JP6835038B2 - 弾性波装置及び高周波フロントエンド回路 - Google Patents

弾性波装置及び高周波フロントエンド回路 Download PDF

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Description

本発明は、一般に弾性波装置及び高周波フロントエンド回路に関し、より詳細には、圧電体層を備える弾性波装置、及び、弾性波装置を備える高周波フロントエンド回路に関する。
従来、圧電体層及び基板を備える弾性波装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1に記載された弾性波装置は、基板と、層と、圧電体層と、IDT電極とを備える。基板は、バルク領域と、表面領域とを有する。表面領域は、基板と層との境界部分に位置する。つまり、表面領域は、バルク領域と層との間に位置する。
米国特許出願公開第2017/0063332号明細書
しかしながら、特許文献1に記載された従来の弾性波装置のように、基板及び圧電体層の積層構造が用いられる場合、メインモードよりも高周波側に高次モードが発生する。さらに、支持基板における表面領域の中での結晶性が同じである場合、高次モードが大きくなるという問題があった。
本発明は上記の点に鑑みてなされた発明であり、本発明の目的は、メインモードよりも高周波側に発生する高次モードを低減させることができる弾性波装置及び高周波フロントエンド回路を提供することにある。
本発明の一態様に係る弾性波装置は、圧電体層と、IDT電極と、高音速支持基板と、低音速膜とを備える。前記IDT電極は、前記圧電体層上に直接又は間接的に設けられている。前記高音速支持基板は、前記圧電体層の厚さ方向において前記圧電体層を挟んで前記IDT電極とは反対側に位置している。前記高音速支持基板は、前記圧電体層を伝搬するバルク波の音速よりも伝搬するバルク波の音速が高速である基板である。前記低音速膜は、前記厚さ方向において前記高音速支持基板と前記圧電体層との間に設けられている。前記低音速膜は、前記圧電体層を伝搬するバルク波の音速よりも伝搬するバルク波の音速が低速である膜である。前記高音速支持基板は、ベース領域と、表面領域とを有する。前記表面領域は、前記厚さ方向において前記ベース領域よりも前記低音速膜側に設けられている。前記表面領域は、第1層と、第2層とを有する。前記第2層は、前記厚さ方向において前記第1層よりも前記ベース領域側に設けられている。前記高音速支持基板の前記ベース領域の結晶性は、前記表面領域の結晶性よりも良い。前記第2層の結晶性は、前記第1層の結晶性よりも良い。
本発明の他の一態様に係る弾性波装置は、圧電体層と、IDT電極と、支持基板と、低音速膜と、高音速膜とを備える。前記IDT電極は、前記圧電体層上に直接又は間接的に設けられている。前記支持基板は、前記圧電体層の厚さ方向において前記圧電体層を挟んで前記IDT電極とは反対側に位置している。前記低音速膜は、前記厚さ方向において前記支持基板と前記圧電体層との間に設けられている。前記低音速膜は、前記圧電体層を伝搬するバルク波の音速よりも伝搬するバルク波の音速が低速の膜である。前記高音速膜は、前記低音速膜と前記支持基板との間に設けられている。前記高音速膜は、前記圧電体層を伝搬するバルク波の音速よりも伝搬するバルク波の音速が高速の膜である。前記支持基板は、ベース領域と、表面領域とを有する。前記表面領域は、前記厚さ方向において前記ベース領域よりも前記低音速膜側に設けられている。前記表面領域は、第1層と、第2層とを有する。前記第2層は、前記厚さ方向において前記第1層よりも前記ベース領域側に設けられている。前記支持基板の前記ベース領域の結晶性は、前記表面領域の結晶性よりも良い。前記第2層の結晶性は、前記第1層の結晶性よりも良い。
本発明の一態様に係る高周波フロントエンド回路は、第1増幅回路と、第2増幅回路と、送信フィルタと、受信フィルタとを備える。前記第1増幅回路は、第1周波数の第1送信信号を増幅する。前記第2増幅回路は、前記第1周波数とは異なる周波数である第2周波数の第2送信信号を増幅する。前記送信フィルタは、前記第1周波数を含む第1通過帯域を有し、前記第1増幅回路とアンテナとの間に設けられており、前記第1送信信号を通過させる。前記受信フィルタは、第2通過帯域を有し、前記アンテナからの受信信号を通過させる。前記第2通過帯域の周波数が、n×Tx1±m×Tx2(Tx1は前記第1周波数、Tx2は前記第2周波数、n、mはともに自然数)を満たす複数の周波数のうちの少なくとも1つを含む。前記送信フィルタは、前記弾性波装置を含む。
本発明の上記態様に係る弾性波装置及び高周波フロントエンド回路によれば、メインモードよりも高周波側に発生する高次モードを低減させることができる。
図1は、実施形態1に係る弾性波装置の断面図である。 図2Aは、同上の弾性波装置の要部平面図である。図2Bは、図2AのA−A線断面図である。 図3は、同上の弾性波装置の厚さ方向における音響インピーダンスの分布図である。 図4は、同上の弾性波装置の高次モード位相を示すグラフである。 図5A〜図5Dは、同上の弾性波装置における表面領域の電子線回折パターン像を示す図である。 図6は、実施形態1の実施例1に係る高周波フロントエンド回路の回路図である。 図7は、実施形態1の実施例2に係る高周波フロントエンド回路の回路図である。 図8は、実施形態2に係る弾性波装置の断面図である。
以下、実施形態1,2に係る弾性波装置及び高周波フロントエンド回路について、図面を参照して説明する。下記の実施形態等において説明する各図は、模式的な図であり、図中の各構成要素の大きさや厚さそれぞれの比が、必ずしも実際の寸法比を反映しているとは限らない。
(実施形態1)
(1)弾性波装置の全体構成
まず、実施形態1に係る弾性波装置1の全体構成について、図面を参照して説明する。
実施形態1に係る弾性波装置1は、図1に示すように、圧電体層2と、IDT(Interdigital Transducer)電極3と、低音速膜4と、高音速支持基板5とを備える。
(2)弾性波装置の各構成要素
次に、実施形態1に係る弾性波装置1の各構成要素について、図面を参照して説明する。
(2.1)圧電体層
圧電体層2は、例えば、Γ°YカットX伝搬LiTaO圧電単結晶から形成されている。Γ°YカットX伝搬LiTaO圧電単結晶は、LiTaO圧電単結晶の3つの結晶軸をX軸、Y軸、Z軸とした場合に、X軸を中心軸としてY軸からZ軸方向にΓ°回転した軸を法線とする面で切断したLiTaO単結晶であって、X軸方向に弾性表面波が伝搬する単結晶である。圧電体層2のカット角は、カット角をΓ[°]、圧電体層2のオイラー角を(φ,θ,ψ)をすると、Γ=θ+90°である。ただし、Γと、Γ±180×n(nは自然数)は同義である(結晶学的に等価である)。圧電体層2は、Γ°YカットX伝搬LiTaO圧電単結晶に限定されず、例えば、Γ°YカットX伝搬LiTaO圧電セラミックスであってもよい。
圧電体層2は、低音速膜4上に直接又は間接的に設けられている。高音速支持基板5の厚さ方向(第1方向D1)における圧電体層2の厚さは、3.5λ以下である。圧電体層2の厚さが3.5λ以下である場合、Q値が高くなる。また、圧電体層2の厚さを2.5λ以下とすることで、TCFを小さくすることができる。さらに、圧電体層2の厚さを1.5λ以下とすることで、弾性波の音速の調整が容易になる。
ところで、圧電体層2の厚さが3.5λ以下である場合、上述したようにQ値が高くなるが、高次モードが発生する。
弾性波装置1では、圧電体層2を伝搬する弾性波のモードとして、縦波、SH波、若しくはSV波、又はこれらが複合したモードが存在する。弾性波装置1では、SH波を主成分とするモードをメインモードとして使用している。高次モードとは、圧電体層2を伝搬する弾性波のメインモードよりも高周波数側に発生するスプリアスモードのことである。圧電体層2を伝搬する弾性波のモードが「SH波を主成分とするモードをメインモード」であるか否かについては、例えば、圧電体層2のパラメータ(材料、オイラー角及び厚さ等)、IDT電極3のパラメータ(材料、厚さ及び電極指周期等)、低音速膜4のパラメータ(材料、厚さ等)のパラメータを用いて、有限要素法により変位分布を解析し、ひずみを解析することにより、確認することができる。圧電体層2のオイラー角は、分析により求めることができる
なお、ここでいうメインモードとは、弾性波装置1が共振子である場合には、フィルタの通過帯域内に共振周波数及び***振周波数の少なくとも一方が存在しており、かつ、共振周波数でのインピーダンスと***振周波数でのインピーダンスとの差が一番大きい波のモードである。また、弾性波装置1がフィルタである場合には、フィルタの通過帯域を形成するために使用される波のモードである。
圧電体層2の材料は、LiTaOに限定されず、例えば、LiNbOであってもよい。圧電体層2が、例えば、YカットX伝搬LiNbO圧電単結晶又は圧電セラミックスからなる場合、弾性波装置1は、ラブ波を弾性波として利用することにより、SH波を主成分とするモードをメインモードとして使用することができる。なお、圧電体層2の単結晶材料、カット角については、例えば、フィルタの要求仕様(通過特性、減衰特性、温度特性及び帯域幅等のフィルタ特性)等に応じて、適宜、決定すればよい。
(2.2)IDT電極
IDT電極3は、図2A及び図2Bに示すように、第1バスバー31と、第2バスバー32と、複数の第1電極指33と、複数の第2電極指34とを含み、圧電体層2の主面21に設けられている。
第1バスバー31は、第2方向D2を長手方向とする長尺状に形成されており、複数の第1電極指33と電気的に接続されている。第2バスバー32は、第2方向D2を長手方向とする長尺状に形成されており、複数の第2電極指34と電気的に接続されている。第2方向D2は、第1方向D1と直交する方向である。
複数の第1電極指33は、第2方向D2において互いに並んで配置されている。各第1電極指33は、第3方向D3を長手方向とする長尺状に形成されている。複数の第1電極指33は、第2方向D2において互いに対向する状態で平行に配置されている。複数の第2電極指34は、第2方向D2において互いに並んで配置されている。各第2電極指34は、第3方向D3を長手方向とする長尺状に形成されている。複数の第2電極指34は、第2方向D2において互いに対向する状態で平行に配置されている。複数の第1電極指33及び複数の第2電極指34が1本ずつ交互に並んで配置されている。第3方向D3は、第1方向D1及び第2方向D2の両方に直交する方向である。
IDT電極3の電極指周期は、隣り合う第1電極指33と第2電極指34との互いに対応する辺間の距離である。図2Bに示すように、IDT電極3の電極指周期は、第1電極指33及び第2電極指34の幅W1と、隣り合う第1電極指33と第2電極指34とのスペース幅S1との和(W1+S1)で定義される。IDT電極3において、電極指の幅W1を電極指周期で除した値であるデューティ比は、W1/(W1+S1)で定義される。デューティ比は、例えば、0.5である。IDT電極3の電極指周期で定まる弾性波の波長λは、複数の第1電極指33及び複数の第2電極指34の繰り返し周期P1で定義される。
IDT電極3の材料は、Al、Cu、Pt、Au、Ag、Ti、Ni、Cr、Mo、若しくはW、又はこれらの金属のいずれかを主体とする合金など適宜の金属材料である。また、IDT電極3は、これらの金属又は合金からなる複数の金属膜を積層した構造を有してもよい。
(2.3)低音速膜
図1に示す低音速膜4は、圧電体層2を伝搬する弾性波の音速より、低音速膜4を伝搬する横波バルク波の音速が低速となる膜である。低音速膜4は、高音速支持基板5と圧電体層2との間に設けられている。低音速膜4が高音速支持基板5と圧電体層2との間に設けられていることにより、弾性波の音速が低下する。弾性波は本質的に低音速な媒質にエネルギーが集中する。したがって、圧電体層2内及び弾性波が励振されているIDT電極3内への弾性波のエネルギーの閉じ込め効果を高めることができる。その結果、低音速膜4が設けられていない場合に比べて、損失を低減し、Q値を高めることができる。
低音速膜4の材料は、例えば酸化ケイ素である。なお、低音速膜4の材料は、酸化ケイ素に限定されず、ガラス、酸窒化ケイ素、酸化タンタル、酸化ケイ素にフッ素、炭素、若しくはホウ素を加えた化合物、又は、上記各材料を主成分とする材料であってもよい。
低音速膜4の厚さは、IDT電極3の電極指(後述の第1電極指33及び第2電極指34)の周期で定まる弾性波の波長をλとすると、2.0λ以下であることが好ましい。低音速膜4の厚さを2.0λ以下とすることにより、膜応力を低減させることができ、その結果、ウェハの反りを低減させることができ、良品率の向上及び特性の安定化が可能となる。また、低音速膜4の厚さが0.1λ以上0.5λ以下の範囲内であれば、電気機械結合係数がほとんど変わらない。なお、低音速膜4は、伝搬する横波バルク波の音速が低速となる膜が複数積層された多層構造であってもよい。複数の伝搬する横波バルク波の音速が低速となる膜の間にチタンやニッケルなどからなる中間層を含んでいてもよい。この場合の低音速膜4の厚さは多層構造全体の厚さを示す。
(2.4)高音速支持基板
高音速支持基板5は、図1に示すように、圧電体層2を挟んでIDT電極3とは反対側に位置している。高音速支持基板5では、圧電体層2を伝搬する弾性波の音速よりも、高音速支持基板5を伝搬するバルク波の音速が高速である。高音速支持基板5は、低音速膜4、圧電体層2、及びIDT電極3を支持する。
なお、高音速支持基板5を伝搬するバルク波は、高音速支持基板5を伝搬する複数のバルク波のうち最も低音速なバルク波である。
高音速支持基板5は、弾性波を圧電体層2及び低音速膜4が積層されている部分に閉じ込め、高音速支持基板5より下方に漏れないように機能する。
高音速支持基板5の材料は、例えばシリコンであり、高音速支持基板5の厚さは、例えば125μmである。なお、高音速支持基板5の材料は、シリコンに限定されず、シリコンカーバイド、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、サファイア、リチウムタンタレート、リチウムニオベイト、若しくは水晶等の圧電体、アルミナ、ジルコニア、コージライト、ムライト、ステアタイト、若しくはフォルステライト等の各種セラミック、若しくは、マグネシアダイヤモンド、又は、上記各材料を主成分とする材料、又は、上記各材料の混合物を主成分とする材料であってもよい。
ところで、高音速支持基板5は、ベース領域51と、表面領域52とを有する。
ベース領域51は、バルク領域である。
表面領域52は、第1方向D1においてベース領域51よりも低音速膜4側に位置している。表面領域52の結晶性は、ベース領域51の結晶性よりも悪い。本明細書における結晶性は、例えば電子線回折パターン像の単位面積当たりの回折スポットの数に対応する。回折スポット数が多いほど、結晶性が良く、回折スポット数が少ないほど、結晶性が悪い。「表面領域52の結晶性がベース領域51の回折スポット数よりも悪い」とは、表面領域52における回折スポット数がベース領域51における回折スポット数よりも多い状態をいう。
表面領域52は、複数の層を有する。より詳細には、表面領域52は、第1層53と、第2層54と、第3層55と、第4層56とを有する。第1層53は、第1方向D1において表面領域52のうち最も低音速膜4側に設けられている。第1層53は、低音速膜4と接している。第2層54は、第1方向D1において第1層53に隣接して設けられている。第3層55は、第1方向D1において第2層54に隣接して設けられている。第4層56は、第1方向D1において第3層55に隣接して設けられている。第4層56は、第1方向D1において最もベース領域51側に設けられている。第4層56は、ベース領域51に接している。
表面領域52は、第1方向D1において、結晶性が異なる。より詳細には、第2層54の結晶性は、第1層53の結晶性よりも良い。第3層55の結晶性は、第2層54の結晶性よりも良い。第4層56の結晶性は、第3層55の結晶性よりも良い。すなわち、表面領域52の結晶性は、低音速膜4側からベース領域51側に近づくにつれて良くなる。
表面領域52では、結晶性が良くなると、高音速支持基板5を伝搬するバルク波の音速が速い。一方、結晶性が悪くなると、高音速支持基板5を伝搬するバルク波の音速が遅い。
上述したように、表面領域52の結晶性は、低音速膜4側からベース領域51側に近づくにつれて良くなる。これにより、表面領域52の音響インピーダンスは、図3に示すように、低音速膜4側からベース領域51側に近づくにつれて高くなる。ただし、表面領域52の音響インピーダンスは、低音速膜4の音響インピーダンスよりも高く、ベース領域51の音響インピーダンスよりも低い。
上記のように、表面領域52が設けられていることによって、基本波よりも高周波側に発生する高次モードの位相を低減させることができる。
次に、第1方向D1における表面領域52の厚さと高次モード位相の大きさとの関係について、図4を参照して説明する。図4は、表面領域52の厚さに対する高次モード位相を示す。図4の特性A1は、実施形態1に係る弾性波装置1の高次モード特性である。図4の特性A2は、表面領域の結晶性が厚さ方向において一定である場合の弾性波装置(比較例の弾性波装置)の高次モード特性である。なお、図4において、表面領域52の厚さは、IDT電極3の電極指周期で定まる弾性波の波長λで規格化されている。
表面領域52が少なくとも0より大きく0.15λ以下の範囲では、表面領域52の厚さが比較例の弾性波装置の表面領域の厚さと同じ場合において、特性A1のほうが、特性A2に比べて、高次モードが小さい。言い換えると、実施形態1に係る弾性波装置1の高次モードのほうが、比較例の弾性波装置の高次モードに比べて小さい。
また、実施形態1に係る弾性波装置1では、表面領域52の厚さが0.145λ以下である場合、表面領域52の厚さが厚くなると、表面領域52が存在しない場合(表面領域52の厚さが0である場合)に比べて、高次モードが小さくなる。表面領域52の厚さが0.02λ以上0.11以下である場合がより好ましく、この場合、高次モードは−50°以下となる。さらに、表面領域52の厚さが0.025λ以上0.105λ以下である場合が好ましく、この場合、表面領域52の高次モードは−60°以下となる。図4の例では、表面領域52が0.07λである場合、高次モードが最も小さく、−75°である。
一方、比較例の弾性波装置では、表面領域が0.60λ以下である場合、表面領域が存在しない場合に比べて、高次モードが小さくなる。しかしながら、表面領域が0.60λより大きくなると、表面領域が存在しない場合よりも高次モードが大きくなる。
上記より、実施形態1に係る弾性波装置1では、比較例の弾性波装置に比べて、高次モードを小さくすることができる。また、実施形態1に係る弾性波装置1では、比較例の弾性波装置に比べて、高次モードが小さくなる表面領域52の厚さ範囲を広げることができる。
(3)弾性波装置の製造方法
次に、実施形態1に係る弾性波装置1の製造方法について、図1を参照して説明する。実施形態1に係る弾性波装置1は、第1工程から第5工程により製造される。
第1工程では、高音速支持基板5を準備する。
第2工程では、高音速支持基板5のうち低音速膜4が設けられる側の主面に対してイオン照射を行う。上記イオン照射を行うことにより、高音速支持基板5の主面側の領域の結晶性が劣化し、上記イオン照射のダメージを受けていない領域であるベース領域51よりも結晶性の悪い表面領域52を形成する。主面側からイオン照射を実行するので、主面に近い層(図1の例では第1層53)ほど結晶性が悪く、主面から遠い層(図1の例では第4層56)ほど結晶性が良い。ただし、表面領域52の結晶性は、ベース領域51の結晶性よりも悪くなる。ベース領域51は、高音速支持基板5の元になるシリコン基板の結晶性を維持している。
第3工程では、高音速支持基板5上に低音速膜4を形成する。第4工程では、低音速膜4上に圧電体層2を形成する。第5工程では、圧電体層2上にIDT電極3を形成する。
なお、上記製造方法は弾性波装置1の製造方法の一例であり、弾性波装置1は、他の製造方法を用いて製造してもよい。例えば、イオン照射に代えて、成膜により、表面領域52を形成してもよい。以下、実施形態1に係る弾性波装置1の他の製造方法について説明する。
第1工程では、ベース領域51となる支持基板を準備する。上記支持基板は、高音速支持基板5と同様の基板であってもよい。
第2工程では、イオン照射に代えて、上記支持基板に成膜を行うことにより、表面領域52を形成する。より詳細には、成膜条件を変えながら、第4層56、第3層55、第2層54、第1層53をこの順に形成する。
その後、実施形態1と同様、第3工程、第4工程、及び第5工程を行う。高音速支持基板5上に低音速膜4、圧電体層2、及びIDT電極3を形成する。
上記の他の製造方法によって製造された弾性波装置1であっても、表面領域52における結晶性を厚さ方向に変えることができる。
(4)弾性波装置の測定方法
次に、実施形態1に係る弾性波装置1において、高音速支持基板5の結晶性の測定方法(評価方法)について、図A〜図5Dを参照して説明する。
ここでは、電子線回折法によって結晶性を測定する。図Aは、表面領域52の第1層53の電子線回折パターン像を示す図、図Bは、表面領域52の第2層54の電子線回折パターン像を示す図である。図Cは、表面領域52の第3層55の電子線回折パターン像を示す図、図Dは、表面領域52の第4層56の電子線回折パターン像を示す図である。図A〜図Dは、互いに同じ面積の電子線回折パターン像を示す。図A〜図Dに示すように、図Dの回折スポット数が最も多く、図Aの回折スポット数が最も少ない。結晶性が良い場合に回折スポット数が多くなるため、第4層56、第3層55、第2層54、第1層53の順に、結晶性が良い。つまり、表面領域52において、ベース領域51に近いほど、結晶性が良い。
上記より、電子線回折法を用いることによって、表面領域52の結晶性の傾向を測定することができる。
なお、弾性波装置1の結晶性の測定方法は、電子線回折法に限定されず、他の方法であってもよい。弾性波装置1の結晶性の測定方法は、例えばX線回折法であってもよい。
(5)高周波フロントエンド回路
次に、実施形態1の実施例1に係る高周波フロントエンド回路101について、図6を参照して説明する。
高周波フロントエンド回路101は、図6に示すように、第1マルチプレクサ111と、第2マルチプレクサ112と、第1増幅回路121と、第2増幅回路122とを備える。
第1増幅回路121は、高周波フロントエンド回路101の外部(例えば、RF信号処理回路)から出力された第1送信信号を増幅し、増幅した第1送信信号を第1アンテナ201に出力する。第1増幅回路121は、パワーアンプ回路である。
第2増幅回路122は、高周波フロントエンド回路101の外部(例えば、RF信号処理回路)から出力された第2送信信号を増幅し、増幅した第2送信信号を第2アンテナ202に出力する。第2増幅回路122は、パワーアンプ回路である。
第1マルチプレクサ111は、第1送信フィルタ131と、第1受信フィルタ141とを備える。
第1送信フィルタ131は、第1送信フィルタ131の通過帯域の信号を通過させ、通過帯域以外の信号を減衰させる。より詳細には、第1送信フィルタ131は、第1増幅回路121から出力された第1送信信号を通過させ、第1アンテナ201に出力する。
第1受信フィルタ141は、第1受信フィルタ141の通過帯域の信号を通過させ、通過帯域以外の信号を減衰させる。より詳細には、第1受信フィルタ141は、第1アンテナ201からの第1受信信号を通過させる。
第2マルチプレクサ112は、第2送信フィルタ132と、第2受信フィルタ142とを備える。
第2送信フィルタ132は、第2送信フィルタ132の通過帯域の信号を通過させ、通過帯域以外の信号を減衰させる。より詳細には、第2送信フィルタ132は、第2増幅回路122から出力された第2送信信号を通過させ、第2アンテナ202に出力する。
第2受信フィルタ142は、第2受信フィルタ142の通過帯域の信号を通過させ、通過帯域以外の信号を減衰させる。より詳細には、第2受信フィルタ142は、第2アンテナ202からの第2受信信号を通過させる。
上記の高周波フロントエンド回路101において、第1送信フィルタ131に弾性波装置1(図1参照)が用いられている。
第1送信信号、第1受信信号、第2送信信号、第2受信信号の周波数として、以下の組合せがある。例えば、第1送信信号の周波数が3GPP LTE規格のBand1の送信周波数帯(1950MHz帯)、第1受信信号がBand1の受信周波数帯(2140MHz帯)、第2送信信号が3GPP LTE規格のBand3の送信周波数帯(1760MHz帯)、第2受信信号がBand3の受信周波数帯(1855MHz帯)である。
弾性波装置1が用いられている第1送信フィルタ131には、第1送信信号が入力されると共に、第2送信信号が混信波として入力される。そうすると、第1送信信号の2倍波の周波数(3900MHz)と第2送信信号の基本周波数(1760MHz)との差分周波数(2140MHz)の高次モードが発生する。
上記差分周波数は、第1受信信号の周波数帯と重なるため、上記差分周波数の高調波が受信側に漏洩してしまう可能性がある。
しかしながら、高周波フロントエンド回路101では、第1送信フィルタ131に弾性波装置1が用いられていることにより、高次モードを抑制し、かつ、上記差分周波数の高調波も抑制することができる。
第1送信信号、第1受信信号、第2送信信号、第2受信信号の周波数が以下の組合せである場合も同様である。第1送信信号の周波数がBand2の送信周波数帯(1860MHz帯)、第1受信信号がBand2の受信周波数帯(1940MHz帯)、第2送信信号がBand66の送信周波数帯(1780MHz帯)、第2受信信号がBand66の受信周波数帯(2180MHz帯)である。
第1送信信号、第1受信信号、第2送信信号、第2受信信号の周波数の他の例として、以下の組合せがある。第1送信信号の周波数がBand3の送信周波数帯(1720MHz)、第1受信信号がBand3の受信周波数帯(1815MHz)、第2送信信号が3GPP LTE規格のBand5の送信周波数帯(837.5MHz)、第2受信信号がBand5の受信周波数帯(882.5MHz)である。
この場合、第2送信フィルタ132に弾性波装置1(図1参照)が用いられている。第2送信フィルタ132には、第2送信信号が入力されると共に、第1送信信号が混信波として入力される。そうすると、第1送信信号の基本周波数(1720MHz)と第2送信信号の基本周波数(837.5MHz)との差分周波数(882.5MHz)の高次モードが発生する。
しかしながら、高周波フロントエンド回路101では、第2送信フィルタ132に弾性波装置1が用いられていることにより、上記の場合であっても、上記高次モードを抑制することができる。
次に、実施形態1の実施例2に係る高周波フロントエンド回路102について、図7を参照して説明する。
高周波フロントエンド回路102は、図7に示すように、第1マルチプレクサ113と、第2マルチプレクサ114と、第1増幅回路121と、第2増幅回路122とを備える。
第1増幅回路121は、高周波フロントエンド回路102の外部(例えば、RF信号処理回路)から出力された第1送信信号を増幅し、増幅した第1送信信号を第1アンテナ203に出力する。第1増幅回路121は、パワーアンプ回路である。
第2増幅回路122は、高周波フロントエンド回路102の外部(例えば、RF信号処理回路)から出力された第2送信信号を増幅し、増幅した第2送信信号を第2アンテナ204に出力する。第2増幅回路122は、パワーアンプ回路である。
第1マルチプレクサ113は、第1送信フィルタ133と、第2送信フィルタ134と、第1受信フィルタ143と、第2受信フィルタ144とを備える。
第1送信フィルタ133は、第1送信フィルタ133の通過帯域の信号を通過させ、通過帯域以外の信号を減衰させる。より詳細には、第1送信フィルタ133は、第1増幅回路121から出力された第1送信信号を通過させ、第1アンテナ203に出力する。
第2送信フィルタ134は、第2送信フィルタ134の通過帯域の信号を通過させ、通過帯域以外の信号を減衰させる。より詳細には、第2送信フィルタ134は、第2増幅回路122から出力された第2送信信号を通過させ、第1アンテナ203に出力する。
第1受信フィルタ143は、第1受信フィルタ143の通過帯域の信号を通過させ、通過帯域以外の信号を減衰させる。より詳細には、第1受信フィルタ143は、第1アンテナ203からの第1受信信号を通過させる。
第2受信フィルタ144は、第2受信フィルタ144の通過帯域の信号を通過させ、通過帯域以外の信号を減衰させる。より詳細には、第2受信フィルタ144は、第2アンテナ204からの第2受信信号を通過させる。
第2マルチプレクサ114は、第1送信フィルタ135と、第2送信フィルタ136と、第1受信フィルタ145と、第2受信フィルタ146とを備える。
第1送信フィルタ135は、第1送信フィルタ135の通過帯域の信号を通過させ、通過帯域以外の信号を減衰させる。より詳細には、第1送信フィルタ135は、第1増幅回路121から出力された第3送信信号を通過させ、第2アンテナ204に出力する。
第2送信フィルタ136は、第2送信フィルタ136の通過帯域の信号を通過させ、通過帯域以外の信号を減衰させる。より詳細には、第2送信フィルタ136は、第2増幅回路122から出力された第4送信信号を通過させ、第2アンテナ204に出力する。
第1受信フィルタ145は、第1受信フィルタ145の通過帯域の信号を通過させ、通過帯域以外の信号を減衰させる。より詳細には、第1受信フィルタ145は、第2アンテナ204からの第3受信信号を通過させる。
第2受信フィルタ146は、第2受信フィルタ146の通過帯域の信号を通過させ、通過帯域以外の信号を減衰させる。より詳細には、第2受信フィルタ146は、第2アンテナ204からの第4受信信号を通過させる。
上記の高周波フロントエンド回路102において、第2送信フィルタ136及び第2受信フィルタ146に弾性波装置1(図1参照)が用いられている。
第1送信信号、第1受信信号、第2送信信号、第2受信信号、第3送信信号、第3受信信号、第4送信信号、第4受信信号の周波数として、以下の組合せがある。例えば、第1送信信号の周波数がBand3の送信周波数帯(1720MHz帯)、第1受信信号がBand3の受信周波数帯(1855MHz帯)、第2送信信号の周波数がBand1の送信周波数帯(1950MHz帯)、第2受信信号がBand1の受信周波数帯(2140MHz帯)である。また、第3送信信号の周波数がBand66の送信周波数帯(1780MHz帯)、第3受信信号がBand66の受信周波数帯(2180MHz帯)、第4送信信号の周波数がBand2の送信周波数帯(1860MHz帯)、第4受信信号の周波数がBand2の受信周波数帯(2140MHz帯)である。
弾性波装置1が用いられている第2送信フィルタ136には、第2送信信号が入力されると共に、第1送信信号が混信波として入力される。そうすると、第2送信信号の2倍波の周波数(3900MHz)と第1送信信号の基本周波数(1760MHz)との差分周波数(2140MHz)の相互変調歪み(Intermodulation Distortion:IMD)が発生する。
上記差分周波数は、第2受信信号の周波数帯と重なるため、上記差分周波数の高調波が受信側に漏洩してしまう可能性がある。
しかしながら、第2送信フィルタ136及び第2受信フィルタ144に弾性波装置1が用いられていることにより、高次モードを抑制し、かつ、相互変調歪みも抑制することができる。
(6)効果
以上説明したように、実施形態1に係る弾性波装置1では、高音速支持基板5において低音速膜4とベース領域51との間の表面領域52が設けられており、高音速支持基板5の結晶性が表面領域52の結晶性よりも良く、第2層54の結晶性が第1層53の結晶性よりも良い。これにより、メインモードよりも高周波側に発生する高次モードを低減させることができる。
実施形態1に係る弾性波装置1では、表面領域52の結晶性が厚さ方向(第1方向D1)において徐々に変化する。これにより、表面領域52の結晶性が厚さ方向において段階的に変化する場合に比べて、高次モードを更に低減させることができる。
実施形態1に係る弾性波装置1では、表面領域52の厚さが0より大きく0.15λ以下である。これにより、高次モードを更に低減させることができる。
実施形態1に係る弾性波装置1では、低音速膜4の材料が酸化ケイ素である。これにより、弾性波装置1の温度特性を改善することができる。
(実施形態2)
実施形態2に係る弾性波装置1aは、図8に示すように、高音速支持基板5に代えて、高音速膜6及び支持基板7を備える点で、実施形態1に係る弾性波装置1(図1参照)と相違する。なお、実施形態2に係る弾性波装置1aに関し、実施形態1に係る弾性波装置1と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
実施形態2に係る弾性波装置1aは、図8に示すように、圧電体層2とIDT電極3と低音速膜4とを備えると共に、高音速膜6及び支持基板7を更に備える。
高音速膜6は、支持基板7上に直接又は間接的に設けられている。高音速膜6は、メインモードの弾性波のエネルギーが高音速膜6より下の構造に漏れないように機能する。
高音速膜6の厚さが十分に厚い場合、メインモードの弾性波のエネルギーは圧電体層2及び低音速膜4の全体に分布し、高音速膜6の低音速膜4側の一部にも分布し、支持基板7には分布しないことになる。高音速膜6により弾性波を閉じ込めるメカニズムは非漏洩なSH波であるラブ波型の表面波の場合と同様のメカニズムであり、例えば、文献「弾性表面波デバイスシミュレーション技術入門」、橋本研也、リアライズ社、p.26−28に記載されている。
高音速膜6の材料は、例えば、ダイヤモンドライクカーボン、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、シリコン、サファイア、リチウムタンタレート、リチウムニオベイト、水晶、アルミナ、ジルコニア、コージライト、ムライト、ステアタイト、フォルステライト及びマグネシアダイヤモンドからなる群から選択される少なくとも1種の材料である。
支持基板7の材料は、例えばシリコンであり、支持基板7の厚さは、例えば125μmである。なお、支持基板7の材料は、シリコンに限定されず、サファイア、リチウムタンタレート、リチウムニオベイト、若しくは水晶等の圧電体、アルミナ、マグネシア、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、ジルコニア、コージライト、ムライト、ステアタイト、フォルステライト等の各種セラミック、若しくは、ガラス等の誘電体、又は、窒化ガリウム等の半導体及び樹脂基板等であってもよい。
以上説明したように、実施形態2に係る弾性波装置1aでは、低音速膜4と支持基板7との間に高音速膜6が設けられている。これにより、弾性波が支持基板7に漏れるのを抑制することができる。
以上説明した実施形態は、本発明の様々な実施形態及び変形例の一部に過ぎない。また、実施形態は、本発明の目的を達成できれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。
(態様)
以上説明した実施形態及び変形例より以下の態様が開示されている。
第1の態様に係る弾性波装置(1)は、圧電体層(2)と、IDT電極(3)と、高音速支持基板(5)と、低音速膜(4)とを備える。IDT電極(3)は、圧電体層(2)の厚さ方向(第1方向D1)上に直接又は間接的に設けられている。高音速支持基板(5)は、圧電体層(2)の厚さ方向において圧電体層(2)を挟んでIDT電極(3)とは反対側に位置している。高音速支持基板(5)は、圧電体層(2)を伝搬するバルク波の音速よりも伝搬するバルク波の音速が高速の基板である。低音速膜(4)は、上記厚さ方向において高音速支持基板(5)と圧電体層(2)との間に設けられている。低音速膜(4)は、圧電体層(2)を伝搬するバルク波の音速よりも伝搬するバルク波の音速が低速の膜である。高音速支持基板(5)は、ベース領域(51)と、表面領域(52)とを有する。表面領域(52)は、上記厚さ方向においてベース領域(51)よりも低音速膜(4)側に設けられている。表面領域(52)は、第1層(53)と、第2層(54)とを有する。第2層(54)は、上記厚さ方向において第1層(53)よりもベース領域(51)側に設けられている。高音速支持基板(5)のベース領域(51)の結晶性は、表面領域(52)の結晶性よりも良い。第2層(54)の結晶性は、第1層(53)の結晶性よりも良い。
第1の態様に係る弾性波装置(1)によれば、メインモードよりも高周波側に発生する高次モードを低減させることができる。
第2の態様に係る弾性波装置(1a)は、圧電体層(2)と、IDT電極(3)と、支持基板(7)と、低音速膜(4)と、高音速膜(6)とを備える。IDT電極(3)は、圧電体層(2)上に直接又は間接的に設けられている。支持基板(7)は、圧電体層(2)の厚さ方向(第1方向D1)において圧電体層(2)を挟んでIDT電極(3)とは反対側に位置している。低音速膜(4)は、上記厚さ方向において支持基板(7)と圧電体層(2)との間に設けられている。低音速膜(4)は、圧電体層(2)を伝搬するバルク波の音速よりも伝搬するバルク波の音速が低速の膜である。高音速膜(6)は、低音速膜(4)と支持基板(7)との間に設けられている。高音速膜(6)は、圧電体層(2)を伝搬するバルク波の音速よりも伝搬するバルク波の音速が高速の膜である。支持基板(7)は、ベース領域(71)と、表面領域(72)とを有する。表面領域(72)は、上記厚さ方向においてベース領域(71)よりも低音速膜(4)側に設けられている。表面領域(72)は、第1層(73)と、第2層(74)とを有する。第2層(74)は、上記厚さ方向において第1層(73)よりもベース領域(71)側に設けられている。支持基板(7)のベース領域(71)の結晶性は、表面領域(72)の結晶性よりも良い。第2層(74)の結晶性は、第1層(73)の結晶性よりも良い。
第2の態様に係る弾性波装置(1a)によれば、メインモードよりも高周波側に発生する高次モードを低減させることができる。
第3の態様に係る弾性波装置(1;1a)では、第1又は2の態様において、表面領域(52;72)の結晶性は、厚さ方向(第1方向D1)において徐々に変化する。
第3の態様に係る弾性波装置(1;1a)によれば、表面領域(52;72)の結晶性が厚さ方向(第1方向D1)において段階的に変化する場合に比べて、高次モードを更に低減させることができる。
第4の態様に係る弾性波装置(1;1a)では、第1〜3の態様のいずれか1つにおいて、IDT電極(3)は、複数の電極指(複数の第1電極指33、複数の第2電極指34)を有する。表面領域(52;72)の厚さは、IDT電極(3)の複数の電極指の周期である電極指周期で定まる弾性波の波長をλとしたときに、0より大きく0.15λ以下である。
第4の態様に係る弾性波装置(1;1a)では、表面領域(52;72)の厚さが0より大きく0.15λ以下である。これにより、高次モードを更に低減させることができる。
第5の態様に係る弾性波装置(1;1a)では、第4の態様において、表面領域(52;72)の厚さは、0.145λ以下である。
第5の態様に係る弾性波装置(1;1a)によれば、高次モードを更に低減させることができる。
第6の態様に係る弾性波装置(1;1a)では、第5の態様において、表面領域(52;72)の厚さは、0.02λ以上0.11λ以下である
第6の態様に係る弾性波装置(1;1a)によれば、高次モードを更に低減させることができる。
7の態様に係る弾性波装置(1;1a)では、第1〜6の態様のいずれか1つにおいて、低音速膜(4)の材料は酸化ケイ素である。
第7の態様に係る弾性波装置(1;1a)によれば、弾性波装置(1;1a)の温度特性を改善することができる。
第8の態様に係る弾性波装置(1)は、第1の態様において、第1フィルタ(第1送信フィルタ131;第1受信フィルタ141)と、第2フィルタ(第2送信フィルタ132;第2受信フィルタ142)とを備える。第1フィルタは、アンテナ(第2アンテナ204)に電気的に接続されており、第1通過帯域を有する。第2フィルタは、アンテナに電気的に接続されており、第1通過帯域よりも低い第2通過帯域を有する。第2フィルタは、圧電体層(2)と、IDT電極(3)と、高音速支持基板(5)と、低音速膜(4)とを含む。
第9の態様に係る弾性波装置(1a)は、第2の態様において、第1フィルタ(第1送信フィルタ135;第1受信フィルタ145)と、第2フィルタ(第2送信フィルタ136;第2受信フィルタ146)とを備える。第1フィルタは、アンテナ(第2アンテナ204)に電気的に接続されており、第1通過帯域を有する。第2フィルタは、アンテナに電気的に接続されており、第1通過帯域よりも低い第2通過帯域を有する。第2フィルタは、圧電体層(2)と、IDT電極(3)と、支持基板(7)と、低音速膜(4)と、高音速膜(6)とを含む。
第10の態様に係る高周波フロントエンド回路(101;102)は、第1増幅回路(121)と、第2増幅回路(122)と、送信フィルタと、受信フィルタとを備える。第1増幅回路(121)は、第1周波数の第1送信信号を増幅する。第2増幅回路(122)は、第1周波数と異なる周波数である第2周波数の第2送信信号を増幅する。送信フィルタは、第1周波数を含む第1通過帯域を有し、第1増幅回路(121)とアンテナとの間に設けられており、第1送信信号を通過させる。受信フィルタは、第2通過帯域を有し、アンテナからの受信信号を通過させる。第2通過帯域の周波数が、n×Tx1±m×Tx2を満たす複数の周波数のうちの少なくとも1つを含む。Tx1は第1周波数、Tx2は第2周波数、n、mはともに自然数である。送信フィルタは、第1〜7の態様のいずれか1つの弾性波装置(1;1a)を含む。
第10の態様に係る高周波フロントエンド回路(101;102)では、弾性波装置(1;1a)の低音速膜(4)とベース領域(51;71)との間の表面領域(52;72)が設けられており、ベース領域(51;71)の結晶性が表面領域(52;72)の結晶性よりも良く、第2層(54;74)の結晶性が第1層(53;73)の結晶性よりも良い。これにより、高次モードを低減させることができる。
また、第10の態様に係る高周波フロントエンド回路(101;102)によれば、相互変調歪みを低減させることができる。
1,1a 弾性波装置
2 圧電体層
21 主面
3 IDT電極
31 第1バスバー
32 第2バスバー
33 第1電極指
34 第2電極指
4 低音速膜
5 高音速支持基板
51 ベース領域
52 表面領域
53 第1層
54 第2層
55 第3層
56 第4層
6 高音速膜
7 支持基板
71 ベース領域
72 表面領域
73 第1層
74 第2層
75 第3層
76 第4層
101,102 高周波フロントエンド回路
111,113 第1マルチプレクサ
112,114 第2マルチプレクサ
121 第1増幅回路
122 第2増幅回路
131,133,135 第1送信フィルタ
132,134,136 第2送信フィルタ
141,143,145 第1受信フィルタ
142,144,146 第2受信フィルタ
151 第1スイッチ
152 第2スイッチ
161,163 第1増幅回路
162,164 第2増幅回路
201,203 第1アンテナ
202,204 第2アンテナ
A1,A2 特性
D1 第1方向
D2 第2方向
D3 第3方向
P1 周期
S1 スペース幅
W1 幅

Claims (10)

  1. 圧電体層と、
    前記圧電体層上に直接又は間接的に設けられているIDT電極と、
    前記圧電体層の厚さ方向において前記圧電体層を挟んで前記IDT電極とは反対側に位置しており、前記圧電体層を伝搬するバルク波の音速よりも伝搬するバルク波の音速が高速である高音速支持基板と、
    前記厚さ方向において前記高音速支持基板と前記圧電体層との間に設けられており、前記圧電体層を伝搬するバルク波の音速よりも伝搬するバルク波の音速が低速である低音速膜と、
    を備え、
    前記高音速支持基板は、
    ベース領域と、
    前記厚さ方向において前記ベース領域よりも前記低音速膜側に設けられている表面領域と、
    を有し、
    前記表面領域は、
    第1層と、
    前記厚さ方向において前記第1層よりも前記ベース領域側に設けられている第2層と、
    を有し、
    前記高音速支持基板の前記ベース領域の結晶性は、前記表面領域の結晶性よりも良く、
    前記第2層の結晶性は、前記第1層の結晶性よりも良い、
    弾性波装置。
  2. 圧電体層と、
    前記圧電体層上に直接又は間接的に設けられているIDT電極と、
    前記圧電体層の厚さ方向において前記圧電体層を挟んで前記IDT電極とは反対側に位置している支持基板と、
    前記厚さ方向において前記支持基板と前記圧電体層との間に設けられており、前記圧電体層を伝搬するバルク波の音速よりも伝搬するバルク波の音速が低速である低音速膜と、
    前記低音速膜と前記支持基板との間に設けられており前記圧電体層を伝搬するバルク波の音速よりも伝搬するバルク波の音速が高速である高音速膜と、
    備え、
    前記支持基板は、
    ベース領域と、
    前記厚さ方向において前記ベース領域よりも前記低音速膜側に設けられている表面領域と、
    を有し、
    前記表面領域は、
    第1層と、
    前記厚さ方向において前記第1層よりも前記ベース領域側に設けられている第2層と、
    を有し、
    前記支持基板の前記ベース領域の結晶性は、前記表面領域の結晶性よりも良く、
    前記第2層の結晶性は、前記第1層の結晶性よりも良い、
    弾性波装置。
  3. 前記表面領域は、
    前記厚さ方向において前記第2層よりも前記ベース領域側に設けられている少なくとも1つの第3層を更に有し、
    前記第3層の結晶性は、前記第2層の結晶性よりも良い、
    請求項1又は2に記載の弾性波装置。
  4. 前記IDT電極は、複数の電極指を有し、
    前記表面領域の厚さは、前記IDT電極の前記複数の電極指の周期である電極指周期で定まる弾性波の波長をλとしたときに、0より大きく0.15λ以下である、
    請求項1〜3のいずれか1項に記載の弾性波装置。
  5. 前記表面領域の前記厚さは、0.145λ以下である、
    請求項4に記載の弾性波装置。
  6. 前記表面領域の前記厚さは、0.02λ以上0.11λ以下である、
    請求項5に記載の弾性波装置。
  7. 前記低音速膜の材料は酸化ケイ素である、
    請求項1〜6のいずれか1項に記載の弾性波装置。
  8. アンテナに電気的に接続されており、第1通過帯域を有する第1フィルタと、
    前記アンテナに電気的に接続されており、前記第1通過帯域よりも低い第2通過帯域を有する第2フィルタと、
    を備え、
    前記第2フィルタは、
    前記圧電体層と、
    前記IDT電極と、
    前記高音速支持基板と、
    前記低音速膜と、
    を含む、
    請求項1に記載の弾性波装置。
  9. アンテナに電気的に接続されており、第1通過帯域を有する第1フィルタと、
    前記アンテナに電気的に接続されており、前記第1通過帯域よりも低い第2通過帯域を有する第2フィルタと、
    を備え、
    前記第2フィルタは、
    前記圧電体層と、
    前記IDT電極と、
    前記支持基板と、
    前記低音速膜と、
    前記高音速膜と、
    を含む、
    請求項2に記載の弾性波装置。
  10. 第1周波数の第1送信信号を増幅する第1増幅回路と、
    前記第1周波数と異なる周波数である第2周波数の第2送信信号を増幅する第2増幅回路と、
    前記第1周波数を含む第1通過帯域を有し前記第1増幅回路とアンテナとの間に設けられており前記第1送信信号を通過させる送信フィルタと、
    第2通過帯域を有し前記アンテナからの受信信号を通過させる受信フィルタと、
    を備え、
    前記第2通過帯域の周波数が、n×Tx1±m×Tx2(Tx1は前記第1周波数、Tx2は前記第2周波数、n、mはともに自然数)を満たす複数の周波数のうちの少なくとも1つを含み、
    前記送信フィルタは、請求項1〜7のいずれか1項に記載の弾性波装置を含む、
    高周波フロントエンド回路。
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