WO2019022006A1 - 弾性波素子 - Google Patents

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惣一朗 野添
哲也 岸野
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Definitions

  • the present disclosure relates to an acoustic wave device.
  • the elastic wave element is used, for example, as a band pass filter in communication devices such as mobile phones.
  • a composite substrate one using lithium niobate or lithium tantalate as a piezoelectric substrate and silicon, quartz, ceramics or the like as a supporting substrate is known (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-319679).
  • the elastic wave device of the present disclosure includes an IDT electrode, a first substrate, and a second substrate.
  • the IDT electrode includes a plurality of electrode fingers to excite surface acoustic waves.
  • the IDT electrode is located on the top surface of the first substrate, and the first substrate is made of a piezoelectric crystal.
  • the second substrate is bonded to the lower surface side of the first substrate. Then, either the first region continuous from the lower surface to the upper surface of the first substrate or the second region continuous from the lower surface of the first substrate to the second substrate has a resistance value
  • the low resistance region is 5 ⁇ 10 3 ⁇ or more and 5 ⁇ 10 7 ⁇ or less.
  • FIG. 9A and FIG. 9B are diagrams showing frequency characteristics of the example and the comparative example.
  • FIGS. 10 (a) and 10 (b) are diagrams showing frequency characteristics of the example and the comparative example.
  • the acoustic wave element may have any direction upward or downward, but hereinafter, for convenience, the orthogonal coordinate system xyz is defined, and the positive side in the z direction is upward, with the upper surface and the lower surface.
  • the orthogonal coordinate system xyz is defined, and the positive side in the z direction is upward, with the upper surface and the lower surface.
  • SAW surface acoustic wave
  • the SAW propagates in a direction orthogonal to the plurality of electrode fingers 32. Therefore, in consideration of the crystal orientation of the first substrate 10 made of a piezoelectric crystal described later, the two bus bars 31 are arranged to face each other in the direction intersecting the direction in which the SAW is to be propagated.
  • the finger 32 is formed to extend in a direction orthogonal to the direction in which the SAW is desired to be propagated.
  • the x axis is orthogonal to the electrode finger 32 (parallel to the propagation direction of the SAW), the y axis is parallel to the electrode finger 32, and the z axis is on the upper surface 10a of the first substrate 10. It shall be defined to be orthogonal. That is, it is assumed that the orthogonal coordinate system xyz is defined not on the basis of the outer shape of the first substrate 10 but on the basis of the IDT electrode 3 (the propagation direction of the SAW).
  • the IDT electrode 3 may be disposed directly on the top surface 10 a of the first substrate 10 or may be disposed on the top surface 10 a of the first substrate 10 via another member.
  • another member for example, Ti, Cr, an alloy of these, or the like can be used.
  • the IDT electrode 3 is disposed on the upper surface 10a of the first substrate 10 through another member, the thickness of the other member hardly affects the electrical characteristics of the IDT electrode 3 (for example, in the case of Ti) Is set to 5% of the thickness of the IDT electrode 3).
  • the low resistance region 50 may be a first region 50x which is continuous from the lower surface 10b to the upper surface 10a of the first substrate 10, or is continuous from the lower surface 10b of the first substrate 10 to the opposite side to the upper surface 10a. It may be a second area 50y.
  • the first region 50x is a part of the first substrate 10 and is a region 10x continuous from the lower surface 10b of the first substrate 10 (FIG. 3A).
  • the second region 50y may be, for example, the intermediate layer 40 interposed between the first substrate 10 and the second substrate 20 (FIG. 3 (b)), or a part of the second substrate 20. It may be a region 20x continuous from the lower surface of one substrate 10 (FIG. 3 (c)).
  • the first substrate 10 has a relatively thin constant thickness. The thickness will be described later.
  • a Si substrate As such a material, a Si substrate, a sapphire substrate etc. can be illustrated, for example, but the case where a Si substrate is used is explained in the following examples.
  • the SAW element 1 When a voltage is applied to the IDT electrode 3, the SAW element 1 emits a bulk wave in the thickness direction of the first substrate 10 in addition to the SAW propagating on the upper surface 10 a of the first substrate 10. Then, this bulk wave is reflected by the lower surface 10b of the first substrate 10, returns to the upper surface 10a side, and is coupled to the electrode finger 32, whereby an electrical signal (bulk wave spurious) is generated in the SAW element 1 due to unintended bulk wave. Do.
  • the thickness of the first substrate 10 and the resistance value of the low resistance region 50 were changed to simulate the phase ratio at the bulk wave spurious occurrence frequency compared to the case where there was no low resistance region.
  • the strength of the bulk wave spurious can be reduced by setting the resistance value of the low resistance region 50 to 5 ⁇ 10 3 ⁇ or more and 5 ⁇ 10 7 ⁇ or less.
  • the elastic wave element 1 by setting the resistance value of the low resistance region 50 to the above value, it is possible to enhance the attenuation characteristics at the bulk wave spurious occurrence frequency. This is because by setting the resistance value of the low resistance region 50 to the above value, a loss occurs in the bulk wave reaching the low resistance region 50, and thus the bulk wave returning to the upper surface 10a side of the first substrate 10 is reduced. It is guessed to be
  • the resistance value exceeds 5 ⁇ 10 7 ⁇ , the intensity of the bulk wave spurious can not be reduced. Similarly, when the resistance value is less than 5 ⁇ 10 3 ⁇ , the intensity of the bulk wave spurious can not be reduced. That is, reduction of bulk wave spurious was not confirmed even when a conductor such as an insulating material or metal was interposed.
  • the low resistance region 50 is provided in the region where the bulk wave reaches, and it is necessary to change the resistance value of the first substrate 10 as compared to the region through which the bulk wave has passed so far It is.
  • an element that changes the resistance value may be included.
  • a metal element such as Fe, Ni, Cr, or Cu, or an element (for example, Si) constituting the second substrate 20 may be included.
  • the surfaces are irradiated with an ion gun, FAB gun, or the like.
  • a specific element may be supplied to the activated surface to form a region containing a large amount of the specific element.
  • the activation conditions may be adjusted to release only the specific element from the side of the bonding surface of the first substrate 10 to form a region having a small amount of the specific element.
  • the low resistance region 50 can be obtained by forming the intermediate layer 40 made of a material having a desired sheet resistance value with a desired thickness.
  • an insulating material layer such as SiO x may be formed on the surface of the second substrate 20 as the intermediate layer 40, and metal or the like may be diffused to adjust the sheet resistance.
  • the first substrate 10 and the second substrate 20 may be activated and pressure-bonded to adjust the resistance value of the hybrid layer or the amorphous layer having the components of both substrates to form the intermediate layer 40.
  • the resistance value of the region 20x of the second substrate 20 may be adjusted to form the low resistance region 50.
  • the dopant concentration may be adjusted on the bonding surface side of the second substrate 20 to form the low resistance region 50.
  • As the type of dopant As or the like may be appropriately selected when the Si single crystal is n-type, and B or the like may be appropriately selected in the p-type.
  • part of the elements constituting the first substrate 10 may be implanted. In this case.
  • the resistance value of the area of the second substrate 20 excluding the area 20x may be higher than that of the area 20x.
  • Such adjustment of the dopant concentration is carried out, for example, by thermal diffusion from the surface of the second substrate 20, ion implantation, or formation of an epitaxial layer having a desired concentration prior to bonding with the first substrate 10. Just do it.
  • the region 20 x may be formed by supplying a desired element to the activated surface in a state where the surface is activated at the time of bonding.
  • the entire second substrate 20 may be the low resistance region 50.
  • an intervening layer may be provided between the first substrate 10 and the second substrate 20.
  • the intervening layer may function as a bonding layer for bonding the two, or may be an insulating layer having a resistance value lower than that of the low resistance region 50, or a heat dissipation layer that enhances heat dissipation. It may be. For example, it is possible to illustrate the SiO 2 or the like as an intervening layer.
  • first substrate 10 and the second substrate 20 other than the low resistance region 50 may have a resistance value higher than that of the low resistance region 50.
  • the thickness of the first substrate 10 is not particularly limited in the above-described example, the thickness may exceed 1 ⁇ . In this case, since the thickness is thicker than the wavelength of the SAW, the loss of the SAW caused by the propagation of the SAW in the low resistance region 50 can be reduced. Thereby, the loss of the SAW element 1 can be reduced. In other words, the low resistance region 50 does not attenuate the SAW which is the electrical signal to be used. Only bulk waves, which are unnecessary electrical signals, can be attenuated.
  • the thickness of the first substrate 10 is a value (6 ⁇ m) exceeding 1 ⁇ , it is possible to reduce the deterioration of the phase in the region between the resonant frequency and the antiresonant frequency. Further, by setting the thickness of the first substrate 10 to 1.3 ⁇ or more (7 ⁇ m) even in the resistance value range of the low resistance region 50 where the bulk wave spurious intensity suppression effect is the highest, the resonance frequency and the antiresonance frequency It has been confirmed that the deterioration of the phase in the region between them can be greatly reduced.
  • the frequency characteristic of. 6B shows the result of simulation of the frequency characteristics of the SAW element having the same configuration as that of the SAW element 1 of FIG. 6A except that the low resistance region 50 is not provided.
  • the horizontal axis represents frequency (MHz) and the vertical axis represents phase (deg).
  • the bulk frequency spurious wave is located at a higher frequency side than the antiresonance frequency without deterioration of the phase of the resonance frequency and the antiresonance frequency around 780 MHz from 90 °. Was confirmed to be reduced.
  • FIG. 7 shows the correlation between the thickness of the first substrate 10 and the attenuation factor of the phase.
  • the horizontal axis indicates the thickness (unit: ⁇ ) indicated by the wavelength ratio of the first substrate 10
  • the horizontal axis indicates the phase attenuation factor of the bulk wave.
  • the resistance value of the low resistance region 50 was as follows.
  • Model 1 5 ⁇ 10 5 ⁇
  • Model 2 1.5 ⁇ 10 4
  • Model 3 5 ⁇ 10 2 ⁇
  • the thickness of the first substrate 10 may be shifted from an integral multiple of ⁇ .
  • the resistance value for example, 1.5 ⁇ 10 5 ⁇ or more and 1.5 ⁇ 10 6 ⁇ or less
  • the absolute value of the attenuation factor is While being able to be enlarged, the range of the thickness of the 1st substrate 10 which can increase an attenuation factor can be enlarged.
  • the upper limit value of the thickness of the first substrate 10 is not particularly limited, but the bulk wave spurious can be effectively reduced by the low resistance region 50 by setting the thickness to such an extent that the influence of the bulk wave spurious becomes significant.
  • the thickness may be 20 ⁇ or less.
  • the attenuation factor can be maintained high.
  • the attenuation occurs when the thickness of the first substrate 10 is a specific thickness (integer multiple of ⁇ ). Although the rate seems low, it can be confirmed that the whole bulk wave spurious as shown in FIG. 6 is attenuated. Furthermore, when the resistance value of the low resistance region 50 is 5.0 ⁇ 10 4 ⁇ or more and 5 ⁇ 10 6 ⁇ or less, even if the thickness of the first substrate 10 is a specific thickness (integer multiple of ⁇ ) It has been confirmed that it is also attenuated in terms of maximum phase.
  • the thickness range shown in the above example is the thickness of the first substrate 10 itself, but as shown in FIG. 3A, when the low resistance region 50 is the first region 10x, the above thickness The range corresponds to the difference between the thickness of the first substrate 10 and the thickness of the low resistance region 50.
  • the thickness of the low resistance region 50 may be appropriately designed so as to realize a desired resistance value according to the sheet resistance value of the low resistance region 50.
  • the thickness of the low resistance region 50 and the sheet resistance are changed so that the resistance value of the low resistance region 50 is 9 ⁇ 10 4 ⁇ , and the attenuation factor of the SAW element is obtained.
  • the results are shown in FIG. In FIG. 8, the horizontal axis indicates the thickness of the first substrate 10, and the vertical axis indicates the thickness of the low resistance region 50.
  • the conditions other than the low resistance region 50 are the same as other simulation conditions.
  • the thickness of the low resistance region 50 is larger than the thickness of the first substrate 10, it has an effect to attenuate the bulk wave spurious. Specifically, if the thickness of the low resistance region 50 is 100 ⁇ m or less, there is an effect of attenuating bulk wave spurious.
  • the thickness of the low resistance region 50 the higher the attenuation rate tends to be. Therefore, the thickness may be thinner than that of the first substrate 10. More specifically, it has been confirmed that the effect of the low resistance region 50 is exerted by setting the thickness to 2 nm or more, for example. When the thickness exceeds 200 nm, the relationship between the sheet resistance value and the thickness may be broken, so the thickness may be 200 nm or less.
  • First substrate 10 LT substrate 42 ° Y cut-X propagation
  • First substrate 10 thickness 2.2 ⁇ m (that is, 0.4 ⁇ )
  • Material of IDT electrode 3 Al Thickness of electrode finger 32 of IDT electrode 3: 0.08 ⁇
  • Second Substrate 20 Si Single Crystal Substrate
  • a low resistance region 50 between the first substrate 10 and the second substrate 20 has a thickness of 2 nm, a sheet resistance of 0.
  • a layer of 05 ⁇ ⁇ cm was provided. That is, the resistance value is 2.5 ⁇ 10 5 ⁇ .
  • FIG. Fig.9 (a) is Example 1
  • FIG.9 (b) is a result of a comparative example.
  • the horizontal axis represents frequency
  • the right axis represents impedance ( ⁇ )
  • the left axis represents phase (deg).
  • the impedance characteristic is indicated by a broken line
  • the phase characteristic is indicated by a solid line.
  • Example 1 Attenuates the intensity of the bulk wave spurious generated near 1000 MHz as compared with the comparative example.
  • Example 2 a simulation was performed on the case where the thickness of the first substrate 10 was 15 ⁇ m (2.8 ⁇ ). The conditions were the same as in Example 1 except for the thickness of the first substrate 10 in Example 2. In addition, as Comparative Example 2, a model having the same configuration as that of Example 2 was produced except that the low resistance layer 50 was not provided, and simulation was performed.
  • FIGS. 10 (a) and 10 (b) show the results of Example 2
  • FIG. 10 (b) shows the results of Comparative Example 2.
  • FIG. As apparent from the comparison between FIG. 10 (a) and FIG. 10 (b), according to Example 2, it was confirmed that the intensity of the bulk wave spurious was attenuated.
  • the thickness of the first substrate 10 is 1 ⁇ or more, the intensity of the bulk wave spurious is attenuated while the resonance frequency is opposite to the resonance frequency. It has been confirmed that the loss can be reduced between the resonance frequency and at a frequency higher than the antiresonance frequency.
  • Elastic wave element 10 first substrate 20: second substrate 40: middle layer 3: IDT electrode 32: electrode finger 50: low resistance region 50x: first region 50y: second region

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Abstract

複数の電極指32を備え、弾性表面波を励振するIDT電極3と、上面10aに前記IDT電極3が位置しており、圧電結晶からなる第1基板10と、前記第1基板10の下面10bの側に接合された第2基板20と、を備え、前記第1基板10の下面10bから上面10aの側にむけた連続する第1領域50xまたは前記第1基板10の下面10bから前記第2基板20の側に向けた連続する第2領域50bのいずれかが、抵抗値が5×10Ω以上5×10Ω以下である低抵抗領域50となっている、弾性波素子1である。

Description

弾性波素子
 本開示は、弾性波素子に関する。
 従来、電気特性を改善することを目的として支持基板と圧電基板とを貼り合わせた複合基板に電極を設けて弾性波素子を作製することが知られている。ここで、弾性波素子は、例えば、携帯電話などの通信機器におけるバンドパスフィルタとして使用されている。また、複合基板は、圧電基板としてニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム、支持基板としてシリコンや石英、セラミックスなどを用いたものが知られている(特開2006-319679号公報参照)。
 しかしながら、近年、移動体通信に用いられる携帯端末装置は小型化、軽量化が進むとともに、高い通信品質を実現するために、さらに高い電気特性を備える弾性波素子が求められている。例えば、入出力信号の隣接チャネルへの漏洩を低減するために、通過帯域外の特定周波数帯における減衰特性が優れた弾性波素子が求められている。
 本開示は、このような課題に鑑みなされたものであり、その目的は、電気特性の優れた弾性波素子を提供することにある。
 本開示の弾性波素子は、IDT電極と第1基板と第2基板とを備える。前記IDT電極は、複数の電極指を備え、弾性表面波を励振する。前記第1基板は、上面に前記IDT電極が位置しており、圧電結晶からなる。前記第2基板は、前記第1基板の下面の側に接合されている。そして、前記第1基板の下面から上面の側にむけて連続する第1領域または前記第1基板の下面から前記第2基板の側に向けて連続する第2領域のいずれかが、抵抗値が5×10Ω以上5×10Ω以下である低抵抗領域となっている。
 上記構成によれば、電気特性の優れた弾性波素子を提供することができる。
本開示にかかる弾性波素子の上面図である。 図1のII-II線における要部拡大断面図である。 図3(a)~図3(c)はそれぞれ、複合基板60の変形例を示す要部拡大断面図である。 低抵抗領域の抵抗値とバルク波スプリアスの位相比率との関係を示す線図である。 低抵抗領域の抵抗値と共振周波数―反共振周波数間の位相比との関係を示す表である。 図6(a),図6(b)は、本開示に係るSAW素子および比較例のSAW素子の周波数特性を示す線図である。 第1基板の厚みと弾性波素子の周波数特性との関係を示す線図である。 第1基板の厚みおよび低抵抗領域の厚みとバルク波スプリアスの減衰率との関係を示す等高線図である。 図9(a),図9(b)は、実施例および比較例の周波数特性を示す線図である。 図10(a),図10(b)は、実施例および比較例の周波数特性を示す線図である。
 以下、本開示の弾性波素子の一例を図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いられる図は模式的なものであり、図面上の寸法比率等は現実のものとは必ずしも一致していない。
 弾性波素子は、いずれの方向が上方または下方とされてもよいものであるが、以下では、便宜的に、直交座標系xyzを定義するとともに、z方向の正側を上方として、上面、下面等の用語を用いるものとする。
 また、本開示では、弾性波として表面弾性波(Surface Acoustic Wave:SAW)を用いた例を開示しており、以下、弾性波素子をSAW素子と言うことがある。
 (SAW素子の構成の概要)
 図1は、本発明の一実施形態に係るSAW素子1の構成を示す平面図である。図2は図1のII-II線における要部拡大断面図である。
 SAW素子1は、複合基板60にIDT(InterDigital Transducer)電極3が設けられている。複合基板60は第1基板10と第2基板20とが接合されて構成される。IDT電極3は、第1基板10の上面10aに位置している。また、SAW素子1は、この他にも、上面10aを覆う保護層や、IDT電極3に信号の入出力を行なうための配線等を有していてもよい。
 IDT電極3は、第1櫛歯電極30Aおよび第2櫛歯電極30Bからなる一対の櫛歯電極30で構成されている。図1において、第1櫛歯電極30Aと第2櫛歯電極30Bとの区別を明瞭にするために、第2櫛歯電極30Bにハッチングを付している。なお、以下では、第1櫛歯電極30Aおよび第2櫛歯電極30Bを単に櫛歯電極13といい、これらを区別しないことがある。また、第1櫛歯電極30Aに係る構成等については、「第1バスバー31A」等のように、「第1」および「A」を付すことがあり、第2櫛歯電極30Bに係る構成等については、「第2バスバー31B」等のように、「第2」および「B」を付すことがある。また、これら「第1」、「第2」、「A」、および「B」を省略することがある。
 櫛歯電極30は、図1に示すように、互いに対向する2本のバスバー31と、各バスバー31から他のバスバー31側へ延びる複数の電極指32と、複数の電極指32の間において各バスバー31から他のバスバー31側へ延びる複数のダミー電極指35とを有している。そして、1対の櫛歯電極30は、複数の電極指32が互いに交差するように(噛み合うように)配置されている。なお、ダミー電極指35は配置されていなくてもよい。
 SAWは、複数の電極指32に直交する方向に伝搬する。従って、後述する圧電結晶からなる第1基板10の結晶方位を考慮した上で、2本のバスバー31は、SAWを伝搬させたい方向に交差する方向において互いに対向するように配置され、複数の電極指32は、SAWを伝搬させたい方向に対して直交する方向に延びるように形成される。
 なお、SAWの伝搬方向は複数の電極指32の向き等によって設定されるが、本実施形態では便宜的に、SAWの伝搬方向を基準として複数の電極指32の向き等を説明することがある。
 また、直交座標系xyzは、x軸が電極指32に直交し(SAWの伝搬方向に平行であり)、y軸が電極指32に平行であり、z軸が第1基板10の上面10aに直交するように定義されているものとする。すなわち、直交座標系xyzは、第1基板10の外形ではなく、IDT電極3(SAWの伝搬方向)を基準として定義されているものとする。
 バスバー31は、例えば、概ね一定の幅で直線状に延びる長尺状に形成されている。従って、バスバー31の互いに対向する側の縁部は直線状である。なお、バスバー31は配線と一体的に形成されていてもよい。
 複数の電極指32は、概ね一定の幅で直線状に延びる長尺状に形成されており、SAWの伝搬方向に概ね一定の間隔で配列されている。一対の櫛歯電極30の複数の電極指32は、図2に示すように、隣接する電極指32の中心間間隔の繰り返し間隔であるピッチPtが、例えば、共振させたい周波数でのSAWの波長λの半波長と同等となるように設けられている。なお、ピッチPtの繰り返し間隔としては、隣接する電極指32の同じ側の端から端までの間隔を用いてもよい。また複数の電極指32のピッチPtとして、隣接する2本の電極指23の中心間間隔の平均値を用いることができる。
 電極指32とダミー電極指35との間隔であるギャップ長G(ギャップのy方向の長さ)は、例えば、複数のギャップ長G間において互いに同一である。ギャップ長Gは、例えば0.10μm以上1.00μm以下である。また、SAWの波長をλとするとギャップ長Gは、例えば0.1λ以上0.6λ以下である。
 IDT電極3は、例えば金属材料によって形成されている。この金属材料としては、例えば、AlまたはAlを主成分とする合金(Al合金)が挙げられる。Al合金は、例えばAl-Cu合金である。なお、IDT電極3は、複数の金属層から構成されてもよい。IDT電極3の各種寸法は、弾性波素子1に要求される電気特性等に応じて適宜に設定される。一例として、IDT電極3の厚み(z方向)は、例えば50nm以上400nm以下である。
 IDT電極3は、第1基板10の上面10aに直接配置されていてもよいし、別の部材を介して第1基板10の上面10aに配置されていてもよい。別の部材としては、例えばTi、Cr、またはこれらの合金等を用いることができる。IDT電極3を別の部材を介して第1基板10の上面10aに配置する場合は、別の部材の厚みはIDT電極3の電気特性に殆ど影響を与えない程度の厚み(例えば、Tiの場合はIDT電極3の厚みの5%の厚み)に設定される。
 IDT電極3によって第1基板10に電圧が印加されると、第1基板10の上面10a付近において上面10aに沿ってx方向に伝搬するSAWが励起される。また、SAWは、電極指32と電極指32の非配置領域(隣接する電極指32間の長尺状の領域)との境界において反射する。そして、電極指32のピッチPtを半波長とする定在波が形成される。定在波は、当該定在波と同一周波数の電気信号に変換され、電極指32によって取り出される。このようにして、SAW素子1は、共振子もしくはフィルタとして機能する。
 (複合基板60)
 複合基板60は、図2に示すように、いわゆる貼り合せ基板であり、第1基板10と第2基板20とが接合されている。そして、複合基板60の厚みの途中には低抵抗領域50が位置している。
 低抵抗領域50は、第1基板10の下面10bから上面10aの側に向けて連続する第1領域50xであってもよいし、第1基板10の下面10bから上面10aと反対の側に連続する第2領域50yであってもよい。第1領域50xは第1基板10の一部であり、第1基板10の下面10bから連続する領域10xである(図3(a))。第2領域50yは、例えば、第1基板10と第2基板20との間に介在する中間層40であってもよいし(図3(b))、第2基板20の一部であり第1基板10の下面から連続する領域20xであってもよい(図3(c))。
 この例では、図3(b)に示す構成の複合基板60を例に説明する。
 第1基板10は、圧電材料からなり、例えば、タンタル酸リチウム(LiTaO:以下LTと言う)結晶やニオブ酸率無結晶からなる圧電性を有する単結晶の基板によって構成されている。具体的には、例えば、第1基板10は、Y回転X伝搬LT基板を用いてもよく、より具体的には、36°~50°Yカット-X伝播のLT基板によって構成されている。
 第1基板10は、比較的薄い一定の厚みとなっている。厚みについては後述する。
 第2基板20は、比較的薄い第1基板10を支持するものであり、強度、平坦性を備える材料であれば、その材料は特に限定されない。例えば、サファイア基板、SiC基板等の絶縁性材料かなる基板や、Si基板等の半導体基板、有機基板等を例示できる。
 ここで、第2基板20は、第1基板10の材料よりも熱膨張係数が小さい材料で形成されていてもよい。この場合には、温度変化が生じると第1基板10に熱応力が生じ、この際、弾性定数の温度依存性と応力依存性とが打ち消し合い、ひいては、弾性波素子1の電気特性の温度変化を減少させる。
 このような材料として、例えば、Si基板、サファイア基板等を例示できるが、以下の例ではSi基板を用いた場合について説明する。
 第2基板20の厚さは、例えば、一定であり、適宜に設定されてよい。ただし、本開示の第1基板10の厚さは比較的薄いため、第2基板20は、第1基板10を支持可能な厚さに考慮して決定される。一例として、第1基板10の厚さの10倍以上としてもよく、第2基板15の厚さは50~300μmである。第2基板20の平面形状および各種寸法は、第1基板10と同等としてもよい。
 また、本例のように、第2基板20として線膨張係数の小さい材料を用いる場合には、第2基板20の厚さは、温度補償が行われるように、第1基板10の厚さを考慮して設定される。
 さらに、第2基板20の第1基板10と反対側の面に、第2基板20よりも熱膨張係数の大きい不図示の第3基板を貼り付けてもよい。この場合には、基板全体の強度向上や、熱応力によるそりを減少させ、第1基板10により強い熱応力をかけることができる。第3基板は、第2基板20がSiからなる場合には、セラミック基板,Cu層,樹脂基板等を用いることができる。また、第3基板を設ける場合には、第2基板2の厚みを薄くしてもよい。
 ここで、SAW素子1は、複合基板60の厚みの途中に低抵抗領域50を備える。低抵抗領域50は、その抵抗値を5×10Ω以上5×10Ω以下とする。このような構成とすることでSAW素子1の電気特性を向上させることができる。以下、そのメカニズムについて説明する。
 SAW素子1は、IDT電極3に電圧を印加すると、第1基板10の上面10aを伝搬するSAWに加え、第1基板10の厚み方向にバルク波を放射する。そして、このバルク波が第1基板10の下面10bで反射し上面10aの側に戻り、電極指32と結合することで、SAW素子1に意図しないバルク波による電気信号(バルク波スプリアス)が発生する。
 ここで、本発明者らが鋭意遂行を重ねた結果、第1基板10のSAWが伝搬する領域の下方に低抵抗領域50を設けると、バルク波スプリアスが抑制されることを見出した。具体的には、第1基板10の厚みと低抵抗領域50の抵抗値を変化させて、低抵抗領域がない場合と比較したバルク波スプリアス発生周波数における位相の比率をシミレーションした。その結果、低抵抗領域50の抵抗値を5×10Ω以上5×10Ω以下とすることで、バルク波スプリアスの強度を低下させることができることを確認した。
 その一例を、図4に示す。図4は、第1基板10の厚みが12μmの場合のバルク波スプリアスの比率を示すものである。図4において、縦軸はバルク波スプリアス発生周波数における位相の比率を、横軸は低抵抗領域50の抵抗値を示している。なお、低抵抗領域50の厚みは、所望の抵抗値を得ることができるようにシート抵抗と厚みとを調整して決定している。
 図4からも明らかなように、低抵抗領域50の抵抗値を5×10Ω以上5×10Ω以下としたときに、バルク波スプリアスの強度を大きく減衰できていることを確認した。特に、5.0×10Ω以上5×10Ω以下としたときには、約半分にバルク波スプリアスを減衰させることができ、1.5×10Ω以上1.5×10Ω以下とした場合には三割以下に大きくバルク波スプリアスを減衰できていることが確認できる。
 このように、弾性波素子1によれば、低抵抗領域50の抵抗値を上述の値とすることでバルク波スプリアス発生周波数において減衰特性を高めることができる。これは、低抵抗領域50の抵抗値を上述の値とすることで、低抵抗領域50に到達したバルク波にロスが発生し、ひいては第1基板10の上面10aの側に戻るバルク波が低減するためと推察される。
 なお、抵抗値が5×10Ωを超える場合には、バルク波スプリアスの強度を低減できず、同様に5×10Ω未満の場合にも、バルク波スプリアスの強度を低減できなかった。すなわち、絶縁材料や金属等の導体を介在させてもバルク波スプリアスの低減は確認されなかった。
 (低抵抗領域50の具体的構成)
 上述の低抵抗領域50の具体的実現方法について説明する。上述の通り、低抵抗領域50は、バルク波が到達する領域に設けられ、かつ、第1基板10のうち、バルク波がそれまでに通ってきた領域に比べて抵抗値を変化させることが必要である。
 そこで、図3(a)に示すように、第1基板10の下面10bから連続して上面10a側に向けた領域10xを、第1基板10のその他の領域に比べて抵抗値を異ならせることで低抵抗領域50を形成してもよい。その場合には、領域10xにおいて、その組成を第1基板10を構成する圧電結晶の化学量論比からずらすことで抵抗値を調整してもよい。具体的には、第1基板10がLT基板で構成される場合には、LiまたはTaを多く含ませてもよい。すなわち、第1基板10を構成する元素を多く含む領域、少なく含む領域よしてもよい。
 また、第1領域10xにおいて、抵抗値を変化させる元素を含ませてもよい。具体的には、Fe,Ni,Cr,Cu等の金属元素もしくは、第2基板20を構成する元素(例えばSi)を含ませてもよい。
 このように、第1基板10に領域10xを形成するためには、例えば、第1基板10と第2基板20とを接合する際に、互いの表面をイオンガン、FABガン等を照射することで活性化させた後に、特定元素を活性化された面に供給することで特定元素を多く含む領域を形成してもよい。また、活性化条件を調整して、特定元素のみを第1基板10の接合面の側から放出させて特定元素が少ない領域を形成してもよい。
 次に、図3(b)に示すように、第1基板10と第2基板20との界面に中間層40を介在させ、この中間層40を低抵抗領域50とする場合について説明する。この場合には、所望のシート抵抗値を有する材料からなる中間層40を所望の厚みで形成すことで、低抵抗領域50とすることができる。例えば、第2基板20の表面に中間層40としてSiOx等の絶縁材料層を形成し、そのシート抵抗を調整するように金属等を拡散させてもよい。また、第1基板10と第2基板20とを活性化して圧着させることで、両基板の成分を有する混成層やアモルファス層をその抵抗値を調整して中間層40としてもよい。
 さらに、図3(c)に示すように、第2基板20の領域20xの抵抗値を調整することで低抵抗領域50としてもよい。具体的には、第2基板20がSi単結晶基板からなる場合には、第2基板20の接合面側においてドーパント濃度を調整して低抵抗領域50としてもよい。ドーパントの種類としては、Si単結晶がn型の場合にはAs等を、p型の場合にはB等を適宜選択すればよい。また、第1基板10を構成する元素の一部を注入させてもよい。この場合には。第2基板20のうち領域20xを除く領域の抵抗値は、領域20xに比べ高くてもよい。
 このようなドーパント濃度の調整は、例えば、第1基板10との接合に先立ち、第2基板20の表面から熱拡散させたり、イオン注入したり、所望の濃度を有するエピタキシャル層を形成したりすればよい。また、接合時に表面を活性化させた状態で、活性化された面に所望の元素を供給することで領域20xを形成してもよい。
 なお、第2基板20に低抵抗領域50を形成する場合には、第2基板20全体を低抵抗領域50としてもよい。
 また、図3(a)に示すように、第1基板10の領域10xに低抵抗領域50を形成した上で第1基板10と第2基板20との間に介在層を備えていてもよい。介在層としては、両者を接合するための接合層として機能するものであってもよいし、低抵抗領域50よりも抵抗値の低い絶縁層であってもよいし、放熱性を高める放熱層であってもよい。例えば、介在層としてはSiO等を例示することができる。
 また、低抵抗領域50以外の第1基板10および第2基板20は低抵抗領域50に比べ抵抗値が高くてもよい。
 (変形例:第1基板10の厚み)
 上述の例では第1基板10の厚みについては特に限定していないが、1λを超える厚みとしてもよい。この場合には、SAWの波長に比べ厚くなっているため、低抵抗領域50にSAWが伝搬することにより生じるSAWの損失を減少させることができる。これにより、SAW素子1のロスを減少させることができる。言い換えると、低抵抗領域50により、使う電気信号であるSAWは減衰させることなく。不要な電気信号であるバルク波のみを減衰させることができる。
 図5に、低抵抗領域50の抵抗値と第1基板10の厚みを変化させたときの、共振周波数と反共振周波数との間の領域における位相の減衰率をシミュレーションした結果を示す。位相の減衰率は、低抵抗領域50を備えない場合に対する比率で算出した。すなわち、表中の数字が100の場合は低抵抗領域50を備えない場合と同等の位相を実現していることを示す。この例では1λが5.4μmの場合についてシミュレーションを行なっている。
 図5からも明らかなように、第1基板10の厚みが1λを超える値(6μm)の場合には、共振周波数と反共振周波数との間の領域における位相の悪化を低減できることを確認した。また、バルク波スプリアスの強度抑制効果の最も高い低抵抗領域50の抵抗値範囲においても、第1基板10の厚みを1.3λ以上(7μm)とすることで、共振周波数と反共振周波数との間の領域における位相の悪化を大きく低減できることを確認した。
 ここで、図6(a)に第1基板10の厚みを10μm,低抵抗領域50の厚みを2nm,抵抗率0.1Ωcm(すなわち抵抗値5×10Ω)とした場合の、SAW素子1の周波数特性をシミレーションした結果を示す。また、図6(b)には、低抵抗領域50を備えない点を除いては図6(a)のSAW素子1と同じ構成のSAW素子の周波数特性をシミレーションした結果を示す。図6において、横軸は周波数(MHz),縦軸は位相(deg)を示している。図6からも明らかなように、SAW素子1によれば、780MHz付近の共振周波数,反共振周波数の位相は90°から劣化することなく、反共振周波数よりも高周波数側に位置するバルク波スプリアスのみが低減されていることを確認できた。
 次に、第1基板10の厚みを1λ以上とした場合について、第1基板10の厚みの変化によるバルク波の位相の減衰率についてシミュレーションを行なった。図7に、第1基板10の厚みと位相の減衰率との相関を示す。図7において、横軸は第1基板10の波長比で示す厚み(単位:λ)を、横軸はバルク波の位相減衰率を示している。シミュレーションにおいて、低抵抗領域50の抵抗値は以下の通りとした。
 モデル1:5×10Ω
 モデル2:1.5×10Ω
 モデル3:5×10Ω
 図7から明らかなように、減衰率が大きくなる第1基板10の厚みと、減衰の効果が少なくなる第1基板10の厚みがあることが分かる。具体的には、第1基板10の厚みがλの整数倍の場合には減衰率が小さくなっている。このため、第1基板10の厚みは、λの整数倍からずらしてもよい。また、図4において位相比率(減衰率)が大きくなっている抵抗値(例えば、1.5×10Ω以上1.5×10Ω以下)とした場合には、減衰率の絶対値を大きくできるとともに、減衰率を大きくできる第1基板10の厚みの範囲が大きくすることができる。
 第1基板10の厚みの上限値は特に限定されないが、バルク波スプリアスの影響が顕著となる程度の厚みとすることで、低抵抗領域50により効果的にバルク波スプリアスを低減することができる。具体的には、20λ以下の厚みとすればよい。また、第1基板の厚みを3λ以下とした場合には、図7に示すように、減衰率を高く維持することができる。
 なお、図7において、低抵抗領域50の抵抗値が5×10Ω以上5×10Ω以下であっても、第1基板10の厚みが特定の厚み(λの整数倍)のときには減衰率が低くみえるが、図6に示すようなバルク波スプリアス全体をみると減衰されている様子が確認できる。さらに、低抵抗領域50の抵抗値を5.0×10Ω以上5×10Ω以下とした場合には、第1基板10の厚みが特定の厚み(λの整数倍)であっても、最大位相の観点でも減衰されていることを確認している。
 上述の検討は、図3(b)の構成に基づいて行われたものである。このため、上述の例で示された厚み範囲は第1基板10自体の厚みであるが、図3(a)のように、低抵抗領域50が第1領域10xの場合には、上述の厚み範囲は、第1基板10の厚みと低抵抗領域50の厚みとの差分に相当するものである。
 (変形例:低抵抗領域50の厚み)
 上述の各構成において低抵抗領域50の厚みは、低抵抗領域50のシート抵抗値に応じて所望の抵抗値を実現できるように適宜設計すればよい。
 低抵抗領域50の抵抗値を9×10Ωとなるように、低抵抗領域50の厚みとシート抵抗値とを変化させて、SAW素子の減衰率を求めた結果を図8に示す。図8において横軸は第1基板10の厚みを示し、縦軸は低抵抗領域50の厚みを示している。低抵抗領域50以外の条件は他のシミュレーションと同条件である。
 図8からも明らかなように、例え、低抵抗領域50の厚みが第1基板10の厚みよりも厚くても、バルク波スプリアスを減衰させる効果があることを確認できた。具体的には、低抵抗領域50の厚みは100μm以下であれば、バルク波スプリアスを減衰させる効果がある。
 ただし、図8に示すように、低抵抗領域50の厚みは小さい程減衰率が高い傾向がある。そこで、第1基板10よりも厚みを薄くしてもよい。より具体的には、例えば2nm以上とすることで、低抵抗領域50の効果を奏することを確認できている。また、厚みが200nmを超える場合には、シート抵抗値と厚みとの関係が崩れる可能性があるため、200nm以下としてもよい。
 本開示の弾性波素子1の効果を確認するために、以下のモデルを作成しシミュレーションを行ない、周波数特性を確認した。
 シミュレーションの基本条件は下記の通りである。
第1基板10:LT基板 42°Yカット―X伝搬
第1基板10の厚み:2.2μm(すなわち、0.4λ)
IDT電極3の電極指32のピッチ:2.7μm(λ=5.4μm)
IDT電極3の材料:Al
IDT電極3の電極指32の厚み:0.08λ
第2基板20:Si単結晶基板
 実施例1として、図3(b)に示すように、第1基板10と第2基板20との間に低抵抗領域50として、厚み2nm、シート抵抗0.05Ω・cmの層を設けた。すなわち抵抗値は2.5×10Ωとなっている。
 比較例として、第1基板10と第2基板20との間に低抵抗領域50がないモデルを作製した。
 上述のモデルについて、周波数に対する位相特性、インピーダンス特性をシミュレーションした結果を図9に示す。図9(a)は実施例1、図9(b)は比較例の結果である。図9において、横軸は周波数であり、縦軸は、右軸はインピーダンス(Ω)、左軸は位相(deg)を示している。また、図9において、インピーダンス特性を破線で、位相特性を実線で示している。
 図9からも明らかなように、実施例1のモデルは、比較例に比べ1000MHz付近に発生しているバルク波スプリアスの強度を減衰させていることを確認した。
 次に、実施例2として、第1基板10の厚みを15μm(2.8λ)とした場合についてシミュレーションを行なった。実施例2において第1基板10の厚み以外は実施例1と同じ条件とした。また、比較例2として、低抵抗層50を備えない以外は実施例2と同様の構成を備えるモデルを作製しシミュレーションを行なった。
 その結果を図10(a),図10(b)に示す。図10(a)は実施例2、図10(b)は比較例2の結果である。図10(a)と図10(b)との比較により明らかなように、実施例2によればバルク波スプリアスの強度を減衰させている様子を確認できた。
 また、図10(a)と図9(a)との比較より明らかなように、第1基板10の厚みを1λ以上とすることで、バルク波スプリアスの強度を減衰させつつ、共振周波数と反共振周波数との間および、反共振周波数よりも高周波数側におけるロスを低減できていることを確認した。
1:弾性波素子
10:第1基板
20:第2基板
40:中間層
3:IDT電極
32:電極指
50:低抵抗領域
50x:第1領域
50y:第2領域

Claims (9)

  1.  複数の電極指を備え、弾性表面波を励振するIDT電極と、
     上面に前記IDT電極が位置しており、圧電結晶からなる第1基板と、
     前記第1基板の下面の側に接合された第2基板と、を備え、
     前記第1基板の下面から上面の側にむけて連続する第1領域または前記第1基板の下面から前記第2基板の側に向けて連続する第2領域のいずれかが、抵抗値が5×10Ω以上5×10Ω以下である低抵抗領域となっている、弾性波素子。
  2.  前記第1領域が前記低抵抗領域の場合には前記第1基板の厚みから前記第1領域の厚みを差し引いた厚みが、前記第2領域が前記低抵抗領域の場合には前記第1基板の厚みが、前記複数の電極指の繰り返し間隔の2倍で定義される波長をλとしたときに1.3λ以上である、請求項1に記載の弾性波素子。
  3.  前記第1基板は、X伝搬回転Yカットのタンタル酸リチウム単結晶基板である、請求項1または2に記載の弾性波素子。
  4.  前記低抵抗領域は、前記第1基板と前記第2基板との間に介在する中間層で構成される前記第2領域からなり、
     前記中間層は、前記第1基板または前記第2基板を構成する元素と金属とを含んでいる、請求項1乃至3のいずれかに記載の弾性波素子。
  5.  前記低抵抗領域は、前記第1領域からなり、
    前記第1領域は、前記第1基板を構成する元素の比率がその他の領域に比べ異なるか、前記第2基板を構成する元素がその他の領域に比べ多く含まれている、請求項1乃至3のいずれかに記載の弾性波素子。
  6.  前記低抵抗領域は、前記第2基板の前記第1基板の側の面から続く領域に形成された前記第2領域からなり、
    前記第2領域は、前記第2基板の前記第2領域以外に比べて、前記第1基板を構成する元素を多く含む、請求項1乃至3のいずれかに記載の弾性波素子。
  7.  前記低抵抗領域は、前記第2基板の前記第1基板の側の面から続く領域に形成された前記第2領域からなり、
     前記第2基板は半導体材料からなり、前記第2領域は前記第2基板におけるドーパント濃度を異ならせてなる、請求項1乃至3のいずれかに記載の弾性波素子。
  8.  前記低抵抗領域は、厚みが2nm~200nmである、請求項1乃至7のいずれかに記載の弾性波素子。
  9.  前記第1基板の厚みは、20λ以下である、請求項1乃至8のいずれかに記載の弾性波素子。
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