JP2015502065A - 向上した通過帯域特性を有する、横方向に結合されたバルク弾性波フィルタ - Google Patents

向上した通過帯域特性を有する、横方向に結合されたバルク弾性波フィルタ Download PDF

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Abstract

本発明は、横方向に結合されたバルク弾性波(LBAW)フィルタ(70)であって、バルク弾性波を伝送する振動層(73)と、互いに横方向に配置された第一電極(71)及び第二電極(72)を有する電極手段(71、72、74)であり、上記第一電極(71)は、上記振動層(73)に結合され、上記振動層(73)に、第一周波数帯を持つ少なくとも1つの縦波モードと、第二周波数帯を持つ1つのせん断波モードとを励起し、上記第二電極(72)は、上記振動層(73)に結合され、フィルタ通過信号を検知する、電極手段(71、72、74)と、上記振動層(73)と音響接続している音響反射器構造(75)とを有する。本発明によれば、上記反射器構造(75)は、上記第一周波数帯において、上記第二周波数帯におけるよりも効果的に上記振動層(73)をその外部から音響的に絶縁し、上記フィルタ通過信号に対する上記第二周波数帯の上記せん断波モードの作用を抑制するように構成されている。本発明は、LBAWフィルタ通過帯域品質の向上に役立つ。【選択図】図7a

Description

本発明は、薄膜バルク弾性波(BAW)技術に関する。特に、本発明は、横方向に結合されたBAW(LBAW)フィルタ及びLBAWフィルタを用いた高周波(RF)信号のフィルタリング方法に関する。こうしたフィルタは、請求項1のプレアンブルに記載の特徴を有する。
BAW共振器
薄膜バルク弾性波装置は、共振器として用いられる。図1は、薄膜技術による、隙間なく実装した圧電BAW共振器の概略図である。共振器を構成する圧電薄膜層及び電極層は、電気信号を音響振動に、音響振動を電気信号に変換する。共振器は、シリコン基板上に隙間なく実装されており、これは、高低の音響インピーダンス(Z)材料の層を交互に有する音響反射器(音響ブラッグ反射器又は「音響ミラー」)によって、共振器が基板から音響的に絶縁されていることを意味する。こういったタイプの共振器はしばしば、ソリッドマウント共振器(SMR)と呼称される。なお、一般的に薄膜共振器又はFBARと呼称される独立した共振器の(薄)膜を製造することも可能である。
BAW装置では、バルク波の伝搬方向は通常、厚さ方向の軸(図1のz軸)に沿った方向である。粒子変位は、伝搬方向に直交にも(せん断波)平行にも(縦波)なる。厚さ方向において、音響波は音響波長λzを有する。バルク弾性波は、電極と電極の間で反射し、圧電層の厚さd及び電極が、圧電層及び電極層により形成される厚さ:dpiezo+els=Nλz/2内に音響半長波の整数倍Nが収まるようなとき、定在波(厚み共振)が生じる。厚さ方向モードは、整数倍N及び粒子運動の方向に基づいて特徴付けられる。図2は、一次の厚さ方向伸長(TE1)モード(上)及び二次の厚さ方向せん断(TS2)モード(下)の2つのバルク波モードを示す。TE1モードでは、粒子変位は、伝搬方向(厚さ方向)に平行で、1半波長(λz/2)が圧電層及び電極の厚さに収まる。TS2モードでは、粒子変位は、伝搬方向に直交し、1波長(λz)が圧電層及び電極の厚さに収まる。
また、波は、横方向の波長
を有する板波として伝搬することができる。このことを、TE1モード及びTS2モードについて図2に示す。横方向に有限サイズの共振器では、共振器の端からの反射によって、横方向の定在波モードが生じ得る。
共振器の音響特性は、分散図で表すことができ、分散図では、バルク共振モードの横方向の波数
を、周波数fに対して表す。例えば、BAW共振器の層スタックについて算出された分散図の一例を示す図3を参照されたい。BAW共振器の分散特性は、主に、薄膜層スタックにより決定される。図3には、二次の厚さ方向せん断TS2振動モード及びTE1振動モードのオンセット周波数(振動モードが最初に出現する周波数)が示されている。TE1モードでは、オンセット周波数は、横方向の波数
となる周波数と等しい。基本厚み共振は、k=0(横方向の波長が無限)に近づく。分散曲線は、横方向に伝搬する波(板波)の性質を周波数と共に表す。TS2モードがTE1モードよりも低い周波数で出現した場合、分散は、タイプ1であり、逆の場合は、タイプ2であると言える。
BAWフィルタ
フィルタは、ワンポート共振器を電気的に接続することによって、はしご型又は格子型のフィルタを形成することができる。また、1つの共振器から別の共振器へ音響波が結合する程十分に共振器を空間的に近接配置することによって、共振器間に機械(音響)結合を形成することができる。このような装置は、結合共振器フィルタ(CRF)と呼称される。
BAW装置において、積層圧電層同士の垂直方向の音響結合が積層結晶フィルタ(SCF)
(R. M. Lakin, et al, “Thin film resonator technology”, in Proc. IEEE 41stAnnual Frequency Control Symposium, 1987, 371-381（非特許文献１）を参照のこと) 及び垂直方向に結合された結合共振器フィルタ (CRF)(G.G. Fattinger, et al, “Single-to-balanced Filters for Mobile Phones using Coupled Resonator BAW Technology”, Proc. IEEE Ultrasonics Symposium, 2004, pp. 416-419（非特許文献２）を参照のこと)に使用されている。SCFにおいては、2つの圧電層が中間電極により分離される。垂直方向に結合されたCRFにおいては、圧電層間の結合強度を修正するために結合層が使用される。CRFは、SMR又は膜技術のいずれかを用いて製造することができる。
垂直方向に結合された薄膜CRFは、比較的広帯域の周波数応答(1850MHzの中心周波数で80MHz、つまり中心周波数の4.3%、Fattinger et al（非特許文献２）を参照のこと)を示すことが確かめられている。また、それらは、不平衡-平衡(バラン)変換を可能にする。垂直方向に結合されたCRFの欠点は、多数の層を必要とする点及び圧電層の厚さに影響されやすい点にある。それにより、製造工程が困難になり、その結果、費用がかかる。
薄膜バルク音響波装置(LBAW)の横方向の音響結合は、薄膜の製造に前途有望な技術でありながら、未だ広くは研究されていない。とは言え、TE1モードLBAWフィルタの性能は、現在市販されている音響波フィルタの性能に匹敵するか、又はそれより優れている。しかし、(TE1モードによって形成される)フィルタ通過帯域未満では、強度のスプリアス応答が見られる。スプリアスピークは、強度の二次の厚さ方向せん断(TS2)波振動モードの励起に起因する。プロトタイプフィルタを商業的に実現させるためには、そうした応答を抑制する必要がある。
より詳細には、BAW装置の横方向の音響結合は、縦方向の音響結合と対照的に、圧電層の上に互いに近接して配置された2つ以上の幅狭(圧電層の厚さdと同程度の幅W)の共振器により実現することができる。図4aは、ブラッグ反射器45の上に形成された2電極LBAW40を示す概略図である(SMR:ソリッドマウント共振器タイプ)。反射器45は、共振器を基板46から絶縁して、音響エネルギーの基板への漏洩を防ぎ、それにより、損失を減少させる。圧電能動波のガイド部には参照符号43が付され、電極は、部分41、42及び44として示されている。
ポート1への電気入力信号は、圧電効果により機械振動に変換される。この振動は、ギャップを横断してポート2に機械的に結合し、出力電気信号を生成する。図4bに示されている本例の電極はすだれ状(くし状)であるが、他の形状も可能である。結合強度は、構造の音響特性及び電極間のギャップによって決まる。
図5a及び5bに2電極構造について示されているように、単純化イメージでは、バンドパス周波数応答は、LBAW構造内に生じる2つの横方向定在波共振により形成される。偶数モードの共振では、両方の電極が同相で振動し、奇数モードの共振では、逆相である。TE1モードで動作する共振器では、より長い波長を有する偶数モードの共振の周波数は、波長の短い偶数モードの共振より低い。定在波共振間の周波数差がフィルタで得られる帯域幅を決定し、この周波数差は、構造の音響特性と電極寸法とによって決まる。
垂直CRFより優れたLBAWの主要な利点は、一般的に、圧電層が1つのみで層間接合が不要であるから、簡単な製造技術でよい点にある。また、動作周波数が電極寸法ではなく主として層の厚さで決まるので、高周波数での動作が表面弾性波コンポーネントの場合に比べ容易になる。最近、LBAWフィルタで広帯域幅(3dB帯域幅2GHzにおいて5%)が得られることが明らかになり、LBAWフィルタは殆どのRF用途に実現可能とされている(Meltaus, J. et al, "Laterally coupled BAW filters with 5% bandwidth" Ultrasonics Symposium (IUS), 2010 IEEE, 11-14 October 2010, 966-969（非特許文献３）を参照のこと)。このことは、CRFフィルタの帯域幅(3dB帯域幅の4.3%)を示す図6aと、LBAWフィルタの帯域幅がそれより広いことを示す図6bとから見て取れる。見て取れるように、所望のTE1通過帯域における信号品質も、CRFよりLBAWの方が優れている。
電流応答の問題点は、厚さ方向せん断TS2モードで生じる所望の通過帯域未満のスプリアス通過帯域にある。音響エネルギーの基板への損失を防止するためには、反射器が縦波だけでなく、ある程度のせん断波も反射するように反射器スタックを設計することが効果的である。また、幅狭の構造を含む横方向トポロジにより、せん断モードの振動に対しても強い縦方向の電気的励起信号の結合が存在する。その結果、厚さ方向せん断波モードは効果的に励起され、フィルタ構造に電気結合されて、不要な通過帯域を生じさせる。スプリアス応答は、1790MHzにおいて6bではっきりと確認される。薄膜層スタックの音響特性により、TS2通過帯域は、フィルタ通過帯域より下の終値に比較的近い周波数に存在する。
縦方向に結合されたBAWに関連して、反射器の設計により不要な通過帯域を抑制することは、これまでにも報告されている(R. Aigner et al, "Bulk Acoustic Wave Filter and Method for Eliminating Unwanted Side Passbands"及び米国特許出願公開第2005/0200433号（特許文献１）を参照のこと)。また、米国特許公報第6,933,807号（特許文献２）には、複数のBAW共振器を(垂直方向に)結合して、通過帯域が最適化されたフィルタ装置を形成できる可能性が記載されている。しかしながら、上述した場合の不要な通過帯域は、実際の通過帯域と比較的大きく異なり、LBAW装置の場合のフィルタ通過帯域に近いものではない。また、それらは、理論的には動作モードの高調波、すなわち、動作モードと同一(典型的には、縦方向)の高次の振動モードであり、別の(典型的には、せん断)モードというわけではない。LBAW装置では、横方向の寸法が典型的にはLBAWよりも非常に大きい(CRFの圧電層の厚さの100倍で、LBAWの圧電層の厚さと同程度の)BAW CRFに比べて、せん断振動との結合が強く、横方向の電場はあまり顕著ではない。BAW CRFの場合、動作周波数におけるせん断振動のエネルギーの保存は、LBAWの場合に比べ重要でない。 したがって、BAW CRFに用いられる技術及び構成は、LBAWフィルタで生じる不要な通過帯域の抑制に用いることができない。
そこで、LBAWフィルタの不要な通過帯域を抑制するための向上された技術が必要とされている。
米国特許出願公開第2005/0200433号 米国特許公報第6,933,807号
R. M. Lakin, et al, "Thin film resonator technology", in Proc. IEEE 41st Annual Frequency Control Symposium, 1987, 371-381 G.G. Fattinger, et al, "Single-to-balanced Filters for Mobile Phones using Coupled Resonator BAW Technology", Proc. IEEE Ultrasonics Symposium, 2004, pp. 416-419 Meltaus, J. et al, "Laterally coupled BAW filters with 5% bandwidth" Ultrasonics Symposium (IUS), 2010 IEEE, 11-14 October 2010, 966-969
本発明の目的は、LBAWフィルタの通過帯域品質及び通過帯域近傍の応答を向上させるための解決法を提供することである。
本発明は、不要なスプリアス通過帯域が所望の通過帯域に近いにも関わらず、不要な通過帯域の周波数では、せん断波が反射器を通過し、フィルタ通過帯域では、せん断波及び縦波の両方が反射されるようにして、低損失を確実にするように設計された反射器スタックを圧電フィルタの下方に設けることによって、不要部分を抑制することができる、という観測に基づくものである。
より具体的には、本発明の横方向に結合されたバルク弾性波フィルタは、請求項1記載の特定事項により特徴付けられる。従属請求項には、好ましい実施例が特徴付けられている。
一実施例において、フィルタは、
バルク弾性波を伝送する圧電能動振動層と、
上記振動層に連結され、振動層に、第一周波数帯を持つ少なくとも1つの縦波モードと第二周波数帯を持つ1つのせん断波モードとを励起する電極手段であり、
フィルタ通過信号を検知するため、互いに横方向に音響結合され、上記振動層の上に配された第一電極手段及び第二電極手段、並びに、上記振動層の下側に連結された導電性の第三電極から成る電極手段と、
上記振動層と音響接続され、上記第一周波数帯において、上記第二周波数帯におけるよりも効果的に上記振動層をその外部から音響的に絶縁するように構成された音響反射器構造と
を有する。
言い換えれば、第二周波数帯の音響モードにおける反射器構造の反射率より、第一周波数帯の音響モードにおける反射器構造の反射率の方が高い。
一実施例において、本発明による電気RF信号のフィルタリング方法は、
・1つの振動層、
・上記振動層に結合され、互いに横方向に音響接続された第一電極及び第二電極、並びに
・上記振動層をその外部から音響的に絶縁するように構成された音響反射器構造
を有し、それにより、横方向のバルク弾性波フィルタを形成する、バルク弾性波共振器を設けるステップと、
フィルタリングされるRF信号を、上記第一電極に供給し、上記振動層に、第一周波数帯を持つ少なくとも1つの縦波モードと第二周波数帯を持つ1つのせん断波モードとを備えた音響波を励起するステップと、
前記音響波が少なくとも部分的に上記音響反射器構造を通過するようにして、上記第二周波数帯の上記せん断波モードを抑制するステップと、
上記音響波を上記音響反射器構造から反射させることによって、実質的に上記振動層(73)において、上記縦波モード及び上記せん断波モードを上記第一周波数帯に保つステップと、
上記第二電極を用いて上記フィルタ通過信号を読み取るステップと
を含む。
一実施形態によれば、電気周波数応答(挿入損失)において、第二周波数帯は、第一周波数帯に比べて、少なくとも6dB、具体的には、少なくとも10dB抑制される。
一実施形態によれば、反射器構造は、層厚及び音響インピーダンスが、振動層に近接する第一領域と振動層から遠く離れた第二領域とで異なる音響特性を呈するように構成された非対称の多層構造を有する。
一実施形態によれば、反射器構造は、(典型的には、SiO2から作られる)最上層が底部電極層に接触するように、底部電極層の下方に置かれる。底部電極層は、切れ目のない又はパターニングされた形とすることができる。
好適には、反射器構造は、様々な音響インピーダンスを有する少なくとも2つの異なる材料から成る5つ以上の積層された別個の層を有する層構造である。典型的には、様々な材料から成る層は、交互に配列されている。
反射器構造及び/あるいは共振器構造又はこれらのインタフェースは、接着層といった、1つ以上の追加の層を有することができる。
一実施形態によれば、反射器構造の層厚の少なくともいくつかは、同一の音響インピーダンスを有する様々な材料の交互層の厚さが等しい理想的な音響ブラッグ反射器(縦4分の1波反射器)の層厚と異なる。本明細書で用いられる「縦4分の1波反射器」の層厚tは、以下の数式を満たす。
t=λ/4=vlongitudinal/(4f0)
ここで、動作周波数はf0、vlongitudinalは反射器の各材料の特性、そして、f0での縦バルク波速度はλ=vlongitudinal/f0によって求められる。
一実施形態によれば、第一周波数帯及び第二周波数帯は部分的に重複し、反射器構造は、上述したせん断波の作用の抑制を、実質的にはこれらの周波数の非重複帯域でのみ行うように構成されている。
具体的には、本構造では、第二周波数帯(すなわち、TS2共振周波数及びその近辺)ではせん断波が効果的には反射されないようにすると共に、フィルタ通過帯域(すなわち、TE1共振周波数)ではせん断波が効果的に反射されて低損失を確実にするように、反射器の最上層の下にある層を変更することができる。一方、最上層は、反射器構造の分散特性を変化させるように変更することができる。より詳細な設計原理及び例については後述する。
別の実施形態によれば、反射器構造の各層の層厚の調節に替えて又はそれに加えて、各層の音響材料を、2つ以上の材料から成るグループから選択することによって、所望の周波数依存の反射器効果を得ることができる。
装置、特に、反射器構造の分散特性は、フィルタ動作が可能となるように設計される。すなわち、フィルタ通過帯域で電極でのエネルギートラッピングが起こり、構造が好適には効果的な縦波反射を実現するタイプ1の分散を呈するように設計される。ただし、タイプ2の分散を呈する構造を設計することも可能である。
振動層は、典型的には、圧電能動層である。圧電層及び当該圧電層の両側の電極層の厚さは、構造でのエネルギートラッピング及び所望の共振周波数が実現できるように変更される。
本発明は、多大な効果をもたらす。中でも重要な効果として、本発明は、LBAWフィルタを、向上された通過帯域特性によって、商用のRF用途にさらに適したものとする。スプリアス通過帯域がフィルタ通過帯域に近いにもかかわらず、せん断波通過帯域の周波数においては、スプリアスせん断波が反射器を通過し、フィルタ通過帯域においては、縦波及びせん断波の両方が反射されるように反射器を設計し直すことによって、不要な通過帯域は8dBも抑制されたことが分かっている。同時に、フィルタ通過帯域の損失は大きくは増加しなかった。これは、フィルタの効率的な動作に基本の要件である。このことは、通過帯域品質の顕著な向上を示している。さらなる最適化により、10dB超の抑制が期待できる。
垂直方向に結合されたBAWフィルタに比べ、本構造は、必要となる層数の大幅な減少を可能にする。具体的に言えば、必要なのは、圧電能動主振動層を1つのみと、より少数の電極層とである。その結果、本発明はさらに、圧電能動主振動層の厚さに係る製造誤差を緩和する(これは、複数の層同士の結合が不要であるためである)。
次に、本発明の実施形態及び効果について、添付の図面を参照しながら、さらに詳細に説明する。
薄膜技術に基づく、隙間なく実装された圧電BAW共振器を示す概略図である。 BAW共振器のTE1及びTS2板波モードを示す概略図である。 板波モードの横方向の波数 k||=2π/λ|| を、励起周波数fに対して示した分散図である。 4分の1波長反射器を有する2電極LBAWフィルタを示す概略側面図である。 LBAWフィルタの電極配置を示す上面図である。 LBAW構造で生じる偶数及び奇数の横方向定在波モードを示す図である。 LBAW構造で生じる2つの横方向定在波によって形成されるバンドパス周波数応答の概略的グラフ図である。 垂直方向に結合されたCRFの周波帯幅を示すグラフ図である。 参照LBAWフィルタの帯域幅を示すグラフ図である。 不要なせん断波応答を抑制することができる反射器構造を有する2ポートLBAWフィルタを示す側面図である。 音響反射器TS2の反射率を、不要なせん断波応答を抑制することができる反射器構造の周波数に対して概略的に示した図である。 反射器スタックに変更を加えることによって、LBAWフィルタのTS2通過帯域を抑制し、それにより、TS2共振周波数におけるせん断波の品質係数Q=1/(1-|r|2)(ここで、r=反射率である)を減少させる(点線に示す)一方、縦波の反射率は不変に保った様子を概略的に示す図である。合成値は、音響エネルギーの1%がせん断振動にあるものとして算出されたものである。 不要なTS2通過帯域の抑制を示す周波数応答の概略的グラフ図である。 LBAWスタックの金属領域のシミュレーションによる分散図である(TS2オンセット周波数は〜1800MHzであり、TE1オンセット周波数は〜1990MHzである)。 変更を加えたLBAWスタックの金属領域のシミュレーションによる分散図である(TS2曲線は非常に弱く、これは、減衰のある波モードを示しており、一方、TE1オンセット周波数は、〜1990MHzである)。 変更を加えていないLBAWスタックにおける反射器の反射率の1D(一次元)シミュレーションを示す図である。実線曲線は縦波、点線曲線はせん断波を示す。 変更を加えたスタックにおける反射器の反射率の一次元シミュレーションを示す図である。実線曲線は縦波、点線曲線はせん断波を示す。 変更を加えていないスタック(実線)及び変更を加えたスタック(点線)について、FEM(有限要素法)シミュレーションにより算出された信号伝送(電気周波数応答)を示す図である(変更を加えたスタックでは、不要なTS2通過帯域が8dBも抑制されている)。
図7aは、本発明の一実施形態による第一構造を示す図である。本構造は、平面底部(グランド)電極層74の上に、平面圧電能動層73を有する。入力ポート及び出力ポート、又は、電極71及び72は、圧電能動層73の上のパターン層で作られている。底部電極74の下方には、いくつかのサブ層75a〜eから形成されている音響反射器75が存在する。サブ層は、低インピーダンス層75a、75c及び75eと、高インピーダンス層75b及び75dとを交互に有する。音響反射器75の下方には、構造全体を支持し、音響反射器75を通過する音響エネルギーを吸収する基板76が存在する。
より詳細には、図7の構造は、上から下へ、以下に挙げる
少なくとも2つの電極71及び72を形成するようにパターニングされた導電性の上部電極層と、
圧電能動層73と、
導電性の底部電極層74と、
反射器スタックであり、
・第一厚さを持つ低インピーダンスの第一層75a、
・第二厚さを持つ高インピーダンスの第二層75b、
・第三厚さを持つ低インピーダンスの第三層75c、
・第四厚さを持つ高インピーダンスの第四層75d、及び
・第五厚さを持つ低インピーダンスの第五層75e
を有する反射器スタックと、
フィルタ70全体を支持する基板層76と
を有する。
「低インピーダンス」及び「高インピーダンス」との語句は、各低インピーダンス層の音響インピーダンスは、どの高インピーダンス層の音響インピーダンスよりも低いか又はそれと同じである、というように理解されるべきである。低インピーダンス層及び高インピーダンス層は、典型的には、別の材料で作られる。典型的には、こうしたグループ毎では、各層の材料、したがって、音響インピーダンスは同一であるが、互いに異ならせることもできる。
従来技術によるLBAWフィルタとは対照的に、音響反射器75のサブ層75a〜eの厚さは、振動層73で生じる様々なモードの通過帯域周波数を選択的に通過又は反射するように調節されている。こうした反射器構造を設計するための、単独又は組み合わせた形で用いることができるいくつかの一般的ルールが存在する。
所望の動作周波数(例えば、フィルタ中心周波数)の4分の1波長反射器を、設計の起点と見なすことができる。すなわち、所望の動作周波数において、反射器層の厚さは、その周波数で材料に用いる音響波タイプ(例えば、縦バルク波)の音響波長の4分の1である。
用いる圧電材料及び振動モードに応じて、所望の分散特性が得られるように層の厚さを調節することが時に必要である。例えば、本質的にタイプ2の分散を持つ圧電AINを用いる場合、二次の厚さ方向せん断モード(TS2)の周波数がTE1モードより低くなる分散タイプを実現することが望ましいと言える。W/SiO2反射器の場合、典型的には、一番上にあるSiO2層の厚さを増加させることを意味する。
低損失を確実にするために、フィルタ通過帯域内でせん断波を反射することが望ましい。この目的のために、層(振動層及び電極層等)の厚さを調節することができる。これは、典型的には、反射器層の厚さをその4分の1波長値より減少させることを意味する。
不要な通過帯域応答を生じさせる不要な振動モード(例えば、TS2)の共振周波数又は周波数を規定した後、こうした周波数周辺での不要な振動に対する反射器の反射率は低下すると共に、フィルタ通過帯域での所望の分散タイプ及び低損失は維持されるように、層の厚さを調節する。この目的のために、共振器層(振動層及び電極)並びに共振器に最も近接する反射器層は、わずかに変更され、好適には、全く変更されない。必要であれば、それらを、不要な応答の周波数の4分の1波長値と重複はしないが近づくように変更する。これにより、フィルタ動作が最適な状態に近いまま保たれる。
最上の反射器層の下にある反射器層は、不要な応答の周波数の4分の1波長値に近づき、必要であれば、重複するように変形される。これにより、不要なせん断波周波数が確実に反射器を通過する。
上述した一般的ルールに続いて、いくつかの実際的実施形態について説明することができる。
一実施形態によれば、スタックは、少なくとも2つの高音響インピーダンス層を有し、振動層から遠く離れた一方の層は、振動層に近接する他方の層よりも厚い。
一実施形態において、スタックは少なくとも3つの低音響インピーダンス層を有し、最外側の層の厚さは、当該最外側の層の間のどの低音響インピーダンス層の厚さよりも小さいか又はそれと同じである。
典型的な実施形態において、振動層に最も近接する反射器層の厚さは、不要な応答の周波数での、同数の層を有する縦4分の1波長反射器構造の対応する層の厚さよりも大きく、残りの反射器層のうち少なくとも1つの厚さは、対応する層の厚さよりも小さい。一実施形態において、最上の反射器層の下にある層(すなわち、上から2番目の反射器層)のみは、その厚さが、縦4分の1波長反射器構造の対応する層の厚さよりも小さい。その他の層の厚さは、それと同じであるか又はそれより大きい。
例えば、5層反射器構造では、不要な応答の周波数での縦4分の1波長反射器構造に比べて、以下のとおりである。
・第一層75a(最上層)の厚さは大きい。
・第二層75bの厚さは小さい。
・第三層75cの厚さは大きい。
・第四層75dの厚さは大きい。
・第五層75eの厚さは大きい。
より具体的な例を挙げると、上から下に、各層の相対厚さは、以下の範囲内にある(圧電能動層の相対厚さを1800ユニット単位とする)。
低インピーダンスの第一層:900〜1200、具体的には、950〜1050、
高インピーダンスの第二層:500〜700、具体的には、520〜580、
低インピーダンスの第三層:900〜1400、具体的には、1000〜1300、
高インピーダンスの第四層:750〜1000、具体的には、800〜900、及び
低インピーダンスの第五層:850〜1100、具体的には、900〜1000。
一実施形態によれば、上で参照される単位はナノメータである。対応する縦4分の1波長反射器層の厚さは、後述する「シミュレーション例」の項目で述べる。
図7aの反射器構造のせん断波についての反射率対周波数の概略図を図7bに示す。見て取れるように、TS2通過帯域の周波数で顕著なノッチがあり、専らスプリアス反応が抑制されている。シミュレーションを利用して後述するように、こうした挙動は実際に実現できるものである(図10a及び10b)。
一実施形態によれば、電極71及び72は、振動層の上の2つの局在電極又はパターン電極から成り、振動層の下にはさらに、1つの平面電極層がある。具体的には、電極72及び72は、すだれ状電極(IDT)を形成するように、振動層の上に、すだれ状(くし形)構造に配置することができる。
図7aに示されているように平面状の切れ目のない電極層とする替わりに、底部電極層を、少なくとも2つの電極を形成するようにパターニングしてもよい。一実施形態によれば、底部電極層は、すだれ形状に配置された2つの電極部分(図示せず)を有する。一実施形態によれば、上部電極及び底部電極はいずれも、すだれ状電極として構成されており、4電極フィルタを形成する。好適には、上部電極及び底部電極は、同一の形状、具体的には、同一のすだれ形状を有する。
圧電能動層の上下両側に2つの電極がある場合、単純な不平衡-平衡(バラン)信号変換(差動シングルエンド変換とも呼称される)をフィルタで行うことができる。多くの現行の無線装置は、別のバランコンポーネントを利用する。TS2抑制反射器構造を有する本LBAWフィルタは、1つのコンポーネントでのバラン変換に対応可能であることが分かっており、このため、本発明は実用化に一層相応しいものである。
電極及びスタックは、所望の振動層の波モードを、フィルタの所望の通過帯域周波数で閉じ込めるように構成されている。
留意すべき点として、反射器スタックは、フィルタ通過帯域の主要な波モードである縦波だけでなく、厚さ方向伸長モードでも少程度存在するせん断波も反射し、フィルタの出力信号を最大化するように構成されていることが好適である。したがって、反射器スタックは、通過帯域の縦波及びせん断波の両方を十分に反射するが、TS2モードのオンセット及びその付近ではせん断波を伝送し、不要な通過帯域応答を抑制するように設計されている。
フィルタ各層の可能な材料として、以下が挙げられる。
上部電極:Al、Mo
圧電能動層:AlN、ZnO、ScAlN、LiNbO3
底部電極:Mo、Al、Pt
低Z反射器材料:SiO2
高Z反射器材料:W、Mo、AlN、ZnO、Si3N4、Ta2O5
基板:Si、ガラス、石英、サファイア
ただし、各層について、その他の可能な材料を選択することも可能である。
また、一実施形態によれば、調節スタックは、より低損失なフィルタ動作、すなわち、タイプ1の分散、フィルタ構造内へのエネルギーの閉じ込め(フィルタ外部のエバネッセント波、 evanescent wave outside the filter)及び十分に高い高電気機械的結合係数を可能にするその他の特性を持つように構成される。TS2モードの周波数を、TE1モードの周波数からなるべく隔離することも効果的である。しかし、典型的には、TS2モードのピークは、フィルタの所望の動作周波数の15%以内であり、それにより、上記原理に従った、反射器の非常に細心の調節が必要となる。
シミュレーション例
以下、本発明の実現可能性について、反射器及び共振器のスタック設計2つを用いて説明する。第一のスタック(未変更スタックと呼称する)は、縦波及びせん断波の両方を効果的に反射するように構成され、強いTS2応答を有する。
それから、上述した機能性が得られるように、未変更スタックを変更する。このスタックを用いて、本発明について説明する。
表1には、元(未変更)の反射器及び共振器のスタック並びに変形後のスタックの層の材料及び厚さが、下から上に示されている。参照のため、反射器層の(TS2曲線のオンセット周波数に近い)1800MHzでの4分の1波長厚さも示されている。
表１：シミュレートされたスタックの層厚(nm)(下から順に示す)
反射器層については、TS2オンセット周波数(1800MHz)での、縦波の4分の1波長反射器の厚さも示す。
本例で用いた層材料とは別の材料を用いることもできる点に留意されたい。
見て取れるように、変更後のスタックでは、共振器に最も近接する反射器層(W1及びSiO2_1)には、全く変更が加えられていないか、又は、せん断反射厚さから4分の1波長厚さに近づく形でわずかな変更が加えられている。一方、その下の層(SiO2_2、W2及びSiO2_3)は、4分の1波長スタックに必要とされるよりも大きく変化されている。フィルタ動作に必要な特性を持たせるために、共振器層(圧電振動層及び電極層)の変更が必要な場合もある。
分散特性
各スタックの金属領域の算出分散特性を、図9a〜9bに示す(図面の簡単な説明を参照のこと)。正のx軸は、実波数(伝搬波)を、負のx軸は、仮想波数(エバネッセント波)を示す。鮮やかな曲線は、波モードが単に伝搬又はエバネッセントであることを示し、ぼやけた曲線は、複雑な波数/減衰のある波モードを示している。
未変更のLBAWの例示的スタック(図9a)における金属(電極)領域の分散は、TS2モード及びTE1モードのk=0における周波数が、TE1モードでは1990MHz、TS2モードでは1830MHzが起点となっており、その周波数差が〜160MHzであることを示している。
変更後の例示的スタック(図9b)の電極領域では、TE1モードは1990MHzが起点であり、TS2曲線のk=0における周波数は1830MHzである。よって、分散曲線では、未変更のスタックに比べて周波数が大幅にシフトしたわけではない。TS2モードの曲線は、区別がつきにくく、これは、波モードに大きな減衰があるわけではないことを示している。
反射器の反射率
未変更及び変更後のスタックについてシミュレートされた反射器の反射率を、図10a及び10bにプロットして示す。未変更のスタックでは、縦波(実線曲線)の反射率は1に近似し、せん断波(点線曲線)の反射率は、TE1共振周波数(点線の垂直線分によって示されている1990MHz)では0.995に近似している。また、せん断波の反射率は、TS2モードのオンセット周波数(点線の垂直線分によって示されている1800MHz)でも高くなっている(線形目盛で0.992)。
変更後のスタックでは、縦波の反射率は、TE1及びTS2のオンセット周波数両方で、1に近似している(点線の垂直線分によって示されている、1990MHz及び1800MHz)。せん断波については、TS2モードのオンセット周波数付近(点線の垂直線分で示されている1800MHz)で、反射率は約0.55と顕著な減衰がある。なお、図中のy軸スケールが異なる点に留意されたい。
変位場
層スタックにおけるせん断波の変位場分布は、例えば、シミュレーションによって調査することができる。一般的に、未変更のスタックでは、最上SiO2層の変位振幅は非常に高く、スタックの下方深くに及ぶ。変更後のスタックでは、変位振幅は反射器全体にわたって同等である。これは、変更後のスタックでは、せん断振動が音響反射器を通過し、効果的には反射されないことを示している。
FEMシミュレーション
一次元モデルは、縦波及びせん断波を同時には考慮していない。より詳細に効果をシミュレーションするため、COMSOL MultiphysicsによるFEMソルバを用いた。
図11は、未変更(実線曲線)及び変更後(点線曲線)のスタックについて算出された(FEM)信号伝送(電気周波数応答)を示す図である。変更後のスタックにおける(フィルタ通過帯域の下、1800MHzよりわずかに上に見られる)TS2応答は、未変更のスタックに比べ〜8dBも抑制された。フィルタ通過帯域の損失レベルは不変のままである。

Claims (19)

  1. 横方向に結合されたバルク弾性波フィルタ(70)であって、
    バルク弾性波を伝送する振動層(73)と、
    互いに横方向に配置された第一電極(71)及び第二電極(72)を有する電極手段(71、72、74)であり、前記第一電極(71)は、前記振動層(73)に結合され、前記振動層(73)に、第一周波数帯を持つ少なくとも1つの縦波モード、及び第二周波数帯を持つ1つのせん断波モードを励起し、前記第二電極(72)は、前記振動層に結合され、フィルタ通過信号を検知する、電極手段(71、72、74)と、
    前記振動層(73)と音響接続している音響反射器構造(75)と
    を有し、
    前記反射器構造(75)は、前記第一周波数帯において、前記第二周波数帯におけるよりも効果的に前記振動層(73)をその周囲から音響的に絶縁し、前記フィルタ通過信号に対する前記第二周波数帯の前記せん断波モードの作用を抑制するように構成されているバルク弾性波フィルタ。
  2. 請求項1記載のバルク弾性波フィルタにおいて、電気周波数応答では、前記第二周波数帯の挿入損失は、前記第一周波数帯の挿入損に比べ、少なくとも6dB、具体的には、少なくとも10dB抑制されるバルク弾性波フィルタ。
  3. 請求項1又は2のいずれか記載のバルク弾性波フィルタにおいて、前記反射器構造(75)は、層厚及び音響インピーダンスが、前記振動層(73)に近接する第一領域と前記振動層(73)から遠く離れた第二領域とで異なる音響特性を呈するように構成された非対称の多層構造(75a〜e)を有するバルク弾性波フィルタ。
  4. 請求項1〜3のいずれか記載のバルク弾性波フィルタにおいて、前記反射器構造(75)は、少なくとも4つの交互に配列された高低の音響インピーダンス層(75a〜e)のスタックを有し、各低音響インピーダンス層(75a、75c及び75e)の固有音響インピーダンスは、どの高音響インピーダンス層(75b及び75d)の固有音響インピーダンスよりも低いか又はそれと同じであるバルク弾性波フィルタ。
  5. 請求項4記載のバルク弾性波フィルタにおいて、
    前記振動層(73)に最も近接する前記スタックの最上層(75a)の厚さは、反射率が前記第二周波数帯で最も高くなる縦4分の1波反射器構造の対応する層の計算上の層厚より大きく、
    前記スタックの前記最上層(75a)の下にある層(75b〜e)のうち少なくとも1つの、好適には少なくとも半数の、そして典型的には全ての、厚さは、反射率が前記第二周波数帯で最も高くなる縦4分の1波反射器構造の対応する層の計算上の層厚より小さいバルク弾性波フィルタ。
  6. 請求項4又は5記載のバルク弾性波フィルタにおいて、前記スタックは、少なくとも2つの高音響インピーダンス層(75b及び75d)を有し、前記振動層(73)から遠く離れた高音響インピーダンス層(75d)の厚さは、前記振動層(73)に近接した高音響インピーダンス層(75b)の厚さよりも大きいバルク弾性波フィルタ。
  7. 請求項4〜6のいずれか記載のバルク弾性波フィルタにおいて、前記スタックは、少なくとも3つの低音響インピーダンス層(75a、75c及び75e)を有し、最外側の低音響インピーダンス層(75a及び75e)の厚さは、当該最外側の低音響インピーダンス層(75a及び75e)の間のどの低音響インピーダンス層(75c)の厚さよりも小さいか又はそれと同じであるバルク弾性波フィルタ。
  8. 請求項1〜7のいずれか記載のバルク弾性波フィルタにおいて、前記振動層(73)は圧電材料から作られ、前記第一電極(71)及び前記第二電極(72)は、前記振動層(73)の一方側に互いに横方向に配置されており、前記電極手段はさらに、前記振動層(73)の他方側に配置された第三平面電極(74)を有するバルク弾性波フィルタ。
  9. 請求項1〜7のいずれか記載のバルク弾性波フィルタにおいて、前記振動層(73)は圧電材料から作られ、前記第一電極(71)及び前記第二電極(72)は、前記振動層(73)の一方側に配置されており、前記電極手段はさらに、前記振動層(73)の他方側に互いに横方向に配置された第三電極及び第四電極を有するバルク弾性波フィルタ。
  10. 請求項1〜9のいずれか記載のバルク弾性波フィルタにおいて、前記電極手段は、前記振動層(73)の一方側又は両側にすだれ形状に配置された2つの分岐電極を有するバルク弾性波フィルタ。
  11. 請求項1〜10のいずれか記載のバルク弾性波フィルタにおいて、前記縦波モードは、一次の厚さ方向伸長(TE1)モードであり、前記せん断波モードは、二次の厚さ方向せん断モード(TS2)であるバルク弾性波フィルタ。
  12. 請求項1〜11のいずれか記載のバルク弾性波フィルタにおいて、前記せん断波モードの周波数は、前記縦波モードの周波数から、最大で15%逸脱しているバルク弾性波フィルタ。
  13. 請求項1〜12のいずれか記載のバルク弾性波フィルタにおいて、当該バルク弾性波フィルタは、上から下へ、中間層を除かずに、以下に挙げる
    少なくとも2つの電極(71及び72)を形成するようにパターニングされた導電性の第一電極層と、
    圧電能動層(73)と、
    導電性の第二電極層(74)と、
    第一厚さを持つ低インピーダンスの第一層(75a)と、
    第二厚さを持つ高インピーダンスの第二層(75b)と、
    第三厚さを持つ低インピーダンスの第三層(75c)と、
    第四厚さを持つ高インピーダンスの第四層(75d)と、
    第五厚さを持つ低インピーダンスの第五層(75e)と、
    当該バルク弾性波フィルタ全体を支持する基板層(76)と
    を有し、
    前記各低インピーダンス層(75a、75c及び75e)の固有音響インピーダンスは、どの前記高インピーダンス層(75b及び75d)の固有音響インピーダンスよりも低いか又はそれと同じであるバルク弾性波フィルタ。
  14. 請求項13記載のバルク弾性波フィルタにおいて、前記各層の相対厚さは、前記圧電能動層の相対厚さを1800ユニット単位とすると、以下の範囲内、すなわち、
    低インピーダンスの第一層(75a):900〜1200、具体的には、950〜1050、
    高インピーダンスの第二層(75b):500〜700、具体的には、520〜580、
    低インピーダンスの第三層(75c):900〜1400、具体的には、1000〜1300、
    高インピーダンスの第四層(75d):750〜1000、具体的には、800〜900、及び
    低インピーダンスの第五層(75e):850〜1100、具体的には、900〜1000
    の範囲内にあるバルク弾性波フィルタ。
  15. 請求項14記載のバルク弾性波フィルタにおいて、前記振動層(73)の厚さは、500〜3000nm、具体的には、1500〜2000nmであるバルク弾性波フィルタ。
  16. 請求項1〜15のいずれか記載のバルク弾性波フィルタにおいて、前記第一周波数帯は、0.5〜5GHzであるバルク弾性波フィルタ。
  17. 請求項1〜16のいずれか記載のバルク弾性波フィルタにおいて、第一周波数帯及び第二周波数帯は部分的に重複しており、前記反射器構造(75)は、前記せん断波の作用の抑制を、実質的には前記第一周波数帯及び前記第二周波数帯の非重複帯域でのみ行うように構成されているバルク弾性波フィルタ。
  18. 請求項1〜17のいずれか記載のバルク弾性波フィルタにおいて、前記第二周波数帯では、せん断波が前記反射器構造(75)を通過し、前記第一周波数帯では、せん断波及び縦波の両方が前記反射器構造(75)から反射されるバルク弾性波フィルタ。
  19. 電気RF信号のフィルタリング方法であって、
    請求項1〜18のいずれか記載の横方向のバルク弾性波フィルタ(70)を設けるステップと、
    フィルタリングされる前記RF信号を、上記第一電極(71)に供給し、上記振動層(73)に、第一周波数帯を持つ少なくとも1つの縦波モードと第二周波数帯を持つ1つのせん断波モードとを備えた音響波を励起するステップと、
    前記音響波が少なくとも部分的に前記音響反射器構造(75)を通過するようにして、前記第二周波数帯の前記せん断波モードを抑制するステップと、
    前記音響波を上記音響反射器構造(75)から反射させることによって、実質的に前記振動層(73)において、前記縦波モード及び前記せん断波モードを前記第一周波数帯で保つステップと、
    前記第二電極(72)を用いて前記フィルタ通過信号を読み取るステップと
    を含む、電気RF信号のフィルタリング方法。
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