JP2021141580A - バルク弾性波フィルタのための窒化アルミニウムドーパントスキーム - Google Patents

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Abstract

【課題】弾性波共振器の性能を高める、弾性波デバイスにおける基板として利用することができる圧電材料及び弾性波デバイス（ＦＢＡＲ）を含む弾性波フィルタを提供する。【解決手段】ＦＢＡＲ１００は、圧電材料１１５を含む弾性波共振器であって、圧電材料は、弾性波共振器の性能を高めるべく、ベリリウム（Ｂｅ）、ストロンチウム（Ｓｒ）及びナトリウム（Ｎａ）の一以上がドープされた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から形成される。また、弾性波共振器は、弾性波フィルタ及び弾性波フィルタを含む電子機器モジュール並びに電子機器モジュールを含む電子デバイスに用いられる。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本願は、その全体があらゆる目的のためにここに参照により組み入れられる２０２０年２月２８日に出願された「バルク弾性波フィルタのための窒化アルミニウムドーパントスキーム」との名称の米国仮特許出願第６２／９８３，１５２号に係る米国特許法セクション１１９（ｅ）の優先権を主張する。
本開示の実施形態は、弾性波デバイスにおける基板として利用することができる圧電材料に関し、かかる弾性波デバイスを含む弾性波フィルタに関する。
弾性波フィルタは、無線周波数信号をフィルタリングすることができる。弾性波フィルタは、無線周波数信号をフィルタリングするべく配列された複数の共振器を含み得る。共振器は、ラダー回路として配列することができる。弾性波フィルタの例は、弾性表面波（ＳＡＷ）フィルタ、バルク弾性波（ＢＡＷ）フィルタ及びラム波共振器フィルタを含む。薄膜バルク弾性波共振器（ＦＢＡＲ）フィルタは、ＢＡＷフィルタの一例である。ソリッドマウント共振器（ｓｏｌｉｄｌｙ ｍｏｕｎｔｅｄ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ（ＳＭＲ））フィルタは、ＢＡＷフィルタの他例である。
弾性波フィルタは、無線周波数電子システムに実装することができる。例えば、携帯電話機の無線周波数フロントエンドにおけるフィルタは、弾性波フィルタを含み得る。２つの弾性波フィルタをデュプレクサとして配列することができる。
一側面によれば、圧電材料を含む弾性波共振器が与えられる。この圧電材料は、弾性波共振器の性能を高めるべくベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、リチウム（Ｌｉ）、及びナトリウム（Ｎａ）の一以上がドープされた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から形成される。
いくつかの実施形態において、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｌｉ及びＮａのうちの当該一以上が、Ｓｉ及びＧｅの少なくとも一方と電荷バランスがとられ、当該材料は、Ａｌ１−２ｘＣａｘＳｉｘＮ（０＜ｘ＜１）、Ａｌ１−２ｘＣａｘＧｅｘＮ（０＜ｘ＜１）、Ａｌ１−２ｘＳｒｘＳｉｘＮ（０＜ｘ＜１）、Ａｌ１−２ｘＳｒｘＧｅｘＮ（０＜ｘ＜１）、Ａｌ１−２ｘＢｅｘＳｉｘＮ（０＜ｘ＜１）、Ａｌ１−２ｘＢｅｘＧｅｘＮ（０＜ｘ＜１）、Ａｌ１−２ｘＭｇｘＳｉｘＮ（０＜ｘ＜１）、Ａｌ１−２ｘＭｇｘＧｅｘＮ（０＜ｘ＜１）、Ａｌ１−２ｘＺｎｘＳｉｘＮ（０＜ｘ＜１）、Ａｌ１−２ｘＺｎｘＧｅｘＮ（０＜ｘ＜１）、Ａｌ１−３ｘＬｉｘＳｉ２ｘＮ（０＜ｘ＜１）、Ａｌ１−３ｘＬｉｘＧｅ２ｘＮ（０＜ｘ＜１）、Ａｌ１−３ｘＮａｘＳｉ２ｘＮ（０＜ｘ＜１）、又はＡｌ１−３ｘＮａｘＧｅ２ｘＮ（０＜ｘ＜１）のうちの一つからの化学式を有する。
いくつかの実施形態において、Ｓｉ及びＧｅの少なくとも一方が、ドープされたＡｌＮの結晶構造内のＡｌサイトを占有する。
いくつかの実施形態において、ＡｌＮは、ウルツ鉱又はひずんだウルツ鉱結晶構造を示す化合物によりドープされる。
いくつかの実施形態において、ＡｌＮはＣａＡｌＳｉＮ３によりドープされる。
いくつかの実施形態において、ドープされたＡｌＮは、Ａｌ１−２ｘＣａｘＳｉｘＮの化学式を有する。
他側面によれば、弾性波共振器を含む弾性波フィルタが与えられる。この弾性波共振器は、弾性波共振器の性能を高めるべくベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、リチウム（Ｌｉ）、及びナトリウム（Ｎａ）の一以上がドープされた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から形成される圧電材料を含む。
いくつかの実施形態において、弾性波フィルタは、ドープされたＡｌＮを含むバルク弾性波（ＢＡＷ）共振器を含む。
いくつかの実施形態において、ＢＡＷ共振器は、薄膜バルク弾性波共振器、ラム波共振器又は表面実装共振器の一つである。
いくつかの実施形態において、弾性波フィルタは無線周波数フィルタを含む。
いくつかの実施形態において、電子機器モジュールが弾性波フィルタを含む。
いくつかの実施形態において、電子デバイスが電子機器モジュールを含む。
他側面によれば、圧電材料を含む弾性波共振器が与えられる。この圧電材料は、弾性波共振器の性能を高めるべく、ベリリウム（Ｂｅ）、ストロンチウム（Ｓｒ）及びナトリウム（Ｎａ）の一以上がドープされた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から形成される。
いくつかの実施形態において、弾性波共振器は弾性波フィルタに含まれる。
いくつかの実施形態において、弾性波フィルタは、ドープされたＡｌＮを含むバルク弾性波（ＢＡＷ）共振器を含む。
いくつかの実施形態において、ＢＡＷ共振器は、薄膜バルク弾性波共振器、ラム波共振器又は表面実装共振器の一つである。
いくつかの実施形態において、弾性波フィルタは無線周波数フィルタを含む。
いくつかの実施形態において、弾性波フィルタは電子機器モジュールに含まれる。
いくつかの実施形態において、電子機器モジュールは電子デバイスに含まれる。
いくつかの実施形態において、Ｂｅ、Ｓｒ及びＮａの一以上は、Ｓｉ及びＧｅの少なくとも一方と電荷バランスがとられ、当該基板材料は、Ａｌ１−２ｘＳｒｘＳｉｘＮ（０＜ｘ＜１）、Ａｌ１−２ｘＳｒｘＧｅｘＮ（０＜ｘ＜１）、Ａｌ１−２ｘＢｅｘＳｉｘＮ（０＜ｘ＜１）、Ａｌ１−２ｘＢｅｘＧｅｘＮ（０＜ｘ＜１）、Ａｌ１−３ｘＮａｘＳｉ２ｘＮ（０＜ｘ＜１）又はＡｌ１−３ｘＮａｘＧｅ２ｘＮ（０＜ｘ＜１）のうちの一つからの化学式を有する。
いくつかの実施形態において、圧電材料はウルツ鉱結晶構造を有する。
他側面によれば、弾性波共振器を形成する方法が与えられる。この方法は、ベリリウム（Ｂｅ）、ストロンチウム（Ｓｒ）及びナトリウム（Ｎａ）の一以上がドープされた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から形成された圧電膜に電極を堆積することを含む。
いくつかの実施形態において、圧電膜に電極を堆積することは、当該圧電膜の頂面に第１電極を堆積することと、当該圧電膜の底面に第２電極を堆積することとを含む。
いくつかの実施形態において、弾性波共振器は薄膜バルク弾性波共振器であり、方法はさらに、圧電膜の下面の下にキャビティを画定することも含む。
いくつかの実施形態において、弾性波共振器はラム波共振器であり、圧電膜の頂面に第１電極を堆積することは、圧電膜の頂面にインターディジタルトランスデューサ電極を堆積することを含む。
いくつかの実施形態において、弾性波共振器はソリッドマウント共振器であり、方法はさらに、ブラッグ反射器の頂面に圧電膜を形成することを含む。
他側面によれば、ベリリウム（Ｂｅ）、ストロンチウム（Ｓｒ）及びナトリウム（Ｎａ）の一以上がドープされた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含む圧電材料が与えられる。
いくつかの実施形態において、Ｂｅ、Ｓｒ及びＮａの一以上は、Ｓｉ及びＧｅの少なくとも一方と電荷バランスがとられ、圧電材料は、
Ａｌ１−２ｘＳｒｘＳｉｘＮ（０＜ｘ＜１）、
Ａｌ１−２ｘＳｒｘＧｅｘＮ（０＜ｘ＜１）、
Ａｌ１−２ｘＢｅｘＳｉｘＮ（０＜ｘ＜１）、
Ａｌ１−２ｘＢｅｘＧｅｘＮ（０＜ｘ＜１）、
Ａｌ１−３ｘＮａｘＳｉ２ｘＮ（０＜ｘ＜１）又は
Ａｌ１−３ｘＮａｘＧｅ２ｘＮ（０＜ｘ＜１）のうちの一つからの化学式を有する。
いくつかの実施形態において、圧電材料はウルツ鉱結晶構造を有する。
本開示の複数の実施形態が、添付図面を参照する非限定的な例を介して以下に記載される。
薄膜バルク弾性波共振器の一例の断面図である。 ラム波共振器の一例の断面図である。 表面実装共振器の一例の断面図である。 バルク弾性波共振器における使用のための圧電材料を形成する窒化アルミニウムにドープするべく利用し得る選択される化合物の表である。 バルク弾性波共振器において圧電材料として使用し得る化合物、又はバルク弾性波共振器における使用のための圧電材料を形成する窒化アルミニウムをドープするべく利用し得る化合物の表である。 バルク弾性波共振器において圧電材料として使用し得る化合物、又はバルク弾性波共振器における使用のための圧電材料を形成する窒化アルミニウムをドープするべく利用し得る化合物の表である。 バルク弾性波共振器における圧電材料として使用し得る材料の結晶構造を示す。 バルク弾性波共振器における圧電材料として使用し得る材料の結晶構造を示す。 バルク弾性波共振器における圧電材料として使用し得る材料の結晶構造を示す。 バルク弾性波共振器における圧電材料として使用し得る材料の結晶構造を示す。 無線周波数フィルタの一例を示す。 電子機器モジュールの一実施形態を示す。 電子デバイスにおいて使用され得るフロントエンドモジュールの一例を示す。 電子デバイスの一例を示す。 Ｃａ及びＳｉがドープされたＡｌのヤング率のシミュレーション結果を、ＡｌＮのヤング率、及びＳｃがドープされたＡｌＮのヤング率と比較して示す。
所定の実施形態の以下の説明は、特定の実施形態の様々な記載を表す。しかしながら、ここに記載のイノベーションは、例えば特許請求の範囲によって画定され及びカバーされる多数の異なる態様で具体化することができる。本記載において、同じ参照番号が同一の又は機能的に類似の要素を示し得る図面が参照される。理解されることだが、図面に示される要素は必ずしも縮尺どおりではない。さらに理解されることだが、所定の実施形態は、図面に示されるよりも多くの要素を含んでよく、及び／又は図面に示される要素の部分集合を含んでよい。さらに、いくつかの実施形態は、２つ以上の図面からの特徴のいずれかの適切な組み合わせを組み入れてよい。
薄膜バルク弾性波共振器（ＦＢＡＲ）は、一般に頂部電極と底部電極との間に挟まれた圧電材料の膜を含むバルク弾性波共振器の一形態であり、当該圧電材料の膜はキャビティの上に懸架されて振動が許容される。頂部電極及び底部電極間に適用される信号が弾性波を発生させて圧電材料の膜を通るように進行させる。ＦＢＡＲは、適用された信号に対し、圧電材料の膜の厚さによって決定される共振ピークを有する周波数応答を示す。理想的には、ＦＢＡＲにおいて発生する弾性波のみが、頂部電極及び底部電極を形成する導電材料の層に直交する方向において圧電材料を通るように進行する主要弾性波である。しかしながら、ＦＢＡＲの圧電材料は、非ゼロのポアソン比を有するのが典型的である。主要弾性波の通過に関連付けられた圧電材料の圧縮及び弛緩は、当該主要弾性波の伝播方向に直交する方向において当該圧電材料の圧縮及び弛緩を引き起こし得る。主要弾性波の伝播方向に直交する方向における圧電材料の圧縮及び弛緩は、当該主要弾性波に直交する（電極膜の表面に平行となる）ように圧電材料を通る横弾性波を生成し得る。横弾性波は反射されて、主要弾性波が伝播するエリアに戻されるので、当該主要弾性波と同じ方向に進行するスプリアス弾性波を誘発させ得る。こうしたスプリアス弾性波は、ＦＢＡＲの周波数応答を、予測されるものよりも又は意図されるものよりも劣化させ得るので、一般に望ましくないとみなされる。
図１は、一般に１００で示されるＦＢＡＲの一例の断面図である。ＦＢＡＲ１００は、基板１１０上に配置される。基板１１０は例えば、例えば二酸化ケイ素の誘電表面層１１０Ａを含み得るシリコン基板である。ＦＢＡＲ１００は、圧電材料１１５、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の層又は膜を含む。頂部電極１２０は、圧電材料１１５の層又は膜の一部分の上に配置され、底部電極１２５は、圧電材料１１５の層又は膜の一部分の下に配置される。頂部電極１２０は、例えばルテニウム（Ｒｕ）から形成されてよい。底部電極１２５は、圧電材料１１５の層又は膜の一部分の下に接触するように配置されたＲｕの層１２５Ａと、圧電材料１１５の層又は膜の当該一部分の下に接触するＲｕの層１２５Ａの一側に対向してＲｕの層１２５Ａの下側に配置されたチタン（Ｔｉ）の層１２５Ｂとを含み得る。頂部電極１２０及び底部電極１２５はそれぞれが、誘電材料１３０、例えば二酸化ケイ素の層に覆われてよい。キャビティ１３５が、底部電極１２５と基板１１０の表面層１１０Ａとを覆う誘電材料１３０の層の下方に画定される。例えば銅から形成される底部電気接点１４０は、底部電極１２５との電気接続をなし、例えば銅から形成される頂部電気接点１４５は、頂部電極１２０との電気接続をなす。
ＦＢＡＲ１００は、動作中に主要弾性波が励振される圧電材料１１５の層又は膜において主要アクティブドメインを含む中心領域１５０を含み得る。中心領域は、例えば約２０μｍから約１００μｍの幅を有し得る。単数又は複数の陥凹枠領域１５５は、中心領域１５０の側方範囲の境界を定めて当該側方範囲を画定し得る。陥凹フレーム領域は、例えば約１μｍの幅を有し得る。陥凹フレーム領域１５５は、頂部電極１２０の上に、中心領域１５０よりも誘電材料１３０の薄い層を有するエリアによって画定され得る。陥凹フレーム領域１５５における誘電材料層１３０は、中心領域１５０における誘電材料層１３０よりも約１０ｎｍから約１００ｎｍだけ薄くてよい。陥凹フレーム領域１５５対中心領域１５０の誘電材料の厚さの差により、陥凹フレーム領域１５５におけるデバイスの共振周波数が、中心領域１５０におけるデバイスの共振周波数よりも約５ＭＨｚから約５０ＭＨｚだけ高くなり得る。いくつかの実施形態において、中心領域１５０における誘電材料層１３０の厚さは約２００ｎｍから約３００ｎｍとしてよく、陥凹フレーム領域１５５における誘電材料層１３０の厚さは約１００ｎｍとしてよい。陥凹フレーム領域１５５における誘電膜３００は、中心領域１５０と陥凹フレーム領域１５５との所望の音速差を達成するべく製造中にエッチングされるのが典型的である。したがって、中心領域１５０及び陥凹フレーム領域１５５双方に最初に堆積された誘電膜３００は、中心領域１５０と陥凹フレーム領域１５５とでの誘電膜３００の厚さの所望差を達成するべく十分な陥凹フレーム領域１５５における誘電膜３００のエッチングを許容するのに十分な厚さで堆積される。これにより、当該領域間で所望の音速差が達成される。
単数又は複数の隆起フレーム領域１６０が、陥凹フレーム領域１５５の、中心領域１５０から反対側に画定され、陥凹枠領域１５５の外側エッジに直接当接し得る。隆起フレーム領域は、例えば約１μｍの幅を有し得る。隆起フレーム領域１６０は、頂部電極１２０ｉが中心領域１５０及び陥凹フレーム領域１５５においてよりも厚いエリアによって画定することができる。頂部電極１２０は、中心領域１５０及び陥凹フレーム領域１５５において同じ厚さを有してよいが、隆起フレーム領域１６０においては大きな厚さを有する。頂部電極１２０は、隆起フレーム領域１６０において、中心領域１５０及び／又は陥凹フレーム領域１５５においてよりも約５０ｎｍから約５００ｎｍだけ厚くてよい。いくつかの実施形態において、中心領域における頂部電極の厚さは、５０〜５００ｎｍとしてよい。
陥凹フレーム領域１５５及び隆起フレーム領域１６０は、動作中にＦＢＡＲ１００において発生する横弾性波の散逸又は散乱に寄与し、及び／又は伝播する横波を陥凹フレーム領域１５５及び隆起フレーム領域１６０の外側に反射させ、当該横弾性波が中心領域に入り込んでスプリアス信号をＦＢＡＲの主要アクティブドメイン領域に誘発させることを防止することができる。特定の理論に拘束されるわけではなく、陥凹フレーム領域１５５における頂部電極１２０の上にある誘電材料１３０の薄い層に起因して、陥凹フレーム領域１５５は、中心領域１５０よりも高い弾性波伝播速度を示すと考えられている。これとは逆に、隆起フレーム領域１６０における頂部電極１２０の増加した厚さ及び質量に起因して、隆起フレーム領域１６０は、中心領域１５０よりも低い弾性波伝播速度、及び陥凹枠領域１５５よりも低い弾性波伝播速度を示し得る。陥凹フレーム領域１５５と隆起フレーム領域１６０との弾性波速度の不連続により、横弾性波を散乱、抑制及び／又は反射させる障壁がもたらされる。
ＢＡＷ共振器の他の形態が、ラム波弾性波共振器である。ラム波共振器は、弾性表面波（ＳＡＷ）共振器の特徴とＢＡＷ共振器の特徴とを組み合わせることができる。ラム波共振器は典型的に、ＳＡＷ共振器と同様のインターディジタルトランスデューサ（ＩＤＴ）電極を含む。したがって、ラム波共振器の周波数は、リソグラフィーにより画定することができる。ラム波共振器は、（例えば懸架構造に起因して）ＢＡＷ共振器と同様に、相対的に高い品質係数（Ｑ）及び相対的に高い位相速度を達成することができる。ＡｌＮ圧電層を含むラム波共振器は、他の回路に一体化することは相対的に容易である。これは例えば、ＡｌＮプロセス技術が、金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）プロセス技術と整合し得るからである。ＡｌＮラム波共振器により、ＳＡＷ共振器に関連付けられる相対的に低い共振周波数限界及び一体化困難性を克服することができ、ＢＡＷ共振器に関連付けられる多重周波数能力困難性も克服することができる。いくつかのラム波共振器トポロジーは、周期的反射格子からの音響反射に基づく。いくつかの他のラム波共振器トポロジーは、圧電層の懸架自由エッジからの音響反射に基づく。
ラム波弾性波共振器の一例が、図２において一般に２００で示される。ラム波共振器２００は、ＳＡＷ共振器及びＦＢＡＲの特徴を含む。図示のように、ラム波共振器２００は、圧電層２０５、圧電層２０５上のインターディジタルトランスデューサ電極（ＩＤＴ）２１０、及び圧電層２０５の下面に配置された下側電極２１５を含む。圧電層２０５は薄膜としてよい。圧電層２０５は窒化アルミニウム層としてよい。他例において、圧電層２０５は、任意の適切な圧電層としてよい。ラム波共振器の共振周波数は、ＩＤＴ２１０の寸法に基づき得る。電極２１５は、所定例において接地してよい。いくつかの他例において、電極２１５は浮遊としてよい。電極２１５と基板２２５との間に、エアキャビティ２２０が配置される。エアキャビティ２２０の代わりに、任意の適切なキャビティ、例えば真空キャビティ又は異なる気体が充填されたキャビティ、を実装することができる。
ＢＡＷ共振器の他の形態は、表面実装共振器（ＳＭＲ）である。ＳＭＲの一例が、図３において一般に３００で示される。図示のように、ＳＭＲ３００は、圧電層３０５と、圧電層３０５上の上側電極３１０と、圧電層３０５の下面の下側電極３１５とを含む。圧電層３０５は窒化アルミニウム層としてよい。他例において、圧電層３０５は、任意の適切な圧電層としてよい。下側電極３１５は、所定例において接地してよい。いくつかの他例において、下側電極３１５は浮遊としてよい。ブラッグ反射器３２０が、下側電極３１５と半導体基板３２５との間に配置される。半導体基板３２５はシリコン基板としてよい。任意の適切なブラッグ反射器を実装することができる。例えば、ブラッグ反射器はＳｉＯ２／Ｗとしてよい。
上述したＢＡＷ共振器において、圧電層はそれぞれがＡｌＮから形成され得る。発見されていることだが、ここに開示されるＢＡＷ共振器の動作特性、例えば結合係数及び／又は品質係数は、一以上のドーパント成分を、圧電層それぞれを形成するＡｌＮに加えることによって改善することができる。図４は、ＡｌＮをドープするべく使用され得る様々な化合物（「端成分（Ｅｎｄ ｍｅｍｂｅｒ）」欄）と、ＢＡＷ共振器において圧電材料として利用され得る被ドープ物質の結果的な化学式（「固溶体系列（Ｓｏｌｉｄ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｓｅｒｉｅｓ）」欄）との表を含む。図５Ａ及び図５Ｂは、ＢＡＷ共振器における使用のための圧電材料を形成するＡｌＮに対するドーパントとして使用され得る、又はそれ自体がＢＡＷ共振器における圧電材料として使用され得る付加的なウルツ鉱関連窒化化合物の表である。図５Ａ及び図５Ｂの表はＯｔｔｉｎｇｅｒのＤｏｃｔｏｒａｌ Ｔｈｅｓｉｓ（２００４）Ｄｉｓｓ．ＥＴＨ Ｎｒ．１５６２４から得られた。
ＢＡＷ共振器において圧電材料として使用される窒化スカンジウム（ＳｃＮ）がドープされた窒化アルミニウムが当該ＢＡＷ共振器の動作特性を、圧電層に対してドープなしＡｌＮを利用する同様のＢＡＷ共振器と比較して改善することがわかっている。特定の理論に拘束されるわけではないが、Ｓｃの電気陽性特性が、圧電層に対してＳｃがドープされたＡｌＮを利用するＢＡＷ共振器の動作特性の改善に寄与し得ると考えられる。したがって、Ｓｃよりもさらに電気陽性の高い元素をＡｌＮにドープすることにより、ＢＡＷ共振器における使用のためにＳｃドープＡｌＮよりも優れた圧電材料を得ることができる。ＡｌＮにおけるドーパントに対し、ジルコニアのような代替元素の代わりにシリカにより電荷補償することにより、ＳｉがＡｌを置換し得るＡｌＮ結晶構造の四面体サイトへの良好な適合を得ることができる。これにより、ＳｃがドープされたＡｌＮ又はＭｇ／Ｚｒが共ドープされたＡｌＮと比べてＢＡＷ共振器において高い品質係数を示す圧電材料を得ることができる。ウルツ鉱又はひずんだウルツ鉱構造を有するドーパント化合物（「端成分」）は、岩塩構造ＳｃＮにより達成可能なドーパント濃度よりも、ＡｌＮに固溶体を維持する広範囲のドーパント濃度を示し得る。
ＢＡＷ共振器における圧電材料のために有利に使用され得る選択された材料の結晶構造が図６Ａ〜図６Ｄに示される。図６Ａは、Ｓｒ０．９９Ｅｕ０．０１ＡｌＳｉＮ３の結晶構造を示す。図６Ｂは、Ａｌ／Ｓｉ中心窒素四面体により示されるＳｒ０．９９Ｅｕ０．０１ＡｌＳｉＮ３の結晶構造の投影表現である。図６Ｃは、Ｎ２中心Ｓｒ／Ｅｕ−Ａｌ／Ｓｉ八面体におけるＳｒ０．９９Ｅｕ０．０１ＡｌＳｉＮ３の結晶構造表現である。図６Ｄは、ａｂ面に投影したＣａＡｌＳｉＮ３の結晶構造とＳｒ０．９９Ｅｕ０．０１ＡｌＳｉＮ３の結晶構造との比較である。図６Ａ〜図６Ｄは、ＷａｔａｎａｂｅらのＪ．Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｃｈｅｍ．１８１，１８４８（２００８）から得られた。
なお、これらの図に示されるＢＡＷ共振器は、高度に単純化された形式で示されている。異なる特徴物の相対的な寸法は、縮尺どおりに示されるわけではない。さらに、典型的なＢＡＷ共振器は、例示されない付加的な特徴物又は層を含み得る。
いくつかの実施形態において、ここに開示される多数のＢＡＷ共振器が組み合わされて、例えば、図７に模式的に示される複数の直列共振器Ｒ１、Ｒ３、Ｒ５、Ｒ７及びＲ９と複数の並列（又はシャント）共振器Ｒ２、Ｒ４、Ｒ６及びＲ８を含むＲＦラダーフィルタのようなフィルタになる。示されるように、複数の直列共振器Ｒ１、Ｒ３、Ｒ５、Ｒ７及びＲ９は、ＲＦラダーフィルタの入力部と出力部との間に直列に接続され、複数の並列共振器Ｒ２、Ｒ４、Ｒ６及びＲ８はそれぞれが、直列共振器とグランドとの間にシャント構成で接続される。例えばデュプレクサ、バラン等のようなＢＡＷデバイス又は共振器を含み得る業界周知の他のフィルタ構造及び他の回路構造もまた、ここに開示されるＢＡＷ共振器の複数例を含むように形成することができる。
ここに説明される弾性波デバイスは、様々なパッケージ状モジュールに実装することができる。ここに説明されるパッケージ状弾性波デバイスの任意の適切な原理及び利点を実装することができるパッケージ状モジュールのいくつかの例を以下に説明する。図８、９及び１０は、所定の実施形態に係る例示的なパッケージ状モジュール及びデバイスの模式的なブロック図である。
上述したように、開示のＢＡＷ共振器の複数の実施形態は、例えばフィルタとして又はフィルタにおいて構成することができる。同様に、一以上のＢＡＷ素子を使用するＢＡＷフィルタは、例えば無線通信デバイスのような電子デバイスにおいて究極的に使用することができるモジュールに組み入れて当該モジュールとしてパッケージ状にすることができる。図８は、ＢＡＷフィルタ４１０を含むモジュール４００の一例を示すブロック図である。ＢＡＷフィルタ４１０は、一以上の接続パッド４２２を含む一以上のダイ４２０上に実装してよい。例えば、ＢＡＷフィルタ４１０は、ＢＡＷフィルタ用の入力接点に対応する接続パッド４２２と、ＢＡＷフィルタ用の出力接点に対応する他の接続パッド４２２とを含み得る。パッケージ状モジュール４００は、ダイ４２０を含む複数のコンポーネントを受容するように構成されたパッケージ基板４３０を含む。複数の接続パッド４３２をパッケージ基板４３０上に配置することができ、ＢＡＷフィルタダイ４２０の様々な接続パッド４２２を、電気コネクタ４３４を介してパッケージ基板４３０上の接続パッド４３２に接続することができる。電気コネクタ４３４は、様々な信号のＢＡＷフィルタ４１０への又はＢＡＷフィルタ４１０からの通過を許容するべく、例えば、はんだバンプ又はワイヤボンドとしてよい。モジュール４００はさらに、オプションとして、ここでの開示に鑑みて半導体製作の当業者に知られるような、例えば一つ以上の付加フィルタ、増幅器、前置フィルタ、変調器、復調器、ダウンコンバータ等のような他の回路ダイ４４０を含んでよい。いくつかの実施形態において、モジュール４００はまた、例えばモジュール４００の保護を与えて容易な扱いを促すための、一つ以上のパッケージ構造物を含み得る。このようなパッケージ構造物は、パッケージ基板４３０を覆うように形成されて様々な回路及び部品を実質的に封入する寸法とされたオーバーモールドを含み得る。
ＢＡＷフィルタ４１０の様々な例及び実施形態は、広範な電子デバイスにおいて使用することができる。例えば、ＢＡＷフィルタ４１０は、アンテナデュプレクサにおいて使用することができる。アンテナデュプレクサ自体は、ＲＦフロントエンドモジュール及び通信デバイスのような様々な電子デバイスに組み入れることができる。
図９を参照すると、例えば無線通信デバイス（例えば携帯電話機）のような電子デバイスにおいて使用できるフロントエンドモジュール５００の一例のブロック図が例示される。フロントエンドモジュール５００は、共通ノード５０２、入力ノード５０４及び出力ノード５０６を有するアンテナデュプレクサ５１０を含む。アンテナ６１０が共通ノード５０２に接続される。
アンテナデュプレクサ５１０は、入力ノード５０４と共通ノード５０２との間に接続された一つ以上の送信フィルタ５１２と、共通ノード５０２と出力ノード５０６との間に接続された一つ以上の受信フィルタ５１４とを含み得る。送信フィルタの通過帯域は、受信フィルタの通過帯域と異なる。ＢＡＷフィルタ４１０の複数例を、送信フィルタ５１２及び／又は受信フィルタ５１４を形成するべく使用することができる。インダクタ又は他の整合コンポーネント５２０を、共通ノード５０２に接続してよい。
フロントエンドモジュール５００はさらに、デュプレクサ５１０の入力ノード５０４に接続された送信器回路５３２と、デュプレクサ５１０の出力ノード５０６に接続された受信器回路５３４とを含む。送信器回路５３２は、アンテナ６１０を介した送信のための信号を生成することができ、受信器回路５３４は、アンテナ６１０を介して信号を受信し、受信した信号を処理することができる。いくつかの実施形態において、受信器回路及び送信器回路は、図９に示されるように別個のコンポーネントとして実装されるが、他実施形態においてこれらのコンポーネントは、共通送受信器回路又はモジュールに一体化され得る。当業者にわかることだが、フロントエンドモジュール５００は、図９に例示されない他のコンポーネント（スイッチ、電磁結合器、増幅器、プロセッサ等を含むがこれらに限られない）を含んでよい。
図１０は、図９に示されるアンテナデュプレクサ５１０を含む無線デバイス６００の一例のブロック図である。無線デバイス６００は、セルラー電話機、スマートフォン、タブレット、モデム、通信ネットワーク、又は音声若しくはデータ通信用に構成された任意の他の携帯若しくは非携帯デバイスとしてよい。無線デバイス６００は、アンテナ６１０から信号を受信及び送信することができる。無線デバイスは、図９を参照して上述されたものと同様のフロントエンドモジュール５００の一実施形態を含む。フロントエンドモジュール５００は、上述したデュプレクサ５１０を含む。図１０に示される例において、フロントエンドモジュール５００はさらに、アンテナスイッチ５４０を含む。アンテナスイッチ８４０は、例えば送信モード及び受信モードのような、異なる周波数帯域又はモード間の切り替えをするべく構成することができる。図１０に示される例において、アンテナスイッチ５４０は、デュプレクサ５１０とアンテナ６１０との間に位置決めされるが、他例においてデュプレクサ５１０は、アンテナスイッチ５４０とアンテナ６１０との間に位置決めしてもよい。他例において、アンテナスイッチ５４０とデュプレクサ５１０とは一体化して一つのコンポーネントにすることができる。
フロントエンドモジュール５００は、送信を目的として信号生成するべく、又は受信した信号を処理するべく構成された送受信器５３０を含む。送受信器５３０は、図９の例に示されるように、デュプレクサ５１０の入力ノード５０４に接続され得る送信器回路５３２と、デュプレクサ５１０の出力ノード５０６に接続され得る受信器回路５３４とを含み得る。
送信器回路５３２による送信のために生成された信号は、送受信器５３０からの生成信号を増幅する電力増幅器（ＰＡ）モジュール５５０によって受信される。電力増幅器モジュール５５０は、一以上の電力増幅器を含み得る。電力増幅器モジュール５５０は、多様なＲＦ又は他の周波数帯域の送信信号を増幅するべく使用することができる。例えば、電力増幅器モジュール５５０は、無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）信号又は任意の他の適切なパルス信号の送信に役立つように電力増幅器の出力をパルスにするべく使用されるイネーブル信号を受信することができる。電力増幅器モジュール５５０は、例えばＧＳＭ（Ｇｌｏｂａｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｍｏｂｉｌｅ）（登録商標）信号、ＣＤＭＡ（ｃｏｄｅ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ａｃｃｅｓｓ）信号、Ｗ−ＣＤＭＡ信号、ロングタームエボリューション（ＬＴＥ）信号、又はＥＤＧＥ信号を含む様々なタイプの信号のいずれかを増幅するべく構成することができる。所定の実施形態において、電力増幅器モジュール５５０及びスイッチ等を含む関連コンポーネントは、例えば高電子移動度トランジスタ（ｐＨＥＭＴ）又は絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＢｉＦＥＴ）を使用するヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）基板上に作製し、又は相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）電界効果トランジスタを使用するシリコン基板上に作製することができる。
依然として図１０を参照すると、フロントエンドモジュール５００はさらに、低雑音増幅器モジュール５６０を含み得る。これは、アンテナ６１０からの受信信号を増幅してその増幅信号を、送受信器５３０の受信器回路５３４に与える。
図１０の無線デバイス６００はさらに、送受信器５３０に接続されて無線デバイス６００の動作のために電力を管理する電力管理サブシステム６２０を含む。電力管理システム６２０はまた、無線デバイス６００のベース帯域サブシステム６３０及び様々な他のコンポーネントの動作を制御することもできる。電力管理システム６２０は、無線デバイス６００の様々なコンポーネントのために電力を供給する電池（図示せず）を含み、又はこれに接続され得る。電力管理システム６２０はさらに、例えば信号の送信を制御することができる一以上のプロセッサ又は制御器を含み得る。一実施形態において、ベース帯域サブシステム６３０は、ユーザに与えられ又はユーザから受け取る音声及び／又はデータの様々な入力及び出力を容易にするユーザインタフェイス６４０に接続される。ベース帯域サブシステム６３０はまた、無線デバイスの動作を容易にし及び／又はユーザのための情報記憶を与えるデータ及び／又は命令を記憶するように構成されたメモリ６５０に接続することもできる。上述された実施形態のいずれもが、セルラーハンドセットのような携帯デバイスに関連して実装することができる。実施形態の原理及び利点は、ここに説明される実施形態のいずれかから有益となり得る任意のアップリンク無線通信デバイスのような、任意のシステム又は装置によって使用することができる。ここでの教示は、様々なシステムに適用可能である。本開示がいくつかの実施形態例を含むにもかかわらず、ここに説明される教示は、様々な構造に適用することができる。ここに説明される原理及び利点はいずれも、約４５０ＭＨｚ〜６ＧＨｚの範囲のような、約３０ｋＨｚ〜３００ＧＨｚの範囲にある信号を処理するべく構成されたＲＦ回路に関連して実装することができる。
本開示の複数の側面は、様々な電子デバイスに実装することができる。電子デバイスの例は、消費者用電子製品、パッケージ状無線周波数モジュールのような消費者用電子製品の部品、アップリンク無線通信デバイス、無線通信インフラストラクチャ、電子試験機器等を含むがこれらに限られない。電子デバイスの例は、スマートフォンのような携帯電話機、スマートウォッチ又はイヤーピースのような装着可能コンピューティングデバイス、電話機、テレビ、コンピュータモニタ、コンピュータ、モデム、ハンドヘルドコンピュータ、ラップトップコンピュータ、タブレットコンピュータ、電子レンジ、冷蔵庫、自動車用電子システムのような車載電子システム、ステレオシステム、デジタル音楽プレーヤー、ラジオ、デジタルカメラのようなカメラ、携帯メモリーチップ、洗濯機、乾燥機、洗濯／乾燥機、コピー機、ファクシミリ機、スキャナ、多機能周辺デバイス、腕時計、置き時計等を含むがこれらに限られない。さらに、電子デバイスは未完成の製品も含んでよい。
例
式Ａｌ０．８７５Ｃａ０．０６２５Ｓｉ０．０６２５Ｎを有する材料の予測されるヤング率を、式Ａｌ０．８７５Ｓｃ０．１２５Ｎを有する材料のヤング率、及びドープなしＡｌＮのヤング率に対して決定するべくシミュレーションが実行された。このシミュレーションの結果が図１１に示される。図示されるように、Ａｌ０．８７５Ｃａ０．０６２５Ｓｉ０．０６２５Ｎ材料は、ドープなしＡｌＮのヤング率よりも小さいが、Ａｌ０．８７５Ｓｃ０．１２５Ｎのヤング率よりも大きいヤング率を有することが予測される。
本明細書及び特許請求の範囲全体にわたり、文脈上そうでないことが明らかに必要とされない限り、「含む」、「備える」、「包含する」等の単語は一般に、排他的又は網羅的な意味とは反対の包括的意味に、すなわち「〜を含むがこれらに限られない」との意味に解釈すべきである。ここで一般に使用される単語「結合」は、直接接続されるか又は一以上の中間要素を介して接続されるかのいずれかとなり得る２つ以上の要素を言及する。同様に、ここで一般に使用される単語「接続」は、直接接続されるか又は一以上の中間要素を介して接続されるかのいずれかとなり得る２つ以上の要素を言及する。加えて、単語「ここ」、「上」、「下」及び同様の趣旨の単語は、本願において使用される場合、本願全体を言及し、本願の任意の固有部分を言及するわけではない。文脈が許容する場合、単数又は複数を使用する上述の詳細な説明における用語はそれぞれ、複数又は単数をも含み得る。２つ以上の項目のリストを言及する単語「又は」及び「若しくは」は、当該単語の以下の解釈のすべてをカバーする。すなわち、当該リストの任意の項目、当該リストのすべての項目、及び当該リストの項目の任意の組み合わせである。
さらに、とりわけ「できる」、「し得る」、「してよい」、「かもしれない」、「例えば」、「のような」等のようなここに記載の条件付き言語は一般に、特にそうでないことが述べられ、又は使用の文脈上そうでないことが理解される場合を除き、所定の実施形態が所定の特徴、要素及び／又は状態を含む一方で他の実施形態がこれらを含まないことを伝えるように意図される。すなわち、かかる条件的言語は、特徴、要素及び／若しくは状態が一以上の実施形態にとって必要な任意の態様にあること、又は一以上の実施形態が必ず、筆者のインプット若しくは促しありで若しくはなしで、これらの特徴、要素及び／若しくは状態が任意の固有実施形態に含まれ若しくは当該実施形態で行われるか否かを決定するロジックを含むこと、を示唆することを一般には意図しない。
所定の実施形態が記載されてきたが、これらの実施形態は、例示により提示されたにすぎないので、本開示の範囲を制限することを意図しない。実際のところ、ここに記載される新規な方法、装置及びシステムは、様々な他の形態で具体化することができる。さらに、ここに記載される方法及びシステムの形態における様々な省略、置換及び変更が、本開示の要旨から逸脱することなくなし得る。例えば、複数のブロックが所与の配列で提示されるが、代替実施形態は、異なる部品及び／又は回路トポロジーで同様の機能を果たすことができ、いくつかのブロックは削除、移動、追加、細分化、結合、及び／又は修正することができる。これらのブロックそれぞれを、様々な異なる態様で実装することができる。上述した様々な実施形態の要素及び工程の任意の適切な組み合わせを、さらなる実施形態を与えるように組み合わせることができる。添付の特許請求の範囲及びその均等物が、本開示の範囲及び要旨に収まるかかる形態又は修正をカバーすることが意図される。

Claims (17)

  1. 圧電材料を含む弾性波共振器であって、前記圧電材料は、前記弾性波共振器の性能を高めるべく、ベリリウム（Ｂｅ）、ストロンチウム（Ｓｒ）及びナトリウム（Ｎａ）の一以上がドープされた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から形成される、弾性波共振器。
  2. 前記Ｂｅ、Ｓｒ及びＮａの一以上は、Ｓｉ及びＧｅの少なくとも一方と電荷バランスがとられ、前記基板材料は、
    Ａｌ１−２ｘＳｒｘＳｉｘＮ（０＜ｘ＜１）、
    Ａｌ１−２ｘＳｒｘＧｅｘＮ（０＜ｘ＜１）、
    Ａｌ１−２ｘＢｅｘＳｉｘＮ（０＜ｘ＜１）、
    Ａｌ１−２ｘＢｅｘＧｅｘＮ（０＜ｘ＜１）、
    Ａｌ１−３ｘＮａｘＳｉ２ｘＮ（０＜ｘ＜１）又は
    Ａｌ１−３ｘＮａｘＧｅ２ｘＮ（０＜ｘ＜１）のうちの一つからの化学式を有する、請求項１の弾性波共振器。
  3. 請求項１の弾性波共振器を含む弾性波フィルタ。
  4. 前記ドープがされたＡｌＮを含むバルク弾性波（ＢＡＷ）共振器を含む、請求項３の弾性波フィルタ。
  5. 前記ＢＡＷ共振器は、薄膜バルク弾性波共振器、ラム波共振器又は表面実装共振器の一つである、請求項４の弾性波フィルタ。
  6. 無線周波数フィルタを含む請求項４の弾性波フィルタ。
  7. 請求項６の弾性波フィルタを含む電子機器モジュール。
  8. 請求項７の電子機器モジュールを含む電子デバイス。
  9. 前記圧電材料はウルツ鉱結晶構造を有する、請求項１の弾性波共振器。
  10. 弾性波共振器を形成する方法であって、ベリリウム（Ｂｅ）、ストロンチウム（Ｓｒ）及びナトリウム（Ｎａ）の一以上がドープされた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から形成された圧電膜に電極を堆積することを含む、方法。
  11. 前記圧電膜に前記電極を堆積することは、前記圧電膜の頂面に第１電極を堆積することと、前記圧電膜の底面に第２電極を堆積することとを含む、請求項１０の方法。
  12. 前記弾性波共振器は薄膜バルク弾性波共振器であり、前記方法はさらに、前記圧電膜の下面の下にキャビティを画定することを含む、請求項１１の方法。
  13. 前記弾性波共振器はラム波共振器であり、前記圧電膜の頂面に前記第１電極を堆積することは、前記圧電膜の頂面にインターディジタルトランスデューサ電極を堆積することを含む、請求項１１の方法。
  14. 前記弾性波共振器はソリッドマウント共振器であり、前記方法はさらに、ブラッグ反射器の頂面に前記圧電膜を形成することを含む、請求項１１の方法。
  15. ベリリウム（Ｂｅ）、ストロンチウム（Ｓｒ）及びナトリウム（Ｎａ）の一以上がドープされた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含む圧電材料。
  16. 前記Ｂｅ、Ｓｒ及びＮａの一以上は、Ｓｉ及びＧｅの少なくとも一方と電荷バランスがとられ、前記圧電材料は、
    Ａｌ１−２ｘＳｒｘＳｉｘＮ（０＜ｘ＜１）、
    Ａｌ１−２ｘＳｒｘＧｅｘＮ（０＜ｘ＜１）、
    Ａｌ１−２ｘＢｅｘＳｉｘＮ（０＜ｘ＜１）、
    Ａｌ１−２ｘＢｅｘＧｅｘＮ（０＜ｘ＜１）、
    Ａｌ１−３ｘＮａｘＳｉ２ｘＮ（０＜ｘ＜１）又は
    Ａｌ１−３ｘＮａｘＧｅ２ｘＮ（０＜ｘ＜１）のうちの一つからの化学式を有する、請求項１５の圧電材料。
  17. ウルツ鉱結晶構造を有する請求項１５の圧電材料。
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