JP2019102883A - 弾性波装置、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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Abstract

【課題】スプリアスが生じる周波数を、他の通信システムなどが利用する周波数帯域から遠ざけることができ、かつ周波数温度特性を効果的に改善することができる、弾性波装置を提供する。【解決手段】弾性波装置1は、支持基板2と、支持基板2上に設けられている音響反射層3と、音響反射層3上に設けられている圧電体層6と、圧電体層6上に設けられているIDT電極7とを備える。音響反射層3は、相対的に音響インピーダンスが低い複数の低音響インピーダンス層と、相対的に音響インピーダンスが高い複数の高音響インピーダンス層とを有する。低音響インピーダンス層と高音響インピーダンス層とは交互に積層されている。圧電体層6に最も近い低音響インピーダンス層4aの膜厚は他の全ての低音響インピーダンス層の膜厚よりも厚い。【選択図】図1

Description

本発明は、弾性波装置、高周波フロントエンド回路及び通信装置に関する。
従来、弾性波装置は、携帯電話機のフィルタなどに広く用いられている。下記の特許文献1には、弾性波装置の一例が開示されている。この弾性波装置は、支持基板と、圧電体層との間に設けられた音響反射層を有する。音響反射層においては、低音響インピーダンス層と高音響インピーダンス層とが交互に積層されている。特許文献1の弾性波装置はSモードなどの板波を主モードとして利用している。複数の低音響インピーダンス層の膜厚及び複数の高音響インピーダンス層の膜厚は、それぞれ全て等しくされている。
国際公開第2012/086441号
特許文献1に記載の弾性波装置においては、主モードよりも高域側に大きなスプリアスが発生する傾向があった。例えば、通信バンドが3.5GHz帯であるBand42用のデバイスを作製した場合、無線LANが用いる5GHz帯の周波数帯域にスプリアスが発生し、問題となることがあった。
さらに、上記弾性波装置では、周波数温度特性を十分に改善することはできなかった。
本発明の目的は、スプリアスが生じる周波数を、他の通信システムなどが利用する周波数帯域から遠ざけることができ、かつ周波数温度特性を効果的に改善することができる、弾性波装置、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、支持基板と、前記支持基板上に設けられている音響反射層と、前記音響反射層上に設けられている圧電体層と、前記圧電体層上に設けられているIDT電極とを備え、前記音響反射層は、相対的に音響インピーダンスが低い複数の低音響インピーダンス層と、相対的に音響インピーダンスが高い高音響インピーダンス層とを有し、前記低音響インピーダンス層と前記高音響インピーダンス層とが交互に積層されており、前記圧電体層に最も近い前記低音響インピーダンス層の膜厚が、他の全ての前記低音響インピーダンス層の膜厚よりも厚い。
本発明に係る弾性波装置のある特定の局面では、前記圧電体層に最も近い前記低音響インピーダンス層の膜厚が、他の全ての前記低音響インピーダンス層の膜厚の1.38倍以下である。この場合には、スプリアスが生じる周波数を、他の通信システムなどが利用する周波数帯域からより一層遠ざけることができる。よって、他の通信システムなどに対するスプリアスの影響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他の特定の局面では、前記圧電体層に最も近い前記低音響インピーダンス層の膜厚が、該低音響インピーダンス層中を伝搬する横波弾性波の波長の前記圧電体層の厚み方向の成分の0.7倍以上、0.8倍以下の範囲である。この場合には、音響反射層の反射特性の劣化を招くことなく、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、前記圧電体層に最も近い前記低音響インピーダンス層以外の前記各低音響インピーダンス層の膜厚が、前記各低音響インピーダンス層中を伝搬する横波弾性波の波長の前記圧電体層の厚み方向の成分の0.2倍以上、0.3倍以下の範囲であり、前記高音響インピーダンス層の膜厚が、前記高音響インピーダンス層中を伝搬する横波弾性波の波長の前記圧電体層の厚み方向の成分の0.2倍以上、0.3倍以下の範囲である。この場合には、弾性波を圧電体層側に効果的に閉じ込めることができる。
本発明に係る弾性波装置の別の特定の局面では、Sモードの板波を利用している。
本発明に係る弾性波装置のさらに別の特定の局面では、前記音響反射層が、前記高音響インピーダンス層を複数有する。この場合には、音響反射層における低音響インピーダンス層及び高音響インピーダンス層の層数の合計が4層以上であるため、弾性波を圧電体層側に効果的に閉じ込めることができる。
本発明に係る弾性波装置のさらに別の特定の局面では、利用する主モードとは異なるモードのスプリアスが生じる弾性波装置であって、前記スプリアスの共振周波数をF、前記主モードの共振周波数をFとし、前記スプリアスと前記主モードとの共振周波数比をF/Fとしたときに、共振周波数比F/Fが1.45以上、1.55以下の範囲外である。この場合には、他の通信システムなどに対するスプリアスの影響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別の特定の局面では、前記各低音響インピーダンス層が、酸化ケイ素からなる。
本発明に係る高周波フロントエンド回路は、本発明に従い構成された弾性波装置と、パワーアンプとを備える。
本発明に係る通信装置は、本発明に従い構成された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、スプリアスが生じる周波数を、他の通信システムなどが利用する周波数帯域から遠ざけることができ、かつ周波数温度特性を効果的に改善することができる、弾性波装置、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ができる。
図1(a)は、本発明の第1の実施形態に係る弾性波装置の正面断面図であり、図1(b)は、第1の実施形態における弾性波装置の電極構造を示す模式的平面図である。 板波の伝搬モードの例を示す図である。 第1の比較例の弾性波装置のインピーダンス特性を示す図である。 第1の比較例の、主モードの周波数においての圧電体層の厚み方向における変位の分布を示す図である。 第1の比較例の、スプリアスが生じる周波数においての圧電体層の厚み方向における変位の分布を示す図である。 本発明の第1の実施形態の第1の実験例及び第1の比較例の弾性波装置のインピーダンス特性を示す図である。 圧電体層に最も近い低音響インピーダンス層の膜厚と共振周波数比F/Fとの関係を示す図である。 本発明の第1の実施形態の第2の実験例及び第1の比較例の弾性波装置のインピーダンス特性を示す図である。 圧電体層に最も近い低音響インピーダンス層の膜厚と共振周波数比F/Fとの関係を示す図である。 圧電体層に最も近い低音響インピーダンス層の膜厚と周波数温度係数TCFとの関係を示す図である。 音響反射層を伝搬する弾性波の変位の一例を示す図である。 圧電体層上に設けられたIDT電極により励振された弾性波が、バルク波として基板側に伝搬する際の、バルク波の各成分について説明するための模式図である。 各低音響インピーダンス層の膜厚の関係を本発明の第2の実施形態と同様とした場合の、音響反射層を伝搬する弾性波の変位の一例を示す図である。 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の実施形態に係る弾性波装置の正面断面図である。図1(b)は、第1の実施形態における弾性波装置の電極構造を示す模式的平面図である。
弾性波装置1は、支持基板2を有する。支持基板2は、本実施形態ではシリコン(Si)からなる。なお、支持基板2の材料は上記に限定されず、例えば、ガラス、スピネル、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、DLC膜、シリコン、サファイア、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、水晶等の圧電体、アルミナ、ジルコニア、コージライト、ムライト、ステアタイト、フォルステライトなどの各種セラミック、ダイヤモンド、マグネシア、または、上記各材料を主成分とする材料、上記各材料の混合物を主成分とする材料のいずれかであってもよい。
支持基板2上には、音響反射層3が設けられている。音響反射層3上には圧電体層6が設けられている。圧電体層6上にはIDT電極7が設けられている。IDT電極7に交流電圧を印加することにより、弾性波が励振される。音響反射層3は、弾性波を圧電体層6側に反射させ、弾性波を圧電体層6側に閉じ込めるために設けられている。
音響反射層3は、相対的に音響インピーダンスが低い複数の低音響インピーダンス層と、相対的に音響インピーダンスが高い複数の高音響インピーダンス層とを有する。本実施形態においては、音響反射層3は、低音響インピーダンス層と高音響インピーダンス層とが交互に積層された積層膜からなる。
弾性波装置1における音響反射層3は、複数の低音響インピーダンス層として、低音響インピーダンス層4a、低音響インピーダンス層4b、低音響インピーダンス層4c及び低音響インピーダンス層4dの4層の低音響インピーダンス層を有する。音響反射層3は、複数の高音響インピーダンス層として、高音響インピーダンス層5a、高音響インピーダンス層5b及び高音響インピーダンス層5cの3層の高音響インピーダンス層を有する。
本実施形態においては、低音響インピーダンス層4a、低音響インピーダンス層4b、低音響インピーダンス層4c及び低音響インピーダンス層4dは酸化ケイ素からなる。酸化ケイ素はSiO(xは整数)により表される。xの値は特に限定されないが、本実施形態においては、各低音響インピーダンス層はSiOからなる。なお、上記複数の低音響インピーダンス層の材料は上記に限定されず、相対的に音響インピーダンスが低い材料であればよい。
他方、高音響インピーダンス層5a、高音響インピーダンス層5b及び高音響インピーダンス層5cはPtからなる。なお、上記複数の高音響インピーダンス層の材料は上記に限定されず、例えば、Wなどの金属や、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、酸化タンタルまたは酸化ハフニウムなどの誘電体であってもよい。複数の高音響インピーダンス層の材料は、相対的に音響インピーダンスが高い材料であればよい。
音響反射層3の複数の低音響インピーダンス層のうち圧電体層6に最も近い層は、低音響インピーダンス層4aである。複数の高音響インピーダンス層のうち圧電体層6に最も近い層は高音響インピーダンス層5aである。本実施形態では、音響反射層3の各層のうち圧電体層6に最も近い層は低音響インピーダンス層であるが、圧電体層6に最も近い層は高音響インピーダンス層であってもよい。
ここで、音響反射層3は、低音響インピーダンス層を少なくとも2層有していればよく、高音響インピーダンス層を少なくとも1層有していればよい。音響反射層3は、高音響インピーダンス層を少なくとも2層有することが好ましい。この場合には、音響反射層3における複数の低音響インピーダンス層及び複数の高音響インピーダンス層の層数の合計が4層以上であるため、弾性波を圧電体層6側に効果的に閉じ込めることができる。
低音響インピーダンス層4aの膜厚は、他の低音響インピーダンス層である低音響インピーダンス層4b、低音響インピーダンス層4c及び低音響インピーダンス層4dの膜厚よりも厚い。なお、低音響インピーダンス層4b、低音響インピーダンス層4c及び低音響インピーダンス層4dの膜厚は同じである。他方、本実施形態においては、高音響インピーダンス層5a、高音響インピーダンス層5b及び高音響インピーダンス層5cの膜厚は全て同じである。ここで、本明細書において膜厚が同じとは、弾性波装置のフィルタ特性などが損なわれない程度に、膜厚が実質的に同じであることを示す。
各低音響インピーダンス層の膜厚及び各高音響インピーダンス層の膜厚は、弾性波装置1において主モードとして利用されるモードが励振される周波数帯域において弾性波の反射率を高くし、弾性波の支持基板2への漏洩を十分に小さくするように設定されている。圧電体層6内で励振された弾性波が、音響反射層3内の各層の境界面で反射されるので、音響反射層3内の各層に存在する弾性波のエネルギーは、圧電体層6に近い層ほど大きい。
なお、低音響インピーダンス層と高音響インピーダンス層との間や、音響反射層3と圧電体層6との間、音響反射層3と支持基板2との間に薄い密着層が設けられていてもよい。
圧電体層6は、本実施形態では、ニオブ酸リチウム(LiNbO)からなる。なお、圧電体層6は、ニオブ酸リチウム以外のタンタル酸リチウムなどの圧電単結晶や、酸化亜鉛(ZnO)、窒化アルミニウム(AlN)、水晶(SiO)、またはPZTなどの適宜の圧電セラミックスからなっていてもよい。
IDT電極7は、特に限定されないが、本実施形態ではAlからなる。IDT電極7は、単層の金属膜からなっていてもよく、複数の金属層が積層された積層金属膜からなっていてもよい。
図1(b)に示すように、IDT電極7の、圧電体層6上における弾性波伝搬方向両側には、反射器18及び反射器19が配置されている。IDT電極7は、互いに対向し合う第1のバスバー8a及び第2のバスバー9aを有する。IDT電極7は、第1のバスバー8aに一端が接続されている、複数の第1の電極指8bを有する。さらに、IDT電極7は、第2のバスバー9aに一端が接続されている、複数の第2の電極指9bを有する。複数の第1の電極指8bと複数の第2の電極指9bとは、互いに間挿し合っている。
なお、本出願においては、図1(b)に示すように、xyzの座標系を定める。すなわち、x方向はIDT電極7の第1の電極指8b及び第2の電極指9bに垂直な方向で、弾性波伝搬方向である。y方向は第1の電極指8b及び第2の電極指9bに平行な方向で、交叉幅方向であり、z方向は圧電体層6の厚み方向である。
IDT電極7に交流電圧を印加することによって、弾性波が励振される。励振される弾性波の伝搬方向における波長、すなわちx方向の波長は、図1(b)に示すλであり、IDT電極の電極指ピッチにより定められる。
利用する弾性波のモードは特に限定されないが、弾性波装置1はSモードの板波を主モードとして利用している。ここで、板波とは、励振される弾性波の伝搬方向における波長をλとしたときに、波長λにより規格化された膜厚が1λ以下である圧電体層において励振される種々の波を総称している。波が圧電体層に集中しているのであれば、波を集中させるための手段は問わない。すなわち、圧電体層の上下が空洞になっており、波が圧電体層のみに閉じ込められているメンブレンタイプの構造であっても、圧電体層の上下のうち少なくとも一方に弾性波を反射する構造、例えば音響反射層が存在する構造であっても良い。本願は、音響反射層を用いて板波を圧電体層に閉じ込める構造に関する。
図2は、板波の伝搬モードの例を示す図である。
図2においては、板波の種々の伝搬モードにおける変位の方向が示されている。U方向、U方向及びU方向は座標系を示し、U方向及びU方向は矢印の方向を正、U方向は紙面の奥行き方向を正とする。方向Uは板波の伝搬方向である。U方向は、圧電体層の主面に平行であり、かつ板波の伝搬方向に垂直な方向である。すなわち、U方向はSH方向である。U方向は圧電体層の厚み方向である。U、U、U方向が、図1(b)の座標系におけるx、y、z方向にそれぞれ対応する。
図2に示すように、Aモード、SHモード、Sモードの板波とは、変位の主成分がそれぞれU方向、U方向、U方向の成分であり圧電体層の厚み方向に節を有しない波を総称している。圧電体層の厚み方向に節を有しないモードの中では、一般にAモード、SHモード、Sモードの順に周波数が高い。また、SHモード、Aモード、Sモードの板波は、図2に示すように、圧電体層の厚み方向に一つの節を有するモードである。これらのモードは、一般にSモードなどの圧電体層の厚み方向に節を有しないモードに比べて周波数が高い。
本実施形態の特徴は、圧電体層6に最も近い低音響インピーダンス層4aの膜厚が、他の低音響インピーダンス層である低音響インピーダンス層4b、低音響インピーダンス層4c及び低音響インピーダンス層4dの膜厚よりも厚いことにある。それによって、スプリアスが生じる周波数を、他の通信システムなどが利用する周波数帯域から遠ざけることができ、かつ周波数温度特性を効果的に改善することができる。これを以下において説明する。
本実施形態の構成を有する弾性波装置及び第1の比較例の弾性波装置を作製し、インピーダンス特性を比較した。第1の比較例の弾性波装置は、複数の低音響インピーダンス層の膜厚が全て同じである点において、本実施形態と異なる。本実施形態の構成を有する第1の実験例の弾性波装置の条件は以下の通りである。なお、図1における符号を参照する。
圧電体層6:材料LiNbO、膜厚340nm、オイラー角(90°,90°,40°)
IDT電極7:材料Al、膜厚85nm、デューティ比0.5
IDT電極7の電極指ピッチにより規定される弾性波の伝搬方向における波長λ:1.7μm
低音響インピーダンス層4a〜4d:材料SiO、層数4層
低音響インピーダンス層4aの膜厚:340nm、
低音響インピーダンス層4b〜4dの各膜厚:272nm
高音響インピーダンス層5a〜5c:材料Pt、層数3層
高音響インピーダンス層5a〜5cの各膜厚:105nm
支持基板2:材料Si
第1の比較例の弾性波装置の条件は以下の通りである。
圧電体層:材料LiNbO、膜厚340nm、オイラー角(90°,90°,40°)
IDT電極:材料Al、膜厚85nm、デューティ比0.5
IDT電極の電極指ピッチにより規定される弾性波の伝搬方向における波長λ:1.7μm
低音響インピーダンス層:材料SiO、層数4層
低音響インピーダンス層の各膜厚:272nm
高音響インピーダンス層:材料Pt、層数3層
低音響インピーダンス層の各膜厚:105nm
支持基板:材料Si
第1の比較例においては、低音響インピーダンス層及び高音響インピーダンス層の膜厚は、主モードとして利用するSモードの板波が励振される周波数帯域において弾性波の反射率が十分に高くなるように設定されている。第1の実験例においては、低音響インピーダンス層4a以外の全ての低音響インピーダンス層及び全ての高音響インピーダンス層の膜厚が第1の比較例と同じとされている。他方、低音響インピーダンス層4aの膜厚は、他の全ての低音響インピーダンス層の膜厚よりも厚く設定されている。
図3は、第1の比較例の弾性波装置のインピーダンス特性を示す図である。図3の横軸は、主モードであるSモードの板波の共振周波数により周波数を規格化した規格化周波数である。
第1の比較例においては、規格化周波数1.5付近にインピーダンスが極小、極大となる点が現れており、大きなスプリアスが生じていることがわかる。このスプリアスが、他の通信システムなどにおいて問題となる場合がある。他の通信システムに対する影響を抑制するためには、スプリアスが生じないことが理想的である。しかしながら、これが困難である場合には、スプリアスが生じる周波数を制御することにより、システムの動作上問題がない周波数にスプリアスを配置することが必要となる。
ここで、第1の実験例及び第1の比較例の弾性波装置では、利用するSモードの板波の位相速度は約6000m/sであり、通常の弾性表面波の位相速度よりも高い。なお、通常の弾性表面波の位相速度は、3500m/s〜4000m/s程度である。Sモードの板波を利用する弾性波装置は、通常の弾性表面波を利用する弾性波装置を適用することが困難な高周波デバイスに適用することが期待されている。
例えば、第1の比較例の弾性波装置が、通過帯域が3400MHz〜3600MHzであるBand42の高周波デバイスに適用され、主モードの共振周波数が3500MHzであるとする。このとき、5090MHz付近に大きなスプリアスが生じることとなる。この場合、5150MHz〜5350MHzである、5GHz帯の無線LAN帯域に影響を与えるおそれがある。そのため、この周波数帯域からスプリアスが発生する周波数を遠ざける必要がある。ここで、Band42と無線LAN帯域との周波数比は、1.45倍以上、1.55倍以下程度である。よって、主モードであるSモードの板波の共振周波数の1.45倍以上、1.55倍以下の範囲内に、スプリアスを配置しないようにすることが望ましい。従って、スプリアスの共振周波数をF、主モードの共振周波数をFとし、スプリアスと主モードとの共振周波数比をF/Fとしたときに、共振周波数比F/Fを1.45以上、1.55以下の範囲外とすることが望ましい。
ところで、主モードの周波数及びスプリアスが生じる周波数における、圧電体層の厚み方向の変位の分布をそれぞれ下記の図4及び図5に示す。
図4は、第1の比較例の、主モードの周波数においての圧電体層の厚み方向における変位の分布を示す図である。図5は、第1の比較例の、スプリアスが生じる周波数においての圧電体層の厚み方向における変位の分布を示す図である。図4中の実線はU方向の成分を示し、破線はU方向の成分を示す。なお、U方向の成分はほぼ0となるため、図4においては省略している。二点鎖線は、弾性波装置における各層の境界を示す。図4における上方に位置する各文字は、第1の比較例における各層を示している。より具体的には、AlはIDT電極を示し、LNは圧電体層を示し、SiOは各低音響インピーダンス層を示し、Ptは各高音響インピーダンス層を示し、Siは支持基板を示す。図5においても同様である。
図4に示すように、主モードはU方向の成分が主体であり、圧電体層中において、変位が0となる節を有しない。よって、主モードは図2に示したSモードの板波に相当する。他方、図5に示すように、スプリアスのモードはU方向の成分が主体であり、圧電体層中において1つの節を有する。よって、スプリアスのモードは図2に示したSHモードの板波に相当する。なお、第1の実施形態においても同様に、主モードはSモードであり、スプリアスのモードはSHモードである。
図6は、第1の実施形態の第1の実験例及び第1の比較例の弾性波装置のインピーダンス特性を示す図である。図6の横軸は、図3と同様に、第1の実験例及び第1の比較例のそれぞれのインピーダンス特性に対して、それぞれの主モードの共振周波数により周波数を規格化した規格化周波数である。第1の実験例における主モードの共振周波数は、実際には第1の比較例よりも1%程度低くなっているが、図6においては、第1の実験例及び第1の比較例における主モードの共振周波数を揃えて図示している。なお、実線は第1の実験例の結果を示し、破線は第1の比較例の結果を示す。
図6に示すように、第1の実施形態の第1の実験例及び第1の比較例において、主モードはほぼ重なっている。他方、第1の比較例よりも、第1の実験例において、スプリアスの共振周波数を主モードの共振周波数に近づけることができている。より具体的には、スプリアスの共振周波数Fの主モードの共振周波数Fに対する共振周波数比F/Fは、第1の比較例では1.454である。これに対して、第1の実験例では、共振周波数比F/Fは1.384となっており、共振周波数比F/Fを1.45以上、1.55以下の範囲外とすることができている。よって、第1の実施形態においては、スプリアスが生じる周波数を、他の通信システムなどが利用する周波数帯域から遠ざけることができる。従って、他の通信システムに対する上記スプリアスの影響を十分に抑制することができる。
ここで、圧電体層に最も近い低音響インピーダンス層の膜厚を変化させて、共振周波数比F/Fをそれぞれ求めた。
図7は、圧電体層に最も近い低音響インピーダンス層の膜厚と共振周波数比F/Fとの関係を示す図である。
図7に示すように、圧電体層に最も近い低音響インピーダンス層の膜厚が厚いほど共振周波数比F/Fが小さくなることがわかる。ここで、図7中の一点鎖線は、圧電体層に最も近い低音響インピーダンス層以外の低音響インピーダンス層の膜厚を示す。この膜厚よりも、圧電体層に最も近い低音響インピーダンス層の膜厚が厚い場合に、共振周波数比F/Fを1.45以上、1.55以下の範囲外とすることができることがわかる。
ここで、第1の実施形態において、圧電体層6に最も近い低音響インピーダンス層4aの膜厚を408nmとした第2の実験例の弾性波装置1のインピーダンス特性を示す。第2の実験例の弾性波装置1の条件は以下の通りである。
圧電体層6:材料LiNbO、膜厚340nm、オイラー角(90°,90°,40°)
IDT電極7:材料Al、膜厚85nm、デューティ比0.5
IDT電極7の電極指ピッチにより規定される弾性波の伝搬方向における波長λ:1.7μm
低音響インピーダンス層4a〜4d:材料SiO、層数4層
低音響インピーダンス層4aの膜厚:408nm、
低音響インピーダンス層4b〜4dの各膜厚:272nm
高音響インピーダンス層5a〜5c:材料Pt、層数3層
高音響インピーダンス層5a〜5cの各膜厚:105nm
支持基板2:材料Si
図8は、第1の実施形態の第2の実験例及び第1の比較例の弾性波装置のインピーダンス特性を示す図である。図8の横軸は、図3と同様に、第2の実験例及び第1の比較例のそれぞれのインピーダンス特性に対して、それぞれの主モードの共振周波数により周波数を規格化した規格化周波数である。第2の実験例における主モードの共振周波数は、実際には第1の比較例よりも1%程度低くなっているが、図8においては、第2の実験例及び第1の比較例における主モードの共振周波数を揃えて図示している。なお、実線は第2の実験例の結果を示し、破線は第1の比較例の結果を示す。
図8に示すように、第2の実験例においては、図6に示した第1の実験例よりも、SHモードの板波によるスプリアスが低域側に生じていることがわかる。SHモードによるスプリアスにおいて、共振周波数比F/Fは1.298である。このように、第2の実験例においても、最も大きなスプリアスであるSHモードによるスプリアスが生じる周波数を、他の通信システムなどが利用する周波数帯域から遠ざけることができている。なお、第2の実験例においては、規格化周波数1.5付近に、Aモードの板波によるスプリアスが生じている。好ましくは、Aモードによるスプリアスにおける共振周波数比F/Fをも1.45以上、1.55以下の範囲外とすることが望ましい。
第2の実験例においては、圧電体層6に最も近い低音響インピーダンス層4aの膜厚を第1の実験例よりも厚くすることにより、Aモードによるスプリアスが第1の実験例よりも低域側に生じることとなっている。よって、低音響インピーダンス層4aの膜厚に上限値を設けることが好ましい。ここで、低音響インピーダンス層4aの膜厚を変化させて、Aモードによるスプリアスにおける共振周波数比F/Fをそれぞれ求めた。
図9は、圧電体層に最も近い低音響インピーダンス層の膜厚と共振周波数比F/Fとの関係を示す図である。図9において、白色の円形のプロット及び実線は、図7と同様の、SHモードによるスプリアスにおける結果を示す。黒色の円形のプロット及び破線は、Aモードによるスプリアスにおける結果を示す。
図9に示すように、圧電体層に最も近い低音響インピーダンス層の膜厚が370nm、すなわち他の低音響インピーダンス層の膜厚の1.38倍よりも薄い場合に、Aモードによるスプリアスにおける共振周波数比F/Fを1.45以上、1.55以下の範囲外とすることができている。よって、圧電体層に最も近い低音響インピーダンス層の膜厚を、他の低音響インピーダンス層の膜厚の1.38倍よりも薄くすることが好ましい。この場合には、Aモードによるスプリアスにおける共振周波数比F/Fを1.45以上、1.55以下の範囲外とすることができる。それによって、他の通信システムに対するスプリアスの影響をより一層抑制することができる。
上述したように、第1の実施形態の第1の実験例及び第2の実験例におけるスプリアスのモードはSHモード及びAモードである。これらのように、圧電体層6の厚み方向に節を有し、変位の変動が大きなモードは、厚み方向に変位の変動が小さいSモードなどに比べて、波のエネルギーが存在している層の膜厚の変動に対して、周波数などの特性値が変動し易い。一般に、Sモードは圧電体層6の厚み方向に節を持たず厚み方向における変位の変動が小さい板波のモードの中では周波数が最も高いため、Sモードを主モードとして利用する場合に、高域側に生じるスプリアスの原因となるモードの多くは、SHモードやAモードのように、圧電体層6の厚み方向に節を有する。従って、音響反射層3において圧電体層6に最も近い低音響インピーダンス層4aの膜厚を変化させることによって、主モードとスプリアスとの周波数の関係を制御することができる。
どのモードが励振されてスプリアスになるかは、圧電体層6の種類や方位などの条件に依存するため、SHモードやAモード以外のモードがスプリアスとなる場合がある。このような場合であっても、Sモードを主モードとして利用する場合には、スプリアスとなるモードは、厚み方向における変位の変動が大きいモードであり、波のエネルギーが存在している層の膜厚の変動に対して周波数の変動が大きいモードであるため、本発明を好適に適用することができる。
ところで、上記効果は、圧電体層6の膜厚を変化させても得られるが、その場合は主モードの電気機械結合係数などの特性が大きく変化することとなる。他方、上記効果は、音響反射層3における全ての低音響インピーダンス層及び高音響インピーダンス層の膜厚を変化させても得られるが、その場合は音響反射層3全体の反射特性の周波数依存性が大きく変化し、挿入損失の劣化が生じることがある。これらに対して、第1の実施形態においては、圧電体層6に最も近い低音響インピーダンス層4aのみの膜厚がその他の低音響インピーダンス層の膜厚に比べて厚い。よって、主モードの特性に大きな影響を与えることなく、かつ音響反射層3の反射特性の劣化を招くことなく、主モードとスプリアスとの周波数の関係を制御することができる。
以下において、第1の実施形態において、周波数温度特性を効果的に改善することできることを説明する。
圧電体層に最も近い低音響インピーダンス層の膜厚以外の条件は、上記第1の実験例と同様の条件とし、圧電体層に最も近い低音響インピーダンス層の膜厚を変化させて、周波数温度係数TCFをそれぞれ求めた。
図10は、圧電体層に最も近い低音響インピーダンス層の膜厚と周波数温度係数TCFとの関係を示す図である。
図10に示すように、圧電体層に最も近い低音響インピーダンス層の膜厚が厚くなるほど、周波数温度係数TCFの絶対値が小さくなっていることがわかる。上述したように、第1の比較例においては、圧電体層に最も近い低音響インピーダンス層の膜厚は他の低音響インピーダンス層の膜厚と同じである。一点鎖線で示す、第1の比較例における圧電体層に最も近い低音響インピーダンス層の膜厚よりも、該膜厚を厚くすることにより、周波数温度係数TCFの絶対値を小さくできることがわかる。よって、第1の実施形態においては、周波数温度特性を効果的に改善できる。
なお、第1の実施形態においては、Sモードの板波を主モードとして用いた例を示したが、これに限らず、他のモードを主モードとして用いても、同様の効果を得ることができる。
以下において、第2の実施形態に係る弾性波装置について説明する。なお、第1の実施形態と同様の符号を参照する。本実施形態は、圧電体層6に最も近い低音響インピーダンス層4aの膜厚が第1の実施形態と異なる。上記の点以外においては、第2の実施形態の弾性波装置1は、第1の実施形態の弾性波装置1と同様の構成を有する。
本実施形態においても、圧電体層6に最も近い低音響インピーダンス層4aの膜厚は他の低音響インピーダンス層の膜厚よりも厚い。よって、第1の実施形態と同様に、スプリアスの共振周波数を主モードの共振周波数に近づけることができ、スプリアスが生じる周波数を、他の通信システムなどが利用する周波数帯域から遠ざけることができる。
ここで、本実施形態では、圧電体層6に最も近い低音響インピーダンス層4aの膜厚は、低音響インピーダンス層4a中を伝搬する横波弾性波の波長の圧電体層6の厚み方向の成分の3/4である。低音響インピーダンス層4a以外の低音響インピーダンス層の膜厚及び全ての高音響インピーダンス層の膜厚は、各層中を伝搬する横波弾性波の波長の圧電体層6の厚み方向の成分の1/4である。それによって、音響反射層3の反射特性の劣化を招くことなく、周波数温度特性をより一層改善することができる。
なお、圧電体層6に最も近い低音響インピーダンス層4aの膜厚が、低音響インピーダンス層4a中を伝搬する横波弾性波の波長の圧電体層6の厚み方向の成分の0.7倍以上、0.8倍以下の範囲であれば、上記効果を得ることができる。同様に、低音響インピーダンス層4a以外の低音響インピーダンス層の膜厚及び全ての高音響インピーダンス層の膜厚が、各層中を伝搬する横波弾性波の波長の圧電体層6の厚み方向の成分の0.2倍以上、0.3倍以下の範囲であれば、上記効果を得ることができる。
ここで、低音響インピーダンス層及び高音響インピーダンス層の膜厚を規定する上記横波弾性波の波長は、より具体的には、上記横波弾性波の中心周波数における波長である。上記の、音響反射層3の反射特性の劣化を招くことなく、周波数温度特性をより一層改善することができるという効果について、以下において説明する。
図11は、音響反射層を伝搬する弾性波の変位の一例を示す図である。なお、図11におけるM1は低音響インピーダンス層を示し、M2は高音響インピーダンス層を示す。図11における左側が圧電体層側であり、右側が支持基板側となる。実線は低音響インピーダンス層における変位を示す破線は高音響インピーダンス層における変位を示す。後述する図13においても同様である。
通常、音響反射層の各層の膜厚設計は、音響反射層を構成する各層中を伝搬する横波弾性波の波長の圧電体層の厚み方向の成分の1/4倍とすることが望ましい。これにより、図11に示すように、圧電体層から遠ざかる方向に伝搬する波は互いに弱め合い、圧電体層側に伝搬する波は互いに強め合う。よって、圧電体層側に弾性波が閉じ込められる。
なお、異なる媒質中を伝搬する横波弾性波の速度は異なり、波長も異なる。そのため、図11においては、低音響インピーダンス層の膜厚と高音響インピーダンス層の膜厚とは異なる。
図12は、圧電体層上に設けられたIDT電極により励振された弾性波が、バルク波として基板側に伝搬する際の、バルク波の各成分について説明するための模式図である。図12に示したx、z方向は、図1(b)のx、z方向とそれぞれ対応する。
ここで、IDT電極で励振されて基板側の方向にバルク波として伝搬する弾性波は、大きさがバルク波の音速と周波数とにより決まる波数ベクトルで表される。この波数ベクトルの一例を、図12中の波数ベクトルAにより示す。IDT電極で励振されるので、このバルク波は基板の主面に平行な方向xの波数成分Bを持ち、その大きさはIDT電極の電極指ピッチにより規定される波長で決まる。上記から、図12に従って圧電体層の厚み方向zの波数成分Cが求められ、そこから波長の圧電体層の厚み方向zの成分が求められる。
IDT電極の電極指ピッチにより規定される弾性波の伝搬方向における波長をλ、周波数をf、媒質中を伝搬する横波バルク波の伝搬速度をv、媒質中を伝搬する横波バルク波の波長の圧電体層の厚み方向の成分をλとしたときに、媒質が等方体である場合にはλは下記の式により表される。
Figure 2019102883
IDT電極に交流電圧を印加することにより励振され、圧電体層の厚み方向に放射されるバルク波は、縦波及び横波の成分を有する。さらに、横波は、圧電体層と圧電体層に積層された層との境界面に平行な変位成分を有するSH波と、上記変位成分に垂直な変位成分を有するSV波とに分けられる。SH波は、モード変換することなく、境界面において反射/透過する。他方、SV波と縦波とは、境界面において反射/透過するに際し、互いにモード変換する。なお、縦波と横波とは音速が異なるため波長は異なり、縦波を効率よく反射することができる音響反射層の各層の膜厚と、横波を効率よく反射することができる音響反射層の各層の膜厚とは異なる。ところが、縦波とSV波は互いにモード変換するため、横波の波長に合わせた膜厚設計とすることにより、縦波として音響反射層に入射する成分も反射させることができる。そのため、上記のように、音響反射層の各層の膜厚設計を、音響反射層を構成する各層中を伝搬する横波弾性波の波長の圧電体層の厚み方向の成分の1/4倍とすることによって、弾性波を圧電体層側に閉じ込めることができる。しかしながら、音響反射層の全ての層を上記波長の成分の1/4倍とした場合、周波数温度特性を十分に高めることはできない。
図13は、各低音響インピーダンス層の膜厚の関係を第2の実施形態と同様とした場合の、音響反射層を伝搬する弾性波の変位の一例を示す図である。
本実施形態では、圧電体層6に最も近い低音響インピーダンス層4aの膜厚が、低音響インピーダンス層4a中を伝搬する横波弾性波の波長の圧電体層6の厚み方向の成分の3/4倍とされている。それによって、図13に示すように、弾性波が強め合う関係及び弱め合う関係を図11に示した関係から変化させることなく、低音響インピーダンス層4aに存在する弾性波のエネルギーの割合を大きくすることができる。従って、音響反射層3の反射特性の劣化を招くことなく、周波数温度特性をより一層改善することができる。
上記各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14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14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。
さらに、上記弾性波装置は、例えば、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パワーアンプ回路234a,234b,244a,244b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で処理された受信信号や、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などを備えることにより、スプリアスが生じる周波数を、他の通信システムなどが利用する周波数帯域から遠ざけることができ、かつ周波数温度特性を効果的に改善することができる。
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、実施形態を挙げて説明したが、本発明は、上記実施形態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、デュプレクサ、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…支持基板
3…音響反射層
4a〜4d…低音響インピーダンス層
5a〜5c…高音響インピーダンス層
6…圧電体層
7…IDT電極
8a…第1のバスバー
8b…第1の電極指
9a…第2のバスバー
9b…第2の電極指
18…反射器
19…反射器
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 (10)

  1. 支持基板と、
    前記支持基板上に設けられている音響反射層と、
    前記音響反射層上に設けられている圧電体層と、
    前記圧電体層上に設けられているIDT電極と、
    を備え、
    前記音響反射層は、相対的に音響インピーダンスが低い複数の低音響インピーダンス層と、相対的に音響インピーダンスが高い高音響インピーダンス層と、を有し、
    前記低音響インピーダンス層と前記高音響インピーダンス層とが交互に積層されており、
    前記圧電体層に最も近い前記低音響インピーダンス層の膜厚が、他の全ての前記低音響インピーダンス層の膜厚よりも厚い、弾性波装置。
  2. 前記圧電体層に最も近い前記低音響インピーダンス層の膜厚が、他の全ての前記低音響インピーダンス層の膜厚の1.38倍以下である、請求項1に記載の弾性波装置。
  3. 前記圧電体層に最も近い前記低音響インピーダンス層の膜厚が、該低音響インピーダンス層中を伝搬する横波弾性波の波長の前記圧電体層の厚み方向の成分の0.7倍以上、0.8倍以下の範囲である、請求項1に記載の弾性波装置。
  4. 前記圧電体層に最も近い前記低音響インピーダンス層以外の前記各低音響インピーダンス層の膜厚が、前記各低音響インピーダンス層中を伝搬する横波弾性波の波長の前記圧電体層の厚み方向の成分の0.2倍以上、0.3倍以下の範囲であり、
    前記高音響インピーダンス層の膜厚が、前記高音響インピーダンス層中を伝搬する横波弾性波の波長の前記圧電体層の厚み方向の成分の0.2倍以上、0.3倍以下の範囲である、請求項3に記載の弾性波装置。
  5. モードの板波を利用している、請求項1〜4のいずれか1項に記載の弾性波装置。
  6. 前記音響反射層が、前記高音響インピーダンス層を複数有する、請求項1〜5のいずれか1項に記載の弾性波装置。
  7. 利用する主モードとは異なるモードのスプリアスが生じる弾性波装置であって、
    前記スプリアスの共振周波数をF、前記主モードの共振周波数をFとし、前記スプリアスと前記主モードとの共振周波数比をF/Fとしたときに、共振周波数比F/Fが1.45以上、1.55以下の範囲外である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の弾性波装置。
  8. 前記各低音響インピーダンス層が、酸化ケイ素からなる、請求項1〜7のいずれか1項に記載の弾性波装置。
  9. 請求項1〜8のいずれか1項に記載の弾性波装置と、
    パワーアンプと、
    を備える、高周波フロントエンド回路。
  10. 請求項9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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