(57)【要約】【課題】共振子全体のＱ値を向上させ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。上部電極３３は、当該上部電極３３の電極材料に比べて機械的品質係数の高い絶縁材料からなり共振子３でのエネルギ損失を抑制するエネルギ損失抑制部３４が厚み方向に貫通する形で設けられている。ここにおいて、上部電極３３の平面視形状が網状（ここでは、正方格子状）であり、エネルギ損失抑制部３４が上記網状の上部電極３３の各開口部（網目）に満たされている。【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た共振装置であって、上部電極は、当該上部電極の電極材料に比べて機械的品質係数の高い絶縁材料からなり共振子でのエネルギ損失を抑制するエネルギ損失抑制部が厚み方向に貫通する形で設けられてなることを特徴とする共振装置。
【請求項２】
前記上部電極の平面視形状が網状であり、前記エネルギ損失抑制部が前記網状の前記上部電極の各開口部の中に満たされていることを特徴とする請求項１記載の共振装置。
【請求項３】
前記圧電層の圧電材料がＫＮＮ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６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の材料としてＡｌＮ、ＺｎＯ、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などが用いられている。なお、ＢＡＷ共振器では、共振周波数が圧電層３２の膜厚に反比例し、圧電層３２の膜厚を薄くするほど共振周波数を高くすることができる。
【０００３】
上記特許文献１には、ＢＡＷ共振器として、ＳＭＲ（Solidly  Mounted  Resonator）が記載されているが、ＢＡＷ共振器としては、ＳＭＲの他にＦＢＡＲ（Film  Bulk  Acoustic  Resonator）などが知られている。
【０００４】
なお、上述の共振装置をＵＷＢ（Ultra  Wide  Band）用フィルタに応用する場合、圧電層３２の材料（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２００５−２６０９６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、図６に示した構成の共振装置では、上部電極３３の電極材料として、例えば、ＡｌやＡｕなどの低抵抗の金属が採用されているが、これらの電極材料は機械的品質係数（Ｑ値）が低いので、上部電極３３でのバルク弾性波のエネルギ損失が大きくなり、共振子３全体のＱ値が低くなってしまう。ここで、共振子３全体のＱ値は、共振子３全体に与えられた全エネルギをＥtotal、当該全エネルギのうち失われたエネルギ（つまり、エネルギ損失）の和をΣＥlossとすれば、Ｑ＝１／（ΣＥloss／Ｅtotal）で定義される。
【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値を向上させ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た共振装置であって、上部電極は、当該上部電極の電極材料に比べて機械的品質係数の高い絶縁材料からなり共振子でのエネルギ損失を抑制するエネルギ損失抑制部が厚み方向に貫通する形で設けられてなることを特徴とする。
【０００８】
この発明によれば、上部電極は、当該上部電極の電極材料に比べて機械的品質係数の高い絶縁材料からなり共振子でのエネルギ損失を抑制するエネルギ損失抑制部が厚み方向に貫通する形で設けられているので、上部電極にエネルギ損失抑制部が設けられていない共振子であって上部電極と圧電層との接触面積を同じにしたものと比較した場合に、共振子に与えられる全エネルギが同じであっても共振子でのバルク弾性波のエネルギ損失を抑制することができ、共振子全体のＱ値を高めることが可能となる。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記上部電極の平面視形状が網状であり、前記エネルギ損失抑制部が前記網状の前記上部電極の各開口部の中に満たされていることを特徴とする。
【００１０】
この発明によれば、前記上部電極から前記エネルギ損失抑制部へ振動が伝わりやすくなってエネルギ損失をより抑制できるので、共振子全体のＱ値を高めることができる。
【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、前記圧電層の圧電材料がＫＮＮであることを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、前記圧電層の圧電材料がＰＺＴ系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。
【発明の効果】
【００１３】
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】
【００１４】
（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。
【００１５】
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。ここで、本実施形態では、圧電層３２の圧電材料として、ＰＺＴを採用しているので、圧電材料がＡｌＮである場合に比べて、電気機械結合定数を大きくすることができる。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（例えば、ＰＺＴ、ＰＭＮ−ＰＺＴなど）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。
【００１６】
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。
【００１７】
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Ａｌ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、例えば、Ａｌ，Ｐｔ，Ａｕ，Ｉｒなどを採用してもよく、上部電極３３の電極材料としては、例えば、Ａｕ，Ｍｏ，Ｐｔなどを採用してもよい。
【００１８】
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、下部電極３１の厚みを１００ｎｍ、圧電層３２の厚みを３００ｎｍ、上部電極３３の厚みを１００ｎｍ、低音響インピーダンス層２１の厚みを４００ｎｍ、高音響インピーダンス層２２の厚みを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、圧電層３２の厚みは２００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲で、低音響インピーダンス層２１の厚みは２５０ｎｍ〜５５０ｎｍの範囲で、高音響インピーダンス層２２の厚みは２００ｎｍ〜４５０ｎｍの範囲で、それぞれ適宜設定すればよい。
【００１９】
ところで、本実施形態の共振装置は、上部電極３３は、当該上部電極３３の電極材料に比べて機械的品質係数の高い絶縁材料（例えば、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＺｎＯなど）からなり共振子３でのエネルギ損失を抑制するエネルギ損失抑制部３４が厚み方向に貫通する形で設けられている。ここにおいて、本実施形態の共振装置では、上部電極３３の平面視形状が網状（ここでは、正方格子状）であり、エネルギ損失抑制部３４が上記網状の上部電極３３の各開口部（網目）に満たされている。要するに、上部電極３３は、複数のエネルギ損失抑制部３４が厚み方向に貫通する形で設けられている。なお、本実施形態では上記網状の上部電極３３の開口部の形状が平面視で正方形状となっているが、正方形状に限らず、例えば、円形状でもよい。
【００２０】
以上説明した本実施形態の共振装置では、上部電極３３は、当該上部電極３３の電極材料に比べて機械的品質係数の高い絶縁材料からなり共振子３でのエネルギ損失を抑制するエネルギ損失抑制部３４が厚み方向に貫通する形で設けられており、圧電層３２のうちエネルギ損失抑制部３４に重複する領域には電界は印加されないものの周囲の振動の影響によって振動し、上部電極３３よりもＱ値が高い材料での振動となるので、図２（ｂ）に示すように上部電極３３にエネルギ損失抑制部３４が設けられていない共振子３であって上部電極３３と圧電層３２との接触面積を同じにしたものと比較した場合に、共振子３でのバルク弾性波のエネルギ損失を抑制することができるから、共振子３に与えられる全エネルギＥtotalが同じであってもエネルギ損失の和ΣＥlossを低減でき、共振子３全体のＱ値を高めることが可能となる。なお、図２（ａ），（ｂ）では圧電層３２のうち厚み方向において上部電極３３に重複する領域（つまり、上部電極３３と下部電極３１とに挟まれた領域であって電界が印加される領域）のみにクロスハッチングを施してある。
【００２１】
また、本実施形態の共振装置では、上部電極３３の平面視形状が網状であり、エネルギ損失抑制部３４が上記網状の上部電極３３の各開口部に満たされており、エネルギ損失抑制部３４が等間隔で２次元的に配列されているので、上部電極３３からエネルギ損失抑制部３４へ振動が伝わりやすくなってエネルギ損失をより抑制でき、共振子３全体のＱ値を高めることができる。
【００２２】
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３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。
【００２３】
なお、上述の例では、上部電極３３の平面視形状を網状としてエネルギ損失抑制部３４の形状を上記網状の上部電極３３の開口部の形状としてあるが、図４（ａ）に示すようにエネルギ損失抑制部３４の平面視形状をＣ字状の形状としてもよいし、同図（ｂ）に示すように、上部電極３３の平面視形状を櫛形状の形状とするとともに、エネルギ損失抑制部３４の平面視形状を帯状として上部電極３３の櫛歯間に介在させるようにしてもよいし、同図（ｃ）に示すように、上部電極３３の平面視形状を梯子状の形状とするとともに、エネルギ損失抑制部３４の平面視形状を帯状として上部電極３３の隙間に介在させるようにしてもよい。
【００２４】
（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５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などが相違する。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。
【００２５】
本実施形態の共振装置においても、実施形態１と同様に、上部電極３３に、当該上部電極３３の電極材料に比べて機械的品質係数の高い絶縁材料からなり共振子３でのエネルギ損失を抑制するエネルギ損失抑制部３４が厚み方向に貫通する形で設けられているので、上部電極３３にエネルギ損失抑制部３４が設けられていない共振子３であって上部電極３３と圧電層３２との接触面積を同じにしたものと比較した場合に、共振子３に与えられる全エネルギが同じであっても共振子３でのバルク弾性波のエネルギ損失を抑制することができ、共振子３全体のＱ値を高めることが可能となる。
【００２６】
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】
【００２７】
【図１】実施形態１における共振装置を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は概略斜視図である。
【図２】同上における共振装置の要部説明図である。
【図３】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４】同上の他の構成例の説明図である。
【図５】実施形態２における共振装置の概略断面図である。
【図６】従来例を示す共振装置の概略断面図である。
【符号の説明】
【００２８】
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
３４  エネルギ損失抑制部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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