JP5643056B2

JP5643056B2 - 弾性波デバイス

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Publication number: JP5643056B2
Application number: JP2010245452A
Authority: JP
Inventors: 西原　時弘; 時弘西原; 眞司谷口; 横山　剛; 剛横山; 坂下　武; 武坂下
Original assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Current assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Priority date: 2010-11-01
Filing date: 2010-11-01
Publication date: 2014-12-17
Anticipated expiration: 2030-11-01
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Description

本発明は、弾性波デバイスに関し、特に、圧電薄膜共振子がデカプラ膜を挟んで設けられた弾性波デバイスに関する。

携帯電話等の高周波回路として、圧電薄膜共振子が用いられている。圧電薄膜共振子には、ＦＢＡＲ(Film Bulk Acoustic Resonator)タイプとＳＭＲ（Solidly Mounted Resonator）タイプとがある。近年、アンテナデュプレクサにおいて、受信端子にバランス出力が要求されることがある。しかしながら、ＦＢＡＲおよびＳＭＲを用いたフィルタにおいては、アンバランス信号とバランス信号との変換ができない。そこで、アンバランス信号とバランス信号との変換が可能なＣＲＦ（Coupled Resonator Filter）構造が検討されている（例えば、非特許文献１）。ＣＲＦは、複数の圧電薄膜共振子とデカプラ膜とを備えている。複数の圧電薄膜共振子はデカプラ膜を介し積層されている。

非特許文献２には、窒化アルミニウムにスカンジウム（Ｓｃ）を添加することにより、圧電定数が増加することが記載されている。また、非特許文献３には、窒化アルミニウムにエルビウム（Ｅｒ）を添加することにより、圧電定数が増加することが記載されている。

Improved Resonator Filter Performance using a Carbon-doped Oxide de-coupling Layer", IEEE Ultrasonics Symp., 2009 Advanced Materials 2009, 21, pp293-596. Mater. Res. Soc Symp. Proc. Vol. 1129 2009 pp21-25

ＣＲＦにおいては、低周波数側の反対称モードと、高周波数側の対称モードの２つの共振特性が出現する。この２つの共振周波数間隔が広すぎた結果、帯域の中央付近の損失が大きくなる場合、デカプラ膜の音響インピーダンスを小さくすることにより、帯域の中央付近の損失を抑制することができる。しかしながら、デカプラ膜の音響インピーダンスを小さくすると、デカプラ膜自体に起因する損失が大きくなってしまう。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、損失を抑制すること、または帯域特性を制御することが可能な弾性波デバイスを提供することを目的とする。

本発明は、基板上に設けられ、第１圧電膜と前記第１圧電膜を上下に挟む第１下部電極および第１上部電極とを含む第１圧電薄膜共振子と、前記第１上部電極上に設けられたデカプラ膜と、前記デカプラ膜上に設けられ、第２圧電膜と前記第２圧電膜を上下に挟む第２下部電極および第２上部電極とを含む第２圧電薄膜共振子と、を具備し、前記第１圧電膜および前記第２圧電膜は窒化アルミニウムにより形成されるとともに前記窒化アルミニウムの圧電定数を高める元素を含み、前記第２圧電膜の前記元素の含有量は、前記第１圧電膜の前記元素の含有量より大きいである。本発明によれば、通過帯域の帯域中央の損失を抑制することができる。

上記構成において、前記元素は、スカンジウムまたはエルビウムである構成とすることができる。

本発明は、第１圧電膜と前記第１圧電膜を上下に挟む第１下部電極および第１上部電極とを含む第１圧電薄膜共振子と、前記第１上部電極上に設けられたデカプラ膜と、前記デカプラ膜上に設けられ、第２圧電膜と前記第２圧電膜を上下に挟む第２下部電極および第２上部電極とを含む第２圧電薄膜共振子と、を具備し、前記第１上部電極および前記第２下部電極のそれぞれの膜厚は、前記第１下部電極および前記第２上部電極のそれぞれの膜厚より小さく、前記デカプラ膜の音響インピーダンスは、５Ｍｒａｙｌ以下であることを特徴とする弾性波デバイスを提供することができる。

上記構成において、前記デカプラ膜は単層膜である構成とすることができる。

上記構成において、前記デカプラ膜は、酸化シリコンを含む構成とすることができる。

上記構成において、前記第１下部電極、前記第１上部電極、前記第２下部電極および前記第２上部電極の音響インピーダンスは５０Ｍｒａｙｌ以上かつ１２０Ｍｒａｙｌ以下である構成とすることができる。

上記構成において、前記第１下部電極、前記第１上部電極、前記第２下部電極および前記第２上部電極はＩｒ、Ｗ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｍｏ、ＰｔおよびＴａの少なくとも１つを含む構成とすることができる。

上記構成において、前記第１下部電極との間に空隙が形成されるように設けられた基板を具備する構成とすることができる。

本発明によれば、損失を抑制すること、または帯域特性を制御することが可能な弾性波デバイスを提供することができる。

図１（ａ）および図１（ｂ）は、ＦＢＡＲタイプの圧電薄膜共振子のそれぞれ平面図およびＡ−Ａ断面図である。図２は、ＦＢＡＲタイプの圧電薄膜共振子の別の例の断面図である。図３は、ＳＭＲタイプの圧電薄膜共振子の断面図である。図４は、比較例１に係るＣＲＦの断面図である。図５は、比較例２に係るＣＲＦの断面図である。図６は、シミュレーションを行った比較例１のＣＲＦの断面模式図である。図７（ａ）は、周波数に対するインピーダンスを示す図である。図７（ｂ）は、通過（Ｓ２１）特性を示す図である。図８は、デカプラ膜の音響インピーダンスに対する共振周波数間隔率を示す図である。図９は、デカプラ膜の音響インピーダンスに対する減衰量を示す図である。図１０（ａ）は、デカプラ膜を酸化シリコン膜とした場合の比較例１の周波数に対するインピーダンスを示す図である。図１０（ｂ）は、誘電率、弾性定数および圧電定数の変化量に対する共振周波数間隔率を示す図である。図１１（ａ）は、低周波数側対称モードの共振／***振周波数間隔ΔｆＬを示す図である。図１１（ｂ）は、誘電率、弾性定数および圧電定数の変化量に対する共振／***振周波数間隔率を示す図である。図１２（ａ）は、高周波数側対称モードの共振／***振周波数間隔ΔｆＨを示す図である。図１２（ｂ）は、誘電率、弾性定数および圧電定数の変化量に対する共振／***振周波数間隔率を示す図である。図１３（ａ）は、周波数に対するインピーダンスを示す図である。図１３（ｂ）は、通過特性を示す図である。図１４は、圧電定数の変化量に対する通過帯域の中心の挿入損失を示す図である。図１５は、シミュレーションを行なった実施例２のＣＲＦの構造を示す図である。図１６（ａ）は、周波数に対するインピーダンスを示す図である。図１６（ｂ）は、通過特性を示す図である。図１７は、膜厚Ｔ１／膜厚Ｔ２に対する共振周波数間隔Δｆを示す図である。図１８（ａ）は、周波数に対するインピーダンスを示す図である。図１８（ｂ）は、通過特性を示す図である。図１９は、電極膜の音響インピーダンスに対する共振周波数間隔率を示す図である。図２０（ａ）および図２０（ｂ）は、実施例４に係る弾性波デバイスの断面図である。図２１（ａ）および図２１（ｂ）は、実施例４に係る弾性波デバイスの別の例の断面図である。

まず、圧電薄膜共振子について説明する。圧電薄膜共振子には、ＦＢＡＲタイプとＳＭＲタイプとがある。図１（ａ）および図１（ｂ）は、ＦＢＡＲタイプの圧電薄膜共振子のそれぞれ平面図およびＡ−Ａ断面図である。圧電薄膜共振子は、主に、基板５０、下部電極５２、圧電膜５４および上部電極５６を備える。基板５０上に下部電極５２と上部電極５６とが圧電膜５４を挟んで設けられている。圧電膜５４を挟み上部電極５６と下部電極５２とが対向する部分（共振領域６０）の下に、基板５０を貫通する空隙５８が形成されている。

図２は、ＦＢＡＲタイプの圧電薄膜共振子の別の例の断面図である。基板５０の上面は平坦であり、基板５０と下部電極５２との間に空隙５８が形成されるように下部電極５２が形成されている。空隙５８は、例えばドーム状形状を有している。例えば、基板５０に窪みがあり、窪みにより、基板５０と下部電極５２との間に空隙５８が形成されていてもよい。

図３は、ＳＭＲタイプの圧電薄膜共振子の断面図である。共振領域６０の下部電極５２の下に音響反射膜６２が形成されている。音響反射膜６２は、音響インピーダンスの高い膜と低い膜を交互にλ／４の膜厚で積層した膜である。ここで、λは弾性波の波長である。図１から図３の圧電薄膜共振子において、下部電極５２および上部電極５６としては、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）およびルテニウム（Ｒｕ）等がよく用いられる。圧電膜５４としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）がよく用いられる。基板５０としては、シリコン（Ｓｉ）がよく用いられる。

次に、ＣＲＦについて説明する。図４は、比較例１に係るＣＲＦの断面図である。基板５０上に、第１圧電薄膜共振子１０および第２圧電薄膜共振子２０が積層されている。第１圧電薄膜共振子１０は、第１下部電極１２、第１圧電膜１４および第１上部電極１６を備えている。第２圧電薄膜共振子２０は、第２下部電極２２、第２圧電膜２４および第２上部電極２６を備えている。第１圧電薄膜共振子１０と第２圧電薄膜共振子２０との間に単層のデカプラ膜３０が形成されている。共振領域の第１下部電極１２下に空隙５８が設けられている。

図５は、比較例２に係るＣＲＦの断面図である。比較例１と比較し、デカプラ膜３０が、膜３２、３４等の複数の積層された膜を用い形成されている。第１下部電極１２下に音響反射膜６２が形成されている。その他の構成は比較例１の図４と同じであり、説明を省略する。

比較例１の場合、デカプラ膜３０として単層膜を用いているため、比較例２のように、デカプラ膜３０が複数膜により形成されている場合に比べ、製造工程数が少なくかつ膜厚の制御も容易となる。一方、以下に説明するような課題もある。

デカプラ膜３０が１層の場合についてシミュレーションを行った。図６は、シミュレーションを行った比較例１のＣＲＦの断面模式図である。ＣＲＦ１００は、第１圧電薄膜共振子１０、第２圧電薄膜共振子２０およびデカプラ膜３０を含む。第１圧電薄膜共振子１０は、第１圧電膜１４と第１圧電膜１４を上下に挟む第１下部電極１２および第１上部電極１６とを含む。デカプラ膜３０は、第１上部電極１６上に設けられている。第２圧電薄膜共振子２０は、デカプラ膜３０上に設けられ、第２圧電膜２４と第２圧電膜２４を上下に挟む第２下部電極２２および第２上部電極２６とを含む。このように、デカプラ膜３０を挟み第１圧電薄膜共振子１０と第２圧電薄膜共振子２０とが積層されている。第１下部電極１２および第２上部電極２６はそれぞれ入出力端子４０および４２に接続されている。第１上部電極１６および第２下部電極２２はそれぞれ接地されている。

第１下部電極１２、第１上部電極１６、第２下部電極２２および第２上部電極２６をそれぞれ膜厚が１００ｎｍのＲｕ膜とし、第１圧電膜１４および第２圧電膜２４を、膜厚が８００ｎｍのＡｌＮ膜とし、デカプラ膜３０の膜厚を４５０ｎｍとしてシミュレーションを行なった。シミュレーションは、デカプラ膜３０の音響インピーダンスを変化させた。

図７（ａ）は、周波数に対するインピーダンスを示す図である。図７（ｂ）は、通過（Ｓ２１）特性を示す図である。インピーダンスは、入出力端子４０を接地したときの特性であり、通過特性は、入出力端子４０および４２間のＳ２１である。図７（ａ）および図７（ｂ）において、実線、破線および点線は、デカプラ膜３０の音響インピーダンスがそれぞれ１２．７Ｍｒａｙｌ、７．６Ｍｒａｙｌおよび２．５Ｍｒａｙｌの場合のシミュレーション結果である。１２．７Ｍｒａｙｌは、酸化シリコン膜の音響インピーダンスに対応する。

図７（ａ）のように、ＣＲＦにおいては、低周波数側に反対称モード（この周波数をｆａｒとする）の共振特性、高周波数側に対称モード（この周波数をｆｓｒとする）の共振特性が生じる。この２つのモードｆｓｒとｆａｒとの共振周波数の間隔を共振周波数間隔Δｆとする。図８は、デカプラ膜３０の音響インピーダンスに対する共振周波数間隔率を示す図である。共振周波数間隔率は、（ｆｓｒ−ｆａｒ）／（ｆｓｒ＋ｆａｒ）×２×１００で表される。図８のように、デカプラ膜３０の音響インピーダンスが大きくなるに従い、共振周波数間隔は単純に増加する。図７（ｂ）のように、共振周波数の間隔が広い場合、インピーダンスミスマッチに起因した通信帯域の帯域中央の損失が大きくなる。一方、共振周波数の間隔が狭い場合、通信帯域の帯域中央の損失が小さくなる。このように、図７（ａ）から図８によれば、デカプラ膜３０の音響インピーダンスを小さくすることにより、共振周波数間隔Δｆを小さくでき、通信帯域の帯域中央の損失を小さくできる。

しかしながら、図７（ａ）、図７（ｂ）および図８のシミュレーションにおいては、デカプラ膜３０自体の損失は考慮していない。図９は、デカプラ膜３０の音響インピーダンスに対する減衰量を示す図である。図９は、非特許文献１に記載されている図である。図９のように、デカプラ膜３０の音響インピーダンスが小さくなるに従い、デカプラ膜３０の伝搬損失が大きくなってしまう。以上のように、デカプラ膜３０の音響インピーダンスを変えたのでは、通過帯域の帯域中央の損失と伝搬損失とがトレードオフの関係になってしまう。

例えば、図９のように、音響インピーダンスが５Ｍｒａｙｌ以上のデカプラ膜３０を用いると、デカプラ膜３０の伝送損失を小さくすることができる。例えば、音響インピーダダンスが約１３Ｍｒａｙｌの酸化シリコン（例えばＳｉＯ_２）膜を用いることにより、デカプラ膜３０の伝送損失を抑制することができる。しかし、この場合、上記したように、共振周波数間隔Δｆが大きくなってしまい、通過帯域の中央における損失が大きくなってしまう。

以上のように、例えばデカプラ膜３０として単層膜を用いた場合、通過帯域の帯域中央の損失と伝搬損失とがトレードオフの関係になってしまう。以下、上記問題点を解決する実施例について説明する。

実施例１は、圧電膜の圧電定数を向上させる例である。まず、圧電膜の圧電定数を向上させる意義について説明する。シミュレーションを行った各膜の構成は、比較例１と同じであり、デカプラ膜３０を酸化シリコン膜とし音響インピーダンスを１２．７Ｍｒａｙｌとしている。

図１０（ａ）は、デカプラ膜３０を酸化シリコン膜とした場合の比較例１の周波数に対するインピーダンスを示す図である。２つのモードの間隔を共振周波数間隔Δｆとした。図１０（ｂ）は、圧電膜１４および２４の誘電率（白丸）、弾性定数（黒丸）および圧電定数（白△）の変化量に対する共振周波数間隔率（（ｆｓｒ−ｆａｒ）／（ｆｓｒ＋ｆａｒ）×２×１００）を示す図である。変化量は、（００２）方向を主軸とする配向性を有する窒化アルミニウムの標準値で規格化した値である。誘電率（ε_３３）、弾性定数（ｃ_３３）および圧電定数（ｅ_３３）の標準値は、それぞれ８．９１×１０^１１Ｆ／ｍ、４．２９×１０^−１１Ｐａおよび１．５５Ｃ／ｍ^２である。なお、圧電薄膜共振子においては、上下方向に伝搬する弾性波を用いているため、（００２）方向を主軸とする配向性を有する窒化アルミニウムにおいては、誘電率（ε_３３）、弾性定数（ｃ_３３）および圧電定数（ｅ_３３）が特性に主に影響する。よって、シミュレーションには、これらの値を用いている。

図１０（ｂ）のように、誘電率および圧電定数が変化しても共振周波数間隔は大きく変化しない。一方、弾性定数が小さくなるに従い、共振周波数間隔が大きくなり好ましくない。

ここで、電気機械結合定数ｋ_３３は以下の式で表されるが、弾性定数の減少は電気機械結合定数の増加を意味している。
ｋ_３３ ^２＝ｅ_３３ ^２／（ε_３３・ｃ_３３）

図１１（ａ）は、低周波数側対称モードの共振／***振周波数間隔ΔｆＬを示す図である。図１１（ｂ）は、圧電膜１４および２４の誘電率（白丸）、弾性定数（黒丸）および圧電定数（白△）の変化量に対する共振／***振周波数間隔率（（ｆＬ２−ｆＬ１）／（ｆＬ２＋ｆＬ１）×２×１００）を示す図である。変化量は、（００２）方向を主軸とする配向性を有する窒化アルミニウムの標準値で規格化した。図１１（ｂ）のように、誘電率および弾性定数が小さくなるに従い共振／***振周波数間隔ΔｆＬが大きくなる。一方、圧電定数が大きくなるに従い低周波数対称モードの共振／***振周波数間隔ΔｆＬが大きくなる。また、同じ変化割合なら、圧電定数が最も効率よくΔｆＬを大きくすることができる。ここで、誘電率および弾性定数の減少、および、圧電定数の増加は、電気機械結合定数ｋ_３３の増加を意味している。

図１２（ａ）は、高周波数側対称モードの共振／***振周波数間隔ΔｆＨを示す図である。図１２（ｂ）は、誘電率（白丸）、弾性定数（黒丸）および圧電定数（白△）の変化量に対する共振／***振周波数間隔率（（ｆＨ２−ｆＨ１）／（ｆＨ２＋ｆＨ１）×２×１００）を示す図である。変化量は、（００２）方向を主軸とする配向性を有する窒化アルミニウムの標準値で規格化した。図１２（ｂ）のように、誘電率および弾性定数が小さくなるに従い共振／***振周波数間隔ΔｆＨが大きくなる。一方、圧電定数が大きくなるに従い高周波数側対称モードの共振／***振周波数間隔ΔｆＨが大きくなる。また、同じ変化割合なら、圧電定数が最も効率よくΔｆＬを大きくすることができる。ここで、誘電率および弾性定数の減少、および、圧電定数の増加は、電気機械結合定数ｋ_３３の増加を意味している。

共振／***振周波数間隔ΔｆＬおよびΔｆＨは広い方が、ＣＲＦの通過帯域の中央の損失は改善する。よって、圧電膜の圧電定数を向上させることにより、最も効率よくＣＲＦの通過帯域の中央の損失を改善させることができる。

第１下部電極１２、第１上部電極１６、第２下部電極２２および第２上部電極２６を膜厚が８５ｎｍのＷ膜とし、第１圧電膜１４および第２圧電膜２４を、膜厚が６８０ｎｍの窒化アルミニウム膜とし、デカプラ膜３０の膜厚を３８５ｎｍの酸化シリコン膜としてシミュレーションを行なった。第１圧電膜１４および第２圧電膜２４の圧電定数を窒化アルミニウムの圧電定数（ｅ_３３）の標準値から変化させた。

図１３（ａ）は、周波数に対するインピーダンスを示す図である。図１３（ｂ）は、通過特性を示す図である。図１３（ａ）および図１３（ｂ）中の実線、破線および点線は、それぞれ圧電定数（ｅ_３３）が、１．５５Ｃ／ｍ^２（窒化アルミニウムの標準値）、１．５５×１．５Ｃ／ｍ^２（窒化アルミニウムの標準値の１．５倍）および１．５５×２Ｃ／ｍ^２（窒化アルミニウムの標準値の２倍）の場合のシミュレーション結果である。図１３（ａ）のように、第１圧電膜１４および第２圧電膜２４の圧電定数を大きくすると、２つのモードの共振周波数間隔Δｆはほぼ同じだが、２つのモードの共振／***振周波数間隔ΔｆＬおよびΔｆＨは大きくなる。図１３（ｂ）のように、圧電膜の圧電定数が大きくなると、通過帯域の中央の損失が小さくなる。

図１４は、圧電定数の変化量に対する通過帯域の中心の挿入損失を示す図である。圧電定数（ｅ_３３）は、窒化アルミニウムの標準値１．５５Ｃ／ｍ^２で規格化している。図１４のように、通過帯域の中心の挿入損失は、圧電定数が大きくなると小さくなる。圧電定数の変化量が２のとき挿入損失は最も小さくなる。その後、圧電定数が大きくなると挿入損失が大きくなる。

例えば、通過帯域の帯域中心における挿入損失を−６ｄＢ以下とするためには、圧電定数（ｅ_３３）は窒化アルミニウムの標準値の１．１〜３．９倍とすることが好ましい。また、挿入損失を−４ｄＢ以下とするためには、圧電定数（ｅ_３３）は窒化アルミニウムの標準値の１．３〜３．３倍とすることが好ましい。

以上のように、第１圧電膜１４および第２圧電膜２４の圧電定数を大きくすることにより、帯域中央の損失が小さくなる。第１圧電膜１４および第２圧電膜２４の圧電定数を大きくするためには、例えば、非特許文献２および３のように、窒化アルミニウムにスカンジウム（Ｓｃ）またはエルビウム（Ｅｒ）等を添加することにより実現できる。

実施例１によれば、第１圧電膜１４および第２圧電膜２４は圧電定数を高めるような元素を含有する窒化アルミニウムである。すなわち、第１圧電膜１４および第２圧電膜２４に、元素を添加しない場合に比べ、元素を添加することにより、圧電定数が大きくなるような元素を添加する。例えば、スカンジウムまたはエルビウムを添加する。これにより、通過帯域の帯域中央の損失を抑制することができる。なお、窒化アルミニウムに添加する元素は、スカンジウムまたはエルビウム以外であっても窒化アルミニウムの圧電定数を向上させるものであればよい。

窒化アルミニウムの圧電定数のような材料定数は結晶の配向性に依存する。結晶の配向性は下地膜のラフネス等に大きく影響を受ける。例えば、窒化アルミニウムをスパッタリング法を用い形成する場合、下地膜のラフネスが悪いと、窒化アルミニウムの配向性が低下し、圧電定数も小さくなってしまう。このように、第１圧電膜１４と第２圧電膜２４とで共振特性が異なることがある。そこで、第１圧電膜１４と第２圧電膜２４とで、添加元素の含有量を異ならせる。これにより、例えば、第１圧電膜１４と第２圧電膜２４との圧電定数を同程度とし、共振特性を同程度とすることができる。

また、上層の膜は下層の膜よりラフネスが悪化しやすい。これにより、第２圧電膜２４の配向性が第１圧電膜１４より悪くなり易い。このため、第２圧電薄膜共振子２０の共振特性が第１圧電薄膜共振子１０より悪化しやすい。そこで、第２圧電膜２４の添加元素の含有量を第１圧電膜１４の含有量と異ならせる（例えば第２圧電膜２４の添加元素の含有量を高くする）ことにより、第２圧電薄膜共振子２０と第１圧電薄膜共振子１０との共振特性が同程度となるように制御することができる。

実施例２は、電極の膜厚を異ならせる例である。図１５は、シミュレーションを行なった実施例２のＣＲＦの構造を示す図である。図１５のように、第１下部電極１２および第２上部電極２６の膜厚が膜厚Ｔ１、第１上部電極１６および第２下部電極２２の膜厚が膜厚Ｔ２である。その他の構成は図１と同じであり、説明を省略する。第１下部電極１２、第１上部電極１６、第２下部電極２２および第２上部電極２６をＲｕ膜とし、第１圧電膜１４および第２圧電膜２４を、膜厚が８００ｎｍで圧電定数（ｅ_３３）が１．５５Ｃ／ｍ^２のＡｌＮ膜とし、デカプラ膜３０を膜厚が４５０ｎｍの酸化シリコン膜としてシミュレーションを行なった。シミュレーションは、第１下部電極１２および第２上部電極２６の膜厚Ｔ１と、第１上部電極１６および第２下部電極２２の膜厚Ｔ２と、を変化させた。膜厚Ｔ１と膜厚Ｔ２との合計は２００ｎｍで固定した。

図１６（ａ）は、周波数に対するインピーダンスを示す図である。図１６（ｂ）は、通過特性を示す図である。図１７は、膜厚Ｔ１／膜厚Ｔ２に対する共振周波数間隔Δｆを示す図である。図１６（ａ）および図１６（ｂ）中の実線は、膜厚Ｔ１が１００ｎｍ、膜厚Ｔ２が１００ｎｍの場合（Ｔ１／Ｔ２＝１．０）のシミュレーション結果を示す。破線は、膜厚Ｔ１が６０ｎｍ、膜厚Ｔ２が１４０ｎｍの場合（Ｔ１／Ｔ２＝０．４３）のシミュレーション結果を示す。点線は、膜厚Ｔ１が１４０ｎｍ、膜厚Ｔ２が６０ｎｍの場合（Ｔ１／Ｔ２＝２．３３）のシミュレーション結果を示す。図１６（ａ）および図１７のように、膜厚Ｔ１／膜厚Ｔ２が小さくなると、２つのモードの共振周波数の間隔が小さくなり、図１６（ｂ）のように、帯域中央の損失が小さくなる。

実施例２によれば、第１上部電極１６および第２下部電極２２のそれぞれの膜厚は、第１下部電極１２および第２上部電極２６のそれぞれの膜厚より大きくすることにより、通過帯域の帯域中央の損失を小さくすることができる。例えば、第１上部電極１６および第２下部電極２２の膜厚が異なり、第１下部電極１２および第２上部電極２６の膜厚が異なる場合、第１上部電極１６および第２下部電極２２の薄い方の膜厚は、第１下部電極１２および第２上部電極２６の厚い方の膜厚より大きいことが好ましい。

例えば、酸化シリコン膜のような音響インピーダンスの大きなデカプラ膜３０を用いた場合、共振周波数の間隔が大きくなる。そこで、膜厚Ｔ１／膜厚Ｔ２を小さくすることにより、通過帯域の中央の損失を抑制することができる。一方、音響インピーダンスの小さなデカプラ膜３０を用いた場合、例えば図７（ｂ）において、音響インピーダンスが２．５Ｍｒａｙｌのデカプラ膜３０を用いた場合、共振周波数間隔が狭くなる。そこで、逆に、膜厚Ｔ１／膜厚Ｔ２を大きくして広帯域化を図ることもできる。このように、例えば音響インピーダンスが５Ｍｒａｙｌ以下のように、音響インピーダンスが小さいデカプラ膜３０を用いた場合、第１上部電極１６および第２下部電極２２のそれぞれの膜厚を、第１下部電極１２および第２上部電極２６のそれぞれの膜厚より小さくすることもできる。

以上のように、膜厚Ｔ１とＴ２の比を調整することにより、共振周波数間隔、しいてはＣＲＦの帯域特性を制御することができる。このように、第１上部電極１６および第２下部電極２２のそれぞれの膜厚を、第１下部電極１２および第２上部電極２６のそれぞれの膜厚と異ならせることができる。

実施例３は、電極の音響インピーダンスを変えた例である。図６と同じ構造のＣＲＦについて、電極材にＲｕを使用した場合、第１下部電極１２、第１上部電極１６、第２下部電極２２および第２上部電極２６をそれぞれ膜厚が１００ｎｍとし、第１圧電膜１４および第２圧電膜２４を、膜厚が８００ｎｍで圧電定数（ｅ_３３）が１．５５Ｃ／ｍ^２の１．５倍のＡｌＮ膜とし、デカプラ膜３０を膜厚が４５０ｎｍの酸化シリコン膜としてシミュレーションを行なった。シミュレーションは、第１下部電極１２、第１上部電極１６、第２下部電極２２および第２上部電極２６の音響インピーダンスを変化させた。この際、周波数が変化するため、周波数がほぼ一致するように、各層の膜厚に同じ補正係数をかける膜厚補正を行った。

図１８（ａ）は、周波数に対するインピーダンスを示す図である。図１８（ｂ）は、通過特性を示す図である。図１９は、電極の音響インピーダンスに対する共振周波数間隔率を示す図である。図１８（ａ）および図１８（ｂ）中の一点鎖線は、第１下部電極１２、第１上部電極１６、第２下部電極２２および第２上部電極２６の音響インピーダンスが１０９Ｍｒａｙｌの場合であり、イリジウム（Ｉｒ）の場合のシミュレーション結果を示す。実線は、第１下部電極１２、第１上部電極１６、第２下部電極２２および第２上部電極２６の音響インピーダンスが８２Ｍｒａｙｌの場合であり、タングステン（Ｗ）の場合のシミュレーション結果を示す。破線は、第１下部電極１２、第１上部電極１６、第２下部電極２２および第２上部電極２６の音響インピーダンスが５８Ｍｒａｙｌの場合であり、モリブデン（Ｍｏ）の場合のシミュレーション結果を示す。点線は、第１下部電極１２、第１上部電極１６、第２下部電極２２および第２上部電極２６の音響インピーダンスが２３Ｍｒａｙｌの場合であり、チタン（Ｔｉ）の場合のシミュレーション結果を示す。図１８（ａ）および図１９のように、電極の音響インピーダンスが大きくなると、共振周波数の間隔が小さくなる。図１８（ｂ）のように、電極の音響インピーダンスが大きくなると、通過帯域の帯域中央の損失が小さくなる。

特に、図１９のように、第１下部電極１２、第１上部電極１６、第２下部電極２２および第２上部電極２６の音響インピーダンスが５０Ｍｒａｙｌ以上とすることにより、共振周波数の間隔が飽和する。さらに、電極の音響インピーダンスは、６０Ｍｒａｙｌ以上がより好ましく、７０Ｍｒａｙｌ以上がさらに好ましい。各金属元素の音響インピーダンスを表１に示す。

表１より、第１下部電極１２、第１上部電極１６、第２下部電極２２および第２上部電極２６の音響インピーダンスを５０Ｍｒａｙｌ以上とするためには、第１下部電極１２、第１上部電極１６、第２下部電極２２および第２上部電極２６は、イリジウム（Ｉｒ）、タングステン（Ｗ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、モリブデン（Ｍｏ）、白金（Ｐｔ）およびタンタル（Ｔａ）の少なくとも１つを含むことが好ましい。また、第１下部電極１２、第１上部電極１６、第２下部電極２２および第２上部電極２６は、Ｉｒ膜、Ｗ膜、Ｒｕ膜、Ｒｈ膜、Ｍｏ膜、Ｐｔ膜またはＴａ膜であることが好ましい。さらに、第１下部電極１２、第１上部電極１６、第２下部電極２２および第２上部電極２６として、Ｉｒを用いることが最も好ましい。なお、最も音響インピーダンスの大きい金属元素がＩｒであることから、第１下部電極１２、第１上部電極１６、第２下部電極２２および第２上部電極２６の音響インピーダンスは１２０Ｍｒａｙｌ以下であることが好ましい。

実施例４は、実施例１から実施例３に係るＣＲＦを基板上に形成した例である。図２０（ａ）から図２１（ｂ）は、実施例４に係る弾性波デバイスの断面図である。図２０（ａ）のように、基板５０上に、第１圧電薄膜共振子１０および第２圧電薄膜共振子２０がデカプラ膜３０を介し積層されている。基板５０としては、シリコン、ガラスまたはサファイア等を用いることができる。共振領域において、第１下部電極１２が基板５０との間に空隙５８が形成されるように設けられている。空隙５８は、例えばドーム状形状を有している。その他の構成は、図６と同じであり説明を省略する。

図２０（ｂ）のように、基板５０は共振領域に基板を貫通する空隙５８を有している。その他の構成は、図２０（ａ）と同じであり説明を省略する。図２１（ａ）のように、基板５０の共振領域に対応する領域に窪みが形成され、窪みが空隙５８を形成していてもよい。図２１（ｂ）のように、空隙５８の代わりに、第１下部電極１２下に音響反射膜６２が設けられていてもよい。音響反射膜６２の構造は、図３と同じであり説明を省略する。

実施例１から４において、デカプラ膜３０は、図５のような多層膜でもよい。デカプラ膜３０を多層膜とすることにより、共振周波数の間隔を狭くでき、通過帯域の帯域中央の損失を小さくできる。一方、デカプラ膜３０を単層膜とすることにより、デカプラ膜３０の成膜は容易となる。しかし、共振周波数の間隔が大きくなり、通過帯域の帯域中央の損失が大きくなる。よって、デカプラ膜３０が単層膜の場合に、実施例１から実施例４の構造を用い、通過帯域の帯域中央の損失が小さくすることが好ましい。

また、図７（ａ）から図８のように、デカプラ膜３０の音響インピーダンスが５Ｍｒａｙｌ以上の場合、共振周波数の間隔が大きくなり、通過帯域の帯域中央の損失が大きくなる。よって、デカプラ膜３０の音響インピーダンスが５Ｍｒａｙｌ以上の場合に、実施例１から実施例４の構造を適用することが好ましい。デカプラ膜３０の音響インピーダンスが７Ｍｒａｙｌ以上の場合に実施例１から実施例４の構造を適用することが好ましく、１０Ｍｒａｙｌ以上の場合に実施例１から実施例４の構造を適用することがより好ましい。

さらに、図７（ａ）および図８のように、デカプラ膜３０が酸化シリコンを含む場合、共振周波数の間隔が大きくなり、通過帯域の帯域中央の損失が大きくなる。よって、デカプラ膜３０が酸化シリコンを含む場合に、実施例１から実施例４の構造を適用することが好ましい。デカプラ膜３０は、酸化シリコン膜でもよく、酸化シリコン膜に添加元素を含有した膜でもよい。例えば、酸化シリコン膜は、温度特性改善のためフッ素（Ｆ）を含有してもよい。

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第１圧電薄膜共振子
１２第１下部電極
１４第１圧電膜
１６第１上部電極
２０第２圧電薄膜共振子
２２第２下部電極
２４第２圧電膜
２６第２上部電極
３０デカプラ膜
５０基板
５８空隙

Claims

基板上に設けられ、第１圧電膜と前記第１圧電膜を上下に挟む第１下部電極および第１上部電極とを含む第１圧電薄膜共振子と、
前記第１上部電極上に設けられたデカプラ膜と、
前記デカプラ膜上に設けられ、第２圧電膜と前記第２圧電膜を上下に挟む第２下部電極および第２上部電極とを含む第２圧電薄膜共振子と、
を具備し、
前記第１圧電膜および前記第２圧電膜は窒化アルミニウムにより形成されるとともに前記窒化アルミニウムの圧電定数を高める元素を含み、
前記第２圧電膜の前記元素の含有量は、前記第１圧電膜の前記元素の含有量より大きいことを特徴とする弾性波デバイス。
前記元素は、スカンジウムまたはエルビウムであることを特徴とする請求項１記載の弾性波デバイス。
第１圧電膜と前記第１圧電膜を上下に挟む第１下部電極および第１上部電極とを含む第１圧電薄膜共振子と、
前記第１上部電極上に設けられたデカプラ膜と、
前記デカプラ膜上に設けられ、第２圧電膜と前記第２圧電膜を上下に挟む第２下部電極および第２上部電極とを含む第２圧電薄膜共振子と、
を具備し、
前記第１上部電極および前記第２下部電極のそれぞれの膜厚は、前記第１下部電極および前記第２上部電極のそれぞれの膜厚より小さく、
前記デカプラ膜の音響インピーダンスは、５Ｍｒａｙｌ以下であることを特徴とする弾性波デバイス。
前記デカプラ膜は単層膜であ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弾性波デバイス。
前記デカプラ膜は、酸化シリコン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弾性波デバイス。
前記第１下部電極、前記第１上部電極、前記第２下部電極および前記第２上部電極の音響インピーダンスは５０Ｍｒａｙｌ以上かつ１２０Ｍｒａｌ以下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弾性波デバイス。
前記第１下部電極、前記第１上部電極、前記第２下部電極および前記第２上部電極はＩｒ、Ｗ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｍｏ、ＰｔおよびＴａの少なくとも１つを含む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弾性波デバイス。
前記第１下部電極との間に空隙が形成されるように設けられた基板を具備することを特徴とする請求項３記載の弾性波デバイス。
前記基板と前記第１下部電極との間に空隙が形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の弾性波デバイス。