JPWO2018164210A1 - 弾性波装置、マルチプレクサ、高周波フロントエンド回路及び通信装置 - Google Patents

Abstract

他の弾性波フィルタにおいて高次モードによるリップルを生じさせ難い、弾性波装置を提供する。シリコンで構成される支持基板２上に、酸化ケイ素膜３及びタンタル酸リチウムからなる圧電体４及びＩＤＴ電極５が積層されており、タンタル酸リチウムからなる圧電体の波長規格化膜厚ＴＬＴ、オイラー角のθＬＴ、酸化ケイ素膜３の波長規格化膜厚ＴＳ、アルミニウムの厚みに換算したＩＤＴ電極５の波長規格化膜厚ＴＥ、支持基板２の伝搬方位ψＳｉ、支持基板２の波長規格化膜厚ＴＳｉの値が、第１、第２及び第３の高次モードの応答の内の少なくとも１つの応答について下記の式（１）で表される高次モードの応答の強度に対応するＩｈが−２．４より大きくなるようにＴＬＴ、θＬＴ、ＴＳ、ＴＥ、ψＳｉが設定されており、ＴＳｉ＞２０である、弾性波装置１。【数１】

Description

本発明は、シリコンからなる支持基板上に、タンタル酸リチウムからなる圧電体が積層されている構造を有する弾性波装置、マルチプレクサ、高周波フロントエンド回路及び通信装置に関する。

従来、携帯電話やスマートフォンの高周波フロントエンド回路に、マルチプレクサが広く用いられている。例えば、下記の特許文献１に記載の分波器としてのマルチプレクサでは、周波数が異なる２以上の帯域通過型フィルタを有している。そして、各帯域通過型フィルタは、それぞれ、弾性表面波フィルタチップで構成されている。各弾性表面波フィルタチップは、複数の弾性表面波共振子を有している。

また、下記の特許文献２に記載の弾性波共振子では、シリコン製の支持基板上に、二酸化珪素からなる絶縁膜と、タンタル酸リチウムからなる圧電基板とを積層してなる弾性波装置が開示されている。そして、シリコンの（１１１）面で接合させることにより耐熱性を高めている。

特開２０１４−６８１２３号公報 特開２０１０−１８７３７３号公報

特許文献１に記載のようなマルチプレクサでは、アンテナ端側において、周波数が異なる複数の弾性波フィルタが共通接続されている。

ところで、本願の発明者らは、シリコンからなる支持基板上に、直接または間接に、タンタル酸リチウムからなる圧電体が積層されている構造を有する場合、利用するメインモードよりも高周波数側に、複数の高次モードが現れることを見出した。このような弾性波共振子を、マルチプレクサにおける低い方の周波数をもつ弾性波フィルタに用いた場合、該弾性波フィルタの高次モードによるリップルが、マルチプレクサにおける高い方の周波数をもつ他の弾性波フィルタの通過帯域に現れるおそれがある。すなわち、マルチプレクサにおける低い方の周波数をもつ弾性波フィルタの高次モードが、マルチプレクサにおける高い方の周波数をもつ他の弾性波フィルタの通過帯域内に位置すると、通過帯域にリップルが生じる。よって、他の弾性波フィルタのフィルタ特性が劣化するおそれがある。

本発明の目的は、上記他の弾性波フィルタにおいて高次モードによるリップルを生じさせ難い、弾性波装置、マルチプレクサ、該マルチプレクサを有する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。

本願発明者らは、後述するように、シリコンで構成される支持基板上に直接または間接に、タンタル酸リチウムからなる圧電体が積層されている弾性波装置では、後述の第１〜第３の高次モードがメインモードよりも高周波数側に現れることを見出した。

本発明に係る弾性波装置は、上記第１、第２及び第３の高次モードの内の少なくとも１つの高次モードを抑制するものである。

すなわち、本発明に係る弾性波装置は、シリコンで構成される支持基板と、前記支持基板上に積層された酸化ケイ素膜と、前記酸化ケイ素膜上に積層され、タンタル酸リチウムからなる圧電体と、前記圧電体の一方主面に設けられたＩＤＴ電極と、を備え、前記ＩＤＴ電極の電極指ピッチで定まる波長をλとし、前記圧電体の波長規格化膜厚をＴ_ＬＴ、前記圧電体のオイラー角のθをθ_ＬＴ、前記酸化ケイ素膜の波長規格化膜厚をＴ_Ｓ、アルミニウムの厚みに換算した前記ＩＤＴ電極の波長規格化膜厚をＴ_Ｅ、前記支持基板における伝搬方位をψ_Ｓｉ、前記支持基板の波長規格化膜厚をＴ_Ｓｉとしたときに、第１、第２及び第３の高次モードの内の少なくとも１つの応答についての下記の式（１）で表される高次モードの応答の強度に対応するＩ_ｈが−２．４よりも大きくなるようにＴ_ＬＴ、θ_ＬＴ、Ｔ_Ｓ、Ｔ_Ｅ、ψ_Ｓｉが設定されており、かつ前記Ｔ_Ｓｉ＞２０である。

ただし、式（１）中の係数ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅは、前記支持基板の方位（１００）、（１１０）または（１１１）及び高次モードの種類、前記酸化ケイ素膜の波長規格化膜厚、前記圧電体の波長規格化膜厚、及び前記支持基板における伝播方位の範囲に応じて下記の表１〜表３６で表される値である。

本発明に係る弾性波装置のある特定の局面では、前記第１及び第２の高次モードについてのＩ_ｈが、−２．４よりも大きくされている。

本発明に係る弾性波装置の他の特定の局面では、前記第１及び第３の高次モードについてのＩ_ｈが、−２．４よりも大きくされている。

本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記第２及び第３の高次モードについてのＩ_ｈが、−２．４よりも大きくされている。

本発明に係る弾性波装置では、好ましくは、前記第１、第２及び第３の高次モードの全てについてのＩ_ｈが−２．４よりも大きくされている。この場合には、第１の高次モード、第２の高次モード及び第３の高次モードの全ての応答を効果的に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、前記圧電体の厚みが、３．５λ以下である。

本発明に係る弾性波装置のさらに別の特定の局面では、前記圧電体の厚みが、２．５λ以下である。

本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記圧電体の厚みが、１．５λ以下である。

本発明に係る弾性波装置のさらに別の局面では、前記圧電体の厚みが、０．５λ以下である。

本発明に係る弾性波装置の別の局面では、弾性波装置として弾性波共振子が提供される。

本発明に係る弾性波フィルタは、複数の共振子を有し、前記複数の共振子のうち少なくとも１つの共振子が、本発明に従って構成されている弾性波装置からなる。従って、第１、第２及び第３の高次モードの内の少なくとも１つの応答が抑制されている弾性波フィルタが得られる。

本発明に係るマルチプレクサは、通過帯域が異なるＮ個（ただし、Ｎは２以上）の弾性波フィルタを備え、前記Ｎ個の弾性波フィルタの一端が、アンテナ端側で共通接続されており、前記Ｎ個の弾性波フィルタのうち、通過帯域が最も高い弾性波フィルタを除く少なくとも１つの弾性波フィルタが、複数の弾性波共振子を有し、前記複数の弾性波共振子のうち少なくとも１つの弾性波共振子が、本発明に従って構成された弾性波装置からなる。

本発明に係るマルチプレクサは、好ましくは、キャリアアグリゲーション用複合フィルタ装置として用いられる。

また、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ている弾性波装置を有する弾性波フィルタと、前記弾性波フィルタに接続されたパワーアンプと、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た弾性波装置を有する弾性波フィルタ及び前記弾性波フィルタに接続されているパワーアンプを有す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。

本発明に係る弾性波装置、マルチプレクサ、高周波フロントエンド回路及び通信装置によれば、メインモードよりも高周波数側に位置する第１の高次モードの応答、第２の高次モードの応答及び第３の高次モードの応答のうちの少なくとも１つを効果的に抑制することができる。従って、本発明の弾性波装置が用いられているマルチプレクサ、高周波フロントエンド回路及び通信装置において、該弾性波装置の周波数よりも高い周波数の通過帯域をもつ他の帯域通過型フィルタにおいて高次モードによるリップルが生じ難い。

図１（ａ）及び図１（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る弾性波装置の略図的正面断面図及び該弾性波装置の電極構造を示す模式的平面図である。 図２は、弾性波共振子のアドミタンス特性を示す図である。 図３は、単結晶Ｓｉ層内の伝搬方位ψ_Ｓｉと、第１の高次モードの応答の強度Ｓ１１との関係を示す図である。 図４は、タンタル酸リチウムからなる圧電体の波長規格化膜厚Ｔ_ＬＴと、第１の高次モードの応答の強度Ｓ１１との関係を示す図である。 図５は、タンタル酸リチウムからなる圧電体のカット角（９０°＋θ_ＬＴ）と、第１の高次モードの応答の強度Ｓ１１との関係を示す図である。 図６は、ＳｉＯ_２膜の波長規格化膜厚Ｔ_Ｓと、第１の高次モードの応答の強度Ｓ１１との関係を示す図である。 図７は、ＩＤＴ電極の波長規格化膜厚Ｔ_Ｅと、第１の高次モードの応答の強度Ｓ１１との関係を示す図である。 図８は、第１の実施形態の弾性波装置を有するマルチプレクサの回路図である。 図９は、第１の実施形態の弾性波装置を有し、マルチプレクサで用いられている弾性波フィルタを示す回路図である。 図１０（ａ）は、比較例の弾性波装置を有するマルチプレクサのフィルタ特性を示す図であり、図１０（ｂ）は、第１の実施形態のマルチプレクサのフィルタ特性を示す図である。 図１１は、単結晶Ｓｉ層の波長規格化膜厚と、第１，第２及び第３の高次モードの応答の位相最大値との関係を示す図である。 図１２は、単結晶Ｓｉ層内の伝搬方位ψ_Ｓｉと、第２の高次モードの応答の強度Ｓ１１との関係を示す図である。 図１３は、タンタル酸リチウムからなる圧電体の波長規格化膜厚Ｔ_ＬＴと、第２の高次モードの応答の強度Ｓ１１との関係を示す図である。 図１４は、タンタル酸リチウムからなる圧電体のカット角（９０°＋θ_ＬＴ）と、第２の高次モードの応答の強度Ｓ１１との関係を示す図である。 図１５は、ＳｉＯ_２膜の波長規格化膜厚Ｔ_Ｓと、第２の高次モードの応答の強度Ｓ１１との関係を示す図である。 図１６は、ＩＤＴ電極の波長規格化膜厚Ｔ_Ｅと、第２の高次モードの応答の強度Ｓ１１との関係を示す図である。 図１７は、単結晶Ｓｉ層内の伝搬方位ψ_Ｓｉと、第３の高次モードの応答の強度Ｓ１１との関係を示す図である。 図１８は、タンタル酸リチウムからなる圧電体の波長規格化膜厚Ｔ_ＬＴと、第３の高次モードの応答の強度Ｓ１１との関係を示す図である。 図１９は、タンタル酸リチウムからなる圧電体のカット角（９０°＋θ_ＬＴ）と、第３の高次モードの応答の強度Ｓ１１との関係を示す図である。 図２０は、ＳｉＯ_２膜の波長規格化膜厚Ｔ_Ｓと、第３の高次モードの応答の強度Ｓ１１との関係を示す図である。 図２１は、ＩＤＴ電極の波長規格化膜厚Ｔ_Ｅと、第３の高次モードの応答の強度Ｓ１１との関係を示す図である。 図２２は、弾性波装置におけるＬｉＴａＯ_３膜の膜厚とＱ値との関係を示す図である。 図２３は、弾性波装置におけるＬｉＴａＯ_３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２４は、弾性波装置におけるＬｉＴａＯ_３膜の膜厚と、音速との関係を示す図である。 図２５は、ＬｉＴａＯ_３膜厚と、比帯域との関係を示す図である。 図２６は、ＳｉＯ_２膜の膜厚と、高音速膜の材質と、音速との関係を示す図である。 図２７は、ＳｉＯ_２膜の膜厚と、電気機械結合係数と、高音速膜の材質との関係を示す図である。 図２８は、高周波フロントエンド回路を有する通信装置の構成図である。

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。

図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態の弾性波装置の略図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。

弾性波装置１は、１ポート型の弾性波共振子である。弾性波装置１は、シリコンで構成される支持基板としての単結晶Ｓｉ層２を有する。なお、シリコンで構成される支持基板とは、シリコンのみからなるもののほか、シリコンを主体とし不純物を含む材料からなる支持基板をも包含するものとする。この単結晶Ｓｉ層２上に、酸化ケイ素膜としてのＳｉＯ_２膜３、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）からなる圧電体４が積層されている。圧電体４は、対向し合う第１，第２の主面４ａ，４ｂを有する。第１の主面４ａ上に、ＩＤＴ電極５が設けられている。ＩＤＴ電極５の弾性波伝搬方向両側には、反射器６，７が設けられている。また、酸化ケイ素膜としてのＳｉＯ_２膜３は、ＳｉＯ_２だけでなく、例えば、ＳｉＯ_２にフッ素等をドープした酸化ケイ素を含んでいてもよい。

このような単結晶Ｓｉ層２上に、直接または間接にタンタル酸リチウムからなる圧電体が積層されている構造を有する弾性波共振子では、下記の第１、第２及び第３の高次モードによる応答が生じることが、本願発明者により見出された。

図２は、第１〜第３の高次モードを説明するための弾性波共振子のアドミタンス特性を示す図である。図２に示すアドミタンス特性は、本発明の実施形態ではなく、以下の設計パラメータの弾性波共振子のアドミタンス特性である。

単結晶Ｓｉ層のオイラー角（φ_Ｓｉ，θ_Ｓｉ，ψ_Ｓｉ）＝（０°，０°，４５°）。ＳｉＯ_２膜の膜厚＝０．３０λ、タンタル酸リチウムからなる圧電体の膜厚＝０．３０λ、タンタル酸リチウムからなる圧電体のオイラー角（φ_ＬＴ，θ_ＬＴ，ψ_ＬＴ）＝（０°，−４０°，０°）。ＩＤＴ電極の電極指ピッチで定まる波長λは、１μｍである。ＩＤＴ電極は、Ａｌ膜とＴｉ膜とを積層した積層金属膜からなり、アルミニウムに換算した厚みは０．０５λである。

図２から明らかなように、上記弾性波共振子では、メインモードの応答よりも高周波数側に、第１の高次モード、第２の高次モード及び第３の高次モードの各応答が現れている。周波数位置は、第１の高次モードの応答＜第２の高次モードの応答＜第３の高次モードの応答であり、第１の高次モードの応答がメインモードの応答に最も近い。ただし、図２は一例であり、電極厚みなどの条件によっては各モードの周波数位置関係が入れ替わる場合もあり得る。

本実施形態の弾性波装置１の特徴は、この第１の高次モードの応答、第２の高次モードの応答及び第３の高次モードの応答の内の少なくとも１つが抑制されていることにある。

上記ＩＤＴ電極５の電極指ピッチで定まる波長をλとする。上記タンタル酸リチウムからなる圧電体４の波長規格化膜厚をＴ_ＬＴ、タンタル酸リチウムからなる圧電体のオイラー角のθをθ_ＬＴ、ＳｉＯ_２膜３の波長規格化膜厚をＴ_Ｓ、アルミニウムの厚みに換算したＩＤＴ電極５の波長規格化膜厚をＴ_Ｅ、単結晶Ｓｉ層２内における伝搬方位をψ_Ｓｉ、単結晶Ｓｉ層２の波長規格化膜厚をＴ_Ｓｉとする。第１の高次モード、第２の高次モード及び第３の高次モードの内の少なくとも１つの応答についての下記の式（１）で表されるＩ_ｈが−２．４よりも大きくなるようにＴ_ＬＴ、θ_ＬＴ、Ｔ_Ｓ、Ｔ_Ｅ、ψ_Ｓｉが設定されており、かつＴ_Ｓｉ＞２０とされている。それによって、第１、第２または第３の高次モードの応答の内の少なくとも１つが効果的に抑制される。これを、以下において詳細に説明する。

なお、本明細書において、波長規格化膜厚とは、膜の厚みをＩＤＴ電極の電極指ピッチで定まる波長λで規格化した値である。従って、実際の厚みをλで除算して得られた値が、波長規格化膜厚となる。なお、ＩＤＴ電極の電極指ピッチで定まる波長λとは、電極指ピッチの平均値で定めてもよい。

ただし、式（１）中の係数ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅは、高次モードの種類、単結晶Ｓｉ層２の方位（１００）、（１１０）もしくは（１１１）、ＳｉＯ_２膜３の波長規格化膜厚、タンタル酸リチウムからなる圧電体の波長規格化膜厚、及び単結晶Ｓｉ層２における伝播方位などの範囲に応じて、下記の表３７〜表７２で表される値である。

本願発明者らは、上記Ｔ_ＬＴ、θ_ＬＴ、Ｔ_Ｓ、Ｔ_Ｅ、ψ_Ｓｉ、Ｔ_Ｓｉの各設計パラメータを種々変化させ、第１の高次モード、第２の高次モード及び第３の高次モードの応答の強度がどのように変化するかを調べた。

なお、上記各パラメータを変化させた場合の高次モードの応答の強度としては、Ｓ１１の絶対値を求めた。Ｓ１１の絶対値のデシベル表示値が小さいほど、高次モードの応答の強度が大きいことを示す。Ｓ１１を算出するに際しては、電極指交差幅は２０λ、電極指の対数は９４対とし、２次元有限要素法の電極指一対モデルでＳ１１を求めた。

なお、ＩＤＴ電極は、圧電体側からＴｉ／Ｐｔ／Ｔｉ／Ａｌの順序でこれらの金属膜が積層されている構造とした。また、ＩＤＴ電極の厚みについては、Ｐｔ膜の厚みを変更して変化させた。さらに、ＩＤＴ電極の波長規格化膜厚Ｔ_Ｅは、各金属膜の密度から見積もったＩＤＴ電極全体の質量を用い、アルミニウムの厚みに換算した場合の波長規格化膜厚を求めた。

（第１の高次モード）
図２に示したアドミタンス特性を有する弾性波共振子を基準構造とした。図３〜図７は、それぞれ、基準構造に対し、各パラメータを変化させた場合の第１の高次モードの応答の強度Ｓ１１の変化を示す図である。図３に示すように、基準構造に対し、単結晶Ｓｉ層内の伝搬方位ψ_Ｓｉを０°から４５°の範囲で変化させると、第１の高次モードの応答の強度Ｓ１１が変化することがわかる。

同様に、図４に示すように、タンタル酸リチウムからなる圧電体の波長規格化膜厚Ｔ_ＬＴを変化させた場合にも、第１の高次モードの応答の強度Ｓ１１が変化することがわかる。

さらに、図５に示すように、タンタル酸リチウムからなる圧電体のカット角である（９０°＋θ_ＬＴ）が変化した場合にも、第１の高次モードの応答の強度Ｓ１１が変化している。

図６に示すように、ＳｉＯ_２膜の波長規格化膜厚Ｔ_Ｓを変化させた場合にも、第１の高次モードの応答の強度Ｓ１１が変化している。

図７に示すように、ＩＤＴ電極のＡｌ換算厚みである波長規格化膜厚Ｔ_Ｅが変化した場合も、第１の高次モードの応答の強度Ｓ１１が変化している。

図３〜図７から、これらのパラメータを変化させることにより、第１の高次モードの応答の強度を調整し得ることがわかる。すなわち、上記各パラメータの値を選択することにより、メインモードの応答を維持しつつ、第１の高次モードの応答の強度を小さくすることができる。

本願発明者らは、図３〜図７などの計算結果より、高次モードの応答の強度に対応するＩ_ｈは、前述した式（１）と前述した表３７〜７２中の係数ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅで求められることを導き出した。

そして、式（１）中の係数は、単結晶Ｓｉ層の結晶方位、タンタル酸リチウムからなる圧電体の波長規格化膜厚Ｔ_ＬＴ、ＳｉＯ_２膜の波長規格化膜厚Ｔ_Ｓ、ＩＤＴ電極の波長規格化膜厚Ｔ_Ｅの各範囲及び単結晶Ｓｉ層中の伝搬方位ψ_Ｓｉに応じて、表３７〜表４０、表４９〜表５２、または表６１〜表６４に記載の値となることを見出した。それによって、第１の高次モードの応答の強度に対応するＩ_ｈ１が−２．４よりも大きくなるＴ_ＬＴ、θ_ＬＴ、Ｔ_Ｓ、Ｔ_Ｅ、ψ_Ｓｉの条件を決定する。

ところで、複数の弾性波フィルタが一端で接続されたマルチプレクサでは、高次モードの応答の強度は、Ｓ１１で−２．４ｄＢよりも大きいことが要求される。これは、自身以外の他の弾性波フィルタの通過特性への影響を無視し得る程度とするためである。通常、携帯電話機等においては、通過帯域に現れるリップルは、受信感度を確保する観点から、−０．８ｄＢ以上であることが要求される。もっとも、高次モードが他の弾性波フィルタの通過帯域に存在する場合、高次モードの応答の強度のおよそ１／３の強度程度のリップルが他のフィルタの通過帯域に発生することがわかっている。従って、上記通過帯域内におけるリップルを−０．８ｄＢ以上とするには、高次モードの応答の強度Ｓ１１を、−２．４ｄＢより大きくすればよい。

加えて、第１の実施形態の弾性波装置１では、Ｔ_Ｓｉ＞２０とされている。

第１の高次モードについて、Ｉ_ｈ＞−２．４とされておりかつＴ_Ｓｉ＞２０とされているため、第１の高次モードの応答による他の弾性波フィルタの通過帯域への影響を効果的に抑制することができる。これを、図８〜図１１を参照して説明する。

図８は、マルチプレクサの回路図である。マルチプレクサ１０では、第１〜第４の弾性波フィルタ１１〜１４が、アンテナ端子１５側で共通接続されている。図９は、第１の弾性波フィルタ１１の回路図である。第１の弾性波フィルタ１１は、複数の直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ３と、複数の並列腕共振子Ｐ１，Ｐ２とを有する。すなわち、第１の弾性波フィルタ１１は、ラダー型フィルタである。直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ３及び並列腕共振子Ｐ１，Ｐ２が、上記実施形態の弾性波装置１を用いて構成されている。

なお、本発明において、本発明の弾性波装置を有する弾性波フィルタの回路構成はこれに限定されるものではない。例えば縦結合共振子型弾性波フィルタを有する弾性波フィルタであってもよい。この場合、縦結合共振子型弾性波フィルタが、本発明の弾性波装置であってもよい。あるいは、縦結合共振子型弾性波フィルタに接続されている弾性波共振子が、本発明に係る弾性波装置で構成されていてもよい。

なお、第１〜第４の弾性波フィルタ１１〜１４の通過帯域を、第１の通過帯域〜第４の通過帯域とする。周波数位置は、第１の通過帯域＜第２の通過帯域＜第３の通過帯域＜第４の通過帯域とする。

比較のために、上記基準構造の弾性波共振子を用いたことを除いては、上記実施形態と同様にして第１の弾性波フィルタが構成されている比較例のマルチプレクサを用意した。すなわち、比較例のマルチプレクサでは、上記実施形態の弾性波装置１に代えて、図２に示したアドミタンス特性を有する、上記基準構造の弾性波共振子を用いた。図１０（ａ）は、比較例のマルチプレクサにおける第１の弾性波フィルタ及び第２の弾性波フィルタのフィルタ特性を示す。実線が第１の弾性波フィルタのフィルタ特性を、破線が第２の弾性波フィルタのフィルタ特性を示す。また、帯域Ａは第１の弾性波フィルタの通過帯域を、帯域Ｂは第２の弾性波フィルタの通過帯域を示す。第２の通過帯域において、大きなリップルが現れている。これは、第１の弾性波フィルタに用いられている弾性波共振子の第１の高次モードにより応答が大きく現れているためである。

図１０（ｂ）は、本発明の実施形態としてのマルチプレクサのフィルタ特性を示す図である。実線が第１の弾性波フィルタのフィルタ特性を、破線が第２の弾性波フィルタのフィルタ特性を示す。ここでは、第１の弾性波フィルタが、上記実施形態の弾性波装置を用いて構成されている。従って、第２の通過帯域において、大きなリップルが現れていない。すなわち、他のフィルタである第２の弾性波フィルタの通過帯域において、大きなリップルが現れていない。よって、第２の弾性波フィルタにおけるフィルタ特性の劣化が生じ難い。

このように、本発明に係るマルチプレクサでは、本発明に従って構成された弾性波装置を有する弾性波フィルタにおいて、上記第１の高次モードの応答が抑制されるため、自帯域よりも通過帯域が高い他の弾性波フィルタにおけるフィルタ特性の劣化を効果的に抑制することができる。

なお、図１１は、単結晶Ｓｉ層２の波長規格化膜厚と、第１の高次モード、第２の高次モード及び第３の高次モードの応答の位相最大値との関係を示す図である。図１１から明らかなように、Ｔ_Ｓｉ＞２０であれば、第１の高次モード、第２の高次モード及び第３の高次モードの応答の強度をより効果的に抑制し得ることがわかる。

（第２の高次モード）
図１２は、単結晶Ｓｉ層内の伝搬方位ψ_Ｓｉと、第２の高次モードの応答の強度Ｓ１１との関係を示す図である。図１２から明らかなように、ψ_Ｓｉが変化すると、第２の高次モードの応答の強度Ｓ１１が変化している。同様に、図１３に示すように、タンタル酸リチウムからなる圧電体の波長規格化膜厚Ｔ_ＬＴが変化した場合にも、第２の高次モードの応答の強度Ｓ１１が変化している。図１４に示すように、タンタル酸リチウムからなる圧電体のカット角（９０°＋θ_ＬＴ）が変化した場合も、第２の高次モードの応答の強度Ｓ１１が変化している。図１５に示すように、ＳｉＯ_２膜の波長規格化膜厚Ｔ_Ｓが変化した場合にも、第２の高次モードの応答の強度Ｓ１１が変化している。さらに、図１６に示すように、ＩＤＴ電極のＡｌ換算の波長規格化膜厚Ｔ_Ｅが変化した場合にも、第２の高次モードの応答の強度Ｓ１１が変化している。

図１２〜図１６などの計算結果から、第１の高次モードの場合と同様に、第２の高次モードの応答の強度に対応するＩ_ｈ2を表現するための式（１）中の係数の値を求めた。単結晶Ｓｉ層の方位（１００）、（１１０）もしくは（１１１）、タンタル酸リチウムからなる圧電体の波長規格化膜厚Ｔ_ＬＴ、ＳｉＯ_２膜の波長規格化膜厚Ｔ_Ｓ、ＩＤＴ電極の波長規格化膜厚Ｔ_Ｅや、伝搬方位ψ_Ｓｉの範囲に応じて、上述した表４１〜表４４、表５３〜表５６、または表６５〜表６８の通りに、式（１）の係数とすれば、第２の高次モードの応答の強度に対応するＩ_ｈ2を表現することができ、その中でＩ_ｈ2が−２．４以上となるＴ_ＬＴ、θ_ＬＴ、Ｔ_Ｓ、Ｔ_Ｅ、ψ_Ｓｉの条件を決定し、さらにＴ_Ｓｉ＞２０とすることにより、第２の高次モードの応答も十分小さくすることができる。

（第３の高次モード）
図１７は、単結晶Ｓｉ層内の伝搬方位ψ_Ｓｉと、第３の高次モードの応答の強度Ｓ１１との関係を示す図である。図１７から明らかなように、ψ_Ｓｉが変化すると、第３の高次モードの応答の強度Ｓ１１が変化している。同様に、図１８に示すように、タンタル酸リチウムからなる圧電体の波長規格化膜厚Ｔ_ＬＴが変化した場合にも、第３の高次モードの応答の強度Ｓ１１が変化している。図１９に示すように、タンタル酸リチウムからなる圧電体のカット角（９０°＋θ_ＬＴ）が変化した場合も、第３の高次モードの応答の強度Ｓ１１が変化している。図２０に示すように、ＳｉＯ_２膜の波長規格化膜厚Ｔ_Ｓが変化した場合にも、第３の高次モードの応答の強度Ｓ１１が変化している。さらに、図２１に示すように、ＩＤＴ電極のＡｌ換算の波長規格化膜厚Ｔ_Ｅが変化した場合にも、第３の高次モードの応答の強度Ｓ１１が変化している。

図１７〜図２１等から、式（１）で示す第３の高次モードの応答の強度に対応するＩ_ｈ3を表現する式（１）中の係数の値を求めた。すなわち、単結晶Ｓｉ層の方位（１００）、（１１０）もしくは（１１１）、さらに、タンタル酸リチウムからなる圧電体の波長規格化膜厚Ｔ_ＬＴ、ＳｉＯ_２膜の波長規格化膜厚Ｔ_Ｓ、ＩＤＴ電極の波長規格化膜厚Ｔ_Ｅや、伝搬方位ψ_Ｓｉの範囲に応じて、上述した表４５〜表４８、表５７〜表６０、表６９〜表７２の通りに、式（１）の係数とすれば、第３の高次モードの応答の強度に対応するＩ_ｈ3を表現することができ、その中でＩ_ｈ3が−２．４以上となるＴ_ＬＴ、θ_ＬＴ、Ｔ_Ｓ、Ｔ_Ｅ、ψ_Ｓｉの条件を決定し、さらにＴ_Ｓｉ＞２０とすることにより、第３の高次モードの応答も十分小さくすることができる。

（より好ましい実施形態）
好ましくは、第１の高次モード、第２の高次モード及び第３の高次モードの全てについてのＩ_ｈがＩ_ｈ＞−２．４であることが望ましい。その場合には、第１〜第３の高次モードの他の弾性波フィルタへの影響を効果的に抑制することができる。また、第１の高次モード及び第２の高次モードについてのＩ_ｈ、第１の高次モード及び第３の高次モードについてのＩ_ｈまたは第２の高次モード及び第３の高次モードについてのＩ_ｈをＩ_ｈ＞−２．４としてもよい。その場合には、第１〜第３の高次モードのうちの２種の高次モードによる影響を抑制することができる。

（圧電体の厚み）
本願発明の構造を適用する場合には、上述したように、ＳｉＯ_２膜３と、圧電体４とが積層されている部分に高次モードが閉じこもる傾向があるが、上記圧電体４の厚みを３．５λ以下とすることによって、ＳｉＯ_２膜３と圧電体４との積層部分が薄くなるため、高次モードが閉じこもりにくくなる。

より好ましくは、タンタル酸リチウムからなる圧電体４の膜厚は、２．５λ以下であり、その場合には周波数温度係数ＴＣＦの絶対値を小さくし得る。さらに、好ましくは、タンタル酸リチウムからなる圧電体４の膜厚は、１．５λ以下である。この場合には、電気機械結合係数を容易に調整することができる。さらに、より好ましくは、タンタル酸リチウムからなる圧電体４の膜厚は、０．５λ以下である。この場合には、広い範囲で電気機械結合係数を容易に調整できる。

なお、上記式（１）において、
ａ）Ｓｉ（１００）（オイラー角（φ_Ｓｉ＝０±５°,θ_Ｓｉ＝０±５°,ψ_Ｓｉ）とする）を使用する場合、ψ_Ｓｉの範囲は０°≦ψ_Ｓｉ≦４５°とする。もっとも、Ｓｉ（１００）の結晶構造の対称性から、ψ_Ｓｉとψ_Ｓｉ ±（ｎ×９０°）とは同義である（但し、ｎ＝１，２，３・・・）。同様に、ψ_Ｓｉと−ψ_Ｓｉとは同義である。

ｂ）Ｓｉ（１１０）（オイラー角（φ_Ｓｉ＝−４５±５°,θ_Ｓｉ＝−９０±５°, ψ_Ｓｉ）とする）を使用する場合、ψ_ｓｉの範囲は０°≦ψ_Ｓｉ≦９０°とする。もっとも、Ｓｉ（１１０）の結晶構造の対称性から、ψ_Ｓｉとψ_Ｓｉ ±（ｎ×１８０°）とは同義である（但し、ｎ＝１，２，３・・・）。同様に、ψ_Ｓｉと−ψ_Ｓｉと は同義である。

ｃ）Ｓｉ（１１１）（オイラー角（φ_Ｓｉ＝−４５±５°,θ_Ｓｉ＝−５４．７３５６１±５°, ψ_Ｓｉ）とする）を使用する場合、ψ_Ｓｉの範囲は０°≦ ψ_Ｓｉ ≦６０°とする。もっとも、Ｓｉ（１１１）の結晶構造の対称性から、ψ_Ｓｉとψ_Ｓｉ ±（ｎ×１２０°）とは同義である（但し、ｎ＝１，２，３・・・）。同様に、ψ_Ｓｉと−ψ_Ｓｉと は同義である。

また、θ_ＬＴの範囲は−１８０°＜θ_ＬＴ ≦０°とするが、θ_ＬＴ とθ_ＬＴ ＋１８０°とは同義であるとして扱えばよい。

なお、本明細書において、例えば、オイラー角（０°±５°の範囲内、θ、０°±１５°の範囲内）における０°±５°の範囲内とは、−５°以上、+５°以下の範囲内を意味し、０°±１５°の範囲内とは、−１５°以上、＋１５°以下の範囲内を意味する。

図２２は、シリコンからなる高音速支持基板上に、厚み０．３５λのＳｉＯ_２膜からなる低音速膜及びオイラー角（０°，１４０．０°，０°）のタンタル酸リチウムからなる圧電膜を積層した弾性波装置におけるＬｉＴａＯ_３膜の膜厚と、Ｑ値との関係を示す図である。この図２２における縦軸は、共振子のＱ特性と比帯域（Δｆ）との積である。また、図２３は、ＬｉＴａＯ_３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２４は、ＬｉＴａＯ_３膜の膜厚と音速との関係を示す図である。図２２より、ＬｉＴａＯ_３膜の膜厚が、３．５λ以下が好ましい。その場合には、上記膜厚が３．５λを超えた場合に比べて、Ｑ値が高くなる。より好ましくは、Ｑ値をより高めるには、ＬｉＴａＯ_３膜の膜厚は、２．５λ以下であることが望ましい。

また、図２３より、ＬｉＴａＯ_３膜の膜厚が、２．５λ以下の場合、周波数温度係数ＴＣＦの絶対値を、上記膜厚が２．５λを超えた場合に比べて小さくすることができる。より好ましくは、ＬｉＴａＯ_３膜の膜厚を２λ以下とすることが望ましく、その場合には、周波数温度係数ＴＣＦの絶対値が、１０ｐｐｍ／℃以下とされ得る。周波数温度係数ＴＣＦの絶対値を小さくするには、ＬｉＴａＯ_３膜の膜厚を１．５λ以下とすることがさらに好ましい。

図２４より、ＬｉＴａＯ_３膜の膜厚が１．５λを超えると、音速の変化が極めて小さい。

もっとも、図２５に示すように、ＬｉＴａＯ_３膜の膜厚が、０．０５λ以上、０．５λ以下の範囲では、比帯域が大きく変化する。従って、電気機械結合係数をより広い範囲で調整することができる。よって、電気機械結合係数及び比帯域の調整範囲を広げるためには、ＬｉＴａＯ_３膜の膜厚が、０．０５λ以上、０．５λ以下の範囲であることが望ましい。

図２６及び図２７は、ＳｉＯ_２膜厚（λ）と、音速及び電気機械結合係数との関係をそれぞれ示す図である。本発明の弾性波装置は、単結晶Ｓｉ層と圧電体との間に設けられた低音速膜及び高音速膜を有していてもよい。ここでは、ＳｉＯ_２からなる低音速膜の下方に、高音速膜として、窒化ケイ素膜、酸化アルミニウム膜及びダイヤモンドをそれぞれ用いた。なお、低音速膜とは、伝搬するバルク波の音速が圧電体を伝搬する弾性波の音速よりも低い膜である。高音速膜とは、伝搬するバルク波の音速が圧電体を伝搬する弾性波の音速よりも高い膜である。高音速膜の膜厚は、１．５λとした。窒化ケイ素のバルク波の音速は６０００ｍ／秒であり、酸化アルミニウムにおけるバルク波の音速は６０００ｍ／秒であり、ダイヤモンドにおけるバルク波の音速は１２８００ｍ／秒である。図２６及び図２７に示すように、高音速膜の材質及びＳｉＯ_２膜の膜厚を変更したとしても、電気機械結合係数及び音速はほとんど変化しない。特に、図２７よりＳｉＯ_２膜の膜厚が、０．１λ以上、０．５λ以下では、高音速膜の材質の如何に関わらず、電気機械結合係数はほとんど変わらない。また、図２６よりＳｉＯ_２膜の膜厚が、０．３λ以上、２λ以下であれば、高音速膜の材質の如何に関わらず、音速が変わらないことがわかる。従って、好ましくは、酸化ケイ素からなる低音速膜の膜厚は、２λ以下、より望ましくは０．５λ以下であることが好ましい。

上記各実施形態の弾性装置は、高周波フロントエンド回路のマルチプレクサなどの部品として用いることができる。このような高周波フロントエンド回路の例を下において説明する。

図２８は、高周波フロントエンド回路を有する通信装置の概略構成図である。通信装置２４０は、アンテナ２０２と、高周波フロントエンド回路２３０と、ＲＦ信号処理回路２０３とを有する。高周波フロントエンド回路２３０は、アンテナ２０２に接続される回路部分である。高周波フロントエンド回路２３０は、マルチプレクサ２１０と、本発明におけるパワーアンプとしての増幅器２２１〜２２４とを有する。マルチプレクサ２１０は、第１〜第４のフィルタ２１１〜２１４を有する。このマルチプレクサ２１０として、上述した本発明のマルチプレクサを用いることができる。マルチプレクサ２１０は、アンテナ２０２に接続されるアンテナ共通端子２２５を有する。アンテナ共通端子２２５に受信フィルタとしての第１〜第３のフィルタ２１１〜２１３の一端と、送信フィルタとしての第４のフィルタ２１４の一端とが共通接続されている。第１〜第３のフィルタ２１１〜２１３の出力端が、増幅器２２１〜２２３にそれぞれ接続されている。また、第４のフィルタ２１４の入力端に、増幅器２２４が接続されている。

増幅器２２１〜２２３の出力端がＲＦ信号処理回路２０３に接続されている。増幅器２２４の入力端がＲＦ信号処理回路２０３に接続されている。

本発明に係るマルチプレクサは、このような通信装置２４０におけるマルチプレクサ２１０として好適に用いることができる。

なお、本発明におけるマルチプレクサは、複数の送信フィルタのみを有するものであってもよく、複数の受信フィルタを有するものであってもよい。なお、マルチプレクサは、ｎ個の帯域通過型フィルタを備えるものであり、ｎは２以上である。従って、デュプレクサも本発明におけるマルチプレクサである。

本発明は、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、携帯電話機などの通信機器に広く利用できる。

１…弾性波装置
２…単結晶Ｓｉ層
３…ＳｉＯ_２膜
４…圧電体
４ａ，４ｂ…第１，第２の主面
５…ＩＤＴ電極
６，７…反射器
１０…マルチプレクサ
１１〜１４…第１〜第４の弾性波フィルタ
１５…アンテナ端子
２０２…アンテナ
２０３…ＲＦ信号処理回路
２１０…マルチプレクサ
２１１〜２１４…第１〜第４のフィルタ
２２１〜２２４…増幅器
２２５…アンテナ共通端子
２３０…高周波フロントエンド回路
２４０…通信装置
Ｐ１，Ｐ２…並列腕共振子
Ｓ１〜Ｓ３…直列腕共振子

Claims (15)

1. シリコンで構成される支持基板と、
   前記支持基板上に積層された酸化ケイ素膜と、
   前記酸化ケイ素膜上に積層され、タンタル酸リチウムからなる圧電体と、
   前記圧電体の一方主面に設けられたＩＤＴ電極と、
   を備え、
   前記ＩＤＴ電極の電極指ピッチで定まる波長をλとし、前記圧電体の波長規格化膜厚をＴ_ＬＴ、前記圧電体のオイラー角のθをθ_ＬＴ、前記酸化ケイ素膜の波長規格化膜厚をＴ_Ｓ、アルミニウムの厚みに換算した前記ＩＤＴ電極の波長規格化膜厚をＴ_Ｅ、前記支持基板における伝搬方位をψ_Ｓｉ、前記支持基板の波長規格化膜厚をＴ_Ｓｉとしたときに、第１、第２及び第３の高次モードの内の少なくとも１つの応答についての下記の式（１）で表される高次モードの応答の強度に対応するＩ_ｈが−２．４よりも大きくなるようにＴ_ＬＴ、θ_ＬＴ、Ｔ_Ｓ、Ｔ_Ｅ、ψ_Ｓｉが設定されており、かつ前記Ｔ_Ｓｉ＞２０である、弾性波装置。
   

   

   ただし、式（１）中の係数ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅは、前記支持基板の方位（１００）、（１１０）または（１１１）及び高次モードの種類、前記酸化ケイ素膜の波長規格化膜厚、前記圧電体の波長規格化膜厚、及び前記支持基板における伝播方位の範囲に応じて下記の表１〜表３６で表される値である。
   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   
2. 前記第１及び第２の高次モードについてのＩ_ｈが、−２．４よりも大きくされている、請求項１に記載の弾性波装置。
3. 前記第１及び第３の高次モードについてのＩ_ｈが、−２．４よりも大きくされている、請求項１に記載の弾性波装置。
4. 前記第２及び第３の高次モードについてのＩ_ｈが、−２．４よりも大きくされている、請求項１に記載の弾性波装置。
5. 前記第１、第２及び第３の高次モードの全てについてのＩ_ｈが、−２．４よりも大きくされている、請求項１に記載の弾性波装置。
6. 前記圧電体の厚みが、３．５λ以下である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の弾性波装置
7. 前記圧電体の厚みが、２．５λ以下である、請求項６に記載の弾性波装置。
8. 前記圧電体の厚みが、１．５λ以下である、請求項６に記載の弾性波装置。
9. 前記圧電体の厚みが、０．５λ以下である、請求項６に記載の弾性波装置。
10. 弾性波共振子である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の弾性波装置。
11. 複数の共振子を有し、前記複数の共振子のうち少なくとも１つの共振子が、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の弾性波装置からなる、弾性波フィルタ。
12. 通過帯域が異なるＮ個（ただし、Ｎは２以上）の弾性波フィルタを備え、前記Ｎ個の弾性波フィルタの一端が、アンテナ端側で共通接続されており、
    前記Ｎ個の弾性波フィルタのうち、通過帯域が最も高い弾性波フィルタを除く少なくとも１つの弾性波フィルタが、複数の弾性波共振子を有し、前記複数の弾性波共振子のうち少なくとも１つの弾性波共振子が、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の弾性波装置からなる、マルチプレクサ。
13. キャリアアグリゲーション用複合フィルタ装置である、請求項１２に記載のマルチプレクサ。
14. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の弾性波装置を有する弾性波フィルタと、
    前記弾性波フィルタに接続されたパワーアンプと、を備える、高周波フロントエンド回路。
15. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の弾性波装置を有する弾性波フィルタ及び前記弾性波フィルタに接続されているパワーアンプを有す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、通信装置。

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