JPWO2018097016A1 - 弾性波デバイス - Google Patents
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Abstract
Description
図1乃至図43は、本発明の実施の形態の弾性波デバイスを示している。
図1(b)に示すように、本発明の実施の形態の弾性波デバイス10は、基板11と、その基板11の上に設けられた圧電薄膜12と、その圧電薄膜12の上に設けられたすだれ状電極(IDT)13とを有している。
図2(a)および(b)に、図1(a)に示す従来の弾性波デバイス50で、(0°、110°、0°)のLT基板から成る圧電基板51、および(0°、132°、0°)のLT基板から成る圧電基板51の上に、それぞれ厚みが0.08波長のAlのすだれ状電極52を形成して作製したSAW共振子について、得られたインピーダンス(Z)の周波数特性をそれぞれ示す。
図10(a)および(b)に、(0°、θ、0°)LT基板のレイリー波とLSAWの、音速および電気機械結合係数(結合係数:coupling factor)のθ依存性を示す。また、図10(c)に、(0°、θ、0°)LT基板のLSAWの、TCFのθ依存性を示す。図10(a)および(b)に示すように、LT基板では一般的に、漏洩成分が小さく、結合係数が4%以上である、θ=120°〜146°のLSAWが使用されている。このときの音速Vm(基板表面を電気的に短絡した時の音速)は、4,000〜4,100m/sである。しかし、フィルタの帯域は、使用する基板の結合係数に依存するため、所望の帯域を満足させる結合係数を選ぶ必要がある。本発明の実施の形態の弾性波デバイス10によれば、LTの下に同程度あるいは高音速な基板を使用すると漏洩成分が小さくなるため、結合係数が大きいθ=65°〜148°を使用し、そのときの音速3,700〜4,100m/sと同程度あるいはそれより高音速である水晶基板11を用いることにより、良好な特性が得られる。
図20(a)および(b)に、(0°、θ、0°)LN基板のレイリー波とLSAWの、音速および電気機械結合係数のθ依存性を示す。また、図20(c)に、(0°、θ、0°)LN基板のレイリー波とLSAWの、TCFのθ依存性を示す。図20(a)および(b)に示すように、LN基板では一般的に、漏洩成分が小さく結合係数が大きい、θ=131°〜154°のLSAWや、結合係数が大きい、θ=90°近傍のLSAWや、基板表面に音速の遅い電極を用いて、漏洩成分をゼロにしたラブ波などが使用されている。使用されているLSAWの音速Vmは、4,150〜4,450m/sである。
基板11として、水晶以外の材料について検討を行った。図28に、基板11として溶融石英基板を用い、(0°、110°、0°)LT薄膜12(厚み0.15波長)/溶融石英基板の上に、厚みが0.08波長のAlのすだれ状電極13を形成した弾性波デバイス10について、インピーダンス(Z)の周波数特性を示す。また、表7に、溶融石英など、基板11等の薄膜に使用される各種材料の定数を示す。表7に示すように、使用した溶融石英は、SiO2が100質量%であり、バルク波の横波の音速が約3,757m/sである。図28に示すように、溶融石英基板で、76dBの良好なインピーダンス比が得られている。表7に示すように、SiO2膜は溶融石英と同じ定数であり、SiOを成分とする膜は、SiOFやSiONなどの膜であり、SiO以外の成分をZとしたとき、SiOxZyの化学式において、xがx+yに対し30%以上である膜を示している。この膜は、SiO2膜と同じ特性が得られる。
すだれ状電極13の最適な厚みやメタライゼーション比について検討を行った。図31(a)および(b)に、(0°、110°、0°)LT薄膜12(厚み0.15波長)/(0°、132.75°、90°)水晶基板11の上に、様々な材質のすだれ状電極13を形成した弾性波デバイス10について、それぞれ得られた弾性波共振子の帯域およびインピーダンス比の、すだれ状電極13の厚み依存性を示す。すだれ状電極13として、Al、Cu、MoおよびPtから成るものを用いた。また、すだれ状電極13のメタライゼーション比は、0.5とした。
図1(b)には、弾性波デバイス10として、IDT(すだれ状電極)13/圧電薄膜12/水晶基板11の構造を示しているが、短絡電極31を含めて、図33(a)〜(d)に示すような構造も考えられる。なお、図33では、圧電薄膜12がLiTaO3結晶(LT)から成り、基板11が水晶基板から成る例を示している。図33(a)は、IDT13/圧電薄膜12(LT)/基板11から成る構造であり、図1(b)と同じ構造である。図33(b)は、IDT13/圧電薄膜12(LT)/短絡電極31/基板11である。図33(c)は、圧電薄膜12(LT)/IDT13/基板11であり、IDT13が基板11の側に埋め込まれているもの(上図)と、圧電薄膜12の側に埋め込まれているもの(下図)がある。図33(d)は、短絡電極31/圧電薄膜12(LT)/IDT13/基板11であり、IDT13が基板11の側に埋め込まれているもの(上図)と、圧電薄膜12の側に埋め込まれているもの(下図)がある。
図1(c)に示すように、弾性波デバイス10は、水晶基板11と圧電薄膜12との間に、絶縁性の接合膜32を有していてもよい。接合膜32は、吸音性が小さく、硬い材質のものから成ることが好ましく、例えば、五酸化タンタル(Ta2O5)、酸化亜鉛(ZnO)、二酸化シリコン(SiO2)、多結晶Si、窒化シリコン(SixNy:x,yは整数)などから成っている。
接合層32が2層の場合について検討を行った。(0°、110°、0°)LT薄膜12(厚み0.15波長)/接合膜32の1層目/接合膜32の2層目/(0°、132.75°、90°)水晶基板11の上に、厚みが0.08波長のAlのすだれ状電極13を形成した弾性波デバイス10について、共振子のインピーダンス比の、接合膜32の1層目および2層目の膜厚依存性を求めた。このとき、表10に示す横波音速が異なる4種の材料を、それぞれVs1、Vs2、Vs3、Vs4とし、これらのうちの2つを接合膜32の1層目および2層目として様々に組み合わせたものについて求めた。また、Vs1をTa2O5、Vs2をZnO、Vs3をSiO2、Vs4をSixNyとして検討した。
なお、音速などを求める材料の定数は、公に公表されている定数を用いている。また、薄膜が2つ以上の膜の混合膜の場合は、それぞれの膜の相加平均とすればよい。
なお、図38(a)および(b)に示すように、1層目または2層目がSiO2膜の場合、SiO2膜以外の層の種類や厚みを選ぶことにより、SiO2膜が1.5波長以下で、75dB以上のインピーダンス比を得ることができる。
弾性波デバイス10で、弾性表面波の高次モードを利用する場合について検討を行った。図39に、(0°、110°、0°)LT薄膜12(厚み0.15波長)/(0°、132.75°、90°)水晶基板11の上に、厚みが0.6波長のAlのすだれ状電極13を形成した弾性波デバイス10について、インピーダンス(Z)の周波数特性を示す。図39に示すように、1.25GHzに基本モード(0-th)が、3.6GHzにその高次モード(1-th)が確認された。
図43に示すように、弾性波デバイス10は、以下のようにして製造される。まず、LTまたはLNから成る圧電基板12aを準備し(図43(a)参照)、水晶基板11の上に、その圧電基板12aを接合する(図43(b)の左図参照)。また、圧電基板12aと水晶基板11との間に、短絡電極31や接合膜32を形成する場合には、水晶基板11の上に短絡電極31や接合膜32を接合した後、その上に圧電基板12aを接合する(図43(b)の右図参照)。各基板や膜は、接着剤を用いて接合してもよいが、接合面をプラズマなどで活性化処理して接合する、いわゆる直接接合で接合してもよい。
11 基板(水晶基板)
12 圧電薄膜(LT薄膜、LN薄膜)
12a 圧電基板
13 すだれ状電極(IDT)
21 電極指
14 反射器
31 短絡電極
32 接合膜
50 従来の弾性波デバイス
51 圧電基板
52 すだれ状電極(IDT)
53 反射器
Claims (49)
- 弾性表面波を利用する弾性波デバイスであって、
二酸化ケイ素(SiO2)を70質量%以上含む基板と、
前記基板上に設けられたLiTaO3結晶またはLiNbO3結晶から成る圧電薄膜と、
前記圧電薄膜に接するよう設けられたすだれ状電極とを、
有することを特徴とする弾性波デバイス。 - 前記基板と前記圧電薄膜との間に、短絡電極および/または絶縁性の接合膜を有することを特徴とする請求項1記載の弾性波デバイス。
- 前記基板を伝搬する前記弾性表面波の音速が、前記圧電薄膜を伝搬する前記弾性表面波の音速よりも速くなるよう構成されていることを特徴とする請求項1または2記載の弾性波デバイス。
- 前記すだれ状電極は、前記圧電薄膜上に、少なくとも下部が前記圧電薄膜に埋め込まれるよう、および/または、少なくとも上部が前記圧電薄膜から突出するよう設けられていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の弾性波デバイス。
- 前記基板は水晶基板から成ることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の弾性波デバイス。
- 前記基板は、バルク波の横波音速が3,400乃至4,800m/sであることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の弾性波デバイス。
- 前記基板は、等方性の基板から成り、
前記圧電薄膜は、厚みが0.001mm以上0.01mm未満であることを
特徴とする請求項1乃至4および6のいずれか1項に記載の弾性波デバイス。 - 前記基板は、水晶基板から成り、伝搬する前記弾性表面波の音速が4,500m/s以上であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の弾性波デバイス。
- 前記基板は、水晶基板から成り、伝搬する前記弾性表面波の音速が4,800m/s以上であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の弾性波デバイス。
- 前記基板は、水晶基板から成り、伝搬する前記弾性表面波の音速が5,000m/s以上であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の弾性波デバイス。
- 前記基板は、水晶基板から成り、伝搬する前記弾性表面波はSH成分を主成分とする漏洩弾性波、または、音速が4,500m/s以上のS波であることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載の弾性波デバイス。
- 前記基板は、伝搬する前記弾性表面波の音速が4,500m/s以上であり、オイラー角が(0°±5°、70°〜165°、0°±5°)、(0°±5°、95°〜155°、90°±5°)、またはこれと結晶学的に等価なオイラー角であることを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の弾性波デバイス。
- 前記基板は、オイラー角が(0°±5°、0°〜125°、0°±5°)、(0°±5°、0°〜36°、90°±5°)、(0°±5°、172°〜180°、90°±5°)、(0°±5°、120°〜140°、30°〜49°)、(0°±5°、25°〜105°、0°±5°)、(0°±5°、0°〜45°、15°〜35°)、(0°±5°、10°〜20°、60°〜70°)、(0°±5°、90°〜180°、30°〜45°)、(0°±5°、0°±5°、85°〜95°)、(90°±5°、90°±5°、25°〜31°)、(0°±5°、90°±5°、−3°〜3°)、またはこれらと結晶学的に等価なオイラー角であることを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の弾性波デバイス。
- 前記基板は、オイラー角が(20°±5°、120°±10°、115°±10°)、(0°±5°、90°±5°、0°±10°)、(0°±5°、90°±5°、75°±10°)、(0°±5°、0°±5°、0°±10°)、(0°±5°、0°±5°、60°±10°)またはこれらと結晶学的に等価なオイラー角であることを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の弾性波デバイス。
- 前記圧電薄膜は、LiTaO3結晶から成り、オイラー角が(90°±5°、90°±5°、33°〜55°)、(90°±5°、90°±5°、125°〜155°)またはこれらと結晶学的に等価なオイラー角であることを特徴とする請求項1乃至14のいずれか1項に記載の弾性波デバイス。
- 前記圧電薄膜は、LiNbO3結晶から成り、オイラー角が(90°±5°、90°±5°、38°〜65°)、(90°±5°、90°±5°、118°〜140°)またはこれらと結晶学的に等価なオイラー角であることを特徴とする請求項1乃至14のいずれか1項に記載の弾性波デバイス。
- 前記基板は、オイラー角が(0°±5°、0°〜132°、0°±5°)、(0°±5°、0°〜18°、0°±5°)、(0°±5°、42°〜65°、0°±5°)、(0°±5°、126°〜180°、0°±5°)またはこれと結晶学的に等価なオイラー角であり、
前記圧電薄膜は、LiTaO3結晶から成り、オイラー角が(0°±5°、82°〜148°、0°±5°)またはこれと結晶学的に等価なオイラー角であることを
特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の弾性波デバイス。 - 前記基板は、オイラー角が(0°±5°、0°〜42°、90°±5°)(0°±5°、170°〜190°、90°±5°)、(0°±5°、0°〜45°、90°±5°)、(0°±5°、123°〜180°、90°±5°)またはこれと結晶学的に等価なオイラー角であり、
前記圧電薄膜は、LiTaO3結晶から成り、オイラー角が(0°±5°、80°〜148°、0°±5°)またはこれと結晶学的に等価なオイラー角であることを
特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の弾性波デバイス。 - 前記基板は、オイラー角が(0°±5°、126°〜180°、90°±5°)またはこれと結晶学的に等価なオイラー角であることを特徴とする請求項18記載の弾性波デバイス。
- 前記圧電薄膜は、オイラー角が(0°±5°、103°〜125°、0°±5°)またはこれと結晶学的に等価なオイラー角であることを特徴とする請求項18または19記載の弾性波デバイス。
- 前記基板は、オイラー角が(1°〜39°、100°〜150°、0°〜20°または70°〜120°または160°〜180°)またはこれと結晶学的に等価なオイラー角であり、
前記圧電薄膜は、LiTaO3結晶から成り、オイラー角が(0°±5°、80°〜148°、0°±5°)またはこれと結晶学的に等価なオイラー角であることを
特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の弾性波デバイス。 - 前記基板は、オイラー角が(0°±5°、0°〜23°、0°±5°)、(0°±5°、32°〜69°、0°±5°)、(0°±5°、118°〜180°、0°±5°)、(0°±5°、0°〜62°、90°±5°)、(0°±5°、118°〜180°、90°±5°)、(0°±5°、0°〜72°、30°〜60°)、(0°±5°、117°〜180°、30°〜60°)またはこれと結晶学的に等価なオイラー角であり、
前記圧電薄膜は、LiTaO3結晶から成り、オイラー角が(0°±5°、80°〜148°、0°±5°)またはこれと結晶学的に等価なオイラー角であることを
特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の弾性波デバイス。 - 前記圧電薄膜は、前記弾性表面波の波長の0.001倍〜2倍の厚みを有していることを特徴とする請求項17乃至22のいずれか1項に記載の弾性波デバイス。
- 前記圧電薄膜は、前記弾性表面波の波長の0.01倍〜0.6倍の厚みを有していることを特徴とする請求項17乃至22のいずれか1項に記載の弾性波デバイス。
- 前記基板は、オイラー角が(0°±5°、0°〜132°、0°±5°)、(0°±5°、0°〜18°、0°±5°)、(0°±5°、42°〜65°、0°±5°)、(0°±5°、126°〜180°、0°±5°)またはこれと結晶学的に等価なオイラー角であり、
前記圧電薄膜は、LiNbO3結晶から成り、オイラー角が(0°±5°、75°〜165°、0°±5°)またはこれと結晶学的に等価なオイラー角であることを
特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の弾性波デバイス。 - 前記基板は、オイラー角が(0°±5°、0°〜42°、90°±5°)、(0°±5°、90°〜155°、90°±5°)、(0°±5°、0°〜45°、90°±5°)、(0°±5°、123°〜180°、90°±5°)またはこれと結晶学的に等価なオイラー角であり、
前記圧電薄膜は、LiNbO3結晶から成り、オイラー角が(0°±5°、70°〜170°、0°±5°)またはこれと結晶学的に等価なオイラー角であることを
特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の弾性波デバイス。 - 前記基板は、オイラー角が(1°〜39°、100°〜150°、0°〜20°または70°〜120°または160°〜180°)またはこれと結晶学的に等価なオイラー角であり、
前記圧電薄膜は、LiNbO3結晶から成り、オイラー角が(0°±5°、95°〜160°、0°±5°)またはこれと結晶学的に等価なオイラー角であることを
特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の弾性波デバイス。 - 前記基板は、オイラー角が(0°±5°、90°〜178°、0°±5°)、(0°±5°、80°〜160°、90°±5°)またはこれと結晶学的に等価なオイラー角であり、
前記圧電薄膜は、LiNbO3結晶から成り、オイラー角が(0°±5°、35°〜70°、0°±5°)、またはこれと結晶学的に等価なオイラー角であることを
特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の弾性波デバイス。 - 前記基板は、オイラー角が(0°±5°、0°〜16°、0°±5°)、(0°±5°、42°〜64°、0°±5°)、(0°±5°、138°〜180°、0°±5°)、(0°±5°、0°〜30°、90°±5°)、(0°±5°、130°〜180°、90°±5°)、(0°±5°、0°〜28°、30°〜60°)、(0°±5°、42°〜70°、30°〜60°)、(0°±5°、132°〜180°、30°〜60°)またはこれと結晶学的に等価なオイラー角であり、
前記圧電薄膜は、LiNbO3結晶から成り、オイラー角が(0°±5°、75°〜165°、0°±5°)またはこれと結晶学的に等価なオイラー角であることを
特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の弾性波デバイス。 - 前記基板は、オイラー角が(0°±5°、32°〜118°、0°±5°)、(0°±5°、0°〜30°、90°±5°)、(0°±5°、173°〜180°、90°±5°)、(0°±5°、0°〜142°、30°〜60°)またはこれと結晶学的に等価なオイラー角であり、
前記圧電薄膜は、LiNbO3結晶から成り、オイラー角が(0°±5°、35°〜70°、0°±5°)またはこれと結晶学的に等価なオイラー角であることを
特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の弾性波デバイス。 - 前記圧電薄膜は、前記弾性表面波の波長の0.001倍〜2倍の厚みを有していることを特徴とする請求項25、27、28、29または30記載の弾性波デバイス。
- 前記圧電薄膜は、前記弾性表面波の波長の0.012倍〜0.6倍の厚みを有していることを特徴とする請求項25、27、28、29または30記載の弾性波デバイス。
- 前記圧電薄膜は、前記弾性表面波の波長の0.01倍〜0.5倍の厚みを有していることを特徴とする請求項26、27、28、29または30記載の弾性波デバイス。
- 前記基板と前記圧電薄膜との間に、SiO2またはSiOを30%以上含むSi含有膜を有し、
前記基板は、バルク波の横波音速が5,900m/s以上であり、
前記Si含有膜は、前記弾性表面波の波長の0.15倍〜1倍の厚みを有していることを
特徴とする請求項1乃至33のいずれか1項に記載の弾性波デバイス。 - 前記基板と前記圧電薄膜との間に、SiO2またはSiOを30%以上含むSi含有膜を有し、
前記基板は、バルク波の横波音速が5,900m/s以上であり、
前記Si含有膜は、前記弾性表面波の波長の0.3倍〜0.5倍の厚みを有していることを
特徴とする請求項1乃至33のいずれか1項に記載の弾性波デバイス。 - 前記すだれ状電極は、その密度に応じて表1に示す厚みを有していることを特徴とする請求項1乃至35のいずれか1項に記載の弾性波デバイス。
- 前記すだれ状電極は、その密度に応じて表2に示すメタライゼーション比を有していることを特徴とする請求項1乃至36のいずれか1項に記載の弾性波デバイス。
- 前記基板と前記圧電薄膜との間に、絶縁性の接合膜を有し、
前記接合膜は、厚みが0.34波長以下であることを
特徴とする請求項1乃至37のいずれか1項に記載の弾性波デバイス。 - 前記基板と前記圧電薄膜との間に、絶縁性の接合膜を有し、
前記接合膜は、1層または複数層から成り、最も前記圧電薄膜側の層が、そのバルク横波音速に応じて表3に示す厚みを有していることを
特徴とする請求項1乃至37のいずれか1項に記載の弾性波デバイス。
- 前記接合膜は2層から成り、各層のバルク横波音速に応じて、前記圧電薄膜側の層が表3に示す厚みを有し、各層の合計膜厚が表4に示す厚みを有していることを特徴とする請求項39記載の弾性波デバイス。
- 前記接合膜は3層から成り、各層のバルク横波音速に応じて、最も前記圧電薄膜側の層が表3に示す厚みを有し、各層の合計膜厚が表5に示す厚みを有していることを特徴とする請求項39記載の弾性波デバイス。
- 前記接合膜のうち最も前記圧電薄膜側の層または2番目に前記圧電薄膜に近い層が、SiO2またはSiOを30%以上含む膜から成り、前記弾性表面波の波長の0.001倍〜1.2倍の厚みを有していることを特徴とする請求項38乃至41のいずれか1項に記載の弾性波デバイス。
- 前記接合膜のうち最も前記圧電薄膜側の層または2番目に前記圧電薄膜に近い層が、SiO2またはSiOを30%以上含む膜から成り、前記弾性表面波の波長の0.001倍〜0.3倍の厚みを有していることを特徴とする請求項38乃至41のいずれか1項に記載の弾性波デバイス。
- 前記接合膜は4層以上から成り、最も前記圧電薄膜側の層がそのバルク横波音速に応じて表3に示す厚みを有していることを特徴とする請求項39記載の弾性波デバイス。
- 前記弾性表面波は高次モードから成り、
前記すだれ状電極は、その密度に応じて表6に示す厚みを有していることを特徴とする請求項1乃至44のいずれか1項に記載の弾性波デバイス。
- 前記弾性表面波は高次モードから成り、
前記圧電薄膜は、前記弾性表面波の波長の0.35倍〜9.3倍の厚みを有していることを
特徴とする請求項1乃至45のいずれか1項に記載の弾性波デバイス。 - 前記弾性表面波は漏洩弾性表面波であることを特徴とする請求項1乃至46のいずれか1項に記載の弾性波デバイス。
- 前記弾性表面波は縦波型の漏洩弾性表面波であることを特徴とする請求項1乃至16のいずれか1項に記載の弾性波デバイス。
- 前記圧電薄膜はLiNbO3結晶から成り、
前記弾性表面波はレイリー波であることを
特徴とする請求項1乃至15および請求項25乃至46のいずれか1項に記載の弾性波デバイス。
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