JP5563739B2 - 圧電薄膜共振器、フィルタ、デュープレクサ、通信モジュール、および通信装置 - Google Patents
圧電薄膜共振器、フィルタ、デュープレクサ、通信モジュール、および通信装置 Download PDFInfo
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Description
図1は、本実施の形態における圧電薄膜共振器の第1の構成の平面図である。図2(a)は、図1におけるA−A部の断面図である。図2(b)は、図1及び図2(a)に示す圧電薄膜共振器における音響インピーダンスを示す。図1及び図2に示すように、本実施の形態の圧電薄膜共振器は、基板14上に、圧電膜13を挟持した上部電極11及び下部電極12とを備えている。上部電極11と下部電極12とが互いに対向した領域が共振部R1であり、その周辺の非共振領域が非共振部R2である。共振部R1の下方には、空隙15または音響多層膜(不図示)が形成されている。共振部R1において発生した波は、共振部R1の端部で反射するか(反射波W11)、非共振部R2に漏洩する(漏洩波W12)。
図11Aは、本実施形態に係る共振器の第1実施例の要部平面図である。図11Bは、図11AにおけるA−A部の断面図である。本実施例の圧電薄膜共振器は、基板14と、圧電膜13と、圧電膜13を挟持するように配された上部電極11及び下部電極12と、上部電極11上における非共振部R2に形成された低抵抗電極(Au、Al等)からなるコンタクト電極21と、上部電極11上の傾斜部11aに配された質量体16aとを備えている。質量体16aは、図11Aに示すように上部電極11の端部に沿うように形成され、その端部に対向する部位には形成されていない。
図12Aは、本実施形態に係る共振器の第2実施例の要部平面図である。図12Bは、図12AにおけるA−A部の断面図である。本実施例に示す構成において、実施例1に示す構成と異なるのは、質量体の形状である。本実施例では、図12Aに示すように、質量体16bの形状を、上部電極11の端部だけでなく、その端部に対向する部位まで延在して形成されていることを特徴としている。さらに、質量体16bは、共振部R1の全周囲を囲むのではなく、一部に開口部16cを設けている。この開口部16cから、弾性波W11の一部が漏洩波W12として、非共振部R12に漏れていく。
図13Aは、本実施形態に係る共振器の第3実施例の要部平面図である。図13Bは、図13AにおけるA−A部の断面図である。本実施例に示す構成において、実施例1に示す構成と異なるのは、質量体の形状である。本実施例では、図13Aに示すように、質量体16dの形状を、上部電極11の端部だけでなく、その端部に対向する部位まで延在して形成されていることを特徴としている。さらに、質量体16dは、共振部R1の全周囲を囲むのではなく、一部に開口部16e(実施例2の開口部16cと同様)及び16fを設けている。この開口部16e及び16fから、弾性波W11の一部が漏洩波W12として、非共振部R12に漏れていく。
図14Aは、本実施形態に係る共振器の第4実施例の要部平面図である。図14Bは、図14AにおけるA−A部の断面図である。本実施例の圧電薄膜共振器は、基板14と、圧電膜13と、圧電膜13を挟持するように配された上部電極11及び下部電極12と、上部電極11上における非共振部R2に形成された低抵抗電極(Au、Al等)からなるコンタクト電極21と、上部電極11の傾斜部11aに配された第1の質量体17aと、上部電極11の傾斜部11bに配された第2の質量体18aとを備えている。第1の質量体17aは、圧電体、誘電体あるいは金属で構成されている。第2の質量体18aは、第1の質量体17aとは異なる材料で構成された圧電体、誘電体あるいは金属で構成されている。第1の質量体17a及び第2の質量体18aは、例えば窒化アルミニウム(AlN),チタン酸ジルコン酸鉛(PZT),酸化ケイ素(SiO2),酸化チタン(TiO2),ルテニウム(Ru),モリブデン(Mo),金(Au),チタン(Ti),銅(Cu),タングステン(W),およびアルミニウム(Al)のうちいずれか一つあるいはいずれか一つを主成分とする合成材料で形成することができる。また、第1の質量体17a及び第2の質量体18aの膜厚、幅、配置は、例えば前述した汎用の圧電解析ソフトを用いたシミュレーションから求めることができ、より最適には実験から導出することが望ましい。また、上部電極11の傾斜部11aおよび下部電極12の傾斜部12aは、イオンミリング装置を用いて切削することで形成することができる。また、第1の質量体17a及び第2の質量体18aは、スパッタリング法を用いて堆積したのち、ドライエッチング、またはウエットエッチングにより形成することができる。
図15Aは、本実施形態に係る共振器の第5実施例の要部平面図である。図15Bは、図15AにおけるA−A部の断面図である。本実施例に示す構成において、実施例4に示す構成と異なるのは、第2の質量体18aに代えて、コンタクト電極21の一部を傾斜部11b上まで延在させた点である。また、第1の質量体17aは、コンタクト電極21と異なる材料で形成され、例えば実施例4の欄に記載した材料で形成することができる。
図16Aは、本実施形態に係る共振器の第6実施例の要部平面図である。図16Bは、図16AにおけるA−A部の断面図である。本実施例の圧電薄膜共振器は、基板14と、圧電膜13と、圧電膜13を挟持するように配された上部電極11及び下部電極12と、上部電極11上における非共振部R2に形成された低抵抗電極(Au、Al等)からなるコンタクト電極21と、第3の質量体19aと、第4の質量体20aとを備えている。第3の質量体19aは、上部電極11の傾斜部11a上における非共振部R2に近い位置から、非共振部R2にかけて配されていることが望ましい。本実施例では、傾斜部11a上から、上部電極11の端部近傍における圧電膜13上に接する位置に配されている。また、第3の質量体19aは、圧電体もしくは誘電体で形成することが望ましい。第4の質量体20aは、第3の質量体19a上に積層されて形成されている。また、第3の質量体19a及び第4の質量体20aは、例えば窒化アルミニウム(AlN),チタン酸ジルコン酸鉛(PZT),酸化ケイ素(SiO2),酸化チタン(TiO2),ルテニウム(Ru),モリブデン(Mo),金(Au),チタン(Ti),銅(Cu),タングステン(W),アルミニウム(Al)で形成することができる。また、第3の質量体19a及び第4の質量体20aの膜厚、幅、配置は、例えば前述した汎用の圧電解析ソフトを用いたシミュレーションから求めることができ、より最適には実験から導出することが望ましい。また、上部電極11の傾斜部11aおよび下部電極12の傾斜部12aは、イオンミリング装置を用いて切削することで形成することができる。また、第3の質量体19a及び第4の質量体20aは、スパッタリング法を用いて堆積したのち、ドライエッチング、またはウエットエッチングにより形成することができる。
図17Aは、本実施形態に係る共振器の第7実施例の要部平面図である。図17Bは、図17AにおけるA−A部の断面図である。本実施例に示す構成において、実施例6に示す構成と異なるのは、上部電極11における傾斜部11aに対向する位置に形成された傾斜部11bに、第2の質量体18a(実施例4参照)を配した点である。他の構成は、実施例6に示す構成と同様である。また、第2の質量体18aの具体構成については、実施例4において説明したので省略するが。第2の質量体18aの質量と第3の質量体19a及び第4の質量体20aの総質量とは、少なくとも異ならせてあればよい。
図18Aは、本実施形態に係る共振器の第8実施例の要部平面図である。図18Bは、図18AにおけるA−A部の断面図である。本実施例に示す構成において、実施例7に示す構成と異なるのは、第2の質量体18aに代えて、コンタクト電極21の一部を傾斜部11b上まで延在させた点である。また、第1の質量体17aは、コンタクト電極21と異なる材料で形成され、例えば実施例4の欄に記載した材料で形成することができる。
図19A〜図19Cは,圧電薄膜共振子の製造プロセスを説明するための図である。図示の圧電薄膜共振器は、実施例4に示す圧電薄膜共振器において基板14の表面と下部電極12との間に空隙を形成した構成を一例として挙げている。
携帯電話端末、PHS(Personal Handy-phone System)端末、無線LANシステムなどの移動体通信(高周波無線通信)には、デュープレクサが搭載されている。デュープレクサは、通信電波などの送信機能及び受信機能を持ち、送信信号と受信信号の周波数が異なる無線装置において用いられる。
図21は、本実施の形態の圧電薄膜共振器または上記デュープレクサを備えた通信モジュールの一例を示す。図21に示すように、デュープレクサ62は、受信フィルタ62aと送信フィルタ62bとを備えている。また、受信フィルタ62aには、例えばバランス出力に対応した受信端子63a及び63bが接続されている。また、送信フィルタ62bは、パワーアンプ64を介して送信端子65に接続している。ここで、受信フィルタ62a及び送信フィルタ62bには、本実施の形態における圧電薄膜共振器が含まれている。
図22は、本実施の形態の圧電薄膜共振器を備えた通信装置の一例として、携帯電話端末のRFブロックを示す。また、図22に示す構成は、GSM(Global System for Mobile Communications)通信方式及びW−CDMA(Wideband Code Divition Multiple Access)通信方式に対応した携帯電話端末の構成を示す。また、本実施の形態におけるGSM通信方式は、850MHz帯、950MHz帯、1.8GHz帯、1.9GHz帯に対応している。また、携帯電話端末は、図22に示す構成以外にマイクロホン、スピーカー、液晶ディスプレイなどを備えているが、本実施の形態における説明では不要であるため図示を省略した。ここで、受信フィルタ73a,77,78,79,80、および送信フィルタ73bには、本実施の形態における圧電薄膜共振器が含まれている。
本実施の形態によれば、上下電極が対向して形成される領域とその外側の領域の境界で、境界の一部の音響インピーダンスがそれより内側の領域の音響インピーダンスより大きくなるよう上部電極11上に質量体16を付加したことにより、圧電膜13中に横モードの波を閉じ込めることができ、かつ一部の境界には質量付加しないことから、質量付加しない個所を適切に選ぶことで、横モードの定在波の強度が大きくなることを防止することができる。よって、横波のエネルギー散逸を防止しながら従来例より電気機械結合係数の低下を抑制し、帯域幅が狭くなることを防ぐことができる。また、定在波モードの増大を抑圧することができ、共振点より低周波側に大きなスパイク状の損失点(スプリアス)が発生することを防止することができる。
基板と、前記基板上に配され、一部が互いに対向するように配置された上部電極及び下部電極と、前記上部電極と前記下部電極との間に配された圧電膜とを備えた圧電薄膜共振器であって、前記上部電極上に配された質量体を備え、前記質量体は、前記上部電極における前記下部電極に対向する領域の端部の一部に配されている、圧電薄膜共振器。
前記質量体は、前記上部電極と前記下部電極とが対向して形成される領域とその外側の領域との境界における前記圧電膜の一部の見かけの音響インピーダンスが、前記境界より内側の領域における前記圧電膜の見かけの音響インピーダンスより大きくなる位置に配されている、付記1記載の圧電薄膜共振器。
前記質量体は、前記上部電極と前記下部電極とが対向して形成される領域とその外側の領域との境界における、前記上部電極の端部と一致する境界の前記圧電膜の見かけの音響インピーダンスと、前記上部電極の端部と一致しない境界の前記圧電膜の見かけの音響インピーダンスとが異なるように配されている、付記1記載の圧電薄膜共振器。
前記質量体は、少なくとも一部が誘電体あるいは圧電体を含み、前記誘電体あるいは圧電体が前記上部電極と接している、付記1〜3のいずれかに記載の圧電薄膜共振器。
前記上部電極は、前記下部電極に対向する領域と、その領域よりも外側の領域との境界において、90°未満の傾斜部を備えている、付記1〜3のいずれかに記載の圧電薄膜共振器。
前記質量体は、チタン(Ti)および金(Au)を含む、付記1〜4に記載の圧電薄膜共振器。
前記上部電極と前記下部電極とが対向して形成される領域が、前記上部電極の主平面の法線方向に見た時の形状が楕円形状である、付記1〜3に記載の圧電薄膜共振器。
前記上部電極と前記下部電極とが対向して形成される領域が、前記上部電極の主平面の法線方向に見た時の形状が非方形の多角形である、付記1〜3に記載の圧電薄膜共振器。
前記傾斜部は、ドライエッチング処理により形成された、付記8記載の圧電薄膜共振器。
前記圧電膜は、窒化アルミニウム(AlN)で形成されている、付記1〜3に記載の圧電薄膜共振器。
前記誘電体は、酸化ケイ素(SiO2)で形成されている、付記4記載の圧電薄膜共振器。
前記上部電極及び前記下部電極は、少なくとも前記圧電膜に接する部分がルテニウム(Ru)で形成されている、付記1〜9に記載の圧電薄膜共振器。
付記1〜12のいずれかに記載の圧電薄膜共振器を備えた、フィルタ。
付記13に記載のフィルタを備えた、デュープレクサ。
付記13に記載のフィルタ、または付記14に記載のデュープレクサを備えた、通信モジュール。
付記15に記載の通信モジュールを備えた、通信装置。
12 下部電極
13 圧電膜
14 基板
16 質量体
Claims (14)
- 基板と、
前記基板上に配され、一部が互いに対向するように配置された上部電極及び下部電極と、
前記上部電極と前記下部電極との間に配された圧電膜とを備えた圧電薄膜共振器であって、
前記上部電極上に配された質量体を備え、
前記上部電極は、前記下部電極に対向する領域と、その領域よりも外側の領域との境界において、90°未満の傾斜部を備えているとともに、
前記質量体は、前記傾斜部上に配されているとともに、
前記質量体は、前記上部電極の端部だけでなく、一部に開口部を設けながら、前記端部に対向する部位まで延在され、かつ、
前記質量体は、
前記上部電極と前記下部電極とが対向して形成される領域とその外側の領域との境界における、前記上部電極の端部と一致する境界の前記圧電膜の見かけの音響インピーダンスと、前記上部電極の端部と一致しない境界の前記圧電膜の見かけの音響インピーダンスとが異なるように配されている、
圧電薄膜共振器。 - 前記質量体は、
前記上部電極と前記下部電極とが対向して形成される領域とその外側の領域との境界における前記圧電膜の一部の見かけの音響インピーダンスが、前記境界より内側の領域における前記圧電膜の見かけの音響インピーダンスより大きくなる位置に配されている、請求項1記載の圧電薄膜共振器。 - 前記質量体は、
少なくとも一部が誘電体あるいは圧電体を含み、前記誘電体あるいは圧電体が前記上部電極と接している、請求項1または2記載の圧電薄膜共振器。 - 前記質量体は、
チタン(Ti)および金(Au)を含む、請求項1〜3に記載の圧電薄膜共振器。 - 前記上部電極と前記下部電極とが対向して形成される領域が、前記上部電極の主平面の法線方向に見た時の形状が楕円形状である、請求項1または2に記載の圧電薄膜共振器。
- 前記上部電極と前記下部電極とが対向して形成される領域が、前記上部電極の主平面の法線方向に見た時の形状が非方形の多角形である、請求項1または2に記載の圧電薄膜共振器。
- 前記傾斜部は、
ドライエッチング処理により形成された、請求項6に記載の圧電薄膜共振器。 - 前記圧電膜は、
窒化アルミニウム(AlN)で形成されている、請求項1または2に記載の圧電薄膜共振器。 - 前記誘電体は、
酸化ケイ素(SiO2)で形成されている、請求項3に記載の圧電薄膜共振器。 - 前記上部電極及び前記下部電極は、
少なくとも前記圧電膜に接する部分がルテニウム(Ru)で形成されている、請求項1〜7に記載の圧電薄膜共振器。 - 請求項1〜10のいずれかに記載の圧電薄膜共振器を備えた、フィルタ。
- 請求項11に記載のフィルタを備えた、デュープレクサ。
- 請求項11に記載のフィルタ、または請求項12に記載のデュープレクサを備えた、通信モジュール。
- 請求項13に記載の通信モジュールを備えた、通信装置。
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