JP6400970B2

JP6400970B2 - フィルタおよびデュプレクサ

Info

Publication number: JP6400970B2
Application number: JP2014151633A
Authority: JP
Inventors: 西原　時弘; 時弘西原; 横山　剛; 剛横山; 坂下　武; 武坂下; 眞司谷口
Original assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Current assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Priority date: 2014-07-25
Filing date: 2014-07-25
Publication date: 2018-10-03
Anticipated expiration: 2034-07-25
Also published as: US9595941B2; JP2016029766A; US20160028371A1; CN105281701A; CN105281701B

Description

本発明は、フィルタおよびデュプレクサに関し、圧電薄膜共振器を備えるフィルタおよびデュプレクサに関する。

圧電薄膜共振器を用いた弾性波デバイスは、例えば携帯電話等の無線機器のフィルタおよびデュプレクサとして用いられている。圧電薄膜共振器は、圧電膜を挟み下部電極と上部電極が対向する構造を有している。圧電膜を挟み下部電極と上部電極が対向する領域が共振領域である。

近年の携帯電話の急速な普及にともない、多くの周波数帯が使用されている。その結果、フィルタやデュプレクサのスカート特性を急峻化する要求が強まっている。例えば、送信帯域と受信帯域との間の周波数帯であるガードバンドが狭いデュプレクサにおいて、フィルタの特性を急峻にすることが望まれている。

特許文献１には、スカート特性を急峻化するため、圧電薄膜共振器の共振領域の外周部に積層膜が厚い厚膜部が設けられ、フィルタ内の少なくとも２つの圧電薄膜共振器間で厚膜部の前記共振領域の縁からの幅が異なることが記載されている。

特開２０１３−１２３１８４号公報

共振器の厚膜部の幅を異ならせると、実効的電気機械結合係数を異ならせることができる。これにより、スカート特性を急峻にすることができる。しかしながら、特許文献１の構造では、厚膜部のキャパシタのＱ値が高くないため、スカート特性の急峻化が十分ではない。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、複数の圧電薄膜共振器において、実効的電気機械結合係数を簡単に異ならせることができ、かつＱ値を向上させることを目的とする。

本発明は、基板と、前記基板上に設けられ、第１圧電膜と前記第１圧電膜上に設けられた第２圧電膜とを有する圧電膜と、前記圧電膜の少なくとも一部を挟んで対向した下部電極および上部電極と、前記第１圧電膜と前記第２圧電膜との間に挿入され、前記圧電膜を挟み前記下部電極と前記上部電極とが対向する領域で規定され共振領域内の外周領域の少なくとも一部に前記共振領域の外周に沿って前記共振領域の中央領域を囲むように設けられ、前記共振領域の中央領域には設けられていない挿入膜と、を備える複数の圧電薄膜共振器を具備し、前記圧電膜は、窒化アルミニウムを主成分とし、前記挿入膜は、酸化シリコンを主成分とし、前記複数の圧電薄膜共振器は、入力端子と出力端子との間に直列に接続された直列共振器と、前記入力端子と前記出力端子との間に並列に接続された並列共振器と、を含み、前記直列共振器のうち少なくとも２つの直列共振器において、および／または、前記並列共振器のうち少なくとも２つの並列共振器において、前記共振領域内における前記共振領域の外周から前記挿入膜の内周までの幅が異なることを特徴とするフィルタである。
また、本発明は、基板と、前記基板上に設けられ、第１圧電膜と前記第１圧電膜上に設けられた第２圧電膜とを有する圧電膜と、前記圧電膜の少なくとも一部を挟んで対向した下部電極および上部電極と、前記第１圧電膜と前記第２圧電膜との間に挿入され、前記圧電膜を挟み前記下部電極と前記上部電極とが対向する領域で規定され共振領域内の外周領域の少なくとも一部に前記共振領域の外周に沿って前記共振領域の中央領域を囲むように設けられ、前記共振領域の中央領域には設けられていない挿入膜と、を備える複数の圧電薄膜共振器を具備し、前記圧電膜は、窒化アルミニウムを主成分とし、前記挿入膜は、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｐｔ、ＴａおよびＣｒの少なくとも一つを主成分とし、前記複数の圧電薄膜共振器は、入力端子と出力端子との間に直列に接続された直列共振器と、前記入力端子と前記出力端子との間に並列に接続された並列共振器と、を含み、前記直列共振器のうち少なくとも２つの直列共振器において、および／または、前記並列共振器のうち少なくとも２つの並列共振器において、前記共振領域内における前記共振領域の外周から前記挿入膜の内周までの幅が異なることを特徴とするフィルタである。

上記構成において、前記直列共振器のうち少なくとも２つの直列共振器において、および／または、前記並列共振器のうち少なくとも２つの並列共振器において、実効的電気機械結合係数の最大値と最小値との差は、１％以上である構成とすることができる。

上記構成において、前記直列共振器のうち少なくとも２つの直列共振器において、および／または、前記並列共振器のうち少なくとも２つの並列共振器において、共振周波数は異なる構成とすることができる。

上記構成において、前記圧電膜は、前記圧電膜の圧電定数を高める元素を含む構成とすることができる。

本発明は、送信フィルタと受信フィルタとを具備し、前記送信フィルタおよび前記受信フィルタの少なくとも一方が上記フィルタであることを特徴とするデュプレクサである。

本発明によれば、複数の圧電薄膜共振器において、実効的電気機械結合係数を簡単に異ならせることができ、かつＱ値を向上させることができる。

図１は、実施例１に係るフィルタの回路図である。図２（ａ）は、実施例１に用いられる圧電薄膜共振器の平面図、図２（ｂ）は、挿入膜の平面図、図２（ｃ）および図２（ｄ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図３（ａ）から図３（ｃ）は、実施例１の直列共振器の製造方法を示す断面図である。図４（ａ）は、挿入膜のヤング率に対する反共振点のＱ値、図４（ｂ）は、挿入膜のヤング率に対する実効的電気機械結合係数ｋ^２ｅｆｆを示す図である。図５は、幅Ｗに対する実効的電気機械結合係数ｋ^２ｅｆｆを示す図である。図６は、挿入膜を備える圧電薄膜共振器の等価回路を示す図である。図７は、シミュレーションしたデュプレクサの回路図である。図８は、デュプレクサＤＵＰ０の各共振器の特性を示す図である。図９は、デュプレクサＤＵＰ１の各共振器の特性を示す図である。図１０は、デュプレクサＤＵＰ２の各共振器の特性を示す図である。図１１は、デュプレクサＤＵＰ３の各共振器の特性を示す図である。図１２は、デュプレクサＤＵＰ４の各共振器の特性を示す図である。図１３（ａ）から図１３（ｄ）は、デュプレクサＤＵＰ０からＤＵＰ４の遷移幅およびリターンロスを示す図である。図１４は、シミュレーションしたデュプレクサの回路図である。図１５は、デュプレクサＤＵＰ５およびＤＵＰ６の送信フィルタの通過特性を示す図である。図１６（ａ）は、実施例１の変形例１の圧電薄膜共振器の平面図、図１６（ｂ）は、挿入膜の平面図、図１６（ｃ）および図１６（ｄ）は、図１６（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１７（ａ）は、実施例１の変形例２に係る圧電薄膜共振器の平面図、図１７（ｂ）は、挿入膜の平面図、図１７（ｃ）は、図１７（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１８（ａ）は、実施例１の変形例３に係る圧電薄膜共振器の平面図、図１８（ｂ）は、挿入膜の平面図、図１８（ｃ）は、図１８（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１９（ａ）は、実施例１の変形例４の圧電薄膜共振器の断面図、図１９（ｂ）は、実施例１の変形例５の圧電薄膜共振器の断面図である。

以下図面を参照し、本発明の実施例について説明する。

実施例１は、ラダー型フィルタの例である。図１は、実施例１に係るフィルタの回路図である。図１に示すように、実施例１に係るフィルタ４０は、１または複数の直列共振器Ｓ１からＳ４と、１または複数の並列共振器Ｐ１からＰ３を備えている。直列共振器Ｓ１からＳ４は、入力端子Ｔｉｎと出力端子Ｔｏｕｔとの間に直列に接続されている。並列共振器Ｐ１からＰ３は入力端子Ｔｉｎと出力端子Ｔｏｕｔとの間に並列に接続されている。直列共振器および並列共振器の接続および個数は適宜設定できる。

図２（ａ）は、実施例１に用いられる圧電薄膜共振器の平面図、図２（ｂ）は、挿入膜の平面図、図２（ｃ）および図２（ｄ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図２（ｃ）は、フィルタ４０の直列共振器Ｓ１からＳ４を、図２（ｄ）はフィルタ４０の並列共振器Ｐ１からＰ３の断面図を示している。

図２（ａ）および図２（ｃ）を参照し、直列共振器Ｓの構造について説明する。シリコン（Ｓｉ）基板である基板１０上に、下部電極１２が設けられている。基板１０の平坦主面と下部電極１２との間にドーム状の膨らみを有する空隙３０が形成されている。ドーム状の膨らみとは、例えば空隙３０の周辺では空隙３０の高さが小さく、空隙３０の内部ほど空隙３０の高さが大きくなるような形状の膨らみである。下部電極１２は下層１２ａと上層１２ｂとを含んでいる。下層１２ａは例えばＣｒ（クロム）膜であり、上層１２ｂは例えばＲｕ（ルテニウム）膜である。

下部電極１２上に、（００２）方向を主軸とする窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を主成分とする圧電膜１４が設けられている。圧電膜１４内に挿入膜２８が設けられている。圧電膜１４を挟み下部電極１２と対向する領域（共振領域５０）を有するように圧電膜１４上に上部電極１６が設けられている。共振領域５０は、楕円形状を有し、厚み縦振動モードの弾性波が共振する領域である。上部電極１６は下層１６ａおよび上層１６ｂを含んでいる。下層１６ａは例えばＲｕ膜であり、上層１６ｂは例えばＣｒ膜である。

上部電極１６上には周波数調整膜２４として酸化シリコン膜が形成されている。共振領域５０内の積層膜１８は、下部電極１２、圧電膜１４、挿入膜２８、上部電極１６および周波数調整膜２４を含む。周波数調整膜２４はパッシベーション膜として機能してもよい。

図２（ａ）のように、下部電極１２には犠牲層をエッチングするための導入路３３が形成されている。犠牲層は空隙３０を形成するための層である。導入路３３の先端付近は圧電膜１４で覆われておらず、下部電極１２は導入路３３の先端に孔部３５を有する。

図２（ａ）および図２（ｄ）を参照し、並列共振器Ｐの構造について説明する。並列共振器Ｐは直列共振器Ｓと比較し、上部電極１６の下層１６ａと上層１６ｂとの間に、Ｔｉ（チタン）層からなる質量負荷膜２０が設けられている。よって、積層膜１８は直列共振器Ｓの積層膜に加え、共振領域５０内の全面に形成された質量負荷膜２０を含む。その他の構成は直列共振器Ｓの図２（ｃ）と同じであり説明を省略する。

直列共振器Ｓと並列共振器Ｐとの共振周波数の差は、質量負荷膜２０の膜厚を用い調整する。直列共振器Ｓと並列共振器Ｐとの両方の共振周波数の調整は、周波数調整膜２４の膜厚を調整することにより行なう。

２ＧＨｚの共振周波数を有する圧電薄膜共振器の場合、下部電極１２のＣｒ膜からなる下層１２ａの膜厚は１００ｎｍ、Ｒｕ膜からなる上層１２ｂの膜厚は２５０ｎｍである。ＡｌＮ膜からなる圧電膜１４の膜厚は１１００ｎｍである。Ａｌ（アルミニウム）膜からなる挿入膜２８の膜厚は１５０ｎｍである。上部電極１６のＲｕ膜からなる下層１６ａの膜厚は２５０ｎｍ、Ｃｒ膜からなる上層１６ｂの膜厚は５０ｎｍである。酸化シリコン膜からなる周波数調整膜２４の膜厚は５０ｎｍである。Ｔｉ膜からなる質量負荷膜２０の膜厚は１２０ｎｍである。各層の膜厚は、所望の共振特性を得るため適宜設定することができる。

図２（ｂ）に示すように、挿入膜２８は、共振領域５０内の外周領域５２に設けられ中央領域５４に設けられていない。外周領域５２は、共振領域５０内の領域であって、共振領域５０の外周を含み外周に沿った領域である。外周領域５２は、例えば帯状およびリング状である。中央領域５４は、共振領域５０内の領域であって、共振領域５０の中央を含む領域である。中央は幾何学的な中心でなくてもよい。挿入膜２８は、外周領域５２から共振領域５０外まで連続して設けられている。挿入膜２８には、孔部３５に対応する孔部３４が設けられている。

基板１０としては、Ｓｉ基板以外に、石英基板、ガラス基板、セラミック基板またはＧａＡｓ基板等を用いることができる。下部電極１２および上部電極１６としては、ＲｕおよびＣｒ以外にもＡｌ、Ｔｉ、Ｃｕ（銅）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）、Ｔａ（タンタル）、Ｐｔ（白金）、Ｒｈ（ロジウム）またはＩｒ（イリジウム）等の単層膜またはこれらの積層膜を用いることができる。上部電極１６を積層膜とした場合、積層膜の界面に挿入膜２８を配置してもよい。例えば、上部電極１６の下層１６ａをＲｕ、上層１６ｂをＭｏとしてもよい。

圧電膜１４は、窒化アルミニウム以外にも、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、ＰｂＴｉＯ₃（チタン酸鉛）等を用いることができる。また、例えば、圧電膜１４は、窒化アルミニウムを主成分とし、共振特性の向上または圧電性の向上のため他の元素を含んでもよい。例えば、添加元素として、Ｓｃ（スカンジウム）、２価の元素と４価の元素との２つの元素、または２価と５価との２つの元素を用いることにより、圧電膜１４の圧電性が向上する。このため、圧電薄膜共振器の実効的電気機械結合係数を向上できる。２価の元素は、例えばＣａ（カルシウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）またはＺｎ（亜鉛）である。４価の元素は、例えばＴｉ、Ｚｒ（ジルコニウム）またはＨｆ（ハフニウム）である。５価の元素は、例えばＴａ、Ｎｂ（ニオブ）またはＶ（バナジウム）である。

周波数調整膜２４としては、酸化シリコン膜以外にも窒化シリコン膜または窒化アルミニウム等を用いることができる。質量負荷膜２０としては、Ｔｉ以外にも、Ｒｕ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｔ、ＲｈもしくはＩｒ等の単層膜を用いることができる。また、例えば窒化シリコンまたは酸化シリコン等の窒化金属または酸化金属からなる絶縁膜を用いることもできる。質量負荷膜２０は、上部電極１６の層間（下層１６ａと上層１６ｂとの間）以外にも、下部電極１２の下、下部電極１２の層間、上部電極１６の上、下部電極１２と圧電膜１４との間または圧電膜１４と上部電極１６との間に形成することができる。質量負荷膜２０は、共振領域５０を含むように形成されていれば、共振領域５０より大きくてもよい。

図３（ａ）から図３（ｃ）は、実施例１の直列共振器の製造方法を示す断面図である。図３（ａ）に示すように、平坦主面を有する基板１０上に空隙を形成するための犠牲層３８を形成する。犠牲層３８の膜厚は、例えば１０〜１００ｎｍであり、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＺｎＯ、Ｇｅ（ゲルマニウム）またはＳｉＯ_２（酸化シリコン）等のエッチング液またはエッチングガスに容易に溶解できる材料から選択される。その後、犠牲層３８を、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用い所望の形状にパターニングする。犠牲層３８の形状は、空隙３０の平面形状に相当する形状であり、例えば共振領域５０となる領域を含む。次に、犠牲層３８および基板１０上に下部電極１２として下層１２ａおよび上層１２ｂを形成する。犠牲層３８および下部電極１２は、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用い成膜される。その後、下部電極１２を、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用い所望の形状にパターニングする。下部電極１２は、リフトオフ法により形成してもよい。

図３（ｂ）に示すように、下部電極１２および基板１０上に圧電膜１４ａおよび挿入膜２８を、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い成膜する。挿入膜２８を、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用い所望の形状にパターニングする。挿入膜２８は、リフトオフ法により形成してもよい。

図３（ｃ）に示すように、圧電膜１４ｂ、上部電極１６の下層１６ａおよび上層１６ｂを、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い成膜する。圧電膜１４ａおよび１４ｂから圧電膜１４が形成される。上部電極１６を、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用い所望の形状にパターニングする。上部電極１６は、リフトオフ法により形成してもよい。

なお、図２（ｄ）に示す並列共振器においては、下層１６ａを形成した後に、質量負荷膜２０を、例えばスパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い成膜する。質量負荷膜２０をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用い所望の形状にパターニングする。その後、上層１６ｂを形成する。

周波数調整膜２４を例えばスパッタリング法またはＣＶＤ法を用い形成する。フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用い周波数調整膜２４を所望の形状にパターニングする。

その後、孔部３５および導入路３３（図２（ａ）参照）を介し、犠牲層３８のエッチング液を下部電極１２の下の犠牲層３８に導入する。これにより、犠牲層３８が除去される。犠牲層３８をエッチングする媒体としては、犠牲層３８以外の共振器を構成する材料をエッチングしない媒体であることが好ましい。特に、エッチング媒体は、エッチング媒体が接触する下部電極１２がエッチングされない媒体であることが好ましい。積層膜１８（図２（ｃ）、図２（ｄ）参照）の応力を圧縮応力となるように設定しておく。これにより、犠牲層３８が除去されると、積層膜１８が基板１０の反対側に基板１０から離れるように膨れる。下部電極１２と基板１０との間にドーム状の膨らみを有する空隙３０が形成される。以上により、図２（ａ）および図２（ｃ）に示した直列共振器Ｓ、および図２（ａ）および図２（ｄ）に示した並列共振器Ｐが作製される。

実施例１に用いる圧電薄膜共振器について、挿入膜２８の材料を変え、反共振点のＱ値について有限要素法を用いシミュレーションした。有限要素法は、図２（ｃ）のような断面の２次元解析により行なった。積層膜１８の各膜厚および材料は図２（ａ）から図２（ｄ）の２ＧＨｚの共振周波数を有する圧電薄膜共振器として例示したものとした。すなわち、圧電膜１４をＡｌＮとした。挿入膜２８の膜厚を１５０ｎｍとし、共振領域５０と挿入膜２８との重なる幅Ｗを２μｍとした。挿入膜２８は、圧電膜１４の膜厚方向の中間位置に設けられているとした。

図４（ａ）は、挿入膜２８のヤング率に対する反共振点のＱ値、図４（ｂ）は、挿入膜２８のヤング率に対する実効的電気機械結合係数ｋ^２ｅｆｆを示す図である。比較例１は、挿入膜２８を設けない共振器に対応する。挿入膜２８の材料として、Ａｌ、ＳｉＯ_２、Ｔｉ、Ｃｒ，ＡｌＮ、ＲｕおよびＷについて計算した。

図４（ａ）に示すように、ヤング率が小さい材料を挿入膜２８とすることにより反共振点のＱ値が高くなる。ヤング率がＡｌＮより小さくなると、Ｑ値が比較例１より高くなる。これは、不要な横モードのラム波の発生が抑制されるとともに、弾性波エネルギーが共振領域５０の外に漏れることが抑制されたためである。挿入膜２８のヤング率は、圧電膜１４のヤング率より小さいことが好ましく、圧電膜１４のヤング率の、９０％以下がより好ましく、８０％以下がより好ましい。

図４（ｂ）に示すように、実効的電気機械結合係数ｋ^２ｅｆｆは、挿入膜２８を金属とすると高くなる。挿入膜２８を金属とすることにより共振領域５０における弾性波の電界分布が揃うためと推測される。

次に、実施例１に用いる圧電薄膜共振器について、共振領域５０内における挿入膜２８の幅Ｗ（図２（ｂ）を参照）を変えて実効的電気機械結合係数ｋ^２ｅｆｆを用いシミュレーションした。圧電膜１４をＡｌＮとし、挿入膜２８をＡｌとした。その他のシミュレーションの条件は図４（ａ）および図４（ｂ）のシミュレーションの条件と同じであり、説明を省略する。

図５は、幅Ｗに対する実効的電気機械結合係数ｋ^２ｅｆｆを示す図である。図５に示すように、幅Ｗが大きくなると、実効的電気機械結合係数ｋ^２ｅｆｆは単調に減少する。

次に、実効的電気機械結合係数が幅Ｗに依存する理由について説明する。図６は、挿入膜を備える圧電薄膜共振器の等価回路を示す図である。図６に示すように、共振器４２は、圧電薄膜共振器部分４４とキャパシタ部分４６を備えている。圧電薄膜共振器部分４４は、挿入膜２８が形成されていない中央領域５４に等価的に形成される圧電薄膜共振器である。圧電薄膜共振器部分４４においては、端子Ｔ１とＴ２との間に、抵抗Ｒｓ、インダクタＬ１、キャパシタＣ１および抵抗Ｒ１が直列に接続されている。インダクタＬ１、キャパシタＣ１および抵抗Ｒ１に、キャパシタＣ０および抵抗Ｒ０が並列に接続されている。キャパシタ部分４６は、挿入膜２８が形成された外周領域５２に等価的に形成されるキャパシタＣａに相当する。挿入膜２８が形成された領域は共振振動が制限されるため、等価的にキャパシタＣａとなる。キャパシタ部分４６は、端子Ｔ１とＴ２との間に圧電薄膜共振器部分４４に並列に接続される。挿入膜２８の幅Ｗが大きくなると、キャパシタＣａのキャパシタンスが増加する。これにより、反共振周波数が低下する。よって、実効的電気機械結合係数ｋ^２ｅｆｆが減少する。このように、幅Ｗが小さくなると、実効的電気機械結合係数ｋ^２ｅｆｆが減少する。

特許文献１に記載されているように、フィルタの共振器間で実効的電気機械結合係数を異ならせることにより、フィルタのスカート特性を急峻化させることができる。スカート特性を急峻化させるためには、さらに共振器のＱ値が高いことが好ましい。しかしながら、特許文献１においては、厚膜部のキャパシタＣａのＱ値は２０から４０程度である。一方、実施例１においては、キャパシタＣａのＱ値を７０以上とすることができる。これにより、フィルタ４０のスカート特性の急峻性を向上できる。

また、実施例１では、挿入膜２８の幅Ｗを用い共振器ごとの実効的電気機械結合係数を制御しているため、製造工程への負担も小さい。

次に、実施例１を用いたデュプレクサのシミュレーションの例を説明する。図７は、シミュレーションしたデュプレクサの回路図である。デュプレクサは、バンド２５（送信帯域：１８５０−１９１５ＭＨｚ、受信帯域：１９３０−１９９５ＭＨｚ）用とした。図７に示すように、デュプレクサ６０は、送信フィルタ６２および受信フィルタ６４を備えている。送信フィルタ６２は、共通端子Ａｎｔと送信端子Ｔｘとの間に接続されている。受信フィルタ６４は、共通端子Ａｎｔと受信端子Ｒｘとの間に接続されている。共通端子Ａｎｔはアンテナ６１に接続されている。インダクタＬＡ１は共通端子Ａｎｔとグランドとの間に接続されている。

送信フィルタ６２は、送信端子Ｔｘから入力された信号のうち送信帯域の信号を送信信号として共通端子Ａｎｔに通過させ、他の周波数の信号を抑圧する。受信フィルタ６４は、共通端子Ａｎｔから入力された信号のうち受信帯域の信号を受信信号として受信端子Ｒｘに通過させ、他の周波数の信号を抑圧する。インダクタＬＡ１は、送信フィルタ６２を通過した送信信号が受信フィルタ６４に漏れず共通端子Ａｎｔから出力されるようにインピーダンスを整合させる。

送信フィルタ６２において、直列共振器ＳＴ１からＳＴ５が共通端子Ａｎｔと送信端子Ｔｘとの間に直列に接続されている。並列共振器ＰＴ１からＰＴ４が共通端子Ａｎｔと送信端子Ｔｘとの間に並列に接続されている、並列共振器ＰＴ１、ＰＴ２とＰＴ３、およびＰＴ４と、グランドとの間に、それぞれインダクタＬＴ１、ＬＴ２およびＬＴ３が接続されている。

受信フィルタ６４において、直列共振器ＳＲ１からＳＲ４が共通端子Ａｎｔと受信端子Ｒｘとの間に直列に接続されている。並列共振器ＰＲ１からＰＲ４が共通端子Ａｎｔと受信端子Ｒｘとの間に並列に接続されている、並列共振器ＰＲ１とＰＲ２、ＰＲ３、およびＰＲ４と、グランドとの間に、それぞれインダクタＬＲ１、ＬＲ２およびＬＲ３が接続されている。

デュプレクサＤＵＰ０からＤＵＰ４についてシミュレーションを行なった。図８から図１２は、それぞれデュプレクサＤＵＰ０からＤＵＰ４の各共振器の特性を示す図である。

表１は、デュプレクサＤＵＰ０からＤＵＰ４の幅Ｗおよび実効的電気機械結合係数ｋ^２ｅｆｆをまとめた表である。

表１において、ＭｇＨｆは、圧電膜１４の窒化アルミニウム内に添加したＭｇおよびＨｆ（ハフニウム）の原子濃度（ａｔ％）を示す。ＷＳＴ、ＷＰＴ、ＷＳＲおよびＷＰＲは、それぞれ、共振器ＳＴ１からＳＴ５、ＰＴ１からＰＴ４、ＳＲ１からＳＲ４、および、ＰＲ１からＰＲ４の幅Ｗの最大および最小値を示す。ＫＳＴ、ＫＰＴ、ＫＳＲおよびＫＰＲは、それぞれ、共振器ＳＴ１からＳＴ５、ＰＴ１からＰＴ４、ＳＲ１からＳＲ４、および、ＰＲ１からＰＲ４の実効的電気機械結合係数ｋ^２ｅｆｆの最大および最小値を示す。

図８から図１２および表１のように、ＤＵＰ０は、比較例である。ＤＵＰ０においては、各共振器の幅Ｗは３μｍであり同じである。圧電膜１４にＭｇおよびＨｆを添加していない。各共振器の静電容量を最適化している。静電容量が異なるため実効的電気機械結合係数ｋ^２ｅｆｆは共振器ごとにやや異なるが、ほぼ７％である。

ＤＵＰ１からＤＵＰ４は、共振器の幅Ｗを異ならせている。ＤＵＰ１からＤＵＰ４に行くにしたがい、最大の幅Ｗを大きくしている。幅Ｗが大きくなると実効的電気機械結合係数ｋ^２ｅｆｆが小さくなる。ＤＵＰ１からＤＵＰ４に従いＭｇおよびＨｆの添加量を多くしている。添加量が多いと、同じ静電容量と同じ幅Ｗを有する共振器であれば、実効的電気機械結合係数ｋ^２ｅｆｆが大きくなる。ここでは、ＤＵＰ１からＤＵＰ４の実効的電気機械結合係数ｋ^２ｅｆｆの平均値が、約７％になるように設定している。以上により、ＤＵＰ１からＤＵＰ４に行くにしたがい、実効的電気機械結合係数ｋ^２ｅｆｆの最大値と最小値との差が大きくなる。

図１３（ａ）から図１３（ｄ）は、デュプレクサＤＵＰ０からＤＵＰ４の遷移幅およびリターンロスを示す図である。図１３（ａ）は、送信フィルタ６２の高周波数側の減衰量が２．５ｄＢから４５ｄＢの遷移幅を示す。図１３（ｂ）は、送信フィルタ６２のリターンロスを示す。図１３（ｃ）は、受信フィルタ６４の低周波数側の減衰量が３．０ｄＢから５０ｄＢの遷移幅を示す。図１３（ｄ）は、受信フィルタ６４のリターンロスを示す。

図１３（ａ）および図１３（ｃ）に示すように、ＤＵＰ０からＤＵＰ４に行くにしたがい遷移幅が小さくなる。すなわち、スカート特性が急峻になる。図１３（ｂ）および図１３（ｄ）に示すように、ＤＵＰ０からＤＵＰ４に行くにしたがいリターンロスが小さくなる。すなわち、マッチング特性が向上する。

このように、直列共振器内または並列共振器内の実効的電気機械結合係数の最大値を大きくし、かつ最大値と最小値の差を大きくすることにより、スカート特性の急峻性が向上し、マッチング特性が向上する。

次に、実施例１を用いたデュプレクサのシミュレーションの別の例を説明する。図１４は、シミュレーションしたデュプレクサの回路図である。デュプレクサは、バンド７（送信帯域：２５００−２５７０ＭＨｚ、受信帯域：２６２０−２６９０ＭＨｚ）用とした。図１４に示すように、送信フィルタ６２において、共通端子Ａｎｔと送信端子Ｔｘとの間に直列共振器ＳＴ１からＳＴ５が直列に接続されている。共通端子Ａｎｔと送信端子Ｔｘとの間に並列共振器ＰＴ１からＰＴ３が並列に接続されている。並列共振器ＰＴ１からＰＴ３は共通にインダクタＬＴ１を介し接地されている。受信フィルタ６４は、バンド７用の受信フィルタである。その他の構成は、図７と同じであり説明を省略する。

デュプレクサＤＵＰ５およびＤＵＰ６についてシミュレーションを行なった。表２は、デュプレクサＤＵＰ５およびＤＵＰ６の各共振器の静電容量、幅Ｗおよび実効的電気機械結合係数ｋ^２ｅｆｆを示す表である。

表２に示すように、デュプレクサＤＵＰ５では、各共振器で幅Ｗが同じである。デュプレクサＤＵＰ６では、共振器ＳＴ１およびＳＴ５の幅Ｗをそれぞれ６μｍおよび１１μｍとした。その他の共振器の幅Ｗは３μｍである。ＤＵＰ５からＤＵＰ６に幅Ｗを大きくすることにより、共振器ＳＴ１およびＳＴ５において、実効的電気機械結合係数ｋ^２ｅｆｆが、それぞれ６．７％から６．３％、６．６％から５．７％に低下する。

図１５は、デュプレクサＤＵＰ５およびＤＵＰ６の送信フィルタの通過特性を示す図である。図１５に示すように、デュプレクサＤＵＰ６はＤＵＰ５に比べ高周波数側のスカート特性が向上している。減衰量が２．０ｄＢから３０ｄＢの遷移幅は、デュプレクサＤＵＰ５およびＤＵＰ６において、それぞれ２２．１ＭＨｚおよび２０．５ＭＨｚである。

実施例１によれば、圧電薄膜共振器において、挿入膜２８が圧電膜１４中に挿入され、共振領域５０内の外周領域５２の少なくとも一部に設けられる。一方、共振領域５０の中央領域５４には設けられていない。これにより、不要な横モードのラム波の発生が抑制されるとともに、弾性波エネルギーが共振領域５０の外に漏れることが抑制される。よって、Ｑ値を改善できる。フィルタ４０内の複数の圧電薄膜共振器のうち少なくとも２つの圧電薄膜共振器において、共振領域５０内における挿入膜２８の幅Ｗが異なる。これにより、少なくとも２つの圧電薄膜共振器において実効的電気機械結合係数を異ならせることができる。よって、フィルタ４０のスカート特性の急峻性を向上できる。また、挿入膜２８の幅Ｗを変えることにより、実効的電気機械結合係数を変えるため、製造工程の増加を招かない。

また、デュプレクサＤＵＰ１からＤＵＰ４のように、直列共振器のうち少なくとも２つの共振器において、共振領域５０内における挿入膜２８の幅Ｗが異なり、かつ並列共振器のうち少なくとも２つの共振器において、幅Ｗが異なる。これにより、スカート特性を向上できる。

デュプレクサＤＵＰ６のように、直列共振器のうち少なくとも２つの共振器において、共振領域５０内における挿入膜２８の幅Ｗが異なり、並列共振器では幅Ｗは同じでもよい。通過帯域の高周波数側の特性は主に直列共振器の特性に由来する。よって、高周波数側がガードバンド側となる送信フィルタにおいては、高周波数側のスカート特性を向上させるため、直列共振器の幅Ｗを異ならせることが好ましい。

並列共振器のうち少なくとも２つの共振器において、共振領域５０内における挿入膜２８の幅Ｗが異なり、直列共振器では幅Ｗは同じでもよい。通過帯域の低周波数側の特性は主に並列共振器の特性に由来する。よって、低周波数側がガードバンド側となる受信フィルタにおいては、低周波数側のスカート特性を向上させるため、並列共振器の幅Ｗを異ならせることが好ましい。

表１のＤＵＰ1からＤＵＰ４のように、直列共振器および並列共振器の少なくも一方内の実効的電気機械結合係数の最大値と最小値との差は、１％以上であることが好ましく、２％以上がより好ましく、５％以上がさらに好ましい。

図９から図１２のように、直列共振器および並列共振器の少なくとも一方内の、共振器の共振周波数は異なることが好ましい。

ＤＵＰ１からＤＵＰ４のように、直列共振器のうち挿入膜２８の幅Ｗが最小の共振器は、直列共振器のうち入力端子または出力端子に最も近い共振器である。さらに、直列共振器のうち挿入膜２８の幅Ｗが２番目に小さい共振器は、直列共振器のうち入力端子または出力端子に最も近い共振器である。これにより、フィルタのスカート特性を急峻化できる。

並列共振器のうち挿入膜２８の幅Ｗが最小の共振器は、並列共振器のうち入力端子または出力端子に最も近い共振器である。これにより、フィルタのスカート特性を急峻化できる。

また、直列共振器のうち挿入膜２８の幅Ｗが最大の共振器は、直列共振器のうち入力端子または出力端子に最も近い共振器ではない。並列共振器のうち挿入膜２８の幅Ｗが最大の共振器は、並列共振器のうち入力端子または出力端子に最も近い共振器ではない。

ＤＵＰ６のように、直列共振器のうち挿入膜２８の幅Ｗが最大の共振器は、直列共振器のうち入力端子または出力端子に最も近い共振器である。さらに、直列共振器のうち挿入膜２８の幅Ｗが２番目に大きい共振器は、直列共振器のうち入力端子または出力端子に最も近い共振器である。並列共振器において同様にしてもよい。これにより、フィルタのスカート特性を急峻化できる。

図４（ａ）のように、圧電薄膜共振器のＱ値を向上させるため、挿入膜２８のヤング率は圧電膜１４より小さいことが好ましい。

圧電膜１４が窒化アルミニウムを主成分とする場合、挿入膜は、例えばＡｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｃｒおよび酸化シリコンの少なくとも一つを主成分とすることが好ましい。

圧電膜１４が窒化アルミニウムを主成分とする場合、圧電膜１４は圧電膜１４の圧電定数を高める元素を含むことが好ましい。

図２（ａ）から図２（ｄ）のように、挿入膜２８は、外周領域５２の少なくとも一部から共振領域５０外にかけて設けられている。これにより、共振領域５０の外周における圧電膜１４のクラックを抑制できる。

実施例１では、ラダー型フィルタを例に説明したが、フィルタ４０はラダー型フィルタ以外でもよい。ラダー型フィルタ以外のフィルタにおいても、複数の圧電薄膜共振器の挿入膜２８の幅Ｗを異ならせることで、実効的電気機械結合係数を簡単に異ならせることができる。これにより、例えばフィルタの急峻性を向上させることができる。

デュプレクサ６０において、送信フィルタ６２および受信フィルタ６４の少なくとも一方が実施例１のフィルタ４０であればよい。送信フィルタ６２および受信フィルタ６４の一方は、多重モード型フィルタでもよい。

圧電薄膜共振器の構成が実施例１と異なる例を説明する。図１６（ａ）は、実施例１の変形例１の圧電薄膜共振器の平面図、図１６（ｂ）は、挿入膜の平面図、図１６（ｃ）および図１６（ｄ）は、図１６（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１６（ｃ）は、直列共振器、図１６（ｄ）は並列共振器の断面図を示している。図１６（ａ）から図１６（ｄ）に示すように、挿入膜２８は、共振領域５０内に設けられ共振領域５０外には設けられていない。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。

図１７（ａ）は、実施例１の変形例２に係る圧電薄膜共振器の平面図、図１７（ｂ）は、挿入膜の平面図、図１７（ｃ）は、図１７（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１７（ｃ）は、直列共振器の断面図を示している。図１７（ａ）から図１７（ｃ）に示すように、挿入膜２８は、外周領域５２に加え共振領域５０を囲む領域５６に設けられている。その他の構成は実施例１の変形例１と同じであり説明を省略する。

実施例１のように、挿入膜２８は、共振領域５０外の全体に設けられていてもよい。変形例１のように、挿入膜２８は、共振領域５０の外に設けられていなくともよい。変形例２のように、挿入膜２８は、共振領域５０を囲む領域５６に設けられ、領域５６外に設けられていなくてもよい。いずれにおいても、圧電薄膜共振器のＱ値を改善することができる。これにより、スカート特性を急峻化できる。

図１８（ａ）は、実施例１の変形例３に係る圧電薄膜共振器の平面図、図１８（ｂ）は、挿入膜の平面図、図１８（ｃ）は、図１８（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１８（ｃ）は、直列共振器の断面図を示している。図１８（ａ）から図１８（ｃ）に示すように、挿入膜２８は、外周領域５２の一部に設けられ、外周領域５２の一部５５には挿入膜２８が設けられていない。その他の構成は実施例１の変形例２と同じであり説明を省略する。

実施例１の変形例３のように、挿入膜２８は外周領域５２の一部に設けられていればよい。挿入膜２８が外周領域５２の一部に設けられていても弾性波の共振領域５０外への漏洩を抑制できる。挿入膜２８は共振領域５０の外周の少なくとも５０％以上に設けられていることが好ましく、７５％以上がより好ましく、９０％以上がさらに好ましい。

実施例１、実施例１の変形例１および２の圧電薄膜共振器においても、外周領域５２の一部５５に挿入膜２８が設けられていなくともよい。

実施例１の変形例４および５は、空隙の構成を変えた例である。図１９（ａ）は、実施例１の変形例４の圧電薄膜共振器の断面図、図１９（ｂ）は、実施例１の変形例５の圧電薄膜共振器の断面図である。図１９（ａ）に示すように、基板１０の上面に窪みが形成されている。下部電極１２は、基板１０上に平坦に形成されている。これにより、空隙３０が、基板１０の窪みに形成されている。空隙３０は共振領域５０を含むように形成されている。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。空隙３０は、基板１０を貫通するように形成されていてもよい。なお、下部電極１２の下面に絶縁膜が接して形成されていてもよい。すなわち、空隙３０は、基板１０と下部電極１２に接する絶縁膜との間に形成されていてもよい。絶縁膜としては、例えば窒化アルミニウム膜を用いることができる。

図１９（ｂ）に示すように、共振領域５０の下部電極１２下に音響反射膜３１が形成されている。音響反射膜３１は、音響インピーダンスの低い膜３０ａと音響インピーダンスの高い膜３０ｂとが交互に設けられている。膜３０ａおよび３０ｂの膜厚は例えばそれぞれλ／４（λは弾性波の波長）である。膜３０ａと膜３０ｂの積層数は任意に設定できる。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。

なお、実施例１の変形例４および５において、実施例１の変形例１と同様に共振領域５０内にのみ挿入膜２８が設けられていてもよい。また、実施例１の変形例２と同様に、挿入膜２８は、共振領域５０を囲む領域５６に設けられ、領域５６外に設けられていなくてもよい。実施例１の変形例３のように、外周領域５２の一部にのみ挿入膜２８が設けられていてもよい。

実施例１および変形例１から４のように、圧電薄膜共振器は、共振領域５０において空隙３０が基板１０と下部電極１２との間に形成されているＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）でもよい。また、実施例１の変形例５のように、圧電薄膜共振器は、共振領域５０において下部電極１２下に圧電膜１４を伝搬する弾性波を反射する音響反射膜３１を備えるＳＭＲ（Solidly Mounted Resonator）でもよい。

実施例１およびその変形例において、共振領域５０が楕円形状の例を説明したが、他の形状でもよい。例えば、共振領域５０は、四角形または五角形等の多角形でもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０基板
１２下部電極
１４圧電膜
１６上部電極
２８挿入膜
３０空隙
３１音響反射膜
５０共振領域
５２外周領域
５４中央領域

Claims

基板と、前記基板上に設けられ、第１圧電膜と前記第１圧電膜上に設けられた第２圧電膜とを有する圧電膜と、前記圧電膜の少なくとも一部を挟んで対向した下部電極および上部電極と、前記第１圧電膜と前記第２圧電膜との間に挿入され、前記圧電膜を挟み前記下部電極と前記上部電極とが対向する領域で規定され共振領域内の外周領域の少なくとも一部に前記共振領域の外周に沿って前記共振領域の中央領域を囲むように設けられ、前記共振領域の中央領域には設けられていない挿入膜と、を備える複数の圧電薄膜共振器を具備し、
前記圧電膜は、窒化アルミニウムを主成分とし、
前記挿入膜は、酸化シリコンを主成分とし、
前記複数の圧電薄膜共振器は、入力端子と出力端子との間に直列に接続された直列共振器と、前記入力端子と前記出力端子との間に並列に接続された並列共振器と、を含み、
前記直列共振器のうち少なくとも２つの直列共振器において、および／または、前記並列共振器のうち少なくとも２つの並列共振器において、前記共振領域内における前記共振領域の外周から前記挿入膜の内周までの幅が異なることを特徴とするフィルタ。
基板と、前記基板上に設けられ、第１圧電膜と前記第１圧電膜上に設けられた第２圧電膜とを有する圧電膜と、前記圧電膜の少なくとも一部を挟んで対向した下部電極および上部電極と、前記第１圧電膜と前記第２圧電膜との間に挿入され、前記圧電膜を挟み前記下部電極と前記上部電極とが対向する領域で規定され共振領域内の外周領域の少なくとも一部に前記共振領域の外周に沿って前記共振領域の中央領域を囲むように設けられ、前記共振領域の中央領域には設けられていない挿入膜と、を備える複数の圧電薄膜共振器を具備し、
前記圧電膜は、窒化アルミニウムを主成分とし、
前記挿入膜は、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｐｔ、ＴａおよびＣｒの少なくとも一つを主成分とし、
前記複数の圧電薄膜共振器は、入力端子と出力端子との間に直列に接続された直列共振器と、前記入力端子と前記出力端子との間に並列に接続された並列共振器と、を含み、
前記直列共振器のうち少なくとも２つの直列共振器において、および／または、前記並列共振器のうち少なくとも２つの並列共振器において、前記共振領域内における前記共振領域の外周から前記挿入膜の内周までの幅が異なることを特徴とするフィルタ。
前記直列共振器のうち少なくとも２つの直列共振器において、および／または、前記並列共振器のうち少なくとも２つの並列共振器において、実効的電気機械結合係数の最大値と最小値との差は、１％以上であることを特徴とする請求項１または２記載のフィルタ。
前記直列共振器のうち少なくとも２つの直列共振器において、および／または、前記並列共振器のうち少なくとも２つの並列共振器において、共振周波数は異なることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載のフィルタ。
前記圧電膜は、前記圧電膜の圧電定数を高める元素を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載のフィルタ。
前記圧電膜は窒化アルミニウム膜であり、前記挿入膜はＡｌ膜または酸化シリコン膜であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載のフィルタ。
送信フィルタと受信フィルタとを具備し、
前記送信フィルタおよび前記受信フィルタの少なくとも一方が請求項１から６のいずれか一項記載のフィルタであることを特徴とするデュプレクサ。