JP2019145886A - 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
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Abstract
【課題】窒化ケイ素層を高音速膜として有する弾性波装置において、ＩＭＤ特性の劣化が生じ難く、窒化ケイ素層の自壊が生じ難い、弾性波装置を提供する。【解決手段】半導体からなる支持基板２上にＳｉＮｘ層３が直接または間接に積層されており、ＳｉＮｘ層３上に直接または間接に圧電膜５が積層されており、圧電膜５の少なくとも一方の主面上に直接または間接に積層されているＩＤＴ電極６とを備え、ＳｉＮｘ層３において、ｘが１．３４以上、１．６６以下の範囲にある、弾性波装置。【選択図】図１
Description
本発明は、高音速膜としてのＳｉＮｘ層上に、低音速膜及び圧電膜が積層されている構造を有する弾性波装置、並びに該弾性波装置を用いた高周波フロントエンド回路及び通信装置に関する。
従来、高音速膜上に、低音速膜及び圧電膜が積層されている弾性波装置が知られている。下記の特許文献１に記載の弾性波装置では、支持基板上に、高音速膜、低音速膜及び圧電膜がこの順序で積層された積層体が用いられている。圧電膜上にＩＤＴ電極が設けられている。
特許文献１では、支持基板は、各種絶縁性セラミックスもしくはガラス等の誘電体、シリコンもしくは窒化ガリウムなどの半導体、または樹脂基板などにより構成され得る旨が記載されている。また、高音速膜については、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素などにより構成し得る旨が示されている。低音速膜の材料としては、酸化ケイ素、ガラス、酸窒化ケイ素などが挙げられている。
しかしながら、本願発明者は、特許文献１に記載の弾性波装置において、支持基板が半導体からなり、かつ高音速膜として窒化ケイ素を用いた場合、その組成によって、ＩＭＤ特性（混変調）が悪化することを見出した。また、窒化ケイ素の組成によっては、窒化ケイ素膜が自壊することのあることを見出した。本発明の目的は、本願発明者によって見出された、このような新規な課題を解決することにある。すなわち、本発明の目的は、ＩＭＤ特性の劣化が生じ難く、窒化ケイ素膜の自壊が生じ難い、弾性波装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、本発明に係る弾性波装置を用いた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、半導体からなる支持基板と、前記支持基板上に直接または間接に積層されたＳｉＮｘ層と、前記ＳｉＮｘ層上に直接または間接に積層されており、対向し合う一対の主面を有する圧電膜と、前記圧電膜の少なくとも一方の主面上に直接または間接に設けられたＩＤＴ電極とを備え、前記ＳｉＮｘ層において、ｘが１．３４以上、１．６６以下の範囲にある。
本発明に係る弾性波装置のある特定の局面では、前記ＳｉＮｘ層と、前記圧電膜との間に積層されており、伝搬するバルク波の音速が前記圧電膜を伝搬する弾性波の音速よりも低い低音速材料からなる低音速膜がさらに備えられている。
本発明に係る弾性波装置のある特定の局面では、前記半導体が、シリコンである。
本発明に係る弾性波装置の他の特定の局面では、前記圧電膜と前記ＩＤＴ電極との間に積層された絶縁膜がさらに備えられている。好ましくは、前記絶縁膜が酸化ケイ素からなる。その場合には、周波数温度係数ＴＣＦの絶対値を小さくでき、温度特性を改善することができる。
本発明に係る弾性波装置のさらに特定の局面では、前記ＩＤＴ電極の弾性波伝搬方向両側に配置された反射器がさらに備えられており、弾性波共振子が提供される。
本発明に係る弾性波装置の別の特定の局面では、帯域通過型フィルタである、弾性波装置が提供される。
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、本発明に従って構成された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、ＩＭＤ特性の劣化が生じ難く、ＳｉＮｘ層で表される高音速膜の自壊が生じ難い、弾性波装置を提供することができる。
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る。弾性波装置１は、半導体からなる支持基板２を有する。支持基板２の上面２ａ上に、ＳｉＮｘ層３が直接積層されている。もっとも、ＳｉＮｘ層３は、支持基板２上に間接に積層されていてもよい。すなわち、支持基板２と、ＳｉＮｘ層３との間に絶縁膜などの他の材料層が介在していてもよい。
ＳｉＮｘ層３上に、低音速膜４が直接積層されている。低音速膜４は、ＳｉＮｘ層３上に間接に、すなわち他の材料層を介して積層されていてもよい。このような他の材料層についても、絶縁性材料からなる材料層などを用いることができる。なお、低音速膜４は本発明において必須ではない。
圧電膜５が、低音速膜４上に積層されている。圧電膜５は、低音速膜４上に直接積層されているが、間接に積層されていてもよい。すなわち、低音速膜４と圧電膜５との間に絶縁膜などの他の材料層が介在していてもよい。
圧電膜５は、対向し合う第１の主面５ａ及び第２の主面５ｂを有する。第１の主面５ａ上に、ＩＤＴ電極６が設けられている。ＩＤＴ電極６の弾性波伝搬方向両側に反射器７，８が設けられている。
ＩＤＴ電極６及び反射器７，８は、第２の主面５ｂ上に設けられていてもよく、第１の主面５ａ上及び第２の主面５ｂ上の双方に設けられていてもよい。
低音速膜４は、伝搬するバルク波の音速が、圧電膜５を伝搬する弾性波の音速よりも低い低音速材料からなる。このような低音速材料としては、酸化ケイ素、ガラス、酸窒化ケイ素、酸化タンタル、また、酸化ケイ素にフッ素や炭素やホウ素を加えた化合物など、上記材料を主成分とした媒質を用いることができる。
また、ＳｉＮｘ層３は、高音速材料である。ここで、高音速材料とは、伝搬するバルク波の音速が、圧電膜５を伝搬する弾性波の音速よりも高い材料をいう。
弾性波装置１では、圧電膜５の下方に、低音速膜４及び高音速膜としてのＳｉＮｘ層３とが積層されているため、弾性波のエネルギーを圧電膜５内に閉じ込めることができる。この場合、圧電膜５の厚みは、３．５λ以下であり、好ましくは０．５λ以下である。圧電膜５内に、弾性波のエネルギーを効果的に閉じ込めることができる。
ところで、支持基板２は、半導体からなる。このような半導体としては、特に限定されず、シリコン、窒化ガリウム、ガリウムヒ素または酸化物半導体などを挙げることができる。本実施形態では、支持基板２はシリコンからなる。本願発明者は、上記弾性波装置１において、支持基板２が半導体からなる場合、ＳｉＮｘ層３の組成によっては、ＩＭＤ特性が劣化したり、ＳｉＮｘ層３が自壊したりすることを初めて見出した。
なお、ＩＤＴ電極６及び反射器７，８を構成する金属材料は特に限定されず、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗなどの金属あるいはこれらの金属を主体とする合金を用いることができる。また、複数の金属膜を積層してなる積層金属膜が用いられてもよい。
弾性波装置１では、上記構造において、ＳｉＮｘ層３のｘが１．３４以上、１．６６以下の特定の範囲にあるため、上記ＩＭＤ特性の劣化を抑制でき、かつＳｉＮｘ層３の自壊も生じ難い。これを以下の具体的な実験例に基づき説明する。
弾性波装置１において、ＳｉＮｘのｘを種々変化させたＳｉＮｘ層３を有する弾性波装置１を作製した。設計パラメータは以下の通りとした。なお、ＩＤＴ電極６における電極指ピッチで定まる波長をλとした。
支持基板２：シリコンからなる。
ＳｉＮｘ層３：ＳｉＮｘからなり、厚みは０．５λとした。
低音速膜４：酸化ケイ素からなり、厚みは０．３５λとした。
圧電膜５：ＬＴからなり、厚みは０．３λとした。
ＩＤＴ電極６及び反射器７，８：材料としてアルミを用いた。厚みは０．０８λとした。ＩＤＴ電極６における電極指ピッチで定まる波長λは、２μｍとした。ＩＤＴ電極の電極指の対数は９４対、反射器７，８における電極指の本数は各２１本とした。
上記のようにして、ＳｉＮｘのｘが異なる様々な弾性波装置１を作製し、以下の方法で、ＩＭＤ特性を測定した。
ＩＭＤ特性の測定方法：シグナルジェネレータを用いてＴＸ端から送信波をＡＮＴ端から妨害波を入力し、シグナルアナライザーを用いてひずみ波をＲＸ端から、ＩＭＤの３次ひずみを測定した。
上記ＩＭＤ特性の測定の結果得られた、ＳｉＮｘにおけるｘと、ＩＭＤ特性としての３次ひずみ特性の劣化量との関係を図２に示す。図２から明らかなように、ｘが１．３４以上では、ＩＭＤ特性が劣化し難く、１．３３以下では、ｘが小さくなるにつれて、ＩＭＤ特性劣化量が急激に増大することがわかる。従って、ＳｉＮｘにおけるｘは１．３４以上であることが必要であり、それによって、ＩＭＤ特性の劣化を抑制することができる。
他方、ＳｉＮｘでは、ｘが１．６７以上になると、吸湿により自壊するおそれがあることが知られている。従って、ＳｉＮｘのｘは１．６７未満であることが必要である。それによって、弾性波装置１において、ＩＭＤ特性の劣化の抑制と、ＳｉＮｘ層３の自壊の抑制を図ることができる。
なお、上記ＳｉＮｘのｘが１．３４以上であれば上記のようにＩＭＤ特性の劣化が生じ難いのは、以下の理由によると考えられる。
支持基板２が半導体からなる場合、その表面に寄生容量成分が生成するおそれがある。ところが、弾性波装置１では、ＳｉＮｘの組成が上記特定の範囲、すなわちｘが１．３４以上とされているため、半導体であるシリコンからなる支持基板２と、酸化ケイ素からなる低音速膜４との間の遮断性が高められ、この支持基板２の表面における寄生容量成分の生成が抑制されていると考えられる。よって、寄生容量成分が小さくなり、ＩＭＤ特性が改善されている。
すなわち、本願発明者は、支持基板、高音速膜、低音速膜及び圧電膜が積層されている構造を有する弾性波装置において、支持基板が半導体からなる場合に、上記のようにＩＭＤ特性の劣化が生じることを初めて見出し、この問題を、ＳｉＮｘ層における組成比を特定の範囲とすれば解決し得ることを初めて見出したものである。
第１の実施形態では、圧電膜５の第１の主面５ａ上にＩＤＴ電極６が直接積層されていたが、図３に示す第２の実施形態の弾性波装置１１のように、圧電膜５の第１の主面５ａ上に、絶縁膜９を介してＩＤＴ電極６が間接に積層されていてもよい。なお、このような絶縁膜９の材料としては、酸化ケイ素、酸窒化ケイ素、窒化ケイ素、五酸化タンタル、アルミナ、ガラス、酸化タンタル、または、酸化ケイ素に、フッ素、炭素もしくはホウ素を加えた化合物などを用いることができ、特に限定されるものではない。また、図４に示す第３の実施形態のように、第２の実施形態の構造から低音速膜４が除かれた構造を有する弾性波装置２１であってもよい。
図５は、高周波フロントエンド回路を有する通信装置の構成図である。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５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。
以上のように構成された高周波フロントエンド回路２３０及び通信装置２４０によれば、本発明の弾性波装置である、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などを備えることにより、高次モードによる不要波を抑制することができる。加えて、上記構成を有する弾性波装置に接続されるフィルタ装置に対する不要波の影響を抑制することができる。
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…支持基板
２ａ…上面
３…ＳｉＮｘ層
４…低音速膜
５…圧電膜
５ａ…第１の主面
５ｂ…第２の主面
６…ＩＤＴ電極
７，８…反射器
９…絶縁膜
１１…弾性波装置
２１…弾性波装置
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
２…支持基板
２ａ…上面
３…ＳｉＮｘ層
４…低音速膜
５…圧電膜
５ａ…第１の主面
５ｂ…第２の主面
６…ＩＤＴ電極
７，８…反射器
９…絶縁膜
１１…弾性波装置
２１…弾性波装置
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 (9)
- 半導体からなる支持基板と、
前記支持基板上に直接または間接に積層されたＳｉＮｘ層と、
前記ＳｉＮｘ層上に直接または間接に積層されており、対向し合う一対の主面を有する圧電膜と、
前記圧電膜の少なくとも一方の主面上に直接または間接に設けられたＩＤＴ電極とを備え、
前記ＳｉＮｘ層において、ｘが１．３４以上、１．６６以下の範囲にある、弾性波装置。 - 前記ＳｉＮｘ層と、前記圧電膜との間に積層されており、伝搬するバルク波の音速が前記圧電膜を伝搬する弾性波の音速よりも低い低音速材料からなる低音速膜をさらに備える、請求項１に記載の弾性波装置。
- 前記半導体が、シリコンである、請求項１または２に記載の弾性波装置。
- 前記圧電膜と前記ＩＤＴ電極との間に積層された絶縁膜をさらに備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載の弾性波装置。
- 前記絶縁膜が酸化ケイ素からなる、請求項４に記載の弾性波装置。
- 前記ＩＤＴ電極の弾性波伝搬方向両側に配置された反射器をさらに備え、弾性波共振子である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の弾性波装置。
- 帯域通過型フィルタである、請求項１〜５のいずれか１項に記載の弾性波装置。
- 請求項１〜７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。 - 請求項８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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