(57)【要約】【課題】薄膜圧電共振子の共振周波数などの周波数特性を調節するのを容易にする。【解決手段】第１の金属電極１の下面には圧電体膜２が形成され、圧電体膜２の下面に半導体層３が形成されている。半導体層３は、ｎ型にドーピングされている。半導体層３の下面に第２の金属電極４が形成されている。第２の金属電極４の下面は空洞になっている。この空洞があることで、圧電体膜２に誘起される超音波が吸収されるのを防ぐことができる。【選択図】  図１
2005020055.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の金属電極と、前記第１の金属電極の下面に形成された圧電体膜と、前記圧電体膜の下面に形成されたｐ型またはｎ型の導電性を有しかつ前記圧電体膜とは逆側の前記半導体層の面に形成された凹部を備えた半導体層と、前記凹部上に形成された第２の金属電極とを有することを特徴とする薄膜圧電共振子。
【請求項２】
第１の金属電極と、前記第１の金属電極の下面に形成された圧電体膜と、前記圧電体膜の下面に形成された半導体と、前記半導体の下面に形成された第２の金属電極と、前記第２の金属電極の下面に形成された絶縁体膜と金属膜とを交互に積層した多層構造と、前記多層構造の下面に設けた基板とで形成されたことを特徴とする薄膜圧電共振子。
【請求項３】
前記圧電体膜上かつ前記第１の金属電極に近接し電気的に接続されていない第４の金属電極をさらに有することを特徴とする薄膜圧電共振子。
【請求項４】
第１の金属電極と、前記第１の金属電極の下面に形成された圧電体膜と、前記圧電体膜の下面に形成された第１の半導体層と、前記半導体の下面に形成された第２の金属電極と、前記第２の金属電極の下面に形成された第２の半導体層と、前記第２の半導体層の下面に形成され、前記圧電体膜とは逆側の前記半導体層の面に形成された凹部を備えた半導体層と、前記凹部上に形成された第３の金属電極とを有することを特徴とする薄膜圧電共振子。
【請求項５】
前記圧電体膜は半導体層であり、ｐ型またはｎ型にドーピングされていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の薄膜圧電共振子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧電体の共振を利用し、高周波の所望の周波数のみを通過させる素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、世界的な携帯電話の普及により、携帯電話の使用台数が加速度的に増加してきた。その携帯電話の端末において、基地局から送信された高周波を受信するフロントエンドと呼ばれる回路が通常使われているが、そのフロントエンド回路の直前には、不要な周波数を除去し、所望の周波数のみを通過するために、フィルタと呼ばれる部品が一般に用いられる。
【０００３】
フィルタに用いられる素子として、表面弾性波フィルタ（ＳＡＷフィルタ）や、薄膜圧電共振子などがある。薄膜圧電共振子の動作原理について、図面を参照しながら説明する。
【０００４】
図１１は、例えば特許文献１に記載されているような、従来の薄膜圧電共振子の断面図である。１は第１の金属電極である。第１の金属電極１の下面に形成されているのは、圧電体膜２１である。圧電体膜２１の下面には、第２の金属電極４が形成されている。第２の金属電極４の下面は空洞（図示せず）になっている。
【０００５】
図１１において、第２の金属電極４は、第１の金属電極１よりも厚く形成されている。共振周波数を測定しながら、第２の金属電極４を薄くする手段を用意し、所望の共振周波数になるように第２の金属電極４の厚さを調節するものである。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−１９６８８３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記に示した方法では、薄膜圧電共振子を作製する工程終了後には共振周波数を調節することができない。また、共振周波数を測定しながら第２の金属電極４の厚さを調整する工程は容易ではない。従って、さらに容易な手段で、薄膜圧電共振子の共振周波数などの周波数特性を調節するという課題がある。
【０００８】
上記課題に鑑み、本発明は容易な手段で、薄膜圧電共振子の共振周波数などの周波数特性を調節することのできる薄膜圧電共振子を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の薄膜圧電共振子は、第１の金属電極と、前記第１の金属電極の下面に形成された圧電体膜と、前記圧電体膜の下面に形成されたｐ型またはｎ型の導電性を有しかつ前記圧電体膜とは逆側の前記半導体層の面に形成された凹部を備えた半導体層と、前記凹部上に形成された第２の金属電極とを有するものである。
【００１０】
この構成により、第１の金属電極と前記第２の金属電極との間に直流電圧を印加することができて薄膜圧電共振子の周波数特性を制御するが可能になる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態における薄膜圧電共振子について図面を参照しながら説明する。
【００１２】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１における薄膜圧電共振子について図面を参照しながら説明する。
【００１３】
図１は、本発明の実施の形態１における薄膜圧電共振子である。１は、第１の金属電極である。２は、圧電体膜であり、第１の金属電極１の下面に形成されている。３は、半導体層であり、圧電体膜２の下面に形成されている。半導体層３は、ｎ型にドーピングされている。４は、第２の金属電極であり、半導体層３の下面に形成されている。第２の金属電極４の下面は空洞（凹部）になっている。この空洞があることで、圧電体膜２に誘起される超音波が吸収されるのを防ぐ。
【００１４】
薄膜圧電共振子の回路上の特性は、一般に図８のように表すことができる。１０は、第１の端子であり、第１の金属電極１に対応する。１１は、第２の端子であり、第２の金属電極４に対応する。１２は、動キャパシタンス（Ｃｍ）と呼ばれる。１３は、動インダクタンス（Ｌｍ）と呼ばれる。１４は、共振抵抗（Ｒｍ）と呼ばれる。動キャパシタンス（Ｃｍ）１２と動インダクタンス（Ｌｍ）１３は、共振周波数ｆと以下の関係がある。
【００１５】
【数１】
2005020055.tif 000003
【００１６】
共振抵抗（Ｒｍ）１４は、圧電体膜２および第１の電極１および第２の電極４で生じる損失や、超音波と高周波の変換効率により決定される量である。損失が大きい場合、あるいは超音波と高周波の変換効率が小さい場合は、共振抵抗（Ｒｍ）１４が大きくなる。１５は、第１の金属電極１と第２の金属電極４との間の静電容量（Ｃ０）を表す量である。静電容量（Ｃ０）１５が存在することにより、第１の端子１０と第２の端子１１との間をほとんど通過しなくなる周波数が生じる。この周波数のことを反共振周波数と呼び、反共振周波数をｆｒと表すと、
【００１７】
【数２】
2005020055.tif 000004
【００１８】
で与えられる。
【００１９】
静電容量（Ｃ０）１５は、第１の電極１および第２の電極４の電極の対向する部分の面積に比例する。また、静電容量（Ｃ０）１５は、圧電体膜２で形成される容量Ｃｐと、半導体層３で形成される容量Ｃｓの直列接続されたものと考えることが出来、
【００２０】
【数３】
2005020055.tif 000005
【００２１】
の関係がある。ここで、圧電体膜２で形成される容量Ｃｐは、圧電体膜２の厚さおよび誘電率で決定され、第１の金属電極１と第２の金属電極４に印加された電圧によらず一定である。しかし、半導体層３は、ｎ型にドーピングされているため、第１の金属電極１と第２の金属電極４との間に印加された電圧により、半導体層３内の電子の振る舞いが変化する。そのため、半導体層３で形成される容量Ｃｓが変化する。
【００２２】
ここで、第１の金属電極１および、圧電体膜２および半導体層３は、いわゆるＭＩＳ構造を形成していると考えることができる。第１の金属電極１に対し、第２の金属電極４の電圧を高く設定すると、半導体層３内の圧電体膜２側にある伝導電子が第２の金属電極４側に移動し、半導体層３の圧電体膜２側には、伝導電子がほとんどない領域（これは空乏層と呼ばれる）が形成される。空乏層は、絶縁体とみなすことができる。それに対し、半導体層３の第２の金属電極４側の伝導電子がある領域は電気抵抗が低く、導電体とみなすことが出来る。従って、半導体層３で形成される容量Ｃｓはこのとき、空乏層を絶縁体としたものとなり、その値は空乏層の厚さｈに反比例する。空乏層の厚さｈは第１の金属電極１と第２の金属電極４に印加した電圧により決定される。従って、この電圧により、半導体層３で形成される容量Ｃｓを調整でき、それによりｆｒを調整することができ、薄膜圧電共振子の周波数特性を容易に調節するという上記課題が達成される。
【００２３】
図９は、圧電体膜２としてＡｌＮを用い、圧電体膜２の厚さを２μｍ、半導体層３の厚さを０．５μｍとし、半導体層３に空乏層がない場合の、第１の金属電極１と第２の金属電極４との間に通過する高周波の周波数特性をシミュレーションし、Ｓパラメータで示したものである。また、半導体層３は、Ｓｉとしている。共振周波数ｆは２．２５１ＧＨｚ、反共振周波数ｆｒは２．３０３ＧＨｚとなっている。図１０は、第１の金属電極１と第２の金属電極４との間の電圧を変化させることにより、空乏層厚ｈを変化させたときの反共振周波数ｆｒの変化を示したものである。このように、反共振周波数ｆｒを１０ＭＨｚ程度調整することが出来る。
【００２４】
ここでは半導体層３をｎ型にドーピングされているとしたが、ｐ型にドーピングされていても、同様の動作原理により反共振周波数ｆｒを調整することが出来る。
【００２５】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における薄膜圧電共振子である。１は、第１の金属電極である。２は圧電体膜であり、第１の金属電極１の下面に形成されている。４は第２の金属電極であり、圧電体膜２の下面に形成されている。３は半導体層であり、第２の金属電極４の下面に形成されているとともに、ｎ型あるいはｐ型にドーピングされている。５は第３の金属電極であり、半導体層３の下面に形成されている。第３の金属電極５の下面は空洞となっている。
【００２６】
第２の金属電極４と第３の金属電極５との間に電圧をかけることにより、実施の形態１と同様の原理で半導体層３に生じる空乏層の厚さｈを調整することが出来る。従って、第１の金属電極１と第３の金属電極５との間の周波数特性を制御することができる。
【００２７】
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３における薄膜圧電共振子である。１は第１の金属電極である。２は圧電体膜であり、第１の金属電極１の下面に形成されている。３は半導体層であり、ｐ型あるいはｎ型にドーピングされている。４は第２の金属電極であり、半導体層３の下面に形成されている。６は絶縁体層であり、第２の金属電極４の下面に形成されている。７は金属膜であり、絶縁体層６の下面に形成されている。金属膜７の下面には、絶縁体層６と金属膜７が複数回繰り返され、その下面に基板８がある。
【００２８】
絶縁体層６および金属膜７の音響インピーダンスと厚さをそれぞれ適当な値とすることにより、絶縁体層６と金属膜７の繰り返しで、ある周波数の超音波を上方へ反射することが出来る。この周波数を共振周波数ｆに設定することにより、図３は薄膜圧電共振子として動作する。
【００２９】
第１の金属電極１と第２の金属電極４との間の電圧により、半導体層３に生じる空乏層の厚さｈを制御し、本薄膜圧電共振子の周波数特性を制御することが出来る。なお、最も下層の金属膜７の下にもうひとつ絶縁体層６が存在する場合も動作することができる。
【００３０】
（実施の形態４）
図４は、本発明の実施の形態４における薄膜圧電共振子である。１は、第１の金属電極である。９は、第４の金属電極である。２は、圧電体膜であり、第１の金属電極１および、第４の金属電極９の下面に形成されている。３は、半導体層であり、圧電体膜２の下面に形成されている。半導体層３は、ｎ型にドーピングされている。４は、第２の金属電極であり、半導体層３の下面に形成されている。第２の金属電極４の下面は空洞になっている。
【００３１】
図４の薄膜圧電共振子は、第１の金属電極１と第２の金属電極４との間に、共振周波数と反共振周波数が存在する。また、第１の金属電極１と第４の金属電極９との間にも、共振周波数と反共振周波数が存在する。すなわち、実施の形態１に示したような薄膜圧電共振子が２つ組み合わされたものと見ることができる。第１の金属電極１と第２の金属電極４との間、もしくは第４の金属電極９と第２の金属電極４との間に電圧を印加することにより、実施の形態１に示した原理により、これらの反共振周波数を調節することが出来る。
【００３２】
（実施の形態５）
図５は、本発明の実施の形態５における薄膜圧電共振子である。１は、第１の金属電極である。９は、第４の金属電極である。２は、圧電体膜であり、第１の金属電極１および、第４の金属電極９の下面に形成されている。４は第２の金属電極であり、圧電体膜２の下面に形成されている。３は半導体層であり、第２の金属電極４の下面に形成されているとともに、ｎ型あるいはｐ型にドーピングされている。５は第３の金属電極であり、半導体層３の下面に形成されている。第３の金属電極５の下面は空洞となっている。
【００３３】
図５の薄膜共振子は、実施の形態４に示した薄膜共振子と同様、第１の金属電極１と第２の金属電極４との間に、共振周波数と反共振周波数が存在する。また、第１の金属電極１と第４の金属電極９との間にも、共振周波数と反共振周波数が存在する。すなわち、実施の形態１に示したような薄膜圧電共振子が２つ組み合わされたものと見ることができる。第１の金属電極１と第２の金属電極４との間、もしくは第４の金属電極９と第２の金属電極４との間に電圧を印加することにより、実施の形態１に示した原理により、これらの反共振周波数を調節することが出来る。
【００３４】
（実施の形態６）
図６は、本発明の実施の形態６における薄膜圧電共振子である。１は、第１の金属電極である。９は、第４の金属電極である。２は、圧電体膜であり、第１の金属電極１および、第４の金属電極９の下面に形成されている。３は半導体層であり、圧電体膜２の下面に形成されているとともに、ｎ型あるいはｐ型にドーピングされている。４は第２の金属電極であり、半導体層３の下面に形成されている。６は絶縁体であり、第２の金属電極の下面に形成されている。７は金属膜であり、絶縁体層６の下面に形成されている。金属膜７の下面には、絶縁体層６と金属膜７が複数回繰り返され、その下面に基板８がある。絶縁体層６と金属膜７は実施の形態３と同様に設定されている。
【００３５】
図６の薄膜共振子は、実施の形態４に示した薄膜共振子と同様、第１の金属電極１と第２の金属電極４との間に、共振周波数と反共振周波数が存在する。また、第１の金属電極１と第４の金属電極９との間にも、共振周波数と反共振周波数が存在する。すなわち、実施の形態１に示したような薄膜圧電共振子が２つ組み合わされたものと見ることができる。第１の金属電極１と第２の金属電極４との間、もしくは第４の金属電極９と第２の金属電極４との間に電圧を印加することにより、実施の形態１に示した原理により、これらの反共振周波数を調節することが出来る。
【００３６】
（実施の形態７）
図７は、本発明の実施の形態７における薄膜圧電共振子である。１は、第１の金属電極である。２は、圧電体膜であり、第１の金属電極１の下面に形成されている。４は、第２の金属電極であり、圧電体膜２の下面に形成されている。
【００３７】
圧電体膜２は、半導体層であり、ｐ型あるいは、ｎ型にドーピングされている。
【００３８】
第１の金属電極１と第２の金属電極４との間に電圧を印加することにより、圧電体膜２に生じる空乏層の厚さを制御できる。それにより、反共振周波数を調節することが出来る。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、薄膜圧電共振子の周波数特性を制御するが可能になり、それにより薄膜圧電共振子の周波数特性を所望のものに容易に正確に調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における薄膜圧電共振子の断面図
【図２】本発明の実施の形態２における薄膜圧電共振子の断面図
【図３】本発明の実施の形態３における薄膜圧電共振子の断面図
【図４】本発明の実施の形態４における薄膜圧電共振子の断面図
【図５】本発明の実施の形態５における薄膜圧電共振子の断面図
【図６】本発明の実施の形態６における薄膜圧電共振子の断面図
【図７】本発明の実施の形態７における薄膜圧電共振子の断面図
【図８】本発明の薄膜圧電共振子の等価回路を示す図
【図９】本発明の薄膜圧電共振子の周波数特性を示す図
【図１０】本発明の薄膜圧電共振子に関する空乏層厚に対する反共振周波数特性を示す図
【図１１】従来の薄膜圧電共振子の断面図
【符号の説明】
１  第１の金属電極
２  圧電体膜
３  半導体層
４  第２の金属電極
５  第３の金属電極
６  絶縁体層
７  金属膜
８  基板
９  第４の金属電極
１０  第１の端子
１１  第２の端子
１２  動キャパシタンス
１３  動インダクタンス
１４  共振抵抗
１５  静電容量
【図１】
2005020055.tif 000006
【図２】
2005020055.tif 000007
【図３】
2005020055.tif 000008
【図４】
2005020055.tif 000009
【図５】
2005020055.tif 000010
【図６】
2005020055.tif 000011
【図７】
2005020055.tif 000012
【図８】
2005020055.tif 000013
【図９】
2005020055.tif 000014
【図１０】
2005020055.tif 000015
【図１１】
2005020055.tif 000016