JP6922931B2 - 弾性表面波装置、高周波フロントエンド回路及び通信装置 - Google Patents

弾性表面波装置、高周波フロントエンド回路及び通信装置 Download PDF

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Description

本発明は、共振子や高周波フィルタなどに用いられる弾性表面波装置、該弾性表面波装置を用いた高周波フロントエンド回路及び通信装置に関する。
従来、共振子や高周波フィルタとして弾性波装置が広く用いられている。
下記の特許文献1,2には、LiNbO基板上に、IDT電極が設けられた弾性波装置が開示されている。特許文献1,2では、上記IDT電極を覆うようにSiO膜が設けられている。上記SiO膜により、周波数温度特性を改善することができるとされている。また、特許文献1では、上記IDT電極が、Alよりも密度の大きい金属により形成されている。他方、特許文献2では、上記IDT電極として、Pt膜上にAl膜が積層された積層金属膜が記載されている。
WO2005/034347 A1 特開2013−145930号公報
しかしながら、特許文献1のように単層構造のIDT電極を用いた場合、電極指抵抗が大きくなり、損失が大きくなることがあった。他方、特許文献2のように、積層金属膜により形成されたIDT電極では、十分な周波数温度特性が得られない場合があった。また、周波数温度特性を改善するためにSiO膜を設けた場合、高次モードによるスプリアスが発生することがあった。さらには、これらの特性の全てを改善しようとすると、IMD(相互変調歪)が劣化することがあった。
本発明の目的は、低損失であり、周波数温度特性に優れており、高次モードによるスプリアスが生じ難く、かつIMDの劣化を抑制することができる、弾性波装置、該弾性波装置を用いた高周波フロントエンド回路及び通信装置を提供することにある。
本発明に係る弾性波装置は、圧電基板と、前記圧電基板上に設けられたIDT電極と、前記圧電基板上において、前記IDT電極を覆うように設けられている、酸化ケイ素膜と、を備え、前記IDT電極が、第1の電極層と、該第1の電極層上に積層された第2の電極層と、を有し、前記第1の電極層が、前記第2の電極層を構成している金属及び前記酸化ケイ素膜を構成している酸化ケイ素よりも密度の高い金属若しくは合金により構成されており、前記圧電基板が、LiNbOにより構成されており、前記圧電基板のオイラー角(0°±5°,θ,0°±10°)において、θが8°以上、32°以下の範囲内にあり、前記酸化ケイ素膜が、水素原子、水酸基またはシラノール基を含有している。
本発明に係る弾性波装置のある特定の局面では、前記弾性波装置は、レイリー波を利用しており、前記第1の電極層の厚みが、SH波の音速が前記レイリー波の音速より遅くなる厚みとされている。この場合、通過帯域近傍における不要波を抑制することができる。
本発明に係る弾性波装置の別の特定の局面では、前記第1の電極層が、Pt、W、Mo、Ta、Au、Cu及びこれらの金属を主成分とする合金からなる群から選択された少なくとも1種である。
本発明に係る弾性波装置の他の特定の局面では、前記IDT電極の電極指ピッチで定まる波長をλとしたときに、前記第1の電極層の厚みが、下記表1に示す前記第1の電極層の材料に応じて、下記表1に示す厚みとされている。この場合、通過帯域近傍における不要波をより一層抑制することができる。
Figure 0006922931
本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記第2の電極層が、Al、Cu、又はAl若しくはCuを主成分とする合金により構成されている。この場合には、電極指の抵抗を小さくすることができ、より一層低損失とすることができる。
本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記IDT電極の電極指ピッチで定まる波長をλとしたときに、前記第2の電極層の厚みが、0.0175λ以上である。この場合には、電極指の抵抗を小さくすることができ、より一層低損失とすることができる。
本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記IDT電極の電極指ピッチで定まる波長をλとしたときに、前記酸化ケイ素膜の厚みが、0.30λ以上である。この場合には、周波数温度特性をより一層改善することができる。
本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記IDT電極のデュ−ティ比が、0.48以上である。この場合には、高次モードによるスプリアスをより一層抑制することができる。
本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記IDT電極のデュ−ティ比が、0.55以上である。この場合には、高次モードによるスプリアスをより一層抑制することができる。
本発明に係る高周波フロントエンド回路は、本発明に従って構成される弾性波装置と、パワーアンプとを備える。
本発明に係る通信装置は、本発明に従って構成される高周波フロントエンド回路と、RF信号処理回路とを備える。
本発明によれば、低損失であり、周波数温度特性に優れており、高次モードによるスプリアスが生じ難く、かつIMDの劣化を抑制することができる、弾性波装置を提供することができる。
図1(a)は、本発明の一実施形態に係る弾性波装置の模式的正面断面図であり、図1(b)は、その電極構造を示す模式的平面図である。 図2は、本発明の一実施形態に係る弾性波装置の電極部を拡大した模式的正面断面図である。 図3は、Pt膜上にAl膜を積層した積層金属膜において、Al膜の膜厚と、シート抵抗との関係を示す図である。 図4は、第2の電極層であるAl膜の膜厚と周波数温度係数(TCF)との関係を示す図である。 図5は、酸化ケイ素膜であるSiO膜の膜厚と周波数温度係数(TCF)との関係を示す図である。 図6(a)は、SiOの膜厚が0.26λのときのインピーダンス特性を示す図であり、図6(b)はその位相特性を示す図である。 図7(a)は、SiOの膜厚が0.30λのときのインピーダンス特性を示す図であり、図7(b)はその位相特性を示す図である。 図8(a)は、SiOの膜厚が0.34λのときのインピーダンス特性を示す図であり、図8(b)はその位相特性を示す図である。 図9(a)は、SiOの膜厚が0.38λのときのインピーダンス特性を示す図であり、図9(b)はその位相特性を示す図である。 図10は、SiO膜の膜厚と高次モードの最大位相との関係を示す図である。 図11(a)は、オイラー角(0°,θ,0°)において、θ=24°のときのインピーダンス特性を示す図であり、図11(b)はその位相特性を示す図である。 図12(a)は、オイラー角(0°,θ,0°)において、θ=28°のときのインピーダンス特性を示す図であり、図12(b)はその位相特性を示す図である。 図13(a)は、オイラー角(0°,θ,0°)において、θ=32°のときのインピーダンス特性を示す図であり、図13(b)はその位相特性を示す図である。 図14(a)は、オイラー角(0°,θ,0°)において、θ=36°のときのインピーダンス特性を示す図であり、図14(b)はその位相特性を示す図である。 図15(a)は、オイラー角(0°,θ,0°)において、θ=38°のときのインピーダンス特性を示す図であり、図15(b)はその位相特性を示す図である。 図16は、オイラー角(0°,θ,0°)において、θと高次モードの最大位相との関係を示す図である。 図17(a)〜図17(c)は、Pt膜の膜厚が、それぞれ、0.015λ、0.025λ、0.035λのときのオイラー角(0°,θ,0°)におけるθとSH波の比帯域との関係を示す図である。 図18(a)〜図18(c)は、Pt膜の膜厚が、それぞれ、0.055λ、0.065λ、0.075λのときのオイラー角(0°,θ,0°)におけるθとSH波の比帯域との関係を示す図である。 図19は、Pt膜の膜厚と、レイリー波及びSH波の音速との関係を示す図である。 図20(a)は、実験例で作製した弾性波装置のインピーダンス特性を示す図であり、図20(b)は、その位相特性を示す図である。 図21は、W膜の膜厚と、レイリー波及びSH波の音速との関係を示す図である。 図22は、Mo膜の膜厚と、レイリー波及びSH波の音速との関係を示す図である。 図23は、Ta膜の膜厚と、レイリー波及びSH波の音速との関係を示す図である。 図24は、Au膜の膜厚と、レイリー波及びSH波の音速との関係を示す図である。 図25は、Cu膜の膜厚と、レイリー波及びSH波の音速との関係を示す図である。 図26(a)は、デュ−ティ比が0.50のときのインピーダンス特性を示す図であり、図26(b)は、その位相特性を示す図である。 図27(a)は、デュ−ティ比が0.60のときのインピーダンス特性を示す図であり、図27(b)は、その位相特性を示す図である。 図28(a)は、デュ−ティ比が0.70のときのインピーダンス特性を示す図であり、図28(b)は、その位相特性を示す図である。 図29は、IDT電極のデュ−ティ比と高次モードの最大位相との関係を示す図である。 図30は、本発明の一実施形態に係る弾性波装置のIMD特性を示す図である。 図31は、本発明に係る通信装置及び高周波フロントエンド回路の構成図である。
以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。
なお、本明細書に記載の各実施形態は、例示的なものであり、異なる実施形態間において、構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることを指摘しておく。
(弾性波装置)
図1(a)は、本発明の一実施形態に係る弾性波装置の模式的正面断面図であり、図1(b)は、その電極構造を示す模式的平面図である。図2は、本発明の一実施形態に係る弾性波装置の電極部を拡大した模式的正面断面図である。
弾性波装置1は、圧電基板2を有する。圧電基板2は、主面2aを有する。圧電基板2は、LiNbOにより構成されている。圧電基板2のオイラー角(0°±5°,θ,0°±10°)において、θは、8°以上、32°以下の範囲内にある。そのため、弾性波装置1では、後述するように高次モードによるスプリアスの発生をより一層抑制することができる。
なお、圧電基板2は、少なくとも表面に圧電性を有する基板である。例えば、表面に圧電薄膜を備え、当該圧電薄膜と音速の異なる膜、及び支持基板などとの積層体で構成されていてもよい。また、圧電基板2は、基板全体に圧電性を有していてもよい。この場合、圧電基板2は、圧電体層一層からなる。
上記θは、30°以下であることが好ましく、28°以下であることがより好ましく、12°以上、26°以下であることがさらに好ましい。その場合には、高次モードによるスプリアスの発生をさらに一層抑制することができる。
圧電基板2の主面2a上には、IDT電極3が設けられている。弾性波装置1は、IDT電極3により励振される弾性波としてレイリー波を主モードとして利用している。なお、本明細書においては、図1(b)に示すように、上記IDT電極3の電極指ピッチによって定まる縦モードの基本波である弾性表面波の波長をλとしている。
より具体的に、圧電基板2上には、図1(b)に示す電極構造が形成されている。すなわち、IDT電極3と、IDT電極3の弾性波伝搬方向両側に配置された反射器4,5が形成されている。それによって、1ポート型弾性波共振子が構成されている。もっとも、本発明におけるIDT電極を含む電極構造は特に限定されない。複数の共振子を組み合わせて、フィルタが構成されていてもよい。このようなフィルタとしては、ラダー型フィルタ、縦結合共振子型フィルタ、ラチス型フィルタ等が挙げられる。
IDT電極3は、第1,第2のバスバーと、複数本の第1,第2の電極指とを有する。複数本の第1,第2の電極指は、弾性波伝搬方向と直交する方向に延びている。複数本の第1の電極指と、複数本の第2の電極指とは、互いに間挿し合っている。また、複数本の第1の電極指は、第1のバスバーに接続されており、複数本の第2の電極指は、第2のバスバーに接続されている。
図2に示すように、IDT電極3は、第1及び第2の電極層3a,3bを有する。第1の電極層3a上に、第2の電極層3bが積層されている。第1の電極層3aは、第2の電極層3bを構成している金属及び酸化ケイ素膜6を構成している酸化ケイ素よりも密度の高い金属若しくは合金により構成されている。
第1の電極層3aは、Pt、W、Mo、Ta、Au、Cuなどの金属又は合金からなる。第1の電極層3aは、Pt又はPtを主成分とする合金からなることが好ましい。
第1の電極層3aの厚みは、下記表2に示す第1の電極層3aの材料に応じて、下記の表2に示す厚みとされていることが好ましい。
Figure 0006922931
第2の電極層3bは、Al又はAlを主成分とする合金からなる。電極指の抵抗を小さくし、より一層低損失とする観点から、第2の電極層3bは、第1の電極層3aより抵抗の低い金属又は合金からなることが好ましい。従って、第2の電極層3bは、Al、Cu、又はAl若しくはCuを主成分とする合金からなることが好ましい。なお、本明細書において主成分とは、50重量%以上含まれている成分のことをいうものとする。
電極指の抵抗を小さくし、より一層低損失とする観点から、第2の電極層3bの膜厚は、0.0175λ以上であることが好ましい。また、第2の電極層3bの膜厚は、0.2λ以下とすることが望ましい。
IDT電極3は、第1及び第2の電極層3a,3bに加えて、さらに他の金属が積層された積層金属膜であってもよい。上記他の金属としては、特に限定されないが、Ti、NiCr、Crなどの金属又は合金が挙げられる。Ti、NiCr、Crなどからなる金属膜は、第1の電極層3aと第2の電極層3bとの接合力を高める密着層であることが好ましい。
また、IDT電極3は、例えば、蒸着リフトオフ法などにより形成することができる。
圧電基板2の主面2a上において、IDT電極3を覆うように、酸化ケイ素膜6が設けられている。酸化ケイ素膜6は、酸化ケイ素により構成されている。周波数温度特性をより一層改善する観点から、酸化ケイ素膜6を構成する材料は、SiOであることが好ましい。
また、本発明においては、酸化ケイ素膜6が、水素原子、水酸基またはシラノール基を含有している。弾性波装置1では、酸化ケイ素膜6が、水素原子、水酸基またはシラノール基を含有しているので、IMD(相互変調歪)の劣化を抑制することができる。
酸化ケイ素膜6は、例えば、IDT電極3が形成された圧電基板2の主面2a上に、スパッタリングにより成膜することができる。なお、スパッタリングによる成膜中に、気化器にて水(HO)を気化させて、スパッタリングガスと混合することにより、酸化ケイ素膜6中に水素原子、水酸基またはシラノール基を導入することができる。また、水(HO)の気化量を、例えばマスフローコントローラーなどを用いて流量制御することにより、酸化ケイ素膜6中における水素原子、水酸基またはシラノール基の含有量を調整することができる。なお、水(HO)の気化量は、他の方法により制御してもよい。
水(HO)を気化させて混合するスパッタリングガスとしては、例えば、Ar、O又はこれらの混合ガスを用いることができる。スパッタリング圧力は、例えば0.03Pa以上、1.50Pa以下とすることができる。また、基板加熱温度は、例えば100℃以上、300℃以下とすることができる。
弾性波装置1においては、上記のように圧電基板2が、LiNbOにより構成されており、圧電基板2のオイラー角(0°±5°,θ,0°±10°)において、θが32°以下の範囲内にある。また、IDT電極3が密度の高い第1の電極層3aを下層とする積層金属膜により構成されている。さらに、IDT電極3を覆うように酸化ケイ素膜6が設けられている。従って、弾性波装置1は、低損失であり、周波数温度特性に優れており、かつ高次モードによるスプリアスが生じ難い。
また、弾性波装置1においては、酸化ケイ素膜6が、水素原子、水酸基またはシラノール基を含有しているので、IMD(相互変調歪)の劣化を抑制することができる。
本実施形態の弾性波装置1が、IMDの劣化を抑制できることを確認するために、以下のような弾性波共振子を設計した。
圧電基板2…LiNbO基板、オイラー角(0°,30,0°)
第1の電極層3a…Pt膜、膜厚:0.085λ
第2の電極層3b…Al膜、膜厚:0.082λ
IDT電極3…デューティ比:0.5
酸化ケイ素膜6…SiOH基を含有するSiO膜、膜厚:0.40λ
弾性波…主モード:レイリー波
なお、酸化ケイ素膜6は、圧電基板2上にIDT電極3を形成した後、スパッタリングにより成膜した。具体的には、ArとOの混合ガスに、気化器を用いて液体から気体に気化させた水(HO)を、マスフローコントローラーを用いて流量を制御しながら加えた。また、スパッタリング圧力は、0.5Paとし、基板加熱温度は220℃とした。結果を図30に示す。
図30は、本発明の一実施形態に係る弾性波装置1のIMD特性を示す図である。なお、図30においては、破線で、水素原子、水酸基またはシラノール基を含有している酸化ケイ素膜6を用いて弾性波共振子を設計したときのIMD特性を示している。また、実線で、水素原子、水酸基またはシラノール基を含有していない酸化ケイ素膜6を用いて弾性波共振子を設計したときのIMD特性を示している。図30より、水素原子、水酸基またはシラノール基を含有している酸化ケイ素膜6を用いることでIMD特性が改善していることがわかる。
なお、本実施形態の弾性波装置1が、低損失であり、かつ高次モードによるスプリアスが生じ難いことについては、図3〜図29を参照して以下のように説明することができる。
図3は、Pt膜上にAl膜を積層した積層金属膜において、Al膜の膜厚と、シート抵抗との関係を示す図である。図3より、Al膜の膜厚の増加とともに、シート抵抗が小さくなっていることがわかる。なお、シート抵抗は、Al膜の膜厚が70nm(λ=2.0μmの場合は0.035λ、λ=4.0μmの場合は0.0175λ)のとき、0.5(Ω/sq.)であり、Al膜の膜厚が175nm(λ=2.0μmの場合は0.0875λ、λ=4.0μmの場合は0.04375λ)のとき、0.2(Ω/sq.)であった。また、シート抵抗は、Al膜の膜厚が350nm(λ=2.0μmの場合は0.175λ、λ=4.0μmの場合は0.0875λ)のとき、0.1(Ω/sq.)であった。
このような積層金属膜を、弾性波装置1のようなデバイスに用いる場合、デバイスの損失を小さくする観点から、シート抵抗を十分に小さくすることが望ましい。具体的にシート抵抗は、好ましくは0.5(Ω/sq.)以下であり、より好ましくは0.2(Ω/sq.)以下であり、さらに好ましくは0.1(Ω/sq.)以下である。従って、上記積層金属膜におけるAl膜の膜厚は、好ましくは70nm以上であり、より好ましくは175nm以上であり、さらに好ましくは350nm以上である。なお、後述する周波数温度特性の劣化を抑制する観点から、上記積層金属膜におけるAl膜の膜厚は、0.2λ以下とすることが望ましい。
図4は、第2の電極層であるAl膜の膜厚と周波数温度係数(TCF)との関係を示す図である。なお、図4は、図1及び図2に示す構造において、以下のように設計した弾性波共振子を用いたときの結果である。
圧電基板2…LiNbO基板、オイラー角(0°,38°,0°)
第1の電極層3a…Pt膜、膜厚:0.02λ
第2の電極層3b…Al膜
IDT電極3…デューティ比:0.50
酸化ケイ素膜6…SiO膜、膜厚:0.3λ
弾性波…主モード:レイリー波
図4より、Al膜の膜厚が大きいほど、TCFが劣化していることがわかる。具体的に、波長λが2.0μm(周波数:1.8GHz相当)のときのAl膜の膜厚に対するTCFの劣化量(ΔTCF)は下記の表3のようになる。また、波長λが4.0μm(周波数:900MHz相当)のときのAl膜の膜厚とTCFの劣化量(ΔTCF)は、下記の表4のようになる。
図5は、酸化ケイ素(SiO)膜の膜厚と周波数温度係数(TCF)との関係を示す図である。なお、図5は、図1及び図2に示す構造において、以下のように設計した弾性波共振子を用いたときの結果である。
圧電基板2…LiNbO基板、オイラー角(0°,38°,0°)
第1の電極層3a…Pt膜、膜厚:0.02λ
第2の電極層3b…Al膜、膜厚:0.10λ
IDT電極3…デューティ比:0.50
酸化ケイ素膜6…SiO
弾性波…主モード:レイリー波
図5に示すように、SiO膜の膜厚を厚くするに従い、TCFが改善していることがわかる。なお、この関係から、Al膜の付加に伴うTCFの劣化分を補償するために必要なSiO膜の膜厚の増加分(ΔSiO)を求めた。結果を下記の表3及び表4に示す。表3は波長λ=2.0μm(周波数:1.8GHz相当)の場合の結果であり、表4は波長λ=4.0μm(周波数:900MHz相当)の場合の結果である。
Figure 0006922931
Figure 0006922931
シート抵抗を改善するためにAl膜を設ける場合、十分なシート抵抗値を得るためには、10ppm/℃以上、20ppm/℃以下程度のTCFの劣化を伴う。このTCFの劣化を補償するためには、SiO膜の膜厚を波長比で0.05λ以上、0.10λ以下程度厚くする必要がある。
図6〜図9は、図ごとにSiO膜の膜厚を変化させたときにおいて、(a)は、周波数と波長の積で表される音速を変化させたときのインピーダンスの大きさを示す図であり、(b)はその位相特性を示す図である。なお、図6〜図9において、SiO膜の膜厚を波長で規格化した値は、それぞれ順に、0.26λ、0.30λ、0.34λ、0.38λである。また、図6〜図9は、図1及び図2に示す構造において、以下のように設計した弾性波共振子を用いたときの結果である。
圧電基板2…LiNbO基板、オイラー角(0°,38°,0°)
第1の電極層3a…Pt膜、膜厚:0.02λ
第2の電極層3b…Al膜、膜厚:0.10λ
IDT電極3…デューティ比:0.50
酸化ケイ素膜6…SiO
弾性波…主モード:レイリー波
図6〜図9より、SiO膜の膜厚を厚くするに従い、音速4700m/s付近における高次モードのスプリアスが大きくなっていることがわかる。なお、この高次モードの影響によるデバイス全体の特性の劣化を抑制するためには、高次モードの最大位相を−25°以下にする必要がある。
図10は、SiO膜の膜厚と高次モードの最大位相との関係を示す図である。なお、図10は、図6〜図9と同じ設計の弾性波共振子を用いたときの結果である。
図10に示すように、SiOの膜厚を0.30λ以上とすると、高次モードの最大位相が−25°より大きくなっていることがわかる。そのため、Al膜の付加によるTCFの劣化を補償するために、SiO膜を0.30λ以上とすると、高次モードが大きくなり帯域外特性が劣化することとなる。従って、従来、低損失、TCFの改善及び良好な帯域外特性を全て満たす弾性波装置を得ることができなかった。
図11〜図15において、(a)は、圧電基板のオイラー角(0°,θ,0°)において、θを変化させたときのインピーダンス特性を示す図であり、(b)はその位相特性を示す図である。なお、図11〜図15において、θは、それぞれ順に、24°、28°、32°、36°、38°である。また、図11〜図15は、図1及び図2に示す構造において、以下のように設計した弾性波共振子を用いたときの結果である。電極層及び酸化ケイ素膜の膜厚は、波長λで規格化して示している。
圧電基板2…LiNbO基板、オイラー角(0°,θ,0°)
第1の電極層3a…Pt膜、膜厚:0.02λ
第2の電極層3b…Al膜、膜厚:0.10λ
IDT電極3…デューティ比:0.50
酸化ケイ素膜6…SiO膜、膜厚:0.40λ
弾性波…主モード:レイリー波
図11〜図15より、θを小さくするにつれて、高次モードのスプリアスが小さくなっていることがわかる。
また、図16は、オイラー角(0°,θ,0°)において、θと高次モードの最大位相との関係を示す図である。なお、図16は、図11〜図15と同じ設計の弾性波共振子を用いたときの結果である。図16より、θが、8°以上、32°以下のとき高次モードの最大位相が−25°以下となっていることがわかる。すなわち、θが、8°以上、32°以下のとき、SiO膜の膜厚が0.40λと厚くとも、高次モードのスプリアスの発生を十分に抑制できることがわかる。好ましくは、オイラー角のθが12°以上、26°以下であることが望ましく、その場合には、高次モードのスプリアスをより一層抑制することができる。
このように、本実施形態の上記構成に加えて、オイラー角(0°,θ,0°)において、θを、8°以上、32°以下とすることで、低損失、TCFの改善及び良好な帯域外特性の全てを満たす弾性波装置を得ることができる。
もっとも、図11〜図15より、θを小さくするに従いメインの共振付近(音速:3700m/s付近)に大きなスプリアスが発生していることがわかる。これは、主モードであるレイリー波に加えて、不要波となるSH波が励振されたことによるスプリアスである。このスプリアスは、SH波の電気機械結合係数を小さくすることで抑圧することができる。
図17(a)〜図17(c)及び図18(a)〜図18(c)は、Pt膜の膜厚を変化させたときのオイラー角(0°,θ,0°)におけるθとSH波の比帯域との関係を示す図である。なお、図17(a)〜図17(c)及び図18(a)〜図18(c)において、Pt膜の膜厚は、それぞれ順に0.015λ、0.025λ、0.035λ、0.055λ、0.065λ、0.075λである。また、図17及び図18は、図1及び図2に示す構造において、以下のように設計した弾性波共振子を用いたときの結果である。
圧電基板2…LiNbO基板、オイラー角(0°,θ,0°)
第1の電極層3a…Pt膜
第2の電極層3b…Al膜、膜厚:0.10λ
IDT電極3…デューティ比:0.50
酸化ケイ素膜6…SiO膜、膜厚:0.35λ
弾性波…主モード:レイリー波
なお、比帯域(%)は、比帯域(%)={(反共振周波数−共振周波数)/共振周波数}×100で求めた。比帯域(%)は、電気機械結合係数(K)と比例関係にある。
図17(a)〜図17(c)より、Pt膜の膜厚が0.015λ〜0.035λの範囲では、Pt膜の膜厚が厚くなるに従い、SH波の電気機械結合係数が極小値となるθが大きくなっていることがわかる。他方、図18(a)より、Pt膜の膜厚が0.055λのとき、SH波の電気機械結合係数が極小値となるθが27°と小さくなっていることがわかる。また、図18(b)より、Pt膜の膜厚が、0.065λのとき、θが29°であることがわかる。また、図18(c)より、Pt膜の膜厚が、0.075λのとき、θが30°であることがわかる。
従って、上記高次モードのスプリアスを十分に抑制できるオイラー角θを32°以下とするためには、少なくともPt膜の膜厚を0.035λより大きくする必要があることがわかる。
なお、Pt膜の膜厚が、0.035λ〜0.055λの間で、SH波の電気機械結合係数の極小値が大きく変化する理由については、図19を用いて説明することができる。
図19は、Pt膜の膜厚と、レイリー波及びSH波の音速との関係を示す図である。図中、実線は主モードであるレイリー波の結果を示しており、破線は、不要波となるSH波の結果を示している。また、縦軸は音速(Vsaw)を示している(図21〜図25も同様とする)。なお、図19は、図1及び図2に示す構造において、以下のよう設計した弾性波共振子を用いたときの結果である。
圧電基板2…LiNbO基板、オイラー角(0°,28°,0°)
第1の電極層3a…Pt膜
第2の電極層3b…Al膜、膜厚:0.10λ
IDT電極3…デューティ比:0.60
酸化ケイ素膜6…SiO膜、膜厚:0.35λ
弾性波…主モード:レイリー波
図19より、Pt膜の膜厚が0.047λより小さいとき、レイリー波の音速<SH波の音速であることがわかる。他方、0.047λ以上では、SH波の音速<レイリー波の音速となっていることがわかる。このことから、Pt膜の膜厚が0.047λのときを境に、SH波とレイリー波との音速関係が変化し、その結果SH波の電気機械結合係数が極小値となるθが低められていることがわかる。すなわち、Pt膜の膜厚が0.047λ以上のとき、θを32°以下とすることができ、かつSH波の電気機械結合係数を極小にすることができる。
従って、本発明においては、第1の電極層3aの膜厚は、SH波の音速が、レイリー波の音速より低くなるような厚みとされていることが好ましい。具体的に、第1の電極層3aとしてPt膜を用いる場合は、Pt膜の膜厚が0.047λ以上であることが好ましい。この場合、SH波の電気機械結合係数を小さくすることができ、通過帯域近傍(音速:3700m/s付近)の不要波の発生を抑制することができる。なお、電極の合計厚みが厚くなると電極のアスペクト比が大きくなり、形成が困難になることから、Alを含めた電極の合計膜厚は、0.25以下であることが望ましい。
図21は、W膜の膜厚と、レイリー波及びSH波の音速との関係を示す図である。図中、実線は主モードであるレイリー波の結果を示しており、破線は、不要波となるSH波の結果を示している。なお、図21は、第1の電極層3aとしてW膜を所定の厚みで形成したこと以外は図19と同様にして設計した弾性波共振子を用いたときの結果である。
図21より、W膜を用いる場合は、W膜の膜厚が0.062λのときを境に、レイリー波の音速とSH波の音速とが逆転していることがわかる。そのため、W膜を用いる場合は、W膜の膜厚が0.062λ以上のとき、オイラー角θを32°以下とすることができ、かつ電気機械結合係数を極小にすることができる。
従って、第1の電極層3aとしてW膜を用いる場合は、W膜の膜厚が0.062λ以上であることが好ましい。この場合、SH波の電気機械結合係数を小さくすることができ、通過帯域近傍(音速:3700m/s付近)の不要波の発生を抑制することができる。
図22は、Mo膜の膜厚と、レイリー波及びSH波の音速との関係を示す図である。図中、実線は主モードであるレイリー波の結果を示しており、破線は、不要波となるSH波の結果を示している。なお、図22は、第1の電極層3aとしてMo膜を所定の厚みで形成したこと以外は図19と同様にして設計した弾性波共振子を用いたときの結果である。
図22より、Mo膜を用いる場合は、Mo膜の膜厚が0.144λのときを境に、レイリー波の音速とSH波の音速とが逆転していることがわかる。そのため、Mo膜を用いる場合は、Mo膜の膜厚が0.144λ以上のとき、オイラー角θを32°以下とすることができ、かつ電気機械結合係数を極小にすることができる。
従って、第1の電極層3aとしてMo膜を用いる場合は、Mo膜の膜厚が0.144λ以上であることが好ましい。この場合、SH波の電気機械結合係数を小さくすることができ、通過帯域近傍の不要波の発生を抑制することができる。
図23は、Ta膜の膜厚と、レイリー波及びSH波の音速との関係を示す図である。図中、実線は主モードであるレイリー波の結果を示しており、破線は、不要波となるSH波の結果を示している。なお、図23は、第1の電極層3aとしてTa膜を所定の厚みで形成したこと以外は図19と同様にして設計した弾性波共振子を用いたときの結果である。
図23より、Ta膜を用いる場合は、Ta膜の膜厚が0.074λのときを境に、レイリー波の音速とSH波の音速とが逆転していることがわかる。そのため、Ta膜を用いる場合は、Ta膜の膜厚が0.074λ以上のとき、オイラー角θを32°以下とすることができ、かつ電気機械結合係数を極小にすることができる。
従って、第1の電極層3aとしてTa膜を用いる場合は、Ta膜の膜厚が0.074λ以上であることが好ましい。この場合、SH波の電気機械結合係数を小さくすることができ、通過帯域近傍の不要波の発生を抑制することができる。
図24は、Au膜の膜厚と、レイリー波及びSH波の音速との関係を示す図である。図中、実線は主モードであるレイリー波の結果を示しており、破線は、不要波となるSH波の結果を示している。なお、図24は、第1の電極層3aとしてAu膜を所定の厚みで形成したこと以外は図19と同様にして設計した弾性波共振子を用いたときの結果である。
図24より、Au膜を用いる場合は、Au膜の膜厚が0.042λのときを境に、レイリー波の音速とSH波の音速とが逆転していることがわかる。そのため、Au膜を用いる場合は、Au膜の膜厚が0.042λ以上のとき、オイラー角θを32°以下とすることができ、かつ電気機械結合係数を極小にすることができる。
従って、第1の電極層3aとしてAu膜を用いる場合は、Au膜の膜厚が0.042λ以上であることが好ましい。この場合、SH波の電気機械結合係数を小さくすることができ、通過帯域近傍の不要波の発生を抑制することができる。
図25は、Cu膜の膜厚と、レイリー波及びSH波の音速との関係を示す図である。図中、実線は主モードであるレイリー波の結果を示しており、破線は、不要波となるSH波の結果を示している。なお、図25は、第1の電極層3aとしてCu膜を所定の厚みで形成したこと以外は図19と同様にして設計した弾性波共振子を用いたときの結果である。
図25より、Cu膜を用いる場合は、Cu膜の膜厚が0.136λのときを境に、レイリー波の音速とSH波の音速とが逆転していることがわかる。そのため、Cu膜を用いる場合は、Cu膜の膜厚が0.136λ以上のとき、オイラー角θを32°以下とすることができ、かつ電気機械結合係数を極小にすることができる。
従って、第1の電極層3aとしてCu膜を用いる場合は、Cu膜の膜厚が0.136λ以上であることが好ましい。この場合、SH波の電気機械結合係数を小さくすることができ、通過帯域近傍の不要波の発生を抑制することができる。
図26〜図28において、(a)は、デュ−ティ比を変化させたときのインピーダンス特性を示す図であり、(b)は、その位相特性を示す図である。なお、図26〜図28において、デュ−ティ比が、それぞれ順に、0.50、0.60及び0.70のときの結果である。また、図26〜図28は、図1及び図2に示す構造において、以下のように設計した弾性波共振子を用いたときの結果である。
圧電基板2…LiNbO基板、オイラー角(0°,28°,0°)
第1の電極層3a…Pt膜、膜厚:0.06λ
第2の電極層3b…Al膜、膜厚:0.10λ
酸化ケイ素膜6…SiO膜、膜厚:0.32λ
弾性波…主モード:レイリー波
図26〜図28より、デュ−ティ比が大きいほど高次モードのスプリアスが抑制されていることがわかる。
図29は、IDT電極のデュ−ティ比と高次モードの最大位相との関係を示す図である。なお、図29は、図26〜図28と同じ設計の弾性波共振子を用いたときの結果である。図29より、デュ−ティ比が0.48以上のとき、高次モードの最大位相が−25°以下となっていることがわかる。また、デュ−ティ比が0.55以上では、高次モードの最大位相が−60°以下となっていることがわかる。従って、高次モードのスプリアスをより一層抑制する観点から、IDT電極3のデューティ比は、0.48以上であることが好ましく、0.55以上であることがより好ましい。なお、デューティ比が大きくなると隣接する電極指間のギャップが小さくなることから、デュ−ティ比は、0.80以下であることが望ましい。
次に、以上を踏まえて、図1及び図2に示す構造において、以下のような弾性波共振子を設計した。
圧電基板2…LiNbO基板、オイラー角(0°,28°,0°)
第1の電極層3a…Pt膜、膜厚:0.06λ
第2の電極層3b…Al膜、膜厚:0.10λ
IDT電極3…デューティ比:0.50
酸化ケイ素膜6…SiO膜、膜厚:0.40λ
弾性波…主モード:レイリー波
図20(a)は、上記のように設計した弾性波共振子を用いた弾性波装置のインピーダンス特性を示す図であり、図20(b)は、その位相特性を示す図である。
図20(a)及び図20(b)より、本弾性波共振子を用いた弾性波装置では、高次モード及びSH波のスプリアスが抑制されていることがわかる。また、本弾性波共振子を用いた弾性波装置は、Al膜の厚みが十分に厚いため低損失である。さらに、本弾性波共振子を用いた弾性波装置では、TCFは−20.7ppm/℃であり、TCFも良好であった。
以上より、低損失、TCFの改善、かつ高次モードのスプリアス抑制及び通過帯域近傍の不要波の抑制の全てを満たす弾性波装置を作製できていることが確認できた。
なお、図3〜図29は、オイラー角(0°,θ,0°)の結果を示しているが、オイラー角(0°±5°,θ,0°±10°)の範囲においても同様の結果が得られることが確認できている。
また、水素原子、水酸基またはシラノール基を含有する酸化ケイ素膜6を用いた場合も、周波数温度特性をより一層改善することができ、他の特性についても同等の結果が得られることを確認するために以下のような弾性波共振子を設計した。
圧電基板2…LiNbO基板、オイラー角(0°,30,0°)
第1の電極層3a…Pt膜、膜厚:0.085λ
第2の電極層3b…Al膜、膜厚:0.082λ
IDT電極3…デューティ比:0.50
酸化ケイ素膜6…水素原子、水酸基またはシラノール基を含有するSiO膜、膜厚:0.40λ
弾性波…主モード:レイリー波
なお、酸化ケイ素膜6は、圧電基板2上にIDT電極3を形成した後、スパッタリングにより成膜した。具体的には、ArとOの混合ガスに、気化器を用いて液体から気体に気化させた水(HO)を、マスフローコントローラーを用いて流量を制御しながらチャンバ内のHO分圧を0.5%〜20%になるまで加えた。また、スパッタリング圧力は、0.5Paとし、基板加熱温度は220℃とした。
設計した弾性波共振子において、TCF、インピーダンスZ比、及び比帯域を測定した。結果を表5に示す。なお、表5においては、比較のため、水素原子、水酸基またはシラノール基を含有していない酸化ケイ素膜6を用いたときの結果を併せて示している。
Figure 0006922931
表5の結果より、酸化ケイ素膜6が水素原子、水酸基またはシラノール基を含有している場合においても、低損失であり、周波数温度特性に優れており、高次モードによるスプリアスが生じ難い、弾性波共振子が得られていることがわかる。
(高周波フロントエンド回路、通信装置)
上記実施形態の弾性波装置は、高周波フロントエンド回路のデュプレクサなどとして用いることができる。この例を下記において説明する。
図31は、通信装置及び高周波フロントエンド回路の構成図である。なお、同図には、高周波フロントエンド回路230と接続される各構成要素、例えば、アンテナ素子202やRF信号処理回路(RFIC)203も併せて図示されている。高周波フロントエンド回路230及びRF信号処理回路203は、通信装置240を構成している。なお、通信装置240は、電源、CPUやディスプレイを含んでいてもよい。
高周波フロントエンド回路230は、スイッチ225と、デュプレクサ201A,201Bと、フィルタ231,232と、ローノイズアンプ回路214,224と、パワーアンプ回路234a,234b,244a,244bとを備える。なお、図31の高周波フロントエンド回路230及び通信装置240は、高周波フロントエンド回路及び通信装置の一例であって、この構成に限定されるものではない。
デュプレクサ201Aは、フィルタ211,212を有する。デュプレクサ201Bは、フィルタ221,222を有する。デュプレクサ201A,201Bは、スイッチ225を介してアンテナ素子202に接続される。なお、上記弾性波装置は、デュプレクサ201A,201Bであってもよいし、フィルタ211,212,221,222であってもよい。上記弾性波装置は、デュプレクサ201A,201Bや、フィルタ211,212,221,222を構成する弾性波共振子であってもよい。
さらに、上記弾性波装置は、3つのフィルタのアンテナ端子が共通化されたトリプレクサや、6つのフィルタのアンテナ端子が共通化されたヘキサプレクサなど、3以上のフィルタを備えるマルチプレクサについても適用することができる。
すなわち、上記弾性波装置は、弾性波共振子、フィルタ、デュプレクサ、3以上のフィルタを備えるマルチプレクサを含む。そして、該マルチプレクサは、送信フィルタ及び受信フィルタの双方を備える構成に限らず、送信フィルタのみ、または、受信フィルタのみを備える構成であってもかまわない。
スイッチ225は、制御部(図示せず)からの制御信号に従って、アンテナ素子202と所定のバンドに対応する信号経路とを接続し、例えば、SPDT(Single Pole Double Throw)型のスイッチによって構成される。なお、アンテナ素子202と接続される信号経路は1つに限らず、複数であってもよい。つまり、高周波フロントエンド回路230は、キャリアアグリゲーションに対応していてもよい。
ローノイズアンプ回路214は、アンテナ素子202、スイッチ225及びデュプレクサ201Aを経由した高周波信号(ここでは高周波受信信号)を増幅し、RF信号処理回路203へ出力する受信増幅回路である。ローノイズアンプ回路224は、アンテナ素子202、スイッチ225及びデュプレクサ201Bを経由した高周波信号(ここでは高周波受信信号)を増幅し、RF信号処理回路203へ出力する受信増幅回路である。
パワーアンプ回路234a,234bは、RF信号処理回路203から出力された高周波信号(ここでは高周波送信信号)を増幅し、デュプレクサ201A及びスイッチ225を経由してアンテナ素子202に出力する送信増幅回路である。パワーアンプ回路244a,244bは、RF信号処理回路203から出力された高周波信号(ここでは高周波送信信号)を増幅し、デュプレクサ201B及びスイッチ225を経由してアンテナ素子202に出力する送信増幅回路である。
RF信号処理回路203は、アンテナ素子202から受信信号経路を介して入力された高周波受信信号を、ダウンコンバートなどにより信号処理し、当該信号処理して生成された受信信号を出力する。また、RF信号処理回路203は、入力された送信信号をアップコンバートなどにより信号処理し、当該信号処理して生成された高周波送信信号をローノイズアンプ回路224へ出力する。RF信号処理回路203は、例えば、RFICである。なお、通信装置は、BB(ベースバンド)ICを含んでいてもよい。この場合、BBICは、RFICで処理された受信信号を信号処理する。また、BBICは、送信信号を信号処理し、RFICに出力する。BBICが信号処理する前の送信信号は、例えば、画像信号や音声信号等である。なお、高周波フロントエンド回路230は、上述した各構成要素の間に、他の回路素子を備えていてもよい。
なお、高周波フロントエンド回路230は、上記デュプレクサ201A,201Bに代わり、デュプレクサ201A,201Bの変形例に係るデュプレクサを備えていてもよい。
他方、通信装置240におけるフィルタ231,232は、ローノイズアンプ回路214,224及びパワーアンプ回路234a,234b,244a,244bを介さず、RF信号処理回路203とスイッチ225との間に接続されている。フィルタ231,232も、デュプレクサ201A,201Bと同様に、スイッチ225を介してアンテナ素子202に接続される。
以上のように構成された高周波フロントエンド回路230及び通信装置240によれば、本発明の弾性波装置である、弾性波共振子、フィルタ、デュプレクサ、3以上のフィルタを備えるマルチプレクサ等を備えることにより、低損失とし、周波数温度特性を改善し、高次モードによるスプリアスを生じ難くすることができ、かつIMDの劣化を抑制することができる。
以上、本発明の実施形態に係る弾性波装置、高周波フロントエンド回路及び通信装置について、実施形態及びその変形例を挙げて説明したが、本発明は、上記実施形態及び変形例における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施形態や、上記実施形態に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本発明に係る高周波フロントエンド回路及び通信装置を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。
本発明は、弾性波共振子、フィルタ、マルチバンドシステムに適用できるマルチプレクサ、フロントエンド回路及び通信装置として、携帯電話などの通信機器に広く利用できる。
1…弾性波装置
2…圧電基板
2a…主面
3…IDT電極
3a,3b…第1,第2の電極層
4,5…反射器
6…酸化ケイ素膜
201A,201B…デュプレクサ
202…アンテナ素子
203…RF信号処理回路
211,212…フィルタ
214…ローノイズアンプ回路
221,222…フィルタ
224…ローノイズアンプ回路
225…スイッチ
230…高周波フロントエンド回路
231,232…フィルタ
234a,234b…パワーアンプ回路
240…通信装置
244a,244b…パワーアンプ回路

Claims (8)

  1. 圧電基板と、
    前記圧電基板上に設けられたIDT電極と、
    前記圧電基板上において、前記IDT電極を覆うように設けられている、酸化ケイ素膜と、
    を備え、
    前記IDT電極が、
    第1の電極層と、
    該第1の電極層上に積層された第2の電極層と、
    を有し、
    前記圧電基板を伝搬する弾性表面波の主モードは、レイリー波であり、
    前記第1の電極層が、前記第2の電極層を構成している金属及び前記酸化ケイ素膜を構成している酸化ケイ素よりも密度の高い金属若しくは合金により構成されており、
    前記圧電基板が、LiNbOにより構成されており、前記圧電基板のオイラー角(0°±5°,θ,0°±10°)において、θが8°以上、32°以下の範囲内にあり、
    前記酸化ケイ素膜が、水素原子、水酸基またはシラノール基を含有しており、前記IDT電極の電極指ピッチで定まる波長をλとしたときに、前記酸化ケイ素膜の厚みが、0.3λ〜0.4λの範囲にあり、
    前記第1の電極層が、Pt、W、Mo、Ta、Au、Cu及びこれらの金属を主成分とする合金からなる群から選択された少なくとも1種であり、
    前記IDT電極の電極指ピッチで定まる波長をλとしたときに、前記第1の電極層の厚みが、下記表1に示す前記第1の電極層の材料に応じて、下記表1に示す厚みとされている、弾性表面波装置。
    Figure 0006922931
  2. 前記圧電基板を伝搬するSH波の音速が前記レイリー波の音速よりも遅、請求項1に記載の弾性表面波装置。
  3. 前記第2の電極層が、Al、Cu、又はAl若しくはCuを主成分とする合金により構成されている、請求項1又は2に記載の弾性表面波装置。
  4. 前記IDT電極の電極指ピッチで定まる波長をλとしたときに、前記第2の電極層の厚みが、0.0175λ以上である、請求項3に記載の弾性表面波装置。
  5. 前記IDT電極のデュ−ティ比が、0.48以上である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の弾性表面波装置。
  6. 前記IDT電極のデュ−ティ比が、0.55以上である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の弾性表面波装置。
  7. 請求項1〜6のいずれか1項に記載の弾性表面波装置と、
    パワーアンプと、
    を備える、高周波フロントエンド回路。
  8. 請求項7に記載の高周波フロントエンド回路と、
    RF信号処理回路と、
    を備える、通信装置。
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