(57)【要約】【課題】共振子がＵＷＢ用フィルタ用途に必要な電気機械結合係数および機械的品質係数の両方を満足するＢＡＷ共振装置を提供する。【解決手段】支持基板１の一表面側に下部電極３１と圧電層３２と上部電極３３とを有する共振子３を備え、下部電極３１および上部電極３３が圧電層３２の圧電材料よりも機械的品質係数の大きな電極材料により形成されている。共振子３は、下部電極３１と上部電極３３とで一対の電極層を構成し、上部電極３３における圧電層３２側とは反対側に絶縁体層３４が積層され、上部電極３３の厚さをｔｅ、絶縁体層３４の厚さをｔｐ、ｎ次モード（ｎ≧２）の共振周波数における上部電極３３および絶縁体層３４それぞれの媒質中の弾性波の波長をそれぞれλｅ，λｐとするとき、｛（ｎ−１）／２｝≦（ｔｅ／λｅ＋ｔｐ／λｐ）≦｛（ｎ−０．５）／２｝を満足するように各厚さｔｅ，ｔｐが設定されている。【選択図】図１
2009201102.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板の一表面側に当該支持基板の厚み方向に離間した一対の電極層と両電極層間に介在する圧電層とを有する共振子を備え、各電極層が圧電層の圧電材料よりも機械的品質係数の大きな電極材料により形成されてなるＢＡＷ共振装置であって、共振子は、一対の電極層の一方の電極層における圧電層側とは反対側に絶縁体層が積層され、前記一方の電極層の厚さをｔｅ、絶縁体層の厚さをｔｐ、ｎ次モード（ｎ≧２）の共振周波数における前記一方の電極層および絶縁体層それぞれの媒質中の弾性波の波長をそれぞれλｅ，λｐとするとき、｛（ｎ−１）／２｝≦（ｔｅ／λｅ＋ｔｐ／λｐ）≦｛（ｎ−０．５）／２｝を満足するように前記一方の電極層、絶縁体層それぞれの厚さｔｅ，ｔｐが設定されてなることを特徴とするＢＡＷ共振装置。
【請求項２】
前記共振子は、前記一方の電極層が他方の電極層よりも前記支持基板から遠い側に位置していることを特徴とする請求項１記載のＢＡＷ共振装置。
【請求項３】
前記圧電材料が鉛系圧電材料であり、前記電極材料は、Ｍｏ、Ｗ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｐｔの群から選択される少なくとも１種であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のＢＡＷ共振装置。
【請求項４】
前記圧電材料がＫＮＮであり、前記電極材料は、Ｍｏ、Ｗ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｐｔの群から選択される少なくとも１種であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のＢＡＷ共振装置。
【請求項５】
前記ｎ次モードが、２次モードであり、前記各厚さｔｅ，ｔｐが、０．５≦（ｔｅ／λｅ＋ｔｐ／λｐ）≦０．７５を満足するように設定されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のＢＡＷ共振装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、支持基板の一表面側に当該支持基板の厚み方向に離間した一対の電極層と両電極層間に介在する圧電層とを有し圧電層の厚み方向の縦振動モードを利用する共振子を備えたＢＡＷ（Bulk  Acoustic  Wave）共振装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、携帯電話機などの移動体通信機器の分野において、３ＧＨｚ以上の高周波帯で利用する高周波フィルタに適用可能な共振装置として、図４に示すように、支持基板１と、支持基板１の一表面側に形成された音響ミラー２と、音響ミラー２上に形成された共振子３’とを備えたＢＡＷ共振装置（ＢＡＷ共振器）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。ここにおいて、音響ミラー２は、低音響インピーダンス層２１と高音響インピーダンス層２２とを交互に積層した積層構造を有し、共振子３’は、下部電極３１’と圧電層３２’と上部電極３３’との積層構造を有し、圧電層３２’の圧電材料としてＡｌＮなどが用いられている。なお、図４に示した構成のＢＡＷ共振器は、ＳＭＲ（Solidly  Mounted  Resonator）であるが、上記特許文献１には、ＳＭＲの他にＦＢＡＲ（Film  Bulk  Acoustic  Resonator）も記載されている。
【０００３】
ところで、上述のＢＡＷ共振装置では、圧電層３２’の圧電材料としてＡｌＮを採用しているが、ＵＷＢ（Ultra  Wide  Band）用フィルタに応用する場合、圧電層３２’の圧電材料として、帯域幅が中心周波数に対して４〜５％しか広帯域化できないＡｌＮに比べて中心周波数に対して１０％程度の帯域幅を得ることが可能な鉛系圧電材料であるＰＺＴ系材料を採用することが考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１３６４６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、一般的に、ＢＡＷ共振器における圧電層３２’の膜厚は電気機械結合係数（ｋeff）を最大化するように設計されており、圧電層３２’の圧電材料としてＰＺＴ系材料を採用した場合、ＡｌＮを採用する場合に比べて、電気機械結合係数が高くなる一方で共振子３’全体の機械的品質係数（Ｑ値）が低くなり、良好なフィルタ特性（挿入損失、スカート特性）が得られなかった。なお、ＢＡＷ共振装置をＵＢＷ用フィルタに応用する場合、例えば、４ＧＨｚ帯で帯域幅率（＝帯域幅／中心周波数）を７．５％以上とすると、３００ＭＨｚ以上の帯域幅が必要であり、通過帯域内の挿入損失＝３ｄＢ以下、禁止帯域抑圧＝４０ｄＢ以上を達成するためには、機械的品質係数を２５０以上とする必要があり、帯域幅率≧７．５％を達成するためには、電気機械結合係数（ｋeff）を０．３よりも大きくする必要がある。
【０００６】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、共振子がＵＷＢ用フィルタ用途に必要な電気機械結合係数および機械的品質係数の両方を満足するＢＡＷ共振装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明は、支持基板の一表面側に当該支持基板の厚み方向に離間した一対の電極層と両電極層間に介在する圧電層とを有する共振子を備え、各電極層が圧電層の圧電材料よりも機械的品質係数の大きな電極材料により形成されてなるＢＡＷ共振装置であって、共振子は、一対の電極層の一方の電極層における圧電層側とは反対側に絶縁体層が積層され、前記一方の電極層の厚さをｔｅ、絶縁体層の厚さをｔｐ、ｎ次モード（ｎ≧２）の共振周波数における前記一方の電極層および絶縁体層それぞれの媒質中の弾性波の波長をそれぞれλｅ，λｐとするとき、｛（ｎ−１）／２｝≦（ｔｅ／λｅ＋ｔｐ／λｐ）≦｛（ｎ−０．５）／２｝を満足するように前記一方の電極層、絶縁体層それぞれの厚さｔｅ，ｔｐが設定されてなることを特徴とする。
【０００８】
この発明によれば、各電極層が圧電層の圧電材料よりも機械的品質係数の大きな電極材料により形成されてなるＢＡＷ共振装置であって、共振子は、一対の電極層の一方の電極層における圧電層側とは反対側に絶縁体層が積層され、前記一方の電極層の厚さをｔｅ、絶縁体層の厚さをｔｐ、ｎ次モード（ｎ≧２）の共振周波数における前記一方の電極層および絶縁体層それぞれの媒質中の弾性波の波長をそれぞれλｅ，λｐとするとき、｛（ｎ−１）／２｝≦（ｔｅ／λｅ＋ｔｐ／λｐ）≦｛（ｎ−０．５）／２｝を満足するように前記一方の電極層、絶縁体層それぞれの厚さｔｅ，ｔｐが設定されているので、共振子がＵＷＢ用フィルタ用途に必要な電気機械結合係数および機械的品質係数の両方を満足する。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記共振子は、前記一方の電極層が他方の電極層よりも前記支持基板から遠い側に位置していることを特徴とする。
【００１０】
この発明によれば、前記共振子は、前記一方の電極層が他方の電極層よりも前記支持基板から遠い側に位置しており、前記絶縁体層が前記支持基板から遠い側の前記一方の電極層上に形成されているので、前記支持基板に近い側の他方の電極層下に前記絶縁体層が形成されている場合に比べて、他方の電極層上に形成される前記圧電層の品質の低下を防止することが可能となる。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記圧電材料が鉛系圧電材料であり、前記電極材料は、Ｍｏ、Ｗ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｐｔの群から選択される少なくとも１種であることを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、前記圧電材料が鉛系圧電材料なので、前記圧電材料がＡｌＮの場合に比べて電気機械結合係数を大きくすることができ、また、前記電極材料が、Ｍｏ、Ｗ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｐｔの群から選択される少なくとも１種であるので、前記電極材料が代表的な電極材料であるＡｌやＡｕの場合に比べて、前記各電極層それぞれの機械的品質係数を高めることができ、前記共振子全体の機械的品質係数を高めることが可能となる。
【００１３】
請求項４の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記圧電材料がＫＮＮであり、前記電極材料は、Ｍｏ、Ｗ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｐｔの群から選択される少なくとも１種であることを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、前記圧電材料がＫＮＮなので、前記圧電材料がＡｌＮの場合に比べて電気機械結合係数を大きくすることができ、また、前記電極材料が、Ｍｏ、Ｗ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｐｔの群から選択される少なくとも１種であるので、前記電極材料が代表的な電極材料であるＡｌやＡｕの場合に比べて、前記各電極層それぞれの機械的品質係数を高めることができ、前記共振子全体の機械的品質係数を高めることが可能となる。また、この発明によれば、前記圧電層の圧電材料が鉛系圧電材料である場合に比べて環境負荷を低減することができる。
【００１５】
請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記ｎ次モードが、２次モードであり、前記各厚さｔｅ，ｔｐが、０．５≦（ｔｅ／λｅ＋ｔｐ／λｐ）≦０．７５を満足するように設定されてなることを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、共振子が２次モードの共振周波数の弾性波に対してＵＷＢ用フィルタ用途に必要な電気機械結合係数および機械的品質係数の両方を満足する。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１の発明では、共振子がＵＷＢ用フィルタ用途に必要な電気機械結合係数および機械的品質係数の両方を満足するという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施形態１に関し、（ａ）はＢＡＷ共振装置の概略断面図、（ｂ）は特性説明図である。
【図２】同上の共振装置を応用したＵＷＢ用フィルタの回路図である。
【図３】実施形態２におけるＢＡＷ共振装置の概略断面図である。
【図４】従来例を示すＢＡＷ共振装置の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（実施形態１）
本実施形態のＢＡＷ共振装置は、図１に示すように、支持基板１と、支持基板１の一表面側に形成された音響ミラー（音響多層膜）２と、音響ミラー２上に形成された共振子３とを備えたＢＡＷ共振器であり、共振子３が音響ミラー２上に形成された下部電極３１と、下部電極３１における支持基板１側とは反対側に形成された圧電層３２と、圧電層３２における下部電極３１側とは反対側に形成された上部電極３３との積層構造を有している。なお、本実施形態のＢＡＷ共振装置は、ＳＭＲを構成している。また、本実施形態では、下部電極３１と上部電極３３とで一対の電極層を構成しており、一対の電極層の一方の電極層である上部電極３３における圧電層３２側とは反対側に絶縁体層３４が積層されている。
【００２０】
ここにおいて、本実施形態の共振装置は、圧電層３２の圧電材料としてＰＺＴを採用しており、支持基板１として、上記一表面である主表面が（１００）面の単結晶のシリコン基板を用いているが、支持基板１としては、シリコン基板に限らず、主表面が（１００）面のＭｇＯ基板や、主表面が（１００）面のＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ３）基板などを用いてもよい。本実施形態では、圧電層３２の圧電材料として、ＰＺＴを採用しているので、圧電材料がＡｌＮである場合に比べて、電気機械結合係数を大きくすることができる。
【００２１】
音響ミラー２は、相対的に音響インピーダンスの低い材料からなる低音響インピーダンス層２１と相対的に音響インピーダンスの高い材料からなる高音響インピーダンス層２２とが交互に積層されており、上述の下部電極３１は、最上層の低音響インピーダンス層２１上に形成されている。
【００２２】
本実施形態では、低音響インピーダンス層２１の材料としてＳｉＯ２、高音響インピーダンス層２２の材料としてＷ、下部電極３１の材料（電極材料）としてＰｔ、上部電極３３の材料（電極材料）としてＭｏを採用しているが、これらの材料は特に限定するものではなく、低音響インピーダンス層２１の材料としては、例えば、Ｓｉ，ｐｏｌｙ−Ｓｉ，Ａｌ，ポリマーなどを採用してもよく、高音響インピーダンス層２２の材料としては、例えば、Ａｕ，Ｍｏ，ＡｌＮ，ＺｎＯなどを採用してもよく、下部電極３１の電極材料としては、圧電層３２の圧電材料よりも機械的品質係数（Ｑ値）の大きな電極材料であればよく、例えば、Ｍｏ，Ｗ，Ｉｒ，Ｃｒ，Ｒｕ，Ｐｔなどの群から選択される少なくとも１種を採用すればよく、上部電極３３の電極材料としては、圧電層３２の圧電材料よりも機械的品質係数（Ｑ値）の大きな電極材料であればよく、例えば、Ｍｏ，Ｗ，Ｉｒ，Ｃｒ，Ｒｕ，Ｐｔなどの群から選択される少なくとも１種を採用すればよい。また、本実施形態では、絶縁体層３４の材料としてＡｌＮを採用している。
【００２３】
本実施形態のＢＡＷ共振装置では、共振子３の２次モードの共振周波数を４ＧＨｚに設定してあり、下部電極３１の厚さを１００ｎｍ、圧電層３２の厚さを１５０ｎｍ、上部電極３３の厚さを１００ｎｍ、絶縁体層３４の厚さを１５００ｎｍに設定してあるが、これらの厚さは共振周波数に応じて適宜設定すればよい。
【００２４】
ここにおいて、本願発明者らは、共振子３の機械的品質係数（Ｑ値）を向上させるために、上述の絶縁体層３４を設けて、絶縁体層３４に接する上記一方の電極層である上部電極３３の厚さおよび絶縁体層３４の厚さについて検討した。具体的には、前記一方の電極層の厚さをｔｅ〔ｎｍ〕、絶縁体層の厚さをｔｐ〔ｎｍ〕、２次モードの共振周波数における上部電極３３および絶縁体層３４それぞれの媒質中の弾性波の波長をそれぞれλｅ〔ｎｍ〕，λｐ〔ｎｍ〕として、（ｔｅ／λｅ＋ｔｐ／λｐ）と機械的品質係数および電気機械結合係数との関係をシミュレーションした。その結果を図１（ｂ）に示すが、横軸が（ｔｅ／λｅ＋ｔｐ／λｐ）であり、左側の縦軸が機械的品質係数、右側の縦軸が電気機械結合係数であり、同図中の黒丸が機械的品質係数を、四角が電気機械結合係数を示している。なお、（ｔｅ／λｅ＋ｔｐ／λｐ）の値が大きくなるほど、上部電極３３と絶縁体層３４との合計厚さが増加し、圧電層３２の厚さが減少する。
【００２５】
ここで、図１（ｂ）から、上述の各厚さｔｅ，ｔｐが、０．５≦（ｔｅ／λｅ＋ｔｐ／λｐ）≦０．７５を満足するように設定すれば、機械的品質係数が２５０よりも高くなり、かつ、電気機械結合係数が０．３よりも高くなるという知見を得た。
【００２６】
したがって、本実施形態のＢＡＷ共振装置のように、上部電極３３および下部電極３１それぞれが圧電層３２の圧電材料よりもＱ値の大きな電極材料により形成されてなる共振装置では、共振子３において、上記一方の電極層である上部電極３３における圧電層３２側とは反対側に絶縁体層３４を積層した構成を採用し、上部電極３３の厚さをｔｅ、絶縁体層３４の厚さをｔｐ、２次モードの共振周波数における上部電極３３および絶縁体層３４それぞれの媒質中の弾性波（図１（ａ）中に一点鎖線で模式的に示してある）の波長をそれぞれλｅ，λｐとするとき、０．５≦（ｔｅ／λｅ＋ｔｐ／λｐ）≦０．７５を満足するように各厚さｔｅ，ｔｐを設定すれば、共振子３が絶縁体層３４を備えていない場合に比べて、共振子３全体の機械的品質係数を高めることが可能となり、ＰＺＴのようにＡｌＮに比べて機械的品質係数の小さな圧電材料を用いた構成を採用しながらも、共振子３が２次モードの共振周波数の弾性波に対してＵＷＢ用フィルタ用途に必要な電気機械結合係数および機械的品質係数の両方を満足することができる。
【００２７】
なお、本実施形態のＢＡＷ共振装置では、上部電極３３と絶縁体層３４とのうち音響ロスの少ない材料により形成された絶縁体層３４の厚さを厚くすることが望ましく、上述のように上部電極３３の厚さを１００ｎｍ、絶縁体層３４の厚さを１５００ｎｍに設定してある。
【００２８】
ところで、本実施形態のＢＡＷ共振装置は３次モードの共振周波数の弾性波を利用してＵＷＢ用フィルタ用途に応用することも可能であり、２次モードの場合には１波長の弾性波が共振子３に定在し、３次モードの場合には１．５波長の弾性波が共振子３に定在すればよいから、ｎ次モード（ｎ≧２）の共振周波数の弾性波を利用してＵＷＢ用フィルタ用途に応用するには、
｛０．５＋（ｎ−２）／２｝≦（ｔｅ／λｅ＋ｔｐ／λｐ）≦｛０．７５＋（ｎ−２）／２｝
の関係式を満足するように上部電極３３、絶縁体層３４それぞれの厚さｔｅ，ｔｐを設定すればよく、書き換えれば、
｛（ｎ−１）／２｝≦（ｔｅ／λｅ＋ｔｐ／λｐ）≦｛（ｎ−０．５）／２｝
を満足するように上部電極３３、絶縁体層３４それぞれの厚さｔｅ，ｔｐを設定すれば、共振子３がＵＷＢ用フィルタ用途に必要な電気機械結合係数および機械的品質係数の両方を満足する。
【００２９】
また、本実施形態のＢＡＷ共振装置では、絶縁体層３４が上部電極３３における圧電層３２側とは反対側に形成されており、上部電極３３が一方の電極層を構成し、下部電極３１が他方の電極層を構成しているが、下部電極３１における圧電層３２側とは反対側に絶縁体層３４を積層してもよく、この場合には、下部電極３１が上記一方の電極層となり、上部電極３３が他方の電極層とある。ただし、本実施形態のように、絶縁体層３４が支持基板１から遠い側の電極層である上部電極３３上に形成されているほうが、支持基板１に近い側の電極層である下部電極３１下に絶縁体層３４が形成されている場合に比べて、下部電極３３上にゾルゲル法、スパッタ法、ＣＶＤ法などにより形成される圧電層３２の品質の低下を防止することが可能となる。
【００３０】
また、本実施形態のＢＡＷ共振装置では、圧電層３２の圧電材料がＰＺＴであり、上部電極３３および下部電極３１の電極材料が、Ｍｏ、Ｗ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｐｔの群から選択される少なくとも１種であるので、代表的な電極材料であるＡｌやＡｕの場合に比べて、上部電極３３および下部電極３１それぞれの機械的品質係数を高めることができ、共振子３全体の機械的品質係数を高めることが可能となる。本実施形態では、圧電層３２の圧電材料として、ＰＺＴを採用しているが、圧電材料は、鉛系圧電材料であればよく、例えば、ＰＺＴやＰＺＴ−ＰＭＴや適宜の不純物を添加したＰＺＴなどのＰＺＴ系材料を採用すればよい。ただし、圧電層３２の圧電材料は、鉛系圧電材料の代わりに、鉛フリーのＫＮＮ（二オブ酸カリウムナトリウム）を採用してもよく、ＫＮＮを採用すれば、圧電材料がＡｌＮである場合に比べて、電気機械結合係数を大きくすることができ、しかも、鉛系圧電材料を採用する場合に比べて環境負荷を低減できる。ＫＮＮの組成は、ＫｘＮａ１−ｘＮｂＯ３なる化学式で表され、例えば、ｘ＝０．５とすればよいが、この値は一例であって特に限定するものではない。また、ＫＮＮについては、例えば、Ｌｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｃｕなどの不純物を添加してもよい。
【００３１】
ところで、上述のＢＡＷ共振装置を、３ＧＨｚ以上の高周波帯においてカットオフ特性が急峻で且つ帯域幅の広いフィルタ、例えば、ＵＷＢ用フィルタとして応用する場合には、複数個（例えば、８個）の共振子３を支持基板１の上記一表面側に形成し（音響ミラー２上に形成し）、これら複数個の共振子３を図２に示すようなラダー型フィルタを構成するように接続すれば、ＵＷＢ用フィルタの低コスト化および小型化を図れる。
【００３２】
（実施形態２）
本実施形態のＢＡＷ共振装置の基本構成は実施形態１と略同じであって、図３に示すように、支持基板１の上記一表面側に実施形態１にて説明した音響ミラー２（図１参照）を設けずに、支持基板１に下部電極３１における圧電層３２側とは反対側の表面を露出させる開孔部１ａが形成されている点が相違するだけである。要するに、本実施形態のＢＡＷ共振装置は、下部電極３１と下部電極３１直下の媒質（例えば、空気、真空中の媒質など）との音響インピーダンス比を大きくすることにより支持基板１側への弾性波エネルギの伝搬を抑制するようにしたＦＢＡＲを構成している。
【００３３】
本実施形態のＢＡＷ共振装置においても、実施形態１と同様に、上部電極３３の厚さをｔｅ、絶縁体層３４の厚さをｔｐとするとき、ｎ次モード（ｎ≧２）の共振周波数の弾性波を利用してＵＷＢ用フィルタ用途に応用するには、
｛（ｎ−１）／２｝≦（ｔｅ／λｅ＋ｔｐ／λｐ）≦｛（ｎ−０．５）／２｝
を満足するように上部電極３３、絶縁体層３４それぞれの厚さｔｅ，ｔｐを設定すれば、共振子３がＵＷＢ用フィルタ用途に必要な電気機械結合係数および機械的品質係数の両方を満足することができ、２次モードの共振周波数における上部電極３３および絶縁体層３４それぞれの媒質中の弾性波（図３中に一点鎖線で模式的に示してある）の波長をそれぞれλｅ，λｐとするとき、０．５≦（ｔｅ／λｅ＋ｔｐ／λｐ）≦０．７５を満足するように各厚さｔｅ，ｔｐを設定すれば、共振子３が２次モードの共振周波数の弾性波に対してＵＷＢ用フィルタ用途に必要な電気機械結合係数および機械的品質係数の両方を満足することができる。
【符号の説明】
【００３４】
１  支持基板
２  音響ミラー
３  共振子
３１  下部電極（電極層）
３２  圧電層
３３  上部電極（電極層）
３４  絶縁体層
【図１】
2009201102.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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