．１λ
タンタル酸リチウム層４；材料…３５°Ｙ－ＬｉＴａＯ３、厚み…０．１５λ
ＩＤＴ電極；材料…Ａｌ、厚み…０．０１λ以上、０．１５λ以下の間において変化させた。
低音速膜３；材料…ＳｉＯ２、厚み…０．１λ
タンタル酸リチウム層４；材料…３５°Ｙ－ＬｉＴａＯ３、厚み…０．１５λ
ＩＤＴ電極；材料…Ａｌ、厚み…０．０１λ以上、０．１５λ以下の間において変化させた。
図８は、ＩＤＴ電極の厚みとＱ値との関係を示す図である。
図８に示すように、ＩＤＴ電極５の厚みが０．０７λ以下の場合にはＱ値が高く、かつＱ値の変化が小さいことがわかる。よって、上記のように、ＩＤＴ電極５の厚みは０．０７λ以下であることが好ましい。
さらに、図２に示した弾性表面波の伝搬方向であるＳ方向と、図３に示した炭化ケイ素基板２の結晶構造におけるＺ軸方向とのなす角の角度を変化させて、メインモードの特性を調べた。なお、設計パラメータは以下のようにした。Ｓ方向とＺ軸方向とがなす角の角度は、０°、１２°、１６°、２０°、２４°または２８°とした。なお、結晶構造の対称性から、本明細書ではＺ軸と［００１］方向とを同じ方向としている。よって、本明細書では、Ｓ方向とＺ軸方向とがなす角をＳ方向と［００１］方向とがなす角と記載することがある。
炭化ケイ素基板２；材料…３Ｃ－ＳｉＣ型の立方晶構造のＳｉＣ、面方位…（１００）
低音速膜３；材料…ＳｉＯ２、厚み…０．１λ
タンタル酸リチウム層４；材料…４０°Ｙ－ＬｉＴａＯ３、厚み…０．１λ
ＩＤＴ電極５；材料…Ａｌ、厚み…０．１４λ
低音速膜３；材料…ＳｉＯ２、厚み…０．１λ
タンタル酸リチウム層４；材料…４０°Ｙ－ＬｉＴａＯ３、厚み…０．１λ
ＩＤＴ電極５；材料…Ａｌ、厚み…０．１４λ
図９は、弾性表面波の伝搬方向であるＳ方向と、炭化ケイ素基板の結晶構造における［００１］方向とのなす角の角度と、メインモードの特性との関係を示す図である。図９においては、上記角度がそれぞれ、０°、１２°、１６°、２０°、２４°または２８°である場合を示す。
図９に示すように、Ｓ方向と［００１］方向とのなす角が２０°以下の場合には、メインモードの特性が良好であることがわかる。よって、炭化ケイ素基板２の主面が（１００）面である場合、Ｓ方向と［００１］方向とのなす角が２０°以下であることが好ましい。
なお、炭化ケイ素基板２の主面が（１１０）面である場合においても、Ｓ方向と［００１］方向とのなす角とメインモードの特性との関係は上記と同様の傾向であることがわかっている。よって、炭化ケイ素基板２の主面が（１１０）面である場合においても、Ｓ方向と［００１］方向とのなす角が２０°以下であることが好ましい。
図９においては、Ｓ方向と［００１］方向とがなす角の角度を変化させた場合を示した。ここで、Ｓ方向と［００１］方向とがなす角度を０°とする。このときにおいて、図３に示した炭化ケイ素基板２の結晶構造における［１００］方向と、図２に示したＩＤＴ電極５の電極指が延びるＬ方向とがなす角度をαとする。なお、角度αの例を図１０に示す。一方で、タンタル酸リチウム層４のオイラー角を（φＬＴ，θＬＴ，ψＬＴ）とする。タンタル酸リチウム層４のオイラー角におけるθＬＴと、角度αと、レイリー波によるスプリアスとの関係を求めた。
図１１は、タンタル酸リチウム層のオイラー角におけるθＬＴ、角度α及びレイリー波によるスプリアスの電気機械結合係数ｋｓａｗ２の関係を示す図である。なお、図１１において、ｋｓａｗ２≦０．１０である領域をハッチングにより示す。
図１１においては、レイリー波によるスプリアスの電気機械結合係数がそれぞれ０．１０、０．２０、０．３０、０．４０及び０．５０となる、タンタル酸リチウム層のオイラー角におけるθＬＴ及び角度αの関係が示されている。ここで、上記スプリアスの電気機械結合係数ｋｓａｗ２は小さいほど好ましいが、特に、０．１０以下であることが好ましい。ｋｓａｗ２≦０．１０以下となる条件を、下記の式１及び式２により示す。
式１及び式２を満たすことにより、レイリー波によるスプリアスの電気機械結合係数ｋｓａｗ２を０．１０以下（図１１のハッチングにより示された領域内）とすることができ、スプリアスを効果的に抑制することができる。
なお、図９に示したように、Ｓ方向と［００１］方向とのなす角が２０°以下であれば、該角の角度が０°である場合と同様に、メインモードの特性が良好である。よって、Ｓ方向と［００１］方向とのなす角が０°以上、２０°以下であり、式１及び式２を満たす場合には、図１１に示す場合と同様に、スプリアスを効果的に抑制することができる。
上述したように、炭化ケイ素基板２を伝搬するバルク波の遅い横波の音速ＶＬｏｗが、圧電体層を伝搬する弾性波の音速ＶＳＨよりも高いことが好ましい。ここで、本願発明者の検討により、ＶＬｏｗ＝ＶＳＨとなるＩＤＴ電極５の厚みは、炭化ケイ素基板２のオイラー角におけるψＳｉＣによって異なることが明らかになった。ＶＬｏｗ＝ＶＳＨとなるＩＤＴ電極５の厚みと、上記ψＳｉＣとの関係を以下において示す。なお、ＩＤＴ電極の厚みをＴＩＤＴとする。
図１２は、炭化ケイ素基板のオイラー角におけるψＳｉＣと、ＶＬｏｗ＝ＶＳＨとなるＩＤＴ電極の厚みＴＩＤＴとの関係を示す図である。
図１２に示すように、炭化ケイ素基板のオイラー角におけるψＳｉＣが０°に近づくほど、ＶＬｏｗ＝ＶＳＨとなるＩＤＴ電極５の厚みＴＩＤＴが薄くなっていることがわかる。ここで、ＶＬｏｗ＞ＶＳＨとなる条件を、下記の式３により示す。なお、式３は、図１２に示すψＳｉＣとＴＩＤＴとの関係を示す式である。
式３を満たすことにより、炭化ケイ素基板２を伝搬する遅い横波の音速ＶＬｏｗを、炭化ケイ素基板２を伝搬するＳＨ波の音速ＶＳＨよりも高くすることができる。それによって、高次モードをより確実に抑制することができる。
図１３は、第１の実施形態の変形例に係る弾性波装置の正面断面図である。
本変形例においては、炭化ケイ素基板２上に、直接的にタンタル酸リチウム層４が設けられている。この場合においても、第１の実施形態と同様に、高次モードを抑制することができる。もっとも、図１に示す第１の実施形態のように、弾性波装置１は炭化ケイ素基板２とタンタル酸リチウム層４との間に設けられている低音速膜３を有することが好ましい。それによって、比帯域を好適に高めることができる。この効果を以下において示す。
なお、比帯域は、共振周波数をＦｒ、反共振周波数をＦａとしたときに、（Ｆａ－Ｆｒ）／Ｆｒにより表される。ここで、共振周波数及び反共振周波数において、波長λは同じである。よって、共振周波数における音速をＶｒ、反共振周波数における音速をＶａとしたとき、（Ｆａ－Ｆｒ）／Ｆｒ＝（Ｖａ－Ｖｒ）／Ｖｒである。そのため、比帯域は（Ｖｒ－Ｖａ）／Ｖｒとして表すこともできる。
第１の実施形態の構成を有し、低音速膜３の厚みがそれぞれ異なる複数の弾性波装置１を用意した。加えて、低音速膜３を有さず低音速膜３の厚みが０である、第１の実施形態の変形例の弾性波装置も用意した。上記複数の弾性波装置において、それぞれ比帯域を調べた。なお、上記複数の弾性波装置の設計パラメータは以下の通りである。
炭化ケイ素基板２；材料…３Ｃ－ＳｉＣ型の立方晶構造のＳｉＣ
低音速膜３；材料…ＳｉＯ２、厚み…０以上、０．３λ以下の範囲において、０．０５λ刻みで変化させた。
タンタル酸リチウム層４；材料…３５°Ｙ－ＬｉＴａＯ３、厚み…０．１５λ
ＩＤＴ電極５；材料…Ａｌ、厚み…０．０５λ
ＩＤＴ電極５の波長λ；１μｍ
低音速膜３；材料…ＳｉＯ２、厚み…０以上、０．３λ以下の範囲において、０．０５λ刻みで変化させた。
タンタル酸リチウム層４；材料…３５°Ｙ－ＬｉＴａＯ３、厚み…０．１５λ
ＩＤＴ電極５；材料…Ａｌ、厚み…０．０５λ
ＩＤＴ電極５の波長λ；１μｍ
図１４は、低音速膜の厚みと、比帯域との関係を示す図である。なお、図１４においては、低音速膜３が設けられていない場合の結果も示している。
図１４に示すように、低音速膜３の厚みが０であり、低音速膜３が設けられていない場合よりも、低音速膜３が設けられている場合においては、比帯域が広くなっていることがわかる。さらに、低音速膜３が厚くなるほど比帯域が広くなっていることがわかる。図１４に示すように、低音速膜３の厚みが０．２λ以上である場合には、低音速膜３の厚みの変動に対する比帯域のばらつきを小さくすることができる。よって、低音速膜３の厚みは０．２λ以上であることが好ましい。
以下において、低音速膜３の他の好ましい厚みを示す。図１４に示す比帯域を調べた複数の弾性波装置と同様の設計パラメータの複数の弾性波装置を用意した。該複数の弾性波装置において、メインモードの周波数の１．５倍付近の周波数において生じる高次モードの位相と、メインモードの周波数の２倍付近の周波数において生じる高次モードの位相とを測定した。さらに、上記複数の弾性波装置において、スプリアスとしてのレイリーモードの位相を測定した。
図１５は、低音速膜の厚みと、メインモードの周波数の１．５倍付近の周波数において生じる高次モードの位相との関係を示す図である。
図１５に示すように、低音速膜３が薄くなるほど、メインモードの周波数の１．５倍付近の周波数において生じる高次モードが抑制されていることがわかる。低音速膜３の厚みは０．１λ以下であることが好ましい。それによって、メインモードの周波数の１．５倍付近の周波数において生じる高次モードをより一層抑制することができる。
図１６は、低音速膜の厚みと、メインモードの周波数の２倍付近の周波数において生じる高次モードの位相との関係を示す図である。
図１６に示すように、メインモードの周波数の２倍付近の周波数において生じる高次モードの位相は、低音速膜３の厚みが０．１λ～０．１５λ付近において極小値となっていることがわかる。上記高次モードは、低音速膜３の厚みが０．１λ～０．１５λ付近に近づくほど抑制されていることがわかる。低音速膜３の厚みは０．１λ以上、０．１５λ以下であることが好ましい。それによって、メインモードの周波数の２倍付近の周波数において生じる高次モードをより一層抑制することができる。
図１７は、低音速膜の厚みと、レイリーモードの位相との関係を示す図である。
図１７に示すように、スプリアスとしてのレイリーモードの位相は、低音速膜３の厚みが０．１５λ～０．２λ付近において極小値となっていることがわかる。レイリーモードは、低音速膜３の厚みが０．１５λ～０．２λ付近に近づくほど抑制されていることがわかる。低音速膜３の厚みは０．１５λ以上、０．２λ以下であることが好ましい。それによって、レイリーモードをより一層抑制することができる。
第１の実施形態においては、圧電体層がタンタル酸リチウム層である場合を示した。もっとも、圧電体層はニオブ酸リチウム層であってもよい。以下において、圧電体層がニオブ酸リチウム層である例を示す。
図１８は、本発明の第２の実施形態に係る弾性波装置の正面断面図である。
本実施形態は、圧電体層がニオブ酸リチウム層２４である点において、第１の実施形態と異なる。上記の点以外においては、本実施形態の弾性波装置２１は、第１の実施形態の弾性波装置１と同様の構成を有する。なお、本実施形態における電極構造や炭化ケイ素基板２の構成などは第１の実施形態と同様なので、図２や図３などを援用することがある。
本実施形態においても、ＶＬｏｗ＞ＶＳＨａの関係が成立する。なお、必ずしもＶＬｏｗ＞ＶＳＨａの関係ではなくともよい。反共振周波数以外の周波数において、ＶＬｏｗ＞ＶＳＨの関係が成立していてもよい。
図１８に示す低音速膜３を伝搬するバルク波の音速は、圧電体層としてのニオブ酸リチウム層２４を伝搬するバルク波の音速よりも低い。本実施形態の低音速膜３は酸化ケイ素膜である。より具体的には、本実施形態の低音速膜３を構成する酸化ケイ素はＳｉＯ２である。なお、低音速膜３の材料は上記に限定されず、例えば、ガラス、酸窒化ケイ素、酸化ニオブ、または、酸化ケイ素にフッ素、炭素やホウ素を加えた化合物を主成分とする材料を用いることができる。
弾性波装置２１においては、炭化ケイ素基板２上に、低音速膜３を介して間接的にニオブ酸リチウム層２４が積層されている。なお、炭化ケイ素基板２上に、直接的にニオブ酸リチウム層２４が積層されていてもよい。
本実施形態の特徴は、ニオブ酸リチウム層２４及び３Ｃ－ＳｉＣ型の立方晶構造である炭化ケイ素基板２が積層されており、弾性波装置２１がＳＨモードを利用していることにある。それによって、炭化ケイ素基板２を用いた弾性波装置２１において、高次モードを抑制することができる。この詳細を以下において説明する。
第２の実施形態の構成を有し、以下の設計パラメータとした弾性波装置２１を用意した。ここで、ニオブ酸リチウム層２４のオイラー角を（φＬＮ，θＬＮ，ψＬＮ）とする。
炭化ケイ素基板２；材料…３Ｃ－ＳｉＣ型の立方晶構造のＳｉＣ、面方位…（１００）、厚み…１μｍ
低音速膜３；材料…ＳｉＯ２、厚み…０．１λ
ニオブ酸リチウム層２４；オイラー角におけるθＬＮ…１３５°、厚み…０．１λ
ＩＤＴ電極５；材料…Ａｌ、厚み…０．０７λ
低音速膜３；材料…ＳｉＯ２、厚み…０．１λ
ニオブ酸リチウム層２４；オイラー角におけるθＬＮ…１３５°、厚み…０．１λ
ＩＤＴ電極５；材料…Ａｌ、厚み…０．０７λ
さらに、第２の比較例として、炭化ケイ素基板に用いる炭化ケイ素が４Ｈ－ＳｉＣ型の六方晶構造である弾性波装置を用意した。第２の比較例の設計パラメータは、炭化ケイ素基板以外においては、上記弾性波装置２１の設計パラメータと同様である。第２の実施形態の構成を有する上記弾性波装置２１と、第２の比較例とにおいて、メインモードの周波数の１．５倍付近に生じる高次モードの強度を比較した。なお、第２の実施形態及び第２の比較例におけるメインモードの周波数の１．５倍付近とは、６ＧＨｚ付近である。
図１９は、第２の実施形態及び第２の比較例における、メインモードの周波数の１．５倍付近に生じる高次モードの強度を示す図である。
図１９に示すように、第２の比較例においては、メインモードの周波数の１．５倍付近に大きな高次モードが生じている。一方で、第２の実施形態においては、メインモードの周波数の１．５倍付近において、高次モードはほぼ生じていないことがわかる。このように、第２の実施形態においては、高次モードを抑制することができる。
第２の実施形態のように、圧電体層を伝搬する高次モードの音速が、炭化ケイ素基板２を伝搬するバルク波の遅い横波の音速よりも高いことが好ましい。それによって、高次モードが炭化ケイ素基板２側に漏洩することにより、高次モードをより確実に抑制することができる。
ところで、弾性波装置２１において励振されるＳＨ波の電気機械結合係数は、ニオブ酸リチウム層２４のオイラー角におけるθＬＮに依存する。以下において、ＳＨ波をメインモードとして利用する場合において好適な上記θＬＮの範囲を示す。
図２０は、ニオブ酸リチウム層のオイラー角におけるθＬＮと、ＳＨ波の電気機械結合係数との関係を示す図である。
弾性波装置の実用上、メインモードとして利用するＳＨ波の電気機械結合係数は２％であることが好ましい。図２０に示すように、ニオブ酸リチウム層のオイラー角におけるθＬＮが６０°以上、１７５°以下の場合には、ＳＨ波の電気機械結合係数が２％以上であることがわかる。よって、上記θＬＮは６０°以上、１７５°以下であることが好ましい。この場合には、ＳＨ波を好適にメインモードとして利用することができる。
ここで、以下において、メインモードの周波数の３倍付近の周波数において生じる高次モードを抑制することができる、ニオブ酸リチウム層のオイラー角におけるθＬＮの範囲を示す。
図２１は、ニオブ酸リチウム層のオイラー角におけるθＬＮと、メインモードの周波数の３倍付近の周波数において生じる高次モードのスプリアスの位相との関係を示す図である。
図２１に示すように、ニオブ酸リチウム層のオイラー角におけるθＬＮが、１１０°以上、１８０°以下である場合に、メインモードの周波数の３倍付近の周波数において生じる高次モードを効果的に抑制できることがわかる。よって、上記θＬＮは１１０°以上、１８０°以下であることが好ましい。
さらに、第１の実施形態と同様に、ＳＨモードをメインモードとして利用する弾性波装置２１においては、上記のような高次モードに加えて、レイリー波もスプリアスとなる。レイリー波によるスプリアスを抑制することができる、ニオブ酸リチウム層のオイラー角におけるθＬＮの範囲を示す。
図２２は、ニオブ酸リチウム層のオイラー角におけるθＬＮと、レイリー波によるスプリアスの位相との関係を示す図である。
図２２に示すように、ニオブ酸リチウム層のオイラー角におけるθＬＮが、１１０°以上、１５０°以下である場合に、レイリー波によるスプリアスを効果的に抑制できることがわかる。よって、上記θＬＮは１１０°以上、１５０°以下であることが好ましい。
ここで、図２に示した弾性表面波の伝搬方向であるＳ方向と、図３に示した炭化ケイ素基板２の結晶構造におけるＺ軸方向とのなす角の角度を変化させて、メインモードの特性を調べた。なお、設計パラメータは以下のようにした。Ｓ方向とＺ軸方向とがなす角の角度は、０°、１２°、１６°、２０°、２４°または２８°とした。なお、上述したように、結晶構造の対称性から、本明細書ではＺ軸と［００１］方向とを同じ方向としている。よって、本明細書では、Ｓ方向とＺ軸方向とがなす角をＳ方向と［００１］方向とがなす角と記載することがある。
炭化ケイ素基板２；材料…３Ｃ－ＳｉＣ型の立方晶構造のＳｉＣ、面方位…（１００）
低音速膜３；材料…ＳｉＯ２、厚み…０．１λ
ニオブ酸リチウム層２４；材料…４５°Ｙ－ＬｉＮｂＯ３、厚み…０．１λ
ＩＤＴ電極５；材料…Ａｌ、厚み…０．１４λ
低音速膜３；材料…ＳｉＯ２、厚み…０．１λ
ニオブ酸リチウム層２４；材料…４５°Ｙ－ＬｉＮｂＯ３、厚み…０．１λ
ＩＤＴ電極５；材料…Ａｌ、厚み…０．１４λ
図２３は、弾性表面波の伝搬方向であるＳ方向と、炭化ケイ素基板の結晶構造における［００１］方向とのなす角の角度と、メインモードの特性との関係を示す図である。図２３においては、上記角度がそれぞれ、０°、１２°、１６°、２０°、２４°または２８°である場合を示す。
図２３に示すように、Ｓ方向と［００１］方向とのなす角が２０°以下の場合には、メインモードの特性が良好であることがわかる。よって、炭化ケイ素基板２の主面が（１００）面である場合、Ｓ方向と［００１］方向とのなす角が２０°以下であることが好ましい。
なお、炭化ケイ素基板２の主面が（１１０）面である場合においても、Ｓ方向と［００１］方向とのなす角とメインモードの特性との関係は上記と同様の傾向であることがわかっている。よって、炭化ケイ素基板２の主面が（１１０）面である場合においても、Ｓ方向と［００１］方向とのなす角が２０°以下であることが好ましい。
図２４は、第２の実施形態の変形例に係る弾性波装置の正面断面図である。
本変形例においては、炭化ケイ素基板２上に、直接的にニオブ酸リチウム層２４が設けられている。この場合においても、第２の実施形態と同様に、高次モードを抑制することができる。もっとも、図１８に示す第２の実施形態のように、弾性波装置２１は炭化ケイ素基板２とニオブ酸リチウム層２４との間に設けられている低音速膜３を有することが好ましい。それによって、比帯域を好適に高めることができる。この効果を以下において示す。
第２の実施形態の構成を有し、低音速膜３の厚みがそれぞれ異なる複数の弾性波装置２１を用意した。加えて、低音速膜３を有さず低音速膜３の厚みが０である、第２の実施形態の変形例の弾性波装置も用意した。上記複数の弾性波装置において、それぞれ比帯域を調べた。なお、上記複数の弾性波装置の設計パラメータは以下の通りである。
炭化ケイ素基板２；材料…３Ｃ－ＳｉＣ型の立方晶構造のＳｉＣ、オイラー角（０°，０°，０°）
低音速膜３；材料…ＳｉＯ２、厚み…０以上、０．２λ以下の範囲において、０．０５λ刻みで変化させた。
ニオブ酸リチウム層２４；材料…１３５°Ｙ－ＬｉＮｂＯ３、厚み…０．１λ
ＩＤＴ電極５；材料…Ａｌ、厚み…０．０７λ
ＩＤＴ電極５の波長λ；１μｍ
低音速膜３；材料…ＳｉＯ２、厚み…０以上、０．２λ以下の範囲において、０．０５λ刻みで変化させた。
ニオブ酸リチウム層２４；材料…１３５°Ｙ－ＬｉＮｂＯ３、厚み…０．１λ
ＩＤＴ電極５；材料…Ａｌ、厚み…０．０７λ
ＩＤＴ電極５の波長λ；１μｍ
図２５は、低音速膜の厚みと、比帯域との関係を示す図である。なお、図２５においては、低音速膜３が設けられていない場合の結果も示している。
図２５に示すように、低音速膜３の厚みが０であり、低音速膜３が設けられていない場合よりも、低音速膜３が設けられている場合においては、比帯域が広くなっていることがわかる。さらに、低音速膜３が厚くなるほど比帯域が広くなっていることがわかる。
以下において、低音速膜３の好ましい厚みを示す。図２５に示す比帯域を調べた複数の弾性波装置と同様の設計パラメータの複数の弾性波装置を用意した。該複数の弾性波装置において、メインモードの周波数の２倍付近の周波数において生じる高次モードの位相を測定した。
図２６は、低音速膜の厚みと、メインモードの周波数の２倍付近の周波数において生じる高次モードの位相との関係を示す図である。
図２６に示すように、低音速膜３が薄くなるほど、メインモードの周波数の２倍付近の周波数において生じる高次モードが抑制されていることがわかる。図２６中の破線Ａ及び破線Ｂは、低音速膜３の厚みに対する高次モードの位相の変化の傾きを示す。破線Ａ及び破線Ｂに示すように、低音速膜３の厚みが０．１λ以下である場合には、０．１λより厚い場合よりも、高次モードの位相の変化の傾きが小さいことがわかる。低音速膜３の厚みは０．１λ以下であることが好ましい。この場合には、メインモードの周波数の２倍付近の周波数において生じる高次モードを安定して効果的に抑制できる。
１…弾性波装置
２…炭化ケイ素基板
３…低音速膜
４…タンタル酸リチウム層
５…ＩＤＴ電極
６Ａ，６Ｂ…反射器
１６，１７…第１，第２のバスバー
１８，１９…第１，第２の電極指
２１…弾性波装置
２４…ニオブ酸リチウム層
２…炭化ケイ素基板
３…低音速膜
４…タンタル酸リチウム層
５…ＩＤＴ電極
６Ａ，６Ｂ…反射器
１６，１７…第１，第２のバスバー
１８，１９…第１，第２の電極指
２１…弾性波装置
２４…ニオブ酸リチウム層
Claims (18)
- 支持基板と、
前記支持基板上に設けられている圧電体層と、
前記圧電体層上に設けられており、複数の電極指を有するＩＤＴ電極と、
を備え、
前記支持基板が、３Ｃ－ＳｉＣ型の立方晶構造である炭化ケイ素基板であり、
前記圧電体層がタンタル酸リチウム層またはニオブ酸リチウム層であり、
ＳＨ波をメインモードとして利用しており、
前記炭化ケイ素基板の主面が（１００）面及び（１１０）面のうち一方である、弾性波装置。 - 支持基板と、
前記支持基板上に設けられている圧電体層と、
前記圧電体層上に設けられており、複数の電極指を有するＩＤＴ電極と、
を備え、
前記支持基板が、３Ｃ－ＳｉＣ型の立方晶構造である炭化ケイ素基板であり、
前記圧電体層がタンタル酸リチウム層であり、
ＳＨ波をメインモードとして利用しており、
弾性表面波の伝搬方向と、前記炭化ケイ素基板の結晶構造における［００１］方向とがなす角度が０°以上、２０°以下であり、
前記炭化ケイ素基板の結晶構造における［１００］方向と、前記ＩＤＴ電極の前記複数の電極指が延びる方向とがなす角度をαとし、前記タンタル酸リチウム層のオイラー角を（φＬＴ，θＬＴ，ψＬＴ）としたときに、下記の式１及び式２を満たす、弾性波装置。
- 支持基板と、
前記支持基板上に設けられている圧電体層と、
前記圧電体層上に設けられており、複数の電極指を有するＩＤＴ電極と、
を備え、
前記支持基板が、３Ｃ－ＳｉＣ型の立方晶構造である炭化ケイ素基板であり、
前記圧電体層がタンタル酸リチウム層であり、
ＳＨ波をメインモードとして利用しており、
前記炭化ケイ素基板のオイラー角を（φＳｉＣ，θＳｉＣ，ψＳｉＣ）とし、前記ＩＤＴ電極の厚みをＴＩＤＴとしたときに、下記の式３を満たす、弾性波装置。
- 支持基板と、
前記支持基板上に設けられている圧電体層と、
前記圧電体層上に設けられており、複数の電極指を有するＩＤＴ電極と、
を備え、
前記支持基板が、３Ｃ－ＳｉＣ型の立方晶構造である炭化ケイ素基板であり、
前記圧電体層がタンタル酸リチウム層またはニオブ酸リチウム層であり、
ＳＨ波をメインモードとして利用しており、
前記炭化ケイ素基板を伝搬するバルク波の遅い横波の音速が、前記圧電体層を伝搬するＳＨ波の音速よりも高い、弾性波装置。 - 支持基板と、
前記支持基板上に設けられている圧電体層と、
前記圧電体層上に設けられており、複数の電極指を有するＩＤＴ電極と、
を備え、
前記支持基板が、３Ｃ－ＳｉＣ型の立方晶構造である炭化ケイ素基板であり、
前記圧電体層がタンタル酸リチウム層またはニオブ酸リチウム層であり、
ＳＨ波をメインモードとして利用しており、
前記炭化ケイ素基板の主面が（１００）面であり、
前記炭化ケイ素基板の前記圧電体層を伝搬する弾性表面波の伝搬方向と、前記炭化ケイ素基板の結晶構造における［００１］方向とのなす角が、２０°以下である、弾性波装置。 - 支持基板と、
前記支持基板上に設けられている圧電体層と、
前記圧電体層上に設けられており、複数の電極指を有するＩＤＴ電極と、
を備え、
前記支持基板が、３Ｃ－ＳｉＣ型の立方晶構造である炭化ケイ素基板であり、
前記圧電体層がタンタル酸リチウム層またはニオブ酸リチウム層であり、
ＳＨ波をメインモードとして利用しており、
前記炭化ケイ素基板の主面が（１１０）面であり、
前記炭化ケイ素基板の前記圧電体層を伝搬する弾性表面波の伝搬方向と、前記炭化ケイ素基板の結晶構造における［００１］方向とのなす角が、２０°以下である、弾性波装置。 - 前記圧電体層がタンタル酸リチウム層である、請求項１または４～６のいずれか１項に記載の弾性波装置。
- 前記ＩＤＴ電極の厚みが０．０７λ以下である、請求項２、３または７のいずれか１項に記載の弾性波装置。
- 前記炭化ケイ素基板と前記タンタル酸リチウム層との間に設けられている低音速膜をさらに備え、
前記低音速膜を伝搬するバルク波の音速が、前記タンタル酸リチウム層を伝搬するバルク波の音速よりも低い、請求項２、３、７または８のいずれか１項に記載の弾性波装置。 - 前記低音速膜の厚みが０．１λ以上、０．１５λ以下である、請求項９に記載の弾性波装置。
- 前記低音速膜の厚みが０．１５λ以上、０．２λ以下である、請求項９に記載の弾性波装置。
- 前記低音速膜の厚みが０．２λ以上である、請求項９に記載の弾性波装置。
- 前記圧電体層がニオブ酸リチウム層である、請求項１または４～６のいずれか１項に記載の弾性波装置。
- 前記ニオブ酸リチウム層のオイラー角を（φＬＮ，θＬＮ，ψＬＮ）としたときに、６０°≦θＬＮ≦１７５°である、請求項１３に記載の弾性波装置。
- 前記ニオブ酸リチウム層のオイラー角を（φＬＮ，θＬＮ，ψＬＮ）としたときに、１１０°≦θＬＮ≦１８０°である、請求項１３に記載の弾性波装置。
- １１０°≦θＬＮ≦１５０°である、請求項１４または１５に記載の弾性波装置。
- 前記炭化ケイ素基板と前記ニオブ酸リチウム層との間に設けられている低音速膜をさらに備え、
前記低音速膜を伝搬するバルク波の音速が、前記ニオブ酸リチウム層を伝搬するバルク波の音速よりも低い、請求項１３～１６のいずれか１項に記載の弾性波装置。 - 前記低音速膜の厚みが０．１λ以下である、請求項９または１７に記載の弾性波装置。
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