JP2004159339A

JP2004159339A - Ｂａｗ共振器の音響反射器

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Publication number: JP2004159339A
Application number: JP2003377295A
Authority: JP
Inventors: Stephan Marksteiner; シュテファン，マークシュタイナー; Gernot Fattinger; ゲルノート，ファティンガー; Robert Aigner; ローベルト，アイグナー; Jyrki Kaitila; ユルキ，カイティラ
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2002-11-07
Filing date: 2003-11-06
Publication date: 2004-06-03
Also published as: TW200509525A; US20040140869A1; CN100578931C; DE10251876B4; DE10251876A1; KR20040041029A; US6933807B2; DE10262056A1; EP1418671A2; CN1521945A; DE10262056B4

Abstract

【課題】特性の優れたＢＡＷ共振器を提供する。
【解決手段】ＢＡＷ共振器は、圧電層１０２と、表面上の第１電極１０４、反対面の第２電極１０６、及び基板１０８と、基板１０８と第２電極１０６との間の音響反射器１１０で構成される。音響反射器１１０は、交互に隣接して配置された、音響インピーダンスの高い材料、及び低い材料からなる複数の層を含む。音響反射器１１０の機能は、ＢＡＷ共振器１００の共振周波数でＢＡＷ共振器１００に存在する縦波の反射率と、横波の反射率とにより決定される。音響反射器１１０及び音響反射器１１０と圧電層１０２との間に配置されている層１０６ａ，１０６ｂは、これらの層の数、材料および厚さを参照して、共振周波数における縦波の透過率と横波の透過率とが、−1０ｄＢ未満となるように選択する。
【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、ＢＡＷ（BAW＝bulk acoustic wave バルク音波）共振器の音響反射器(acoustic reflector)（音響鏡(acoustic mirror)）に関するものであり、特に、ＢＡＷ共振器の機能を向上させるための複数の層を有する音響反射器に関するものである。

本発明は、ＲＦアプリケーション（RF application）のＢＡＷフィルターを備えていることが好ましく、特に、優れた選択性と急遷移帯域（steep transition bands）とが必要とされるＲＦアプリケーション用のＢＡＷフィルターを備えていることが好ましい。

上記のようなフィルターにおいて、最も重要なパラメータは、ＢＡＷ共振器の線質係数（quality factor）および結合係数（coupling coefficient）である。結合係数は、直列共振（series resonance）と平行共振（parallel resonance）とによって生じる周波数によって規定される。結合係数は、積層が形成された複数の層を有するＢＡＷ共振器の全ての処理に使用された材料の厚さおよび種類、並びにＢＡＷ共振器の圧電層の電気機械的結合の関数である。従って、上記の直列共振および並列共振によって、当然、ＢＡＷ共振器の電気的な共振機能（resonance performance）が分かる。すなわち、共振器の周波数依存型（frequency-dependent）特性インピーダンス曲線において、このインピーダンスの最小値に直列共振が対応し、このインピーダンスの最大値に平行共振が対応する。

線質（quality）は、ＢＡＷ共振器における相対的なエネルギー損失により規定される。エネルギー損失は、音響漏洩（acoustic leakage）とも呼ばれる音響信号の漏洩（leaking）、電気効果（electrical effect）、または、積層における音波の粘性損失（viscous losses）（減衰（damping））のいずれかに基づくものである。図１Ａは、従来のＢＡＷ共振器の概略図であり、図示した形態は、共振周波数が約１８４０ＭＨｚのＢＡＷ共振器である。ＢＡＷ共振器１００は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などからなる圧電層１０２を備えている。さらに、ＢＡＷ共振器１００は、上部電極１０４を備えている。この上部電極１０４は、種々の金属層および誘電層から構成されていてもよい。さらに、ＢＡＷ共振器１００の下部電極１０６は、種々の金属層および誘電層から構成されていてもよい。

図示した例では、下部電極１０６は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）のようなインピーダンスの低い材料からなる第１層１０６ａと、例えば、タングステン（Ｗ）のような音響インピーダンスの高い材料からなる第２層１０６ｂとを備えている。

図示した例では、圧電層１０２の厚さは、１２００ｎｍである。上述のように、上部電極１０４は、厚さ約２００ｎｍのＡｌ層、および、厚さ約１５０ｎｍのＷ層などの複数の層を、上部電極１０４として備えていてもよい。下部電極１０６のＷ層１０６ａの厚さは、約１５０ｎｍであり、下部電極１０６のＡｌ層１０６ｂの厚さは、約２００ｎｍである。

図１Ａに記載のＢＡＷ共振器は、さらに、シリコン基板などの基板１０８を備えている。共振素子１００と対向する基板の表面上には、音響鏡または音響反射器１１０が形成されている。音響鏡または音響反射器１１０は、基板１０８と下部電極１０６との間に配置されている。音響鏡１１０は、音響インピーダンスの高い材料からなる層と音響インピーダンスの低い材料からなる層との複数の層１１２，１１４，１１６，１１８，１２０を備えている。音響インピーダンスの高い材料からなる層と、音響インピーダンスの低い材料からなる層とは交互に配置されている。鏡１１０は、上記のように、共振器の共振周波数が約１８４０ＭＨｚとなるように設計されている。ここでは、従来使用されているような、λ／４の鏡が用いられている。

第１層１１２は、音響インピーダンスの低い材料、例えば、二酸化ケイ素からなるものである。第２層１１４は、音響インピーダンスの高い材料、例えば、タングステンからなるものである。第３層１１６は、音響インピーダンスの低い材料、例えば、二酸化ケイ素からなるものである。第４層１１８は、音響インピーダンスの高い材料、例えば、タングステンからなるものである。第５層１２０は、音響インピーダンスの低い材料、例えば、二酸化ケイ素からなるものである。図示した例では、層１１２，１１６および１２０は、検討される共振周波数で同じ厚さ、例えば８１０ｎｍの二酸化ケイ素層であり、層１１４，１１８は、検討された共振周波数で同じ厚さ、例えば７１０ｎｍのＷ層である。

図１Ａに示した具体例では、音響鏡上のＢＡＷ共振器の一般的なＱ係数（Q-factor）は、約４００〜７００の範囲である。この値は、移動式電話分野におけるアプリケーションのＳＡＷ（SAW=surface acoustic wave 表面音波・表面弾性波）装置に対応するには十分である。しかし、この値は、例えば、アンテナ送受切替器（antenna duplexers）、または、例えば、ＵＳ−ＣＤＭＡフィルターまたはＷ−ＣＤＭＡフィルターといった、低損失／高選択性が要求される他のフィルターを形成するには不十分である。現在、市販されている送受切替器は、ＳＡＷフィルターの電力処理能力（power handling capability）が不十分であるため、大きなセラミック製の部品である。ＣＤＭＡフィルターは、多くの場合、中心周波数が異なる２つのフィルターを並列に接続して用いられる、いわゆる「分割帯域（split-band）」ＳＡＷフィルターから形成されている。これは、単一のＳＡＷフィルターの急遷移特性（steep transition characteristics）が不十分だからである。

しかしながら、ＢＡＷ共振器の線質が７００を上回る値にまで向上することは、ＣＤＭＡフィルターに大きな利益があるばかりではない。一般的に、共振器の線質が向上すると、フィルターの機能（例えば、フィルター帯域幅の増大および／または定在波率（standing wave ratio）が向上する。その結果、これら装置を大量生産するときの生産効率が、より良好なものとなる。

上記のような損失メカニズム（loss mechanisms）について、広く受け入れられているものではないが、ＢＡＷ共振器において有力なメカニズムに関する論理が存在している。これまで、損失メカニズムは、電極およびワイヤーのオーム抵抗による粘性損失（材料減衰(material damping)）および電気損失であると、主に推測されてきた。電気損失は、それらの損失の中心ではないことを示す特徴がある。粘性損失は、限定因子（limiting factor）ではないと考えられる。なぜなら、共振器の二次的音響モード（secondary acoustic modes）は、何度も、非常に高いＱ係数を有するからである。なお、非常に高いＱ係数とは、材料自体が音波の強い減衰を引き起こす場合には存在しないものである。このため、例えば、非特許文献１には、６８０００の線質（quality）を有するオーバーモード共振器（overmode resonators）の実験結果が記載されている。

干渉計測では、横音波（lateral acoustic waves）の、エネルギーの一部が損失することが示された。すなわち、エネルギー捕獲（energy trapping）が全く行われないことを意味している。この損失メカニズムを回避するため、横方向（lateral direction）に音波が逃げないように、活性領域（active area）の周囲に「中空（air）」溝(trench)（空隙（unfilled trench）を有する実験的な共振器が構成されてきた。この実験的構成では、Ｑ係数の変化が、従来の共振器素子と比較してほんの僅かであるという驚くべき結果となった。従って、側方音波によるエネルギー損失も主要なものではないことを示している。

未加工の（rough）基板背面（ウエハー背面）が、音響鏡を有するＢＡＷ共振器の二次的モードに大きく影響することは、既に実験的に示されている。すなわち、垂直波（vertical wave）が、損失の原因である可能性を示している。これを証明するために、背面を研磨したサンプルを用意した。研磨後、基板背面から音波が強く反射されることが分かった。この強い反射は、未加工の基板背面のサンプルには存在していなかったものである。従って、基板背面を研磨したサンプルでは、未加工の基板背面の場合に散乱によって損失する前に有する音波エネルギーが、上面に反射して、圧電層に供給される。さらに、本発明者等は、レーザー干渉分光法（laser interferometry）を用いることによって、上記背面に振動が存在することを示すことができた。音響鏡は、共振器素子の作動周波数（operation frequency）での縦波（longitudinal waves）を最適化するので、上記背面で観測される波は、横波（shear waves）であることを強く示している。

現時点では、ＢＡＷ共振器の音響鏡に関連する全ての刊行物には、縦波、すなわち、弾性偏向（elastic deflection）方向に伝播する波に対する鏡の反射率しか記載されていない。なぜなら、唯一縦波が、従来広く適応された圧電性薄膜層によって生成されることが明らかな波型だからである。さらに、この波型は、積層の定在波の状態によるＢＡＷ素子の主共振を決定するものである。音響鏡は、音響インピーダンスの高い層および音響インピーダンスの低い層の種々の層を備えるブラッグ反射器（Bragg reflectors）である。一般に使用される層厚は、縦波のλ／４（λ＝波長）の範囲の大きさ（dimension）に出来るだけ近いものである。この場合、主共振周波数（main resonance frequency）で最適反射率が得られるからである。

横波は、理想的な無限大の共振器では励振され（excited）ない。なぜなら、圧電結合（piezoelectrical coupling）が、主として（dominant）Ｃ軸結晶配向を有する圧電層の垂直電場（vertical electrical field）と横応力（shear stresses）との間に存在しないからである。従来技術では、薄層ＢＡＷ共振器における横波の影響を説明または記載した刊行物は知られていない。さらに、実際の共振器で横波が生成される理由は、３つある。
（ａ）ＢＡＷ共振器の圧電層では、傾斜した結晶粒界（tilted grain boundaries）が生じることがある。この傾斜が、ほんの一部分でも好ましい方向に傾いていれば、垂直場に、圧電層の横波が発生する。
（ｂ）共振器の端部では、活性領域と外部領域との間の境界領域が、特定の音響端部条件（acoustic edge conditions）を満たす必要がある。外部領域と活性領域との間の境界条件が、それぞれ十分に適合していないと、共振器の周辺で横波が生成されることがある。物理的に言えば、共振器の側面の境界壁（lateral boundary wall）から、全ての空間方向（当然、固体の範囲内のみ）、および、図１Ｂの概略図に示すあらゆる方向に偏向（polarizations）可能に伝播した音響拡散波を生成するようになる。図１Ｂは、共振器２００の概略図である。共振器２００は、図１Ａに示す電極１０４，１０６と、圧電層１０２とを備えている。鏡２０２を、概略的に示す。矢印２０４は、この装置の全活性領域における縦の励振である。矢印２０６，２０８は、共振器２００の端部で生じた拡散波である。拡散波は、縦成分２１０と（直線矢印）と、横波成分２１２（波状の矢印）とを含んでいる。
（ｃ）基板面（substrate plane）に対して必ずしも垂直ではない方向に移動する縦波２１０（図１Ｂ参照）の少なくとも一部は、異なる層の境界面２１４で、横波２１２に変換される。音響鏡２０２は、縦波を反射するように最適化されているため、横波２１２は、音響鏡２０２を容易に透過する。

音響共振器用のほとんどのフィルム材料のポアソン比（Poisson ratios）は、約０．１７〜０．３５の範囲である。通常、横波の速度は、縦波の速度の約半分である。それゆえ、縦波を反射するように設計されているλ／４の鏡では、横波を十分に反射されないことが容易に生じてしまう。実際、この鏡の層における音響層厚は、横波の約λ／２であり、この種の波の反射防止条件（すなわち、出来るだけ高い透過（transmission））に正確に対応している。

この状態を、図１Ａで示した大きさ（dimension）を有するＢＡＷ共振器を例に挙げて、図１Ｃを用いてより詳しく説明する。同図には、ＢＡＷ共振器に存在する縦波２１０および横波２１２の、１ＧＨｚ〜４ＧＨｚの周波数範囲にわたる、音響鏡１１０の透過率（transmittance）が図示されている。ここで、圧電層１０２の下側の全ての層、すなわち、図１Ａに示す例の層１０６ａ，１０６ｂ，１１２，１１４，１１６，１１８および１２０、特に、下部電極１０６の層１０６ａ，１０６ｂは、音響反射器としての働きを考慮されるということが分かる。その理由は、電極も、圧電層で生成する音波に対して反射効果を有しているからである。「反射率」特性は、圧電層１０２の下側に位置する全ての層にのみ大きな挙動を示し、それゆえ、「音響反射器」または「音響鏡」という用語により、その反射特性を考慮して、圧電層１０２と基板１０８との間に配置されている層全体を理解できる。

ｎ個の層（図１Ａでは、ｎ＝５個のブラッグ層＋２個の電極層＝７）を有する音響鏡の反射率を計算するために、長い直線(long line)（以下の等式（１）を参照）による終端抵抗器（terminating resistor）の変換方程式を使用してもよい。なお、この変換方程式とは、全インピーダンスＺ_i（非特許文献１参照）を得るための、いわゆるメーソンモデル（非特許文献２参照）から得られるものである。
Ｚ_i＝ｚ_i［Ｚ_i-1・ｃｏｓΘ_i＋ｉ・ｚ_i・ｓｉｎΘ_i／ｚ_i・ｃｏｓΘ_i＋ｉ・Ｚ_i-1・ｓｉｎΘ_i］（１）
ただし、
ｉ＝１...ｎ，ここで「１」は基板に隣接する層の数であり、「ｎ」は、圧電層に隣接す層の数である。
ｚ_i＝上記層ｉの音響インピーダンスである。
Ｚ_i-1＝上記層１から層ｉ−1の全体の音響インピーダンスである。
θ_i＝上記層ｉの全ての位相である。
θ_iは、以下の計算式に基づいて決定されている。
Θ_i＝ω・ｄ_i／ｖ_i （２）
ただし、
ｖ_i＝偏向状態に応じた、層ｉにおける音波の速度である。
ｄ_i＝層ｉの厚さである。
ω＝角周波数である。

例えば図１Ａのような、所定の積層では、基板１０８に隣接する第１層１１２の全ての入力インピーダンスを、上記の方程式を用いて計算することから始める。最初の計算では、Ｚ_i-1＝ｚ_sub＝基板インピーダンス、および、ｚ_i＝ｚ₁＝層１（図１Ａの層１１２）の音響インピーダンス、を当てはめる。次の層、すなわち、層２（図１Ａの層１１４）でも上記の方程式を使用する。ここでは、Ｚ_i-1＝Ｚ₁＝層１までに計算した全インピーダンス、および、層２についての他のパラメータを当てはめる。このような計算を、圧電層までの全ての層について繰り返す。

次に、鏡反射係数(mirror reflection coefficient)を、以下の計算式に従って計算する
Ｒ＝Ｚ_n−ｚ_p／Ｚ_n＋ｚ_p （３）
ただし、
Ｚ_n＝全ての鏡および電極層について計算したインピーダンスである。
Ｚ_p＝圧電層の音響インピーダンスである。

通常、反射係数は、反射係数の大きさが反射波（入射波の振幅に対応する反射波）の振幅を表わし、位相が反射波の反射波の有効位相跳躍（effective phase jump）を反映する、複雑な値（complex value）である。

上記の計算は、以下の表に例示した値の中から、音響インピーダンスと、波の速度（wave velocities）とが異なる波を用いることによって、縦波と横波とに適用できる。

上記の値に基づいて、縦波と横波とについて、鏡の反射率を計算することもできる。その結果を透過率ｄＢとして表す場合、以下のように計算する。
Ｔ_dB＝１０・ｌｏｇ（１−｜Ｒ｜²）
K.M. Lakin et al., IEEE Trans. Microwave Theory, ４１巻, １２号, １９９３年 Maison model; W.P.Mason, Physical Acoustics I, Part A, Academic Press, NY, １９９４年 M.J.S. Lowe, IEEE Trans. UFFC, ４２巻, ４号１９９５年

図１Ｃに示すように、鏡の透過率の曲線では、縦波２１０が約１．８ＧＨｚ（約−３８ｄＢ）の作動周波数範囲で非常に低い。すなわち、縦波は、約１．０〜２．７ＧＨｚの周波数範囲では、非常に強く反射されており、鏡の反射率が高い。これと比較して示す横波２１２についての鏡の透過率を考えると、作動周波数（１．８ＧＨｚ）の範囲における横波の透過率は、非常に高い（約−２ｄＢ）。すなわち、横波によって搬送されるエネルギーの大部分は、反射されず、ＢＡＷ共振器から漏洩し、失われるということが容易に分かる。

このような従来技術に鑑み、本発明の目的は、共振周波数での機能が向上した音響反射器を有するＢＡＷ共振器を提供することである。

上記目的は、請求項１に記載のＢＡＷ共振器により達成される。

本発明は、第１面および第１面に対向する第２面を有する圧電層と、圧電層の第１面上に配置されている第１電極と、圧電層の第２面上に配置されている第２電極と、基板と、基板と第２電極との間に配置されている音響反射器とを備え、上記音響反射器は、音響インピーダンスの高い材料からなる層と、音響インピーダンスの低い材料からなる層との複数の層とを含み、上記音響インピーダンスの高い層の領域と、音響インピーダンスの低い層の領域とが、交互に隣接して配置されており、音響反射器の機能（performance）が、ＢＡＷ共振器の共振周波数で、ＢＡＷ共振器に存在する縦波の反射率と、ＢＡＷ共振器の共振周波数で、ＢＡＷ共振器に存在する横波の反射率とから決定され、音響反射器の層、および、音響反射器と圧電層との間に配置されている層は、それらの層の数、材料および厚さを参照して、共振周波数での縦波の透過率と横波の透過率とが、−1０ｄＢ未満となるように選択する。

上記共振周波数での縦波の透過率と横波の透過率とが、−1５ｄＢ未満であることが好ましい。さらに好ましい実施形態では、上記共振周波数での縦波の透過率が−２０ｄＢ未満であり、上記共振周波数での横波の透過率が−１５ｄＢ未満である。

上記音響インピーダンスの低い層はＳｉＯ₂またはＡｌからなり、音響インピーダンスの高い層は、タングステンからなることが好ましい。

本発明の他の特徴（aspect）は、本発明のＢＡＷ共振器が、明確な所望の分散機能（unambiguous and desired dispersion performance）を有するように、音響反射器の層が選択されたＢＡＷ共振器を提供することである。縦の主共振と第１横調波（first shear harmonic wave）との間隔（distance）が、共振器の帯域幅よりも大きいことが好ましく、共振器の縦の主共振の帯域幅よりも大きいことが好ましい。

本発明のさらに他の特徴は、本発明の音響共振器を用いた複数のＢＡＷ共振器を有するフィルター回路を提供することである。ＢＡＷ共振器の共振器素子と音響反射器とは、共通の基板上に形成されていることが好ましい。

本発明の他の目的および特徴は、添付の図に関する以下の説明から明らかになるであろう。

図１Ａは、共振周波数が約１．８ＧＨｚである、従来の音響共振器を有するＢＡＷ共振器の概略図である。図１Ｂは、ＢＡＷ共振器の側面の境界壁での音響拡散波の形成の概略図である。図１Ｃは、図１Ａに示した従来の音響反射器の透過率曲線であって、ＢＡＷ共振器に存在する縦波、および、ＢＡＷ共振器に存在する横波の、０．１ＧＨｚ〜４ＧＨｚの透過率曲線である。図２Ａは、共振周波数が約１．８ＧＨｚであるＢＡＷ共振器の概略図であって、本発明の第１および第２実施形態の音響反射器を備えるＢＡＷ共振器の概略図である。図２Ｂは、第１実施形態の音響反射器の透過率曲線であって、ＢＡＷ共振器に存在する縦波、および、ＢＡＷ共振器に存在する横波の、０．１ＧＨｚ〜４ＧＨｚの透過率曲線である。図２Ｃは、第１実施形態の音響反射器を有するＢＡＷ共振器のメーソンモデルに基づくインピーダンス曲線であって、縦の材料パラメータと横波の材料パラメータとを用いた０．７ＧＨｚ〜２．１ＧＨｚのインピーダンス曲線である。図２Ｄは、第２実施形態の音響反射器の透過率曲線であって、ＢＡＷ共振器に存在する縦波、および、ＢＡＷ共振器に存在する横波の、０．１ＧＨｚ〜４ＧＨｚの透過率曲線である。図２Ｅは、第２実施形態の音響反射器を有するＢＡＷ共振器のメーソンモデルに基づくインピーダンス曲線であって、縦の材料パラメータ（２１０）と横波の材料パラメータ（２１２）とを用いた０．７ＧＨｚ〜２．１ＧＨｚのインピーダンス曲線である。図３は、本発明のＢＡＷ共振器を複数有するフィルターの概略図である。

以下の好ましい実施形態の説明では、個々の図面において類似する素子に類似または同じ符号をつけている。

本発明は、Ｑ係数が著しく向上したＢＡＷ共振器の音響鏡、または、音響反射器を提供する。本発明の音響反射器を有するＢＡＷ共振器は、特に、アンテナ送受切替器、および、例えば、ＵＳ−ＣＤＭＡフィルターまたはＷ−ＣＤＭＡフィルターといった、低損失と高選択性とが要求されるその他のフィルターアプリケーションなどの使用といった、７００よりも大きいＱ係数が要求されるアプリケーションに必須のものである。

本発明によれば、垂直方向への音響エネルギーの漏洩（音響漏洩）を防止した改善された音響反射器／音響鏡が提供される。ここで、垂直方向とは、換言すれば、素子の各層が互いの上部に配置された方向である。

本発明の好ましい第１実施形態では、音響鏡の反射率が、縦波および横波を本発明に基づき最適化される。

図２Ａに、本発明の音響鏡を備えているＢＡＷ共振器の第１実施形態を示す。この構成では、図２Ａに示す素子は、層の配列に関しては図１Ａに記載の素子と類似している。しかしながら、図２Ａの本発明では、音響鏡の各層厚が、選択されている。図１に記載のＢＡＷ共振器と同様に、図２ＡのＢＡＷ共振器の共振周波数は、約１８４０ＭＨｚである。図示した例では、さらに、下部電極１０６は、インピーダンスの低い材料、つまり、アルミニウム（Ａｌ）からなる第１層１０６ａと、インピーダンスの高い材料、つまり、タングステン（Ｗ）からなる第２層１０６ｂとを備えている。圧電層１０２の厚さは、１２００ｎｍである。上部電極１０４は、複数の層を備えていてもよい。ここでは、上部電極１０４のＡｌ層の厚さは、約２００ｎｍ、上部電極１０４のＷ層の厚さは、約１５０ｎｍである。下部電極１０６のＷ層１０６ａの厚さは、約１５０ｎｍであり、下部電極１０６のＡｌ層１０６ｂの厚さは、約２００ｎｍである。

音響反射器１１０の第１層１１２は、音響インピーダンスの低い層、例えば、厚さ約６００ｎｍのＳｉＯ₂層である。第２層１１４は、音響インピーダンスの高い材料からなる層、つまり、厚さ約５００ｎｍのタングステン層である。第３層１１６は、音響インピーダンスの低い層、つまり、厚さ約６００ｎｍのＳｉＯ₂層である。第４層１１８は、音響インピーダンスの高い材料からなる層、つまり、層厚が約５００ｎｍのタングステン層である。第５層１２０は、音響インピーダンスの低い材料からなる層、つまり、層厚が約８５０ｎｍのＳｉＯ₂層である。

図２Ａに基づいて説明する実施形態は、縦波と横波とを、鏡の反射率に交換（trade-off）する音響反射器を備えている。図２Ｂに、縦波２１０と横波２１２についての０．１ＧＨｚ〜４ＧＨｚの周波数範囲にわたる鏡の透過率を示す。１．８ＧＨｚの作動周波数の範囲では、横波２１２の鏡の透過率は、約−1８ｄＢであり、縦波の鏡の透過率は、約−３５ｄＢである。これにより、縦波と横波とが、作動周波数で、音響鏡によって、非常に強く反射されるようになる。

図１Ｂと比較すると、縦波の透過率が約３ｄＢわずかに増加し、横波の鏡の透過率が非常に減少することが容易に分かる。その結果、確実に、１．８ＧＨｚの共振周波数では、横波により搬送されるエネルギーも、本発明の音響反射器によって反射され、鏡から漏洩せず、損失しない。これにより、Ｑ係数が著しく向上し、７００を上回る。その結果、このようなＢＡＷ共振器は、上述のような低損失と高選択性とが要求される、切替器またはフィルター構造などの高いＱ係数が要求されるアプリケーションにも容易に利用できる。

これまで、共振器の機能を最適化するために、縦波および横波に対する鏡の線質の最適化が提案されてきた。しかし、ＢＡＷ共振器の積層には、別の特徴がある。すなわち、この積層は、鏡層の層厚によって非常に大きく影響し、しかも、共振器の機能にも大きく影響するという、いわゆる「分散型（dispertion type）」である。「分散型」は、ＷＯ０１／０６６４７Ａに詳しく記載されている。

分散型の正確な計算には、通常、多層システムの２次元音響理論（two-dimensional acoustict theory）が必要である（例えば、非特許文献３参照）。しかし、上記の１次元メーソンモデルを用いれも、分散機能の十分な概要が得られる。このため、第１ステップでは、積層の電気的インピーダンス機能を、当業者に公知の方法で計算する（例えば、縦の音響材料特性（longitudinal acoustic material properties）を用いる）。第２ステップでは、計算を繰り返す。しかし、２回目は横波材料パラメータを使用する（上記に記載の図を参照）。第２ステップで計算された特性インピーダンス曲線は、電気的関連性（electric relevance）がない。なぜなら、このような定在垂直波（standing sheer wave）は、ｃ軸配向された圧電層の鉛直方向の電場によって励振できないからである。しかし、特性曲線の共振は、定在横波（standing shear wave）を有する機械的共振が生じる可能性のある周波数を示している。従って、分散型は、縦の主共振と第１横調波との間隔から得られる。第１横調波が、縦の主共振を下回る場合、これをＷＯ０１／０６６４７ＡではＩ型分散と称し、その逆の場合、ＩＩ型分散と称している。

２つの分散型により、スプリアスモード（spurious modes）を参照して共振器の機能を最適化できる。しかしながら、いずれの型も、大きく異なる形状の端部設計（edge design）が要求される（ＷＯ０１／０６６４７Ａ参照）。従って、第１横調波と縦の主共振とが共に非常に接近して存在する（すなわち、縦の共振の帯域幅よりも上記の間隔が小さい）いまの場合、一方の分散型は他方の分散型に遷移（transition）するため、分散型が、明確に特定されないことが容易に分かる。この場合、どちらの端部設計をスプリアスモードの抑制のために使用するか不明であるという不利益がある。

図２Ｃに、本発明の第１実施形態（図２Ａ）のメーソンモデルを用いた上記の計算の結果を示す。図２Ｃは、第１実施形態（図２Ａを参照）の音響反射器を有するＢＡＷ共振器における、０．７ＧＨｚ〜２．１ＧＨｚのインピーダンス曲線を示している。符号２１０は、図２Ｂと同じく、縦の材料パラメータのインピーダンス曲線であり、符号２１２は、図２Ｂと同じく、横波材料パラメータのインピーダンス曲線である。図２Ｃにおいて、符号２１４は、第１横調波を示し、符号２１６は、縦の主共振を示し、符号２１８は、横の主共振を示す。この場合に、まさしく上記に記載の不利益が生じることが分かる。この状況を回避するために、本特許明細書にしたがって、鏡の機能を最適化する。すなわち、端部条件（edge condition）は、第１横長波と縦の主共振との間隔が、縦の主共振の帯域幅よりも大きいという条件を満たすとよい。この条件は、鏡の層配列の適切な量を明らかに制限し、最適化を妨げる。しかしながら、最近の最適化プログラムは、このような二次的条件（secondary condition）を、問題なく考慮することができる。

二次的条件を伴うこのような最適化の例を、図２Ｄおよび図２Ｅに示す。層の配列は、同じく第１実施形態と同一である。しかし、各層の厚さは以下のように選択されている。最下層１１２は、２６００ｎｍのＳｉＯ₂層，層１１４（タングステン），層１１６（ＳｉＯ₂），および層１１８（タングステン）の厚さは、それぞれ５００ｎｍである。層１２０（ＳｉＯ₂）の厚さは、１０００ｎｍである。残りの積層は、圧電層上のタングステン層を除いて、既述の実施形態と同一である。ここでは、圧電層上のタングステン層の厚さを、周波数修正のために、１３０ｎｍに減らしている（この層は、圧電層上にあるので、音響反射器の機能に何ら影響しないが、分散機能に影響するため）。本発明によると、縦波と横波とを参照する鏡の機能が非常によく（図２Ｄ）、分散機能は、明らかにＩ型（図２Ｅ）である。

以下に、他の実施形態を示す。上記の積層とは異なり、この実施形態では、窒化シリコン（簡潔にするとＳｉＮ）からなる保護層（passivation layer）が、最上層（共振器の上部電極の上部層）としてさらに備えられている。以下に示す周波数拡散性（frequency scalability）の最適化のため、この積層の層厚は、絶対層厚を示さず、各層の縦波長λ_longに対応する厚さとして示されている。その結果、以下の表に記載の値が得られる。こられの厚さの偏差は２０％未満でなければならない。

上述の好ましい実施形態に関して、本発明は、当然、それらに限定されるものではない。好ましい実施形態に関して、本発明は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を圧電層として備えている共振器素子を含むＢＡＷ共振器に限定されるものではない。代わりに、例えば、ＰＺＴまたはＺｎＯを圧電材料として用いてもよい。上述の電極材料に関して、本発明は、タングステンとアルミニウムとの組み合わせに限定されるものではなく、代わりに、単一層の電極、または、音響インピーダンスの高い材料と音響インピーダンスの低い材料との他の組み合わせを使用してもよい。さらに、各層の間に、薄い中間層が存在していてもよい。この中間層としては、例えば、プライミング（priming）用の半導体技術で一般的なもの、シード層（seed layers）、またはエッチング停止（etch stop）層などがある。これらの層は、一般的に非常に薄く、音響的に考慮する必要がないため、ここでは説明していない。

本発明はシリコン基板に限定されるものではなく、上記のシリコン基板およびその基板上に貼り付けられた構造の代わりに、当業者により使用される他の適当な基板を使用してもよい。

好ましい実施形態の音響反射器に使用される材料に関して、本発明は、音響インピーダンスの低い材料としてＳｉＯ₂を使用することに限定されるものではなく、他の適当な音響インピーダンスの低い材料も使用してもよい。音響インピーダンスの高い材料として使用されるタングステンの代わりに、モリブデン、白金および窒化チタンなど、他の音響インピーダンスの高い材料を使用してもよい。音響インピーダンスの高い２層の音響鏡の代わりに、３層以上の音響鏡を使用してもよい。実施形態から想定できるように、基板上の第１層は、音響インピーダンスの低い層である必要は全くない。

他の特徴によると、本発明は、例えば図３に基づいて説明したようなフィルター構造を提供する。このフィルター構造は、複数のＢＡＷ共振器Ｒ₁，Ｒ₂，Ｒ₃を備えている。これらＢＡＷ共振器は、入力ポート（input port）ＩＮと出力ポート（output port）ＯＵＴとの間に、フィルターの支線(branch)に直列配置されている。共振器Ｒ₁〜共振器Ｒ₃は、いわゆるフィルターの直列共振を与える。さらに、このフィルター構造に記載の例では、共振器Ｒ₄，Ｒ₅を備えている。これら共振器は、フィルターの支線に並列配置されており、フィルターの並列共振を与える。

さらに、本願に記載の方法は、いわゆる「積層結晶フィルター（stacked crystal filters）」の音響反射器の最適化にも使用できることが分かる。

従って、本発明によれば、ＢＡＷ共振器の機能を向上できる（Ｑ係数が７００より大きい）。なぜなら、本発明では、複数の音響反射器の層と、音響反射器と圧電層との間に配置されている層との層の数、材料、および厚さを参照して、共振周波数で、縦波の透過率と横波の透過率とが、−1０ｄＢ未満になるように選択するためである。このことを、例えば、上記の鏡によって実現する。しかし、上記の内容を考慮すれば、当業者にとって、他の鏡構造でも実現できるとことは明らかである。

共振周波数が約１．８ＧＨｚである、従来の音響共振器を有するＢＡＷ共振器の概略図である。ＢＡＷ共振器の側面の境界壁での音響拡散波の形成の概略図である。図１Ａに示した従来の音響反射器の透過率曲線であって、ＢＡＷ共振器に存在する縦波、および、ＢＡＷ共振器に存在する横波の、０．１ＧＨｚ〜４ＧＨｚの透過率曲線である。共振周波数が約１．８ＧＨｚであるＢＡＷ共振器の概略図であって、本発明の第１および第２実施形態の音響反射器を備えるＢＡＷ共振器の概略図である。第１実施形態の音響反射器の透過率曲線であって、ＢＡＷ共振器に存在する縦波、および、ＢＡＷ共振器に存在する横波の、０．１ＧＨｚ〜４ＧＨｚの透過率曲線である。第１実施形態の音響反射器を有するＢＡＷ共振器のメーソンモデルに基づくインピーダンス曲線であって、縦の材料パラメータと横波の材料パラメータとを用いた０．７ＧＨｚ〜２．１ＧＨｚのインピーダンス曲線である。第２実施形態の音響反射器の透過率曲線であって、ＢＡＷ共振器に存在する縦波、および、ＢＡＷ共振器に存在する横波の、０．１ＧＨｚ〜４ＧＨｚの透過率曲線である。第２実施形態の音響反射器を有するＢＡＷ共振器のメーソンモデルに基づくインピーダンス曲線であって、縦の材料パラメータ（２１０）と横波の材料パラメータ（２１２）とを用いた０．７ＧＨｚ〜２．１ＧＨｚのインピーダンス曲線である。本発明のＢＡＷ共振器を複数有するフィルターの概略図である。

Claims

第１面および第１面に対向する第２面を有する圧電層（１０２）と、
圧電層（１０２）の第１面上に配置されている第１電極（１０４）と、
圧電層（１０２）の第２面上に配置されている第２電極（１０６）と、
基板（１０８）と、
基板（１０８）と第２電極（１０６）との間に配置されている音響反射器（１１０）とを備え、
上記音響反射器（１１０）は、音響インピーダンスの高い材料からなる層と、音響インピーダンスの低い材料からなる層との複数の層を含み、
上記音響インピーダンスの高い層の領域と、音響インピーダンスの低い層の領域とが、交互に隣接して配置されており、
音響反射器（１１０）の機能が、ＢＡＷ共振器（１００）の共振周波数でＢＡＷ共振器（１００）に存在する縦波（２１０）の反射率と、ＢＡＷ共振器（１００）の共振周波数でＢＡＷ共振器（１００）に存在する横波（２１２）の反射率とから決定され、
音響反射器（１１０）の層、および、音響反射器（１１０）と圧電層（１０２）との間に配置されている層（１０６ａ，１０６ｂ）は、これらの層の数、材料および厚さを参照して、共振周波数での縦波の透過率と横波の透過率とが、−1０ｄＢ未満となるように選択される、ＢＡＷ共振器（１００）。
上記共振周波数での縦波の透過率と横波の透過率とが、−1５ｄＢ未満である、請求項１に記載のＢＡＷ共振器（１００）。
上記共振周波数での縦波の透過率が−２０ｄＢ未満であり、
上記共振周波数での横波の透過率が−１５ｄＢ未満である、請求項１または２に記載のＢＡＷ共振器（１００）。
音響共振器（１００）の層は、ＢＡＷ共振器が明確な所望の分散機能を有するように選択されている、請求項１〜３のいずれかに記載のＢＡＷ共振器（１００）。
音響共振器（１００）の層は、縦の主共振（２１６）と第１横調波（２１４）との間隔が、上記共振器の帯域幅よりも大きくなるように選択されている、請求項４に記載のＢＡＷ共振器（１００）。
音響共振器（１００）の層は、縦の主共振（２１６）と第１横調波（２１４）との間隔が、上記共振器の縦の主共振（２１６）の帯域幅よりも大きくなるように選択されている、請求項５に記載のＢＡＷ共振器（１００）。
上記音響反射器（１００）は、音響インピーダンスの低い第１層（１１２）と、音響インピーダンスの高い第２層（１１４）と、音響インピーダンスの低い第３層（１１６）と、音響インピーダンスの高い第４層（１１８）と、音響インピーダンスの低い第５層（１２０）とを備えている、請求項１〜６のいずれかに記載のＢＡＷ共振器（１００）。
上記音響インピーダンスの低い層（１１２，１１６，１２０）が二酸化ケイ素層であり、
上記音響インピーダンスの高い層（１１４，１１８）はタングステン層である、請求項７に記載のＢＡＷ共振器（１００）。
下記の表に記載の層配列を備えたＢＡＷ共振器（１００）であって、

上記層厚は、各層の縦波長λ_longに対する層厚であり、
これらの層厚の偏差が２０％未満である、請求項７または８に記載のＢＡＷ共振器（１００）。
請求項１〜８のいずれかに記載のＢＡＷ共振器（Ｒ₁〜Ｒ₅）を複数備えたフィルター回路。
複数のＢＡＷ共振器（Ｒ₁〜Ｒ₅）の共振器素子と音響反射器とが、共通の基板上に形成されている、請求項１０に記載のフィルター回路。