JP5713027B2 - 弾性表面波フィルタ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、弾性表面波フィルタ装置に関する。特に、本発明は、ラダー型弾性表面波フィルタ部を有する弾性表面波フィルタ装置に関する。
従来、例えば携帯電話機などの通信機におけるRF(Radio Frequency)回路に搭載される帯域通過フィルタや分波器として、弾性表面波を利用した弾性表面波フィルタ装置が用いられている。そのような弾性表面波フィルタ装置の一例として、例えば下記の特許文献1には、ラダー型弾性表面波フィルタ部を有する弾性表面波フィルタ装置が記載されている。特許文献1には、ラダー型弾性表面波フィルタ部を構成する複数の弾性表面波共振子において、各弾性表面波共振子のIDT電極の上に保護膜を設け、並列腕弾性表面波共振子におけるIDT電極の上の保護膜の厚さと、直列腕弾性表面波共振子におけるIDT電極の上の保護膜の厚さとを異ならせることにより、フィルタ特性を急峻にすると共に、通過帯域における周波数特性を平坦にすることが記載されている。
特開2000−196409号公報
しかしながら、特許文献1に記載の弾性表面波フィルタ装置では、通過帯域内にリップルが発生してしまう場合があるという問題がある。
本発明は、斯かる点に鑑みて成されたものであり、その目的は、急峻なフィルタ特性を有すると共に、通過帯域が広く、かつ通過帯域内におけるリップルが抑圧された弾性表面波フィルタ装置を提供することにある。
本発明に係る弾性表面波フィルタ装置のある広い局面では、レイリー波を主モードとして利用し、ラダー型弾性表面波フィルタ部を備えている。ラダー型弾性表面波フィルタ部は、直列腕と、直列腕共振子と、並列腕と、並列腕共振子とを有する。直列腕共振子は、直列腕において接続されている。並列腕は、直列腕とグラウンドとを接続している。並列腕共振子は、並列腕に設けられている。直列腕共振子と並列腕共振子とのそれぞれは、圧電基板と、IDT電極と、誘電体層とを有する弾性表面波共振子により構成されている。IDT電極は、圧電基板の上に形成されている。誘電体層は、IDT電極を覆うように形成されている。圧電基板がLiNbO 基板からなり、オイラー角(φ,θ,ψ)において、θが25°〜45°の範囲内にあり、ψが直列腕共振子を構成する弾性表面波共振子における弾性表面波の伝搬方位及び並列腕共振子を構成する弾性表面波共振子における弾性表面波の伝搬方位である。直列腕共振子を構成する弾性表面波共振子の誘電体層が、並列腕共振子を構成する弾性表面波共振子の誘電体層よりも厚くされており、直列腕共振子を構成する弾性表面波共振子のψが0°±1°の範囲内にあり、並列腕共振子を構成する弾性表面波共振子のψが1°〜8°の範囲内にある。直列腕共振子を構成する弾性表面波共振子における弾性表面波の伝搬方位が、並列腕共振子を構成する弾性表面波共振子における弾性表面波の伝搬方位に対してなす角度が、0°より大きく8°以下である。
本発明に係る弾性表面波フィルタ装置の他の広い局面では、レイリー波を主モードとして利用し、ラダー型弾性表面波フィルタ部を備えている。ラダー型弾性表面波フィルタ部は、直列腕と、直列腕共振子と、並列腕と、並列腕共振子とを有する。直列腕共振子は、直列腕において接続されている。並列腕は、直列腕とグラウンドとを接続している。並列腕共振子は、並列腕に設けられている。直列腕共振子と並列腕共振子とのそれぞれは、圧電基板と、IDT電極と、誘電体層とを有する弾性表面波共振子により構成されている。IDT電極は、圧電基板の上に形成されている。誘電体層は、IDT電極を覆うように形成されている。圧電基板がLiNbO基板からなり、オイラー角(φ,θ,ψ)において、θが25°〜45°の範囲内にあり、ψが直列腕共振子を構成する弾性表面波共振子における弾性表面波の伝搬方位及び並列腕共振子を構成する弾性表面波共振子における弾性表面波の伝搬方位である。直列腕共振子を構成する弾性表面波共振子の誘電体層が、並列腕共振子を構成する弾性表面波共振子の誘電体層よりも薄くされており、直列腕共振子を構成する弾性表面波共振子のψが1°〜8°の範囲内にあり、並列腕共振子を構成する弾性表面波共振子のψが0°±1°の範囲内にある。直列腕共振子を構成する弾性表面波共振子における弾性表面波の伝搬方位が、並列腕共振子を構成する弾性表面波共振子における弾性表面波の伝搬方位に対してなす角度が、0°より大きく8°以下である。
なお、本発明において、オイラー角(φ,θ,ψ)とは、圧電基板の切断面と弾性表面波の伝搬方向を表現するものである。本発明において、オイラー角(φ,θ,ψ)は、文献「弾性波素子技術ハンドブック」(日本学術振興会弾性波素子技術第150委員会、第1版第1刷、平成13年11月30日発行、549頁)記載の右手系オイラー角である。すなわち、圧電基板の結晶軸X、Y、Zに対し、Z軸を軸としてX軸を反時計廻りにφ回転しXa軸を得る。次に、Xa軸を軸としてZ軸を反時計廻りにθ回転しZ′軸を得る。Xa軸を含み、Z′軸を法線とする面を圧電基板の切断面とする。そして、Z′軸を軸としてXa軸を反時計廻りにψ回転した軸X′方向を弾性表面波の伝搬方向とする。また、オイラー角の初期値として与える圧電基板の結晶軸X、Y、Zは、Z軸をc軸と平行とし、X軸を等価な3方向のa軸のうち任意の1つと平行とし、Y軸はX軸とZ軸を含む面の法線方向とする。
本発明に係る弾性表面波フィルタ装置のさらに他の特定の局面では、並列腕共振子を構成する弾性表面波共振子のψが3.5°〜6.5°の範囲内にある。
本発明に係る弾性表面波フィルタ装置のまた他の特定の局面では、直列腕共振子を構成する弾性表面波共振子のψが3.5°〜6.5°の範囲内にある。
本発明に係る弾性表面波フィルタ装置のまた別の特定の局面では、誘電体層は、SiO層を含む。なお、誘電体層は、SiO層のみにより構成されていてもよいし、SiO層を含む積層体により構成されていてもよい。
本発明に係る弾性表面波フィルタ装置のまたさらに他の特定の局面では、直列腕共振子の圧電基板と、並列腕共振子の圧電基板とが共通の圧電基板により構成されている。
本発明によれば、急峻なフィルタ特性を有すると共に、通過帯域が広く、かつ通過帯域内におけるリップルが抑圧された弾性表面波フィルタ装置を提供することができる。
図1は、本発明の一実施形態に係る弾性表面波フィルタ装置の等価回路図である。 図2は、本発明の一実施形態における弾性表面波フィルタチップの模式的透視平面図である。 図3は、本発明の一実施形態における直列腕共振子を構成している弾性表面波共振子の一部分の略図的断面図である。 図4は、本発明の一実施形態における並列腕共振子を構成している弾性表面波共振子の一部分の略図的断面図である。 図5は、比較例1の弾性表面波フィルタ装置の送信フィルタのフィルタ特性と、比較例2の弾性表面波フィルタ装置の送信フィルタのフィルタ特性とを表すグラフである。 図6は、本発明の一実施形態に係る弾性表面波フィルタ装置の送信フィルタのフィルタ特性と、比較例1の弾性表面波フィルタ装置の送信フィルタのフィルタ特性とを表すグラフである。 図7は、本発明の一実施形態に係る弾性表面波フィルタ装置の送信フィルタのフィルタ特性と、比較例2の弾性表面波フィルタ装置の送信フィルタのフィルタ特性とを表すグラフである。 図8は、比較例3の弾性表面波フィルタ装置の送信フィルタのフィルタ特性を表すグラフである。 図9は、本発明の一実施形態に係る弾性表面波フィルタ装置の送信フィルタのフィルタ特性を表すグラフである。 図10は、実験例において作製した1ポート型弾性表面波共振子のIDT電極の模式的平面図である。 図11は、ψ=0°であるときの1ポート型弾性表面波共振子のインピーダンス特性を表すグラフである。 図12は、ψ=0°であるときの1ポート型弾性表面波共振子のリターンロスを表すグラフである。 図13は、ψ=2.5°であるときの1ポート型弾性表面波共振子のインピーダンス特性を表すグラフである。 図14は、ψ=2.5°であるときの1ポート型弾性表面波共振子のリターンロスを表すグラフである。 図15は、ψ=5.0°であるときの1ポート型弾性表面波共振子のインピーダンス特性を表すグラフである。 図16は、ψ=5.0°であるときの1ポート型弾性表面波共振子のリターンロスを表すグラフである。 図17は、ψ=7.5°であるときの1ポート型弾性表面波共振子のインピーダンス特性を表すグラフである。 図18は、ψ=7.5°であるときの1ポート型弾性表面波共振子のリターンロスを表すグラフである。 図19は、ψ=10°であるときの1ポート型弾性表面波共振子のインピーダンス特性を表すグラフである。 図20は、ψ=10°であるときの1ポート型弾性表面波共振子のリターンロスを表すグラフである。 図21は、オイラー角(φ,θ,ψ)のψとSH波に起因するリップルのリターンロスの大きさとの関係を表すグラフである。 図22は、実験例の1ポート型弾性表面波共振子において、IDT電極の電極指を短絡させていないときのレイリー波及びSH波それぞれの音速、並びにIDT電極の電極指を短絡させたときのレイリー波及びSH波それぞれの音速を表すグラフである。 図23は、酸化ケイ素からなる誘電体膜の膜厚と、TCFとの関係を表すグラフである。 図24は、酸化ケイ素からなる誘電体膜の膜厚と、IDT電極のフィンガー部の幅が1nm変化したときの周波数の変化量との関係を表すグラフである。
以下、本発明を実施した好ましい形態について、図1に示す弾性表面波フィルタ装置1を例に挙げて説明する。本実施形態の弾性表面波フィルタ装置1は、ラダー型弾性表面波フィルタ部を有する、デュプレクサである。デュプレクサは、分波器の一種である。但し、本発明に係る弾性表面波フィルタ装置は、デュプレクサに限定されない。本発明に係る弾性表面波フィルタ装置は、ラダー型弾性表面波フィルタ部を有するものである限りにおいて特に限定されず、トリプレクサなどの他の分波器であってもよいし、入力信号端子または出力信号端子の少なくとも一方が共通に接続されていない複数のフィルタ部を含むものであってもよいし、ひとつのラダー型弾性表面波フィルタ部のみを有するものであってもよい。
図1は、本実施形態に係る弾性表面波フィルタ装置1の等価回路図である。図2は、本実施形態における弾性表面波フィルタチップの模式的透視平面図である。図3は、本実施形態における直列腕共振子S1,S2,S3を構成している弾性表面波共振子30の一部分の略図的断面図である。図4は、本実施形態における並列腕共振子P1,P2,P3を構成している弾性表面波共振子40の一部分の略図的断面図である。
本実施形態の弾性表面波フィルタ装置1は、例えば、UMTSのようなCDMA方式に対応する携帯電話機などのRF回路に搭載されるものである。具体的には、弾性表面波フィルタ装置1は、UMTS−BAND3に対応するデュプレクサである。UMTS−BAND3の送信周波数帯は、1710MHz〜1785MHzであり、受信周波数帯は、1805MHz〜1880MHzである。このように、UMTS−BAND3においては、送信側周波数帯が受信側周波数帯よりも低周波数側に位置している。
図1に示すように、弾性表面波フィルタ装置1は、アンテナに接続されるアンテナ端子10と、送信側信号端子11と、受信側信号端子12とを備えている。アンテナ端子10と受信側信号端子12との間には、受信フィルタ13が接続されている。本実施形態において受信フィルタ13の構成は、特に限定されない。受信フィルタ13は、例えば、縦結合共振子型弾性表面波フィルタ部により構成されていてもよいし、ラダー型弾性表面波フィルタ部により構成されていてもよい。なお、図1においては、ひとつの受信側信号端子12のみを描画しているが、受信フィルタ13が平衡−不平衡変換機能を有するバランス型のフィルタ部により構成されている場合は、2つの受信側信号端子が設けられる。
アンテナ端子10と送信側信号端子11との間には、送信フィルタ20が接続されている。送信フィルタ20と受信フィルタ13との接続点とアンテナ端子10との間の接続点と、グラウンドとの間には、整合回路としてのインダクタLが接続されている。
送信フィルタ20は、ラダー型弾性表面波フィルタ部により構成されている。送信フィルタ20は、アンテナ端子10と送信側信号端子11とを接続している直列腕21を有する。直列腕21には、複数の直列腕共振子S1,S2,S3が直列に接続されている。なお、直列腕共振子S1,S2,S3は、それぞれ、ひとつの共振子として機能する複数の弾性表面波共振子によって構成されている。これにより、送信フィルタ20の耐電力性が高められている。もっとも、本発明においては、直列腕共振子は、ひとつの共振子として機能する複数の弾性表面波共振子によって構成されていてもよいし、ひとつの弾性表面波共振子によって構成されていてもよい。
送信フィルタ20は、直列腕21とグラウンドとの間に接続されている複数の並列腕22,23,24を有する。並列腕22,23,24のそれぞれには、並列腕共振子P1,P2,P3が設けられている。並列腕共振子P1,P2,P3のそれぞれは、ひとつの共振子として機能する複数の弾性表面波共振子により構成されている。これにより、送信フィルタ20の耐電力性が高められている。もっとも、本発明においては、並列腕共振子は、ひとつの共振子として機能する複数の弾性表面波共振子によって構成されていてもよいし、ひとつの弾性表面波共振子によって構成されていてもよい。
次に、図3及び図4を参照しながら、直列腕共振子S1,S2,S3を構成している弾性表面波共振子30と、並列腕共振子P1,P2,P3を構成している弾性表面波共振子40との構成について説明する。
弾性表面波共振子30,40は、圧電基板31を備えている。すなわち、弾性表面波共振子30,40は、圧電基板31を共有している。
弾性表面波共振子30は、IDT電極32と、誘電体層33とを有する。IDT電極32は、圧電基板31の主面31aの上に形成されている。誘電体層33は、IDT電極32と圧電基板31の主面31aとの上に形成されている。すなわち、誘電体層33によりIDT電極32が覆われている。一方、弾性表面波共振子40は、IDT電極42と、誘電体層43とを有する。IDT電極42は、圧電基板31の主面31aの上に形成されている。誘電体層43は、IDT電極42と圧電基板31の主面31aとの上に形成されている。すなわち、誘電体層43によりIDT電極42が覆われている。
IDT電極32,42は、1組の櫛歯状電極により構成されている。櫛歯状電極は、複数の電極指と、複数の電極指が接続されているバスバーとを有する。図3及び図4では、IDT電極32,42のうち、電極指の部分のみが図示されている。
本実施形態の送信フィルタ20では、レイリー波を主モードとしている。そのため、圧電基板31は、LiNbO基板により構成されている。より具体的には、本実施形態では、圧電基板31は、オイラー角(φ,θ,ψ)のθが25°〜45°の範囲にあるLiNbO基板により構成されている。このため、レイリー波の電気機械結合係数を大きくすることができ、送信フィルタ20の通過帯域を広くすることができる。なお、φは、0°±5°の範囲内であることが好ましい。
もっとも、本発明において、圧電基板は、LiNbO基板により構成されていなくてもよい。圧電基板は、例えば、LiTaO基板や水晶基板等により構成されていてもよい。以下、本実施形態においては、圧電基板31が、オイラー角が(0°,37.5°,ψ)であるLiNbO基板により構成されている例について説明する。この場合、送信フィルタ20では、ψの方向に伝搬するレイリー波を主モードとする。すなわち、ψが伝搬方位となる。なお、オイラー角が(0°,37.5°,ψ)であるLiNbO基板は、別の表現では、127.5°YカットX伝搬LiNbO基板となる。
IDT電極32,42は、特に限定されない。IDT電極32,42は、例えば、Al,Pt,Cu,Au,Ag,W,Ni,Cr,Ti,Co及びTaからなる群から選ばれた金属、もしくは、Al,Pt,Cu,Au,Ag,W,Ni,Cr,Ti,Co及びTaからなる群から選ばれた一種以上の金属を含む合金により形成することができる。また、IDT電極32,42は、上記金属や合金からなる複数の導電膜の積層体により構成されていてもよい。具体的には、本実施形態では、IDT電極32,42は、共に、圧電基板31側から、NiCr層(厚さ10nm)と、Pt層(厚さ40nm)と、Ti層(厚さ10nm)と、Al層(厚さ150nm)と、Ti層(厚さ10nm)とがこの順番で積層された積層体により構成されている。すなわち、IDT電極32とIDT電極42とでは、同一の層構成となっている。本実施形態では、IDT電極32,42は、レイリー波を主モードとすることができるように構成されている。
誘電体層33,43は、例えば、SiO,SiN,SiON,Ta,AlN,Al,ZnOなどの各種誘電体材料により形成することができる。また、誘電体層33,43は、例えば、上記誘電体材料からなる複数の誘電体層の積層体により構成されていてもよい。なかでも、誘電体層33,43は、SiO層を含むことが好ましい。この場合、SiO層は正の周波数温度係数(TCF:Temperature Coefficient of Frequency)を有し、LiNbO基板は負の周波数温度係数を有することから、誘電体層33,43の周波数温度係数と、圧電基板31の周波数温度係数との符号が逆になるため、送信フィルタ20の周波数温度特性を改善することができる。具体的には、本実施形態では、誘電体層33,43は、SiO層33a,43aとSiN層33b,43bとの積層体により構成されている。SiO層33a,43aは、IDT電極32,42と圧電基板31の主面31aとを覆うように形成されている。SiN層33b,43bは、SiO層33a,43aの上に形成されている。なお、SiN層33b,43bは、その厚さを調整することにより、送信フィルタ20の周波数を調整するための周波数調整膜として機能する。SiN層33b,43bの厚さは、例えば、20nm程度とすることができる。
本実施形態においては、SiO層33aの厚さが670nmであり、SiO層43aの厚さが370nmである。このため、直列腕共振子S1,S2,S3を構成している弾性表面波共振子30における誘電体層33の厚さt1が、並列腕共振子P1,P2,P3を構成している弾性表面波共振子40における誘電体層43の厚さt2よりも厚い(t1>t2)。ここで誘電体層の厚さは、誘電体層または電極指に当接する圧電基板の表面から誘電体層の圧電基板側と反対側の表面までの距離である。ただし1波長内において誘電体層の表面形状に起伏があって厚みが均一でない場合、電極指間に分布する誘電体層の上記厚みの算術平均値とする。さらにIDTを覆う誘電体層の厚みが全体として一様でない場合は、弾性波が伝搬する方向のIDTの中央部の電極指間の厚みを、t1およびt2の値とする。
図2に、本実施形態の弾性表面波フィルタ装置1における弾性表面波フィルタチップである、送信フィルタチップ50を示す。送信フィルタチップ50には、送信フィルタ20の直列腕共振子S1,S2,S3及び並列腕共振子P1,P2,P3を構成する複数の弾性表面波共振子30,40が形成されている。
図2に示すように、本実施形態では、直列腕共振子S1,S2,S3を構成している弾性表面波共振子30における弾性表面波の伝搬方位A1が、並列腕共振子P1,P2,P3を構成している弾性表面波共振子40における弾性表面波の伝搬方位A2と異ならされている。具体的には、圧電基板31であるLiNbO基板のオイラー角(φ,θ,ψ)において、弾性表面波共振子30ではψが0°とされており、弾性表面波共振子40ではψが−5°とされている。このように、伝搬方位A1が伝搬方位A2に対してなす角度が、0°より大きく8°以下となるように弾性表面波共振子30,40が形成されている。すなわち、本実施形態では、図2に示すように、直列腕共振子を構成しているIDT電極32において生じる弾性表面波の伝搬方位A1と、並列腕共振子を構成しているIDT電極42において生じる弾性表面波の伝搬方位A2との差が0°より大きく8°以下となるように(すなわち、直列腕共振子と並列腕共振子とで弾性表面波の伝搬角の差が0°より大きく8°以下となるように)、IDT電極32,42が形成されている。
UMTS−BAND3では、送信周波数帯と受信周波数帯とは20MHzしか離れていない。このように、送信周波数帯と受信周波数帯との間隔が狭いシステムに対応するデュプレクサにおいては、送信フィルタ及び受信フィルタの少なくとも一方は、急峻性が高いフィルタ特性を有することや周波数温度特性が優れていることが求められる。より詳細には、送信周波数帯が受信周波数帯よりも低域側に位置する場合、送信フィルタは、通過帯域高域側の急峻性が高いフィルタ特性を有することが求められる。また、送信周波数帯が受信周波数帯よりも高域側に位置する場合、送信フィルタは、通過帯域低域側の急峻性が高いフィルタ特性を有することが求められる。
ここで、送信フィルタがラダー型弾性表面波フィルタ部により構成されている場合、通過帯域高域側の急峻性が高いフィルタ特性を実現するためには、直列腕共振子を構成している弾性表面波共振子のΔf(共振周波数と反共振周波数との周波数差)を小さくすることが必要となる。これは、直列腕共振子を構成している弾性表面波共振子のΔfが、通過帯域高域側の急峻性に大きく影響するためである。一方、通過帯域低域側の急峻性が高いフィルタ特性を実現するためには、並列腕共振子を構成している弾性表面波共振子のΔfを小さくすることが必要となる。これは、並列腕共振子を構成している弾性表面波共振子のΔfが、通過帯域低域側の急峻性に大きく影響するためである。
弾性表面波共振子においては、IDT電極と圧電基板の主面とを覆うように形成されている誘電体層を厚くすることにより、Δfを小さくすることができる。特に、圧電基板がLiNbO基板またはLiTaO基板である弾性表面波共振子の場合、SiO層を含む誘電体層とし、誘電体層を厚くすることにより、Δfを小さくすることができるとともに、周波数温度特性を改善することができる。送信フィルタの通過帯域高域側の急峻性と通過帯域低域側の急峻性との両方を改善する観点からは、直列腕共振子及び並列腕共振子の両方を構成している弾性表面波共振子において、誘電体層を厚くすることが考えられる。
送信フィルタ20を構成している弾性表面波共振子30,40における誘電体層33,43の厚さを370nmとした弾性表面波フィルタ装置を比較例1として用意し、送信フィルタ20を構成している弾性表面波共振子30,40における誘電体層33,43の厚さを670nmとした弾性表面波フィルタ装置を比較例2として用意した。図5に、比較例1の弾性表面波フィルタ装置の送信フィルタのフィルタ特性と、比較例2の弾性表面波フィルタ装置の送信フィルタのフィルタ特性とを示す。図5において、実線が比較例1を示し、破線が比較例2を示す。
比較例1では、送信フィルタの直列腕共振子及び並列腕共振子の両方を構成している弾性表面波共振子において、誘電体層を薄くしたため、全ての弾性表面波共振子のΔfが大きくなる。このため、図5から分かるように、通過帯域幅が広くなる一方で、通過帯域高域側の急峻性と通過帯域低域側の急峻性との両方が低くなっている。そのため、比較例1では、UMTS−BAND3の受信周波数帯における減衰量が不十分となっている。
また、比較例2では、送信フィルタの直列腕共振子及び並列腕共振子の両方を構成している弾性表面波共振子において、誘電体層を厚くしたため、全ての弾性表面波共振子のΔfが小さくなる。このため、図5から分かるように、通過帯域高域側の急峻性と通過帯域低域側の急峻性との両方が高くなる一方で、通過帯域幅が狭くなっている。そのため、比較例2では、UMTS−BAND3の送信周波数帯に対応する通過帯域幅が実現できていない。このように、直列腕共振子を構成している弾性表面波共振子における誘電体層の厚さと並列腕共振子を構成している弾性表面波共振子における誘電体層の厚さとを等しくした場合は、高い急峻性と、広い通過帯域幅とを有するフィルタ特性を実現することは困難である。
図6に、本実施形態の弾性表面波フィルタ装置1の送信フィルタ20のフィルタ特性と、比較例1の弾性表面波フィルタ装置の送信フィルタのフィルタ特性とを示す。図6において、実線が本実施形態を示し、破線が比較例1を示す。図7に、本実施形態の弾性表面波フィルタ装置1の送信フィルタ20のフィルタ特性と、比較例2の弾性表面波フィルタ装置の送信フィルタのフィルタ特性とを示す。図7において、実線が本実施形態を示し、破線が比較例2を示す。
上述のように、本実施形態の弾性表面波フィルタ装置1の送信フィルタ20においては、直列腕共振子S1,S2,S3を構成している弾性表面波共振子30における誘電体層33の厚さt1が、並列腕共振子P1,P2,P3を構成している弾性表面波共振子40における誘電体層43の厚さt2よりも厚くされている。そのため、本実施形態では、図6に示すように、比較例1とほぼ同等の広さの通過帯域幅を得ることができる。さらに、図7に示すように、比較例2と同等の急峻性を得ることができる。
本実施形態では、直列腕共振子S1,S2,S3を構成している弾性表面波共振子30における誘電体層33が厚くされていることにより、弾性表面波共振子30のΔfが小さくなり、通過帯域高域側の急峻性が高くなっている。一方、並列腕共振子P1,P2,P3を構成している弾性表面波共振子40における誘電体層43が薄くされていることにより、弾性表面波共振子40のΔfが大きくなり、通過帯域幅が広くなっている。すなわち、直列腕共振子S1,S2,S3を構成している弾性表面波共振子30における誘電体層33の厚さt1が、並列腕共振子P1,P2,P3を構成している弾性表面波共振子40における誘電体層43の厚さt2よりも厚くされている本実施形態では、高い急峻性と、広い通過帯域幅とを有するフィルタ特性を実現することができる。あるいは、直列腕共振子S1,S2,S3を構成している弾性表面波共振子30における誘電体層33の厚さt1が、並列腕共振子P1,P2,P3を構成している弾性表面波共振子40における誘電体層43の厚さt2よりも薄くされている実施形態でも、高い急峻性と、広い通過帯域幅とを有するフィルタ特性を実現することができる。誘電体層33の厚さt1が小さくなることで、弾性表面波共振子30のΔfが大きくなるため通過帯域幅が広くなる。誘電体層43の厚さt2が大きくなることで、弾性表面波素子40のΔfが小さくなるため、通過帯域低域側の急峻性が高くなるためである。
ここで、直列腕共振子S1、S2、S3および並列腕共振子P1、P2、P3の波長をそれぞれ、λ(S1)、λ(S2)、λ(S3)およびλ(P1)、λ(P2)、λ(P3)とする。
誘電体層を形成しないLiTaO基板におけるリーキ波のTCFが約−35[ppm/℃]である。図23に、直列腕共振子S1,S2,S3の、酸化ケイ素からなる誘電体層33の膜厚と、TCFとの関係を示す。図23において、縦軸がTCF[ppm/℃]であり、横軸が酸化ケイ素からなる誘電体膜の膜厚[nm]を波長λで規格化した波長規格化膜厚である。図23に示す結果から、誘電体層の波長規格化厚みを23%以上とすることにより、LiTaO基板におけるリーキ波のTCFを−35[ppm/℃]より小さくできることが分かる。従って、誘電体層33の波長規格化厚みを23%以上とすることが好ましいことが分かる。
誘電体層33の厚さt1と誘電体層43の厚さt2との差が大きくなると、IDT電極の電極指の幅が単位長さ変化したときの周波数の変化量が大きくなる傾向がある。また、周波数帯域幅は、直列腕共振子S1,S2,S3のIDT電極の最大波長と並列腕共振子P1,P2,P3のIDT電極の最小波長への依存度が高い傾向がある。ここで、一般的なIDT電極の形成精度の観点から許容される電極指の幅の変化量が40[nm]であるとき、これに対応する周波数の変化許容量は2.5[MHz]である。図24は、酸化ケイ素からなる誘電体膜の膜厚と、IDT電極のフィンガー部の幅が1nm変化したときの周波数の変化量との関係を表すグラフである。図24に示す結果から、誘電体層33の波長規格化厚みと誘電体層43の波長規格化厚みとの差を16.6%以下とすることにより、周波数の変化許容量を2.5[MHz]以下にできることが分かる。
ところで、本実施形態のように、送信フィルタ20がレイリー波を主モードとして利用するものである場合、不要波であるSH波に起因するリップルが通過帯域内に発生する場合がある。通常は、このSH波に起因するリップルは、圧電基板であるLiNbO基板のオイラー角(φ,θ,ψ)のθを調整することにより抑圧されている。具体的には、LiNbO基板のオイラー角(φ,θ,ψ)のθを、25°〜45°、特に好ましくは37.5°とすることにより、SH波の電気機械結合係数が十分に小さくなり、SH波に起因するリップルが抑圧されている。ラダー型弾性表面波フィルタ部において、直列腕共振子を構成している弾性表面波共振子と並列腕共振子を構成している弾性表面波共振子とで誘電体層の厚さが等しくされていれば、この手法により、SH波に起因するリップルを抑圧することができる。
しかしながら、本実施形態では、ラダー型弾性表面波フィルタ部により構成されている送信フィルタ20において、直列腕共振子S1,S2,S3を構成している弾性表面波共振子30における誘電体層33の厚さt1が、並列腕共振子P1,P2,P3を構成している弾性表面波共振子40における誘電体層43の厚さt2よりも厚い(t1>t2)。ここで、レイリー波を主モードとして利用する場合、複数の弾性表面波共振子で誘電体層の厚さが異なると、SH波の電気機械結合係数を小さくするために最適なθの値も異なる。
このため、例えば、直列腕共振子を構成している弾性表面波共振子と並列腕共振子を構成している弾性表面波共振子とを1つの圧電基板を用いて形成するにあたって、直列腕共振子を構成している弾性表面波共振子と並列腕共振子を構成している弾性表面波共振子とで誘電体層の厚さが異なると、直列腕共振子を構成している弾性表面波共振子においてSH波の電気機械結合係数を十分に小さくするために最適なθを選択すると、選択したθは、並列腕共振子を構成している弾性表面波共振子においては最適な値ではなくなる。
すなわち、直列腕共振子を構成している弾性表面波共振子と並列腕共振子を構成している弾性表面波共振子とを1つの圧電基板を用いて形成するにあたって、直列腕共振子を構成している弾性表面波共振子と並列腕共振子を構成している弾性表面波共振子とで誘電体層の厚さが異なる場合には、直列腕共振子を構成している弾性表面波共振子と並列腕共振子を構成している弾性表面波共振子との両方において、SH波の電気機械結合係数を小さくするために、直列腕共振子と並列腕共振子とのいずれにも最適なθを設定することができない。従って、圧電基板のオイラー角θの設定のみによって、SH波に起因するリップルを直列腕共振子と並列腕共振子とのいずれに対しても最適に抑圧することは困難である。その具体例を以下に示す。
送信フィルタ20において、直列腕共振子S1,S2,S3を構成している弾性表面波共振子30における弾性表面波の伝搬方位A1が、並列腕共振子P1,P2,P3を構成している弾性表面波共振子40における弾性表面波の伝搬方位A2と等しくされている弾性表面波フィルタ装置を比較例3として用意した。すなわち、比較例3では、伝搬方位A1が伝搬方位A2に対してなす角度が0°となるように弾性表面波共振子30,40が形成されている。具体的には、直列腕共振子S1,S2,S3を構成している弾性表面波共振子30と、並列腕共振子P1,P2,P3を構成している弾性表面波共振子40とにおいて、圧電基板であるLiNbO基板のオイラー角(φ,θ,ψ)のψは0°とされている。図8に、比較例3の弾性表面波フィルタ装置の送信フィルタのフィルタ特性を示す。
比較例3の弾性表面波フィルタ装置では、圧電基板であるLiNbO基板のオイラー角(φ,θ,ψ)のθが37.5°とされていることにより、直列腕共振子を構成している弾性表面波共振子において生じるSH波の電気機械結合係数がゼロとなっている。図8に示すように、比較例3の弾性表面波フィルタ装置では、並列腕共振子を構成している弾性表面波共振子において生じるSH波の電気機械結合係数が十分に小さくならないため、SH波に起因するリップルが十分に抑圧されていない。
それに対して本実施形態では、直列腕共振子S1,S2,S3を構成している弾性表面波共振子30における弾性表面波の伝搬方位A1が、並列腕共振子P1,P2,P3を構成している弾性表面波共振子40における弾性表面波の伝搬方位A2と異ならされている。具体的には、圧電基板31であるLiNbO基板のオイラー角(φ,θ,ψ)において、弾性表面波共振子30ではψが0°とされており、弾性表面波共振子40ではψが−5°とされており、伝搬方位A1が伝搬方位A2に対してなす角度が、0°より大きく8°以下となるように弾性表面波共振子30,40が形成されている。すなわち、本実施形態では、図2に示すように、直列腕共振子S1,S2,S3を構成している弾性表面波共振子30における弾性表面波の伝搬方位A1と、並列腕共振子P1,P2,P3を構成している弾性表面波共振子40における弾性表面波の伝搬方位A2との差が0°より大きく8°以下となるように(すなわち、弾性表面波共振子30と弾性表面波共振子40とで弾性表面波の伝搬角の差が0°より大きく8°以下となるように)、IDT電極32,42が形成されている。
本実施形態では、弾性表面波共振子30のψが0°であるときに、弾性表面波共振子30において生じるSH波の電気機械結合係数がゼロになるように、圧電基板31のオイラー角(φ,θ,ψ)のθが37.5°とされている。このとき、弾性表面波共振子30,40で誘電体層33,43の厚さが異なるため、弾性表面波共振子40において生じるSH波の電気機械結合係数を小さくするために最適なθの値は37.5°とは異なるが、弾性表面波共振子40のψが−5°とすることにより、弾性表面波共振子40において生じるSH波の電気機械結合係数がゼロにすることができる。
このように、直列腕共振子を構成している弾性表面波共振子と並列腕共振子を構成している弾性表面波共振子とで誘電体層の厚さが異なっていても、直列腕共振子を構成している弾性表面波共振子において生じるSH波の電気機械結合係数が小さくなるように圧電基板であるLiNbO基板のオイラー角(φ,θ,ψ)のθを設定した場合に、並列腕共振子を構成している弾性表面波共振子における弾性表面波の伝搬方位(ψ)を調整することで、並列腕共振子を構成している弾性表面波共振子において生じるSH波の電気機械結合係数を小さくすることができる。その結果、SH波に起因するリップルを抑圧することができる。
オイラー角(φ,θ,ψ)のφ及びθは、弾性表面波を伝搬する圧電基板のカット面を決定する角度であり、ψは弾性表面波の伝搬方向を決定する角度である。従って、図2に示すように、同一のカット面の圧電基板上で、弾性表面波共振子30における弾性表面波の伝搬方位A1と弾性表面波共振子40における弾性表面波の伝搬方位A2とを異ならせることにより、SH波の電気機械結合係数が異なる条件を得ることができる。
図9に、本実施形態の弾性表面波フィルタ装置1の送信フィルタ20のフィルタ特性を示す。図9に示すように、本実施形態では、高い急峻性と、広い通過帯域幅とを有するフィルタ特性を実現すると共に、通過帯域内におけるSH波に起因するリップルを抑圧することができる。
本実施形態では、弾性表面波共振子30のψが0°とされていたが、ψが0°±1°であればよい。本実施形態では、弾性表面波共振子30のψが0°±1°であるときに、弾性表面波共振子30において生じるSH波の電気機械結合係数がゼロになるように、圧電基板31のオイラー角(φ,θ,ψ)のθが37.5°とされており、弾性表面波共振子40のψが−5°とされていたが、伝搬方位A1が伝搬方位A2に対してなす角度が1°〜8°、好ましくは、3.5°〜6.5°となるような角度であればよい。これにより、弾性表面波共振子40において生じるSH波の電気機械結合係数がゼロにすることができる。但し、本発明は、この構成に限定されない。弾性表面波共振子30,40のψは、IDT電極32,42の厚さ及び誘電体層33,43の厚さなどを考慮した上で、最適な値とされていればよい。
次に、弾性表面波共振子30のψが0°±1°であるときに、弾性表面波共振子40のψが1°〜8°であることが好ましく、3.5°〜6.5°であることがより好ましく、約5°であることがさらに好ましい理由について、実験例に基づいて詳細に説明する。
まず、上記実施形態の並列腕共振子を構成している弾性表面波共振子40と実質的に同様の構成を有する、図10に示すような1ポート型弾性表面波共振子を、圧電基板31であるLiNbO基板のオイラー角(0°,37.5°,ψ)のψを0°〜10°の範囲で種々変化させて複数作製した。なお、この1ポート型弾性表面波共振子の構成は、本実施形態のIDT電極32,42と同様である。
次に、グラウンド端子とシグナル端子を持つプローブを用いて、1ポート型弾性表面波共振子のインピーダンス特性及びリターンロスを測定した。結果を、図11〜図20に示す。なお、図10において、Gはグラウンド端子を持つプローブを示し、Sはシグナル端子を持つプローブを示す。
図11は、ψ=0°であるときの1ポート型弾性表面波共振子のインピーダンス特性を表すグラフである。図12は、ψ=0°であるときの1ポート型弾性表面波共振子のリターンロスを表すグラフである。図13は、ψ=2.5°であるときの1ポート型弾性表面波共振子のインピーダンス特性を表すグラフである。図14は、ψ=2.5°であるときの1ポート型弾性表面波共振子のリターンロスを表すグラフである。図15は、ψ=5.0°であるときの1ポート型弾性表面波共振子のインピーダンス特性を表すグラフである。図16は、ψ=5.0°であるときの1ポート型弾性表面波共振子のリターンロスを表すグラフである。図17は、ψ=7.5°であるときの1ポート型弾性表面波共振子のインピーダンス特性を表すグラフである。図18は、ψ=7.5°であるときの1ポート型弾性表面波共振子のリターンロスを表すグラフである。図19は、ψ=10°であるときの1ポート型弾性表面波共振子のインピーダンス特性を表すグラフである。図20は、ψ=10°であるときの1ポート型弾性表面波共振子のリターンロスを表すグラフである。図21は、圧電基板31であるLiNbO基板のオイラー角(φ,θ,ψ)のψとSH波に起因するリップルのリターンロスの大きさとの関係を表すグラフである。
図11〜図21に示す結果より、ψを0°より大きくかつ8°より小さくすることにより、並列腕共振子を構成している弾性表面波共振子において生じるSH波に起因するリップルを抑圧できることが分かる。
次に、IDT電極の電極指を短絡させていないときのレイリー波及びSH波それぞれの音速、並びにIDT電極の電極指を短絡させたときのレイリー波及びSH波それぞれの音速を求めた。その結果を、図22に示す。図22に示す結果から、IDT電極の電極指を短絡させていないときのレイリー波及びSH波それぞれの音速、並びにIDT電極の電極指を短絡させたときのレイリー波及びSH波それぞれの音速は、圧電基板であるLiNbO基板のψ=0°を境界として正負で対称となっていることが分かる。従って、ψを0°より小さくかつ−8°より大きくすることによっても、並列腕共振子を構成している弾性表面波共振子において生じるSH波に起因するリップルを抑圧できることが分かる。
次に、本実施形態の送信フィルタ20の製造方法の一例について説明する。
まず、圧電基板31上にIDT電極32,42を形成する。IDT電極32,42は、例えば、蒸着法やスパッタリング法により形成することができる。好ましくは、蒸着法を用いたリフトオフ・プロセスにより形成される。
次に、IDT電極32,42と圧電基板31の主面31aとの上に、IDT電極32,42を覆うように、SiO層を形成する。SiO層は、例えば、バイアススパッタリング法などにより形成することができる。次に、形成したSiO層の表面をエッチバック工法により平坦化する。
次に、SiO層におけるIDT電極32の上に位置する部分に、レジストなどからなるマスクを形成し、SiO層におけるIDT電極42の上に位置する部分をエッチングすることにより、SiO層33a,43aを形成する。その後、マスクを剥離する。
最後に、SiN層33b、43bを形成することにより送信フィルタ20を形成することができる。
上記の実施形態では、送信周波数帯が受信周波数帯よりも低域側に位置するものであったが、送信周波数帯が受信周波数帯よりも高域側に位置する場合は、送信フィルタは通過帯域低域側の急峻性が高いフィルタ特性を有することが求められる。そのため、直列腕共振子を構成している弾性表面波共振子30における誘電体層33の厚さt1が、並列腕共振子を構成している弾性表面波共振子40における誘電体層43の厚さt2よりも薄く(t2>t1)すると共に、圧電基板31であるLiNbO基板のオイラー角(φ,θ,ψ)において、弾性表面波共振子30のψを1°〜8°とし、弾性表面波共振子40のψを0°±1°とすることにより、高い急峻性と、広い通過帯域幅とを有するフィルタ特性を実現すると共に、通過帯域内におけるSH波に起因するリップルを抑圧することができる。
詳細には、弾性表面波共振子30における誘電体層33が薄くされていることにより、弾性表面波共振子30のΔfが大きくなり、通過帯域幅が広くなる。そして、弾性表面波共振子40における誘電体層43が厚くされていることにより、弾性表面波共振子40のΔfが小さくなり、通過帯域低域側の急峻性が高くなる。さらに、弾性表面波共振子30のψを1°〜8°、弾性表面波共振子40のψを0°±1°とすることにより、通過帯域内におけるSH波に起因するリップルが抑圧される。この場合においても、伝搬方位A1が伝搬方位A2に対してなす角度が1°〜8°、好ましくは、3.5°〜6.5°となるような角度であればよい。
1…弾性表面波フィルタ装置
10…アンテナ端子
11…送信側信号端子
12…受信側信号端子
13…受信フィルタ
20…送信フィルタ
21…直列腕
22,23,24…並列腕
30,40…弾性表面波共振子
31…圧電基板
31a…主面
32,42…IDT電極
33,43…誘電体層
33a,43a…SiO
33b,43b…SiN層
50…送信フィルタチップ
P1,P2,P3…並列腕共振子
S1,S2,S3…直列腕共振子

Claims (4)

  1. 直列腕と、
    前記直列腕において接続されている直列腕共振子と、
    前記直列腕とグラウンドとを接続している並列腕と、
    前記並列腕に設けられている並列腕共振子と、
    を有するラダー型弾性表面波フィルタ部を備え、レイリー波を主モードとして利用する弾性表面波フィルタ装置であって、
    前記直列腕共振子と前記並列腕共振子とのそれぞれは、圧電基板と、前記圧電基板の上に形成されたIDT電極と、前記IDT電極を覆うように形成された誘電体層とを有する弾性表面波共振子により構成されており、
    前記圧電基板がLiNbO基板からなり、オイラー角(φ,θ,ψ)において、θが25°〜45°の範囲内にあり、ψが前記直列腕共振子を構成する弾性表面波共振子における弾性表面波の伝搬方位及び前記並列腕共振子を構成する弾性表面波共振子における弾性表面波の伝搬方位であって、
    前記直列腕共振子を構成する弾性表面波共振子の誘電体層が、前記並列腕共振子を構成する弾性表面波共振子の誘電体層よりも薄くされており、前記直列腕共振子を構成する弾性表面波共振子のψが1°〜8°の範囲内にあり、前記並列腕共振子を構成する弾性表面波共振子のψが0°±1°の範囲内にあり、
    前記直列腕共振子を構成する弾性表面波共振子における弾性表面波の伝搬方位が、前記並列腕共振子を構成する弾性表面波共振子における弾性表面波の伝搬方位に対してなす角度が、0°より大きく8°以下である、弾性表面波フィルタ装置。
  2. 前記直列腕共振子を構成する弾性表面波共振子のψが3.5°〜6.5°の範囲内にある、請求項に記載の弾性表面波フィルタ装置。
  3. 前記誘電体層は、SiO層を含む、請求項1または2に記載の弾性表面波フィルタ装置。
  4. 前記直列腕共振子の圧電基板と、前記並列腕共振子の圧電基板とが共通の圧電基板により構成されている、請求項1〜のいずれか一項に記載の弾性表面波フィルタ装置。
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