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JP2013110655A - デュプレクサ - Google Patents

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Abstract

【課題】急峻かつ温度安定性に優れたガードバンド側のスカート特性を有し、更に広帯域化が可能なデュプレクサを提供する。
【解決手段】通過帯域の異なる送信フィルタ及び受信フィルタを有するデュプレクサにおいて、フィルタを構成する複数の直列共振子Ｓ１〜Ｓ８及び複数の並列共振子Ｐ１〜Ｐ６のうち、ガードバンド側のスカート特性を形成する第１共振子Ｓ１〜Ｓ４、Ｐ４〜Ｐ６は、温度補償型のＴＣ−ＦＢＡＲまたはラブ波利用の弾性表面波共振子とし、ガードバンドと反対側のスカート特性を形成する第２共振子Ｐ１〜Ｐ３、Ｓ５〜Ｓ８は、非温度補償型のＦＢＡＲまたは弾性表面波共振子とする。第２共振子の弾性表面波共振子には、ＬＴ基板またはＬＴとＳａの貼り合わせ基板を用いた弾性表面波共振子の他、ラブ波利用の弾性表面波共振子を用いることができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、無線端末の高周波回路等で使用されるデュプレクサに関する。
携帯電話をはじめとする無線端末の高周波回路は、共通のアンテナ端子に接続された送信フィルタ及び受信フィルタを含むデュプレクサを備えている。各フィルタには、弾性表面波（ＳＡＷ：Surface Acoustic Wave）やバルク波（ＢＡＷ：Bulk Acoustic Wave）等の弾性波を利用する弾性波フィルタが用いられ、いずれの弾性波フィルタを用いるかは機器の仕様等に応じて決定される。例えば、送信フィルタ及び受信フィルタの両方をＳＡＷフィルタまたはＢＡＷフィルタとしてもよいし、一方をＳＡＷフィルタ、他方をＢＡＷフィルタとしてもよい。
ＢＡＷフィルタは、基板上に下部電極、圧電薄膜、及び上部電極が順に積層された圧電薄膜共振子を複数組み合わせて構成される。圧電薄膜共振子としては、例えば下部電極と上部電極とが対向する領域の下に空隙が形成されたＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）タイプや、空隙の代わりに音響反射膜を用いたＳＭＲ（Solidly Mounted Resonator）タイプが知られている。また、圧電薄膜の共振周波数の温度係数と逆符号の温度係数を有する温度補償膜が、ＦＢＡＲに挿入された温度補償型のＴＣ−ＦＢＡＲ（Temperature Compensated FBAR）が知られている。ＴＣ−ＦＢＡＲでは、フィルタの周波数温度係数ＴＣＦ（Temperature Coefficient of Frequency）と電気機械結合係数ｋ２ ｅｆｆ（effective coupling coefficient）との間に、トレードオフの関係があることが知られている。
特開昭５８−１３７３１７号公報 特開２００４−１５３９７号公報
デュプレクサにおいては、送信フィルタ及び受信フィルタ間における信号の干渉を抑制するために、両フィルタの間にあるガードバンド側のスカート特性が急峻で、且つフィルタの温度安定性が良好であることが好ましい。しかし、上述したＴＣＦとｋ２ ｅｆｆとのトレードオフにより、温度安定性の向上のためにＴＣＦを改善すると、ｋ２ ｅｆｆが低下してフィルタの帯域幅が小さくなってしまうという課題がある。
本発明は上記の課題に鑑みなされたものであり、ガードバンド側のスカート特性の急峻化及び温度安定性の向上と、フィルタの広帯域化との両立が可能なデュプレクサを提供することを目的とする。
本発明は、通過帯域の異なる送信フィルタ及び受信フィルタを備えるデュプレクサであって、前記送信フィルタ及び前記受信フィルタは、それぞれラダー状に接続された複数の直列共振子及び複数の並列共振子を含み、前記複数の直列共振子及び前記複数の並列共振子のうち、前記送信フィルタと前記受信フィルタの間のガードバンド側のスカート特性を形成する複数の第１共振子は、圧電薄膜並びに前記圧電薄膜を挟んで対向する下部電極及び上部電極を含む複数の層からなり且つ前記圧電薄膜の弾性定数の温度係数と逆符号の温度係数を有する温度補償膜が前記上部電極と前記下部電極との間に挟まれた温度補償型圧電薄膜共振子、または弾性表面波共振子のうちラブ波を利用した第１ラブ波型弾性表面波共振子、のうちいずれかの共振子であり、前記複数の直列共振子及び前記複数の並列共振子のうち、前記ガードバンドと反対側のスカート特性を形成する複数の第２共振子は、圧電薄膜並びに前記圧電薄膜を挟んで対向する下部電極及び上部電極を含む複数の層からなり且つ前記温度補償膜を含まない非温度補償型圧電薄膜共振子、タンタル酸リチウム基板を用いたＬＴ型弾性表面波共振子、タンタル酸リチウム基板をサファイア基板上に貼り付けた基板を用いたＬＴ／Ｓａ型弾性表面波共振子、または前記第１ラブ波型弾性表面波共振子より大きい電気機械結合係数を有する第２ラブ波型弾性表面波共振子、のうちいずれかの共振子であることを特徴とするデュプレクサである。
上記構成において、前記送信フィルタ及び前記受信フィルタの少なくとも一方において、前記複数の第１共振子のうち少なくとも１つの電気機械結合係数は、前記複数の第２共振子のうち少なくとも１つの電気機械結合係数より小さい構成とすることができる。
上記構成において、前記送信フィルタ及び前記受信フィルタの少なくとも一方において、前記ガードバンド側におけるフィルタの周波数温度係数は、前記ガードバンドと反対側におけるフィルタの周波数温度係数より小さい構成とすることができる。
上記構成において、前記第１共振子は前記温度補償型圧電薄膜共振子であり、前記第２共振子は前記非温度補償型圧電薄膜共振子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共振子を構成する直列共振子と並列共振子の複数の層は１つの層を除いて膜厚が等しく、且つ、前記第２共振子を構成する直列共振子と並列共振子の複数の層は１つの層を除いて膜厚が等しい構成とすることができる。
上記構成において、前記第１共振子は前記温度補償型圧電薄膜共振子であり、前記第２共振子は前記ＬＴ型弾性表面波共振子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共振子は前記温度補償型圧電薄膜共振子であり、前記第２共振子は前記ＬＴ／Ｓａ型弾性表面波共振子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共振子は前記温度補償型圧電薄膜共振子であり、前記第２共振子は前記第２ラブ波型弾性表面波共振子である構成とすることができる。
上記構成において、前記温度補償膜は、シリコン酸化物またはシリコン窒化物を主成分とする構成とすることができる。
上記構成において、前記圧電薄膜は、窒化アルミニウムを主成分とする構成とすることができる。
上記構成において、前記複数の第１共振子は、同一チップ上に形成されている構成とすることができる。
上記構成において、前記第１共振子及び前記受信第２共振子が形成されたチップは、実装基板にフリップチップにより搭載されている構成とすることができる。
上記構成において、前記送信フィルタに含まれる前記第１共振子と前記第２共振子同士、並びに前記受信フィルタに含まれる前記第１共振子と前記第２共振子同士は、それぞれ前記実装基板におけるダイアタッチ層上に形成された配線を介して、互いに電気的に接続されている構成とすることができる。
本発明によれば、ガードバンド側のスカート特性の急峻化及び温度安定性の向上と、フィルタの広帯域化との両立が可能なデュプレクサを提供することができる。
図１は、実施例１〜２に係るデュプレクサの回路図である。 図２は、デュプレクサの通過特性を示す図である。 図３は、温度補償型圧電薄膜共振子の構成を示す図である。 図４は、温度補償膜を含まない圧電薄膜共振子の構成を示す図である。 図５は、実施例１に係るデュプレクサのレイアウトを示す平面模式図である。 図６は、実施例１に係るデュプレクサのレイアウトを示す断面模式図である。 図７は、シミュレーションに用いた積層膜の具体的な材質及び膜厚を示す図である。 図８は、実施例１に係るデュプレクサのフィルタ特性を示すグラフである。 図９は、実施例２に係るデュプレクサのレイアウトを示す平面図である。 図１０は、ＬＴ／Ｓａ基板を用いた弾性表面波共振子の構成を示す図である。 図１１は、ＬＴ基板を用いた弾性表面波共振子の構成を示す図である。 図１２は、ラブ波を用いた弾性表面波共振子の構成を示す図である。 図１３は、実施例２に係るデュプレクサのフィルタ特性を示すグラフである。
図１は、実施例１〜２に係るデュプレクサの回路図である。本実施例では、Ｗ−ＣＤＭＡ（Wideband Code Division Multiple Access）のＢａｎｄ２に使用されるデュプレクサ（送信帯域が１８５０〜１９１０ＭＨｚ、受信帯域が１９３０〜１９９０ＭＨｚ）を例に説明を行う。図１に示すように、アンテナ端子Ａｎｔと送信端子Ｔｘとの間に送信フィルタ１０が、アンテナ端子Ａｎｔと受信端子Ｒｘとの間に受信フィルタ１２がそれぞれ接続されている。送信フィルタ１０及び受信フィルタ１２は、それぞれ直列共振子及び並列共振子がラダー状に接続されたラダーフィルタである。アンテナ端子Ａｎｔは、送信フィルタ１０及び受信フィルタ１２で共有されており、アンテナ端子Ａｎｔとグランドとの間には整合用のインダクタＬ１が接続されている。
送信フィルタ１０は、アンテナ端子Ａｎｔと送信端子Ｔｘとの間に接続された直列共振子Ｓ１〜Ｓ４と、それぞれの直列共振子間に接続された並列共振子Ｐ１〜Ｐ３を含む。並列共振子Ｐ１〜Ｐ３の一端（直列共振子と接続された側と反対側）は共通化され、インダクタＬ２を介して接地されている。送信端子Ｔｘとグランドとの間には、整合用のインダクタＬ３が接続されている。
受信フィルタ１２は、アンテナ端子Ａｎｔと受信端子Ｒｘとの間に接続された直列共振子Ｓ５〜Ｓ８と、それぞれの直列共振子間に接続された並列共振子Ｐ４〜Ｐ６を含む。並列共振子Ｐ４〜Ｐ６の一端（直列共振子と接続された側と反対側）は、それぞれ別個のインダクタＬ４〜Ｌ６を介して接地されている。受信端子Ｒｘとグランドとの間には、整合用のインダクタＬ７が接続されている。
図２は、デュプレクサを構成する送信フィルタ１０と受信フィルタ１２のそれぞれの通過特性を示す図である。本実施例に係るＢａｎｄ２用のデュプレクサでは、受信フィルタ１２の通過帯域（Ｒｘ）が送信フィルタ１０の通過帯域（Ｔｘ）に比べ高い周波数帯にある。このため、送信フィルタ１０の直列共振子Ｓ１〜Ｓ４及び受信フィルタ１２の並列共振子Ｐ４〜Ｐ６が、送信フィルタ１０と受信フィルタ１２との間のガードバンド側におけるフィルタのスカート特性（符号２０）を形成する。また、送信フィルタ１０の並列共振子Ｐ１〜Ｐ３及び受信フィルタ１２の直列共振子Ｓ５〜Ｓ８が、それぞれ上記ガードバンドと反対側におけるフィルタのスカート特性（符号２２）を形成する。
図１の直列共振子Ｓ１〜Ｓ８及び並列共振子Ｐ１〜Ｐ６には、例えば圧電薄膜共振子や弾性表面波共振子をはじめとする共振子を、機器の仕様等に応じて適宜用いることができる。本実施例では、ガードバンド側のスカート特性を形成する直列共振子Ｓ１〜Ｓ４及び並列共振子Ｐ４〜Ｐ６に、温度補償型の圧電薄膜共振子（ＴＣ−ＦＢＡＲ）を用いる。また、ガードバンドと反対側のスカート特性を形成する並列共振子Ｐ１〜Ｐ３及び直列共振子Ｓ５〜Ｓ８には、温度補償膜を含まない非温度補償型の圧電薄膜共振子（ＦＢＡＲ）を用いる。これらの二種類の圧電薄膜共振子は、以下に詳述するように、それぞれ圧電薄膜並びに当該圧電薄膜を挟んで対向する下部電極及び上部電極を含む複数の層から構成されている。
図３は、温度補償型の圧電薄膜共振子（ＴＣ−ＦＢＡＲ）の構成を示す図である。図３（ａ）はＴＣ−ＦＢＡＲを上方向（上部電極側）から見た平面図であり、直列共振子Ｓ１〜Ｓ４及び並列共振子Ｐ４〜Ｐ６に共通の図である。図３（ｂ）は受信フィルタ１２の並列共振子Ｐ４〜Ｐ６の断面図、図３（ｃ）は送信フィルタ１０の直列共振子Ｓ１〜Ｓ４の断面図であり、それぞれ図３（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面を示す図である。
図３（ｂ）に示すように、受信フィルタ１２の並列共振子Ｐ４〜Ｐ６では、基板３０上に下部電極３２が形成されており、下部電極３２の一部が上方向（基板３０と反対側）に凸状に湾曲することにより、ドーム状の空隙３４が形成されている。更に、下部電極３２のうち少なくとも上記の空隙３４が形成された領域の一部を覆うように、基板３０上に第１圧電薄膜３６ａ、温度補償膜３８、第２圧電薄膜３６ｂ、上部電極４０、及びパシベーション膜４２（以上、下部電極３２からパシベーション膜４２までを積層膜５０と称する）が順に積層されている。これにより、上部電極４０と下部電極３２は、圧電薄膜（第１圧電薄膜３６ａ及び第２圧電薄膜３６ｂ）の少なくとも一部を挟んで対向し、当該対向する領域における下部電極３２の下方に空隙３４を有する構成となっている。
図３（ａ）に示すように、上部電極４０と下部電極３２とが第１圧電薄膜３６ａ及び第２圧電薄膜３６ｂを挟んで対向する領域は、共振領域５２となっている。共振領域５２付近における下部電極３２の表面には、エッチング媒体導入孔５４が設けられている。また、エッチング媒体導入孔５４と空隙３４との間には、エッチング媒体導入路５６が形成されている。また、下部電極３２については、点線で示された全体部分のうち、圧電薄膜３６の開口部から一部（斜線部）が露出する構成となっている。
基板３０としては、例えばシリコン（Ｓｉ）を用いることができるが、他にもガラス、セラミック等を用いることができる。下部電極３２としては、例えば基板３０側からクロム（Ｃｒ）及びルテニウム（Ｒｕ）が順に積層された電極膜を用いることができる。上部電極４０としては、例えば基板３０側からルテニウム（Ｒｕ）及びクロム（Ｃｒ）が順に積層された電極膜を用いることができる（Ｒｕ層を符号４０ａで、Ｃｒ層を符号４０ｂでそれぞれ図示する）。上記の他にも、下部電極３２及び上部電極４０には、他にもアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）等の金属層を組み合わせて用いることができる。また、電極膜を２層構造とせずに、１層構造とすることもできる。
第１圧電薄膜３６ａ及び第２圧電薄膜３６ｂとしては、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜を用いることで、高Ｑ値の圧電薄膜を安定して形成することができる。圧電薄膜としては、他にも酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）等の圧電材を用いることができる。また、後述する電気機械結合係数ｋ２ ｅｆｆを大きくするために、上記の圧電材を主成分とする圧電薄膜に、例えばスカンジウム（Ｓｃ）等の第３元素を添加し、圧電定数を増加させてもよい。ここで、「主成分とする」とは、窒化アルミニウム等の圧電材が圧電薄膜共振器の圧電薄膜として機能する程度に第３元素を含有する場合を含む。例えば、上記のようにＱ値を高めるために圧電薄膜に第３元素（Ｍで表す）を添加する場合には、ＭｘＡｌ１−ｘＮにおいて例えばｘ＜０．５としてもよい。
温度補償膜３８は、圧電薄膜（３６ａ、３６ｂ）の弾性定数の温度係数とは逆符号の温度係数を有する膜であり、例えば二酸化珪素（ＳｉＯ２）を用いることができるが、他にも酸化シリコンまたは窒化シリコンを主成分とする膜を用いることができる。すなわち、温度補償膜３８が圧電薄膜共振子における温度補償効果を有する範囲において、温度補償膜３８の共振周波数の温度係数を大きくする第３元素を添加してもよい。温度補償膜３８は、下部電極３２及び上部電極４０の外側に配置することも可能であるが、下部電極３２と上部電極４０との間に配置した方が、温度補償膜３８の厚みを小さくすることができるため好ましい。
パシベーション膜４２としては、例えば二酸化珪素（ＳｉＯ２）を用いることができるが、他にも窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の別の絶縁材料を用いることができる。
上述の積層膜５０は、例えばスパッタリング法等により成膜を行い、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術により所望の形状にパターニングすることで形成することができる。また、積層膜５０のパターニングは、リフトオフ技術により行うこともできる。第１圧電薄膜３６ａ、温度補償膜３８、及び第２圧電薄膜３６ｂの外周のエッチングは、例えば上部電極４０をマスクとしたウェットエッチングにより行うことができる。
下部電極３２の下方に位置するドーム状の空隙３４は、下部電極３２を形成する前に予め設けられていた犠牲層（不図示）を、上述の積層膜５０の形成後に除去することにより形成することができる。犠牲層には、例えばＭｇＯ、ＺｎＯ、Ｇｅ、ＳｉＯ２等の、エッチング液またはエッチングガスにより容易に溶解することができる材料を用いることができ、例えばスパッタリング法または蒸着法等により形成することができる。犠牲層は、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術により、予め所望の形（空隙３４の形状）に成形される。積層膜５０の形成後は、下部電極３２に形成されたエッチング媒体導入孔５４及びエッチング媒体導入路５６を介して、下部電極３２の下にエッチング媒体を導入することにより、犠牲層の除去を行う。なお、空隙３４は、基板３０を貫通するように形成してもよく、当該空隙３４を介して下部電極３２の下面が外部に露出する構成としてもよい。
図３（ｃ）に示すように、送信フィルタ１０の直列共振子Ｓ１〜Ｓ４の構成は、図３（ｂ）の並列共振子Ｐ４〜Ｐ６とほぼ同様であるが、上部電極４０におけるＲｕ層４０ａとＣｒ層４０ｂとの間に、共振周波数調整用の付加膜４４が形成されている点が異なる。直列共振子Ｓ１〜Ｓ４は、付加膜４４を備えることにより、並列共振子Ｐ４〜Ｐ６に比べて共振周波数が低周波側にシフトされている。付加膜４４としては、チタン（Ｔｉ）を用いることができるが、他にもアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、二酸化珪素（ＳｉＯ２）等を用いることができる。
図４は、温度補償膜を含まない非温度補償型の圧電薄膜共振子（ＦＢＡＲ）の構成を示す図である。図３と共通する構成要素については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図４（ａ）はＦＢＡＲを上方向から見た平面図であり、並列共振子Ｐ１〜Ｐ３及び直列共振子Ｓ５〜Ｓ８に共通の図である。図４（ｂ）は受信フィルタ１２の直列共振子Ｓ５〜Ｓ８の断面図、図４（ｃ）は送信フィルタ１０の並列共振子Ｐ１〜Ｐ３の断面図であり、それぞれ図４（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面を示す図である。
図４（ｂ）に示すように、受信フィルタ１２の直列共振子Ｓ５〜Ｓ８は、温度補償膜３８を含まない点を除き、図３（ｂ）に示す受信フィルタ１２の並列共振子Ｐ４〜Ｐ６の構成と同様である。また、図４（ｃ）に示すように、送信フィルタ１０の並列共振子Ｐ１〜Ｐ３は、温度補償膜３８を含まない点を除き、図３（ｃ）に示す送信フィルタ１０の直列共振子Ｓ１〜Ｓ４の構成と同様である。上記の非温度補償型のＦＢＡＲでは、温度補償膜３８が存在しないため、ＴＣ−ＦＢＡＲと異なり圧電薄膜３６は２つに分離されていない。
図５は、実施例１に係るデュプレクサのレイアウトを示す平面模式図である。直列共振子Ｓ１〜Ｓ８、並列共振子Ｐ１〜Ｐ６、及びインダクタＬ１〜Ｌ７は、それぞれ図１に示す回路素子に対応する。図中にクロスハッチで示した領域６４は、上記の共振子及びインダクタに接続された配線パターンを示す。図示するように、ＴＣ−ＦＢＡＲ型の直列共振子Ｓ１〜Ｓ４及び並列共振子Ｐ４〜Ｐ６が、同一の第１チップ６０に形成されている。非温度補償型のＦＢＡＲ型の並列共振子Ｐ１〜Ｐ３及び直列共振子Ｓ５〜Ｓ８は、同一の第２チップ６２に形成されている。また、異なるチップである第１チップ６０及び第２チップ６２間における共振子同士の接続（図中の領域６６）は、以下に説明するように、チップが実装される実装基板上の表面に形成された配線を介して互いに接続されている。
図６は、実施例１に係るデュプレクサのレイアウトを示す断面模式図である。実装基板７０は、複数の基板（７０ａ〜７０ｃ）が積層された積層基板であり、表面に第１チップ６０及び第２チップ６２が、バンプ６８を介してフリップチップにより実装されている。実装基板７０の各層の主面には、それぞれ配線パターン７２が形成されており、異なる層の配線パターン７２同士は、実装基板７０に形成されたビア７４を介して互いに接続されている。第１チップ６０及び第２チップ６２は、実装基板７０の表面のダイアタッチ層（７０ｃ）上に形成された配線パターン（符号６６で図示）を介して、互いに電気的に接続されている。より詳細には、送信フィルタ１０に含まれる直列共振子Ｓ１〜Ｓ４及び並列共振子Ｐ１〜Ｐ３同士、並びに受信フィルタ１２に含まれる直列共振子Ｓ５〜Ｓ８及び並列共振子Ｐ４〜Ｐ６同士が、上記ダイアタッチ層７０ｃ上に形成された配線を介して、互いに電気的に接続されている。これにより、第１チップ６０及び第２チップ６２を実装基板７０内部の配線パターンを介して接続する場合に比べ、配線のインダクタンス成分を低減し、フィルタ特性への影響を抑制することができる。
ここで、図２のようにガードバンドの狭いデュプレクサでは、フィルタにおけるガードバンド側のスカート特性は急峻であることが好ましく、且つフィルタの温度安定性も良好であることが好ましい。スカート特性の急峻化は、電気機械結合係数ｋ２ ｅｆｆを小さくすることにより、温度安定性の向上は、周波数温度係数ＴＣＦを小さくすることによりそれぞれ実現することができる。従って、ガードバンド側のスカート特性を形成する直列共振子Ｓ１〜Ｓ４及び並列共振子Ｐ４〜Ｐ６（共に第１チップ６０に形成される）は、電気機械結合係数ｋ２ ｅｆｆ及び周波数温度係数ＴＣＦが小さくなるようにすることが好ましい。
一方、ガードバンドと反対側のスカート特性は、ガードバンド側に比べ急峻性及び温度安定性がそれほど要求されない代わりに、フィルタの通過帯域がなるべく広くなるように設定されることが好ましい。帯域幅の拡大は、ｋ２ ｅｆｆを大きくすることにより達成することができるが、これはスカート特性の急峻化とはトレードオフの関係にある。従って、ガードバンドと反対側のスカート特性を形成する並列共振子Ｐ１〜Ｐ３及び直列共振子Ｓ５〜Ｓ８（共に第２チップ６２に形成される）においては、ｋ２ ｅｆｆが大きくなるようにすることが好ましい。
次に、実施例１に係るデュプレクサのフィルタ特性について、比較例に係るデュプレクサと比較したシミュレーション結果について説明する。
図７は、シミュレーションに用いた積層膜５０の具体的な材質及び膜厚を示す図である。受信フィルタ１２の並列共振子Ｐ４〜Ｐ６（ＲｘＰ、図３（ｂ））では、下部電極３２を膜厚８５ｎｍのＣｒ及び膜厚１９５ｎｍのＲｕの２層構造（基板３０側がＣｒ）、第１圧電薄膜３６ａを膜厚５５５ｎｍのＡｌＮ、温度補償膜３８を膜厚７０ｎｍのＳｉＯ２、第２圧電薄膜３６ｂを膜厚５５５ｎｍのＡｌＮ、上部電極を膜厚１９５ｎｍのＲｕ（４０ａ）及び膜厚２５ｎｍのＣｒ（４０ｂ）の２層構造、パシベーション膜４２を膜厚２０ｎｍのＳｉＯ２とした。送信フィルタ１０の直列共振子Ｓ１〜Ｓ４（ＴｘＳ、図３（ｃ））では、上記の膜厚構成に加え、上部電極のＲｕ層４０ａとＣｒ層４０ｂとの間に形成される付加膜４４を、膜厚４０ｎｍのＴｉとした。
受信フィルタ１２の直列共振子Ｓ５〜Ｓ８（ＲｘＳ、図４（ｂ））では、下部電極３２を膜厚１００ｎｍのＣｒ及び膜厚２１０ｎｍのＲｕの２層構造（基板３０側がＣｒ）、圧電薄膜３６を膜厚１２２０ｎｍのＡｌＮ、上部電極を膜厚２１０ｎｍのＲｕ（４０ａ）及び膜厚３０ｎｍのＣｒ（４０ｂ）の２層構造、パシベーション膜４２を膜厚２０ｎｍのＳｉＯ２とした。送信フィルタ１０の並列共振子Ｐ１〜Ｐ３（ＴｘＰ、図４（ｃ））では、上記の膜厚構成に加え、上部電極のＲｕ層４０ａとＣｒ層４０ｂとの間に形成される付加膜４４を、膜厚１５５ｎｍのＴｉとした。
ガードバンド（ＧＢ）側のスカート特性を形成する２組の共振子（Ｐ４〜Ｐ６及びＳ１〜Ｓ４）を比較すると、付加膜４４を除く他の積層膜の材質及び膜厚は全て同一である。ガードバンド（ＧＢ）側と反対側のスカート特性を形成する２組の共振子（Ｓ５〜Ｓ８及びＰ１〜Ｐ３）においても、付加膜４４を除く他の積層膜の材質及び膜厚は全て同一である。また、付加膜４４の形成に伴う直列共振子Ｓ１〜Ｓ４における周波数シフト量は、並列共振子Ｐ１〜Ｐ３における同様の周波数シフト量より大きい。従って、付加膜４４の膜厚は、Ｐ１〜Ｐ３（１９５ｎｍ）の方がＳ１〜Ｓ４（４０ｎｍ）に比べて大きくなっている。
比較例に係るデュプレクサでは、デュプレクサを構成する全ての共振子を、圧電薄膜の中央に温度補償膜を挿入したＴＣ−ＦＢＡＲ型の圧電膜膜共振子とした。その具体的な形態は、図３（ａ）〜（ｃ）に示したものと同様である。
実施例１では、ガードバンド側のスカート特性を形成する直列共振子Ｓ１〜Ｓ４及び並列共振子Ｐ４〜Ｐ６において、ｋ２ ｅｆｆを約４．５％、ＴＣＦを約０ｐｐｍ／℃とした。また、ガードバンド側と反対側のスカート特性を形成する並列共振子Ｐ１〜Ｐ３及び直列共振子Ｓ５〜Ｓ８において、ｋ２ ｅｆｆを約７％、ＴＣＦを約−３０ｐｐｍ／℃とした。これに対し、比較例では、ガードバンド側及びその反対側の双方において、ＴＣ−ＦＢＡＲ型共振子の使用を想定し、スカート特性を形成する共振子のｋ２ ｅｆｆは約４．５％となっている。
図８は、実施例１に係るデュプレクサのフィルタ特性について、比較例との比較を示したグラフである。図８（ａ）は送信フィルタ１０の帯域の通過特性、図８（ｂ）は送信端子Ｔｘにおける帯域のリターンロス特性をそれぞれ示す。ガードバンド側のスカート特性を形成する共振子のｋ２ ｅｆｆは、実施例１と比較例で共に約４．５％であるため、スカート特性にもそれほど大きな差はない。これに対し、ガードバンドと反対側のスカート特性を形成する共振子のｋ２ ｅｆｆは、比較例では４．５％であるのに対し、実施例１では７％となっている。このため、実施例１では、比較例に比べてマッチングが改善し、フィルタの広帯域化が図られている。
以上のように、実施例１に係るデュプレクサによれば、送信フィルタ１０と受信フィルタ１２の間のガードバンド側のスカート特性を形成する複数の共振子Ｓ１〜Ｓ４及びＰ４〜Ｐ６（以下、「第１共振子」とする）は、温度補償型の圧電薄膜共振子（ＴＣ−ＴＢＡＲ）となっている。また、ガードバンドと反対側のスカート特性を形成する複数の共振子Ｐ１〜Ｐ３及びＳ５〜Ｓ８（以下、「第２共振子」とする）は、温度補償膜３８を含まない非温度補償型の圧電薄膜共振子（ＦＢＡＲ）となっている。このように、実施例１に係るデュプレクサによれば、第１共振子にはｋ２ ｅｆｆ及びＴＣＦの小さい共振子を用い、第２共振子には第１共振子に比べてｋ２ ｅｆｆ及びＴＣＦの大きい共振子を用いている。これにより、ガードバンド側のスカート特性の急峻化及び温度安定性の向上と、フィルタの広帯域化との両立を図ることができる。
実施例２は、第２共振子にＦＢＡＲ以外の共振子を用いる例である。
図９は、実施例２に係るデュプレクサのレイアウトを示す平面図である。実施例１（図５）と比較すると、ガードバンドと反対側のスカート特性を形成する並列共振子Ｐ１〜Ｐ３及び直列共振子Ｓ５〜Ｓ８の形態が、弾性表面波（ＳＡＷ）共振子となっている。その他の構成は実施例１と同じであり、詳細な説明を省略する。
図１０〜図１２は、様々な形態のＳＡＷ共振子の構成を示す図である。図１０（ａ）、図１１（ａ）、図１２（ａ）は平面模式図、図１０（ｂ）、図１１（ｂ）、図１２（ｂ）は上記平面模式図のＡ−Ａ線に沿った断面模式図である。図１０に示す弾性表面波共振子（以下、「ＬＴ／Ｓａ型弾性表面波共振子」とする）は、４２°ＹカットＸ伝播のタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）基板８０をサファイア基板８２の上に貼り付けた基板を用い、当該基板上に櫛形電極８４及び反射電極８６を形成したものである。タンタル酸リチウム基板８０の厚みは例えば２０μｍ、サファイア基板８２の厚みは例えば２３０μｍとすることができる。また、櫛形電極８４及び反射電極８６の電極材料には、例えば主成分のＡｌにＣｕを添加した金属を用いることができる。以上のＬＴ型弾性表面波共振子において、ｋ２ ｅｆｆは約８％、ＴＣＦは約−２０ｐｐｍ／℃である。
図１１に示す弾性表面波共振子（以下、「ＬＴ型弾性表面波共振子」とする）は、基板としてサファイア基板を用いずに、４２°ＹカットＸ伝播のタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）基板８０を用いた例であり、その他の構成は図１０と同様である。上記のＬＴ型弾性表面波共振子において、ｋ２ ｅｆｆは約８％、ＴＣＦは約−４０ｐｐｍ／℃とすることができる。
図１２に示す弾性表面波共振子（以下、「ラブ波型弾性表面波共振子」とする）は、基板として０°ＹカットＸ伝播のニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）基板９０を用いたラブ波利用の弾性表面波共振子である。ニオブ酸リチウム基板９０上には、図１０及び図１１と同様に櫛形電極８４及び反射電極８６が形成され、これらの電極を含む基板上面全体が、シリコン酸化膜９２により覆われている。櫛形電極８４及び反射電極８６の電極材料としては、例えばＣｕを主成分とする金属を用いることができる。上記のラブ波型弾性表面波共振子において、ｋ２ ｅｆｆは約１１％、ＴＣＦは約０ｐｐｍ／℃とすることができる。
次に、実施例２に係るデュプレクサのフィルタ特性について、比較例に係るデュプレクサと比較したシミュレーション結果について説明する。実施例２では、ガードバンド側のスカート特性を形成する直列共振子Ｓ１〜Ｓ４及び並列共振子Ｐ４〜Ｐ６においては、実施例１と同じくＴＣ−ＦＢＡＲ型共振子の使用を想定し、ｋ２ ｅｆｆを約４．５％、ＴＣＦを約０ｐｐｍ／℃とした。また、ガードバンド側と反対側のスカート特性を形成する並列共振子Ｐ１〜Ｐ３及び直列共振子Ｓ５〜Ｓ８においては、ＬＴ／Ｓａ型弾性表面波共振子の使用を想定し、ｋ２ ｅｆｆを約８％、ＴＣＦを約−２０ｐｐｍ／℃とした。これに対し、比較例では、実施例１の場合と同じく、ガードバンド側及びその反対側の双方において、ＴＣ−ＦＢＡＲ型共振子の使用を想定し、スカート特性を形成する共振子のｋ２ ｅｆｆを約４．５％とした。
図１３は、実施例２に係るデュプレクサのフィルタ特性について、比較例との比較を示したグラフである。図１３（ａ）は送信フィルタ１０の帯域の通過特性、図１３（ｂ）は送信端子Ｔｘにおける帯域のリターンロス特性をそれぞれ示す。ガードバンド側のスカート特性を形成する共振子のｋ２ ｅｆｆは、実施例２と比較例で共に約４．５％であるため、スカート特性にもそれほど大きな差はない。これに対し、ガードバンドと反対側のスカート特性を形成する共振子のｋ２ ｅｆｆは、比較例では４．５％であるのに対し、実施例２では８％となっている。このため、実施例２では、比較例に比べてマッチングが改善し、フィルタの広帯域化が図られている。
以上のように、実施例２に係るデュプレクサによれば、送信フィルタ１０と受信フィルタ１２の間のガードバンド側のスカート特性を形成する複数の第１共振子（Ｓ１〜Ｓ４及びＰ４〜Ｐ６）は、温度補償型圧電薄膜共振子（ＴＣ−ＴＢＡＲ）となっている。また、ガードバンドと反対側のスカート特性を形成する複数の第２共振子（Ｐ１〜Ｐ３及びＳ５〜Ｓ８）は、タンタル酸リチウム基板を用いたＬＴ型弾性表面波共振子、タンタル酸リチウム基板をサファイア基板上に貼り付けた基板を用いたＬＴ／Ｓａ型弾性表面波共振子、または弾性表面波共振子のうちラブ波を利用したラブ波型弾性表面波共振子となっている。このように、実施例２に係るデュプレクサによれば、実施例１と同様に、第１共振子にはｋ２ ｅｆｆ及びＴＣＦの小さい共振子を用い、第２共振子には第１共振子に比べてｋ２ ｅｆｆ及びＴＣＦの大きい共振子を用いている。これにより、ガードバンド側のスカート特性の急峻化及び温度安定性の向上と、フィルタの広帯域化との両立を図ることができる。
上記の例において、貼り合わせ基板を用いたＬＴ／Ｓａ型弾性表面波共振子は、タンタル酸リチウム基板のみを用いたＬＴ型弾性表面波共振子に比べ、ＴＣＦが小さく温度安定性に優れている。また、ラブ波を利用したラブ波型弾性表面波共振子は、ｋ２ ｅｆｆが大きく広帯域化に有利で、且つＴＣＦが小さく温度安定性に優れた弾性表面波共振子となっている。
実施例１〜２では、ガードバンド側の第１共振子として温度補償型圧電薄膜共振子を用いたが、代わりに図１２に示すラブ波型弾性表面波共振子を用いてもよい。このとき、ガードバンドと反対側の第２共振子にもラブ波型弾性表面波共振子を用いる場合には、第２共振子の電気機械結合係数ｋ２ ｅｆｆを第１共振子より大きくする。このとき、ｋ２ ｅｆｆの小さい第１共振子を第１ラブ波型弾性表面波共振子、ｋ２ ｅｆｆの大きい第２共振子を第２ラブ波型弾性表面波共振子とそれぞれ称する。ガードバンド側のスカート特性を形成する第１ラブ波型弾性表面波共振子は、実施例１〜２にて示した第２共振子の実施例のいずれとも組み合わせることができる。
実施例１〜２では、第１共振子の電気機械結合係数ｋ２ ｅｆｆは第２共振子のｋ２ ｅｆｆより小さく、第１共振子の周波数温度係数ＴＣＦは第２共振子のＴＣＦより小さくなっているが、必ずしも全ての共振子において、上記の関係が満たされていなくともよい。例えば、送信フィルタ及び受信フィルタの少なくとも一方において、第１共振子のうち少なくとも１つのｋ２ ｅｆｆが、第２共振子のうち少なくとも１つのｋ２ ｅｆｆより小さくなっていればよい。また、送信フィルタ及び前記受信フィルタの少なくとも一方において、ガードバンド側におけるフィルタのＴＣＦが、ガードバンドと反対側におけるフィルタのＴＣＦより小さくなっていればよい。
また、実施例１〜２では、第１共振子（Ｓ１〜Ｓ４及びＰ４〜Ｐ６）の全てを第１チップ６０上に形成し、第２共振子（Ｐ１〜Ｐ３及びＳ５〜Ｓ８）の全てを第１チップ６０とは別の第２チップ６２上に形成したが、共振子の構成はこれ以外の形態であってもよい。例えば、第２共振子のうちＳ５〜Ｓ８を同一チップに形成し、Ｐ１〜Ｐ３を別のチップに形成するなどしてもよい。
ただし、共振子を同一チップに形成する場合、同一のウェハ及び同一のプロセス（素子技術）により共振子の形成を行うことができる。これにより、別々のウェハに別々のプロセスにより共振子の形成を行う場合に比べ、膜厚の調整を容易に行うことができる。例えば、図７に示すように、第１共振子のうちＳ１〜Ｓ４とＰ４〜Ｐ６とでは、１つの層（ここでは、膜厚調整が必要な付加膜４４（Ｔｉ））を除く全ての積層膜５０の膜厚が等しく、これらを同一工程で形成することができる。これにより、共振子の周波数特性を揃え、送信フィルタと受信フィルタのそれぞれのスカート特性における周波数間隔のばらつきを抑制することができる。Ｂａｎｄ２のようにガードバンドの狭いデュプレクサにでは、ガードバンド側における周波数特性の安定が特に要求されるため、ガードバンド側の第１共振子は同一のチップに形成することが特に好ましい。また、ガードバンドと反対側の第２共振子においても、第１共振子と同様に同一のチップに形成することが好ましい。
また、第１共振子及び第２共振子の全てを同一のチップに形成してもよい。この場合、ｋ２ ｅｆｆ及びＴＣＦの異なる二種類の共振子を同一のチップに形成することとなるため、製造工程における工夫が要求される。上記のようなデュプレクサの形成方法としては、例えば最初にチップ上の所定領域に第１共振子の形成を行い、続いて形成済みの第１共振子の上にマスクを施した上で、チップ上の残りの領域に第２共振子の形成を行う方法が考えられる。
実施例１〜２では、例えば図３及び図４に示すように、圧電薄膜共振子として下部電極３２の下に空隙３４が形成されたＦＢＡＲタイプを例に説明を行ったが、圧電薄膜共振子は温度補償膜を用いるＳＭＲタイプとしてもよい。音響反射膜とは、音響インピーダンスの高い膜と低い膜とが交互にλ／４（λは弾性波の波長）の膜厚で積層された膜であり、下部電極３２の下に空隙３４に代えて形成することができる。よって、実施例１〜２における温度補償型圧電薄膜共振子は、ＦＢＡＲタイプの圧電薄膜共振子に温度補償膜が挿入された構成に加え、ＳＭＲタイプの圧電薄膜共振子に温度補償膜が挿入された形態を含むものとする。
また、実施例１〜２では、送信フィルタ及び受信フィルタとして図１に示すラダーフィルタを例に説明したが、ラダーフィルタの具体的構成（直列共振子・並列共振子の数及び配置）は、これに限定されるものではない。整合用インダクタの数及び配置についても、デュプレクサの仕様等に応じて適宜変更することができる。
また、実施例１〜２では、低周波側に送信フィルタが、高周波側に受信フィルタがあるデュプレクサを例に説明したが、低周波側に受信フィルタ１２が、高周波側に送信フィルタがあってもよい。また、上記実施例ではＢａｎｄ２用のデュプレクサを例に説明したが、上記実施例の構成はこれ以外の周波数帯域を対象とするデュプレクサにおいても同様に適用することができる。
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 送信フィルタ
１２ 受信フィルタ
３０ 基板
３２ 下部電極
３４ 空隙
３６ 圧電薄膜
３８ 温度補償膜
４０ 上部電極
４２ パシベーション膜
４４ 付加膜
５０ 積層膜
５２ 共振領域
５４ エッチング媒体導入孔
５６ エッチング媒体導入路
６０ 第１チップ
６２ 第２チップ
６４、６６、７２ 配線パターン
６８ バンプ
７０ 実装基板
７４ ビア
８０ タンタル酸リチウム基板
８２ サファイア基板
８４ 櫛形電極
８６ 反射電極
９０ ニオブ酸リチウム基板
９２ シリコン酸化膜
Ａｎｔ アンテナ端子
Ｔｘ 送信端子
Ｒｘ 受信端子
Ｓ１〜Ｓ８ 直列共振子
Ｐ１〜Ｐ６ 並列共振子
Ｌ１〜Ｌ７ インダクタ
ガードバンド（ＧＢ）側のスカート特性を形成する２組の共振子（Ｐ４〜Ｐ６及びＳ１〜Ｓ４）を比較すると、付加膜４４を除く他の積層膜の材質及び膜厚は全て同一である。ガードバンド（ＧＢ）側と反対側のスカート特性を形成する２組の共振子（Ｓ５〜Ｓ８及びＰ１〜Ｐ３）においても、付加膜４４を除く他の積層膜の材質及び膜厚は全て同一である。また、付加膜４４の形成に伴う並列共振子Ｐ１〜Ｐ３における周波数シフト量は、直列共振子Ｓ１〜Ｓ４における同様の周波数シフト量より大きい。従って、付加膜４４の膜厚は、Ｐ１〜Ｐ３（１５５ｎｍ）の方がＳ１〜Ｓ４（４０ｎｍ）に比べて大きくなっている。

Claims (13)

  1. 通過帯域の異なる送信フィルタ及び受信フィルタを備えるデュプレクサであって、
    前記送信フィルタ及び前記受信フィルタは、それぞれラダー状に接続された複数の直列共振子及び複数の並列共振子を含み、
    前記複数の直列共振子及び前記複数の並列共振子のうち、前記送信フィルタと前記受信フィルタの間のガードバンド側のスカート特性を形成する複数の第１共振子は、圧電薄膜並びに前記圧電薄膜を挟んで対向する下部電極及び上部電極を含む複数の層からなり且つ前記圧電薄膜の弾性定数の温度係数と逆符号の温度係数を有する温度補償膜が前記上部電極と前記下部電極との間に挟まれた温度補償型圧電薄膜共振子、または弾性表面波共振子のうちラブ波を利用した第１ラブ波型弾性表面波共振子、のうちいずれかの共振子であり、
    前記複数の直列共振子及び前記複数の並列共振子のうち、前記ガードバンドと反対側のスカート特性を形成する複数の第２共振子は、圧電薄膜並びに前記圧電薄膜を挟んで対向する下部電極及び上部電極複数の層からなり且つ温度補償膜を含まない非温度補償型圧電薄膜共振子、タンタル酸リチウム基板を用いたＬＴ型弾性表面波共振子、タンタル酸リチウム基板をサファイア基板上に貼り付けた基板を用いたＬＴ／Ｓａ型弾性表面波共振子、または前記第１ラブ波型弾性表面波共振子より大きい電気機械結合係数を有する第２ラブ波型弾性表面波共振子、のうちいずれかの共振子であることを特徴とするデュプレクサ。
  2. 前記送信フィルタ及び前記受信フィルタの少なくとも一方において、前記複数の第１共振子のうち少なくとも１つの電気機械結合係数は、前記複数の第２共振子のうち少なくとも１つの電気機械結合係数より小さいことを特徴とする請求項１に記載のデュプレクサ。
  3. 前記送信フィルタ及び前記受信フィルタの少なくとも一方において、前記ガードバンド側におけるフィルタの周波数温度係数は、前記ガードバンドと反対側におけるフィルタの周波数温度係数より小さいことを特徴とする請求項１または２に記載のデュプレクサ。
  4. 前記第１共振子は前記温度補償型圧電薄膜共振子であり、前記第２共振子は前記非温度補償型圧電薄膜共振子であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のデュプレクサ。
  5. 前記第１共振子を構成する直列共振子と並列共振子の複数の層は１つの層を除いて膜厚が等しく、且つ、前記第２共振子を構成する直列共振子と並列共振子の複数の層は１つの層を除いて膜厚が等しいことを特徴とする請求項４に記載のデュプレクサ。
  6. 前記第１共振子は前記温度補償型圧電薄膜共振子であり、前記第２共振子は前記ＬＴ型弾性表面波共振子であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のデュプレクサ。
  7. 前記第１共振子は前記温度補償型圧電薄膜共振子であり、前記第２共振子は前記ＬＴ／Ｓａ型弾性表面波共振子であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のデュプレクサ。
  8. 前記第１共振子は前記温度補償型圧電薄膜共振子であり、前記第２共振子は前記第２ラブ波型弾性表面波共振子であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のデュプレクサ。
  9. 前記温度補償膜は、シリコン酸化物またはシリコン窒化物を主成分とすることを特徴とする請求項４〜８のいずれか１項に記載のデュプレクサ。
  10. 前記圧電薄膜は、窒化アルミニウムを主成分とすることを特徴とする請求項４〜９のいずれか１項に記載のデュプレクサ。
  11. 前記複数の第１共振子は、同一チップ上に形成されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のデュプレクサ。
  12. 前記第１共振子及び前記受信第２共振子が形成されたチップは、実装基板にフリップチップにより搭載されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載のデュプレクサ。
  13. 前記送信フィルタに含まれる前記第１共振子と前記第２共振子同士、並びに前記受信フィルタに含まれる前記第１共振子と前記第２共振子同士は、それぞれ前記実装基板におけるダイアタッチ層上に形成された配線を介して、互いに電気的に接続されていることを特徴とする請求項１２に記載のデュプレクサ。
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