JP6658957B2 - 弾性波装置、高周波フロントエンド回路及び通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、弾性波装置、該弾性波装置を有する高周波フロントエンド回路及び通信装置に関する。

従来、シリコンからなる支持基板上に、直接または間接に、圧電体が積層されている弾性波装置が種々提案されている。例えば、下記の特許文献１及び２に記載の弾性波装置では、シリコン基板上に、ＳｉＯ_２膜を介してＬｉＴａＯ_３からなる圧電体が積層されている。下記の特許文献３に記載の弾性波装置では、シリコンの（１１１）面、（１００）面または（１１０）面上に、ＳｉＯ_２膜を介してＬｉＴａＯ_３からなる圧電体が積層されている。

特許文献３では、（１１１）面を利用することにより、耐熱性を高めることができるとされている。

特開平１１−５５０７０号公報 特開２００５−３４７２９５号公報 特開２０１０−１８７３７３号公報

特許文献１〜３に記載のような従来の弾性波装置では、利用する弾性波としてのメインモードのエネルギーを圧電体内に集中させることができる。しかしながら、メインモードだけでなく、メインモードの高周波数側に位置している高次モードも同時に圧電体内に閉じこもる場合があることがわかった。そのため、高次モードがスプリアスとなり、弾性波装置の特性が劣化するという問題があった。

本発明の目的は、メインモードの良好な特性を維持しつつ、高次モードを抑制することが可能な弾性波装置、該弾性波装置を有する高周波フロントエンド回路及び通信装置を提供することにある。

本発明に係る弾性波装置は、オイラー角（φ_１，θ_１，ψ_１）を有し、前記オイラー角（φ_１，θ_１，ψ_１）における弾性定数が下記の式（１）で表される材料層と、対向し合う第１及び第２の主面を有し、前記第２の主面側から前記材料層に直接または間接に積層されており、オイラー角（φ_２，θ_２，ψ_２）を有し、前記オイラー角（φ_２，θ_２，ψ_２）における弾性定数が下記の式（１）で表される圧電体と、前記圧電体の前記第１の主面及び前記第２の主面のうちの一方に設けられており、電極指ピッチで定まる波長がλであるＩＤＴ電極と、を備え、前記圧電体のＣ_５６と前記材料層のＣ_５６の積が正の値であり、かつ、前記圧電体のＣ_５６の絶対値よりも前記材料層のＣ_５６の絶対値の方が大きい。

本発明に係る弾性波装置のある特定の局面では、前記式（１）における弾性定数Ｃ _ａｂは、（Ｃ _ａｂ）＝［α］^−１［Ｃ _ａｂ ^０］［β］で導かれる。なお、α及びβは以下の通りである。

また、α及びβにおけるｌ_１〜ｌ_３、ｍ_１〜ｍ_３及びｎ_１〜ｎ_３は以下の通りである。
ｌ_１＝ｃｏｓψｃｏｓφ−ｃｏｓθｓｉｎφｓｉｎψ
ｌ_２＝−ｓｉｎψｃｏｓφ−ｃｏｓθｓｉｎφｃｏｓψ
ｌ_３＝ｓｉｎθｓｉｎφ
ｍ_１＝ｃｏｓψｓｉｎφ＋ｃｏｓθｃｏｓφｓｉｎψ
ｍ_２＝−ｓｉｎψｓｉｎφ＋ｃｏｓθｃｏｓφｃｏｓψ
ｍ_３＝−ｓｉｎθｃｏｓφ
ｎ_１＝ｓｉｎψｓｉｎθ
ｎ_２＝ｃｏｓψｓｉｎθ
ｎ_３＝ｃｏｓθ

本発明に係る弾性波装置のある特定の局面では、前記ＩＤＴ電極により励振される高次モードの少なくとも一部が、前記材料層と前記圧電体の両方を伝搬する。

本発明に係る弾性波装置の他の特定の局面では、前記材料層が、前記圧電体を伝搬する弾性波の音速よりも、バルク波の音速が高速となる高音速材料である。

本発明に係る弾性波装置のある特定の局面では、前記圧電体の厚みが１０λ以下である。この場合には、高次モードの応答をより効果的に抑制することができる。

本発明に係る弾性波装置の他の特定の局面では、前記材料層のＣ_５６の絶対値が８．４ＧＰａ以上である。この場合には、高次モードをより効果的に抑制することができる。

本発明に係る弾性波装置の他の特定の局面では、前記材料層のＣ_５６の絶対値が２８ＧＰａ以下である。この場合には、利用するメインモードによる特性の劣化が生じ難い。

本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記材料層が、単結晶からなる。好ましくは、前記材料層を構成している前記単結晶は、圧電体以外の単結晶からなる。その場合には、前記材料層において、さらなる高次モードが生じ難い。材料層によりメインモードを閉じ込めることができ、良好な特性を得ることができる。

本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記圧電体の厚みが３．５λ以下である。

本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記圧電体の厚みが２．５λ以下である。

本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記圧電体の厚みが１．５λ以下である。

本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記圧電体の厚みが０．５λ以下である。

本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記材料層と、前記圧電体との間に設けられており、伝搬するバルク波の音速が、前記圧電体を伝搬する弾性波の音速よりも低速である低音速膜がさらに備えられている。好ましくは、前記低音速膜が酸化ケイ素膜である。この場合には、周波数温度特性を改善することができる。

本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記低音速膜の厚みが、２λ以下である。

より好ましくは、前記材料層を構成している前記単結晶が、シリコンからなる。この場合には、高次モードをさらに一層効果的に抑制することができる。

本発明に係る弾性波装置の別の特定の局面では、前記圧電体が、タンタル酸リチウムからなる。この場合には、高次モードを抑制するとともに、電気機械結合係数を、結晶方位の調整により容易に調整することができる。

本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記低音速膜と、前記材料層との間に積層されており、伝搬するバルク波の音速が、前記圧電体を伝搬する弾性波の音速よりも高速である、高音速膜がさらに備えられている。この場合には、高次モードを効果的に抑制することができる。

本発明に係る弾性波装置の別の特定の局面では、前記材料層が、支持基板である。

本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記材料層が、伝搬するバルク波の音速が、前記圧電体を伝搬する弾性波の音速よりも高速である、高音速材料からなる支持基板である。

本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記材料層において前記圧電体が積層されている側の主面とは反対側の主面に積層されている支持基板がさらに備えられている。

本発明に係る高周波フロントエンド回路は、本発明に従って構成されている弾性波装置と、パワーアンプと、を備える。

本発明に係る通信装置は、本発明に従って構成されている弾性波装置及びパワーアンプを有する高周波フロントエンド回路と、ＲＦ信号処理回路と、を備える。

本発明に係る弾性波装置、高周波フロントエンド回路及び通信装置によれば、メインモードの特性を維持しつつ、メインモードの高周波数側に位置している高次モードの応答を効果的に抑制することが可能となる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る弾性波装置の正面断面図である。 図２は、本発明の第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。 図３は、シリコン（１００）面を利用した、シリコンからなる材料層上に、酸化ケイ素膜、タンタル酸リチウム膜及びＡｌからなるＩＤＴ電極が積層されている弾性波装置の位相特性を示す図である。 図４は、オイラー角（−４５°，−５４．７°，０°）のシリコン単結晶を基準とし、弾性定数Ｃ_５６の値をマイナス側において、その絶対値を変化させた場合の弾性波装置の位相特性を示す図である。 図５は、座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）とオイラー角（φ，θ，ψ）との関係を示す模式図である。 図６は、弾性定数Ｃ_５６と、高次モードの位相最大値との関係を示す図である。 図７は、弾性定数Ｃ_５６と、メインモードの位相最大値との関係を示す図である。 図８は、圧電体の膜厚と、高次モード位相差との関係を示す図である。 図９は、材料層と圧電体のオイラー角がいずれも（０°，０°，０°）の場合における、両者の座標軸の関係を示す図である。 図１０は、第１の実施形態の変形例に係る弾性波装置の正面断面図である。 図１１は、本発明の第２の実施形態に係る弾性波装置の正面断面図である。 図１２は、本発明の第３の実施形態に係る弾性波装置の正面断面図である。 図１３は、高周波フロントエンド回路を有する通信装置の概略構成図である。

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。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る弾性波装置の正面断面図であり、図２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（Ｓｉ）単結晶からなる材料層２を有する。材料層２上に、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）単結晶からなる圧電体３が積層されている。従って、材料層２は、本実施形態では、圧電体３を支持している支持基板の機能をも有している。

圧電体３は、対向し合う第１，第２の主面３ａ，３ｂを有する。上記圧電体３は、第２の主面３ｂ側から、材料層２上に直接積層されている。第１の主面３ａ上に、ＩＤＴ電極４及び反射器５，６が設けられている。それによって、弾性波装置１では、弾性波共振子が構成されている。なお、弾性波装置１は、圧電体３を伝搬する弾性表面波を利用する弾性表面波装置である。もっとも、本発明において、弾性波装置は弾性表面波を利用したものに限定されない。

ＩＤＴ電極４及び反射器５，６はＡｌからなる。もっとも、ＩＤＴ電極４及び反射器５，６は、他の金属により構成されてもよい。また、ＩＤＴ電極４及び反射器５，６は、複数の金属膜を積層した積層金属膜からなるものであってもよい。

弾性波装置１の特徴は、オイラー角（φ_１，θ_１，ψ_１）を有し、オイラー角（φ_１，θ_１，ψ_１）における弾性定数が下記の式（１）で表される材料層と、対向し合う第１及び第２の主面を有し、第２の主面側から材料層に直接または間接に積層されており、オイラー角（φ_２，θ_２，ψ_２）を有し、オイラー角（φ_２，θ_２，ψ_２）における弾性定数が下記の式（１）で表される圧電体と、圧電体の第１の主面及び前記第２の主面のうちの少なくとも一方に設けられているＩＤＴ電極とを備えており、圧電体３のＣ_５６（＝Ｃ_６５）と材料層２のＣ_５６（＝Ｃ_６５）の積が正の値（圧電体３と材料層２とで、Ｃ_５６＝Ｃ_６５の正負が同じ）であり、かつ、圧電体３のＣ_５６（＝Ｃ_６５）の絶対値よりも材料層のＣ_５６（＝Ｃ_６５）の絶対値の方が大きいことにある。なお、Ｃ_５６とＣ_６５はゼロではない値である。それによって、メインモードよりも高周波数側に現れる高次モードの応答を抑制することができる。これを、以下においてより具体的に説明する。

図３は、従来よく用いられているシリコン（１００）面（＝オイラー角（−９０°，−９０°，ψ）の面）を使用した弾性波装置の位相特性を示す図である。この弾性波装置では、シリコン単結晶上に、酸化ケイ素膜、タンタル酸リチウム膜及びＡｌからなるＩＤＴ電極が積層されている。ＩＤＴ電極の電極指ピッチで定まる波長λとし、λ＝１．０μｍとした。酸化ケイ素膜の膜厚は０．３５λ、タンタル酸リチウム膜の膜厚は０．３λであり、カット角は５０°でオイラー角は（０°、１４０°、０°）とした。ＩＤＴ電極の膜厚は０．０８λとした。また、オイラー角（−９０°，−９０°，０°）の場合は、Ｃ_５６＝Ｃ_６５＝０［Ｐａ］となる。

図３から明らかなように、従来からよく用いられているシリコン（１００）面を使用した弾性波装置では、３９００ＭＨｚ付近にメインモードの応答が現れている。上記のような積層構造を有するため、メインモードの特性が良好である。しかしながら、メインモードよりも高周波数側に、すなわち、５１００ＭＨｚ付近に、高次モードの応答が現れている。この高次モードの応答では、位相最大値は９０°であり、高次モードの応答が非常に強い。そのため、この弾性波装置を用いて、弾性波フィルタなどを構成した場合、他の帯域通過型フィルタのフィルタ特性の劣化を引き起こすおそれがある。

近年、スマートフォンなどの移動体通信機器では、キャリアアグリゲーション（ＣＡ）用のマルチプレクサが広く用いられている。マルチプレクサでは、アンテナ端子に、複数の帯域通過型フィルタが共通接続されている。１つの帯域通過型フィルタが、上記弾性波装置を有する場合、他の帯域通過型フィルタの通過帯域が、５１００ＭＨｚを含んでいる周波数位置にあると、他の帯域通過型フィルタのフィルタ特性が劣化するおそれがある。従って、上記高次モードの応答の抑制が強く求められる。

本願発明者は、上記高次モードの抑制につき検討した結果、オイラー角（φ_１，θ_１，ψ_１）を有し、オイラー角（φ_１，θ_１，ψ_１）における弾性定数が下記の式（１）で表される材料層と、対向し合う第１及び第２の主面を有し、第２の主面側から材料層に直接または間接に積層されており、オイラー角（φ_２，θ_２，ψ_２）を有し、オイラー角（φ_２，θ_２，ψ_２）における弾性定数が下記の式（１）で表される圧電体と、圧電体の第１の主面及び前記第２の主面のうちの少なくとも一方に設けられているＩＤＴ電極とを備えており、圧電体３のＣ_５６（＝Ｃ_６５）と材料層２のＣ_５６（＝Ｃ_６５）の積が正の値（圧電体３と材料層２とで、Ｃ_５６＝Ｃ_６５の正負が同じ）であり、かつ、圧電体３のＣ_５６（＝Ｃ_６５）の絶対値よりも材料層のＣ_５６（＝Ｃ_６５）の絶対値の方を大きくすれば、上記高次モードを抑制し得ることを見出し、本発明をなすに至った。

ここで、弾性定数Ｃ_１１〜Ｃ_６６は、下記の式（１）で表される行列式である。

なお、図５は、座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）とオイラー角（φ，θ，ψ）との関係を示す模式図である。

本明細書において、オイラー角（φ，θ，ψ）は、文献「弾性波素子技術ハンドブック」（日本学術振興会弾性波素子技術第１５０委員会、第１版第１刷、平成１３年１１月３０日発行、５４９頁）記載の右手系オイラー角を用いた。シリコンの場合を例に説明すると、図５に示したようにシリコンの結晶軸をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸と定義する。オイラー角（φ，θ，ψ）とは、右ネジの回転方向を正とし、１）（Ｘ，Ｙ，Ｚ）をＺ軸回りに「φ」回転し、（Ｘ_１，Ｙ_１，Ｚ_１）とし、次に、２）（Ｘ_１，Ｙ_１，Ｚ_１）をＸ_１軸回りに「θ」回転し、（Ｘ_２，Ｙ_２，Ｚ_２）とする。このＺ_２軸を法線とする面が材料層、または、圧電体の主面となる。さらに３）（Ｘ_２，Ｙ_２，Ｚ_２）をＺ_２軸回りに「ψ」回転し、（Ｘ_３，Ｙ_３，Ｚ_３）とする。このとき、前述の回転操作をオイラー角で（φ，θ，ψ）と表す。

式（１）で示した弾性定数とは、材料層、または、圧電体の弾性定数の文献値に対して、前述した回転操作により弾性定数を座標変換したのちの弾性定数のことを言う。前記式（１）における弾性定数Ｃ _ａｂは、（Ｃ _ａｂ）＝［α］^−１［Ｃ _ａｂ ^０］［β］で導かれる。なお、α及びβは以下の通りである。

また、α及びβにおけるｌ_１〜ｌ_３、ｍ_１〜ｍ_３及びｎ_１〜ｎ_３は以下の通りである。
ｌ_１＝ｃｏｓψｃｏｓφ−ｃｏｓθｓｉｎφｓｉｎψ
ｌ_２＝−ｓｉｎψｃｏｓφ−ｃｏｓθｓｉｎφｃｏｓψ
ｌ_３＝ｓｉｎθｓｉｎφ
ｍ_１＝ｃｏｓψｓｉｎφ＋ｃｏｓθｃｏｓφｓｉｎψ
ｍ_２＝−ｓｉｎψｓｉｎφ＋ｃｏｓθｃｏｓφｃｏｓψ
ｍ_３＝−ｓｉｎθｃｏｓφ
ｎ_１＝ｓｉｎψｓｉｎθ
ｎ_２＝ｃｏｓψｓｉｎθ
ｎ_３＝ｃｏｓθ

なお、上記弾性定数Ｃ _ａｂは、材料層または圧電体の弾性定数の文献値Ｃ _ａｂ ^０に対して、供述した回転操作により弾性定数を座標変換した後の弾性定数となる。すなわち、同一の材料であっても、使用するオイラー角により、弾性定数の各成分は各種値、符号を取り得る。

また、材料層と圧電体のオイラー角がいずれも（０°，０°，０°）の場合における、両者の座標軸の関係を図９に示す。図９の左図のＸ、Ｙ、Ｚ軸を材料層の結晶軸、図９のＸａ、Ｙａ、Ｚａが圧電体の結晶軸である。いずれも、オイラー角が（０°，０°，０°）の場合には図９に示したように、ＸとＸａ、ＹとＹａ、及びＺとＺａが同一方向となるように定義する。圧電体を伝搬する弾性波がＸ伝搬の場合には、Ｘａ方向とＩＤＴ電極が垂直となる。

弾性定数Ｃ_ａｂと、応力Ｔ_ａ及び歪みＳ_ｂとの間には、下記の式（３）に示す関係がある。

すなわち、応力Ｔ_ａは、弾性定数Ｃ_ａｂと、歪みＳ_ｂとの積である。

この弾性定数Ｃ_ａｂは、一般的に知られているシリコンの弾性定数のテンソルに対し、それぞれ３つのオイラー角に対応した回転処理をした後の弾性定数である。

この座標変換の方法により、各結晶方位における弾性定数を導くことができる。ただし、単結晶の結晶方位を回転操作により回転させた場合、式（１）で表される弾性定数は変化する。

以下において、第１の実施形態及び比較例の弾性波装置につき説明する。

第１の実施形態の弾性波装置において、シリコン単結晶からなる材料層２上に、カット角６６°Ｙのタンタル酸リチウムからなる厚み０．３λの圧電体３を積層した。この圧電体３上に、Ａｌからなる、厚み０．０８λのＩＤＴ電極４を設けた。ＩＤＴ電極４の電極指ピッチで定まる波長は１．０μｍとした。

上記タンタル酸リチウムからなる圧電体３は、カット角＝６６°であり、オイラー角は（０°，１５６°，０°）となる。この場合の圧電体３の弾性定数は、下記の表１に示す通りである。ここで、Ｃ_１１〜Ｃ_６６の絶対値が１．０×１０^９［Ｐａ］以下のものについては、値が小さく影響度も小さいため０［Ｐａ］と表記した。表１で有効数字は2桁とした。

表１に示すように、タンタル酸リチウムからなる圧電体３では、弾性定数Ｃ_５６は、−８．４×１０^９［Ｐａ］であり、負の値となっている。

ところで、前述したように、材料層２の弾性定数Ｃ_１１〜Ｃ_６６は、結晶方位を回転させることにより変化させることができる。すなわち、シリコンの伝搬方位ψや、φ、θを変化させることにより、弾性定数Ｃ_１１〜Ｃ_６６の値を変化させることができる。また、シリコン以外の材料を選択してもＣ_１１〜Ｃ_６６の値を変化させることができる。他材料においても方位により値は変わる。

例えば、シリコン単結晶の結晶方位が、（−４５°，−５４．７°，２５°）の場合、Ｃ_１１〜Ｃ_６６は、下記の表２に示す通りとなる。

他方、シリコン単結晶の結晶方位が、（−４５°，−５４．７°，０°）の場合の弾性定数Ｃ_１１〜Ｃ_６６は、下記の表３に示す通りである。

表２と表３とを対比すれば明らかなように、シリコンの伝搬方位ψを変化させることにより、弾性定数Ｃ_１１〜Ｃ_６６の値を変化させることができる。

表２及び表３に示すように、いずれの結晶方位の場合も、Ｃ_５６は負の値となっている。従って、表２及び表３に示す結晶方位の場合、シリコンの弾性定数Ｃ_５６と、表１に示す圧電体３のＣ_５６とは、正負について同符号である。また、表２のＣ_５６の絶対値は圧電体のものよりも小さく、表３の場合は圧電体の値よりも大きい。

上記弾性波装置１において、シリコン単結晶の結晶方位を、（−４５°，−５４．７°，０°）の場合の弾性定数を基準にし、シリコン単結晶の結晶方位を変化させた。それによって、Ｃ_５６の値を、マイナス側において絶対値を大きくするように変化させた。このように変化させた場合の高次モードの位相特性を図４に示す。

図４の細い実線は、Ｃ_５６＝０ＧＰａ、一点鎖線は、Ｃ_５６＝−１１．２ＧＰａ、破線が、Ｃ_５６＝−２８ＧＰａ、太い実線が、Ｃ_５６＝−３５ＧＰａの場合の位相特性を示す。

図４から明らかなように、Ｃ_５６の絶対値が大きくなるについて、５１００〜５２００ＭＨｚ付近に現れている高次モードの位相最大値が小さくなっていくことがわかる。

次に、本願発明者は、シリコン単結晶の弾性定数Ｃ_５６を、さらに広い範囲で変化させ、弾性波装置の高次モードの位相最大値の変化を調べた。

図６は、弾性定数Ｃ_５６と、高次モードの位相最大値との関係を示す図である。図６から明らかなように、Ｃ_５６の絶対値が大きくなるにつれ、高次モードの位相最大値が小さくなっていくことがわかる。もっとも、高次モードの位相最大値Ｃ_５６の絶対値が８．４ＧＰａよりも小さい場合、高次モードの応答の抑制効果が見られない。従って、弾性定数Ｃ_５６の絶対値は、８．４ＧＰａ以上であることが望ましい。なお、この絶対値が８．４ＧＰａ以上である旨の限界は、上記結晶方位のタンタル酸リチウムからなる圧電体３と、シリコン単結晶を用いた場合の下限値である。他の結晶方位の圧電体を用いた場合には、この下限値は異なってくる。

他方、図７は、シリコン単結晶の弾性定数Ｃ_５６を変化させた場合のメインモードの位相最大値の変化を示す図である。図７から明らかなように、Ｃ_５６の絶対値が２８ＧＰａ以下であれば、メインモードの位相最大値は９０°である。よって、良好な特性を維持することができる。従って、本実施形態では、シリコン単結晶のＣ_５６＝Ｃ_６５の絶対値は、８．４ＧＰａ以上、２８ＧＰａ以下の範囲とすることが望ましい。

上記のように、弾性波装置１において、高次モードの応答を抑制し得るのは、弾性定数Ｃ_５６＝Ｃ_６５について、圧電体３と材料層２とで正負が同符号であり、かつ圧電体３のＣ_５６＝Ｃ_６５の絶対値よりも、材料層２のＣ_５６＝Ｃ_６５の絶対値の方が大きいためである。この場合、材料層２が圧電体３よりも固くなり、圧電体３を励振した場合、高次モードにより材料層２が変形し難くなるためであると考えられる。そして、本願発明では、このような高次モードの抑制が、上記圧電体３と材料層２との弾性定数のうち、Ｃ_５６＝Ｃ_６５の値を調整することにより果たされている。

従って、電極構造や他の設計パラメータを、良好なメインモードの特性を得るように設計し、上記弾性定数の調整によって、高次モードの応答を効果的に抑制することができる。

なお、弾性定数Ｃ_１１〜Ｃ_６６のうち、弾性定数Ｃ_５６＝Ｃ_６５を調整しているのは、以下の理由による。

表２及び表３を対比すれば明らかなように、シリコン単結晶の結晶方位を変化させた場合、Ｃ_５６＝Ｃ_６５の絶対値が大きく変化することがわかる。従って、弾性定数Ｃ_１１〜Ｃ_６６のうち、弾性定数Ｃ_５６及びこれと対称な位置にあるＣ_６５を調整することにより、上記のように、高次モードの位相最大値を効果的に抑制することができる。

図８の横軸は圧電体の膜厚すなわちタンタル酸リチウムの波長規格化膜厚であり、縦軸は高次モード位相差（°）である。ここで、高次モード位相差とは、シリコン単結晶のオイラー角が（−４５°，−５４．７°，０°）の場合の高次モード位相差最大値と、（−４５°，−５４．７°，１８０°）である場合の高次モード位相差最大値との差を示す。この高次モード位相差が大きいほど、高次モードによる応答は抑制されることになったことを意味する。すなわち、高次モード位相差が大きいほど、高次モード強度の改善度が大きい。

図８から明らかなように、圧電体の膜厚が薄い方が高次モード強度の改善度が高い。これは、圧電体が薄いと、シリコン単結晶からなる材料層内へより多くのエネルギーが分布し、高次モードの応答の抑制効果が高まるためと考えられる。

また、図８によれば、高次モード抑制効果は、圧電体の膜厚が、１０λ以下の領域で効果的であることがわかる。従って、好ましくは、圧電体の膜厚は、１０λ以下であることが望ましい。

前述したように、弾性波装置１では、材料層２のＣ_５６＝Ｃ_６５の絶対値は、８．４ＧＰａ以上が好ましい。これは、圧電体３が、（０°，１５６°，０°）の結晶方位を有し、表１に示した弾性定数Ｃ_１１〜Ｃ_６６を有することによる。従って、圧電体３を構成する圧電単結晶の結晶方位が異なっていたり、他の圧電単結晶を用いた場合、弾性定数Ｃ_５６＝Ｃ_６５の絶対値の好ましい下限は異なってくる。すなわち、圧電体３のＣ_５６＝Ｃ_６５の絶対値よりも材料層２のＣ_５６＝Ｃ_６５の絶対値の方が大きければよい。それによって、高次モードの応答を効果的に抑制することができる。従って、Ｃ_５６＝Ｃ_６５の絶対値が８．４ＧＰａ以上であることは、本発明において必須ではない。

また、上記実施形態では、材料層２は、シリコン単結晶からなったが、他の単結晶材料を用いても同様の効果が得られる。加えて、単結晶に限らず、弾性定数が式（１）で表される材料からなる材料層２であれば、同様の効果が得られる。

もっとも、材料層２は単結晶からなることが好ましく、圧電体以外の単結晶からなることがより好ましい。圧電体の場合には、圧電効果を発現するため、新たな高次モードが生じるおそれがある。これに対して、圧電体以外の単結晶からなる材料層を用いることにより、このようなさらなる高次モードの影響を受け難い。

また、上記実施形態では、タンタル酸リチウムを用いたが、圧電体を構成する圧電単結晶についてもこれらに限定されるものではない。

また、上記実施形態では、圧電体と材料層を直接積層していたが、間に低音速膜を配置してもよい。その場合、弾性波デバイスのエネルギー集中度を高めることができ、低ロスであるデバイス特性を得ることが可能となる。

また、好ましくは、低音速膜は酸化ケイ素からなる。この場合、デバイスの温度特性を改善することが可能となる。

図１０は、第１の実施形態の変形例に係る弾性波装置の正面断面図である。図１０に示す弾性波装置５１では、材料層２の圧電体３と接触している側の面とは反対側の面に支持基板５２が積層されている。このように、材料層２を支持している支持基板５２がさらに備えられていてもよい。支持基板５２を構成する材料としては、特に限定されず、アルミナ、シリコンなどの適宜の絶縁性セラミックスや、金属などを用いることができる。

図１１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。弾性波装置６１では、材料層２と、圧電体３との間に低音速膜６２が積層されている。低音速膜６２は、伝搬するバルク波の音速が、圧電体３を伝搬する弾性波の音速よりも低い低音速材料からなる。低音速膜６２は、好ましくは酸化ケイ素からなる。弾性波装置６１のその他の構造は、弾性波装置１と同様である。

図１２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。弾性波装置６３では、低音速膜６２と、材料層２との間に高音速膜６４が設けられている。高音速膜６４は、伝搬するバルク波の音速が、圧電体３を伝搬する弾性波の音速よりも高い高音速材料からなる。高音速膜６４は、好ましくは窒化ケイ素、酸化アルミニウムまたはＤＬＣなどからなる。弾性波装置６１のその他の構造は、弾性波装置１と同様である。

（圧電体の厚み及び酸化ケイ素膜の厚み）
タンタル酸リチウム膜からなる圧電体の膜厚は、３．５λ以下が好ましい。その場合には、３．５λを超えた場合に比べて、Ｑ値が高くなる。より好ましくは、Ｑ値をより高めるには、タンタル酸リチウム膜の膜厚は、２．５λ以下であることが望ましい。

また、圧電体の膜厚が、２．５λ以下の場合、周波数温度係数ＴＣＦの絶対値を、上記膜厚が２．５λを超えた場合に比べて小さくすることができる。より好ましくは、膜厚を２λ以下とすることが望ましく、その場合には、周波数温度係数ＴＣＦの絶対値を、１０ｐｐｍ／℃以下とし得る。周波数温度係数ＴＣＦの絶対値を小さくするには、圧電体の膜厚を１．５λ以下とすることがさらに好ましい。

電気機械結合係数及び比帯域の調整範囲を広げるためには、タンタル酸リチウム膜の膜厚は、０．０５λ以上、０．５λ以下の範囲が望ましい。

また、酸化ケイ素膜の圧電体とは反対側の面に高音速膜として、さまざまな高音速材料からなる膜を積層することができる。この場合の高音速膜としては、窒化ケイ素膜、酸化アルミニウム膜またはＤＬＣ膜などを用いることができる。

なお、この場合、高音速膜の材質及び酸化ケイ素膜の膜厚を変更したとしても、電気機械結合係数及び音速がほとんど変化しないことが確かめられている。特に、酸化ケイ素膜の膜厚が、０．１λ以上、０．５λ以下では、高音速膜の材質の如何に関わらず、電気機械結合係数はほとんど変わらない。また、酸化ケイ素膜の膜厚が、０．３λ以上、２λ以下であれば、高音速膜の材質の如何に関わらず、音速が変わらない。従って、好ましくは、酸化ケイ素からなる低音速膜の膜厚は、２λ以下、より望ましくは０．５λ以下であることが好ましい。

上記実施形態の弾性装置は、高周波フロントエンド回路のデュプレクサなどの部品として用いることができる。このような高周波フロントエンド回路の例を下記において説明する。

図１３は、高周波フロントエンド回路を有する通信装置の概略構成図である。通信装置２４０は、アンテナ２０２と、高周波フロントエンド回路２３０と、ＲＦ信号処理回路２０３とを有する。高周波フロントエンド回路２３０は、アンテナ２０２に接続される回路部分である。高周波フロントエンド回路２３０は、マルチプレクサ２１０と、増幅器２２１〜２２４とを有する。マルチプレクサ２１０は、第１〜第４のフィルタ２１１〜２１４を有する。この第１〜第４のフィルタ２１１〜２１４に、上述した本発明の弾性波装置を用いることができる。マルチプレクサ２１０は、アンテナ２０２に接続されるアンテナ共通端子２２５を有する。アンテナ共通端子２２５に受信フィルタとしての第１〜第３のフィルタ２１１〜２１３の一端と、送信フィルタとしての第４のフィルタ２１４の一端とが共通接続されている。第１〜第３のフィルタ２１１〜２１３の出力端が、増幅器２２１〜２２３にそれぞれ接続されている。また、第４のフィルタ２１４の入力端に、増幅器２２４が接続されている。

増幅器２２１〜２２３の出力端がＲＦ信号処理回路２０３に接続されている。増幅器２２４の入力端がＲＦ信号処理回路２０３に接続されている。

以上、本発明の実施形態に係る弾性波装置、高周波フロントエンド回路及び通信装置について実施形態を説明したが、上記実施形態における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施形態や、上記実施形態に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本発明に係る高周波フロントエンド回路及び通信装置を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。

例えば、上記説明では、弾性波共振子を含む装置としては、フィルタであってもよいとしたが、本発明は、例えば、３つのフィルタのアンテナ端子が共通化されたトリプレクサや、６つのフィルタのアンテナ端子が共通化されたヘキサプレクサなどのマルチプレクサについても適用することができる。

さらには、マルチプレクサは、送信フィルタ及び受信フィルタの双方を備える構成に限らず、送信フィルタのみ、または、受信フィルタのみを備える構成であってもかまわない。

本発明の弾性波装置は、フィルタ、マルチバンドシステムに適用できるマルチプレクサ、フロントエンド回路及び通信装置として、携帯電話などの通信機器に広く利用できる。

１…弾性波装置
２…材料層
３…圧電体
３ａ，３ｂ…第１，第２の主面
４…ＩＤＴ電極
５，６…反射器
５１，６１，６３…弾性波装置
５２…支持基板
６２…低音速膜
６４…高音速膜
２０２…アンテナ
２０３…ＲＦ信号処理回路
２１０…マルチプレクサ
２１１〜２１４…第１〜第４のフィルタ
２２１〜２２４…増幅器
２２５…アンテナ共通端子
２３０…高周波フロントエンド回路
２４０…通信装置

Claims (18)

1. オイラー角（φ_１，θ_１，ψ_１）を有し、前記オイラー角（φ_１，θ_１，ψ_１）における弾性定数が下記の式（１）で表される材料層と、
   対向し合う第１及び第２の主面を有し、前記第２の主面側から前記材料層に直接または間接に積層されており、オイラー角（φ_２，θ_２，ψ_２）を有し、前記オイラー角（φ_２，θ_２，ψ_２）における弾性定数が下記の式（１）で表される圧電体と、
   前記圧電体の前記第１の主面及び前記第２の主面のうちの少なくとも一方に設けられており、電極指ピッチで定まる波長がλであるＩＤＴ電極と、
   を備え、
   前記圧電体のＣ_５６と前記材料層のＣ_５６の積が正の値であり、かつ、
   前記圧電体のＣ_５６の絶対値よりも前記材料層のＣ_５６の絶対値の方が大きい、弾性波装置。
   

   
2. 前記ＩＤＴ電極により励振される高次モードの少なくとも一部が、前記材料層と前記圧電体の両方を伝搬する、請求項１に記載の弾性波装置。
3. 前記材料層が、前記圧電体を伝搬する弾性波の音速よりも、バルク波の音速が高速となる高音速材料である、請求項１又は２に記載の弾性波装置。
4. 前記圧電体の厚みが１０λ以下である、請求項１又は２に記載の弾性波装置。
5. 前記材料層のＣ_５６の絶対値が８．４ＧＰａ以上である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の弾性波装置。
6. 前記材料層のＣ_５６の絶対値が２８ＧＰａ以下である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の弾性波装置。
7. 前記材料層が単結晶からなる、請求項１〜６のいずれか１項に記載の弾性波装置。
8. 前記材料層を構成している前記単結晶が、圧電体以外の単結晶からなる、請求項７に記載の弾性波装置。
9. 前記圧電体の厚みが、３．５λ以下である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の弾性波装置
10. 前記材料層と、前記圧電体との間に設けられており、伝搬するバルク波の音速が、前記圧電体を伝搬する弾性波の音速よりも低速である低音速膜をさらに備える、請求項１〜９のいずれか１項に記載の弾性波装置。
11. 前記低音速膜が酸化ケイ素膜である、請求項１０に記載の弾性波装置。
12. 前記低音速膜の厚みが、２λ以下である、請求項１１に記載の弾性波装置。
13. 前記材料層を構成している前記単結晶が、シリコンからなる、請求項７又は８に記載の弾性波装置。
14. 前記圧電体が、タンタル酸リチウムからなる、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の弾性波装置。
15. 前記低音速膜と、前記材料層との間に積層されており、伝搬するバルク波の音速が、前記圧電体を伝搬する弾性波の音速よりも高速である、高音速膜をさらに備える、請求項１１〜１２のいずれか１項に記載の弾性波装置。
16. 前記材料層が、支持基板である、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の弾性波装置。
17. 前記材料層が、伝搬するバルク波の音速が、前記圧電体を伝搬する弾性波の音速よりも高速である、高音速材料からなる支持基板である、請求項１６に記載の弾性波装置。
18. 前記材料層において前記圧電体が積層されている側の主面とは反対側の主面に積層されている支持基板をさらに備える、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の弾性波装置。

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