表面弹性波滤波器、双工器及模块

技术领域

本发明涉及表面弹性波滤波器，双工器和包括该表面弹性波滤波器的模块。

背景技术

在诸如移动电话终端和便携式信息终端之类的通信装置终端中，天线滤波器或双工器中使用的弹性波器件需要更高的Q值。在弹性波器件中，包括块体弹性波滤波器和表面弹性波滤波器。在前述弹性波器件中，尽管使用表面弹性波滤波器为主流，但表面弹性波滤波器与块体弹性波滤波器相比，具有Q值较低的问题。

为了提高Q值，如专利文献1(日本专利申请公开号2002-534886)所记载，通过采用在由硅或蓝宝石等构成的基板上贴合由钽酸锂或铌酸锂等构成的尽可能薄的压电层的多层膜构造，使弹性波向弹性波基板的深度方向的泄漏大幅减少，因此能大幅地提升Q值。

但是，诸如上述传统的弹性波器件一样，其中弹性波被压电层良好的限制，除了应传播的表面弹性波外还激发了如纵波的其他传播模式。结果在高于通带的频带中产生大的寄生谐振(spurious)。这种高频杂讯会不利地影响器件的阻尼特性。结果对在移动通信设备中使用的通带系统产生不利的影响，或者，从所述通带系统发射的信号恐怕会对其他频段的系统产生不利影响。但是，仅通过调整构成弹性波滤波器的压电层的层厚，很难抑制所述杂讯。

发明内容

本发明鉴于上述问题，其目的为提供一种可以保持较高的Q值同时有效抑制高频杂讯的表面弹性波滤波器、双工器及模块。

本发明的表面弹性波滤波器，包含谐振子，所述谐振子包括衬底基板、形成在所述衬底基板上并由压电材料制成的压电层，及形成于所述压电层上的IDT电极，所述衬底基板由高阻抗半导体或绝缘体构成，所述弹性波的波长λ根据所述IDT电极的电极周期而定，并可划分成多个具有不同厚度的区域，所述IDT电极分别位于多个区域上构成所述谐振子，由形成于多个区域的所述谐振子相互连接而构成谐振器。

因此，通过让各谐振子改变封闭弹性波的薄压电层的多个区域的厚度，使基波的共振频率与反共振频率能保持相同，而针对会产生杂讯且比共振频率与反共振频率的频率还高的频率，通过改变分别形成于各区域的谐振子使其分散。藉此，因为改变具有不同厚度压电层的谐振子的杂讯出现的频率，具有不同频率的杂讯无法互相干涉增强，作为滤波器整体可以获得具有很少杂讯的表面弹性波滤波器。

本发明的表面弹性波滤波器，所述压电层的多个区域的厚度阶段性地减少，所述表面弹性波滤波器包括互相串联或并联的分别形成在多个区域上的IDT电极。

因此，通过让压电层的多个区域的厚度阶段性地减少，使得在具有不同所述压电层的厚度的谐振子发生杂讯的频率，无法互相干涉增强而被分散。再者，通过将具有不同压电层厚度的谐振子串联或并联，能进一步地抑制杂讯。

本发明的表面弹性波滤波器，多个区域的厚度每次减少的幅度大于或等于10％。

因此，通过让压电层的厚度有大于或等于10％的差异，使得在具有不同所述压电层的厚度的谐振子发生杂讯的频率，无法互相干涉增强而被分散。

本发明的表面弹性波滤波器，所述压电层激发的压电振动的主振动为水平剪切模式。

因此，所述压电层激发的压电振动为水平剪切模式，容易产生杂讯，因此在杂讯的抑制上有显着的效果。

本发明的表面弹性波滤波器，所述的表面弹性波滤波器还包含至少一位于所述衬底基板与所述压电层之间的中间层。

本发明的表面弹性波滤波器，所述至少一中间层能用于促进所述衬底基板与所述压电层之间的耦合，或提升弹性波的声速的功效的其中之一。

通过设置所述中间层，可获得提升与衬底基板的耦合强度和防止应传播的表面弹性波的泄漏的效果。

本发明的表面弹性波滤波器，所述压电层的厚度范围为0.5λ～1.5λ。

因此，通过让谐振器的压电层的厚度为0.5λ～1.5λ，可维持较高的机电耦合系数与Q值。

本发明的模块，包含所述表面弹性波滤波器。

本发明的双工器，包含所述表面弹性波滤波器。

本发明的模块，包含所述双工器。

本发明的有益效果在于：表面弹性波滤波器(谐振子)的压电层具有0.15λ至1.5λ的厚度，因此能维持高的Q值。再者，藉由使限制弹性波的薄压电层的厚度随着谐振子改变，可让基波的谐振频率与反谐振频率维持在几乎相同，且可针对每个谐振子改变高频杂讯出现的频率。以这种方式，由于可以改变具有不同厚度的压电层的每个谐振子产生杂讯的频率，将所述谐振子彼此连接以形成谐振器，并且以所述谐振器构成所述表面弹性波滤波器，使得具有不同频率的杂迅无法互相干涉增强，因此可以获得具有很少杂讯的表面弹性波滤波器。

附图说明

本发明的其他的特征及功效，将于参照图式的实施方式中清楚地呈现，其中：

图1为构成本发明表面弹性波滤波器的谐振子的剖面图；

图2为具有与图1不同的厚度的压电层的谐振子的剖面图；

图3为具有与图1和图2的谐振子不同的厚度的谐振子的剖面图；

图4是本发明中使用的由图1至图3中所示的谐振子组成的谐振器的剖面图；

图5是在本发明中使用的包括图1和图2中所示的谐振子的谐振器的剖面图；

图6为用于与本发明中使用的谐振器进行比较的现有谐振器的剖面图；

图7为具有与图6不同厚度的压电层的现有谐振器的剖面图；

图8为具有与图6和图7不同厚度的压电层的现有谐振器的的剖面图；

图9是由图1至图3中所示的谐振子串联构成的谐振器的示意图；

图10是由图1至图3中所示的谐振子并联构成的谐振器的示意图；

图11是由图1与图2中所示的谐振子串联构成的谐振器的示意图；

图12是由图1与图2中所示的谐振子并联构成的谐振器的示意图；

图13是图9所示的谐振器的俯视图；

图14是图10所示的谐振器的俯视图；

图15是用于说明谐振子的谐振频率与电极周期之间的关系的图13的局部放大图；

图16是谐振子中压电层的厚度与弹性波声速的关系图；

图17是示出图6至图8中所示的现有谐振器的导纳对应频率的特性图；

图18为图9中所示的谐振器的导纳对应频率的特性图；

图19为图10中所示的谐振器的导纳对应频率的特性图；

图20为图11中所示的谐振器的导纳对应频率的特性图；

图21为图12中所示的谐振器的导纳对应频率的特性图；

图22至图25为形成图4谐振器的不同厚度的压电层的一实施例的流程图；

图26是由梯形结构构成的本发明的表面弹性波滤波器的一实施例；

图27是由梯形结构构成的本发明的表面弹性波滤波器的另一实施例；

图28是使用本发明的表面弹性波器件配置的模块的一实施例；

图29是使用本发明的表面弹性波器件配置的双工器的一实施例；及

图30是使用图29中的双工器配置的模块的一实施例。

具体实施方式

图1至图3分别表示一个用于构成本发明的表面弹性波滤波器的谐振子的剖面图(显示于右侧)和示意图(显示于左侧)。每一谐振子1A、1B、1C设置有衬底基板2，厚度各自不同的压电层4，形成于所述压电层4上的IDT电极5(Interdigital Transducer，IDT)和设置在所述衬底基板2和所述压电层4间的中间层3。每一谐振子1A、1B、1C中的主振动为水平剪切模式(SH mode)。

所述衬底基板2由高阻抗的半导体或绝缘体组成，例如多晶或单晶形态的硅或蓝宝石。用于衬底基板2的材料不限于以上所述材料，也可以是多晶硅、多晶Al

所述压电层4可用钽酸锂(LiTaO

所述IDT电极5可使用例如Al、Au、Cu、Ni、Pt、Ti、Cr、Ag，或其合金制成，也可以使用其他金属或其合金。

所述中间层3的设置能达到增加衬底基板2与压电层4之间的结合强度，或增加弹性波的传播速度的至少其中一个功效。在增强衬底基板2与压电层4之间的结合强度的情况下，所述中间层3可用二氧化硅(SiO

当制造这种弹性波装置1时，所述压电层4的厚度越薄越能有效地提升Q值。例如，所述压电层可以是15°～52°Y轴切面X轴传播的LT。

图1至图3分别表示该等谐振子1A、1B、1C的不同点在于，该等谐振子1A、1B、1C的压电层4厚度t1、t2、t3彼此不同(t1>t2>t3)。构成本发明表面弹性波滤波器的谐振器，例如图4所示，是将谐振子1A、1B、1C设置成一个谐振器。并且，形成所述谐振子1A、1B、1C的压电层4区域的厚度至少有两种以上的构成方式。例如图5所示，谐振子1A和1B设置成一个谐振器，且形成所述谐振子1A和1B的压电层4区域的厚度可以是不同的。另外，在图4所示的三个谐振子的情况下，若三个区域中的压电层的厚度为两种(例如t1＝t2>t3)，也可以发挥一定程度杂讯的抑制效果。

图6至图8表示具有不同厚度的压电层4的现有谐振器6X、6Y、6Z(压电层4的厚度分别为t1、t2、t3)。上述谐振器6X、6Y、6Z作为说明本发明杂讯抑制效果的比较例。

图9至图12分别为由谐振子1A、1B、1C构成的本发明的谐振器6A～6D的示意图。图9中的谐振器6A是由具有不同厚度的压电层4的谐振子1A、1B、1C互相串联构成。图10中的谐振器6B是由具有不同厚度的压电层4的谐振子1A、1B、1C互相并联构成。图11中的谐振器6C是由具有不同厚度的压电层4的谐振子1A、1B互相串联构成的。图12中的谐振器6D是由具有不同厚度的压电层4的谐振子1A、1B互相并联构成。

图13是如图9所示由谐振子1A、1B、1C互相串联构成的谐振器6A的俯视图。所述谐振子1A、1B、1C设有位于IDT电极5的梳齿状电极两侧的反射器7。所述谐振器6A在所述谐振器1A、1B、1C串联回路的其中一端设有第一端口8A，而另一端设置有第二端口9A。

图14是如图10所示由谐振子1A、1B、1C互相并联构成的谐振器6B的俯视图。所述谐振子1A、1B、1C设有位于IDT电极5的梳齿状电极两侧的反射器7。所述谐振器6B在所述并联回路的IDT电极5的其中一端设有第一端口8B，而另一端设置有第二端口9B。

将图13中谐振器1C移除后，即是由两个谐振子1A和1B串联构成的谐振器6C(见图11)。此外，将图14中谐振器1C移除后，即是由两个谐振子1A和1B并联构成的谐振器6C(见图12)。

以图13为例，在第一端口8A和第二端口9A之间输入高频信号后，IDT电极5的各个电极之间产生电场，而激发表面弹性波沿压电层4传播、并被反射器7反射而产生电谐振。谐振频率f

接下来，说明本发明当设置有IDT电极5的压电层4的厚度不同时，杂讯抑制功效的验证结果。该验证是基于模拟实现。也就是说，比较如图6至图8所示每个压电层4的厚度t1、t2、t3各自相同的谐振器6X、6Y、6Z，与图9至12中所示本发明的谐振器(6A～6D)的杂讯抑制效果。此处作为验证而使用的表面弹性波滤波器构成材料，本发明的谐振器和现有谐振器同样使用厚度为200μm的硅的作为衬底基板2。

表1显示本发明谐振器和现有谐振器的其他组件材料。也就是说，IDT电极5使用Al、压电层4使用LT、中间层3使用二氧化硅作为材料。此外，IDT电极5的周期P(＝λ/2)为0.9μm(λ＝1.8μm)、谐振子1A的压电层4厚度为0.3λ(0.54μm)、谐振子1B的压电层4的厚度为0.25λ(0.45μm)、谐振子1C的压电层4的厚度为0.2λ(0.36μm)。此外，谐振子1A的中间层3的厚度为0.08λ(0.14μm)、谐振子1B、1C的中间层3的厚度为0.06λ(0.11μm)。并且，IDT电极5的厚度为0.08λ(0.14μm)。

表1

图17是图6至图8中比较例的谐振器6X、6Y、6Z的导纳(dB西门子)对应频率的特性图。谐振器6X、6Y、6Z分别由三个谐振子1A、三个谐振子1B、三个谐振子1C并联构成。如图17所示，在压电层4的厚度如表1中1A、1B、1C厚度相异的情况下(谐振器6A的压电层4的厚度为t1，6B为t2，6C为t3)，邻近2GHz的基波的谐振频率f

理由说明如下。如图16所示，当压电层4的厚度变薄时，压电层4中的弹性波的声速变大。虽然在激发不同振动模式的同时通常会伴随杂讯的产生，在衬底基板2上形成薄的压电层4的构造中，压电层4内声速对压电层4厚度的依存关系视各种模式而异。也就是说，在杂讯振动模式下由于薄膜厚度的减薄而导致声速增大的程度，会比在基波的振动模式下由于薄膜厚度的减薄而导致的声速增大的程度还明显。因此，说明了图中显示压电层4的厚度变得更薄而使得杂讯发生的频率变高的现象。如图14所示，在所述共振器6X、6Y、6Z产生杂讯的频带范围中，最大导纳与最小导纳之间的差为32dB。

图18是图9和图13所示的谐振器6A、即具有不同厚度的谐振子1A、1B、1C串联构成的谐振器6A的导纳对应频率的特性图。在这种情况下，在每一杂讯产生的频带范围中，最大导纳与最小导纳之间的差为20dB，和每个谐振器6X、6Y、6Z相比大幅地降低。在这种情况下，在杂讯产生的频带范围中最大导纳与最小导纳之间的差、或者说杂讯大幅减少的原因在于，在谐振器6A中谐振子1A、1B、1C的谐振频率和反谐振频率近乎相同，而通过改变压电层4的厚度，频率高于谐振频率和反谐振频率的杂讯被分散，且通过串联电连接所述谐振子1A、1B、1C，使得具有不同厚度的压电层4的每个区域的谐振子1A、1B、1C产生的杂讯频率被分散开来，导致整体杂讯强度的降低。

图19是图10和图14中所示的谐振器6B、即具有不同厚度的谐振子1A、1B、1C并联构成的谐振器6B的导纳对应频率的特性图。在所述谐振器6B杂讯产生的频带范围中，最大导纳与最小导纳之间的差也同样为20dB，和每个谐振器6X、6Y、6Z相比大幅地降低。在这样的情况下，杂讯大幅减少的原因与图18中谐振器6A的情况相同，由于谐振子1A、1B、1C的压电层4厚度不同，分散了杂讯的频率，且通过并联所述谐振子1A、1B、1C，将谐振子1A、1B、1C的分散的杂讯合并。

图20是图11中所示的谐振器6C、即具有不同厚度的谐振子1A和1B串联构成的谐振器6C的导纳对应频率的特性图。在谐振器6C的情况下，杂讯产生的频带范围内最大导纳与最小导纳之间的差为25dB，和每个谐振器6X、6Y、6Z相比大幅地降低。在这样的情况下，杂讯减少的原因与图17、图18中所示谐振器6A、6B的情况相同，由于谐振子1A、1B、1C的压电层4厚度不同，分散了杂讯的频率。有两种厚度的压电层4的谐振器6C，与有三种厚度的压电层4的谐振器6A相比，杂讯抑制幅度较小的理由在于，在具有不同厚度的压电层发生杂讯的强度，在谐振器6C的情况下会比谐振器6A、谐振器6B的情况下还大。

图21是图12中所示的谐振器6D、即具有不同厚度的谐振子1A和1B并联构成的谐振器6D的导纳对应频率的特性图。在谐振器6D的情况下，杂讯产生的频带范围内最大导纳与最小导纳之间的差为25dB，并且和每个谐振器6X、6Y、6Z相比大幅地降低。在这样的情况下，谐振器6D的杂讯被抑制的理由，以及与谐振器6A、6B相比杂讯较大的理由，与图20中所示的谐振器6C的情况相同。

图22至图25为形成具有相异厚度t1、t2、t3的压电层4的示意流程图。如图22所示，在所述压电层4中厚度没有减薄的区域、也就是厚度为t1的区域上，形成阻挡层10a。并且，在没有形成阻挡层10b的区域4b，例如使用氩气体离子11(Argon Gas Ion)照射进行蚀刻、而形成如图23所示变薄的压电层4区域4c。接着，为了得到更薄的压电层4，如图24所示，在厚度为t1、t2的区域4a、4c留下或形成新的阻挡层10a、10b，针对剩余的区域4d照射离子11以进行蚀刻。这样一来，形成如图25所示比区域4c还薄且厚度为t3的区域4e后，去除阻挡层10a、10b。

在压电层4中形成具有不同厚度的多个区域4a，4c，4e之后，分别使用光刻技术(Photolithography)在区域4a，4c，4e上形成IDT电极5。

较佳的，在分别具有相异厚度t1、t2、t3的压电层4区域4a、4b、c中，相对于4a(4b)的厚度t1(t2)，具有较小厚度的区域4b(4c)的厚度t2(t3)阶段性地减薄10％以上。理论上，只要多少造成了厚度的差异，杂讯的频率就会被移动且分散，所述杂讯的最大导纳和最小导纳之间的差会被减小。然而，通过提供10％或更多的差异作为区域4a、4b、4c中的每一个的厚度的差异，各区域4a、4b、4c产生杂讯的频率将被明显地分散而不会重迭，且最大导纳与最小导纳之间的差与减小的幅度将会被提升。以前述的数值为例，

t2/t1＝0.25/0.3＝0.83

t3/t2＝0.2/0.25＝0.80

压电层4的区域4a和4c的厚度之差为1-0.83＝0.17(17％)，压电层4的区域4c和4e的厚度之差为1-0.80＝0.20(20％)。

较佳地，在压电层4材料为LT、中间层3材料为二氧化硅、衬底基板2材料为硅的情况下，压电层4的厚度为1.5λ以下。压电层4在厚度大于1.5λ时，会使压电层4厚度减薄时才可获得到的、压电层4引导表面弹性波的功效减弱，而使Q值下降。

较佳地，压电层4的厚度为0.15λ以上，理由如下。在压电层4材料为15°～52°Y切面x轴传播LT、中间层3材料为二氧化硅、衬底基板2材料为硅的情况下，一旦压电层4的厚度改变，机电耦合系数k2(％)也会改变。以所述衬底基板2与中间层3厚度为0.08λ为例，压电层4的厚度为0.15λ时，机电耦合系数k2的变化达到高峰值，当压电层4的厚度小于0.15λ时，机电耦合系数k2将会大幅地劣化，导致器件特性不稳定使成品率低下。因此，压电层4的膜厚度优选为0.15λ以上。

在上述示例中，中间层3材料为二氧化硅。若中间层3使用氮化铝或氮化硼铝等可增加弹性波传播速度的材料，可提升表面弹性波的传播速度，并且能改善高频特性。

当实施本发明时，也可以不设置所述中间层3，将压电层4直接设置在所述衬底基板2。在这种情况下，会有类似于减薄压电层4、获得导引表面弹性波的作用，而有提升Q值的效果。但所述效果有可能比设有中间层3的情况低。

当实施本发明时，所述中间层3也可以是具有第一层和第二层的双层结构。在这种情况下，位于压电层4的一侧的第一层作为高速化层，位于衬底基板2的一侧的第二层作为结合强化层。也就是说，通过将氮化铝或氮化硼铝用作第一层、将二氧化硅等用作第二层，可以获得提升Q值与增强耦合强度的效果。此外，也可以将二氧化硅用作第一层，且氮化铝或氮化硼铝用作第二层。再者，所述中间层3也可以采用具有三层或更多层的结构。

此外，可以在压电层4和衬底基板2之间设置作为接合层的多晶硅层。通过在设置所述多晶硅层，可以达到抑制高频漏电流的效果，当压电层的厚度减薄而接近高频波长时，能抑制压电层3高频波长带域出现的高频杂讯。

图26为组合构成串联电路的谐振器S1～S4，与构成并联电路的谐振器P1～P3而形成的梯形组合式的表面弹性波滤波器。所述表面弹性波器件在相互串联的谐振器S1～S4两端分别设有输入端口13和输出端口14。构成并联电路的谐振器P1、P2、P3分别插设在连接于所述构成串联电路的谐振器S1～S4间的线路15与接地线16间。在这样的结构设置中，通过让构成串联电路的每个谐振器S1-S4具有不同厚度的压电层4，可获得减少杂讯的效果。在谐振器S1～S4中，只要有两个以上的谐振子压电层4厚度相异，就能得到减少杂讯的效果。

即使没有构成串行电路的谐振器S1～S4，在构成并联电路的谐振器P1～P3中，只要有两个以上的谐振子压电层4厚度相异，也能得到减少杂讯的效果。当构成串联电路的谐振器S1～S4中有两个以上的压电层4厚度相异，且构成并联电路的谐振器P1～P3中有两个以上的压电层4厚度相异，可获得抑制杂讯效果。梯形组合式的谐振子S1～S4及P1～P3的数量，可根据需求而任意变更。

图27表示一种图26示例的表面弹性波滤波器的变化例，图26中谐振器S2～S4、P1～P3的一部分(在本示例中为串行电路前端的谐振器S1)分割为谐振器S11和S12，所述谐振器S11和S12的压电层4的厚度彼此不同且互相串联。其他谐振器S2～S4、P1～P3的压电层4的厚度相同。以这种方式，将一部分谐振器分割，且分割后的压电层4具有不同的厚度，针对所述谐振器S11和S12可降低杂讯发生的可能性。将所述谐振器S11和S12并联也可获得降低杂讯的效果。

在图27的表面弹性波滤波器中，其它谐振器S2～S4和P1～P3中的至少一部份分别具有不同厚度的压电层4，且彼此串联或并联的构造可降低杂讯的影响。另外，虽然所有的谐振器S1～S4和P1～P3也可以被划分成分别具有不同厚度且相互串联及相互并联的压电层，但谐振器被划分的数量越多，谐振器所需的面积将会增加，为了达到设计的优化，较佳地，采用只有一部分的谐振器被分割而以串联或并联连接的结构设计。

图28是以如图9～12、26或27所示的本发明的表面弹性波滤波器作为接收滤波器20的模块21的示例。所述模块21用于处理多个不同的发送及接收信号的移动通信设备。所述模块21包含多个由本发明表面弹性波滤波器构成且对应于各种频率的接收滤波器20、多个对应设置于各个接收滤波器20的低杂讯放大器(LNA)22、插设在多个接收滤波器20与天线端口(图未示)间的开关电路23。

所述模块21也可以包含所述接收信号电路所必要的被动组件或电路。或者，所述模块21也可以包含其他电路的组合。

如图28所示使用本发明的表面弹性波滤波器20的模块21，可以抑制高频杂讯。

图29是使用本发明的表面弹性波滤波器构成发送信号滤波器25和接收讯号滤波器26的双工器27的示例。图29中的发送信号滤波器25和接收讯号滤波器26，例如可以是具有图9～12的谐振器6A～6D的表面弹性波滤波器。所述双工器27被用于发射信号的频带和接收信号的频带彼此接近的移动通信装置中。发送信号滤波器25是插设在天线(图未示)的天线端口28，与连接于发送信号电路(图未示)的发送信号电路连接端口29间。收讯号滤波器26在天线端口28和接地线31间设有适当的阻抗组件31，所述阻抗组件31也构成所述双工器27的一部分。因此，通过使用包含本发明的表面弹性波滤波器的双工器27，可以抑制高频杂讯。

图30为使用本发明的双工器27构成的模块33的示例。所述模块33用于可处理多个不同发送信号与接收信号的移动通信设备中。所述模块33包含多个图26所示的双工器27、多个插设在对应设置于所述双工器27的发射讯号电路34中的功率放大器35，及接收讯号电路36。所述模块33还包含插设在多个双工器27和天线端口(图未示)间的开关电路37。

所述模块33也可以包含构成接收讯号电路必要的被动组件或电路。并且，所述模块33也可以包含双工器22与功率放大器35以外的其他电路的组合。

如图30所示，使用包含本发明的表面弹性波滤波器20的双工器27的模块33，可以抑制高频杂讯。

以上所述者，仅为本发明的实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即凡依本发明权利要求书及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明的范围。