JP2019092019A - 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

Abstract

【課題】比帯域と、ＴＣＦの双方を改善することができる弾性波装置を提供する。【解決手段】ニオブ酸リチウムからなる圧電基板２上にＩＤＴ電極３が設けられており、ＩＤＴ電極３を覆うように酸化ケイ素層６が設けられており、ＩＤＴ電極３が、ＡｌＣｕ層３ｂと、ＡｌＣｕ層３ｂよりも圧電基板２側に配置されており、酸化ケイ素層６よりも密度が高い金属層３ａを備えており、ＡｌＣｕ層におけるＣｕ濃度が１３重量％以上である、弾性波装置１。【選択図】図１

Description

本発明は、ニオブ酸リチウムからなる圧電基板を用いた弾性波装置、該弾性波装置を有する高周波フロントエンド回路及び通信装置に関する。

下記の特許文献１には、ニオブ酸リチウムからなる圧電基板を用いた弾性波装置が開示されている。この弾性波装置では、圧電基板上に、ＩＤＴ電極が設けられており、ＩＤＴ電極を覆うように酸化ケイ素からなる周波数温度特性（以下、ＴＣＦ）の補償層が設けられている。ＩＤＴ電極は、弾性波の反射率を確保するために酸化ケイ素より音響インピーダンスが大きいＭｏからなる層と、ＩＤＴ電極の電気抵抗を低減するためのＡｌからなる層とを積層した構造を有している。また、Ａｌ層には、Ｃｕが添加されていてもよい旨が記載されている。

ＷＯ２０１１／１５８４４５

弾性波装置では、比帯域の拡大及び温度特性の向上が求められている。

ニオブ酸リチウムからなる圧電基板上に、ＩＤＴ電極及びＩＤＴ電極を保護する酸化ケイ素層を積層した構造では、比帯域を大きくしようとすると、ＴＣＦが悪化する。逆に、ＴＣＦを改善しようとすると、比帯域が小さくなるという問題があった。すなわち、比帯域の改善と、ＴＣＦの改善とがトレードオフの関係にあった。

本発明の目的は、比帯域及びＴＣＦの双方を改善することができる、弾性波装置、該弾性波装置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。

本発明に係る弾性波装置は、ニオブ酸リチウムからなる圧電基板と、前記圧電基板上に設けられたＩＤＴ電極と、前記ＩＤＴ電極を覆うように前記圧電基板上に設けられた酸化ケイ素層とを備え、前記ＩＤＴ電極が、ＡｌＣｕ層と、前記ＡｌＣｕ層よりも前記圧電基板側に配置されており、前記酸化ケイ素層よりも密度が高い金属層と、を備え、前記ＡｌＣｕ層におけるＣｕ濃度が、１３重量％以上である。

本発明に係る弾性波装置では、好ましくは、前記ＡｌＣｕ層におけるＣｕ濃度が、３７重量％以下である。この場合には、ＩＤＴ電極の電気抵抗を効果的に低めることができる。

本発明において、好ましくは、前記酸化ケイ素層よりも密度が高い金属層が、Ｍｏ、Ｃｕ、Ａｇ及びＡｕからなる群から選択された一種の金属からなる。この場合には、ＡｌＣｕと共に、ＩＤＴ電極の電気抵抗を十分に低めることができる。

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、本発明に係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、比帯域及びＴＣＦなどの温度特性の双方が改善された弾性波装置、該弾性波装置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ができる。

（ａ）及び（ｂ）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及び電極積層構造を説明するための部分拡大正面断面図である。 ＡｌＣｕ層におけるＣｕ濃度（重量％）と、比帯域Δｆ（％）と、ＴＣＦ（ｐｐｍ／℃）との関係を示す図である。 ＡｌＣｕ層におけるＣｕ濃度（重量％）と、比帯域が３％のときのＴＣＦ（ｐｐｍ／℃）との関係を示す図である。 ＡｌＣｕ層におけるＣｕ濃度（重量％）と、体積抵抗率（μΩ・ｃｍ）との関係を示す図である。 ＡｌＣｕ層と、様々な酸化ケイ素層よりも密度が高い金属層とを積層した弾性波装置のインピーダンス特性を示す図である。 Ａｌ層を有するＩＤＴ電極のＡｌ膜厚と、比帯域（％）と、音速の温度特性(以下、ＴＣＶ（ｐｐｍ／℃）)との関係を示す図である。 本発明の実施形態としての高周波フロントエンド回路を有する通信装置を示す回路図である。

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り、（ｂ）は電極積層構造を説明するための部分拡大正面断面図である。

弾性波装置１は、ニオブ酸リチウムからなる圧電基板２を有する。圧電基板２上に、ＩＤＴ電極３及び反射器４，５が設けられている。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。ＩＤＴ電極３を覆うように、酸化ケイ素層６が積層されている。ＩＤＴ電極３は、ＡｌにＣｕを添加して成るＡｌＣｕ層３ｂと、ＡｌＣｕ層３ｂよりも圧電基板２側に配置された金属層３ａとを有する。金属層３ａは、金やモリブデンなどの酸化ケイ素よりも密度が高い金属からなる。

弾性波装置１の特徴は、ニオブ酸リチウムからなる圧電基板２と、圧電基板２上に形成されたＩＤＴ電極３と、ＩＤＴ電極３を覆うように積層された酸化ケイ素層６とを備える弾性波装置において、ＩＤＴ電極３に含まれるＡｌＣｕ層におけるＣｕ濃度が、１３重量％以上であることにある。それによって、比帯域と、ＴＣＦやＴＣＶなどの温度特性の改善の双方を図ることができる。

これを、以下においてより詳細に説明する。ＴＣＦは周波数温度係数であり、共振周波数の温度によっての割合を示し、ＴＣＶは音速の温度係数であり、音速の温度による変化の割合を示す。ＴＣＦやＴＣＶの絶対値が小さいほど、温度による周波数や音速の変化が小さいため、好ましい。なお、ＴＣＶは音速の温度依存性であるため、ＴＣＶの悪化は、ＴＣＦの悪化と相関しており、ＴＣＶが改善されると、ＴＣＦも改善される。

従来のニオブ酸リチウムからなる圧電基板上にＩＤＴ電極及び酸化ケイ素層を積層した構造では、比帯域の拡大を図ろうとすると、ＴＣＶが悪化し、ＴＣＶを改善しようとすると、比帯域が小さくなるという問題があった。これは、ＴＣＶの絶対値を小さくしようとすると、酸化ケイ素層の厚みを厚くする必要がある。ところが、酸化ケイ素層の厚みが厚くなると、質量付加により、比帯域が小さくなる。

弾性波装置のＩＤＴ電極としては、ＡｌやＡｌを主体とする金属材料を用いることが好ましい。電気抵抗が低いため、ＩＤＴ電極の材料として好適だからである。また、Ａｌは、密度が高くないため、周波数ばらつきが増大しにくいという利点がある。さらに、Ａｌは、腐食耐性が比較的強く、製造も容易である。またＡｌを用いることにより、耐電力性も確保できる。

しかしながら、本願発明者は、ＩＤＴ電極がＡｌ（アルミニウム）からなる金属層の場合、Ａｌ層の厚みによって、上記トレードオフ関係が変化することを見出した。

図６は、Ａｌ層の膜厚と、比帯域（％）と、ＴＣＶ（ｐｐｍ／℃）との関係を示す図である。ニオブ酸リチウムからなる圧電基板上に、モリブデンからなる金属層及びＡｌ層を積層した構造において、比帯域とＴＣＶとの関係を求めた結果である。

図６から明らかなように、比帯域とＴＣＶとの間にはトレードオフの関係がある。すなわち、比帯域を大きくしようとすると、ＴＣＶが悪化する。逆に、ＴＣＶを改善しようとすると、比帯域が小さくなることがわかる。さらに、Ａｌ層の膜厚が厚くなると、図６に矢印で示すように、トレードオフ関係が良好な状態から、悪化する方向に、このトレードオフラインが移動することがわかる。本願発明者は、このＡｌ層の膜厚を厚くすると、同じ比帯域のときに得られるＴＣＶが劣化することを初めて見出した。

本願発明者は上記の問題を解決すべく鋭意検討した結果、ＩＤＴ電極の材料としてＡｌにＣｕを添加してあるＡｌＣｕを用い、ＡｌＣｕ層におけるＣｕ濃度を１３重量％以上とすればよいことを見出した。それによって、比帯域とＴＣＦやＴＣＶなどの温度特性とのトレードオフ関係を改善し得ることを見出した。加えて、Ａｌを主体とする金属材料であるため、周波数ばらつきが増大しにくく、腐食耐性が比較的強く、かつ製造も容易であるという効果も得られる。

図２は、ＡｌＣｕ層におけるＣｕ濃度（重量％）と、比帯域Δｆ（％）と、ＴＣＦ（ｐｐｍ／℃）との関係を示す図である。

圧電基板２としては、回転ＹカットＸ伝搬のニオブ酸リチウムを用いた。オイラー角は（０°，３７．５°，０°）である。ＩＤＴ電極は、金属層３ａが１６８ｎｍの厚みのＭｏからなり、その上に、Ａｌ層またはＡｌＣｕ層を積層した構造とした。ＡｌまたはＡｌＣｕ層の膜厚は２００ｎｍとした。図２では、Ｃｕ濃度が０重量％すなわちＡｌ層を積層した場合、Ｃｕ濃度が１重量％、１３重量％または２７重量％とした場合の結果が示されている。なお、酸化ケイ素層の膜厚は１１１０ｎｍから１６５０ｎｍとした。

図２から明らかなように、Ｃｕ濃度が１重量％の場合には、Ｃｕ濃度が０重量％すなわちＡｌ層の場合とほぼ同等の結果となっている。これに対して、ＡｌＣｕ層におけるＣｕ濃度が１３重量％または２７重量％となった場合、同じ比帯域を得ようとした場合、温度特性ＴＣＦが改善されていることがわかる。すなわち、同じ比帯域を得ようとした場合、ＴＣＦの絶対値が０に近づくことがわかる。

そこで、上記ＡｌＣｕ層におけるＣｕ濃度を種々変化させ、同様に上記トレードオフ関係を求めた。求められたトレードオフラインにおいて、比帯域が３％のときのＴＣＦを求めた。図３は、ＡｌＣｕ層におけるＣｕの濃度と、上記のようにして求められた、比帯域３％のときのＴＣＦとの関係を示す図である。図３から明らかなように、ＡｌＣｕ層におけるＣｕ濃度が１３重量％以上になると、Ｃｕ濃度が１３重量％未満の場合に比べて、Ｃｕ濃度の増加に従って、ＴＣＦが急激に改善されることがわかる。

従って、Ｃｕ濃度が１３重量％以上であれば、上記トレードオフ関係を効果的に改善することができる。そのため、比帯域と、ＴＣＦの双方を改善することができる。

なお、図２及び図３では、温度特性としてＴＣＦにつき説明したが、当然のことながら、ＴＣＦの絶対値が小さくなるように改善される場合、ＴＣＶの絶対値も小さくなるように改善される。

図４は、ＡｌＣｕ層におけるＣｕ濃度（重量％）と、体積抵抗率（μΩ・ｃｍ）との関係を示す図である。図４から明らかなように、Ｃｕ濃度が３７重量％以下の場合に比べて、３７重量％を超えると、Ｃｕ濃度の増加に従って、体積抵抗率が急激に大きくなることがわかる。従って、Ｃｕ濃度は、３７重量％以下であることが好ましい。それによって、電気抵抗の低いＩＤＴ電極を得ることができる。

図４から明らかなように、Ｃｕ濃度が３７重量％である場合、体積抵抗率は１５μΩ・ｃｍである。他方、電気抵抗を低めるには、ＡｌＣｕ層の膜厚を厚くすればよい。体積抵抗率が１５μΩ・ｃｍに悪化した場合、同じ電気抵抗を実現するには、ＡｌＣｕ層の膜厚を、１００ｎｍ増加させる必要がある。しかしながら、前述したように、Ａｌ層またはＡｌＣｕ層の膜厚を増加させると、比帯域と、温度特性とのトレードオフの関係を悪化させることになる。従って、ＡｌＣｕ層の膜厚を厚くすることは望ましくない。

これに対して、本発明では、好ましくは、酸化ケイ素層よりも密度が高い金属層３ａにおける酸化ケイ素層よりも密度が高い金属として、Ｍｏ（モリブデン）、Ｃｕ（銅）、Ａｇ（銀）及びＡｕ（金）からなる群から選択された一種の金属を用いることが望ましい。これらの金属は、弾性波の反射率を確保するための密度の高い金属層３ａを構成しているが、電気抵抗も低いため、ＩＤＴ電極全体の電気抵抗を低めることができる。

下記の表１は、種々の密度の高い金属の体積抵抗率と、体積抵抗率が１５μΩ・ｃｍであるＡｌＣｕ層（厚み２００ｎｍ）を積層した場合に、ＩＤＴ電極の抵抗が２００ｍΩ／ｓｑ．となる密度の高い金属の膜厚と、ＳＨ波のスプリアスとの関係を示す。

表１から明らかなように、例えばＰｔの場合、膜厚が３８１．２ｎｍであれば、体積抵抗率が１５μΩ・ｃｍであり、膜厚が２００ｎｍのＡｌＣｕ層を積層した場合、ＩＤＴ電極の抵抗を２００ｍΩ／ｓｑ．とすることができる。

しかしながら、密度が高い金属層の膜厚によっては、ＳＨ波によるスプリアスの比帯域が大きくなる。

図５は、上記体積抵抗率が１５μΩ・ｃｍであり、膜厚が２００ｎｍのＡｌＣｕ層が積層されている弾性波装置において、酸化ケイ素層よりも密度の高い層の金属材料としてＰｔ（白金）、Ｗ（タングステン）、Ｔａ（タンタル）、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｍｏをそれぞれ用いた場合のインピーダンス特性を示す図である。

図５から明らかなように、酸化ケイ素層よりも密度の高い層として３８１．２ｎｍの膜厚のＰｔを用いた場合、矢印Ａで示すように、ＳＨ波によるスプリアスが現れている。同様に、膜厚が１９４ｎｍのＷや、膜厚が４８０ｎｍのＴａを用いた場合にも、ＳＨ波によるスプリアスが現れている。これに対して、Ａｕ、Ｍｏ、ＡｇまたはＣｕを用いた場合、インピーダンス特性においてＳＨ波によるスプリアスがほとんど現れていないことがわかる。

従って、好ましくは、酸化ケイ素層より密度の高い金属として、Ａｕ、Ｍｏ、Ａｇ及びＣｕからなる群から選択した一種を用いることが望ましい。それによって、体積抵抗率が１５μΩ・ｃｍであるＡｌＣｕ層を用いた場合であっても、ＩＤＴ電極の抵抗を十分に低くすることができる。しかも、ＳＨ波によるスプリアスがほとんど現れない、良好な共振特性を実現し得ることがわかる。

なお、上記実施形態では、弾性波共振子につき説明したが、弾性波共振子に限らず、弾性波フィルタなどの他の電極構造を有する弾性波装置に本発明を適用することができ、その場合であっても、比帯域と温度特性とのトレードオフラインの改善を図ることができ、比帯域及び温度特性に優れた弾性波装置を提供することができる。しかも、Ａｌを主体とするＡｌＣｕ合金を用いているため、ＩＤＴ電極の電気抵抗を低めることができ、それによって、周波数ばらつきが増大しにくく、腐食耐性が比較的強く、製造も容易となる。

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７は、本発明の実施形態としての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７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、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…圧電基板
３…ＩＤＴ電極
３ａ…金属層
３ｂ…ＡｌＣｕ層
４，５…反射器
６…酸化ケイ素層
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 (5)

1. ニオブ酸リチウムからなる圧電基板と、
   前記圧電基板上に設けられたＩＤＴ電極と、
   前記ＩＤＴ電極を覆うように前記圧電基板上に設けられた酸化ケイ素層と、
   を備え、
   前記ＩＤＴ電極が、
   ＡｌＣｕ層と、
   前記ＡｌＣｕ層よりも前記圧電基板側に配置されており、前記酸化ケイ素層よりも密度が高い金属層と、
   を備え、
   前記ＡｌＣｕ層におけるＣｕ濃度が、１３重量％以上である、弾性波装置。
2. 前記ＡｌＣｕ層におけるＣｕ濃度が、３７重量％以下である、請求項１に記載の弾性波装置。
3. 前記酸化ケイ素層よりも密度が高い金属層が、Ｍｏ、Ｃｕ、Ａｇ及びＡｕからなる群から選択された一種の金属からなる、請求項１または２に記載の弾性波装置。
4. 請求項１〜３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。
5. 請求項４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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