BAWフィルタとは

THEME 08 デバイスと回路 · 高周波Bulk Acoustic Wave Filter

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BAWフィルタとは、圧電体の内部を厚さ方向に伝わるバルク弾性波の共振を使って、決まった周波数帯の信号だけを通す高周波部品です。 SAWフィルタが表面を横に走る波を使うのに対して、こちらは膜の中を縦に往復する波を使い、周波数は膜の厚さで決まります。

厚みで周波数が決まる素子では、性能の伸びしろが材料と膜の作り方に集まります。単純な3層構造だからこそ、圧電材料の1つの数字がそのままフィルタの品質になります。

バルク波の共振子を組み合わせたものがBAWフィルタ

媒質の中を3次元に広がりながら進む弾性波がバルク波（Bulk Acoustic Wave：BAW）で¹、表面の近くだけにエネルギーが集まって進む弾性表面波（SAW）とは区別されます。特定の形状を持つ圧電体に励振電極を設けて交流電界を加えると、内部に弾性波が起き、材質と形状・寸法で決まる周波数で共振します。

共振点付近で電気端子から見たインピーダンスが大きく増減する性質を使う素子がバルク波共振子（Bulk Acoustic Resonator：BAR）で、この共振子を組み合わせたフィルタがバルク波共振子フィルタです。BAWフィルタという呼び方は、この素子群を指します。

周波数が決まる寸法は、横から縦へ移ります

SAWフィルタの周波数は電極の横方向の周期で、BAWフィルタの周波数は圧電薄膜の縦方向の厚さで決まります。高周波化の作業は、SAWでは微細加工、BAWでは薄膜の厚み制御になります。

周波数は板の厚みで決まり、薄膜にして10GHz帯まで届いた

圧電板の表と裏を電極ではさんで交流信号を加えると、厚さ方向へ進む波が起き、板の厚みで決まる周波数で共振します。通常の圧電板で圧電的に励振されるのは、厚みが半波長にあたる基本波と、その奇数倍の高調波だけです。周波数を握っているのは、板の厚みです。

そのため超高周波では板厚が極端に薄くなって製作が難しく、VHF帯からUHF帯のフィルタには専らSAWフィルタが使われてきました。この壁を越えたのが、1980年代に考案された圧電薄膜共振子（Film Bulk Acoustic Resonator：FBAR）です。圧電薄膜の膜厚は数µmから数十µm、基本共振周波数は数百MHzから10GHz帯に及びます。板を削って薄くする作業が膜を積む作業に置き換わり、扱える周波数が一気に上がりました。

FBARはシリコン基板の上に作れるため半導体の集積回路と相性が良く、大きな電力に耐える性質や静電気への強さの面でもSAWフィルタに勝るとされます。

波を膜に閉じ込めるため、膜の裏を空気に接するか反射膜で受ける

膜の中に波を閉じ込めるには、波がシリコン基板へ逃げる経路を断つ必要があります。FBARの作り方は2つです。1つは、シリコン基板の上へ下部電極、圧電薄膜、上部電極を順に作り、共振子にあたる部分のシリコン基板を最後に異方性のウェットエッチングや反応性のイオンエッチングで取り去る方法です。もう1つは、下部電極の下にあとから取り除ける犠牲層を仕込んでおき、最後にこれを抜いて空隙を作る方法です。どちらも、膜の裏側を空気に接する状態にします。

もう一系統のSMR（Solidly Mounted Resonator）は、電極に挟まれた圧電薄膜とシリコン基板の間に数層の誘電体薄膜を積みます。固有音響インピーダンスの高い層と低い層を交互に重ね、厚さはいずれも動作中心周波数で4分の1波長にします。圧電薄膜で励振された音波は、層と層の界面ごとに少しずつ反射と透過を起こします。反射波は互いに強め合い、透過波は弱め合うため、エネルギーは圧電薄膜の付近にとどまり、シリコン基板へ届く分はごくわずかです。基板に固着したまま基板の影響から切り離せることが、この名前の由来です。

3層構造なので、性能のほとんどは圧電材料で決まる

BAWフィルタはシリコン基板へ下部電極、圧電材料、上部電極を重ねただけの単純な構造で、改良の余地があるのは圧電材料だけ²というのが開発者の見方です。よい圧電材料ができれば、それだけでフィルタの性能が上がります。

圧電材料の窒化アルミニウム（AlN）は、Q値が高いため、ほぼすべてのFBAR型フィルタに使われています³。周波数が高くなり帯域どうしの間隔も詰まっていく通信の流れに対して、求められているのは圧電性能を大きく伸ばすことです。

AlNの圧電定数は6 pC/Nでしたが、レアアースのスカンジウムを添加すると28 pC/Nまで上がりました。2007年の成果です。スカンジウムは高価なため代替元素の探索が続き、2016年には産総研と村田製作所の共同研究で、マグネシウムとニオブを同時に添加し、添加量の合計が約0.65のときに圧電定数d33が22 pC/Nに達しました。

伸びしろは、まん中の層に集まります

AlNの圧電定数6 pC/Nは、スカンジウム添加で28 pC/Nへ伸びました。高価なレアアースを避けるため、産総研と村田製作所はマグネシウムとニオブの同時添加で22 pC/Nに到達しています。

5Gで1台70個から80個に増え、3GHz以上では減衰量が課題になる

5Gは4Gより高い周波数帯を使い、そこで高周波対応に優れるBAWフィルタの性能は圧電材料でほぼ決まります。BAWフィルタは1つの機能部品に20個弱入り、その部品が1台に4つ入るため、2020年1月時点でスマートフォン1台に70個から80個載ります。太陽誘電はFBAR、SAW、積層セラミックの3つの技術をそろえて5G向けの製品群を用意しており⁴、帯域ごとに向いた方式を選ぶ構えです。

それでも3GHz以上の高周波数帯では、LTCCフィルタや従来のBAWフィルタは減衰量に課題があり、ノイズの原因となる周辺周波数の信号も通してしまう状態でした⁵。村田製作所が2025年7月に量産出荷を始めたXBAR技術は、櫛型電極と圧電単結晶薄膜でバルク波を起こす独自方式で、同社調べでは2025年7月7日時点の世界初です。仕様は通過帯域5150MHzから7125MHz、挿入損失2.2dB typ.、3300MHzから4800MHzで28dB typ.の減衰で、いずれも同社の代表値です。同社は、6Gで想定される10GHz以上の超高周波数帯でも、高い減衰量と低損失、広帯域を両立できる技術としています。

よくある質問（FAQ）

BAWフィルタとは何ですか？

圧電体の内部を厚さ方向に伝わるバルク弾性波の共振を使って、決まった周波数帯の信号だけを通す高周波部品です。スマートフォンや無線LAN機器の高い周波数帯で使われます。

SAWフィルタとの違いは何ですか？

使う波と、周波数が決まる寸法が別です。バルク波は媒質の中を3次元に広がりながら進み、弾性表面波は表面の近くだけにエネルギーを集めて進みます。SAWは電極の周期で、BAWは膜の厚さで周波数が決まります。

FBARとは何ですか？

圧電薄膜共振子（Film Bulk Acoustic Resonator）のことで、1980年代に考案されたBAW共振子です。圧電薄膜の膜厚は数µmから数十µm、基本共振周波数は数百MHzから10GHz帯に及びます。

SMRとは何ですか？

Solidly Mounted Resonatorの略で、圧電薄膜とシリコン基板の間に誘電体薄膜の多層膜を挟んだ共振子です。固有音響インピーダンスの高い層と低い層を交互に積み、各層の厚さを動作中心周波数で4分の1波長にします。反射波が互いに強め合うため、エネルギーが圧電薄膜の付近にとどまります。

なぜ5Gで数が要るのですか？

対応する周波数帯が増えたためです。BAWフィルタは1つの機能部品に20個弱入り、その部品が1台に4つ入るため、2020年1月時点でスマートフォン1台に70個から80個載ります。

性能は何で決まるのですか？

圧電材料です。シリコン基板の上に下部電極・圧電材料・上部電極を積層する単純な構造で、改良の余地があるのは圧電材料だけというのが開発者の見方です。

BAWにも上限はありますか？

あります。3GHz以上の高周波数帯では、LTCCフィルタや従来のBAWフィルタは減衰量に課題があり、ノイズの原因となる周辺周波数の信号も通してしまう状態でした。村田製作所は2025年7月、XBAR技術の製品でここに手を入れました。

比較・違いを学ぶ

SAWフィルタとは── 電極の周期で周波数が決まり、700MHzから2.6GHz帯を担います

出典

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