(57)【要約】【課題】製造しやすく、安定な周波数特性を有する弾性表面波素子等を提供する。【解決手段】支持基板１０２上に、ＩＤＴ電極が形成された圧電材料層１０１が設けられ、圧電材料層１０１の厚さは、音響波長の１〜２．５倍の範囲内であり、ＩＤＴ電極の電極指３により圧電材料層１０１に励振される弾性波のメインモードが漏洩弾性表面波である。そして、漏洩弾性表面波にて、伝搬損失が最小となる伝搬損失最小周波数ｆｄと、当該漏洩弾性表面波と共に励振される弾性波である遅い横波に起因して形成される板波スプリアスの周波数とが揃うように設計変数が設定される。また圧電材料層１０１の下層に伝搬する弾性波の最も遅いバルク波の伝搬速度は、前記漏洩弾性表面波の速度の１．０５倍以上である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板上に設けられた圧電材料層と、
前記圧電材料層の上面に形成された一対のバスバーと、これらバスバーの各々から対向するバスバーに向かって互いに櫛歯状に伸び出す複数の電極指と、これら複数の電極指の形成領域の両脇に配置された反射器と、を備え、
前記圧電材料層の厚さは、前記複数の電極指の配置間隔に基づき規定される音響波長の１〜２．５倍の範囲内であることと、
前記電極指により、前記圧電材料層に励振される弾性波のメインモードが漏洩弾性表面波であることと、
前記漏洩弾性表面波にて、伝搬損失が最小となる伝搬損失最小周波数と、当該漏洩弾性表面波と共に励振される遅い横波に起因して形成される板波スプリアスの周波数とが揃うように設計変数が設定されていることと、
前記圧電材料層の下層に伝搬する弾性波の最も遅いバルク波の伝搬速度が、前記漏洩弾性表面波の速度の１．０５倍以上であることと、を特徴とする弾性表面波素子。
【請求項２】
前記設計変数は、圧電材料層の厚さ、前記電極指の厚さ、前記弾性表面波素子の電極指の配置間隔に占める電極指幅の割合である電極占有率と、を含む設計変数群から選択されたことを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波素子。
【請求項３】
前記支持基板は、シリコン、炭化ケイ素、ダイヤモンド、サファイア、水晶、アルミナ、スピネルからなる支持基板材料群から選択された支持基板材料により構成されていることを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波素子。
【請求項４】
前記支持基板と前記圧電材料層との間には、誘電体あるいは金属材料からなり、前記音響波長の１倍以上の厚さを有する高音速層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波素子。
【請求項５】
前記支持基板の上面に、直接、前記圧電材料層が形成されているとき、前記支持基板の線膨張係数が、前記圧電材料層における前記漏洩弾性表面波の伝搬方向の線膨張係数より小さいことを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波素子。
【請求項６】
前記圧電材料層はＬｉＴａＯ３により構成され、そのカット角がオイラー角表記において（０±１０°、１２０〜１４４°、０±１０°）の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波素子。
【請求項７】
前記電極指は、アルミニウムを含む電極材料により構成され、前記音響波長の９％以上の膜厚を有することを特徴とする請求項６に記載の弾性表面波素子。
【請求項８】
前記圧電材料層の厚さは、前記音響波長の１．２〜１．８倍の範囲内であることを特徴とする請求項７に記載の弾性表面波素子。
【請求項９】
前記圧電材料層はＬｉＮｂＯ３により構成され、そのカット角がオイラー角表記において（０±１０°、１２９〜１５６°、０±１０°）の範囲内、または、（０±１０°、−５〜２５°、０±１０°）の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波素子。
【請求項１０】
前記複数の電極指及び反射器の上面側に、１層あるいは複数層の誘電体膜が装荷されていることを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波素子。
【請求項１１】
前記誘電体膜のうち少なくとも１層が、酸化ケイ素、酸窒化ケイ素、窒化ケイ素からなる誘電体材料群から選択された誘電体により構成されていることを特徴とする請求項１０に記載の弾性表面波素子。
【請求項１２】
前記支持基板を横波バルク波が伝搬する際の音速は、前記圧電材料層における遅い横波による２次の板波の音速、あるいは速い横波による１次の板波の音速のどちらか遅い方よりも遅いことを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波素子。
【請求項１３】
前記圧電材料層はＬｉＴａＯ３により構成され、そのカット角がオイラー角表記において（０±１０°、１２０〜１４４°、０±１０°）の範囲内であり、前記支持基板が水晶であることを特徴とする請求項１０に記載の弾性表面波素子。
【請求項１４】
共振子として、請求項１に記載の弾性表面波素子を複数個備えたことを特徴とするフィルタ回路。
【請求項１５】
前記弾性表面波素子の電極指の配置間隔に占める電極指幅の割合を電極占有率と呼ぶとき、
入出力端子に対して直列に接続された一つ以上の前記共振子である直列共振子と、前記直列共振子に対して並列に接続された前記共振子である一つ以上の並列共振子とを有し、前記並列共振子よりも直列共振子の電極占有率が大きいことを特徴とする請求項１４に記載のフィルタ回路。
【請求項１６】
前記弾性表面波素子の電極指の配置間隔に占める電極指幅の割合を電極占有率と呼ぶとき、
共振周波数が互いに相違する二つ以上の共振子を備えたフィルタ回路であって、共振周波数が相違する他の共振子よりも前記電極占有率が大きい共振子を含むことを特徴とする請求項１４に記載のフィルタ回路。
【請求項１７】
前記弾性表面波素子の電極指の配置間隔に占める電極指幅の割合を電極占有率と呼ぶとき、
共振周波数が互いに相違する二つ以上の共振子を備えたフィルタ回路であって、共振周波数が相違する他の共振子よりも前記電極占有率が小さい共振子を含むことを特徴とする請求項１４に記載のフィルタ回路。
【請求項１８】
請求項１４に記載のフィルタ回路を複数組備え、マルチフィルタまたはマルチプレクサとして機能することを特徴とする電子部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は周波数信号を弾性表面波に変換する弾性表面波素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
弾性表面波（ＳＡＷ：Surface Acoustic Wave）を用いる弾性表面波（ＳＡＷ）素子は主に移動体通信端末のフィルタやデュプレクサ（アンテナ共用器）として用いられている。ＳＡＷ素子に用いられる圧電基板としては、ＬｉＴａＯ３やＬｉＮｂＯ３といった単結晶圧電材料が広く用いられている。
【０００３】
一方で最近、ＢＡＮＤ２５に代表されるような送受信の周波数間隔の非常に狭い周波数帯域を利用する通信システムや、キャリアアグリゲーションのような複数の周波数帯域を利用して同時に通信を行う通信システムの開発に伴い、低挿入損失かつ通過帯域と減衰帯域の間の遷移域が非常に急峻なデバイスに対する市場要求が高まっている。
【０００４】
通過帯域と減衰帯域の間の遷移域を狭くするためにＬｉＴａＯ３と支持基板を接合することで、圧電基板の線膨張係数を改善するものとして特許文献１のような事例がある。しかしながら特許文献１に記載の技術は、線膨張係数の低下による周波数温度特性の改善に留まっており、挿入損失を十分に低減できていない。
【０００５】
最近、さらに損失を低減し温度特性を改善するような手法として、特許文献２に記載のように圧電基板と支持基板を接合し、かつ圧電基板の厚さをＳＡＷの音響波長の１倍以下（「１音響波長以下」等と記載する）と非常に薄くする技術が提案されている。この技術によると、漏洩弾性表面波の漏洩成分を圧電基板内に閉じ込めることで大幅な特性改善を実現している。しかしながら、圧電基板を１音響波長以下とすることで圧電基板の厚さが１μｍ程度あるいはそれ以下になってしまい製造が困難となる問題や、圧電基板の厚さのばらつきによってＳＡＷ素子の周波数特性に大きなばらつきが生じてしまう問題などが生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３９５２６６６号公報
【特許文献２】特許第５７１３０２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明はこのような事情の下になされたものであり、製造しやすく、安定な周波数特性を有する弾性表面波素子、フィルタ回路、電子部品を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本弾性表面波素子は、支持基板上に設けられた圧電材料層と、
前記圧電材料層の上面に形成された一対のバスバーと、これらバスバーの各々から対向するバスバーに向かって互いに櫛歯状に伸び出す複数の電極指と、これら複数の電極指の形成領域の両脇に配置された反射器と、を備え、
前記圧電材料層の厚さは、前記複数の電極指の配置間隔に基づき規定される音響波長の１〜２．５倍の範囲内であることと、
前記電極指により、前記圧電材料層に励振される弾性波のメインモードが漏洩弾性表面波であることと、
前記漏洩弾性表面波にて、伝搬損失が最小となる伝搬損失最小周波数と、当該漏洩弾性表面波と共に励振される遅い横波に起因して形成される板波スプリアスの周波数とが揃うように設計変数が設定されていることと、
前記圧電材料層の下層に伝搬する弾性波の最も遅いバルク波の伝搬速度が、前記漏洩弾性表面波の速度の１．０５倍以上であることと、を特徴とする。
【０００９】
上述の弾性表面波素子は、以下の構成を備えていてもよい。  
（ａ）前記設計変数は、圧電材料層の厚さ、前記電極指の厚さ、前記弾性表面波素子の電極指の配置間隔に占める電極指幅の割合である電極占有率と、を含む設計変数群から選択されたこと。  
（ｂ）前記支持基板は、シリコン、炭化ケイ素、ダイヤモンド、サファイア、水晶、アルミナ、スピネルからなる支持基板材料群から選択された支持基板材料により構成されていること。  
（ｃ）前記支持基板と前記圧電材料層との間には、誘電体あるいは金属材料からなり、前記音響波長の１倍以上の厚さを有する高音速層が形成されていること。
（ｄ）前記支持基板の上面に、直接、前記圧電材料層が形成されているとき、前記支持基板の線膨張係数が、前記圧電材料層における前記漏洩弾性表面波の伝搬方向の線膨張係数より小さいこと。  
（ｅ）前記圧電材料層はＬｉＴａＯ３により構成され、そのカット角がオイラー角表記において（０±１０°、１２０〜１４４°、０±１０°）の範囲内であること。このとき、前記電極指は、アルミニウムを含む電極材料により構成され、前記音響波長の９％以上の膜厚を有すること。さらにこのとき、前記圧電材料層の厚さは、前記音響波長の１．２〜１．８倍の範囲内であること。
（ｆ）前記圧電材料層はＬｉＮｂＯ３により構成され、そのカット角がオイラー角表記において（０±１０°、１２９〜１５６°、０±１０°）の範囲内、または、（０±１０°、−５〜２５°、０±１０°）の範囲内であること。
（ｇ）前記複数の電極指及び反射器の上面側に、１層あるいは複数層の誘電体膜が装荷されていること。このとき、前記誘電体膜のうち少なくとも１層が、酸化ケイ素、酸窒化ケイ素、窒化ケイ素からなる誘電体材料群から選択された誘電体により構成されていること。
（ｈ）前記支持基板を横波バルク波が伝搬する際の音速は、前記圧電材料層における遅い横波による２次の板波の音速、あるいは速い横波による１次の板波の音速のどちらか遅い方よりも遅いこと。
（ｉ）前記圧電材料層はＬｉＴａＯ３により構成され、そのカット角がオイラー角表記において（０±１０°、１２０〜１４４°、０±１０°）の範囲内であり、前記支持基板が水晶であること。
【００１０】
また、本フィルタ回路は、共振子として、上述の弾性表面波素子を複数個備えたことを特徴とする。またここで、前記弾性表面波素子の電極指の配置間隔に占める電極指幅の割合を電極占有率と呼ぶとき、入出力端子に対して直列に接続された一つ以上の前記共振子である直列共振子と、前記直列共振子に対して並列に接続された前記共振子である一つ以上の並列共振子とを有し、前記並列共振子よりも直列共振子の電極占有率が大きいこと。または、共振周波数が互いに相違する二つ以上の共振子を備えたフィルタ回路であって、共振周波数が相違する他の共振子よりも前記電極占有率が大きい共振子を含むこと、あるいは共振周波数が相違する他の共振子よりも前記電極占有率が小さい共振子を含むこと。
本電子部品は、上述のフィルタ回路を複数組備え、マルチフィルタまたはマルチプレクサとして機能することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、圧電材料層の厚さが音響波長の１倍を超える場合であっても、スプリアスが抑制される設計条件を選択しているので、製造しやすく、良好な特性を持つ弾性表面波素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態に係るＳＡＷ素子の縦断側面図である。
【図２】前記ＳＡＷ素子の平面図である。
【図３】圧電材料層の厚さに応じたスプリアスの発生位置の変化を示す特性図である。
【図４】伝搬損失最小周波数を求めるためのシミュレーションモデル図である。
【図５】伝搬損失最小周波数を示す特性図である。
【図６】電極指の厚さとＳＡＷの伝搬速度との関係を示す特性図である。
【図７】圧電材料層の厚さと弾性波の伝搬速度との関係を示す特性図である。
【図８】電極指の厚さと、共振周波数、伝搬損失最小周波数における実効音速との関係を示す特性図である。
【図９】実施形態、比較形態に係るＳＡＷ素子の特性図である。
【図１０】高音速層を備えたＳＡＷ素子の縦断側面図である。
【図１１】伝搬損失最小周波数を変化させたときのアドミッタンス特性図である。
【図１２】圧電材料のカットを変化させたときのアドミッタンス特性図である。
【図１３】圧電材料層の厚さと弾性波の伝搬速度との関係を示す第２の特性図である。
【図１４】電極指の厚さと、共振周波数、伝搬損失最小周波数における実効音速との関係を示す第２の特性図である。
【図１５】圧電材料として水晶を用いたＳＡＷ素子の特性図である。
【図１６】圧電材料としてシリコンを用いたＳＡＷ素子の特性図である。
【図１７】他の例に係るＳＡＷ素子の縦断側面図である。
【図１８】本例のＳＡＷ素子を共振子に用いたフィルタ回路の構成図である。
【図１９】共振周波数、伝搬損失最小周波数における、電極占有率と実効音速との関係を示す第２の特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
始めに、図１、２を参照しながら実施形態に係る弾性表面波素子（ＳＡＷ素子）１の構成例について説明する。図１は本例のＳＡＷ素子１を模式的に示した縦断側面図、図２は、当該ＳＡＷ素子１を模式的に示した拡大平面図である。  
図１、２に示すように、例えばＳＡＷ素子１は、矩形形状の支持基板１０２上に、ＳＡＷを励振させる圧電体層１０１を接合し、当該圧電体層１０１の上面に、ＩＤＴ（InterDigital Transducer）電極と反射器１３とを設けた構成となっている。
【００１４】
ＩＤＴ電極は、例えば圧電体層１０１の対向する２辺に沿って伸びるように設けられ、各々信号ポート１１ａ、１１ｂに接続される２本のバスバー１２ａ、１２ｂと、各バスバー１２ａ、１２ｂから、これらバスバー１２ａ、１２ｂと交差する方向に向けて伸びるように形成された多数本の電極指３ａ、３ｂとを備えている。
【００１５】
図２に示すように、一方のバスバー１２ａに接続された電極指３ａは、対向する位置に配置されたバスバー１２ｂ側へ向けて伸び出すように設けられている。また他方のバスバー１２ｂに接続された電極指３ｂは、前記一方のバスバー１２ａへ向けて伸び出すように設けられている。そして、電極指３ａ、３ｂの並び方向に沿って見たとき、一方のバスバー２ａに接続された電極指３ａと、他方のバスバー２ｂに接続された電極指３ｂとが互い違いに交差して配置されている。また図２に示すように、各バスバー２ａ、２ｂにはダミー電極３１を接続してもよい。  
反射器１３は、短絡された複数の電極指により構成され、上述のＩＤＴ電極の両脇に配置される。
【００１６】
圧電体層１０１を構成する材料として、４２°近辺の回転ＹカットＸ伝搬（オイラー角表記で（０°、１３２°、０°））のＬｉＴａＯ３（以下、「４２ＬＴ」とも記載する）を例示できる。バスバー２ａ、２ｂ、電極指３ａ、３ｂは、例えばアルミニウム（Ａｌ）により構成されている。
図１中に示すように、電極指３（３ａ、３ｂ）の厚さｈ、隣り合う電極指３の配置間隔ｄ、電極指３の電極指幅ｗ、電極指３の隙間幅ｇ、圧電体層１０１の厚さＨとする。
【００１７】
上述の構成を備えるＳＡＷ素子１においては、メインモードの漏洩弾性表面波（Ｌｅａｋｙ ＳＡＷ）が励振され、「遅い横波」と呼ばれる弾性波成分が圧電体層１０１内部方向へ漏洩することにより音響的損失が生じる。このため、通常、漏洩弾性表面波を利用したＳＡＷ素子は、Ｑ値が制限されてしまう。
【００１８】
これに対して本例のＳＡＷ素子１は、前記遅い横波の伝搬速度が、圧電体層１０１におけるＳＡＷの速度よりも高い材料からなる支持基板１０２上に、圧電体層１０１を接合した構成となっている。この構成により、圧電体層１０１の内部に向けて漏洩する弾性波成分を圧電体層１０１内に閉じ込め、Ｑ値を改善することが可能となる。  
すなわち、圧電体層１０１における伝搬速度が高いために、圧電体層１０１の表面から漏洩した弾性波（遅い横波）は支持基板１０２と圧電体層１０１との境界面で反射される。そして、反射された弾性波が支持基板１０２表面側へと伝搬しＩＤＴ電極で再受信されることで電気信号として検出される。これにより、弾性波の基板内部方向への漏洩による損失が改善され、デバイス性能（Ｑ値）を改善することが可能となる。
【００１９】
一方で、薄板状の圧電体層１０１を、弾性波の伝搬速度が高い支持基板１０２上に接合した場合、圧電体層１０１の内部方向に漏洩した弾性波成分によって板波系のスプリアスモードが生じる。例えば既述の特許文献２においては、圧電体層１０１の厚さを極めて薄くして、１音響波長（λ）未満としている。これにより、板波系のスプリアスモードの生じる周波数が、ＳＡＷ素子１で構成されたフィルタの通過帯域外に生じるように設計することができる。
【００２０】
しかしながら、例えば特許文献２においては圧電体層の厚みは０．５λ以下程度であることが好適であるという記述がみられる。このとき１〜２ＧＨｚのＳＡＷ素子１の場合、圧電体層１０１の厚みHは２μｍ〜１μｍ程度以下であり、非常に薄い圧電体層１０１を製造する必要がある。通常、圧電体層１０１は、結晶から切り出して支持基板１０２上に直接接合などにより接合され，研磨等により所望の厚みに加工する。このため、極めて薄い圧電体層１０１の製造は困難であるばかりでなく、圧電体層１０１の厚さのばらつきによってＳＡＷ素子１の周波数特性に大きなばらつきが生じてしまうおそれがある。
【００２１】
一方、１音響波長以上の厚さを有する圧電体層１０１を用いる場合には、製造上の問題は抑えられるが、既述のように板波によるスプリアスの問題が生じる。
例えば図３は、４２ＬＴの圧電体層１０１上にアルミニウム（Ａｌ）のＩＤＴ電極（電極指３の配置間隔ｄは２μｍ、電極指幅ｗは１μｍ、電極厚さｈは４８０ｎｍ）とし、圧電体層１０１の厚さＨをそれぞれ４.４（１．１λ（音響波長））、５.２（１．３λ）、６μｍ（１．５λ）と変化させた際の無限周期グレーティングにおける周波数特性のシミュレーション結果を示している。
【００２２】
図３によれば、１音響波長以上の厚さの圧電体層１０１にて、ＳＡＷ素子１の共振周波数、反共振周波数の近辺に、スプリアス応答（ＳＰ）が発生していることが分かる。また、当該スプリアスは、圧電体層１０１が厚くなるに従い、周波数が低下すると共に、その強度が小さくなる傾向があることが確認できる。
【００２３】
本実施形態では、圧電体層１０１の厚さを１音響波長以上にする際に生じるスプリアスを抑圧することで、製造上の困難さを緩和しつつ高性能なＳＡＷ素子１を得る。  
このような技術上の課題を解決するにあたり、発明者は漏洩弾性表面波の損失が最小となる伝搬損失最小周波数ｆｄに着目し、当該伝搬損失最小周波数ｆｄは、電極指３の厚さｈや、圧電体層１０１のカット角によって調整できることを見出した。
【００２４】
例えば参考文献（O.Kawachi, et al., IEEE Transaction of Ultrasonics, Ferroelectric and Frequency Control Vol.48. No.5 （2001） 10.1109/58.949755）に記載のように、伝搬損失最小周波数ｆｄにおいて、既述の「遅い横波」は漏洩弾性表面波と分離していることが知られている。これは、伝搬損失最小周波数ｆｄにおいては、ＳＡＷの励振に伴う漏洩成分が非常に小さくなるということを示している。
【００２５】
そこで、圧電体層１０１を１音響波長以上の厚さとした際に生じるスプリアスの周波数と、伝搬損失最小周波数ｆｄとを揃えることにより、スプリアスの原因となる板波を誘起する漏洩成分を小さく抑えれば、スプリアスを抑圧することが可能となる。これにより通過帯域内におけるスプリアスの発生を抑圧しつつ、漏洩弾性表面波を圧電体層１０１内に閉じ込めることで損失を低減する。
【００２６】
次に、共振周波数ｆｒや伝搬損失最小周波数ｆｄ、あるいは各モードの周波数を特定する手法について説明する。図４は、圧電体層１０１上に電極指３を配置し、その右、左の端部が連続であるという境界条件を課した、無限周期グレーティング構造のモデルである。当該モデルについて有限要素法（ＦＥＭ：Finite Element Method）を用いた解析を行うことによって上述の各周波数を特定することができる。
【００２７】
例えば図４において、圧電材料として４８ＬＴを用い、アルミニウム電極指３の厚さｈが音響波長λの１１％、電極間隔ｄが２μｍ、電極幅ｗが１μｍ、音響波長λが４μｍとして計算した結果を図５に示す。図５によれば、コンダクタンス（アドミタンスの実部）の最大ピークを共振周波数ｆｒとして特定し、コンダクタンスの最小ピークを伝搬損失最小周波数ｆｄとして特定することができる。
そして、圧電体層１０１を構成する圧電材料やそのカット角、電極指３を構成する電極材料やその厚さｈなどのパラメータを変化させて得られた値をプロットすることで、共振周波数ｆｒや伝搬損失最小周波数ｆｄの変化の様子を示すグラフを得ることができる（後述の図８や図１４）。
【００２８】
一方、板波を計算する場合は、図４において、圧電材料の下部に支持基板１０２を設けたモデルに変更して同様の解析を行う。圧電体層１０１の厚さ、構成材料、カット角や電極指３の厚さ、構成材料などをパラメータとして、メインモードと各板波のスプリアス周波数を計算する。これにより、ＳＡＷや遅い横波のモードチャートを得ることができる（後述の図７や図１３）。
【００２９】
特に断らない限り、以下の解析では、支持基板１０２の構成材料（支持基板材料）は４２ＬＴ、電極指３の電極材料はアルミニウム、電極指３の間隔ｄは２μｍ、電極指３の電極指幅ｗは１μｍ（電極占有率０．５）とし、ＳＡＷの音響波長λは４μｍ、電極指３の本数は２５７本、反射器１３は両側各３２本であり、電極指３と反射器１３は同間隔、電極指３（３ａ、３ｂ）の交差幅は２０λに設定した場合について解析している。
【００３０】
図６は電極占有率（電極指３の電極指幅ｗ／電極指３の配置間隔ｄ）が０.５であるとき、ＳＡＷの波長で規格化した電極指３の厚さに対するＳＡＷ速度の依存性を示している。この結果から、電極指３の厚さを音響波長（λ）の９％程度以上とすると、ＳＡＷ速度が支持基板１０２を構成する４２ＬＴのバルク波の１つである「速い横波」の音速４２１０ｍ／ｓの０.９３倍（約３９１５ｍ／ｓ）以下になる。この結果、速い横波に起因する板波スプリアスが通過帯域内からはずれるため、好適であることが分かる。
【００３１】
但し、電極指３の電極占有率が０.５より大きい場合や、電極材料がＣｕやＡｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｒｕ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｏ等といったＡｌより高密度の材料である場合、あるいは高密度の電極材料とＡｌとが複合、積層されている電極指３等の場合は、電極指３の厚さが音響波長λの９％未満でもＳＡＷ速度は十分に遅くなりうる。このため、電極指３の厚さｈは音響波長λの９％以上に設定する場合に限定されることはない。
【００３２】
図７はＳＡＷの波長λで規格化した圧電体層１０１の厚さに対する、メインモードと板波スプリアスモードの音速をプロットしたモードチャートである。既述の解析条件に加え、電極指３の厚さｈは、４８０ｎｍ（音響波長λの１２％）として解析している。図７中、「ＳＨＳＡＷ」はメインモード、「ＳＶ１、ＳＶ２、ＳＶ３」はそれぞれ次数の異なる遅い横波による板波スプリアスを示している。
【００３３】
また図８は圧電体層１０１上に形成した電極指３の各膜厚における、伝搬損失最小周波数ｆｄ、共振周波数ｆｒの実効音速のプロットである。ここで、実効音速は、音響波長λを用いて各周波数ｆｄ、ｆｒを速度換算した値である。また、電極指３の厚さについても音響波長λを用いて規格化している。
【００３４】
図８によれば、電極指３の厚さを変化させることによって、伝搬損失最小周波数ｆｄと共振周波数ｆｒとの相対的な周波数位置を調整することが可能であることが分かる。例えば、電極指３の間隔ｄを２μｍ（音響波長λが４μｍ）とし、膜厚４８０ｎｍ（音響波長λの１２％）のアルミニウムの電極指３にてＩＤＴ電極を形成したとき、伝搬損失最小周波数ｆｄはその実効速度が約３６２０ｍ／ｓである。
【００３５】
一方、既述の図７によれば、遅い横波ＳＶ１による板波スプリアスが約３６２０ｍ／ｓとなる圧電体層１０１の板厚は１.７音響波長であることが読み取れる。従って、圧電体層１０１の板厚の実寸法を６.８μｍ程度にすれば板波スプリアスの周波数と、伝搬損失最小周波数ｆｄとが揃うことになる。  
なお、速度を音響波長λで割った値が周波数であるため、（実効）速度が一致していれば、周波数も一致することになる。
【００３６】
ここで、既述の特許文献２に記載の技術のように、すべての板波スプリアスを帯域外に位置させるとしたとき、図７によれば圧電体層１０１の板厚は、２.４μｍ（規格化板厚０．６）程度にすればよいことも分かる。しかしながら圧電体層１０１の板厚が±０.２μｍ程度ばらついたとした場合、圧電体層１０１の板厚が２.４μｍとすると、共振周波数ｆｒのばらつきが６００ｐｐｍ程度となる解析結果が得られた。  
これに対して圧電体層１０１の板厚を６.８μｍとすると、共振周波数ｆｒのばらつきは１００ｐｐｍ程度に収まり、圧電体層１０１の製造、加工時におけるばらつきの影響が共振周波数ｆｒに与える影響が小さく済む。
【００３７】
さらに図７からは、圧電体層１０１の板厚が大きくなるに連れて各板波スプリアスの音速（即ちスプリアスが生じる周波数）の傾きも小さくなっている。従って、板厚の変化に対して板波スプリアスが生じる周波数の依存性も小さくなってくることが分かる。この観点でも圧電体層１０１の板厚を厚くすることにより、板波スプリアスの周波数と、伝搬損失最小周波数ｆｄとを揃えやすくなり製造上のばらつきによる特性変動を小さくできる。
【００３８】
一方で図７によれば、ＳＨＳＡＷとＳＶｎ（ｎ＝１、２、３）のモードが近づくとき、お互いのモードが結合するために、圧電体層１０１の板厚に対するメインモードの周波数感度が大きくなってしまう。このことから、ＳＶ１の板波スプリアスが共振周波数より低く、ＳＶ２の板波スプリアスは共振周波数より十分に高くなるような圧電体層１０１板厚を選択することで、スプリアス強度や共振周波数に対する板厚の影響を低めることが可能となる。  
具体的には１.２〜１.８音響波長程度の板厚であれば、ＳＶ１の板波スプリアス周波数の板厚に対する依存性が低く、かつＳＶ２の板波スプリアスの周波数が共振周波数より十分に高いような条件を選択することができる。
【００３９】
以上に説明した考え方に基づき、実施形態に係るＳＡＷ素子１、及び従来のＬＴ単結晶を用いた比較形態に係るＳＡＷ素子のアドミタンスとコンダクタンス特性を図９に示す。実施形態における設計は４２ＬＴ（オイラー角表記で（０°、１３２°、０°））、圧電体層１０１の板厚は６.８μｍ、電極指３の厚さは４８０ｎｍ（音響波長λの１２％）、支持基板１０２はシリコン基板であり、その他の条件は既述の解析条件の設定と同様である。  
比較形態は、支持基板１０２を含まない４２ＬＴ単体の圧電体層１０１を用いた点（板厚は６．８μｍ）と電極指３の厚さを３２０ｎｍ（音響波長λの８％）にした点を除いて実施形態と同様である。
【００４０】
比較がしやすいように、図９においては実施形態、比較形態それぞれの共振周波数が１となるように横軸を規格化している。共振周波数-反共振周波数間におけるコンダクタンスの値が小さいとその共振子は損失が小さいということであり、比較形態と比べて反共振周波数（規格化周波数:１.０４）付近にてコンダクタンスが１０ｄＢ以上改善していることが分かる。
【００４１】
また図９の解析結果をみると、図７の遅い横波ＳＶ１による板波スプリアスの実効速度である約３６２０ｍ／ｓに対応する、９０５ＭＨｚ（規格化周波数にして０.９６６）近辺にスプリアスは生じておらず、本例の設計手法で板波スプリアスが抑圧できていることが分かる。
【００４２】
本実施形態によれば、圧電体層１０１の厚さが１音響波長を超える場合であっても、板波に起因するスプリアスが抑制される設計条件を選択しているので、製造しやすく、良好な特性を持つＳＡＷ素子１を得ることができる。  
ここで、「スプリアスの周波数と、伝搬損失最小周波数ｆｄとを揃える」とは、これらの周波数が厳密に一致する場合に限定されない。上述の考え方に基づき、圧電体層１０１の板厚を決定した結果、板厚の調節を行わなければ発生していたスプリアスを、実用上、問題の無い程度まで低減することができるように、スプリアスの周波数と、伝搬損失最小周波数ｆｄとを近づけることも、これらの周波数を「揃える」ことに含まれる。
【００４３】
次に、圧電体層１０１の厚さ（板厚）以外の設計変数についても確認しておく。
本例のＳＡＷ素子１においては、当該ＳＡＷ素子１を共振子として用いたフィルタ回路などの通過帯域内でＳＡＷが非漏洩状態（漏洩した弾性波成分が圧電体層１０１内に閉じ込められている状態）としている。この状態を形成するためには、支持基板１０２の構成材料のバルク波音速が十分に速いことが必要である。この観点では、少なくともＳＡＷ素子１の共振周波数-反共振周波数間で程度を非漏洩状態にできるように、メインモードのＳＡＷの１.０５倍以上程度の音速を支持基板１０２が有している必要がある。
【００４４】
本例のＳＡＷ素子１にてラダー型フィルタを構成することを考慮すれば、より好適には、共振周波数を基点として、共振周波数-反共振周波数の間隔の倍程度の周波数帯域にてＳＡＷが非漏洩状態となることが好ましい。この観点では、メインモードのＳＡＷ速度の１.０８倍以上程度の音速を、支持基板１０２が有していることが望ましい。  
本実施例では支持基板１０２にＳｉを用いているため、その線膨張係数が約３ｐｐｍ／℃であり、４２ＬＴのＸ軸方向の線膨張係数が約１６ｐｐｍ／℃であることから、薄い圧電体層１０１の線膨張を支持基板１０２が抑える働きも期待できる。この結果、線膨張起因の周波数変動が低減され、ＴＣＦ（Temperature Coefficient of Frequency、周波数温度特性）として１３ｐｐｍ／℃程度の改善も見込まれる。
【００４５】
図９を用いて説明した損失低減や、上述の周波数温度特性の改善は、支持基板１０２の構成材料としてＳｉを用いた場合の特有の効果ではない。バルク波の音速が十分に大きく、線膨張係数が小さく、本例のＳＡＷ素子１に用いること可能な構成材料として、シリコン（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ダイヤモンド（Ｃ）、サファイア（単結晶Ａｌ２Ｏ３）、水晶（ＳｉＯ２）、アルミナ（多結晶Ａｌ２Ｏ３）、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）からなる支持基板材料群から選択された支持基板材料を例示することができる。
【００４６】
また支持基板１０２の構成材料がバルク波の音速に関する上述の要件を満たさない場合であっても、図１０に示すように、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）や酸化チタニウム（ＴｉＯ２）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）といったバルク波の音速が高い誘電体膜、あるいはベリリウムなどの金属膜（高音速層１０３）を積層したものに圧電体層１０１を接合してＳＡＷ素子１ａを構成してもよい。この場合、圧電体層１０１の下部に存在する高音速層１０３にて、漏洩成分がエヴァネセントになり反射される。高音速層１０３は１音響波長以上程度あれば適当である。また、ここに挙げた材料以外でも適当な密度や弾性率といった物性を有してさえいれば本例のＳＡＷ素子１、１ａへの適用は可能となる。
【００４７】
次に圧電体層１０１の構成材料であるＬｉＴａＯ３のカット角を変化させた場合においても、図６〜９を用いて説明した例と同様の議論が成り立つことを説明する。  
ここで図７に示したように板波スプリアスの生じる周波数は圧電体層１０１の厚さへの依存性が大きい一方で、電極指３の厚さへの依存性は小さい。一方、メインモードのＳＡＷの周波数の依存性は電極指３の厚さへの依存性が大きく、伝搬損失最小周波数ｆｄはＬｉＴａＯ３のカット角と電極指３の厚さへの依存性が大きいことを把握している。
【００４８】
そこで本例のＳＡＷ素子１を共振子として用いるフィルタ回路の帯域幅に応じて圧電体層１０１に用いるＬｉＴａＯ３のカット角を変化させることで、好適な電気機械結合係数を得ることが可能となる。使用したいカット角に応じて電極指３の厚さと圧電体層１０１の板厚とを決定できれば、既述の例と同様に共振-反共振周波数近傍のスプリアスを抑圧することが可能となる。
【００４９】
例えば４８°回転Ｙカット-Ｘ伝搬（オイラー角表記で（０°、１３８°、０°））のＬｉＴａＯ３を例に上げると、電極指３の厚さｈを４４０ｎｍ（音響波長λの１１％）とし、圧電体層１０１の板厚Ｈを４.６、５、５.４μｍと変化させ、他の条件は既述の解析条件と同様として解析を行った。
解析結果を図１１（ａ）〜（ｃ）にそれぞれ示す。図１１（ａ）（圧電体層１０１の板厚Ｈが４．６μｍ）、図１１（ｃ）（同板厚Ｈが５．４μｍ）では共振周波数の近傍において、破線で囲んだ位置に板波スプリアスＳＰが生じている。一方、図１１（ｂ）（同板厚Ｈが５μｍ）ではスプリアスが消えた特性を得られている。
【００５０】
ここで図１１（ｂ）と同じ設計条件にて４８ＬＴの代わりに４２ＬＴを用いて圧電体層１０１を構成した場合の解析結果を図１２に示す。ＬｉＴａＯ３のカット角のみが異なる設計であるが、こちらでは９６０ＭＨｚ付近に大きなスプリアスＳＰが生じてしまうことが分かる。
【００５１】
また、４８ＬＴ（電極指３の厚さ４４０ｎｍ）の圧電体層１０１におけるモードチャートを図１３に示し、４８ＬＴの圧電体層１０１上に形成した電極指３の各膜厚における、伝搬損失最小周波数ｆｄ、共振周波数ｆｒの実効音速のプロットを図１４に示す。これらの図から、圧電体層１０１の構成材料として４８ＬＴを用いた場合は、電極指３の厚さが４４０ｎｍ（音響波長の１１％）、圧電体層１０１の板厚５μｍ（１.２５音響波長）であるとき、伝搬損失最小周波数ｆｄの実効速度と、板波スプリアスの速度がどちらも約３８３０ｍ／ｓとなり、これらの周波数を揃えることができる。
【００５２】
上述の解析結果から、ＬｉＴａＯ３のカット角を変化させた場合でも、電極指３の厚さ、圧電体層１０１の板厚を適切に設定することによってスプリアスを抑圧できることが分かる。言い替えると、任意のカット角のＬｉＴａＯ３についても、電極指３の厚さと圧電体層１０１の板厚を適切に選択することにより、スプリアスが抑圧されたＳＡＷ素子１を得ることが可能となる。従って、設計するフィルタ回路の周波数帯域幅にあわせて圧電体層１０１のカット角を選択することも可能となる。  
ＬｉＴａＯ３により圧電体層１０１を構成する場合の代表的なカット角を例示しておくと、オイラー角表記において（０±１０°、１２０〜１４４°、０±１０°）の範囲内である場合を例示できる。  
【００５３】
また、回転ＹカットＬｉＮｂＯ３の圧電体層１０１上で励振される漏洩弾性表面波についても伝搬損失最小周波数ｆｄを有するため、上述の手法を適用することが可能である。
ＬｉＮｂＯ３により圧電体層１０１を構成する場合の代表的なカット角を例示しておくと、オイラー角表記において（（０±１０°、１２９〜１５６°、０±１０°）の範囲内、または、（０±１０°、−５〜２５°、０±１０°）の範囲内である場合を例示できる。
【００５４】
以上に検討したように、ＳＡＷ素子１において、圧電体層１０１の厚さはＩＤＴ電極で励振する弾性表面波の波長に比例する。そこで圧電体層１０１が最も薄くなる場合を想定して、ＳＡＷ素子１の適用範囲上限程度である２.６ＧＨｚにおける実サイズを考える。この場合、ＳＡＷの波長は１.５μｍ程度となるため、ＳＡＷ素子１における圧電体層１０１の板厚は１.５音響波長、つまり２.２μｍ程度となり、１μｍ以上の板厚とすることができる。
【００５５】
従来の１音響波長以下の板厚の圧電体層１０１を貼り合わせる構造では、０.３音響波長程度が例示されており、１μｍを大きく下回るような構造になっている（例えば特許文献２）。このことから本例のＳＡＷ素子１の加工上の優位性が示される。また、実用的かつ比較的低い周波数である１ＧＨｚ程度であっても、従来のＳＡＷ素子の板厚は１μｍ程度であり、かつ要求される偏差が小さいことから加工難易度は非常に高いことが分かる。
【００５６】
デュプレクサやマルチプレクサ機能を有する電子部品への応用を考慮した場合、組み合わせるフィルタ回路の通過帯域内におけるスプリアスはアイソレーションの悪化につながるため、共振周波数付近のみならず、広い周波数にわたってスプリアスが無いことが望まれる。  
この観点で例えば図１５に示すように、支持基板１０２として水晶（オイラー角表示（０°、９０°、１０５°））を用いることで、共振周波数より十分高い周波数においてもスプリアスを抑圧しながら、挿入損失は前述図９と同等に改善したデバイスが得られる。この時、解析に用いた設計は、既述の解析条件に加え、４２ＬＴの圧電体層１０１の板厚が５.２μｍ、電極指３の厚さが４８０ｎｍ（音響波長λの１２％）であり、支持基板１０２を水晶としている。
【００５７】
図１６は４２ＬＴの圧電体層１０１の板厚を６.８μｍとし、支持基板１０２の構成材料としてＳｉを用いた場合の特性図である。共振-反共振周波数の付近はスプリアスが無くフィルタの通過帯域形成には十分な特性を有しているが、１,０５０ＭＨｚ以降において遅い横波と速い横波による板波に起因する複数のスプリアスＳＰｓが生じている。
【００５８】
同様にＳｉを支持基板１０２の構成材料として用いた図１１（ｂ）の例では、高い周波数における板波スプリアスを抑圧できている。これは板波が支持基板１０２の内部に漏洩することにより、板波の閉じ込めが非常に弱くなり、それによるスプリアスが大きく抑圧されるためである。
【００５９】
この現象は、図１５に示す例のように水晶により支持基板１０２を構成する場合に限らず、既述のように支持基板１０２におけるバルク波の伝搬速度（音速）を適当に選択することで可能となる。より具体的な音速の選択方法として、ＳＡＷが表面に閉じ込められる（非漏洩状態となる）ように支持基板１０２の構成材料を選択する必要がある。適切な構成材料を選択し、支持基板１０２におけるバルク波の音速をＳＡＷ速度の１.０５倍程度以上とする。さらに、スプリアスとなる高い周波数の板波が漏洩モードになるように、圧電体層１０１を伝搬する遅い横波による２次の板波の音速、あるいは速い横波による１次の板波の音速のどちらか遅い方が、支持基板１０２における前記バルク波より高音速とする必要もある。
【００６０】
実際、解析によるこのカット角（０°,９０°,１０５°）における水晶の最も遅いバルク波速度は４１００ｍ／ｓ程度（ＳＡＷ速度の１．０９倍）である。また、圧電体層１０１を伝搬する遅い横波による２次の板波速度は４４８０ｍ／ｓ程度なので上述の要件を満たしている。  
一方で、図１６の例では、Ｓｉの最も遅いバルク波速度は５８６０ｍ／ｓ（ＳＡＷ速度の１．５６倍）程度である。また、圧電体層１０１を伝搬する遅い横波による２次の板波速度は４２２０ｍ／ｓなので、上述の要件を満たしていない。
【００６１】
本例への応用として通常の弾性表面波素子と同様に、耐候性、耐環境性改善のために酸化ケイ素、酸窒化ケイ素や窒化ケイ素からなる誘電体材料群から選択された誘電体材料の単層あるいはこれらの複数を含む積層構造を有する誘電体膜をパッシベーション膜１０４として、ＩＤＴ電極上に形成することが考えられる（図１７のＳＡＷ素子１ｂ）。また、このときパッシベーション膜１０４において、ＬｉＴａＯ３やＬｉＮｂＯ３とは周波数温度特性が反対の酸化ケイ素あるいは酸窒化ケイ素を用いれば温度変動による周波数変動を低減する効果が生じることが知られている（誘電体膜の装荷）。これは弾性波素子の温度特性の改善にも寄与する。
【００６２】
次いで、上述のＳＡＷ素子１、１ａ、１ｂを用いてフィルタ回路を構成する例について説明する。  
所望のフィルタ特性を得るフィルタ回路の構成として、図１８のように入力ポート４１、出力ポート４２間に直列、及び並列に、それぞれ一以上ずつ本例のＳＡＷ素子１、１ａ、１ｂを接続し、直列共振子１ｃ、並列共振子１ｄとする。そして直列共振子１ｃの共振周波数と、並列共振子１ｄの反共振周波数とが概略一致するように設計するラダー型フィルタが知られている。
【００６３】
図１８に示した回路構成は一例であり、ＳＡＷ素子１の数の変更や、ＤＭＳ（Double Mode SAW）フィルタとの組み合わせ、インダクタ、キャパシタ等の付加回路によるフィルタ特性の調整、改善は当然可能である。この場合、直列共振子１ｃと並列共振子１ｄのＳＡＷの波長は異なるため、ＳＡＷの波長で規格化した圧電体層１０１の板厚も互いに相違することとなる。一方で、これらの直列共振子１ｃ、並列共振子１ｄは例えば共通の圧電体層１０１上に同時にパターニングされるため、電極指３の厚さを互いに相違させることが困難な場合がある。
【００６４】
そこで、このような場合においても双方の直列共振子１ｃ、並列共振子１ｄにおける板波スプリアスを抑圧することが可能な設計変数が必要となる。この点、図１９に示す例は、それぞれの直列共振子１ｃ、並列共振子１ｄの電極占有率を異ならせることによって、伝搬損失最小周波数ｆｄと共振周波数ｆｒとの相対的な周波数位置を調整できることを示している。なお、この解析では電極指３の厚さは４８０ｎｍ（音響波長λの１２％）としている。
【００６５】
周波数の低い並列共振子１ｄの方が波長は長くなるため、規格化された圧電体層１０１の板厚は薄くなり、共振周波数に対して板波スプリアスの生じる周波数は相対的に高くなる。つまり並列共振子１ｄより直列共振子１ｃにおける電極指３の電極占有率を大きくする（言い替えると直列共振子１ｃより並列共振子１ｄにおける電極指３の電極占有率を小さくする）。この結果、並列共振子１ｄの共振周波数に対する伝搬損失最小周波数ｆｄの相対的な周波数が高くなり、両方のスプリアスを抑圧可能とし、フィルタに好適な設計が可能となる。
【００６６】
またフィルタ回路内に、電極占有率が相違する共振子を配置する際の基準は、既述のように並列共振子１ｄよりも直列共振子１ｃの電極占有率を大きくする例に限定されない。例えば、共振周波数に応じて、電極占有率を相違させる共振子を選択してもよい。
例えば図１８中に符号（１）〜（４）を付した４つの共振子（直列共振子１ｃ、並列共振子１ｄ）からなるフィルタ回路を考える（この例では符号（※）を付した直列共振子１ｃは設けられていないものとする）。そしてこれらの共振子１ｃ、１ｄの共振周波数が「（１）＜（２）＜（３）＜（４）」の順に高くなっているとする。
【００６７】
このとき、電極指３の電極占有率については、例えば「（１）＝（２）＝（４）＜（３）」や、「（１）＝（２）＝（３）＜（４）」といったように、共振周波数が相違する他の共振子１ｄ、１ｃよりも電極占有率が大きい共振子１ｃを設けてもよい。また１個に限らず、「（１）＝（２）＜（３）＜（４）」のように、電極占有率が大きい共振子１ｃを複数個設けてもよい。  
さらに符号（１）〜（４）のフィルタ回路の例につき、電極占有率について、例えば「（２）＜（１）＝（４）＝（３）」や、「（１）＜（２）＝（３）＝（４）」といったように、共振周波数が相違する他の共振子１ｄ、１ｃよりも電極占有率が小さい共振子１ｄを設けてもよい。電極占有率が小さい共振子１ｄは１個に限らず、「（１）＜（２）＜（３）＝（４）」のように複数個設けてもよい。
【００６８】
この他、ラダー型フィルタを複数個備えるデュプレクサやマルチプレクサを構成するにあたり、予め選択した１個または複数個のラダー型フィルタについてのみ、選択したフィルタに含まれる直列共振子１ｃの電極占有率を大きくしてもよい。これとは反対に、選択したフィルタに含まれる直列共振子１ｄの電極占有率を小さくしてもよい。
デュプレクサやマルチプレクサ内のラダー型フィルタ間では、直列共振子１ｃや直列共振子１ｄの共振周波数が互いに相違する場合がある。従って、上述の場合も共振周波数が相違する他の共振子１ｄ、１ｃよりも電極占有率が大きい直列共振子１ｃや電極占有率が小さい並列共振子１ｃが設けてられているフィルタ回路の例であると言える。
以上に具体例を挙げて説明してきたように、圧電体層１０１の厚さＨ、電極指３の厚さｈ、電極占有率を含む設計変数群から選択された設計変数の設定を行うことにより、伝搬損失最小周波数ｆｄを調節することが可能である。
【００６９】
本例のＳＡＷ素子１、１ａ、１ｂを用いれば、通過帯域内に板波に起因するスプリアスが生じない良好なフィルタ回路を得ることが可能となる。この結果、当該フィルタ回路を応用して、マルチプレクサやマルチフィルタ機能を有する電子部品も構成することが可能となる。
【符号の説明】
【００７０】
１、１ａ、１ｂ
ＳＡＷ素子
１０１      圧電体層
１０２      支持基板
１３        反射器
３、３ａ、３ｂ
電極指
【図１】
2020188408.tif 000003
【図２】
2020188408.tif 000004
【図３】
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【図４】
2020188408.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2020188408.tif 000018
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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