(57)【要約】【課題】印加電圧により比誘電率が変化する誘電体層を用い、かつ圧電共振部品やチューナブルフィルタなどの圧電基板の小型化を図り得る可変容量素子を提供する。【解決手段】圧電基板２と、前記圧電基板２上に形成されており、配向性を有するバッファ層３と、前記バッファ層３上に形成されており、印加電圧により比誘電率が変化する誘電体層４と、前記誘電体層４に電界を印加し得るように設けられた第１の電極および第２の電極とを備える、可変容量素子１。【選択図】図１
2015008509.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電基板と、
前記圧電基板上に形成されており、配向性を有するバッファ層と、
前記バッファ層上に形成されており、印加電圧により比誘電率が変化する誘電体層と、
前記誘電体層に電界を印加し得るように設けられた第１の電極および第２の電極とを備える可変容量素子と、
前記可変容量素子が形成された前記圧電基板に形成されており、入力端子と出力端子とに接続された、圧電共振デバイスを備える共振子回路部とを備え、
前記共振子回路部に前記可変容量素子とが接続されている、チューナブルフィルタ。  
【請求項２】
前記バッファ層が、エピタキシャル膜からなる、請求項１に記載のチューナブルフィルタ。
【請求項３】
前記誘電体層を構成している材料が、ＢａＳｒＴｉＯ３である、請求項１または２に記載のチューナブルフィルタ。
【請求項４】
前記誘電体層に、Ｎ、Ｇｄ、Ｃａ、Ｚｒ、Ｈｆ及びＧｅからなる群から選ばれた少なくとも１種類の材料がドープされている、請求項３に記載のチューナブルフィルタ。
【請求項５】
前記圧電共振デバイスを複数備え、該複数の圧電共振デバイスによりラダー型回路が構成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載のチューナブルフィルタ。
【請求項６】
前記共振子回路部が、入力端子と出力端子とを接続する直列腕及び直列腕とグラウンド電位との間を接続している並列腕とを備えるラダー型回路構成を有し、前記直列腕及び並列腕に、少なくとも１つ以上の圧電共振子を有する、請求項５に記載のチューナブルフィルタ。
【請求項７】
前記チューナブルフィルタの、前記可変容量素子に直列に、直流信号カット用の容量素子が挿入されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載のチューナブルフィルタ。
【請求項８】
前記チューナブルフィルタの、前記可変容量素子とグラウンド間、または前記可変量素子と直流電源間に、高周波信号カット用の抵抗もしくはインダクタが接続されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載のチューナブルフィルタ。
【請求項９】
前記圧電共振デバイスが、ＳＡＷデバイス、ＢＡＷデバイスまたはラム波デバイスである、請求項１〜８のいずれか１項に記載のチューナブルフィルタ。
【請求項１０】
前記圧電共振デバイスが、横波が主成分のＳＡＷデバイスである、請求項９に記載のチューナブルフィルタ。
【請求項１１】
前記可変容量素子を形成した圧電基板が、回転ＹカットＬｉＴａＯ３または回転ＹカットＬｉＮｂＯ３であり、かつ、回転角が９０°±３０°である、請求項１０に記載のチューナブルフィルタ。
【請求項１２】
前記圧電共振デバイスが、厚みすべり振動モードが主成分となるＢＡＷデバイスである、請求項１１に記載のチューナブルフィルタ。
【請求項１３】
前記圧電共振デバイスが、横波型振動モードを主成分とするラム波デバイスである、請求項１１に記載のチューナブルフィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、印加電圧により比誘電率が変化する誘電体層を用いた可変容量素子に関し、より詳細には、該誘電体膜を用い、かつ圧電基板上に構成されている可変容量素子及び該可変容量素子を用いたチューナブルフィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、電子部品には、容量を変えることが可能な、可変容量素子が広く用いられている。このような可変容量素子として、例えば特許文献１には、セラミック基板上に誘電体層としてチタン酸バリウムストロンチウム膜を形成したものが開示されている。
【０００３】
一方、携帯電話などの移動体通信機器では、電子部品の小型化及び軽量化が強く求められている。このような要求を満たすために、圧電共振子や圧電フィルタなどの圧電装置が広く用いられている。
【０００４】
下記の特許文献２には、この種の圧電装置の一例として図１９に示す圧電フィルタが開示されている。圧電フィルタ１００１は、直列圧電共振器１００２と、並列圧電共振器１００３，１００４とを有する。並列圧電共振器１００３とグラウンド電位との間にインダクタ１００５が接続されている。また、並列圧電共振器１００４とグラウンド電位との間にインダクタ１００６が接続されている。そして、並列圧電共振器１００３とインダクタ１００５との間の接続点と、並列圧電共振器１００４とインダクタ１００６との間の接続点との間にバイパス圧電共振器１００７が接続されている。バイパス圧電共振器１００７に並列に可変コンデンサ１００８が接続されている。
【０００５】
図２０は、圧電フィルタ１００１の模式的平面図であり、図２１は、図２０のＡ−Ａ線に沿う部分の模式的断面図である。圧電フィルタ１００１は、シリコンまたはガラス基板などからなる基板１００９を用いて構成されている。直列圧電共振器１００２、並列圧電共振器１００３及び１００４は、基板１００９上に設けられた圧電薄膜共振器により構成されている。例えば、図２１に示すように直列圧電共振器１００２及びバイパス圧電共振器１００７は、基板１００９に設けられたキャビティ１００９ａ，１００９ｂ上に圧電薄膜共振器として構成されている。
【０００６】
他方、フィルタ特性を調整するための可変コンデンサ１００８は、基板１００９上に設けられた絶縁体層１０１０に下部電極１０１１、誘電体層１０１２及び上部電極１０１３をこの順序で積層することにより構成されている。特許文献１では、誘電体層１０１２は、バリウムストロンチウムチタネート（ＢａｘＳｒ１−ｘＴｉＯ３）などからなる旨が示されている。
【０００７】
なお、上記絶縁体層１０１０は、二酸化珪素、窒化珪素などからなり、下部電極１０１１は、圧電薄膜共振子の下部電極と同じ材料、例えばＭｏ、Ａｌ、Ａｇ、ＷまたはＰｔなどからなる旨が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−２６０６６７号公報
【特許文献２】特開２００８−５４０４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１では、セラミック基板上にチタン酸バリウムストロンチウムを誘電体層とした可変容量素子形成できるため、小型で容量変化の大きな素子が得られるとされている。
【００１０】
しかし、チタン酸バリウムストロンチウムの誘電体層はアルミナなどのセラミック基板や半導体基板などの特定の基板上においてのみ良好に成膜可能であった。従って、例えば弾性表面波素子や弾性境界波素子、あるいはラム波デバイス用の圧電基板を用いた場合、この圧電基板上には、チタン酸バリウムストロンチウムから成る特性良好な誘電体層を有する可変容量素子を形成することができなかった。
【００１１】
また、ＢＳＴの成膜温度は８００℃〜９００℃と高い。そのため、キュリー温度が低い圧電材料からなる圧電基板上に形成した場合、圧電特性が劣化するおそれがあった。また、圧電基板の反りや割れ並びにＢＳＴ膜の剥がれが発生するという問題もあった。
【００１２】
特許文献２では、可変容量が、下部電極１０１１、強誘電体層１０１２及び上部電極１０１３の積層体により形成されているので、可変容量構成部分を小型化及び薄型化することが可能とされている。
【００１３】
ここで、特許文献１に開示されている可変容量素子を圧電装置に用いようとした場合、上述した通り圧電基板上に良好なＢＳＴ膜を形成できないため、特許文献２にも示されているように、ガラスやシリコン基板からなる基板１００９上において、圧電体層を形成して圧電薄膜共振子を構成し、さらに可変容量素子をそれぞれ構成しなければならなかった。
【００１４】
したがって、圧電装置を小型化することができなかった。また、圧電共振子と可変容量素子間に配線抵抗が発生し、寄生成分による特性劣化が起こり、得られる圧電装置の特性も十分なものではなかった。
【００１５】
なお、特許文献２の第４の実施形態の変形例では、圧電基板上に弾性表面波共振子及びバラクターダイオードからなる可変容量素子が構成されているチューナブルフィルタが開示されている。もっとも、この変形例では、可変容量素子はバラクターダイオードからなり、上記強誘電体層を用いた可変コンデンサではない。
【００１６】
本発明の目的は、印加電圧により比誘電率が変化する誘電体層を用いており、かつ圧電基板上に構成されている可変容量素子を提供することにある。本発明の他の目的は、圧電基板上に本発明の可変コンデンサと、圧電共振デバイスとが構成されている、小型化及び薄型化を図ることが可能なチューナブルフィルタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明に係る可変容量素子は、圧電基板と、前記圧電基板上に形成されており、配向性を有するバッファ層と、前記バッファ層上に形成されており、印加電圧により比誘電率が変化する誘電体層と、前記誘電体層に電界を印加し得るように設けられた第１の電極および第２の電極とを備える。
【００１８】
本発明に係る可変容量素子のある特定の局面では、前記バッファ層が、立方晶系の結晶構造を有し、かつ主として（１１１）面及び（１１１）面と等価な面が前記圧電基板表面に平行な方向に配向している、あるいは、三方晶系または六方晶系の結晶構造を有し、かつ主として（００１）面及び（００１）面と等価な面が前記圧電基板表面に平行な方向に配向している。この場合には、ｔａｎδすなわち誘電体損失が小さい可変容量素子を提供することができる。
【００１９】
本発明に係る可変容量素子の他の特定の局面では、前記バッファ層が、立方晶系の結晶構造を有し、かつ主として（１１１）面を除く（１１Ｘ）面および（１１Ｘ）面と等価な面、あるいは主として（１０Ｘ）面および（１０Ｘ）面と等価な面が前記圧電基板上に配向している、あるいは、三方晶系または六方晶系の結晶構造を有し、かつ主として（１１Ｘ）面もしくは（１０Ｘ）面または（１１Ｘ）面もしくは（１０Ｘ）面と等価な面が前記圧電基板上に配向している。この場合には、可変容量素子における誘電体層の比誘電率をより一層大きく変化させることができる。
【００２０】
なお、Ｘは整数である。
【００２１】
本発明に係る可変容量素子のさらに他の特定の局面では、前記バッファ層が、エピタキシャル膜からなる。この場合には、圧電基板の結晶方位を反映したバッファ層を形成することができる。
【００２２】
本発明に係る可変容量素子のさらに他の特定の局面では、前記立方晶系の結晶構造を有しているバッファ層が、Ｗ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｉｒ、ＳｒＲｕＯ３、ＲｕＯ２、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＴａＳｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＬａＮｉＯ３、ＳｒＩｒＯ３、ＬａＴｉＯ２Ｎ、及び（Ｌａ,Ｓｒ）ＴｉＯｘＮｙからなる群から選ばれた少なくとも１種類の材料、あるいは、前記三方晶系または六方晶系の結晶構造を有しているバッファ層が、Ｒｕ、ＴａＮ、ＴａＳｉＮ、ＴｉＡｌＮ及びＺｎＯからなる群から選ばれた少なくとも１種類の材料からなる。この場合には、低抵抗膜が実現可能なため、電極層を兼ねることができる。
【００２３】
本発明に係る可変容量素子のさらに他の特定の局面では、前記圧電基板が、ＬｉＮｂＯ３またはＬｉＴａＯ３からなる。この場合には、小型で低背かつ良好な特性を実現することができる。
【００２４】
本発明に係る可変容量素子のさらに他の特定の局面では、前記誘電体層を構成している材料が、ＢａＳｒＴｉＯ３である。この場合には、印加電圧により大きく静電容量が変化する可変容量素子を提供することができる。
【００２５】
本発明に係る可変容量素子のさらに他の特定の局面では、前記誘電体層に、Ｎ、Ｇｄ、Ｃａ、Ｚｒ、Ｈｆ及びＧｅからなる群から選ばれた少なくとも１種類の材料がドープされている。この場合には、これらの元素の内少なくとも１種をドープすることにより、可変容量幅を大きくすることができる。
【００２６】
本発明に係るチューナブルフィルタは、本発明に従って構成された可変容量素子が形成されている圧電基板に形成されており、入力端子と出力端子とに接続された圧電共振デバイスを備える共振子回路部と、該共振子回路部に接続された可変容量素子を備える。従って、小型であり、かつ薄型のチューナブルフィルタを提供することが可能となる。また圧電共振デバイスに隣接して良好な可変特性が得られる容量素子を配置可能であるので、共振デバイスと可変容量素子間の配線抵抗を小さくでき、また寄生成分による特性劣化を抑制することが可能となる。これにより良好なフィルタ特性が得られる。
【００２７】
本発明に係るチューナブルフィルタの他の特定の局面では、前記圧電共振デバイスを複数備え、該複数の圧電共振デバイスによりラダー型回路が構成されている。
【００２８】
本発明に係るチューナブルフィルタのさらに別の特定の局面では、前記共振子回路部が、入力端子と出力端子とを接続する直列腕及び直列腕とグラウンド電位との間の並列腕とを接続している並列腕とを備えるラダー型回路構成を有し、前記直列腕及び並列腕に、少なくとも１つ以上の圧電共振子を有する。
【００２９】
本発明に係るチューナブルフィルタのさらに他の特定の局面では、前記チューナブルフィルタの、前記可変容量素子に直列に、直流信号カット用の容量素子が挿入されている。
【００３０】
本発明に係るチューナブルフィルタのさらに他の特定の局面では、前記チューナブルフィルタの、前記可変容量素子とグラウンド間、または前記可変容量素子と直流電源間に、高周波信号カット用の抵抗もしくはインダクタが接続されている。
【００３１】
本発明に係るチューナブルフィルタにおいて、上記圧電共振デバイスは、ＳＡＷデバイスであってもよく、ＢＡＷデバイスであってもよく、あるいはラム波デバイスであってもよい。
【００３２】
本発明に係るチューナブルフィルタのさらに他の特定の局面では、前記圧電共振デバイスが、横波が主成分のＳＡＷデバイスである。
【００３３】
本発明に係るチューナブルフィルタのさらに別の特定の局面では、前記可変容量素子を形成した圧電基板が、回転ＹカットＬｉＴａＯ３または回転ＹカットＬｉＮｂＯ３であり、かつ、回転角が９０°±３０°である。この場合には、大きな電気機械結合係数が得られるため、チューナブルフィルタの周波数可変範幅を広くすることができる。
【００３４】
本発明に係るチューナブルフィルタのさらに他の特定の局面では、前記圧電共振デバイスが、厚みすべり振動モードが主成分となるＢＡＷデバイスである。この場合には、ＩＤＴ電極が不要なのでＳＡＷよりも耐電力性に優れたフィルタを実現できる。
【００３５】
本発明に係るチューナブルフィルタのさらに他の特定の局面では、前記圧電共振デバイスが、横波型振動モードを主成分とするラム波デバイスである。この場合には、弾性表面波よりも更に大きな電気機械結合係数が得られるため、より周波数可変幅を広くすることができる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明に係る可変容量素子では、圧電基板上に配向性を有するバッファ層を介して印加電圧により比誘電率が変化する誘電体層が形成されており、かつ第１及び第２の電極が該誘電体層に電界を印加し得るように設けられている。このため、比誘電率の可変範囲が大きな誘電体層を備える圧電基板上の可変容量素子を得ることができる。また、圧電共振子や圧電フィルタなどの圧電基板を用いた圧電装置に可変容量素子を組み合わせた構造の小型化及び薄型化、および特性の改善を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に係る可変容量素子を示す部分切欠正面断面図である。
【図２】図２（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係る可変容量素子を示す部分切欠正面断面図及びその電極構造を示す平面図である。
【図３】図３は、１５°ＹカットＬｉＮｂＯ３からなる圧電基板上にＰｔ（１１１）膜からなるバッファ層及びＢＳＴ膜を積層し、さらに第２の電極としてＰｔ膜を積層してなる実施例１の可変容量素子の比誘電率及びｔａｎδと印加電圧との関係を示す図である。
【図４】図４は、１５°ＹカットＬｉＮｂＯ３からなる圧電基板上にＰｔ（２００）膜からなるバッファ層及びＢＳＴ膜を積層し、さらに第２の電極としてＰｔ膜を積層してなる実施例２の可変容量素子の比誘電率及びｔａｎδと印加電圧との関係を示す図である。
【図５】図５は、１５°ＹカットＬｉＮｂＯ３からなる圧電基板上にＰｔ（１１１）からなるバッファ層及びＢＳＴ膜を積層した構造を有する実施例１のＸ線回折結果を示す図である。
【図６】図６は、実施例１の面方向を１５°傾けて、ＬｉＮｂＯ３のＹ面に合わせて測定したＸ線回折結果を示す図である。
【図７】図７は、実施例２の面方向を１５°傾けて、ＬｉＮｂＯ３のＹ面に合わせて測定したＸ線回折結果を示す図である。
【図８】図８は、−１°ＹカットＬｉＮｂＯ３からなる圧電基板上にＰｔ（１１１）膜からなるバッファ層及びＢＳＴ膜上に、第２の電極を形成してなる実施例３の可変容量素子の比誘電率及びｔａｎδと印加電圧との関係を示す図である。
【図９】図９は、−２７．５°ＹカットＬｉＮｂＯ３からなる圧電基板上にＰｔ（２００）膜からなるバッファ層及びＢＳＴ膜上に、第２の電極を形成してなる実施例４の可変容量素子の比誘電率及びｔａｎδと印加電圧との関係を示す図である。
【図１０】図１０は、実施例３のＸ線回折結果を示す図である。
【図１１】図１１は、実施例４の面方向を−２７．５°傾けて、ＬｉＮｂＯ３のＹ面に合わせて測定したＸ線回折結果を示す図である。
【図１２】図１２（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施形態にかかるチューナブルフィルタの回路図及び要部を示す部分切欠断面図である。
【図１３】図１３は、図１２（ａ）に示した圧電基板上の電極構造により実現されるチューナブルフィルタの回路図である。
【図１４】図１４は、サファイア基板及びＬｉＮｂＯ３基板上にＢＳＴ膜を成膜した各構造における印加電圧と、比誘電率との関係を示す図である。
【図１５】図１５は、第１の実施形態のチューナブルフィルタにおけるＢＳＴからなる可変コンデンサの容量を変化させた場合のフィルタ特性の変化を示す図である。
【図１６】図１６は、本発明により構成されるチューナブルフィルタの変形例の回路図である。
【図１７】図１７は、本発明のチューナブルフィルタにおける回路構成の他の変形例を示す回路図である。
【図１８】図１８は、本発明のチューナブルフィルタにおける回路構成の他の変形例を示す回路図である。
【図１９】図１９は、従来の圧電装置の回路図である。
【図２０】図２０は、図１９に示した従来の圧電装置の模式的平面図である。
【図２１】図２１は、図２０のＡ−Ａ線に沿う部分の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
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。
【００３９】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る可変容量素子を説明するための部分切欠正面断面図である。
【００４０】
可変容量素子１は、圧電基板２を有する。圧電基板２は、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂＯ３などの適宜の圧電材料からなる。好ましくは、後述するように、回転ＹカットＬｉＴａＯ３または回転ＹカットＬｉＮｂＯ３からなり、かつ回転角が９０°±３０°である圧電基板が用いられる。その場合には、電気機械結合係数が大きいため、周波数可変幅の大きなチューナブルフィルタを構成することができる。
【００４１】
圧電基板２上に、バッファ層３が形成されている。また、バッファ層３上に、誘電体層４及び第２の電極５が積層されている。本実施形態では、バッファ層３がＰｔからなり、第１の電極をも兼ねる。従って、誘電体層４を挟んでバッファ層３すなわち第１の電極と、第２の電極５とが積層されているため、バッファ層３、誘電体層４及び第２の電極５により、静電容量を取り出すためのコンデンサ部分が構成されている。誘電体層４は、印加電圧により比誘電率が変化する誘電体材料からなる。従って、可変容量素子１では、印加電圧を変化させることにより、静電容量を変化させることができる。また、バッファ層は複数層積層されていてもよい。
【００４２】
上記印加電圧により比誘電率が変化する誘電体層４を構成する材料としては、ＢＳＴすなわちバリウムストロンチウムチタネート（ＢａｘＳｒ１−ｘＴｉＯ３、但し、ｘは０より大きく、１未満の数）を挙げることができる。
【００４３】
ＢＳＴは、電圧を印加すると、比誘電率が大きく変化する。従って、ＢＳＴを用いることにより、静電容量を大きく変化させ得る可変容量素子１を形成することができる。
【００４４】
従来、ＢＳＴ膜は、サファイアやＭｇＯ以外の基板上には良好に成膜することは出来ないと考えられていた。つまり、ＢＳＴの成膜温度が８００℃〜９００℃と高いため、ＬｉＴａＯ３やＬｉＮｂＯ３などの圧電基板上に直接形成することができないと考えられていた。したがって、サファイアやＭｇＯにおいてのみＢＳＴを直接成膜することができると考えられていた。
【００４５】
本願発明者は、この点についてさらに鋭意検討した結果、ＬｉＮｂＯ３からなる圧電基板２を用いた場合、特定方向に配向しているＰｔからなるバッファ層を形成し、しかる後該バッファ層上にＢＳＴを成膜した場合、ＢＳＴを良好に成膜し得ることを見出した。
【００４６】
本実施形態では、圧電基板２上に、立方晶の結晶構造を有し、かつ主として（１１１）面が圧電基板２の表面に平行な方向に配向しているＰｔ膜によりバッファ層３が形成されている。そのため、このバッファ層３上にＢＳＴからなる誘電体層４をスパッタリング法などにより、直接成膜することができ、従って、比誘電率の可変範囲が大きい誘電体層４を形成することができる。
【００４７】
なお、本実施形態では、バッファ層３は、上記のように、（１１１）面が圧電基板２の表面に平行な方向に配向しているＰｔ膜を用いた。このＰｔ膜を、以下、Ｐｔ（１１１）膜と略す。
【００４８】
本実施形態では、バッファ層３として、上記Ｐｔ（１１１）膜を用いたが、バッファ層３の配向方向及びバッファ層３を構成する材料はこれに限定されるものではない。すなわち、バッファ層３の配向方向としては、（１１１）、（１０Ｘ）、（１１１）を除く（１１Ｘ）などであってもよい。なお、上記配向方向におけるＸは整数を示す。
【００４９】
また、配向面は上記各配向面と等価な面であってもよい。すなわち、（１１１）面と等価な面が圧電基板２に平行に配向していてもよい。同様に、（１０Ｘ）と等価な面や、（１１１）面を除く（１１Ｘ）面と等価な面が圧電基板２上に配向していてもよい。
【００５０】
また、バッファ層３の結晶構造についても、立方晶系の構造に限定されるものではなく、三方晶系または六方晶系の結晶構造を有していてもよい。
【００５１】
好ましくは、バッファ層３は、立方晶系の結晶構造を有する場合、（１１１）面及び（１１１）面と等価な面が圧電基板２と平行な方向に配向し、三方晶系または六方晶系の結晶構造を有する場合、（００１）面及び（００１）面と等価な面が、圧電基板２の表面に平行な方向に配向していることが望ましい。その場合には、ｔａｎδすなわち誘電損失が小さい可変容量素子１を得ることができる。
【００５２】
また、バッファ層３が、立方晶系の結晶構造を有する場合、（１０Ｘ）面及び（１０Ｘ）面に等価な面、あるいは（１１１）面を除く（１１Ｘ）面もしくは該（１１Ｘ）面と等価な面が圧電基板２上に配向していることが望ましい。ここで、立方晶系の結晶構造における（１０Ｘ）面、あるいは（１１１）面を除く（１１Ｘ）面の配向面は、圧電基板のＹ軸に垂直な面となる。その場合には、誘電体層４における印加電圧による比誘電率の変化をより一層大きくすることができる。同様に、三方晶系または六方晶系の結晶構造を有する場合には、（１１Ｘ）面もしくは（１１Ｘ）面と等価な面、または（１０Ｘ）面もしくは（１０Ｘ）と等価な面が圧電基板２上に配向していることが望ましい。ここで、三方晶系または六方晶系の結晶構造における（１１Ｘ）面、あるいは（１０Ｘ）面の配向面は、圧電基板のＹ軸に垂直な面となる。その場合には、誘電体層４の印加電圧による比誘電率の変化を大きくすることができる。
【００５３】
なお、Ｘは整数である。
【００５４】
上記結晶構造及び配向方向により、ｔａｎδを小さくしたり、印加電圧による比誘電率の変化を大きくし得るように構成し得ることについては、後述する実施例１及び実施例２を参照してより詳細に説明する。
【００５５】
また、上記バッファ層３は、上記のように特定の方向で配向しているが、好ましくは、エピタキシャル成長により形成されたエピタキシャル膜からなる。その場合には、圧電基板２の結晶方位を反映させて、バッファ層３を形成することができる。従って、特定の方向に配向したバッファ層３を容易に形成することができる。上記バッファ層３を形成する材料については、Ｐｔだけでなく、様々な材料を用いることができる。また、本実施形態では、バッファ層３は第１の電極を兼ねている。しかしながら、バッファ層３を構成する材料は、電極を構成し得る程の導電性を有しない材料であってもよい。その場合には、バッファ層３の下面に、第１の電極を別途形成してもよい。このような第１の電極を構成する材料にいては、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇなど適宜の金属を用いることができる。
【００５６】
他方、上記立方晶系の結晶構造を有するバッファ層を構成する材料は、Ｗ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｉｒ、ＳｒＲｕＯ３、ＲｕＯ２、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＴａＳｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＬａＮｉＯ３、ＳｒＩｒＯ３、ＬａＴｉＯ２Ｎ、及び（Ｌａ,Ｓｒ）ＴｉＯｘＮｙからなる群から選ばれた少なくとも１種類の材料からなる。この場合には、特定方向に配向したバッファ層を容易にかつ確実に形成することができる。
【００５７】
また、上記三方晶系または六方晶系の結晶構造を有するバッファ層を構成する材料としては、Ｒｕ、ＴａＮ、ＴａＳｉＮ、ＴｉＡｌＮ及びＺｎＯからなる群から選ばれた少なくとも１種類の材料からなる。この場合においても、上記特定方向に配向しているバッファ層を容易に形成することができる。
【００５８】
図２（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係る可変容量素子６を説明するための部分切欠正面断面図及び電極構造を示す平面図である。
【００５９】
図２（ａ）に示すように、第２の実施形態の可変容量素子６では、圧電基板２上に、バッファ層３、誘電体層４がこの順序で積層されている。ここでは、バッファ層３は、第１の電極を兼ねてはいない。もっとも、圧電基板２、バッファ層３及び誘電体層４は、第１の実施形態と同様の材料で同様に構成することができる。従って、第１の実施形態と同一部分については、同一の参照番号を附することにより、その説明を省略する。なお、バッファ層３は、第１の電極を兼ねるものではないため、前述したように、導電性を有しない材料により形成されていてもよい。
【００６０】
本発明の第２の実施形態に係る可変容量素子６においては、誘電体層４の上面に、第１の電極７及び第２の電極８が形成されている。第１の電極７及び第２の電極８は、くし歯状電極であり、互いの複数本の電極指が間挿し合っている。このように、本発明における第１の電極７及び第２の電極８は、誘電体層４の一方面に積層された一対のくし歯状電極により形成されていてもよい。
【００６１】
すなわち、本発明においては、第１の電極及び第２の電極は、誘電体層４を介して対向するように設けられている限り、その配向の態様は、特に限定されるものではない。
【００６２】
次に、バッファ層の結晶構造及び配向方向により、印加電圧によるｔａｎδ及び比誘電率の変化傾向が変わることを、実施例１及び実施例２を参照して説明する。
【００６３】
（実施例１）
１５°ＹカットＬｉＮｂＯ３からなる圧電基板２上に、立方晶系の結晶構造を有し、かつＰｔ（１１１）膜からなるバッファ層３をスパッタ法により、基板温度４００℃、Ａｒガスにて、１００ｎｍの厚みに成膜した。このバッファ層３上に、７００℃の温度でスパッタすることにより、ＢａＳｒＴｉＯ３からなる誘電体層４を形成した。この誘電体層４上に、Ｐｔからなる厚み２００ｎｍの膜からなる第２の電極５をスパッタ法により形成し、可変容量素子１を得た。この可変容量素子における誘電率及びｔａｎδと印加電圧の関係を図３に示す。
【００６４】
図３から明らかなように、印加電圧を変化させることにより、比誘電率及びｔａｎδが変化することがわかる。比誘電率の変化率すなわち−５Ｖ〜＋５Ｖの印加電圧範囲において、最も高い比誘電率と最も低い比誘電率との比は２．７８であった。
【００６５】
また、実施例１の可変容量素子をＸ線回折で分析し、配向方向を確認した。結果を図５に示す。図５から明らかなように、Ｐｔ（１１１）面によるピークが現れており、バッファ層３がＰｔ（１１１）であることがわかる。
【００６６】
ここで、実際には、Ｐｔ（１１１）面以外のピークも存在するが、本実施形態のように、バッファ層３は、相対的に（１１１）面のピークが大きければ、ＢＳＴ膜は良好に成膜される。すなわち、Ｐｔ（１１１）面が主として配向されていればよい。これは、本発明におけるその他の実施形態においても、各配向面が主として成膜されていればよい、という意味において、同様である。
【００６７】
また、上記可変容量素子を水平方向から面方向１５°傾けてＸ線回折を測定した結果を図６に示す。図６から明らかなように、ＬｉＮｂＯ３基板の（３００）面のピークが現れている。すなわち、１５°ＹカットＬｉＮｂＯ３に由来するピークが現れている。
【００６８】
（実施例２）
実施例１と同様にして、但し、バッファ層３として立方晶系の結晶構造を有し、Ｐｔ（２００）膜を成膜した。成膜条件は、スパッタにより、基板温度７００℃、Ａｒガスにて成膜し、膜厚は１００ｎｍとした。
【００６９】
その他の点については、実施例１と同様にした。
【００７０】
実施例２で得た可変容量素子の比誘電率及びｔａｎδと印加電圧との関係を図４に示す。図４から明らかなように、印加電圧の変化により、比誘電率及びｔａｎδが実施例１よりも大きく変化していることがわかる。−５Ｖ〜＋５Ｖの印加電圧範囲において、最も高い比誘電率と最も低い比誘電率との比である比誘電率変化率は４．１７であった。従って、実施例１より実施例２の場合、静電容量の可変幅をより一層大きくし得ることがわかる。
【００７１】
実施例２の可変容量素子についても、実施例１と同様にＸ線回折により各層の配向を確認した。結果を図７に示す。図７から明らかなように、実施例２では、２θが４７°付近に、Ｐｔ（２００）膜由来のピークが現れ、６３°付近に、ＬｉＮｂＯ３（３００）基板由来のピークが現れている。なお、図７は、可変容量素子の基板面から１５°傾けて、基板Ｙ軸方向に合わせて測定した結果である。
【００７２】
（実施例３）
−１°ＹカットのＬｉＮｂＯ３からなる圧電基板上に、立方晶系の結晶構造を有し、Ｐｔ（１１１）膜からなるバッファ層３を形成し、以下実施例１と同様にして可変容量素子を得た。Ｐｔ（１１１）膜の成膜は、スパッタにより基板温度４００℃、Ａｒガスにて成膜し、その膜厚は１００ｎｍとした。
【００７３】
実施例３で得た上記可変容量素子における印加電圧と、比誘電率及びｔａｎδの関係を図８に示す。図８から明らかなように、印加電圧が変化すると、比誘電率及びｔａｎδが変化することがわかる。
【００７４】
また、−５Ｖ〜＋５Ｖの印加電圧範囲における誘電率変化率は３．３４であり、実施例１よりは大きいが、実施例２よりは小さかった。
【００７５】
実施例３の可変容量素子について、実施例１と同様にしてＸ線回折により結晶方位を確認した。結果を図１０に示す。図１０から明らかなように、Ｐｔ（１１１）膜由来のピークが２θ＝４０°付近に現れている。また、基板が−１°ＹカットＬｉＮｂＯ３のため（−１°しか傾いていないので）、基板表面と平行面での測定にもかかわらず、ＬｉＮｂＯ３（３００）面由来のピークが２θ＝６３°付近に現れている。
【００７６】
（実施例４）
２７．５°ＹカットＬｉＮｂＯ３からなる圧電基板２上に、立方晶系の結晶構造を有し、Ｐｔ（２００）膜からなるバッファ層３を形成し、以下実施例１と同様にして可変容量素子を得た。Ｐｔ（２００）膜の成膜は、スパッタにより基板温度７００℃、Ａｒガスにて成膜し、その膜厚は１００ｎｍとした。
【００７７】
実施例４で得た可変容量素子の印加電圧と、比誘電率及びｔａｎδとの関係を図９に示す。
【００７８】
図９から明らかなように、印加電圧が変化すると、比誘電率及びｔａｎδが変化していることがわかる。また、印加電圧範囲が−５Ｖ〜＋５Ｖの範囲で誘電率変化率は４．２８と大きかった。
【００７９】
実施例４で得た可変容量素子についても、実施例２と同様にして、Ｘ線回折を行い、結晶方位を確認した。結果を図１１に示す。
【００８０】
図１１から明らかなように、Ｐｔ（２００）由来のピークが２θ＝４６°付近に現れており、ＬｉＮｂＯ３（３００）由来のピークが２θ＝６３°付近に現れている。なお、図１１は、可変容量素子の基板面から２７．５°傾けて、基板Ｙ軸方向に合わせて測定した結果である。
【００８１】
上記実施例１〜４から明らかなように、バッファ層３を構成するＰｔ膜の結晶方位を変更することにより、比誘電率の変化率とｔａｎδの値を変化させ得ることがわかる。すなわち、実施例１と実施例２との対比により、Ｐｔ（１１１）膜よりも、Ｐｔ（２００）膜を用いた場合、比誘電率の印加電圧による変化を大きくし得ることがわかる。一方、ｔａｎδは相対的に大きい。このようにＰｔ膜の配向を変化させることで、所望の比誘電率変化率と所望のｔａｎδの値を得ることができる。
【００８２】
さらに、実施例１と実施例３との対比により、同じＰｔ（１１１）膜からなるバッファ層３を形成した場合であっても、ＬｉＮｂＯ３のカット角を１５°から−１°に変更したことにより、比誘電率及びｔａｎδの印加電圧による変化率を高め得ることがわかる。すなわち、１５°ＹカットのＬｉＮｂＯ３よりも、−１°ＹカットのＬｉＮｂＯ３を用いることにより、静電容量可変幅を大きくし得ることがわかる。
【００８３】
同様に、実施例２と実施例４との対比により、１５°ＹカットＬｉＮｂＯ３に比べ、２７．５°ＹカットＬｉＮｂＯ３を用いることにより、比誘電率の変化率を若干大きくし得ることがわかる。
【００８４】
このように、実施例１〜４から明らかなように、バッファ層３の結晶方位及びＬｉＮｂＯ３などの圧電基板のカット角を前述した範囲とすることが望ましいことがわかる。
【００８５】
また、上記第１の実施形態によれば、圧電基板２上にバッファ層３を形成することにより、比誘電率が印加電圧により変化するＢＳＴからなる誘電体層４を成膜した場合であっても、印加電圧による比誘電率変化特性が良好な可変容量素子１を構成し得ることがわかる。
【００８６】
（チューナブルフィルタ）
次に、本発明のチューナブルフィルタの実施形態につき説明する。
【００８７】
図１２（ａ）及び図１３は、本発明の第３の実施形態としてのチューナブルフィルタの電極構造を示す模式的平面図及び回路図である。
【００８８】
図１３に示すように、チューナブルフィルタ５１は、入力端子５２と出力端子５３とを有する。入力端子５２と出力端子５３とを結ぶ直列腕に、第１，第２の直列腕共振子Ｓ１，Ｓ２が互いに直列に配置されている。
【００８９】
入力端子５２と第１の直列腕共振子Ｓ１との間に第１の可変コンデンサＣ１が接続されている。また、第１の直列腕共振子Ｓ１に並列に第２の可変コンデンサＣ２が接続されている。第２の直列腕共振子Ｓ２と並列に第３の可変コンデンサＣ３が接続されている。第２の直列腕共振子Ｓ２と出力端子５３との間に第４の可変コンデンサＣ４が接続されている。また、第１，第２の直列腕共振子Ｓ１，Ｓ２間の接続点５４とグラウンド電位との間に、互いに直列に第５の可変コンデンサＣ５及び並列腕共振子Ｐ１が接続されている。並列腕共振子Ｐ１に並列に第６の可変コンデンサＣ６が接続されている。
【００９０】
上記のように、チューナブルフィルタ５１は、第１，第２の直列腕共振子Ｓ１，Ｓ２と、並列腕共振子Ｐ１とを有するラダー型の回路構成を有している。
【００９１】
図１２（ａ）に模式的に示すように、圧電基板５５上に、上記回路構成を有するように、第１，第２の直列腕共振子Ｓ１，Ｓ２及び並列腕共振子Ｐ１が、それぞれ、弾性表面波共振子により構成されている。例えば、第１の直列腕共振子Ｓ１を例にとると、第１の直列腕共振子Ｓ１は、ＩＤＴ電極５６と、ＩＤＴ電極５６の弾性表面波伝搬方向両側に配置された反射器５７，５８とを有する。
【００９２】
第１，第２の直列腕共振子Ｓ１，Ｓ２及び並列腕共振子Ｐ１は、いずれも弾性表面波共振子からなる圧電共振デバイスである。従って、圧電基板５５上に上記弾性表面波共振子を構成するＩＤＴ電極５６及び反射器５７，５８を形成するだけで構成することができる。
【００９３】
加えて、上記第１〜第６の可変コンデンサＣ１〜Ｃ６は、図１２（ａ）では、構成部分を矩形のブロックで略図的に示すが、誘電体層に構成されている。従って、可変コンデンサＣ１〜Ｃ６もまた、圧電基板上に複数の膜を成膜するだけで容易に形成することができる。よって、小型化及び製造工程の簡略化を図ることができる。これを、第２の可変コンデンサＣ２構成部分を例にとり、図１２（ｂ）を参照して説明する。
【００９４】
図１２（ｂ）は、第２の可変コンデンサＣ２と、第１の直列腕共振子Ｓ１が構成されている部分を略図的に断面図で示す。第２の可変コンデンサＣ２は、第１の容量電極としての下部電極５９を有する。下部電極５９上にＢＳＴからなる誘電体層６０が積層されている。誘電体層６０上に、下部電極５９と誘電体層６０を介して対向するように第２の容量電極としての上部電極６１が積層されている。上部電極６１は、配線電極６２を介してＩＤＴ電極５６に接続されている。
【００９５】
なお、上部電極６１及び配線電極６２と下部電極５９との短絡を防止するために、絶縁体層６３が誘電体層６０と接するように設けられている。配線電極６２は上部電極６１に接続されており、絶縁体層６３の上面を経て、ＩＤＴ電極５６側に延ばされている。上記下部電極５９は、本実施形態では、Ｐｔからなり、上部電極６１はＰｔからなる。
【００９６】
誘電体層６０はＢＳＴすなわちバリウムストロンチウムチタネート（ＢａｘＳｒ１−ｘＴｉＯ３、但しｘは０より大きく１未満の数）からなる。
【００９７】
また、圧電基板としては、特に、オイラー角（０°，６０°〜１２０°、０°）のＬｉＮｂＯ３が好ましい。この範囲であれば、前記バッファ層を適用することにより実施例１から４に示したのと同様の効果が得られる。また、この範囲では大きな電気機械結合係数が得られ、すなわちチューナブルフィルタにおいては、周波数可変範幅を広くすることができるので好適である。さらに、前述したようにこの範囲のオイラー角のＬｉＮｂＯ３基板を用いれば、可変容量幅２．７８倍以上の可変コンデンサが実現できる。
【００９８】
また、図１４は、−１°ＹカットＬｉＮｂＯ３及びサファイアＲ面基板上に、それぞれ、ＢＳＴ膜を成膜した構造の比誘電率と印加電圧との関係を示す図である。図１４から明らかなように、上記オイラー角のＬｉＮｂＯ３基板上にＢＳＴ膜を成膜した構造では、サファイアＲ面基板上にＢＳＴ膜を成膜した構造と同様の比誘電率特性の得られることがわかる。よって、本実施形態によれば、ＢＳＴをＬｉＮｂＯ３からなる圧電基板５５上に直接またはバッファ層を介して間接に成膜することにより、小型であり、良好な可変コンデンサを構成し得ることがわかる。また、図１４に示す、ＬｉＮｂＯ３基板上のＢＳＴ膜は、Ｎがドープされている膜であり、図３、図４、図８、図９におけるＢＳＴ膜よりも特性のよい、すなわち比誘電率の変化率が大きなＢＳＴ膜であることがわかる。このように、ＢＳＴ膜には、Ｎ、Ｇｄ、Ｃａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｇｅなどがドープされていてもよい。この場合、上記のように、大きな容量変化率が実現できる。なお、Ｇｄ、ＣａはＢａサイトに、Ｚｒ、Ｈｆ、ＧｅはＴｉサイトに、ＮはＯサイトにドープされる。また、そのドーピング量はそれぞれ５％以下である。
【００９９】
ＢＳＴ膜では、印加される電圧によって、比誘電率が変化する。従って、本実施形態のチューナブルフィルタ５１では、第１〜第６の可変コンデンサＣ１〜Ｃ６の容量を、印加電圧を調整することにより変化させることができる。このようにして、チューナブルフィルタのフィルタ特性を変化させることができる。すなわち、選択周波数を調整することができる。
【０１００】
図１５は、上記第１〜第６の可変コンデンサＣ１〜Ｃ６を、それぞれ、下記の表１に示すＸ１〜Ｘ４の組み合わせとした場合のフィルタ特性を示す図である。
【０１０１】
【表１】
2015008509.tif 000003
【０１０２】
図１５から明らかなように、第１〜第６の可変コンデンサＣ１〜Ｃ６の静電容量を、印加電圧を調整してＸ１〜Ｘ４の各組み合わせとすることにより、チューナブルフィルタ５１のフィルタ特性、特に周波数特性を大きく変化させ得ることがわかる。
【０１０３】
なお、上記実施形態では、直列腕共振子Ｓ１，Ｓ２及並列腕共振子Ｐ１からなるラダー型の回路構成のチューナブルフィルタを示したが、本発明のチューナブルフィルタの回路構成は特に限定されるものではない。
【０１０４】
図１６に示す変形例では、入力端子４１と出力端子４２との間に圧電共振子４３，４４が接続されており、圧電共振子４３，４４が接続されている。入力端子４１とグラウンド電位との間にコンデンサＣ７が接続されている。出力端子４２とグラウンド電位との間にもコンデンサＣ８が接続されている。また、圧電共振子４３，４４間の接続点６５とグラウンド電位との間にインダクタ６６が接続されている。そして、入力端子４１と出力端子４２との間に、圧電共振子４３，４４と並列となるようにコンデンサＣｐが接続されている。圧電共振子４３と入力端子４１との間には、可変コンデンサＣ９が接続されている。圧電共振子４３に並列に可変コンデンサＣ１０が接続されている。圧電共振子４４に並列にも可変コンデンサＣ１１が接続されている。また、圧電共振子４４と出力端子４２との間に可変コンデンサＣ１２が接続されている。このような回路構成を有するチューナブルフィルタ６７を用いてもよい。チューナブルフィルタ６７においても、可変コンデンサＣ９〜Ｃ１２を、上記実施形態と同様に、ＢＳＴ膜のような誘電体層を用いた可変コンデンサにより形成することにより、小型化を図ることができ、さらに、圧電共振デバイス近傍に直接形成できるので、寄生成分による特性劣化を抑制できる。
【０１０５】
また、上記チューナブルフィルタの回路構成は、図１７に示すように、複数の圧電共振子２１〜２４がラチス型回路構成を有するように接続されているものであってもよい（図１７では共振子に直列または並列に接続される可変容量素子は省略している）。
【０１０６】
また、例えば図１３に示すような、本発明のチューナブルフィルタにおいて、高周波信号配線回路上に、可変容量素子に加える直流信号が漏洩しないように直流信号カット用の容量素子が設けられていてもよいし、可変容量素子に加える直流配線回路上に高周波信号が漏洩しないように高周波信号カット用の抵抗もしくはインダクタが設けられていてもよい。
【０１０７】
例えば、図１８に示すように、高周波の信号配線回路に直流信号が回り込まないように、直流信号カット用のコンデンサＣ２１，Ｃ２２を入力端子と直列腕を接続する信号配線に挿入する。なお、容量は直流成分をカットできる容量であればよく、約１００ｐＦほどあればよい。この容量素子は、ＢＳＴで形成してもよい。この場合、可変容量素子と一括成膜できるため、製造プロセスを簡略化できる。なお、この容量素子は固定容量でよく、可変容量素子である必要はない。
【０１０８】
また、同じく図１８に示すように、直流配線回路に高周波信号が回り込まないように、高周波信号カット用の抵抗素子Ｒ０を直流電源と直列腕間もしくはグラウンドと直列腕間に接続する。なお、抵抗は２〜３０ｋΩあればよい。また抵抗素子は同様のインピーダンスを有するインダクタであってもよい。抵抗は、ＮｉＣｒやＴａＮなどの薄膜を成膜することで形成できる。なお、この例では、可変コンデンサＣ１に対して高周波信号配線上に直流信号カット用のコンデンサを、また直流信号配線上に高周波信号カット用の抵抗素子もしくはインダクタ素子を配置することを示したが、Ｃ１以外の任意の可変コンデンサに対して同様の素子を設けてもよい。
【０１０９】
また、本発明のチューナブルフィルタの実施形態では、圧電共振デバイスとして弾性表面波共振子が用いられているが、これに限定されるものではなく、ＢＡＷ（Ｂｕｌｋ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｗａｖｅ）やラム波による共振子であってもよい。特に、共振子は横波が主成分の弾性表面波共振子であってもよいし、厚みすべり振動モードを励振するＢＡＷ共振子であってもよい。あるいは、横波型振動モードを励振するラム波デバイスであってもよい。いずれの場合も、電気機械結合係数を大きくすることが可能なため、周波数可変幅の大きなチューナブルフィルタを得ることができる。
【符号の説明】
【０１１０】
１…可変容量素子
２…圧電基板
３…バッファ層
４…誘電体層
５…第２の電極
６…可変容量素子
７…第１の電極
８…第２の電極
２１〜２４…圧電共振子
４１…入力端子
４２…出力端子
４３，４４…圧電共振子
５１…チューナブルフィルタ
５２…入力端子
５３…出力端子
５４…接続点
５５…圧電基板
５６…ＩＤＴ電極
５７，５８…反射器
５９…下部電極
６０…誘電体層
６１…上部電極
６２…配線電極
６３…絶縁体層
６５…接続点
６６…インダクタ
６７…チューナブルフィルタ
【図１】
2015008509.tif 000004
【図２】
2015008509.tif 000005
【図３】
2015008509.tif 000006
【図４】
2015008509.tif 000007
【図５】
2015008509.tif 000008
【図６】
2015008509.tif 000009
【図７】
2015008509.tif 000010
【図８】
2015008509.tif 000011
【図９】
2015008509.tif 000012
【図１０】
2015008509.tif 000013
【図１１】
2015008509.tif 000014
【図１２】
2015008509.tif 000015
【図１３】
2015008509.tif 000016
【図１４】
2015008509.tif 000017
【図１５】
2015008509.tif 000018
【図１６】
2015008509.tif 000019
【図１７】
2015008509.tif 000020
【図１８】
2015008509.tif 000021
【図１９】
2015008509.tif 000022
【図２０】
2015008509.tif 000023
【図２１】
2015008509.tif 000024