JP2020096220A - 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

弾性波装置、高周波フロントエンド回路及び通信装置 Download PDF

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努 ▲高▼井
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Abstract

【課題】Q値が高く、かつIMDを抑制することができる、弾性波装置を提供する。【解決手段】弾性波装置1は、高音速膜4(高音速材料層)と、高音速膜4上に設けられている低音速膜5と、低音速膜5上に設けられている圧電体層6と、圧電体層6上に設けられているIDT電極7とを備える。高音速膜4を伝搬するバルク波の音速が圧電体層6を伝搬する弾性波の音速よりも高い。低音速膜5を伝搬するバルク波の音速が圧電体層6を伝搬するバルク波の音速よりも低い。低音速膜5が水素原子を含む材料からなる。【選択図】図1

Description

本発明は、弾性波装置、高周波フロントエンド回路及び通信装置に関する。
従来、弾性波装置は携帯電話機のフィルタなどに広く用いられている。下記の特許文献1には、弾性波装置の一例が開示されている。この弾性波装置は、高音速支持基板、低音速膜及び圧電膜がこの順序で積層された積層体と、圧電膜上に設けられたIDT電極とを有する。圧電膜上には、IDT電極(Interdigital Transducer)を覆うように誘電体膜が設けられている。上記のような積層体を有する弾性波装置においては、弾性波のエネルギーが圧電膜側に集中するため、Q値が高い。
特許文献2には、LiNbO基板上に、IDT電極を覆うように酸化ケイ素膜が設けられた弾性波装置が開示されている。特許文献2には、酸化ケイ素膜がシラノール基や水素原子を含有していることにより、IMD(Inter Moulation Distortion)を抑制することができる旨が記載されている。
国際公開第2017/043427号 国際公開第2018/105249号
特許文献1に記載の弾性波装置では、IMDを十分に抑制することは困難である。そこで、本願発明者らは、特許文献1の弾性波装置における誘電体膜として、特許文献2における水素原子を含有した酸化ケイ素膜を用いることを検討した。しかしながら、IDT電極が設けられた圧電性基板が上記のような積層体である場合には、特許文献2の酸化ケイ素膜を用いても、IMDを十分に抑制し得ないことが明らかになった。
本発明の目的は、Q値が高く、かつIMDを抑制することができる、弾性波装置、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、高音速材料層と、前記高音速材料層上に設けられている低音速膜と、前記低音速膜上に設けられている圧電体層と、前記圧電体層上に設けられているIDT電極とを備え、前記高音速材料層を伝搬するバルク波の音速が前記圧電体層を伝搬する弾性波の音速よりも高く、前記低音速膜を伝搬するバルク波の音速が前記圧電体層を伝搬するバルク波の音速よりも低く、前記低音速膜が水素原子を含む材料からなる。
本発明の高周波フロントエンド回路は、本発明に従い構成された弾性波装置と、パワーアンプとを備える。
本発明の通信装置は、本発明に従い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、Q値が高く、かつIMDを抑制することができる、弾性波装置、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ができる。
本発明の第1の実施形態に係る弾性波装置の模式的正面断面図である。 本発明の第1の実施形態におけるIDT電極の電極指付近を示す拡大模式的正面断面図である。 第1の比較例及び第2の比較例におけるIMDレベルを示す図である。 本発明の第1の実施形態及び第1の比較例におけるIMDレベルを示す図である。 本発明の第1の実施形態の第1の変形例に係る弾性波装置の模式的正面断面図である。 本発明の第1の実施形態の第2の変形例に係る弾性波装置の模式的正面断面図である。 本発明の第2の実施形態に係る弾性波装置の正面断面図である。 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。
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模式的正面断面図である。
弾性波装置1は圧電性基板2を有する。圧電性基板2上には、IDT電極7が設けられている。IDT電極7に交流電圧を印加することにより、弾性波が励振される。圧電性基板2上における、IDT電極7の弾性波伝搬方向両側には、一対の反射器9A及び反射器9Bが設けられている。このように、本実施形態の弾性波装置1は弾性波共振子である。もっとも、本発明に係る弾性波装置は、弾性波共振子を含むフィルタ装置であってもよい。
圧電性基板2は、支持基板3と、支持基板3上に設けられている高音速材料層としての高音速膜4と、高音速膜4上に設けられている低音速膜5と、低音速膜5上に設けられている圧電体層6とを有する。圧電体層6上にIDT電極7が設けられている。なお、圧電性基板2の構成は上記に限定されない。
圧電体層6の材料としては、例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムなどの圧電単結晶や、酸化亜鉛、窒化アルミニウムなどの圧電セラミックを用いることができる。
低音速膜5は、相対的に低音速な膜である。より具体的には、低音速膜5を伝搬するバルク波の音速は、圧電体層6を伝搬するバルク波の音速よりも低い。
低音速膜5は酸化ケイ素を主成分とする。より具体的には、低音速膜5は酸化ケイ素を主成分とし、かつ水素原子を含む材料からなる。酸化ケイ素はSiOにより表され、xは任意の正数である。本実施形態においては、低音速膜5はSiOを主成分とする。低音速膜5において水素原子は、例えば、シラノール基やヒドロキシル基などとして存在する。低音速膜5の水素原子濃度は1.46×1021atoms/cm以上である。本明細書において主成分とは、50重量%以上含まれている成分をいう。
低音速膜5は、誘電体に水(HO)をドープすることにより形成されている。より具体的には、低音速膜5は、例えば、スパッタリング法により成膜することができる。スパッタリング法による成膜中に、気化器にて水を気化させて、スパッタリングガスと混合することにより、誘電体にシラノール基などとして水素原子をドープすることができる。
誘電体に水をドープすることにより低音速膜5を形成した場合には、低音速膜における水素原子濃度は、本実施形態のように1.46×1021atoms/cm以上となる。
なお、低音速膜5の材料は上記に限定されず、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もできる。
本実施形態において、高音速材料層は高音速膜4である。高音速材料層は相対的に高音速な層である。より具体的には、高音速材料層を伝搬するバルク波の音速は、圧電体層6を伝搬する弾性波の音速よりも高い。高音速膜4の材料としては、例えば、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、シリコン、サファイア、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、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、マグネシア、DLC(ダイヤモンドライクカーボン)膜またはダイヤモンドなど、上記材料を主成分とする媒質を用いることができる。
支持基板3の材料としては、例えば、酸化アルミニウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、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、フォルステライトなどの各種セラミック、サファイア、ダイヤモンド、ガラスなどの誘電体、シリコン、窒化ガリウム等の半導体または樹脂などを用いることができる。
圧電性基板2上には、IDT電極7を覆うように誘電体膜8が設けられている。誘電体膜8は、SiOを主成分とする。本実施形態においては、誘電体膜8には水素原子はほぼ含まれていない。そのため、低音速膜5の水素原子濃度は誘電体膜8の水素原子濃度より高い。なお、誘電体膜8は酸化ケイ素以外の誘電体を主成分としていてもよい。
誘電体膜8は必ずしも設けられていなくともよい。もっとも、本実施形態のように、IDT電極7を覆うように誘電体膜8が設けられていることが好ましい。それによって、IDT電極7が破損し難い。
図2は、第1の実施形態におけるIDT電極の電極指付近を示す拡大模式的正面断面図である。
IDT電極7は、対向し合う第1のバスバー16及び第2のバスバー17を有する。IDT電極7は、第1のバスバー16にそれぞれ一端が接続されている複数の第1の電極指18を有する。さらに、IDT電極7は、第2のバスバー17にそれぞれ一端が接続されている複数の第2の電極指19を有する。複数の第1の電極指18と複数の第2の電極指19とは互いに間挿し合っている。
IDT電極7、反射器9A及び反射器9Bは、複数の金属層が積層された積層金属層からなっていてもよく、単層の金属層からなっていてもよい。
図1に戻り、本実施形態の弾性波装置1は高音速材料層としての高音速膜4と、高音速膜4上に設けられている低音速膜5と、低音速膜5上に設けられている圧電体層6と、圧電体層6上に設けられているIDT電極7とを備え、高音速膜4を伝搬するバルク波の音速が圧電体層6を伝搬する弾性波の音速よりも高く、低音速膜5を伝搬するバルク波の音速が圧電体層6を伝搬するバルク波の音速よりも低く、低音速膜5が水素原子を含む材料からなるという構成を有する。それによって、Q値が高く、かつIMDを抑制することができる。これを以下において説明する。
本実施形態においては、弾性波装置1の圧電性基板2は、高音速膜4、低音速膜5及び圧電体層6がこの順序で積層された構成を有する。それによって、弾性波のエネルギーを圧電体層6側に効果的に閉じ込めることができ、Q値を効果的に高めることができる。加えて、低音速膜5が水素原子を含む材料からなることにより、IMDを抑制することができる。
IMDを抑制することができる効果の詳細を、第1の実施形態、第1の比較例及び第2の比較例を比較することにより、以下において説明する。
第1の実施形態の構成を有する弾性波装置並びに第1の比較例及び第2の比較例の弾性波装置を作製した。第1の実施形態においては、誘電体に水をドープすることにより低音速膜を形成し、誘電体に水をドープせずに誘電体膜を形成した。他方、第1の比較例においては、誘電体に水をドープせずに誘電体膜及び低音速膜を形成した。第2の比較例においては、誘電体に水をドープせずに低音速膜を形成し、誘電体に水をドープすることにより誘電体膜を作成した。
次に、上記各弾性波装置のIMDレベルを測定した。この結果を下記の図3及び図4に示す。なお、第1の比較例の弾性波装置を、第1の実施形態との比較のとき及び第2の比較例との比較のときにそれぞれ作製し、各弾性波装置のIMDレベルの測定を行っている。
図3は、第1の比較例及び第2の比較例におけるIMDレベルを示す図である。図4は、第1の実施形態及び第1の比較例におけるIMDレベルを示す図である。図3において、三角形のプロットは第1の比較例の結果を示し、四角形のプロットは第2の比較例の結果を示す。図4において、三角形のプロットは第1の比較例の結果を示し、円形のプロットは第1の実施形態の結果を示す。
図3に示すように、第1の比較例及び第2の比較例においては、IMDレベルはほぼ変わらないことがわかる。第2の比較例のように、誘電体膜の水素原子濃度を高めても、IMDは改善されないことがわかる。
これに対して、図4に示すように、第1の実施形態においては、第1の比較例よりもIMDレベルが低いことがわかる。より具体的には、第1の実施形態では、1955MHz〜1970MHz付近の周波数領域においてIMDが抑制されている。このように、第1の実施形態においては、IMDを効果的に抑制することができる。
第1の実施形態においてIMDを抑制できることは、以下の理由によるものと考えられる。図1に示す低音速膜5における水素原子を含む材料からなることにより、低音速膜5における振動が抑制される。それによって、さらに、圧電体層6における不要な振動も抑制されることにより、IMDが抑制される。
本実施形態のように、誘電体膜8の水素原子濃度が1.49×1021atoms/cm以上であることが好ましい。この場合には、IMDをより一層抑制することができる。
低音速膜5及び誘電体膜8は酸化ケイ素を主成分とすることが好ましい。それによって、周波数温度特性(TCF)の絶対値を小さくすることができる。よって、温度変化に対する周波数の変動を抑制することができる。
低音速膜5内には、例えば、酸化チタンなどを含む接合層が設けられていてもよい。接合層は、圧電性基板2の形成に際し設けられる。なお、接合層は設けられていなくともよい。
上述したように、圧電性基板2は、支持基板3、高音速膜4、低音速膜5及び圧電体層6の積層体である。圧電体層6は、高音速材料層としての高音速膜4上に、低音速膜5を介して間接的に設けられている。もっとも、圧電性基板2の構成は上記に限定されない。以下において、圧電性基板の構成のみが第1の実施形態と異なる、第1の実施形態の第1の変形例及び第2の変形例を示す。第1の変形例及び第2の変形例においても、第1の実施形態と同様に、Q値が高く、かつIMDを抑制することができる。
図5に示す第1の変形例においては、高音速材料層は高音速支持基板24である。圧電性基板22は、高音速支持基板24と、高音速支持基板24上に設けられている圧電体層6とを有する。このように、圧電体層6は、高音速材料層としての高音速支持基板24上に直接的に設けられていてもよい。
高音速支持基板24の材料としては、例えば、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、シリコン、サファイア、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、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、マグネシア、DLC膜またはダイヤモンドなど、上記材料を主成分とする媒質を用いることができる。
図6に示す第2の変形例においては、圧電性基板23は、高音速支持基板24と、高音速支持基板24上に設けられている低音速膜5と、低音速膜5上に設けられている圧電体層6とを有する。
図7は、第2の実施形態に係る弾性波装置の模式的正面断面図である。
本実施形態は、誘電体膜38が水素原子を含む材料からなる点において、第1の実施形態と異なる。誘電体膜38はSiOを主成分とする。誘電体膜38において、水素原子は、例えば、シラノール基やヒドロキシル基などとして存在する。上記の点以外においては本実施形態の弾性波装置31は第1の実施形態の弾性波装置1と同様の構成を有する。なお、本実施形態においても、低音速膜5の水素原子濃度は誘電体膜38の水素原子濃度より高い。
第1の実施形態と同様に、弾性波装置31の圧電性基板2は、高音速膜4、低音速膜5及び圧電体層6がこの順序で積層された構成を有する。よって、Q値を高めることができる。加えて、低音速膜5の水素原子濃度が誘電体膜38の水素原子濃度より高いため、低音速膜5の水素原子濃度が十分に高い。よって、IMDを効果的に抑制することができる。
誘電体膜8の水素原子濃度は、1.46×1021atoms/cm以上であることが好ましい。それによって、IMDをより一層抑制することができる。
本実施形態においては、高音速材料層は高音速膜4である。もっとも、第1の実施形態の第2の変形例と同様に、高音速材料層は高音速支持基板24であってもよい。
上記各実施形態の弾性波装置は、高周波フロントエンド回路のデュプレクサなどとして用いることができる。この例を下記において説明する。
図8は、通信装置及び高周波フロントエンド回路の構成図である。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8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、Q値を高めることができ、かつIMD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、実施形態及びその変形例を挙げて説明したが、本発明は、上記実施形態及び変形例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…圧電性基板
3…支持基板
4…高音速膜
5…低音速膜
6…圧電体層
7…IDT電極
8…誘電体膜
9A,9B…反射器
16…第1のバスバー
17…第2のバスバー
18…第1の電極指
19…第2の電極指
22,23…圧電性基板
24…高音速支持基板
31…弾性波装置
38…誘電体膜
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 (10)

  1. 高音速材料層と、
    前記高音速材料層上に設けられている低音速膜と、
    前記低音速膜上に設けられている圧電体層と、
    前記圧電体層上に設けられているIDT電極と、
    を備え、
    前記高音速材料層を伝搬するバルク波の音速が前記圧電体層を伝搬する弾性波の音速よりも高く、
    前記低音速膜を伝搬するバルク波の音速が前記圧電体層を伝搬するバルク波の音速よりも低く、
    前記低音速膜が水素原子を含む材料からなる、弾性波装置。
  2. 前記低音速膜の水素原子濃度が1.46×1021atoms/cm以上である、請求項1に記載の弾性波装置。
  3. 前記圧電体層上に、前記IDT電極を覆うように設けられている誘電体膜をさらに備える、請求項1または2に記載の弾性波装置。
  4. 前記低音速膜の水素原子濃度が前記誘電体膜の水素原子濃度よりも高い、請求項3に記載の弾性波装置。
  5. 前記誘電体膜が酸化ケイ素を主成分とする材料からなる、請求項3または4に記載の弾性波装置。
  6. 支持基板をさらに備え、
    前記高音速材料層が、前記支持基板と前記低音速膜との間に設けられている高音速膜である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の弾性波装置。
  7. 前記高音速材料層が高音速支持基板である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の弾性波装置。
  8. 前記低音速膜が酸化ケイ素を主成分とする材料からなる、請求項1〜7のいずれか1項に記載の弾性波装置。
  9. 請求項1〜8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。
  10. 請求項9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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