JPWO2019111664A1 - 弾性波装置 - Google Patents
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Abstract
スプリアスモードを効果的に抑制することができる、弾性波装置を提供する。弾性波装置1は、シリコンにより構成されている支持基板2と、支持基板2上に直接的または間接的に設けられている圧電体層5と、圧電体層5上に設けられているIDT電極6とを備える。IDT電極6の電極指ピッチにより規定される波長をλとしたときに、圧電体層5の厚みは1λ以下である。圧電体層5を伝搬するバルク波の縦波成分の音速であるVLが、下記の式(1)の音速VSi−1に対し、下記の式(2)の関係を満たす。VSi−1=(V2)1/2(m/秒) …式(1)VSi−1≦VL…式(2)式(1)におけるV2は、下記の式(3)の解である。Ax3+Bx2+Cx+D=0 …式(3)
Description
本発明は、シリコン(Si)からなる支持基板を用いた弾性波装置に関する。
従来、シリコンからなる支持基板を用いた弾性波装置が種々提案されている。下記の特許文献1には、高次モードの応答を抑制するために、シリコン基板の結晶方位を所定の結晶方位とした弾性波装置が開示されている。
しかしながら、本願発明者らの検討により、特許文献1に記載の弾性波装置においては、シリコン基板の結晶方位の状態によっては、圧電体の板波の応答に起因するスプリアスが比較的大きいことが明らかとなった。
本発明の目的は、スプリアスモードを効果的に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、シリコンにより構成されている支持基板と、前記支持基板上に直接的または間接的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いるIDT電極とを備え、前記IDT電極の電極指ピッチにより規定される波長をλとしたときに、前記圧電体層の厚みが1λ以下であり、前記圧電体層を伝搬するバルク波の縦波成分の音速であるVLが、下記の式(1)の音速VSi−1に対し、下記の式(2)の関係を満たす、弾性波装置。
VSi−1=(V2)1/2(m/秒) …式(1)
VSi−1≦VL …式(2)
式(1)におけるV2は、下記の式(3)の解である。
Ax3+Bx2+Cx+D=0 …式(3)
式(3)の3つの解であるV1、V2及びV3は、V1≦V2≦V3の関係にある。
式(3)において、A、B、C及びDは、それぞれ、下記の式(3A)、式(3B)、式(3C)及び式(3D)で表される値である。
A=−ρ3 …式(3A)
B=ρ2(L11+L22+L33) …式(3B)
C=ρ(L21 2+L23 2+L31 2−L11・L33−L22・L33−L11・L22) …式(3C)
D=2・L21・L23・L31+L11・L22・L33−L31 2・L22−L11・L23 2−L21 2・L33 …式(3D)
VSi−1≦VL …式(2)
式(1)におけるV2は、下記の式(3)の解である。
Ax3+Bx2+Cx+D=0 …式(3)
式(3)の3つの解であるV1、V2及びV3は、V1≦V2≦V3の関係にある。
式(3)において、A、B、C及びDは、それぞれ、下記の式(3A)、式(3B)、式(3C)及び式(3D)で表される値である。
A=−ρ3 …式(3A)
B=ρ2(L11+L22+L33) …式(3B)
C=ρ(L21 2+L23 2+L31 2−L11・L33−L22・L33−L11・L22) …式(3C)
D=2・L21・L23・L31+L11・L22・L33−L31 2・L22−L11・L23 2−L21 2・L33 …式(3D)
ただし、式(3A)、式(3B)、式(3C)または式(3D)において、ρは、シリコンの密度(g/cm3)を示す。また、L11、L22、L33、L21、L31及びL23は、下記の式(4A)、式(4B)、式(4C)、式(4D)、式(4E)、式(4F)で表される値である。
L11=c11・a1 2+c44・a2 2+c44・a3 2 …式(4A)
L22=c44・a1 2+c11・a2 2+c44・a3 2 …式(4B)
L33=c44・a1 2+c44・a2 2+c11・a3 2 …式(4C)
L21=(c12+c44)・a2・a1 …式(4D)
L31=(c12+c44)・a1・a3 …式(4E)
L23=(c44+c12)・a3・a2 …式(4F)
L11=c11・a1 2+c44・a2 2+c44・a3 2 …式(4A)
L22=c44・a1 2+c11・a2 2+c44・a3 2 …式(4B)
L33=c44・a1 2+c44・a2 2+c11・a3 2 …式(4C)
L21=(c12+c44)・a2・a1 …式(4D)
L31=(c12+c44)・a1・a3 …式(4E)
L23=(c44+c12)・a3・a2 …式(4F)
ただし、式(4A)、式(4B)、式(4C)、式(4D)、式(4E)、式(4F)において、c11、c12、c44は、それぞれ、シリコンの弾性定数(N/m2)であり、a1、a2及びa3は、下記の式(5A)、式(5B)及び式(5C)で表される値である。
a1=cos(φ)・cos(ψ)−sin(φ)・cos(θ)・sin(ψ) …式(5A)
a2=sin(φ)・cos(ψ)+cos(φ)・cos(θ)・sin(ψ) …式(5B)
a3=sin(θ)・sin(ψ) …式(5C)
a1=cos(φ)・cos(ψ)−sin(φ)・cos(θ)・sin(ψ) …式(5A)
a2=sin(φ)・cos(ψ)+cos(φ)・cos(θ)・sin(ψ) …式(5B)
a3=sin(θ)・sin(ψ) …式(5C)
なお、式(5A)、式(5B)及び式(5C)におけるφ,θ及びψは、シリコンの結晶方位(φ,θ,ψ)における、φ,θ,ψである。
本発明に係る弾性波装置によれば、スプリアスモードを効果的に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(a)は、本発明の第1の実施形態に係る弾性波装置の模式的正面断面図である。図1(b)は、第1の実施形態に係る弾性波装置の電極構造を示す模式的平面図である。
弾性波装置1は、シリコンからなる支持基板2を有する。本実施形態では、支持基板2上に直接的に圧電体層5が積層されている。圧電体層5は、本実施形態では、タンタル酸リチウムからなる。圧電体層5のオイラー角(φ,θ,ψ)は特に限定されないが、本実施形態ではオイラー角(0°,140°,0°)である。なお、圧電体層5は、ニオブ酸リチウムや窒化アルミニウムなどからなっていてもよい。
圧電体層5上にはIDT電極6が設けられている。IDT電極6は、圧電体層5の上面に設けられているが、下面にも設けられていてもよい。IDT電極6は複数の電極指を有する。IDT電極6に交流電圧を印加することにより、弾性波が励振される。IDT電極6の、電極指が延びる方向に直交する方向としての弾性波伝搬方向の両側には、反射器7及び反射器8が設けられている。IDT電極6、反射器7及び反射器8はAlからなる。なお、IDT電極6、反射器7及び反射器8の材料は上記に限定されない。IDT電極6、反射器7及び反射器8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く、単層の金属膜からなっていてもよい。
図1(b)に示すように、弾性波装置1は、IDT電極6、反射器7及び反射器8を有する弾性波共振子である。
なお、IDT電極6上に誘電体膜を形成してもよい。
ここで、IDT電極6の電極指ピッチにより規定される波長をλとすると、圧電体層5の厚みは0.20λである。IDT電極6の厚みは0.08λである。波長λは、特に限定されないが、本実施形態では1μmである。なお、圧電体層5及びIDT電極6の厚みは上記に限定されない。圧電体層5の厚みは1λ以下であればよい。これにより、所望のモードを好適に励振させることができる。
図2(a)〜図2(f)は、板波のモードの例を示す図である。図2(a)〜図2(d)においては、矢印の方向が弾性波の変位方向を示し、図2(e)及び図2(f)においては紙面厚み方向が弾性波の変位方向を示す。
板波は、変位成分に応じてラム波(弾性波伝搬方向及び圧電体の厚み方向の成分が主)とSH波(SH成分が主)とに分類される。さらに、ラム波は対称モード(Sモード)と反対称モード(Aモード)とに分類される。なお、圧電体の厚み方向における半分のラインで折り返したとき、変位が重なるものを対称モード、変位が反対方向のものを反対称モードとしている。モードの名称における下付きの数値は厚み方向の節の数を示している。例えば、A1モードラム波とは、1次反対称モードラム波である。上記各モードは、単独で励振される場合及び混合モードとして励振される場合がある。各モードの音速が近い場合に、混合モードとして励振され得る。
図3は、各モードの板波が励振される例を示す図である。なお、図3は、第1の比較例のインピーダンス周波数特性を示す図である。第1の比較例は、支持基板2を有しない点において、本実施形態と異なる。
本実施形態では、SH0モードをメインモードとして利用する。厚みが薄い圧電体層5においては、SH0モード以外のモードも励振される。図3に示すように、例えば、S0モード及びSH1モードが励振される。メインモード以外のモードのレスポンスは、スプリアスとなる。従来においては、SH0モードを圧電体層5側に閉じ込めようとすると、SH0モード以外のモードである板波も圧電体層5側に閉じ込められていた。そのため、SH0モードを閉じ込めることと、スプリアスを抑制することとの両立は困難であった。
これに対して、圧電体層5を伝搬するスプリアスとなるモードの音速よりも、支持基板2を伝搬するバルク波の音速が低い場合には、スプリアスとなるモードを支持基板2側に漏洩させることができ、スプリアスを抑制することができる。なお、以下において、スプリアスとなるモードやスプリアスをスプリアスモードと記載することがある。ここで、シリコンからなる支持基板2を伝搬するバルク波の音速は、シリコンの結晶方位(φ,θ,ψ)によって変わる。本実施形態の特徴は、以下の構成を有することにある。1)支持基板2がシリコンにより構成されている。2)下記の式(1)、式(2)、式(3)、式(3A)、式(3B)、式(3C)、式(3D)、式(4A)、式(4B)、式(4C)、式(4D)、式(4E)、式(4F)、式(5A)、式(5B)及び式(5C)の関係を満たす。それによって、メインモードを圧電体層5側に効果的に閉じ込めることができ、かつスプリアスモードを抑制することができる。以下において、本実施形態の構成の詳細を説明する。
圧電体層5を伝搬するSH0モードの音速をVSH0とし、圧電体層5をIDT電極6で規定される方向に伝搬するバルク波の縦波成分の音速をVLとし、支持基板2を伝搬するバルク波の音速をVSi−1とする。より具体的には、音速VSi−1は支持基板2を伝搬する横波の音速である。音速VSi−1は、下記の式(1)の関係を満たす。音速VSi−1、音速VSH0及び音速VLは、下記の式(2)の関係を満たす。
VSi−1=(V2)1/2(m/秒) …式(1)
VSi−1≦VL …式(2)
圧電体層5を伝搬するバルク波の縦波成分の音速VLは、圧電体層5を伝搬するS0モードの音速を規定する。本実施形態では、図3の第1の比較例を参照して示したように、SH0モード以外のモードのうち最も遅いモードはS0モードである。VSi−1≦VLの関係を満たすため、SH0モード以外の全てのモードが圧電体層5を伝搬する音速は、支持基板2を伝搬するバルク波の音速VSi−1よりも高い。よって、スプリアスモードを支持基板2側に漏洩させることができ、スプリアスモードを抑制することができる。
なお、より具体的には、音速VLは、圧電体層5を伝搬するS0モードの最高音速を規定する。S0モードの音速と音速VLとが一致しない場合においても、双方の音速の差は大きくはならず、S0モードを支持基板2側に漏洩させる効果を得ることができる。さらに、音速VLよりも音速が高いモードを支持基板2側に効果的に漏洩させることができる。よって、スプリアスモードを抑制することができる。
式(1)におけるV2は、下記の式(3)の解である。
Ax3+Bx2+Cx+D=0 …式(3)
式(3)の3つの解であるV1、V2及びV3は、V1≦V2≦V3の関係にある。
式(1)においては、VSi−1を、上記3つの解のうち少なくともV1以上であるV2の関数として規定している。音速VSi−1は、支持基板2を伝搬する速い横波の音速である。よって、(V1)1/2≦(V2)1/2=VSi−1≦VLとすることができ、スプリアスモードを支持基板2側に、より一層確実に漏洩させることができる。
式(3)において、A、B、C及びDは、それぞれ、下記の式(3A)、式(3B)、式(3C)及び式(3D)で表される値である。
A=−ρ3 …式(3A)
B=ρ2(L11+L22+L33) …式(3B)
C=ρ(L21 2+L23 2+L31 2−L11・L33−L22・L33−L11・L22) …式(3C)
D=2・L21・L23・L31+L11・L22・L33−L31 2・L22−L11・L23 2−L21 2・L33 …式(3D)
ただし、式(3A)、式(3B)、式(3C)または式(3D)において、ρは、シリコンの密度(g/cm3)を示す。また、L11、L22、L33、L21、L31及びL23は、下記の式(4A)、式(4B)、式(4C)、式(4D)、式(4E)、式(4F)で表される値である。
L11=c11・a1 2+c44・a2 2+c44・a3 2 …式(4A)
L22=c44・a1 2+c11・a2 2+c44・a3 2 …式(4B)
L33=c44・a1 2+c44・a2 2+c11・a3 2 …式(4C)
L21=(c12+c44)・a2・a1 …式(4D)
L31=(c12+c44)・a1・a3 …式(4E)
L23=(c44+c12)・a3・a2 …式(4F)
ただし、式(4A)、式(4B)、式(4C)、式(4D)、式(4E)、式(4F)において、c11、c12、c44は、それぞれ、シリコンの弾性定数(N/m2)であり、a1、a2及びa3は、下記の式(5A)、式(5B)及び式(5C)で表される値である。
a1=cos(φ)・cos(ψ)−sin(φ)・cos(θ)・sin(ψ) …式(5A)
a2=sin(φ)・cos(ψ)+cos(φ)・cos(θ)・sin(ψ) …式(5B)
a3=sin(θ)・sin(ψ) …式(5C)
なお、式(5A)、式(5B)及び式(5C)におけるφ、θ及びψは、シリコンの結晶方位(φ,θ,ψ)における、φ,θ,ψである。
上記式(2)を満たすように、シリコンの結晶方位(φ,θ,ψ)の値を選択することで、SH0モードを圧電体層5側に効果的に閉じ込めることができ、かつスプリアスモードを抑制することができる。
ところで、上記シリコンの結晶方位(φ,θ,ψ)を、図4を参照して説明する。
図4は、シリコンの結晶方位の定義を説明するための模式図である。
図4のシリコンの結晶構造において、右ネジの回転方向を正とした場合、Z−X−Zを回転軸とする。結晶方位(φ,θ,ψ)とは、1)(X,Y,Z)をZ軸回りに「φ」回転し、(X1,Y1,Z1)とし、次に、2)(X1,Y1,Z1)をX1軸回りに「θ」回転し、(X2,Y2,Z2)とし、さらに3)(X2,Y2,Z2)をZ2軸回りに「ψ」回転し、(X3,Y3,Z3)とした方位となる。
図5に示すように、シリコンの結晶方位(0°,0°,0°)のときに、シリコンの結晶のX軸と、IDT電極の電極指が延びる方向と直交する方向Xaとが同一の方向となる。
シリコンの弾性定数c11、c12及びc44は以下のように定義される値である。
弾性体の歪みSと応力Tは比例関係にある。この比例関係は、以下の行列で表される。
この式の比例定数(cij)が弾性定数と呼ばれている。弾性定数cijは固体の属する結晶系によって決まる。例えば、シリコンでは、結晶の対称性から、以下の3つの独立な値で表現することができる。
シリコンの弾性定数(N/m2)
上述した弾性定数c11、c12及びc44は、上記のようにして定義されるシリコンの弾性定数である。なお、シリコンの弾性定数c11=1.674E+11(N/m2)、c12=6.523E+10(N/m2)、c44=7.957E+10(N/m2)である(H. J. McSkimin, et al., ”Measurement of the Elastic Constants of Silicon Single Crystals and Their Thermal Constants”, Phys. Rev. Vol. 83, p.1080(L) (1951).)。また、シリコンの密度ρ=2.331(g/cm3)である。
以下において、本実施形態と第2の比較例とを比較することにより、本実施形態の効果をより詳細に説明する。なお、第2の比較例は、支持基板の結晶方位が本実施形態と異なる。
本実施形態の弾性波装置の条件は以下の通りである。
圧電体層5:材料タンタル酸リチウム、オイラー角(0°,140°,0°)、厚み0.20λ
支持基板2:材料シリコン、結晶方位(−45°,−54.7°,30°)
IDT電極6:材料Al、厚み0.08λ
波長λ:1μm
支持基板2:材料シリコン、結晶方位(−45°,−54.7°,30°)
IDT電極6:材料Al、厚み0.08λ
波長λ:1μm
第2の比較例の弾性波装置の条件は以下の通りである。
圧電体層5:材料タンタル酸リチウム、オイラー角(0°,140°,0°)、厚み0.20λ
支持基板:材料シリコン、結晶方位(−45°,−54.7°,0°)
IDT電極6:材料Al、厚み0.08λ
波長λ:1μm
支持基板:材料シリコン、結晶方位(−45°,−54.7°,0°)
IDT電極6:材料Al、厚み0.08λ
波長λ:1μm
図6は、第1の比較例及び第2の比較例の弾性波装置のインピーダンス周波数特性並びに各音速の関係を示す図である。図7は、第1の実施形態及び第1の比較例の弾性波装置のインピーダンス周波数特性並びに各音速の関係を示す図である。図6においては、実線が第2の比較例の結果を示し、破線が第1の比較例の結果を示す。図7においては、実線が第1の実施形態の結果を示し、破線が第1の比較例の結果を示す。なお、第1の実施形態及び第2の比較例において波長λは1μmであるため、図6及び図7の横軸を音速(m/秒)の指標としても用いている。例えば、5000MHzの場合、5000m/秒を示す。図6及び図7において、一点鎖線は音速VLを示し、二点鎖線は音速VSi−1及び後述する音速VSiを示す。音速の関係を示す、後述する各図においても同様である。
図6に示すように、第2の比較例においては、VSi≦VL≦VSi−1となっている。なお、VSiは、支持基板を伝搬する遅い横波の音速である。圧電体層5を伝搬するバルク波の縦波成分の音速VLは、支持基板を伝搬する遅い横波の音速VSiよりも高いが、支持基板を伝搬する速い横波の音速VSi−1よりも低い。そのため、S0モードが圧電体層5側に閉じ込められ、5700MHz付近においてS0モードによるスプリアスが生じている。
なお、第2の比較例においては、横波が伝搬する音速が高い支持基板上に圧電体層5が積層されている。そのため、第2の比較例におけるS0モードによるスプリアスは、支持基板2を有しない第1の比較例よりも高域側に生じている。
第1の実施形態においては、図7に示すように、S0モード及びS0モード以外のモードによるスプリアスが抑制されていることがわかる。第1の実施形態においては、VSi≦VSi−1≦VLとなるように支持基板2の結晶方位が選択されているため、SH0モード以外の板波を支持基板2側に漏洩させることができる。従って、スプリアスモードを効果的に抑制することができる。
圧電体層5を伝搬するバルク波の縦波成分の音速VLは、下記の式(6)の音速VSi−2に対し、式(7)を満たすことが好ましい。なお、支持基板2を伝搬するバルク波の音速を上記音速VSi−2とする。より具体的には、音速VSi−2は、支持基板2を伝搬する横波の音速である。
VSi−2=(V3)1/2(m/秒) …式(6)
VSi−2≦VL …式(7)
上記の式(3)の3つの解であるV1、V2及びV3は、V1≦V2≦V3の関係にあるため、音速VSi−2は音速VSi−1以上である。式(7)を満たす場合、この音速VSi−2よりも音速VLが高いため、SH0モード以外の板波をより一層確実に支持基板2側に漏洩させることができ、より一層確実にスプリアスモードを抑制することができる。
圧電体層5を伝搬するSH0モードの音速よりも、支持基板2を伝搬するバルク波の音速を高くすると、圧電体層5側にSH0モードを効果的に閉じ込めることができる。この場合、圧電体層5を伝搬するSH0モードの音速VSH0と、圧電体層5を伝搬するバルク波の縦波成分の音速であるVLとが、上記の式(2)の音速VSi−1に対し、下記の式(8)の関係を満たす。
VSH0≦VSi−1≦VL …式(8)
なお、第1の実施形態において式(8)を満たす場合においても、VSi、VSi−1、VLの関係は以下のようになる。
VSi≦VSi−1≦VL
VSi≦VSi−1≦VL
この場合においても、式(7)の関係を満たすことが好ましい。
VSi−2≦VL …式(7)
VSi−2≦VL …式(7)
図8は、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、支持基板2と圧電体層5との間に、圧電体層5を伝搬するバルク波の音速よりも伝搬するバルク波の音速が低い、低音速膜14が設けられている点において、第1の実施形態と異なる。このように、本実施形態では、支持基板2上に間接的に圧電体層5が設けられている。圧電体層5の構成及び支持基板2の結晶方位も第1の実施形態と異なる。上記の点以外においては、第2の実施形態の弾性波装置は第1の実施形態の弾性波装置1と同様の構成を有する。
低音速膜14は、SiOxにより表される酸化ケイ素からなる。より具体的には、低音速膜14はSiO2からなる。なお、低音速膜14は、xが2以外の正数である酸化ケイ素からなっていてもよい。あるいは、低音速膜14は、例えば、ガラス、酸窒化ケイ素、酸化タンタル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などからなっていてもよい。低音速膜14の材料は、相対的に低音速な材料であればよい。もっとも、低音速膜14は酸化ケイ素からなることが好ましい。それによって、周波数温度特性を改善することができる。
低音速膜14の厚みは特に限定されないが、本実施形態では0.335λである。低音速膜14の厚みは、2λ以下であることが好ましい。低音速膜14の厚みを2λ以下において調整することにより、電気機械結合係数を容易に調整することができる。
本実施形態の弾性波装置の条件は以下の通りである。
圧電体層5:材料タンタル酸リチウム、カット角50°Y、厚み0.30λ
支持基板2:材料シリコン、結晶方位(−45°,−90°,35°)
低音速膜14:材料SiO2、厚み0.335λ
IDT電極6:材料Al、厚み0.08λ
波長λ:1μm
支持基板2:材料シリコン、結晶方位(−45°,−90°,35°)
低音速膜14:材料SiO2、厚み0.335λ
IDT電極6:材料Al、厚み0.08λ
波長λ:1μm
本実施形態の弾性波装置は、圧電体層5を伝搬するSH0モードの音速よりも伝搬するバルク波の音速が高い支持基板2、低音速膜14及び圧電体層5からなる積層体を有する。よって、圧電体層5側にSH0モードをより一層効果的に閉じ込めることができる。
ここで、低音速膜と圧電体層とが積層されている場合、SH1モードなどが低域側に移動する場合がある。これを第3の比較例により示す。なお、第3の比較例は、支持基板を有しない点において、本実施形態と異なる。
図9は、第1の比較例及び第3の比較例の弾性波装置のインピーダンス周波数特性を示す図である。図9において、実線は第3の比較例の結果を示し、破線は第1の比較例の結果を示す。
図9に示すように、低音速膜14を有しない第1の比較例よりも、低音速膜14と圧電体層5とが積層された第3の比較例においては、SH1モード及びA1モードは低域側に生じている。なお、S0モードは、低域側に移動したSH2モードとの混合モードとなっており、第1の比較例におけるS0モードよりも若干高域側に移動している。
低音速膜14と圧電体層5とが積層されている場合においても、本実施形態においてはスプリアスモードを抑制することができる。これを、本実施形態と第4の比較例とを比較することにより示す。なお、第4の比較例は、支持基板の結晶方位が結晶方位(0°,0°,0°)である点において、本実施形態と異なる。
図10は、第2の実施形態及び第4の比較例の弾性波装置のインピーダンス周波数特性を示す図である。図10において、実線は第2の実施形態の結果を示し、破線は第4の比較例の結果を示す。一点鎖線はVLを示し、二点鎖線はVSi−1を示す。
第4の比較例においては、5600MHz付近において、S0モード及びSH2モードの混合モードによる大きなスプリアスが生じていることがわかる。これに対して、第2の実施形態においては、S0モード及びSH2モードの混合モードによるスプリアスが抑制されていることがわかる。第2の実施形態においては、第4の比較例よりも音速VSi−1が低くされており、5100m/秒とされている。このように、式(2)を満たすように支持基板2の結晶方位が選択されているため、スプリアスモードを抑制することができる。
VSi−1≦VL …式(2)
さらには、低音速膜14の厚みは、圧電体層5の厚み以下であることが好ましい。この場合には、スプリアスモードをより一層抑制することができる。これを以下において示す。
第2の実施形態の構成を有する複数の弾性波装置を、それぞれ低音速膜の厚みを異ならせて作製した。
第2の実施形態の構成を有する各弾性波装置の条件は、以下の通りである。
圧電体層5:材料タンタル酸リチウム、カット角50°Y、厚み0.20λ
支持基板2:材料シリコン、結晶方位(−45°,−90°,80°)
低音速膜14:材料SiO2、厚み0.15λ、または0.2λ
IDT電極6:材料Al、厚み0.025λ
波長λ:1μm
支持基板2:材料シリコン、結晶方位(−45°,−90°,80°)
低音速膜14:材料SiO2、厚み0.15λ、または0.2λ
IDT電極6:材料Al、厚み0.025λ
波長λ:1μm
図19は、第2の実施形態の構成を有する各弾性波装置の位相特性を示す図である。図20は、第2の実施形態の構成を有する各弾性波装置の位相特性を拡大して示す図である。図19及び図20において、実線は、低音速膜の厚みを0.15λとし、圧電体層よりも薄くした場合の結果を示す。破線は、低音速膜の厚みを0.2λとし、圧電体層と同じ厚みとした場合の結果を示す。
図19及び図20に示される通り、低音速膜を圧電体層よりも薄くした場合において、低音速膜を圧電体層と同じ厚みとした場合よりも、4.5GHz〜7GHzにおけるスプリアスの最大位相レベルがより抑えられていることがわかる。これは、低音速膜を薄くすることによって、低音速膜による板波モードの低速化が抑えられ、より支持基板にスプリアスモードが漏洩され易くなったからである。
さらに、第2の実施形態の構成を有する複数の弾性波装置を、それぞれ低音速膜の厚みを異ならせて作製した。なお、これらの弾性波装置においては、図19及び図20により位相特性を示した弾性波装置とは、圧電体層の厚みが異なる。
第2の実施形態の構成を有する各弾性波装置の条件は、以下の通りである。
圧電体層5:材料タンタル酸リチウム、カット角50°Y、厚み0.30λ
支持基板2:材料シリコン、結晶方位(−45°,−54.7°,45°)
低音速膜14:材料SiO2、厚み0.1λ、0.2λ、または0.3λ
IDT電極6:材料Al、厚み0.04λ
波長λ:1μm
支持基板2:材料シリコン、結晶方位(−45°,−54.7°,45°)
低音速膜14:材料SiO2、厚み0.1λ、0.2λ、または0.3λ
IDT電極6:材料Al、厚み0.04λ
波長λ:1μm
図21は、第2の実施形態の構成を有する各弾性波装置の位相特性を示す図である。図22は、第2の実施形態の構成を有する各弾性波装置の位相特性を拡大して示す図である。図21及び図22において、実線は、低音速膜の厚みを0.1λとし、圧電体層よりも薄くした場合の結果を示す。一点鎖線は、低音速膜の厚みを0.2λとし、圧電体層よりも薄くした場合の結果を示す。破線は、低音速膜の厚みを0.3λとし、圧電体層と同じ厚みとした場合の結果を示す。
図21及び図22に示される通り、低音速膜を圧電体層よりも薄くした場合においては、低音速膜を圧電体層と同じ厚みとした場合よりも、4.5GHz〜7GHzにおけるスプリアスの最大位相レベルがより抑えられている。図19〜図22に示したように、圧電体層の厚みによらず、低音速膜を圧電体層より薄くすることで、スプリアスモードをより一層抑制することができる。さらに、低音速膜の厚みは薄いほど望ましく、それによって、スプリアスモードをより一層抑制できることがわかる。
圧電体層5は、0.15λ以下であることが好ましい。それによって、より一層スプリアスモードを抑制することができる。これを以下において説明する。
図11は、圧電体層における板波のモードの分散関係を示す図である。なお、図11は、圧電体層が36°YX−LiTaO3からなる場合の例を示す。
図11に示すように、圧電体層5の厚みが0.15λ以下の場合、A0モード及びS0モード以外のスプリアスとなるモードは、ほぼ励振されないことがわかる。圧電体層5が薄くなるほど、A0モードの音速は0m/秒に近づいていくことがわかる。他方、A0モード及びS0モード以外のスプリアスとなるモードが励振されたとしても、10000m/秒を超える音速となる場合が多い。よって、メインモードであるSH0モードの2倍程度の周波数までは、スプリアスモードは生じ難い。
ここで、圧電体層5の厚みを0.15λ以下とした、第2の実施形態の変形例のインピーダンス周波数特性及びリターンロスを示す。本変形例の弾性波装置の条件は以下の通りである。
圧電体層5:材料タンタル酸リチウム、カット角50°Y、厚み0.10λ
支持基板2:材料シリコン、結晶方位(−45°,−54.7°,30°)
低音速膜14:材料SiO2、厚み0.1λ
IDT電極6:材料Al、厚み0.08λ
波長λ:1μm
支持基板2:材料シリコン、結晶方位(−45°,−54.7°,30°)
低音速膜14:材料SiO2、厚み0.1λ
IDT電極6:材料Al、厚み0.08λ
波長λ:1μm
図12は、第2の実施形態の変形例に係る弾性波装置のインピーダンス周波数特性を示す図である。図13は、第2の実施形態の変形例に係る弾性波装置のリターンロスを示す図である。
図12に示すように、第2の実施形態の変形例では、メインモードの0.5倍以上、2.2倍以下程度の周波数において、スプリアスモードが効果的に抑制されていることがわかる。上述したように、圧電体層5の厚みが0.15λ以下であるため、S0モード以外のモードによるスプリアスを抑制することができ、かつ第2の実施形態と同様に、S0モードによるスプリアスも抑制することができる。図13に示すように、絶対値が1dBより大きいロスも生じていないことがわかる。
図14は、第3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、支持基板2と低音速膜14との間に、圧電体層5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、高音速膜23が設けられている点において、第2の実施形態と異なる。圧電体層5及び低音速膜14の厚み並びに支持基板2の結晶方位も第2の実施形態と異なる。上記の点以外においては、第3の実施形態の弾性波装置は第2の実施形態の弾性波装置と同様の構成を有する。
高音速膜23は窒化ケイ素(SiN)からなる。なお、高音速膜23は、例えば、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、酸窒化ケイ素、ケイ素、DLC膜、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、水晶等の圧電体、アルミナ、ジルコニア、コージライト、ムライト、ステアタイト、フォルステライトなどの各種セラミック、ダイヤモンド、マグネシア、または、上記各材料を主成分とする材料、上記各材料の混合物を主成分とする材料のいずれかからなっていてもよい。高音速膜23の材料は、相対的に高音速な材料であればよい。
本実施形態の弾性波装置の条件は以下の通りである。
圧電体層5:材料タンタル酸リチウム、カット角50°Y、厚み0.20λ
支持基板2:材料シリコン、結晶方位(−45°,−54.7°,30°) 低音速膜14:材料SiO2、厚み0.225λ
高音速膜23:材料SiN、厚み0.4λ
IDT電極6:材料Al、厚み0.08λ
波長λ:1μm
支持基板2:材料シリコン、結晶方位(−45°,−54.7°,30°) 低音速膜14:材料SiO2、厚み0.225λ
高音速膜23:材料SiN、厚み0.4λ
IDT電極6:材料Al、厚み0.08λ
波長λ:1μm
スプリアスとなる各モードが高音速膜23を伝搬する音速は高いため、上記各モードを支持基板2側に、より一層漏洩させることができる。よって、スプリアスモードを効果的に抑制することができる。なお、メインモードであるSH0モードは、圧電体層5側に効果的に閉じ込めることができる。これを下記の図15及び図16により示す。なお、高音速膜を有しない点以外においては第3の実施形態と同様の構成を有する、第3の実施形態の変形例の弾性波装置を用意した。
図15は、第3の実施形態及び変形例の弾性波装置の位相特性を示す図である。図16は、第3の実施形態及び変形例の弾性波装置の位相特性を拡大して示す図である。図15及び図16において、実線は第3の実施形態の結果を示し、破線は変形例の結果を示す。
図15に示すように、第3の実施形態においては、3700MHz〜4000MHz付近において、位相特性が90°に近くなっている。よって、挿入損失が低くなっていることがわかる。これは変形例も同様である。
図15及び図16に示すように、5000MHz付近において、変形例においてもスプリアスモードを抑制することはできているが、第3の実施形態においては、スプリアスモードをより一層抑制できていることがわかる。
以下において、第4の実施形態の構成を説明する。本実施形態は、圧電体層5がニオブ酸リチウムからなる点において、第3の実施形態と異なる。低音速膜14及び高音速膜23の厚み並びに支持基板2の結晶方位も第3の実施形態と異なる。上記の点以外においては、第4の実施形態の弾性波装置は第3の実施形態の弾性波装置と同様の構成を有する。
本実施形態の弾性波装置の条件は以下の通りである。
圧電体層5:材料ニオブ酸リチウム、カット角30°Y、厚み0.30λ
支持基板2:材料シリコン、結晶方位(−45°,−90°,35°)
低音速膜14:材料SiO2、厚み0.3λ
高音速膜23:材料SiN、厚み0.1λ
IDT電極6:材料Al、厚み0.08λ
波長λ:1μm
支持基板2:材料シリコン、結晶方位(−45°,−90°,35°)
低音速膜14:材料SiO2、厚み0.3λ
高音速膜23:材料SiN、厚み0.1λ
IDT電極6:材料Al、厚み0.08λ
波長λ:1μm
本実施形態においても、第3の実施形態と同様に、スプリアスモードを抑制することができる。これを、以下において、本実施形態と第5の比較例とを比較することにより示す。なお、第5の比較例は、支持基板の結晶方位が結晶方位(0°,0°,0°)である点において本実施形態と異なる。
図17は、第4の実施形態及び第5の比較例の弾性波装置のインピーダンス周波数特性を示す図である。図17において、実線は第4の実施形態の結果を示し、破線は第5の比較例の結果を示す。
第5の比較例においては、5400MHz付近において、大きなスプリアスモードが生じていることがわかる。これに対して、第4の実施形態においては、スプリアスモードが抑制されていることがわかる。第4の実施形態においては、第5の比較例よりも音速VSi−1が低くされており、5100m/秒とされている。このように、式(2)を満たすように支持基板2の結晶方位が選択されているため、スプリアスモードを抑制することができる。
VSi−1≦VL …式(2)
高音速膜23の膜厚は、0.1λ以上、0.6λ以下であることが好ましい。この場合には、スプリアスとなるモードを支持基板2側に、より一層漏洩させ易い。よって、スプリアスモードをより一層抑制することができる。
図18は、第5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、支持基板2と圧電体層5との間に支持体34が設けられており、かつキャビティAが設けられている点において、第1の実施形態と異なる。上記の点以外においては、第5の実施形態の弾性波装置は第1の実施形態の弾性波装置1と同様の構成を有する。
支持体34には凹部34aが設けられており、凹部34aを圧電体層5が覆っている。これにより、支持体34及び圧電体層5により囲まれたキャビティAが設けられている。支持体34は、特に限定されないが、本実施形態では酸化ケイ素からなる。
圧電体層5において励振された板波は、圧電体層5とキャビティAとの界面において、圧電体層5側に反射される。他方、支持体34における圧電体層5を支持している部分から、スプリアスとなるモードを支持基板2側に漏洩させることができる。本実施形態においても、第1の実施形態と同様に、スプリアスモードを抑制することができる。
なお、支持体34は必ずしも設けられていなくともよい。この場合、支持基板2に凹部が設けられていてもよい。該凹部が圧電体層5に覆われることにより、支持基板2及び圧電体層5により囲まれたキャビティが設けられていてもよい。
上記各実施形態及び上記各変形例においては、弾性波装置が弾性波共振子である例を示した。なお、本発明の弾性波装置は、例えば、弾性波共振子を含むラダー型フィルタや縦結合共振子型弾性波フィルタなどであってもよく、あるいは、弾性波共振子を含む帯域通過型フィルタなどを複数有するマルチプレクサであってもよい。
1…弾性波装置
2…支持基板
5…圧電体層
6…IDT電極
7,8…反射器
14…低音速膜
23…高音速膜
34…支持体
34a…凹部
2…支持基板
5…圧電体層
6…IDT電極
7,8…反射器
14…低音速膜
23…高音速膜
34…支持体
34a…凹部
Claims (12)
- シリコンにより構成されている支持基板と、
前記支持基板上に直接的または間接的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いるIDT電極と、
を備え、
前記IDT電極の電極指ピッチにより規定される波長をλとしたときに、前記圧電体層の厚みが1λ以下であり、
前記圧電体層を伝搬するバルク波の縦波成分の音速であるVLが、下記の式(1)の音速VSi−1に対し、下記の式(2)の関係を満たす、弾性波装置。
VSi−1=(V2)1/2(m/秒) …式(1)
VSi−1≦VL …式(2)
式(1)におけるV2は、下記の式(3)の解である。
Ax3+Bx2+Cx+D=0 …式(3)
式(3)の3つの解であるV1、V2及びV3は、V1≦V2≦V3の関係にある。
式(3)において、A、B、C及びDは、それぞれ、下記の式(3A)、式(3B)、式(3C)及び式(3D)で表される値である。
A=−ρ3 …式(3A)
B=ρ2(L11+L22+L33) …式(3B)
C=ρ(L21 2+L23 2+L31 2−L11・L33−L22・L33−L11・L22) …式(3C)
D=2・L21・L23・L31+L11・L22・L33−L31 2・L22−L11・L23 2−L21 2・L33 …式(3D)
ただし、式(3A)、式(3B)、式(3C)または式(3D)において、ρは、シリコンの密度(g/cm3)を示す。また、L11、L22、L33、L21、L31及びL23は、下記の式(4A)、式(4B)、式(4C)、式(4D)、式(4E)、式(4F)で表される値である。
L11=c11・a1 2+c44・a2 2+c44・a3 2 …式(4A)
L22=c44・a1 2+c11・a2 2+c44・a3 2 …式(4B)
L33=c44・a1 2+c44・a2 2+c11・a3 2 …式(4C)
L21=(c12+c44)・a2・a1 …式(4D)
L31=(c12+c44)・a1・a3 …式(4E)
L23=(c44+c12)・a3・a2 …式(4F)
ただし、式(4A)、式(4B)、式(4C)、式(4D)、式(4E)、式(4F)において、c11、c12、c44は、それぞれ、シリコンの弾性定数(N/m2)であり、a1、a2及びa3は、下記の式(5A)、式(5B)及び式(5C)で表される値である。
a1=cos(φ)・cos(ψ)−sin(φ)・cos(θ)・sin(ψ) …式(5A)
a2=sin(φ)・cos(ψ)+cos(φ)・cos(θ)・sin(ψ) …式(5B)
a3=sin(θ)・sin(ψ) …式(5C)
なお、式(5A)、式(5B)及び式(5C)におけるφ,θ及びψは、シリコンの結晶方位(φ,θ,ψ)における、φ,θ,ψである。 - 前記圧電体層を伝搬するバルク波の縦波成分の音速であるVLが、下記の式(6)の音速VSi−2に対し、下記の式(7)の関係を満たす、請求項1に記載の弾性波装置。
VSi−2=(V3)1/2(m/秒) …式(6)
VSi−2≦VL …式(7) - 前記圧電体層を伝搬するSH0モードの音速VSH0と、前記圧電体層を伝搬するバルク波の縦波成分の音速であるVLとが、上記の式(2)の音速VSi−1に対し、下記の式(8)の関係を満たす、請求項1または2に記載の弾性波装置。
VSH0≦VSi−1≦VL …式(8) - 前記支持基板と前記圧電体層との間に、前記圧電体層を伝搬するバルク波の音速よりも伝搬するバルク波の音速が低い、低音速膜が設けられている、請求項1〜3のいずれか1項に記載の弾性波装置。
- 前記支持基板と前記低音速膜との間に、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、高音速膜が設けられている、請求項4に記載の弾性波装置。
- 前記高音速膜の厚みが0.6λ以下である、請求項5に記載の弾性波装置。
- 前記低音速膜の厚みが2λ以下である、請求項4〜6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前記圧電体層の厚み以下である、請求項4〜7のいずれか1項に記載の弾性波装置。
- 前記支持基板と前記圧電体層との間にキャビティが設けられている、請求項1〜3のいずれか1項に記載の弾性波装置。
- 前記圧電体層がタンタル酸リチウムからなる、請求項1〜9のいずれか1項に記載の弾性波装置。
- 前記圧電体層がニオブ酸リチウムからなる、請求項1〜9のいずれか1項に記載の弾性波装置。
- 前記圧電体層の厚みが0.15λ以下である、請求項1〜11のいずれか1項に記載の弾性波装置。
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