(57)【要約】【課題】共振子全体のＱ値を高めることが可能な共振装置を提供する。【解決手段】共振装置は、支持基板１の一表面側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との積層構造を有する共振子３を備えている。圧電層３２中における１次モードの弾性定在波の波長をλ〔ｎｍ〕、圧電層３２の厚さをｔ〔ｎｍ〕とするとき、０．０３λ≦ｔ≦０．１５λを満足するように圧電層３２の厚さｔ〔ｎｍ〕が設定されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板の一表面側に下部電極と圧電層と上部電極との積層構造を有する共振子を備え、上部電極および下部電極それぞれ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共振装置であって、圧電層中における１次モードの弾性定在波の波長をλ、圧電層の厚さをｔとするとき、０．０３λ≦ｔ≦０．１５λを満足するように圧電層の厚さｔが設定されてなることを特徴とする共振装置。
【請求項２】
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記載の共振装置。
【請求項３】
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記載の共振装置。
【請求項４】
前記上部電極を前記下部電極に比べて厚く形成してあることを特徴とする請求項１または請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の共振装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、下部電極と圧電層と上部電極との積層構造を有する共振子を備えた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】
ここにおいて、上記特許文献１には、Ｑ値を向上させるための上部電極３３’の厚みについて数値限定がなされている。
【０００４】
ところで、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ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）系材料を採用することが考えられ、また、ＰＺＴに比べて環境負荷の低減を図れる鉛フリーのＫＮＮ（ニオブ酸カリウムナトリウム）を採用することが考えられる。
【特許文献１】特開２００５−１３６４６７号公報
【発明の開示】
【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いるが、圧電層３２’の圧電材料としてＰＺＴ系材料やＫＮＮ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、図４には、１次モードの弾性定在波を一点鎖線で模式的に示してある。
【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、共振子全体のＱ値を高めることが可能な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下部電極と圧電層と上部電極との積層構造を有する共振子を備え、上部電極および下部電極それぞれ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共振装置であって、圧電層中における１次モードの弾性定在波の波長をλ、圧電層の厚さをｔとするとき、０．０３λ≦ｔ≦０．１５λを満足するように圧電層の厚さｔ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、上部電極および下部電極それぞれ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共振装置であって、圧電層中における１次モードの弾性定在波の波長をλ、圧電層の厚さをｔとするとき、０．０３λ≦ｔ≦０．１５λを満足するように圧電層の厚さｔが設定されており、圧電層の厚さｔが０．１５λよりも大きな場合に比べて、共振子全体のＱ値を高めることが可能となる。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１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。
【００１０】
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、前記上部電極および前記下部電極それぞれのＱ値を高めることができ、共振子全体のＱ値を高めることが可能となる。
【００１１】
請求項３の発明は、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。
【００１２】
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、前記圧電材料が鉛系圧電材料の場合に比べて環境負荷を低減でき、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、前記上部電極および前記下部電極それぞれのＱ値を高めることができ、共振子全体のＱ値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ないし請求項３の発明において、前記上部電極を前記下部電極に比べて厚く形成してあることを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、前記上部電極を前記下部電極に比べて厚く形成してあることにより、前記共振子全体のＱ値を高めることができ、また、前記下部電極を前記上部電極に比べて厚くすることで前記共振子全体のＱ値を高める場合に比べて、前記下部電極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。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１の発明では、共振子全体のＱ値を向上させることが可能になるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（実施形態１）
本実施形態の共振装置は、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共振器は、ＳＭＲを構成している。
【００１７】
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。なお、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。
【００１８】
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。なお、低音響インピーダンス層２１および高音響インピーダンス層２２それぞれの膜厚は、圧電層３２の共振周波数の弾性波（バルク弾性波）の波長の４分の１の値に設定すればよい。
【００１９】
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Ｍｏ、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。
【００２０】
なお、本実施形態の共振装置では、共振子３の共振周波数を４ＧＨｚに設定してあり、低音響インピーダンス層２１の厚さを４００ｎｍ、高音響インピーダンス層２２の厚さを３５０ｎｍに設定してあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。また、共振周波数を３ＧＨｚ〜５ＧＨｚの範囲で設計する場合には、低音響インピーダンス層２１の厚さは２５０ｎｍ〜５５０ｎｍの範囲で、高音響インピーダンス層２２の厚さは２００ｎｍ〜４５０ｎｍの範囲で、それぞれ適宜設定すればよい。
【００２１】
ところで、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、圧電層３２の厚みについて検討した。具体的には、圧電層３２の厚さをｔ〔ｎｍ〕、圧電層３２中における１次モードの弾性定在波の波長をλ〔ｎｍ〕とし、圧電層３２の厚さｔを上記１次モードの弾性定在波の波長λで規格化した値ｔ／λとＱ値および電気機械結合係数（ｋeff）との関係をシミレーションした。その結果を図１（ｂ）に示すが、横軸がｔ／λであり、右側の縦軸は電気機械結合係数の最大値を１として規格化したｋeff、左側の縦軸は規格化したｋeffが１となるｔ／λ＝０．２でのＱ値を１として規格化したＱ値であり、同図中の「イ」が規格化したｋeff、「ロ」が規格化したＱ値、をそれぞれ示している。
【００２２】
図１（ｂ）から分かるように、従来のように圧電層３２の厚さｔ／λを電気機械結合係数（ｋeff）を最大化するように設計した場合には、Ｑ値が低いが、圧電層３２の厚さｔ／λが０．２０から減少するにつれてＱ値が増加し、圧電層３２の厚さｔ／λが０．１５以下であれば、規格化したＱ値が１．１以上となる、言い換えれば、Ｑ値が１０％以上増加するという知見を得た。一方、圧電層３２の厚さｔ／λが０．２０から減少するにつれてｋeffについては減少するが、圧電層３２の厚さｔ／λが０．０３以上であれば、規格化したｋeffが０．５を下回ることがなく、ＡｌＮの電気機械結合係数の最大値よりも十分に大きな値が得られるという知見を得た。
【００２３】
したがって、本実施形態の共振装置のように、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、圧電層３２中における１次モードの弾性定在波（図１（ａ）中に一点鎖線で模式的に示してある）の波長をλ〔ｎｍ〕、圧電層３２の厚さをｔ〔ｎｍ〕とするとき、０．０３λ≦ｔ≦０．１５λを満足するように圧電層３２の厚さｔ〔ｎｍ〕を設定すれば、圧電層３２の厚さｔが０．１５λよりも大きな場合に比べて、共振子３全体のＱ値を高めることが可能となり、ＰＺＴのようにＡｌＮに比べてＱ値の小さな圧電材料を用いた構成に適している。なお、圧電層３２の厚さｔは、Ｑ値の改善効果が顕著化する０．０３λ〜０．１０λの範囲内で設定することがより望ましい。この場合、例えば、共振子３の共振周波数が４ＧＨｚであれば、圧電層３２の厚さｔを３０ｎｍ〜１５０ｎｍの範囲内で設定すればよい。
【００２４】
また、本実施形態の共振装置では、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Ｑ値を高めることができ、共振子３全体のＱ値を高めることが可能となる。ここで、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。また、圧電層３２の圧電材料として、ＫＮＮを採用してもよく、ＫＮＮを採用すれば、ＰＺＴ系材料を採用する場合に比べて環境負荷を低減できる。なお、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。
【００２５】
また、本実施形態の共振装置では、下部電極３１の厚さを８０ｎｍ、上部電極３３の厚さを３５０ｎｍに設定してあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではなく、共振子３の共振周波数を４ＧＨｚに設定してある場合には、下部電極３１の厚さは１０ｎｍ〜１５０ｎｍの範囲で、上部電極３３の厚さは３００ｎｍ〜４００ｎｍの範囲で、それぞれ適宜設定すればよい。
【００２６】
要するに、本実施形態の共振装置では、上部電極３３を下部電極３１に比べて厚く形成してあるので、共振子３全体のＱ値を高めることができ、また、下部電極３１を上部電極３３に比べて厚くすることで共振子３全体のＱ値を高める場合に比べて、下部電極３１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。
【００２７】
ところで、上述の共振装置を、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。
【００２８】
（実施形態２）
本実施形態の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。
【００２９】
本実施形態の共振装置においても、実施形態１と同様に、圧電層３２中における１次モードの弾性定在波（図３中に一点鎖線で模式的に示してある）の波長をλ〔ｎｍ〕、圧電層３２の厚さをｔ〔ｎｍ〕とするとき、０．０３λ≦ｔ≦０．１５λを満足するように圧電層３２の厚さｔ〔ｎｍ〕を設定すれば、圧電層３２の厚さｔが０．１５λよりも大きな場合に比べて、共振子３全体のＱ値を高めることが可能となる。
【００３０】
なお、本実施形態の共振装置も実施形態１と同様にＵＷＢ用フィルタとして応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】実施形態１に関し、（ａ）は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における共振装置の概略断面図である。
【図４】従来例を示す共振装置の概略断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  支持基板
２  音響ミラー
３  共振子
３１  下部電極
３２  圧電層
３３  上部電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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