(57)【要約】【課題】電気特性の優れた弾性波装置を提供する。【解決手段】  複数の電極指を備えるＩＤＴ電極９と、第１面７ａと第２面７ｂとを備え、前記第１面７ａに前記ＩＤＴ電極９が位置しており、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λ未満の厚みであり、１０ｐｐｍ以上１００００ｐｐｍ以下の濃度のドーパントＤｐを含む圧電結晶からなる圧電膜７と、前記圧電膜７の第２面７ｂに直接または間接的に接合される絶縁性材料からなる絶縁部５と、を備える弾性波装置１である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電極指を備えるＩＤＴ電極と、
第１面と第２面とを備え、前記第１面に前記ＩＤＴ電極が位置しており、前記複数の電極指の繰り返し間隔の２倍で定義される弾性表面波波長λ未満の厚みであり、１０ｐｐｍ以上１００００ｐｐｍ以下の濃度のドーパントを含む圧電結晶からなる圧電膜と、
前記圧電膜の前記第２面に直接または間接的に接合される絶縁性材料からなる絶縁部と、を備える弾性波装置。
【請求項２】
前記ドーパントは、遷移金属元素である、請求項１に記載の弾性波装置。
【請求項３】
前記ドーパントは、Ｆｅである、請求項１または２に記載の弾性波装置。
【請求項４】
前記絶縁部は、前記圧電膜よりも横波音速の遅い材料からなり、
前記絶縁部の前記圧電膜が位置する側と反対側の面に直接または間接的に接合された支持基板と、を備える、請求項１乃至３のいずれかに記載の弾性波装置。
【請求項５】
前記支持基板は、前記圧電膜よりも横波音速の速い材料からなる、請求項４に記載の弾性波装置。
【請求項６】
前記絶縁部は、酸化ケイ素である、請求項１乃至５のいずれかに記載の弾性波装置。
【請求項７】
前記圧電膜の下面に高音響インピーダンス層と低音響インピーダンス層とが交互に積層されてなる音響多層膜が接合されており、前記低音響インピーダンス層が、前記絶縁部からなる、請求項１乃至３、６のいずれかに記載の弾性波装置。
【請求項８】
前記ＩＤＴ電極は、ダミー電極を含む、請求項１乃至７のいずれかに記載の弾性波装置。    
【請求項９】
前記圧電膜と前記絶縁部との間には、導電性の層を備える、請求項１乃至６のいずれかに記載の弾性波装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性波装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電膜と、圧電膜に積層されており、伝搬するバルク波の音速が圧電膜を伝搬すするバルク波の音速よりも低い低音速膜と、低音速膜の圧電膜とは反対側の面に積層されており、伝搬するバルク波の音速が圧電膜を伝搬すするバルク波の音速よりも高い高音速基板とを含む弾性波装置が提案されている。（特許文献１参照）。このような弾性波装置によれば、Ｑ値を高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−７３３３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
さらに電気特性の優れた弾性波装置が求められている。
【０００５】
本開示は、このような状況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装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の弾性波装置は、複数の電極指を備えるＩＤＴ電極と、第１面と第２面とを備え、前記第１面に前記ＩＤＴ電極が位置しており、前記複数の電極指の繰り返し間隔の２倍で定義される弾性表面波波長λ未満の厚みであり、１０ｐｐｍ以上１００００ｐｐｍ以下の濃度のドーパントを含む圧電結晶からなる圧電膜と、前記圧電膜の前記第２面に直接または間接的に接合される絶縁性材料からなる絶縁部と、を備える。
【発明の効果】
【０００７】
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。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本開示にかかる弾性波装置の模式的な断面図である。
【図２】図１の弾性波装置の上面図である。
【図３】弾性波装置の周波数特性を示す線図である。
【図４】図４（ａ）はＡＦＭ分析結果を、図４（ｂ）は圧電応答力顕微鏡による分析結果を示す図である。
【図５】図５（ａ），図５（ｂ）はそれぞれ図１に係る弾性波装置の変形例を示す断面図である。
【図６】図１に係る弾性波装置の変形例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しつつ、本開示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。
【００１０】
図１は、本開示の実施形態に係る弾性波装置（以下、ＳＡＷ装置という）１の模式的な断面図である。
【００１１】
ＳＡＷ装置１は、支持基板３と絶縁部５と圧電膜７とＩＤＴ電極９とを備える。支持基板３と絶縁部５と圧電膜７とはこの順に積層されている。
【００１２】
支持基板３は、この例では、その上に積層される絶縁部５および圧電膜７を支持するものであり、一定の強度を備えれば特に限定されない。例えば、圧電膜７に比べて線膨張係数の小さい材料で構成する場合には、温度変化による圧電膜７の変形を低減することで、温度変化による特性変化を低減することができる。また、圧電膜７中を伝搬する弾性波の横波音速に比べて支持基板３中を伝搬する弾性波の横波音速が早くなるように材料を選定した場合には、弾性波を圧電膜７に閉じ込めることができ、周波数特性の優れたＳＡＷ装置１を提供することができる。
【００１３】
このような材料として、例えば、サファイア基板やＳｉ基板等を例示できる。本実施形態においては支持基板３としてＳｉ基板を用いた場合を例に説明する。
【００１４】
なお、支持基板３と絶縁部５と圧電膜７との積層体の反りを低減するように、支持基板３の材料を選定してもよい。例えば、絶縁部５の線膨張係数が圧電膜７の線膨張係数に比べて小さい場合には、支持基板３は絶縁部５よりも線膨張係数の大きい材料にしてもよい。
【００１５】
絶縁部５は、例えば、酸化ケイ素、窒素ケイ素、酸化アルミニウム等の絶縁性を有する材料からなり、その結晶性は特に限定されない。絶縁部５を設けることにより、不要の電位が形成されたり不要の容量が形成されたりすることを低減することができるので、ＳＡＷ装置１の電気特性を向上させることができる。この例では、絶縁部５として、酸化ケイ素を用いている。
【００１６】
特に、本例のように、支持基板３として半導体材料であるＳｉ基板を用いる場合には、圧電膜７と支持基板３との間に絶縁部５を設けることにより、支持基板３の影響を低減すことができる。絶縁性を確保しつつ、かつ、支持基板３の高音速材料の特性を活かすためには、絶縁部３の厚みは、後述のＩＤＴ電極９により規定されるピッチｐに対して０．０１ｐ以上２ｐ以下としてもよい。特に０．１ｐ〜０．４ｐとした場合には支持基板３（この場合はSi）の導電率の影響を避けることができる。また、絶縁部５として酸化ケイ素を用いる場合には、圧電膜７中を伝搬する弾性波の横波音速に比べて絶縁部５中を伝搬する弾性波の横波音速が遅くなる。この場合には、圧電膜７が規定より薄くなりＳＡＷ装置１としての共振周波数が高くなるときには、絶縁部５における弾性波の分布量が増え、周波数を低くするように働き、圧電膜７が規定より厚くなりＳＡＷ装置１としての共振周波数が低くなるときには、絶縁部５における弾性波の分布量が減り、周波数を高くするように働く。このため、ＳＡＷ装置１において圧電膜７の厚みが変動しても周波数特性の変化を低減することができるので、ロバスト性を高めることができる。さらに、温度特性の向上効果も期待できる。
【００１７】
圧電膜７は、第１面７ａとこれに対向する第２面７ｂとを備える。便宜上、第２面７ｂから第１面７ａに向かう方向を上方ということがある。絶縁部５は圧電膜７の第２面７ｂに接合されている。
【００１８】
圧電膜７は、例えば、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３；以下ＬＴという）結晶からなる圧電性を有する単結晶の基板や、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３；以下ＬＮという）結晶からなる圧電性を有する単結晶の基板を用いることができる。
【００１９】
圧電膜７は、厚みは２ｐ以下、すなわち弾性波の波長λ以下である。弾性波の波長λ以
下の厚みとすることで、弾性波を圧電膜７に閉じ込めることができ、ＳＡＷ装置１のＱ値を高めることができる。また、圧電膜７のオイラー角を選定することにより、共振周波数を高くすることもできる。
【００２０】
ここで、圧電膜７は、ドーパントＤｐを含む。すなわち、ＬＴ結晶を用いる場合には、Ｌｉ，Ｔａ，Ｏ以外に不純物元素を含む。ドーパントＤｐは、例えば金属元素からなり、その濃度は１０ｐｐｍ以上１００００ｐｐｍ以下である。
【００２１】
ＩＤＴ電極９は、圧電膜７の第１面７ａに位置する。ＩＤＴ電極９は、導電性を有する材料を用いて形成されており、この例ではＡｌにＣｕを添加したＡｌ−Ｃｕ合金で形成されている。ＩＤＴ電極９は、Ａｌ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ｍｏ，Ａｕ等種々の導電性材料を採用することができ、さらに、これら複数の層を積層させて構成してもよい。また。複数層の積層体からなる場合には、積層界面に下地層を介在させてもよい。
【００２２】
図２に、ＩＤＴ電極９の形状を示す。図２は、ＳＡＷ装置１の上面図である。図２に示すように、ＩＤＴ電極９は、２つのバスバー９１と、バスバー９１のいずれかに接続される複数の長尺状の電極指９２が複数一方向に配列されている。そして一方のバスバー９１に接続される電極指９２と他方のバスバー９１に接続される電極指９２とが交互に配置されている。また、一方のバスバー９１に接続される電極指９２の先端に対向し、他方のバスバー９１に接続されるダミー電極９３を備えている。なお、図中において、一方のバスバー９１に接続される構成と他方のバスバー９１に接続される構成を区別するために、一方に斜線を付している。
【００２３】
このようなＩＤＴ電極９に高周波信号が印加されると、電極指９２の中心間間隔ｐを半波長とする定在波が励振される。
【００２４】
なお、ＩＤＴ電極９の電極指９２の配列方向の両側には反射器１１が位置している。これにより、ＩＤＴ電極９と反射器１１とで１ポート型の共振子として機能する。なお、本開示のＳＡＷ素子１はこのようなＩＤＴ電極９を含めばよく、その数、配置等については特に限定されない。例えば、このような共振子を複数含むラダー型フィルタや、縦結合型フィルタ等を構成することもできる。
【００２５】
本開示のＳＡＷ装置１によれば、上述の構成を備えることで、電気特性の優れたものとなる。以下、そのメカ二ズムについて詳述する。
【００２６】
発明者は、圧電膜７の厚みを薄くしていくときに、周波数特性が劣化する現象を発見した。具体的には、共振周波数および反共振周波数の近傍にリップルが発生することがあることを発見した。
【００２７】
図３は、ＩＤＴ電極９でフィルタを構成したときのＳＡＷ装置１の通過帯域近傍の周波数特性を示す。横軸は周波数であり、縦軸は透過特性を示す。線Ｌ１は線Ｌ２に比べ通過帯域内に図中に矢印で示すようなリップルが発生し電気特性が劣化していることが分かる。
【００２８】
一般に、圧電膜７の焦電性を改善するために、圧電膜として予め還元処理を施したＬＴ基板やＬＮ基板を用いることが知られている。このような還元処理を施した圧電膜を用いることで圧電膜の厚みが厚い場合にはリップルが発生することがなかった。また、例え圧電膜が薄くなっても、例えば圧電膜とＳｉ基板とが直接接合されるような構成においてはリップルが発生することがなかった。これに対して、発明者は圧電膜が薄くなり、かつ、その直下に絶縁材料が位置する場合には、例え還元処理を施した圧電膜を用いてもリップ
ルが発生することがあることを見出した。
【００２９】
この現象につき発明者が鋭意検討を行なった結果、線Ｌ１のリップルは、熱を原因として圧電膜７の一部で発生する分極反転に起因することを見出した。ここで「熱」とは、ＩＤＴ電極７形成後に加わるＳＡＷ装置１作製上の熱履歴や、高周波信号印加による発熱を含む。
【００３０】
圧電膜７が薄いことにより、還元処理を施していたとしても酸化が進み焦電効果が発現しやすくなる状況となった上に、絶縁性の材料が接していることでさらに表面電位が不安定となり焦電効果が発現しやすくなる。このような状況下で、熱により焦電効果が発生し、ＩＤＴ電極９において電圧が生じ、分極反転が生じるものと推察される。
【００３１】
これを抑制するために、本開示では圧電膜７にドーパントＤｐを含ませている。これにより導電率を向上させて、焦電性を改善させることができる。このため、ドーパントＤｐとしては金属元素であるとよい。ただし、ドーパントＤｐの混在は圧電膜７の導電率を向上させることにもつながるため、ＳＡＷ装置１として機能させるためには１００００ｐｐｍ以下とする必要がある。同様に、ドーパントＤｐの効果を発現するためにも１０ｐｐｍ以上含ませる必要がある。ドーパントＤｐが少なすぎると下に述べる結晶ドメインを反転しにくくする効果が小さくなり、また、ドーパントＤｐが多すぎると結晶成長が難しくなったり、結晶が脆くなったりするため、ドーパントＤｐの範囲は１００ｐｐｍ〜５００ｐｐｍとしてもよい。
【００３２】
また、ドーパントＤｐとして導電率を向上させるのみではなく、以下のような効果がある。すなわち、ドーパントＤｐを含ませることで圧電膜７を構成する圧電結晶の結晶格子に歪や欠陥を発生させることで、結晶ドメインを反転しにくくしたり、反転したドメインの移動を低減したりすることができる。このような観点から、ドーパントＤｐとしてある程度大きい原子番号の元素を選択してもよい。例えば、遷移金属の元素から選択してもよく、一例としてＦｅを例示することができる。
【００３３】
このような圧電膜７を用いることで、線Ｌ１のようなリップルは発生せずに線Ｌ２のような波形をえることを確認した。
【００３４】
なお、圧電膜７はドーパントＤｐを含ませた上で還元処理も施したものとしてもよい。
【００３５】
上述のようなＳＡＷ装置１を実際に作製した。具体的には、圧電膜７の膜厚を０．８μｍ（０．７ｐ）、絶縁部５の膜厚を０．３２μｍ（０．３ｐ）とした。このようなＳＡＷ装置１に対して、共振周波数近傍の周波数を有する高周波信号を印加して耐電力試験を行なった場合と、熱履歴のないＳＡＷ装置に対して加熱を行なった場合においてリップルは発生しないことを確認した。一方で、比較例として、圧電膜７として還元処理をしたのみでドーパントＤｐを含まない圧電結晶を用いた場合にも同様の試験を行なったところ、線Ｌ１のリップルを再現することができることを確認した。
【００３６】
さらに、このような比較例にかかるＳＡＷ装置について、ウエットエッチングによりＩＤＴ電極９を除去して圧電膜７を露出させ、圧電応答力顕微鏡（ＰＦＭ）により分極状態を測定した。その結果を図４に示す。図４（ａ）は圧電膜７表面のダミー電極９３があった場所付近のＡＦＭ像である。ＩＤＴ電極９そのものは除去されているが、製造工程でできた圧電膜７表面の凸凹が検出されており、ＩＤＴ電極９の痕跡が確認できる。図４（ａ）では、左端にバスバー９１があり、そこからダミー電極９３が紙面の右方向に伸びており、紙面左側から伸びている電極指９２にギャップを隔てて対向している。図４（ｂ）は同じ場所のＰＦＭ像である。図4（ｂ）から、ダミー電極９３と対向電極のギャップ付近を中心に、ダミー電極と対向電極に沿って電圧Ｖがマイナスになっており、分極の方向がその他の部分と反転していることが確認できた。なお、ＳＡＷ装置１では正負反転している部分は確認されなかった。
【００３７】
このように、ダミー電極９３においては加熱・冷却時の焦電性により電圧が生じると同時に、電場の方向が分極方向に沿った方向（ダミー電極とその電極指の方向）になるため、分極反転が生じるものと推察される。このため、ダミー電極９３を備え、高い電圧が印加される可能性があるＩＤＴ電極９を含む場合には特に圧電膜７を備えるＳＡＷ装置１とすることが好ましい。同様に浮き電位となる電極部においても分極判断が生じやすくなる。
【００３８】
（他の例）
上述の例では、支持基板３を備える構成としたがその構成に限定されない。例えば、図５（ａ）に示すように絶縁部５が厚く、支持基板３を備えない構成や、図５（ｂ）に示ように、絶縁部５の直下に支持基板３が存在しない構成であってもよい。
【００３９】
図５（ａ）に示す例としては、例えば絶縁部５としてサファイア基板を用いた場合を例示できる。
【００４０】
さらに、図６に示すように、支持基板３と絶縁部５との間に複数層が介在してもよい。図６において、支持基板３と圧電膜７との間に音響多層膜１５を含んでいてもよい。圧電膜７としては、ＬＴ基板でそのオイラー角を（０，２５，０）付近とすると発生する弾性波の音速が高くなる。この高音速の弾性波を圧電膜７の側に閉じ込めるために音響多層膜１５が必要となる。
【００４１】
音響多層膜１５は高音響インピーダンス層１５ａと低音響インピーダンス層１５ｂとが交互に複数層積層されてなる。高音響インピーダンス層１５ａとしては酸化タンタルや酸化ハフニウム等を例示できる。低音響インピーダンス層１５ｂとしては酸化ケイ素を例示できる。この低音響インピーダンス層１５ｂが絶縁部５として機能する。
【００４２】
このような構成の場合には、高音速の弾性波を圧電膜７の側に反射させ支持基板３の側に漏洩させることがないため低ロスのＳＡＷ装置とすることができることに加え、分極反転を抑制することができるので、高い電気特性を実現することができる。
【００４３】
なお、上述の例では、圧電膜７と絶縁部５とが直接接合されている場合を例に説明したが、両者の間に、電気特性に影響しない範囲の厚みおよび導電率の導電層を備えていてもよい。例えば５ｎｍ以下の厚みの導電層としてもよい。この場合には、電位を安定させ、焦電性の影響を低減することができる。同様に、圧電膜７と絶縁部５と間に、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｕ等の金属元素を分散させてもよい。導電性を有する元素が点在することにより、圧電膜７の第２面７ｂにおいて電位を安定させることができる。分散濃度としては、接合界面に露出する圧電膜７の原子数よりも少なく、例えば１／１０以下、より好ましくは１／１０００以下としてもよい。具体的な濃度としては、例えば１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下としてもよい。
【符号の説明】
【００４４】
１：ＳＡＷ装置
３：支持基板
５：絶縁部
７：圧電膜
９：ＩＤＴ電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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