JPH03101280A - 分極反転層を有するLiTaO↓3基板及びこれを用いたデバイス - Google Patents

分極反転層を有するLiTaO↓3基板及びこれを用いたデバイス

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JPH03101280A
JPH03101280A JP1239067A JP23906789A JPH03101280A JP H03101280 A JPH03101280 A JP H03101280A JP 1239067 A JP1239067 A JP 1239067A JP 23906789 A JP23906789 A JP 23906789A JP H03101280 A JPH03101280 A JP H03101280A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は所定の厚さの分極反転層を一生表面に形成する
ことによって該主表面を伝搬するSHタイプ弾性表面波
についての温度特性、伝搬減衰特性を向上せしめたLi
TaO5基板及びこれを利用したデバイスに関する。
(従来技術) 従来から本願発明者等はLi’l’aO畠、LiNbO
5基板表面に対し熱処理を施すことによシ或はプロトン
交換を行った後熱処理を行うことにより基板表面に分極
反転層を形成する方法及び斯る分極反転層を有する圧電
基板の特性、工業上の利用法について研究した結果を開
示して来た(%願昭61−197905 、同61−2
05506、同61−205508及び同62−160
792参照)。
−万9通常のLi1acs 35度回転Y板に於いては
、結晶のX軸方向に伝搬するSHタイプ弾性表面波の遅
延時間温度係数TCDは基板表面が自由表面の場合には
45ppm/”Cで良好とはいえないが短絡表面〔例え
ばインタディジタル・トランスジユーサ(IDT)電極
の如き導電物質を密に付着した表面〕の場合にはTCD
は32ppm/’Cと若干良好となる為、上記の基板は
SAW共振子等に利用されている。
上述した如き短、&表面を有するLiTaO5回転Y板
のSHタイプ弾性表面波に対する温度特性が自由表面の
場合のそれに比して向上する理由を検討するに、SHタ
イプ弾性表面波に対する圧電基板の実効弾性定数Cは、
基板表面を短絡した場合には電束密度りが一定の場合の
X軸方向伝搬の速い横波に対応する弾性定数Cよシも電
界強度Eが一定の場合のそれCに近い値と々る為である
と考えられるが、Cの温度係数の方がCのそれよシも小
さいという性質があるので1表面を短絡した圧電基板の
SHタイプ表面波に対する温度特性は自由表面のそれよ
シ良好になる解釈されている。
ところで前述した分極反転層を有するLiTaO3基板
はその極性が反転する反転分域墳界で一種の電界短絡効
果を有すると考えられるから。
斯ろ分極反転層を有するLiTaO5基板の温度特性は
通常のそれに比し良好な温度特性を有する可能性がある
(発明の目的) 本発明は上述した如き従来本願発明者等が研究を続けて
きた分極反転層を有するLiTaO5基板に於ける温度
特性改善の可能性を追求しその条件を見出し、それを弾
性表面波デバイスに利用せんとするものである。
(発明の概要) 数値解析の結果1回転角30度乃至40度のLiTaO
8回転Y板についてkh(kは励起する波長λなるSH
タイプ弾性表面波の波数、即ち2π/λ、hは分極反転
層の厚さ)が1.0乃至6゜0の範囲が良好な温度特性
を有し更にこの範囲で波動エネルギの伝搬減衰を極めて
小さくなし得ることが判明すると共に、これは電気機械
結合係数もある穆度大きな値を示す領域であることが明
らかとなったので、斯る条件の基板を各種表面波デバイ
スに利用せんとするものである。
(実施例) 以下本発明をその理論解析による最適条件導出の過程説
明と上記最適条件の下での基板を用いたデバイスの実施
例とに基づいて詳細に説明する。
■ 温度特性の解析 本発明の主wp、たる分極反転層を有するLi1acs
 基板を伝搬するSHタイプ弾性表面波(Leaky板
)に対する温度特性及び伝搬減衰特性の解析について説
明する。
(al  LiTaO5の基準温度25℃に於ける材料
定数(弾性定数、圧電定数、誘電率、線膨張係数)及び
その温度係数の値としてけスミス(Smith)等の示
し念それを用いる。
(b)  温度による材料定数Xの変化は3次以上の項
は無視して。
arlはn次の温度係数、ΔTは25℃からの温度変化
    ・・・・・・・・・・・・(1)で与える。
(C)  弾性表面波についての遅延時間温度係数TC
DVi。
TCD =ar/raT=alllJaT−θulu&
7”=η−7’CV τは遅延時間、lは伝搬方向の長き、υは波の位相速度
、ηは線膨張係数、revは位相速度の温度係数   
・・・・・・・・・(2)(d)  伝搬方向(X軸方
向)のηは一偉 11=alllaT=(fx=1.61X10    
  =(3)(LiTaO3のX軸方向の線膨張係数)
(r)  7’CV=ΔU/υ□ΔT  ・・・・・・
・・・(4)(2) ここで25℃を中心とする2つの
温度T1℃と12℃での位相速度をυ7□、υTilと
すると、TCDは上記(2) 、 (3)式及び(4)
式よシTCD=1.61X10−@−(1/υ!5)(
(”r!−〇〇□)/(T、−T1) )  ・・・・
・・・・・(5)と表わすことができるから、これよf
i ’l’cDを求めることができる。
次に前記(5)式に於けるυ7の値を数値解析によって
求める方法について説明する。
(h)  第3図を勘案して運動万福式と電荷方程式は
以下の如く表わされる。
Uは変位、φは電位、Cは弾性定数、ef’!圧電定数
、εは誘電率 CIの如き表示は座標変換後の値である
ことを示す ・・・・・・・・・ (6) (i)  さて第3図に於いて回転Y板上を#1方向に
伝搬する弾性表面波を与える方程式(6)の−般解は領
域Aに於いて以下の如く表わすことができる。
(χ、20つ・・・・・・・・・ (7)−万B領域(
分極反転層内)に於いては表面からχ8方向に減衰する
波と、境界から−7,方向に減衰する波があるので一般
解は以下の如く表わされる。
[3,、=Σ(βt nA ’neX p (−αnk
χ3)+β*s、、Att。
rwt exp(αn”t))・exp(jk(υt−a−jδ
)χ、)〕φ8=全(β” 4nA’neXp(−αn
kχ2)+β” anA”n expデ1 (αnkχ、))・exp(jk(υt−(1−jδ)
χ1)〕(0〉χ、>−h)  ・・・・・・・・・ 
(8)但しく7) 、 (8)式に於いてυは伝搬する
波の位相速度、には波数2π/λ、δには伝搬方向の減
衰穴V、αには深さ方向(χ2方向)の減衰定数である
。又、βjn、β”in 、βinはα。に対応して求
まる値であh,An、A’。* An tJ:未定々数
である。
(j)  基板表面(χ、=−h )と分極反転の境界
χ8=0に於ける機械的、電気的境界条件は。
変位  χ2−ox2=h 変位   UAi刊□ 応力   (F−)A=(F2−)B(F、j)B−。
2J      J 電位   φI→8      φB−0(短絡表面の
場合)を束密度 (D、)A=(D、)B(D2)B=
(D2)。
と与えらゎう。          (自由表面の場合
)但L 、応力F! j =” !jkJθU、/θχ
ρ+0°に!jaφ/ali。
電束密度D! = egMaUk/az!’ thaφ
/aχにである。   ・・・・・・・・・(9)(k
l  そこで(9)式に(7)式及び(8)式を代入す
ると次の12元同次連立方糧式が得られる。
方程式(ト)が解を有する為には係数行列の行列式IM
IがOでなければならないのでこれを満足するようなり
とaを解けはよいが、近似的にはIM+  が最小とな
るυ及びδを求めることによって解が得られる。
斯くすることによって温度T1.T、及び25tK於け
る位相速度υを求めれば前記(5)式によシ遅延時間温
度係数TCDが求められるが。
波動の位相速度υは又分極反転層の厚さhと伝搬定数に
との積khの関数でもあるからTCDもkhの関数、即
ちTCD=f(kh)  として数値解析によシ求める
ことができる。同時に波動の伝搬減衰もkhの関数とし
て求め得ることは云5までもない。
面 数値解析の結果 (a)  上述した如き手法を用いて数値解析を行い分
極反転層を有するLiTaO8基板に於ける反転層の厚
さと遅延時間係数TCDとの関係を調べ九ところ第1図
に示す如き結果を得た。
これは35°回転Y板についての結果であるが。
回転角σが30度乃至40度の間ではTCDのkh依存
性は殆んど変化がなく、第1図と実質的に同様であるこ
とも確認された。
即ち、 Li’l’aO−の30°乃至40’回転Y板
表面に厚さhの分極反転層を形成しkhの値を1.0乃
至6.0の間の適当な値に選ぶことによシ、従来一般の
分極反転層を設けないLiTa0一基板のTDCが表面
短絡の場合32 p pm/℃程度であったものが最小
14ppm/”C程度まで大幅に向上することが理解さ
れよう。
(b)  又、第2図(a)及び(b)は伝搬する表面
波のバルク波放射に基づく伝搬減衰のkh依存性を調べ
た結果を示す図であって、圧電デバイスとしての利用価
値がある短絡表面についてkhが1.0乃至6.0の間
に伝搬減衰が実質上塔。
即ち完全な表面波となる領域の存在することが判る。
(C)  −万1本願発明者等は既に分極反転層を有す
るLiTaO5基板を伝搬するSHタイプ弾性表面波に
ついての電気機械結合係数に!のkh依存性について解
析しており 、 Klはkhが0、7付近で零となh,
khが増大するとに2も再び増大することを見い出して
いる。
この結果を併せ勘案するにkhの値を1.0乃至6、O
の間の適当な値に選べばK”、’]’CD及び伝搬減衰
のいずれをも同時に満足することが可能であろう。
釦 圧電デバイスへの応用 以上■、圓の結果を勘案するに回転カット角63度乃至
35度のLiTaO5基板表面にkhが1.5乃至3.
5の適当な深さに分極反転層を形成すれば、従来VTR
用共振子等に用いられてい九Xカット112度Y方向伝
搬のLiTaO5基板を用いたものよシ温度特性、電気
機械結合係数共に良好な小型の共振子を得ることができ
る。
因みにカット角35度回転YのLiTaO5基板の電気
機械結合係数に!が最高の値を示すkh値は本願発明者
による従前の解析によれば概ね3であシその際のに!値
は4チ根度であってkh値1.0乃至6.0の範囲では
に3が著しく劣化するわけでもないことに注目されたい
又1本発明に係るLiTaO5基板はその温度特性及び
に8 の値を勘案するに中帯域幅の共振子及びフィルタ
への応用が最適であろう。
更に、温度特性にや\不満はある、゛ものの遅延線に用
いてもよい。この場合には波の送受用IDTの間の伝搬
路表面には全面メタライズ膜を施こすのがよい。
(発明の効果) 本発明は以上説明し次如き条件をLiTa0a基板に付
与することによってその温度特性を従来のそれよシも大
幅に向上せしめたものであるからe LiTa0aを利
用した表面波共振器或はフィルタ等のデバイスの温度特
性を改善する上で著しい効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係るLiTaO5基板に於ける温度特
性と分極反転層の深さとの関係を示す図。 第2図(a)及び(b)は夫々励起した波動の伝搬減衰
と分極反転層の深さとの関係を示す図であシ。 前者は自由表面について、後者は短絡表面についての図
、第3図は本発明をなすに至った理論解析の基礎となる
LiTaO5基板の諸パラメータを示す図である。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1) 一主表面に分極反転層を形成したカット角30
    度乃至40度LiTaO_8回転Y板に於いて,前記分
    極反転層の深さをh,前記分極反転層表面を伝搬するS
    Hタイプ弾性表面波の波数をk(=2π/λ,λは波長
    )とした場合,khの値が1.0乃至6.0となるよう
    前記hの値を選ぶことによって電気機械結合係数を大な
    る値に保ちつつ遅延時間温度係数及び励起した波動の伝
    搬減衰を小ならしめたことを特徴とする分極反転層を有
    するLiTaO_8基板。
  2. (2) 請求項(1)記載のLiTaO_8基板に於い
    て,その分極反転層表面にインタディジタル・トランス
    ジューサ(IDT)電極を形成することによってSHタ
    イプ弾性表面波の励起或は受信を行うようにしたことを
    特徴とする分極反転層を有するLiTaO_8基板を用
    いたデバイス。
  3. (3) SHタイプ弾性表面波の伝搬路であって,ID
    T電極前後の基板表面部分を全面メタライズすることに
    よって該部に於ける遅延時間温度係数を一層小ならしめ
    たことを特徴とする請求項(2)記載の分極反転層を有
    するLiTaO_8基板を用いたデバイス。
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