JP7468548B2 - 弾性波装置 - Google Patents
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Description
本発明は、Ａｌを主体とし、Ｃｕ、Ｍｇ、ＡｇまたはＮｄのうちの少なくとも１種を含む合金膜からなるＩＤＴ電極を有する弾性波装置に関する。
下記の特許文献１には、ＩＤＴ電極が、Ａｌを主体とする合金膜からなる弾性波装置が開示されている。上記合金膜として、Ａｌと、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｎｄなどとの合金からなるものが開示されている。
上記Ａｌを主体とする合金からなるＩＤＴ電極では、Ｃｕ、ＭｇまたはＮｄなどの成分の濃度が低い場合、耐電力性が低くなるという問題があった。他方、上記Ｃｕ、ＭｇまたはＮｄなどの濃度を高めると、耐電力性を高めることができる。しかしながら、ＩＤＴ電極の電極指における抵抗損失が大きくなり、弾性波装置の損失が増加するという問題があった。
本発明の目的は、耐電力性を高めることができ、かつ損失の増大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、圧電体層と、前記圧電体層上に設けられており、複数本の電極指を有するＩＤＴ電極と、を備え、前記複数本の電極指は、Ａｌと、Ｃｕ、Ｍｇ、Ａｇ及びＮｄからなる群から選択された少なくとも１種とを含む合金膜からなり、前記複数本の電極指は、間挿し合う第１の電極指と第２の電極指とを有し、前記第１の電極指と前記第２の電極指とが、弾性波伝搬方向に視たときに重なり合っている領域が交差領域であり、前記交差領域は、電極指の延びる方向中央に位置している中央領域と、前記中央領域の電極指の延びる方向両外側に位置している第１，第２のエッジ領域とを有し、前記複数本の電極指のうち少なくとも１本の電極指において、前記第１，第２のエッジ領域の少なくとも一部におけるＣｕ、Ｍｇ、Ａｇ及びＮｄの少なくとも１種の濃度が、前記中央領域における当該Ｃｕ、Ｍｇ、Ａｇ及びＮｄの少なくとも１種の濃度よりも高い。
本発明に係る弾性波装置では、耐電力性を高めることができ、かつ弾性波装置の損失の増大を抑制することができる。
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（ａ）は、本発明の一実施形態に係る弾性波装置を説明するための正面断面図であり、図１（ｂ）は、その電極構造を示す平面図である。
弾性波装置１は、圧電性基板２を有する。圧電性基板２は、支持基板３と、支持基板３上に積層された高音速材料層４と、高音速材料層４上に積層された低音速膜５と、低音速膜５上に積層された圧電体層６とを有する。
圧電体層６は、例えば、タンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウムなどの圧電単結晶からなる。圧電体層６上に、ＩＤＴ電極８及び反射器９，１０が設けられている。弾性波装置１は、ＩＤＴ電極８の両側に反射器９，１０を配置してなる、１ポート型弾性波共振子である。もっとも、本発明においては、弾性波装置の電極構造は弾性波共振子を構成するものに限定されない。複数のＩＤＴ電極を有する弾性波フィルタなどであってもよい。
ＩＤＴ電極８及び反射器９，１０を覆うように、誘電体膜１１が設けられている。誘電体膜１１は、本実施形態では酸化ケイ素からなる。誘電体膜１１は、必ずしも設けられずともよいが、誘電体膜１１により、耐湿性を高めたり、電極構造を保護したりすることができる。また、誘電体膜１１の膜厚を調整することにより周波数特性を調整することもできる。さらに、酸化ケイ素などからなる誘電体膜１１の場合には、温度特性を調整することもできる。
ＩＤＴ電極８は、複数本の第１の電極指１２と、複数本の第２の電極指１３とを有する。複数本の第１の電極指１２の一端は、第１のバスバー１４に接続されている。複数本の第２の電極指１３の一端は、第２のバスバー１５に接続されている。複数本の第１の電極指１２と、複数本の第２の電極指１３とは、互いに間挿し合っている。
ＩＤＴ電極８では、第１の電極指１２と第２の電極指１３とが延びる方向と直交する方向が弾性波伝搬方向である。この弾性波伝搬方向に視たときに、第１の電極指１２と第２の電極指１３とが重なり合っている領域が交差領域Ｋであり、この交差領域Ｋの第１，第２の電極指１２，１３の延びる方向の寸法が交差幅である。
交差領域Ｋは、上記第１，第２の電極指１２，１３が延びる方向において中央に位置している中央領域Ｃと、中央領域Ｃの第１，第２の電極指１２，１３の延びる方向両外側に配置された第１，第２のエッジ領域Ｅ１，Ｅ２とを有する。第１のエッジ領域Ｅ１は、交差領域Ｋ内において、第１の電極指１２の先端側に位置している。第２のエッジ領域Ｅ２は、第２の電極指１３の先端側に位置している。なお、ＩＤＴ電極8の電極指ピッチで定まる波長をλとしたときに、第１，第２のエッジ領域Ｅ１，Ｅ２の幅（第１，第２の電極指の延びる方向の寸法）は、２λ以下である。
第１のエッジ領域Ｅ１及び第２のエッジ領域Ｅ２においては、それぞれ、第１，第２の質量付加膜１６，１７が設けられている。本実施形態では、第１，第２の質量付加膜１６，１７は誘電体からなる。
第１の質量付加膜１６は第１のエッジ領域Ｅ１において、例えば、ＩＤＴ電極８の反射器９側端部から、反射器１０側端部に至るように設けられている。第２の質量付加膜１７は、例えば、ＩＤＴ電極８の反射器９側端部から、反射器１０側端部に至るように設けられている。従って、第１の電極指１２及び第２の電極指１３の双方において、第１のエッジ領域Ｅ１及び第２のエッジ領域Ｅ２において、第１，第２の質量付加膜１６，１７が配置されている。もっとも、複数本の電極指のうち少なくとも１本の電極指において、第１，第２のエッジ領域Ｅ１，Ｅ２に、第１の質量付加膜１６または第２の質量付加膜１７が設けられていればよい。
また、第１，第２の質量付加膜１６，１７は、ＩＤＴ電極８と圧電体層６との間に設けられている。すなわち、第１，第２の質量付加膜１６，１７が形成された後に、第１，第２の質量付加膜１６，１７の一部を覆うようにＩＤＴ電極８の第１，第２の電極指１２，１３が設けられている。
なお、本実施形態では、第１，第２の質量付加膜１６，１７は、第１，第２の電極指１２，１３の下方に積層されていたが、第１，第２の質量付加膜１６，１７は、第１，第２の電極指１２，１３の上方、すなわち第１，第２の電極指１２，１３の上面に積層されていてもよい。
第１，第２の質量付加膜１６，１７は、誘電体からなり、本実施形態では、酸化ケイ素からなる。もっとも、誘電体としては、酸化ケイ素に限らず、五酸化ニオブ、酸化タングステン、五酸化タンタル、酸化ハフニウムなどの適宜の絶縁物を用いることができる。
また、第１，第２の質量付加膜１６，１７は、金属などの導電性材料からなるものであってもよい。その場合には、第１，第２の質量付加膜１６，１７は、第１の電極指１２と第２の電極指１３との間の領域には至らないように設けられる。すなわち、第１，第２の電極指１２，１３の直上または直下にのみ第１，第２の質量付加膜１６，１７が第１，第２のエッジ領域Ｅ１，Ｅ２において設けられることになる。
弾性波装置１の特徴は、ＩＤＴ電極８の材料にある。すなわち、ＩＤＴ電極８の第１の電極指１２及び第２の電極指１３は、Ａｌと、Ｃｕ、Ｍｇ、Ａｇ及びＮｄからなる群から選択された少なくとも１種とを含む合金膜からなる。そして、複数本の第１，第２の電極指１２，１３のうち少なくとも１本の第１，第２の電極指１２，１３において、第１，第２のエッジ領域Ｅ１，Ｅ２の少なくとも一部における当該Ｃｕ、Ｍｇ、Ａｇ及びＮｄの少なくとも１種の濃度が、中央領域Ｃにおける当該Ｃｕ、Ｍｇ、Ａｇ及びＮｄの少なくとも１種の濃度よりも高くされている。それによって、ＩＤＴ電極８における耐電力性を高めるとともに、損失の増大を抑制することができる。好ましくは、複数本の第１，第２の電極指１２，１３は、中央領域Ｃにおける成分がエピタキシャル膜である。その場合には、耐電力性をより一層高めることができる。
本実施形態の弾性波装置１では、第１，第２の電極指１２，１３において、第１，第２のエッジ領域Ｅ１，Ｅ２におけるＣｕ濃度が、中央領域ＣにおけるＣｕ濃度よりも高くされている。また、第１，第２の質量付加膜１６，１７が設けられている第１，第２のエッジ領域Ｅ１，Ｅ２においては、第１，第２の電極指１２，１３はエピタキシャル成長しにくくなる。このとき、エピタキシャル成長していない第１，第２の電極指１２，１３の先端部においてＣｕ濃度が高くされているため、耐電力性を高めることができる。本発明者らは、検討の結果、第１，第２の電極指１２，１３の先端側では、エピタキシャル成長しないことによりＣｕなどの濃度が相対的に低くなることが、耐電力性が低下する原因であると考えた。そこで、本発明では、上記第１，第２のエッジ領域Ｅ１，Ｅ２におけるＣｕなどの濃度が中央領域Ｃにおける濃度よりも高められている。従って、耐電力性を高め、かつ中央領域Ｃにおいては、Ｃｕなどの濃度が低くなっているため損失の増大を抑制することができる。
なお、上記中央領域Ｃと、第１，第２のエッジ領域Ｅ１，Ｅ２との境界部分は、第１，第２のエッジ領域Ｅ１，Ｅ２に含まれるものとする。境界部分において、Ｃｕ、Ｍｇ、ＡｇまたはＮｄの濃度が中央領域Ｃにおける濃度よりも高い場合、本発明の効果が得られる。
また、本発明においては、エッジ領域の全体におけるＣｕ、Ｍｇ、ＡｇまたはＮｄの濃度が中央領域ＣにおけるＣｕ、Ｍｇ、ＡｇまたはＮｄの濃度より高くなくてもよく、エッジ領域の少なくとも一部におけるＣｕ、Ｍｇ、ＡｇまたはＮｄの濃度が中央領域ＣにおけるＣｕ、Ｍｇ、ＡｇまたはＮｄの濃度より高ければよい。この場合においても、耐電力性を高めることができ、かつ弾性波装置の損失の増大を抑制することができる。
また、複数本の第１，第２の電極指１２，１３のうち、少なくとも１本の第１，第２の電極指１２，１３において、中央領域ＣにおけるＣｕ、Ｍｇ、Ａｇ及びＮｄの少なくとも１種からなる成分の濃度は、１０重量％以下であることが望ましい。その場合には、挿入損失の増大をより効果的に抑制することができる。これを、図２を参照して説明する。図２は、ＩＤＴ電極８の第１，第２の電極指１２，１３の中央領域ＣにおけるＡｌＣｕ合金中のＣｕの含有割合（重量％）と、弾性波装置の比抵抗との関係を示す図である。
ここで、弾性波装置１の設計パラメータは以下の通りとした。
支持基板３：Ｓｉ
高音速材料層４：ＳｉＮ膜、膜厚９００ｎｍ
低音速膜５：ＳｉＯ２膜、膜厚６００ｎｍ
圧電体層６：５０°ＹカットのＬｉＴａＯ３、厚み＝６００ｎｍ
ＩＤＴ電極８及び反射器９，１０：Ｔｉ膜／ＡｌＣｕ膜／Ｔｉ膜の積層構造。下方のＴｉ膜の膜厚４ｎｍ、上方のＴｉ膜の膜厚１２ｎｍ。ＡｌＣｕ膜の膜厚１００ｎｍ。
高音速材料層４：ＳｉＮ膜、膜厚９００ｎｍ
低音速膜５：ＳｉＯ２膜、膜厚６００ｎｍ
圧電体層６：５０°ＹカットのＬｉＴａＯ３、厚み＝６００ｎｍ
ＩＤＴ電極８及び反射器９，１０：Ｔｉ膜／ＡｌＣｕ膜／Ｔｉ膜の積層構造。下方のＴｉ膜の膜厚４ｎｍ、上方のＴｉ膜の膜厚１２ｎｍ。ＡｌＣｕ膜の膜厚１００ｎｍ。
第１，第２の質量付加膜１６，１７：Ｔａ２Ｏ５からなる誘電体。厚み＝３０ｎｍ。
第１，第２の電極指１２，１３の中央領域Ｃは、ＥＢＳＰで観察したところ、エピタキシャル膜であった。
他方、第１，第２のエッジ領域Ｅ１，Ｅ２では、エピタキシャル膜でない部分が存在した。特に、第１，第２の電極指１２，１３の先端部では、エピタキシャル成長していないことが確かめられた。
第１，第２の電極指１２，１３の中央領域Ｃにおける組成は、Ａｌを主体とし、ＡｌＣｕ全体を１００重量％としたときに、Ｃｕの割合を１重量％、７重量％、８重量％、１０重量％、１２．５重量％、１５重量％、１７重量％、２０重量％、２６重量％または３５重量％とした。
ＥＤＸを用いて元素分析を行ったところ、第１，第２のエッジ領域Ｅ１，Ｅ２におけるＣｕ析出量が中央領域ＣにおけるＣｕ析出量よりも多いことが確認された。すなわち、第１，第２のエッジ領域Ｅ１，Ｅ２におけるＣｕ濃度は、上記中央領域ＣにおけるＣｕ濃度よりも高いことが確認された。
図２から明らかなように、Ｃｕの濃度が中央領域Ｃにおいて高くなると、比抵抗が高くなり、従って損失が大きくなることがわかる。好ましくは、Ｃｕ濃度は１０重量％以下、より好ましくは５重量％以下である。それによって、比抵抗を著しく小さくすることができ、損失の増大をより効果的に抑制し得ることがわかる。
なお、上記実施形態では、第１，第２の電極指１２，１３を構成している合金膜は、Ａｌを主体とし、Ｃｕを含むものであったが、Ａｌを主体とし、Ｃｕ、Ｍｇ、Ａｇ及びＮｄからなる群から選択された少なくとも１種とを含む合金膜であってもよい。
従って、本発明では、合金膜は、Ａｌを主体とし、Ｍｇを含む組成を有するものであってもよく、Ａｌを主体とし、Ａｇを含む組成を有するものであってもよく、Ａｌを主体とし、Ｎｄを含む組成を有するものであってもよい。また、Ｃｕ、Ｍｇ、Ａｇ及びＮｄのうち２種以上の元素を含む合金膜であってもよい。なお、Ａｌを主体とし、Ｃｕ、Ｍｇ、Ａｇ及びＮｄのうち２種以上の元素を含む合金膜である場合には、当該２種以上の元素のうち少なくとも１種の元素について、第１，第２のエッジ領域Ｅ１，Ｅ２における濃度が、中央領域Ｃにおける濃度よりも高くされていればよい。
また、弾性波装置１では、上記第１，第２の質量付加膜１６，１７を設けることにより、第１，第２のエッジ領域Ｅ１，Ｅ２の音速が、中央領域Ｃの音速よりも低められている。そして、第１，第２のエッジ領域Ｅ１，Ｅ２の第１，第２の電極指１２，１３の延びる方向両外側には、第１，第２のギャップ領域Ｇ１，Ｇ２が設けられている。第１，第２のギャップ領域Ｇ１，Ｇ２の音速は、第１，第２のエッジ領域Ｅ１，Ｅ２の音速よりも高い。従って、弾性波装置１では、横モードによるリップルを音速差により効果的に抑圧することができる。
もっとも、本発明においては、第１，第２のエッジ領域Ｅ１，Ｅ２の音速は中央領域Ｃの音速よりも必ずしも低められておらずともよい。
弾性波装置１では、圧電性基板２が、支持基板３、高音速材料層４、低音速膜５及び圧電体層６の積層体であった。この場合、支持基板３の材料としてはＳｉに限らず、Ｓｉ以外の半導体や、アルミナなどの絶縁体を用いることができる。高音速材料層４は、窒化ケイ素からなるが、高音速材料層４は、適宜の高音速材料を用いて構成することができる。高音速材料とは、伝搬するバルク波の音速が、圧電体層６を伝搬する弾性波の音速よりも高い材料をいう。このような高音速材料としては、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、シリコン、サファイア、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、水晶、アルミナ、ジルコニア、コ－ジライト、ムライト、ステアタイト、フォルステライト、マグネシア、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜またはダイヤモンド、上記材料を主成分とする媒質、上記材料の混合物を主成分とする媒質等の様々な材料を用いることができる。低音速膜５は、低音速材料からなる。低音速材料とは、伝搬するバルク波の音速が、圧電体層６を伝搬するバルク波の音速よりも低い材料をいう。このような低音速材料としては、酸化ケイ素、ガラス、酸窒化ケイ素、酸化タンタル、また、酸化ケイ素にフッ素や炭素やホウ素、水素、あるいはシラノール基を加えた化合物、上記材料を主成分とする媒質等の様々な材料を用いることができる。
なお、圧電体層６は高音速材料層上に直接積層されていてもよい。
また、本発明においては、圧電性基板２において、低音速膜５が設けられていたが、低音速膜５が設けられずともよい。さらに、支持基板３上に高音速材料層４が積層されていたが、支持基板３が高音速材料からなる高音速支持基板であってもよい。その場合には、高音速材料層４は高音速支持基板である。
また、本発明における圧電性基板は、図１に示した圧電性基板２のような構造に限定されず、例えばアルミナなどの支持基板上に圧電体層が積層されている構造を有するものであってもよく、また圧電性基板２全体が圧電単結晶などからなる圧電基板であってもよい。
１…弾性波装置
２…圧電性基板
３…支持基板
４…高音速材料層
５…低音速膜
６…圧電体層
８…ＩＤＴ電極
９，１０…反射器
１１…誘電体膜
１２，１３…第１，第２の電極指
１４，１５…第１，第２のバスバー
１６，１７…第１，第２の質量付加膜
Ｃ…中央領域
Ｅ１，Ｅ２…第１，第２のエッジ領域
Ｇ１，Ｇ２…第１，第２のギャップ領域
Ｋ…交差領域
２…圧電性基板
３…支持基板
４…高音速材料層
５…低音速膜
６…圧電体層
８…ＩＤＴ電極
９，１０…反射器
１１…誘電体膜
１２，１３…第１，第２の電極指
１４，１５…第１，第２のバスバー
１６，１７…第１，第２の質量付加膜
Ｃ…中央領域
Ｅ１，Ｅ２…第１，第２のエッジ領域
Ｇ１，Ｇ２…第１，第２のギャップ領域
Ｋ…交差領域
Claims (16)
- 圧電体層と、
前記圧電体層上に設けられており、複数本の電極指を有するＩＤＴ電極と、
を備え、
前記複数本の電極指は、Ａｌと、Ｃｕ、Ｍｇ、Ａｇ及びＮｄからなる群から選択された少なくとも１種とを含む合金膜からなり、
前記複数本の電極指は、間挿し合う第１の電極指と第２の電極指とを有し、前記第１の電極指と前記第２の電極指とが、弾性波伝搬方向に視たときに重なり合っている領域が交差領域であり、
前記交差領域は、電極指の延びる方向中央に位置している中央領域と、前記中央領域の電極指の延びる方向両外側に位置している第１，第２のエッジ領域とを有し、
前記複数本の電極指のうち少なくとも１本の電極指において、前記第１，第２のエッジ領域の少なくとも一部における当該電極指中のＣｕ、Ｍｇ、Ａｇ及びＮｄの少なくとも１種の濃度が、前記中央領域におけるＣｕ、Ｍｇ、Ａｇ及びＮｄの少なくとも１種の濃度よりも高く、
前記複数本の電極指のうち少なくとも１本の電極指の、前記第１，第２のエッジ領域に位置する部分に設けられた、質量付加膜をさらに備え、
前記質量付加膜が、前記圧電体層と、前記第１，第２の電極指との間に積層されている、弾性波装置。 - 圧電体層と、
前記圧電体層上に設けられており、複数本の電極指を有するＩＤＴ電極と、
を備え、
前記複数本の電極指は、Ａｌと、Ｃｕ、Ｍｇ、Ａｇ及びＮｄからなる群から選択された少なくとも１種とを含む合金膜からなり、
前記複数本の電極指は、間挿し合う第１の電極指と第２の電極指とを有し、前記第１の電極指と前記第２の電極指とが、弾性波伝搬方向に視たときに重なり合っている領域が交差領域であり、
前記交差領域は、電極指の延びる方向中央に位置している中央領域と、前記中央領域の電極指の延びる方向両外側に位置している第１，第２のエッジ領域とを有し、
前記複数本の電極指のうち少なくとも１本の電極指において、前記第１，第２のエッジ領域の少なくとも一部における当該電極指中のＣｕ、Ｍｇ、Ａｇ及びＮｄの少なくとも１種の濃度が、前記中央領域におけるＣｕ、Ｍｇ、Ａｇ及びＮｄの少なくとも１種の濃度よりも高く、
前記複数本の電極指のうち少なくとも１本の電極指の、前記第１，第２のエッジ領域に位置する部分に設けられた、質量付加膜をさらに備え、
前記質量付加膜が誘電体からなる、弾性波装置。 - 前記第１，第２の電極指の全てにおいて、前記第１，第２のエッジ領域の少なくとも一部における当該電極指中のＣｕ、Ｍｇ、ＡｇまたはＮｄの濃度が、前記中央領域の少なくとも一部におけるＣｕ、Ｍｇ、ＡｇまたはＮｄの濃度よりも高い、請求項１または２に記載の弾性波装置。
- 前記複数本の電極指は、前記中央領域における前記合金膜がエピタキシャル膜である、請求項１～３のいずれか１項に記載の弾性波装置。
- 前記複数本の電極指のうち、少なくとも１本の電極指において、前記中央領域における、前記Ｃｕ、Ｍｇ、Ａｇ及びＮｄの少なくとも１種からなる成分の濃度が、１０重量％以下である、請求項１～４のいずれか１項に記載の弾性波装置。
- 前記質量付加膜が誘電体からなる、請求項１に記載の弾性波装置。
- 前記質量付加膜が金属からなる、請求項１に記載の弾性波装置。
- 前記質量付加膜が、前記圧電体層と、前記第１，第２の電極指との間に積層されている、請求項２に記載の弾性波装置。
- 前記合金膜が、Ａｌを主体とし、Ｃｕを含む、請求項１～８のいずれか１項に記載の弾性波装置。
- 前記合金膜が、Ａｌを主体とし、Ｍｇを含む、請求項１～８のいずれか１項に記載の弾性波装置。
- 前記合金膜が、Ａｌを主体とし、Ａｇを含む、請求項１～８のいずれか１項に記載の弾性波装置。
- 前記合金膜が、Ａｌを主体とし、Ｎｄを含む、請求項１～８のいずれか１項に記載の弾性波装置。
- 前記第１，第２のエッジ領域における音速が、前記中央領域における音速よりも低い、請求項１～１２のいずれか１項に記載の弾性波装置。
- 前記圧電体層を伝搬する弾性波の音速よりも、伝搬するバルク波の音速が高い高音速材料からなる高音速材料層をさらに備え、前記高音速材料層上に、直接または間接に前記圧電体層が積層されている、請求項１～１３のいずれか１項に記載の弾性波装置。
- 前記高音速材料層が、前記高音速材料からなる高音速支持基板である、請求項１４に記載の弾性波装置。
- 前記高音速材料層と、前記圧電体層との間に積層されており、伝搬するバルク波の音速が、前記圧電体層を伝搬するバルク波の音速よりも低い低音速材料からなる低音速膜をさらに備える、請求項１４または１５に記載の弾性波装置。
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