JP7841709B2 - バルク弾性波共振器、及びバルク弾性波共振器を形成する方法 - Google Patents

バルク弾性波共振器、及びバルク弾性波共振器を形成する方法

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Description

本開示の実施形態は音響波デバイスに関し、詳しくは、バルク弾性波共振器及び電子デバイス並びにこれらを含むモジュールに関する。
音響波デバイス、例えばバルク音響波（ＢＡＷ）デバイスは、無線周波数電子システムにおけるフィルタのコンポーネントとして利用することができる。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、多層の圧電材料を有する圧電膜を含むメンブレンを含むバルク弾性共振器が与えられる。多層の圧電材料のうちの少なくとも一層は、当該多層の圧電材料のうちの他層とは異なるドーパント濃度を有する。
いくつかの実施形態において、多層の圧電材料は、厚さに関して非対称に配列され、当該多層の圧電材料のうちの上側層が、当該多層の圧電材料のうちの下側層とは異なる厚さを有する。
いくつかの実施形態において、圧電膜は２層の圧電材料を含み、当該２層の圧電材料のうちの第１層は、当該２層の圧電材料のうちの第２層よりも当該圧電層の入力側の近くに存在して高いドーピングレベルを有する。
いくつかの実施形態において、第１層の圧電材料は、スカンジウム（Ｓｃ）がドーピングされた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から形成され、第２層の圧電材料は未ドーピングのＡｌＮから形成される。
いくつかの実施形態において、第１層の圧電材料は、第２層の圧電材料の厚さと実質的に同じ厚さを有する。
いくつかの実施形態において、圧電膜は、２を超える層の圧電材料を含み、当該２を超える層の圧電材料のうちの第１層は、圧電膜の入力側近くに存在し、当該２を超える層の圧電材料のうちの他層よりも高いドーピングレベルを有する。
いくつかの実施形態において、２を超える層の圧電材料のうちの第１層は、ＳｃがドーピングされたＡｌＮから形成され、当該２を超える層の圧電材料のうちの他層は未ドーピングのＡｌＮから形成される。
いくつかの実施形態において、２を超える層の圧電材料は、圧電膜の入力側から出力側への方向においてドーピング濃度及び厚さに関して対称的に配列される。
いくつかの実施形態において、２を超える層の圧電材料は、圧電膜の入力側から出力側への方向においてドーピング又は厚さの一方に関して非対称的に配列される。
いくつかの実施形態において、圧電膜は、２を超える奇数の層の圧電材料を含み、当該２を超える層の圧電材料のうち真ん中の層は、当該２を超える層の圧電材料のうちの他層よりも高いドーピングレベルを有する。
いくつかの実施形態において、２を超える層の圧電材料のうちの真ん中の層は、当該２を超える層の圧電材料のうちの他層よりも大きな厚さを有する。
いくつかの実施形態において、２を超える層の圧電材料は、圧電膜の入力側から出力側への方向においてドーピング濃度及び厚さに関して対称的に構成される。
いくつかの実施形態において、２を超える層の圧電材料のうちの真ん中の層は、当該２を超える層の圧電材料のうちの他層の厚さの和に近似的に等しい厚さを有する。
いくつかの実施形態において、２を超える層の圧電材料のうちの真ん中の層は、ＳｃがドーピングされたＡｌＮから形成され、当該２を超える層の圧電材料のうちの他層は未ドーピングのＡｌＮから形成される。
いくつかの実施形態において、バルク弾性波共振器は薄膜バルク弾性波共振器として構成される。
いくつかの実施形態において、バルク弾性波共振器はソリッドマウント共振器として構成される。
いくつかの実施形態において、バルク弾性波共振器は無線周波数フィルタに含まれる。
いくつかの実施形態において、バルク弾性波共振器は電子デバイスモジュールに含まれる。
いくつかの実施形態において、バルク弾性波共振器は電子デバイスに含まれる。
他側面によれば、バルク弾性波共振器を形成する方法が与えられる。方法は、第１ドーピング濃度を有する第１圧電膜を、第１ドーピング濃度とは異なる第２ドーピング濃度を有する第２圧電材料膜の上に形成することによってバルク弾性波共振器のためのメンブレンを形成することを含む。
本開示の実施形態が、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簡略化された断面図である。 ソリッドマウント共振器の一例の簡略化された断面図である。 二重層圧電材料膜において異なる態様でドーピングされた層の配列の、スプリアス高調波信号の生成への効果を評価するべく使用されるシミュレーション薄膜バルク弾性共振器（ＦＢＡＲ）のメンブレンの層を示す。 圧電材料膜において異なる態様でドーピングされた層の異なる配列による図３Ａのメンブレン構造を有するＦＢＡＲのＨ２高調波のシミュレーションの結果を示す。 圧電材料膜において異なる態様でドーピングされた層の異なる配列による図３Ａのメンブレン構造を有するＦＢＡＲのＨ３高調波のシミュレーションの結果を示す。 ４層圧電材料膜において異なる態様でドーピングされた層の配列の、スプリアス高調波信号の生成への効果を評価するべく使用されるシミュレーションＦＢＡＲのメンブレンの層を示す。 圧電材料膜において異なる態様でドーピングされた層の異なる配列による図４Ａのメンブレン構造を有するＦＢＡＲのＨ２高調波のシミュレーションの結果を示す。 圧電材料膜において異なる態様でドーピングされた層の異なる配列による図４Ａのメンブレン構造を有するＦＢＡＲのＨ３高調波のシミュレーションの結果を示す。 奇数層を有する圧電材料膜において異なる態様でドーピングされた層の配列の、スプリアス高調波信号の生成への効果を評価するべく使用されるシミュレーションＦＢＡＲのメンブレンの層を示す。 圧電材料膜において異なる態様でドーピングされた層の異なる配列による図５Ａのメンブレン構造を有するＦＢＡＲのＨ２高調波のシミュレーションの結果を示す。 圧電材料膜において異なる態様でドーピングされた層の異なる配列による図５Ａのメンブレン構造を有するＦＢＡＲのＨ３高調波のシミュレーションの結果を示す。 ＦＢＡＲにおいて生成されるＨ２高調波信号及びＨ３高調波信号への、圧電材料膜の層の配列及び組成の効果を決定するべくシミュレーションされたＦＢＡＲの二重層圧電材料膜の厚さ並びに層の配列及び組成の表である。 図６Ａの表における第１セットの例のメンブレン構造を有するＦＢＡＲのＨ２高調波及びＨ３高調波のシミュレーションの結果を示す。 図６Ａの表における第２セットの例のメンブレン構造を有するＦＢＡＲのＨ２高調波及びＨ３高調波のシミュレーションの結果を示す。 図６Ａの表における第３セットの例のメンブレン構造を有するＦＢＡＲのＨ２高調波及びＨ３高調波のシミュレーションの結果を示す。 ＦＢＡＲにおいて生成されるＨ２高調波信号及びＨ３高調波信号への、圧電材料膜の層の配列及び組成の効果を決定するべくシミュレーションされたＦＢＡＲの二重層圧電材料膜及び三重層圧電材料膜の厚さ並びに層の配列及び組成の表である。 図７Ａの表におけるメンブレン構造を有するＦＢＡＲのＨ２高調波のシミュレーションの結果を示す。 図７Ａの表におけるメンブレン構造を有するＦＢＡＲのＨ３高調波のシミュレーションの結果を示す。 二重層圧電材料膜におけるドーピング層及び未ドーピング層の異なる比の、共振周波数、反共振周波数及び電磁結合係数への効果を評価するべく使用される二重層圧電材料膜を有するシミュレーションＦＢＡＲのメンブレンの層を示す。 図８Ａに示されるメンブレン構造を有するＦＢＡＲの共振周波数、反共振周波数及び電磁結合係数のシミュレーションの結果を示す。 多層圧電材料膜におけるドーピング層及び未ドーピング層の厚さの異なる比の、共振周波数及び反共振周波数への効果を評価するべく使用される多層圧電材料膜を有するシミュレーションＦＢＡＲのメンブレンの層を示す。 共振周波数及び反共振周波数のシミュレーションの結果を、図８Ｃに示される圧電膜構造を有するＦＢＡＲにおける層の数の関数として示す。 無線周波数ラダーフィルタの模式的な図である。 本開示の複数側面に係る一以上のバルク弾性波素子を含み得るフィルタモジュールの一例のブロック図である。 本開示の複数側面に係る一以上のフィルタモジュールを含み得るフロントエンドモジュールの一例のブロック図である。 図１１のフロントエンドモジュールを含む無線デバイスの一例のブロック図である。
所定実施形態の以下の詳細な説明は、特定の実施形態の様々な記載を提示する。しかしながら、ここに記載されるイノベーションは、例えば特許請求の範囲により画定かつカバーされる数多くの異なる態様で具体化することができる。本明細書において、同じ参照番号が同一の又は機能的に同様の要素を示す図面が参照される。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とは限らず、いくつかの中間材料又は中間層は図示されない。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、及び／又は図面に示される要素の部分集合を含み得る。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任意の適切な組み合わせも含み得る。
薄膜バルク弾性波共振器（ＦＢＡＲ）は、頂部電極と底部電極との間に挟まれてキャビティの上に懸架される圧電材料の膜を一般に含み、当該キャビティによって当該圧電材料の膜の振動が許容されるバルク音響波（ＢＡＷ）共振器の一形態である。頂部電極と底部電極との間に適用される信号によって、圧電材料の膜に弾性波が生成されて当該膜を通るように進行する。ＦＢＡＲは、適用される信号に対し、圧電材料の膜の厚さによって決まる共振ピークを有する周波数応答を示す。理想的には、ＦＢＡＲにおいて生成される弾性波のみが、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の膜を通って進行する主要弾性波となる。これは、「ピストンモード」動作と称されることもある。しかしながら、ＦＢＡＲの圧電材料は典型的に、非ゼロのポアソン比を有する。よって、主要弾性波の通過に関連付けられる圧電材料の圧縮及び弛緩は、主要弾性波の伝搬方向に直交する方向における圧電材料の圧縮及び弛緩を引き起こす。主要弾性波の伝搬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、主要弾性波に直交するように（電極膜の表面に平行に）圧電材料を通って進行す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搬するエリアへと戻され、主要弾性波と同じ方向に進行するスプリアス弾性波が誘発される。こうしたスプリアス弾性波は、ＦＢＡＲの周波数応答を予想されるもの又は意図されるものから劣化させ得るので、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り、このＦＢＡＲは、メサ構造と称され得る構造を有し得る。ＦＢＡＲ１００は基板１１０上に配置される。この基板は、例えば、二酸化ケイ素のような誘電体表面層１１０Ａを含み得るシリコン基板である。ＦＢＡＲ１００は、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のような圧電材料１１５の層又は膜を含む。頂部電極１２０が、圧電材料１１５の層又は膜の一部分の頂部に配置され、底部電極１２５が、圧電材料１１５の層又は膜の一部分の底部に配置される。頂部電極１２０は、例えば、ルテニウム（Ｒｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、又はＲｕ／Ｍｏ合金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に接触するように配置されるＲｕ（又はＭｏ若しくはＲｕ／Ｍｏ合金）の層１２５Ａと、圧電材料１１５の層又は膜の当該一部分の底部に接触するＲｕの層１２５Ａの一側に対向して当該Ｒｕの層１２５Ａの下側に配置されるチタン（Ｔｉ）の層１２５Ｂとを含んでよい。頂部電極１２０及び底部電極１２５はそれぞれ、誘電性材料１３０、例えば二酸化ケイ素、の層によって覆われてよい。底部電極１２５を覆いかつ基板１１０の表面層１１０Ａを覆う誘電性材料１３０の層の下にはキャビティ１３５が画定される。例えば銅から形成される底部電気コンタクト１４０が底部電極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コンタクト１４５が頂部電極１２０との電気接続をなす。
ＦＢＡＲ１００は、圧電材料１１５の層又は膜に、動作中に主要弾性波が励振される主要アクティブドメインを含む中心領域１５０を含んでよい。中心領域１５０はまた、ＦＢＡＲ１００のアクティブエリアとも称される。この中心領域は、例えば、約２０μｍから約１００μｍの幅を有し得る。一又は複数の陥凹フレーム領域１５５が、中心領域１５０の側方範囲との境界をなして当該範囲を画定する。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の頂部に中心領域１５０よりも薄い誘電性材料１３０の層を有するエリアによって画定される。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～約１００ｎｍだけ薄くてよい。陥凹フレーム領域１５５と中心領域１５０との誘電性材料厚さの差により、陥凹フレーム領域１５５におけるデバイスの共振周波数を、中心領域１５０におけるデバイスの共振周波数よりも約５ＭＨｚ～約５０ＭＨｚだけ高くすることができる。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の厚さを約２００ｎｍ～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の厚さを約１００ｎｍとしてよい。陥凹フレーム領域１５５における誘電膜３００は典型的に、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ように製造中にエッチングされる。したがって、初期に中心領域１５０及び陥凹フレーム領域１５５の双方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との誘電膜３００の所望の厚さの差を達成してこれらの領域間の所望の音速差を達成するべく、陥凹フレーム領域１５５における十分な誘電膜３００のエッチングを許容するのに十分な厚さで堆積されている。
一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、陥凹フレーム領域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１２０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される。頂部電極１２０は、中心領域１５０及び陥凹フレーム領域１５５において同じ厚さであるが、隆起フレーム領域１６０においては大きな厚さとしてよい。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～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。他実施形態において、頂部電極１２０は、中心領域１５０、陥凹フレーム領域１５５及び隆起フレーム領域１６０において同じ厚さを有してよく、隆起フレームは、中心領域１５０及び陥凹フレーム領域１５５においてよりも隆起フレーム領域の方において厚い層の誘電膜３００によって画定されてよい。
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において生成される横弾性波の散逸又は散乱に寄与し、並びに／又は陥凹フレーム領域１５５及び隆起フレーム領域１６０の外側で伝搬する横波を反射するので、これらの横弾性波が中心領域に入ってＦＢＡＲの主要アクティブドメイン領域にスプリアス信号を誘発させることが防止される。特定の理論に拘束されるわけではないが、陥凹フレーム領域１５５における頂部電極１２０の頂部にある誘電体材料１３０の薄層に起因して、陥凹フレーム領域１５５は、中心領域１５０よりも高い弾性波伝搬速度を示すことができる。逆に、隆起フレーム領域１６０における頂部電極１２０の厚さ及び質量の増加に起因して、隆起フレーム領域１６０は、中心領域１５０よりも低い弾性波伝搬速度、及び陥凹フレーム領域１５５よりも低い弾性波伝搬速度を示すことができる。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性により、横弾性波を散乱、抑制及び／又は反射する障壁がもたらされる。
ＢＡＷの他形態はソリッドマウント共振器（ＳＭＲ）である。図２は、ＳＭＲ２００の簡略化された断面図である。図示のように、ＳＭＲ２００は、圧電材料層２０２、圧電材料層２０２の頂部に配置される上側電極２０４、及び圧電材料層２０２の下面に配置される下側電極２０６を含む。圧電材料層２０２は窒化アルミニウム層としてよい。他例において、圧電材料層２０２は、任意の他の適切な圧電材料層としてよい。下側電極２０６は、所定例において接地されてよい。いくつかの他例において、下側電極２０６は浮遊としてよい。ブラッグ反射器２０８が、下側電極２０６と半導体基板２０９との間に配置される。任意の適切なブラッグ反射器を実装してよい。例えば、ブラッグ反射器はＳｉＯ２／Ｗとしてよい。
ＢＡＷ共振器が一つの主要弾性波のみを生成するのが望ましい。しかしながら、実際のデバイスでは、意図された弾性波に加えてスプリアス信号が生じることが多い。こうしたスプリアス信号は、例えば、ＢＡＷ共振器のアドミタンス曲線に不連続性を付加し、ＢＡＷ共振器のＱ値を減少させ、又はＢＡＷ共振器の弾性結合係数を減少させることによって、ＢＡＷ共振器の性能を劣化させ得る。ＢＡＷ共振器において動作中に生じるのが望ましくない一タイプのスプリアス信号は高調波である。これは、所望の信号の周波数の倍数で生じる信号である。高調波信号は、所望の信号の周波数の２倍で生じる第２高調波（Ｈ２）、所望の信号の周波数の３倍で生じる第３高調波（Ｈ３）等を含み得る。ＢＡＷフィルタに生じるこのような高調波スプリアス信号は、ＢＡＷフィルタを含む携帯ハンドセットの受信感度を劣化させる。ここに開示される側面及び実施形態は、ＦＢＡＲ又はＳＭＲのようなＢＡＷ共振器におけるスプリアス高調波信号の振幅を低減させることができる。
いくつかの側面によれば、ＢＡＷ共振器における圧電材料膜が、多層のスタックから形成され、これら多層の少なくとも２層が、異なる組成及び／又は厚さを有する。ＢＡＷ共振器の圧電材料層スタックにおける圧電層の少なくとも一層は、例えばスカンジウム（Ｓｃ）のような不純物がドーピングされたＡｌＮ、又は圧電材料層スタックにおける圧電層の少なくとも一つの他層とは異なる濃度で当該不純物がドーピングされたＡｌＮとしてよい。ここで提示される例は、Ｓｃがドーピングされた又はドーピングされていないＡｌＮ層を参照して説明されるが、他の不純物、例えば、Ｙ、Ｃａ、Ｎｂ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、又は他の希土類金属の任意の一以上も、この開示の範囲に該当してよい。参照によってここに組み入れられる「改善された弾性波フィルタのための置換窒化アルミニウム」との米国特許第１１，０３１，５４０号公報に開示されるドーピングされた圧電材料を、ＢＡＷ共振器のための圧電材料層スタックの一以上の層において利用してよい。
ＢＡＷ共振器の圧電材料層スタックが一以上のＳｃドーピングＡｌＮ層及び一以上の未ドーピングＡｌＮ層を含む様々な実施形態において、一以上のＳｃドーピングＡｌＮ層の存在によって高調波信号が抑制される度合は、圧電材料層スタックにおけるＳｃドーピングＡｌＮ層の位置によって影響を受け得る。
図３Ａに示される厚さを有する電極、誘電体、及び圧電材料膜を含むメンブレンを有するＦＢＡＲ共振器に対してシミュレーションが行われた。メンブレンの「入力」側が、図１のＦＢＡＲ又は図２のＳＭＲにおける電極／圧電材料メンブレンの頂部に対応する。圧電材料膜は、３層構造体となるようにモールドされた。頂部層、中間層又は底部層のいずれかがＳｃドーピングＡｌＮであり、他の２層が未ドーピングＡｌＮである。これらの３つの異なる例のＨ２高調波及びＨ３高調波抑制についての結果が、互いに比較され、全体的にＳｃドーピングＡｌＮから形成された圧電膜を有するＦＢＡＲとも比較された。
Ｈ２のシミュレーション結果が図３Ｂのチャートに示され、Ｈ３のシミュレーション結果が図３Ｃのチャートに示される。図３Ｂ及び図３Ｃの凡例において、ＳｃドーピングＡｌＮ層の位置が示されて「非線形」層として標識されている。「線形」として標識される層が未ドーピングＡｌＮである。最上層が、シミュレーションされる共振器メンブレンの入力側に存在する。図３Ｂ及び図３Ｃにおいては、ここに含まれる他のチャートと同様に、ｘ軸に示される周波数が入力周波数であり、高調波曲線は、入力周波数の２倍（図３Ｂ）又は３倍（図３Ｃ）で発生する。
図３Ｂからは、圧電材料層スタックの入力側にある非線形（ドーピング）層が、シミュレーションされた他の配列よりも大きな度合までＨ２を抑制することがわかる。特定の理論に束縛されることを望むわけではないが、これは、Ｈ２高調波がドーピング層に続く未ドーピング圧電層によって部分的に拒絶されるために生じると考えられる。非線形（ドーピング）材料の３層から圧電材料膜を形成すると、シミュレーションされたオプションの中で最悪のＨ２性能が得られた。頂部の層と比べて、中央部又は底部の方がＨ２への影響が低下した。
図３Ｃからは、圧電材料層スタックの入力側にある非線形（ドーピング）層が、シミュレーションされた他の配列よりも大きな度合までＨ３を抑制することがわかる。非線形（ドーピング）材料の３層から圧電材料膜を形成すると、シミュレーションされたオプションの中で最悪のＨ３性能が得られた。ただし、非線形層が最後の（入力から最も離れた）スタックでも、共振器の共振周波数に近い入力周波数で悪いＨ３性能が得られた。
図４Ａに示される寸法を備えて圧電材料膜が４層により形成される誘電体・電極・圧電材料メンブレンを有するＦＢＡＲに対してシミュレーションが行われた。非線形層の一層が、圧電材料スタックにおける４つの位置のそれぞれに存在する４つの条件がシミュレーションされた。これらのシミュレーションの結果が図４Ｂ（Ｈ２）及び図４Ｃ（Ｈ３）に示される。
図４Ｂからは、圧電材料層スタックの入力側にある非線形（ドーピング）層が、シミュレーションされた他の配列よりも大きな度合までＨ２を抑制することがわかる。特定の理論に束縛されることを望むわけではないが、これは、Ｈ２高調波がドーピング層に続く未ドーピング圧電層によって部分的に拒絶されるために生じると考えられる。
図４Ｃからは、圧電材料層スタックの入力側にある非線形（ドーピング）層が、シミュレーションされた他の配列よりも大きな度合までＨ３を抑制することがわかる。圧電材料層スタックの出力側に非線形層を有する圧電材料膜を形成すると、最悪のＨ３性能が得られた。
図５Ａに示される寸法を備えて圧電材料膜が奇数層により形成される誘電体・電極・圧電材料メンブレンを有するＦＢＡＲに対してシミュレーションが行われた。圧電材料膜は、３層又は５層いずれかの奇数層から形成され、合計厚さは１３，６２０Åであった。非線形層が１８．８ａｔ％のＳｃでドーピングされるようにモールドされた。各層の高さは、合計圧電層スタック高さの半分（ｈ／２）、合計圧電層スタック高さの四分の一（ｈ／４）、又は合計圧電層スタック高さの六分の一（ｈ／６）のいずれかとされた。これらのシミュレーションの結果が、図５Ｂ（Ｈ２の場合）及び図５Ｃ（Ｈ３の場合）に示される。異なる圧電材料層の異なる箇所及び厚さが凡例に示され、異なる層がそのＳｃドーピングによって標識されている。シミュレーションされた構成の中でも、３つの圧電材料層を有しかつＳｃドーピング層がスタックの中心にある構成が、他の構成よりもわずかに良好なＨ２抑制、及び著しく良好なＨ３抑制を与えた。
ＦＢＡＲにおける二重層圧電膜スタックのＳｃドーピングＡｌＮ層及び未ドーピングＡｌＮ層の相対厚さの、Ｈ２及びＨ３の抑制への効果を調べるべく、シミュレーションが行われた。異なるウェハからの３つの異なる圧電膜スタック厚さ、すなわち３００μｍ厚スタック、６００μｍ厚スタック及び９００μｍ厚スタック、がシミュレーションされた。ＳｃドーピングＡｌＮ層は、合計圧電膜スタック厚さの０％（ＳｃドーピングＡｌＮ層なし）、２５％、５０％、７５％又は１００％（未ドーピングＡｌＮ層なし）のいずれかであった。シミュレーションされたサンプルのリスト、及びドーピングＡｌＮ層と未ドーピングＡｌＮ層との相対的な厚さが図６Ａの表に示されており、ウェハ番号によって各サンプルが識別される。ドーピングＡｌＮ層を含む各サンプルにおいて、１８．８ａｔ％のＳｃがドーピングされた層は、二重層スタックにおける上側層（入力側の層）であった。１０μｍ２のアクティブメンブレン面積（結果チャートに「１０Ｋ」として標識）、５μｍ２のアクティブメンブレン面積（結果チャートに「５Ｋ」として標識）、及び２μｍ２のアクティブメンブレン面積（結果チャートに「２Ｋ」として標識）を有するＦＢＡＲに対してシミュレーションが行われた。各シミュレーションは２回行われた。
３００μｍ厚の圧電材料スタックを有するＦＢＡＲ、すなわちウェハＡ～Ｅ、のＨ２及びＨ３のシミュレーション結果が図６Ｂに示される。これらの結果から、Ｓｃドーピングが、例えばＳｃドーピングが０％のウェハＡのように低くなりすぎるとＨ２が増加（悪化）することがわかる。最低（最良）のピークＨ３レベルは、１５０μｍ厚の未ドーピングＡｌＮの下側層及び１５０μｍ厚のＳｃドーピングＡｌＮの上側層を有する、すなわちドーピングＡｌＮ層と未ドーピング層との厚さ比が５０／５０の、ウェハＣに対して観測された。
６００μｍ厚の圧電材料スタックを有するＦＢＡＲ、すなわちウェハＦ～Ｋ、のＨ２及びＨ３のシミュレーション結果が図６Ｃに示される。３００μｍ厚の圧電材料スタックの結果にあるように、例えばＳｃドーピングが０％のウェハＦのように低くなりすぎるとＨ２が増加（悪化）することがわかる。最低（最良）のピークＨ３レベルは、ＳｃドーピングＡｌＮと未ドーピングＡｌＮとの、すなわち３００μｍ厚の未ドーピングＡｌＮの下側層と３００μｍ厚のＳｃドーピングＡｌＮの上側層との、圧電層厚さ比が５０／５０のウェハＨに対して観測された。
９００μｍ厚の圧電材料スタックを有するＦＢＡＲ、すなわちウェハＬ～Ｑ、のＨ２及びＨ３のシミュレーション結果が図６Ｃに示される。３００μｍ厚の圧電材料スタックの結果及び６００μｍの圧電材料スタックの結果にあるように、例えば、Ｓｃドーピングが、０％ＳｃドーピングのウェハＬのように低くなりすぎるとＨ２が増加（悪化）することがわかる。ＳｃドーピングＡｌＮと未ドーピングＡｌＮとの圧電層厚さの比が５０／５０のウェハＮ、すなわち未ドーピングＡｌＮの４５０μｍ厚下側層及びＳｃドーピングＡｌＮの４５０μｍ厚上側層のウェハＮに対し、最低（最良）のピークＨ３レベルが観測された。
異なる厚さのＳｃドーピングＡｌＮ層及び未ドーピングＡｌＮ層を備える２層又は３層から形成された６００μｍ厚の圧電膜を有するＦＢＡＲにおけるＨ２抑制及びＨ３抑制への効果を評価するべく、シミュレーションが行われた。シミュレーションされたサンプルの、異なる圧電材料層の厚さ及び配列が図７Ａの表に示されており、ウェハ番号によって各サンプルが識別される。三重層構造すなわちウェハＲ～ウェハＴにおいて、異なる厚さのＳｃドーピング層が、同じ厚さではあるがＳｃドーピング層とは異なる厚さの２つの未ドーピングＡｌＮ層間に挟まれた。表７Ａにおける一番左の層が圧電材料層スタックの一番下の層であり、一番右の層が当該圧電材料層スタックにおける一番上の層（入力に最も近い層）であった。ウェハＧ～ウェハＪの二重層の圧電材料層スタックが非対称的と見なされる一方、ウェハＲ～ウェハＴの三重層の圧電材料層スタックが対称的と見なされた。
合計Ｓｃドーピングが同じである対称的及び非対称的な圧電材料層スタックを有するＦＢＡＲの、シミュレーションされたＨ２応答及びＨ３応答、すなわちウェハＧ対ウェハＲ、ウェハＨ対ウェハＳ、及びウェハＪ対ウェハＴに対応する圧電層を有するＦＢＡＲの応答、が比較された。これらのサンプル対のＨ２応答のシミュレーション結果が図７Ｂに示される。Ｈ２応答において、対称的スタックサンプルと非対称的スタックサンプルとの間に有意な差異は観測されなかった。これらのサンプル対のＨ３応答のシミュレーション結果が図７Ｂに示される。Ｈ３応答において、対称的スタックサンプルと非対称的スタックサンプルとの間にわずかな差異が観測された。異なるサンプルが、対称的スタックサンプルのいくつかの周波数において良好なＨ３応答を示し、非対称スタックサンプルの他の周波数において良好なＨ３応答を示した。
上記シミュレーションから観測することができるのは、多層圧電膜スタックを有するＦＢＡＲにとって、シミュレーションされたサンプルに対する最良のＨ２抑制が、全体がゼロのＳｃドーピング又は均一のＳｃドーピングである圧電膜と比べて、異なるＳｃドーピングを有する層の混合が利用される場合に観測されるということである。シミュレーションされたサンプルのＨ３応答は、ＳｃドーピングＡｌＮ層及び未ドーピングＡｌＮ層の厚さが同じであるときに最小となった。対称的圧電膜スタック対非対称的圧電膜スタックに対するＨ２応答又はＨ３応答には、ほとんど差異が存在しない。
圧電層スタックにおけるＳｃドーピングＡｌＮ層対未ドーピングＡｌＮ層の相対厚さの共振周波数ｆＳ、反共振周波数ｆＰ、及び電磁結合係数ｋ２への効果、並びにＦＢＡＲの圧電層スタックにおける合計層数への効果を評価するべく、さらなるシミュレーションが行われた。図８Ａに示される厚さの誘電体、電極、及び圧電層を有するＦＢＡＲのメンブレンが、１８．８ａｔ％ＳｃドーピングＡｌＮ層厚さ対未ドーピングＡｌＮ層厚さの様々な比に対してシミュレーションされた。比ｘは、図８Ａに示されるように定義される。図８Ｂに図示される結果は、Ｓｃドーピング層厚さの増加によりｆｓ及びｆｐが近似的に線形に減少する一方で、Ｓｃドーピング層厚さの増加によりｋ２が近似的に二次態様で増加することを示す。図８Ｃに示される態様において、ＳｃドーピングＡｌＮ層及び未ドーピングＡｌＮ層の対の数Ｎが増加しても、ｆｓ及びｆｐは、図８Ｄに示されるように変化しない。したがって、複数のＳｃドーピング層の組み合わせ厚さの、複数の未ドーピングＡｌＮ層の組み合わせ厚さに対する比は、ｆｓ及びｆｐのレベルを決定するが、層の対の合計数を決定するものではない。
なお、ここに提示される図面に示されるＢＡＷ及びそのコンポーネントは、高度に簡略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は、図示されない付加的な特徴物又は層を含んでよい。
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を組み合わせて一のフィルタ、例えば、図９に模式的に示されて複数の直列共振器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とを含むＲＦラダーフィルタにすることもできる。図示のように、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において知られる他のフィルタ構造物及び他の回路構造物もまた、ここに開示されるＢＡＷ共振器の例を含むように形成されてよい。
ここに説明される弾性波デバイスは、様々なパッケージ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弾性波デバイスの任意の適切な原理及び利点が実装され得るいくつかの例示的なパッケージ状モジュールが以下に説明される。図１０、図１１及び図１２は、所定の実施形態に係る例示的なパッケージ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の実施形態は、例えばフィルタとして構成することができ、又はフィルタにおいて使用することができる。ひいては、一以上のＢＡＷ素子を使用するＢＡＷフィルタを究極的に、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使用されるモジュールに組み込み、又は同モジュールとしてパッケージにすることができる。図１０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に実装してよい。例えば、ＢＡＷフィルタ４１０は、当該ＢＡＷフィルタのための入力接点に対応する接続パッド４２２と、当該ＢＡＷフィルタのための出力接点に対応する他の接続パッド４２２とを含んでよい。パッケージモジュール４００は、ダイ４２０を含む複数のコンポーネントを受容するべく構成されるパッケージング基板４３０を含む。複数の接続パッド４３２をパッケージング基板４３０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ング基板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、ＢＡＷフィルタ４１０への及びＢＡＷフィルタ４１０からの、様々な信号の通過を許容するための、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、例えば一以上の付加的なフィルタ、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、ここの開示に鑑みて半導体作製の当業者にとって知られる他の回路ダイ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を保護し、及びモジュール４００の取り扱いを容易にするべく、一以上のパッケージ構造物を含み得る。かかるパッケージ構造物は、パッケージング基板４３０の上に形成されて様々な回路及びコンポーネントを実質的に封止する寸法にされる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を、多種多様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はそれ自体が、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られる。
図１１を参照すると、フロントエンドモジュール５００の一例のブロック図が示される。フロントエンドモジュール５００は、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され得る。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との間に接続される一以上の送信フィルタ５１２と、共通ノード５０２と出力ノード５０６との間に接続される一以上の受信フィルタ５１４とを含んでよい。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を形成するように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に接続することができる。
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に接続される受信器回路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し、受信器回路５３４は、アンテナ６１０を介して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１１に示されるように別個のコンポーネントとして実装としてよいが、他実施形態において、これらのコンポーネントを集積させて共通送受信器回路又はモジュールとしてもよい。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、スイッチ、電磁カップラ、増幅器、プロセッサ等を含むがこれらに限られない図１１に不図示の他のコンポーネントを含んでよい。
図１２は、図１１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、音声又はデータ通信のために構成されるセルラー電話機、スマートフォン、タブレット、モデム、通信ネットワーク、又は任意の他の携帯若しくは非携帯のデバイスとしてよい。無線デバイス６００は、アンテナ６１０からの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１１を参照して上述し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１２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、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で切り替わるように構成され得るアンテナスイッチ５４０を含む。図１２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との間に配置されるが、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との間に配置されてよい。他例において、アンテナスイッチ５４０及びデュプレクサ５１０を集積して単数のコンポーネントとしてよい。
フロントエンドモジュール５００は、送信のための信号を生成するべく又は受信信号を処理するべく構成される送受信器５３０を含む。送受信器５３０は、図１１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に接続される受信器回路５３４とを含んでよい。
送信器回路５３２により送信のために生成された信号は、電力増幅器（ＰＡ）モジュール５５０によって受信される。ＰＡモジュール５５０は、送受信器５３０からの生成された信号を増幅する。電力増幅器モジュール５５０は、一以上の電力増幅器を含んでよい。電力増幅器モジュール５５０は、多種多様なＲＦ又は他の周波数帯域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、電力増幅器の出力をパルス化するべく使用することができるイネーブル信号を受信することができる。これにより、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が支援される。電力増幅器モジュール５５０は、例えば、グローバルシステムフォーモバイル（ＧＳＭ（登録商標））信号、符号分割多重アクセス（ＣＤＭＡ）信号、Ｗ－ＣＤＭＡ信号、ロングタームエボリューション（ＬＴＥ）信号、又はエッジ信号を含む様々なタイプのいずれかの信号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を、例えば、高電子移動度トランジスタ（ｐＨＥＭＴ）若しくは絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＢｉＦＥＴ）を使用してガリウムヒ素（ＧａＡｓ）基板に、又は相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）電界効果トランジスタを使用してシリコン基板に、作製することができる。
依然として図１２を参照すると、フロントエンドモジュール５００はさらに、アンテナ６１０からの受信信号を増幅して送受信器５３０の受信器回路５３４に増幅信号を与える低雑音増幅器モジュール５６０を含んでよい。
図１２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の動作のための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、ベース帯域サブシステム６３０及び無線デバイス６００の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に電力を供給する電池（図示せず）を含んでよく、又はこれに接続されてよい。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コントローラを含んでよい。一実施形態において、ベース帯域サブシステム６３０は、ユーザに与えられ及びユーザから受信される音声及び／又はデータの様々な入出力を容易にするべく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するべく、及び／又はユーザのために情報を格納するべく、データ及び／又は命令を格納するように構成されるメモリ６５０にも接続される。上述された実施形態はいずれも、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。これらの実施形態の原理及び利点は、ここに記載される実施形態のいずれかから利益が得られ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のために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例示的な実施形態を含むにもかかわらず、ここに記載される教示は、様々な構造物に適用することができる。ここに説明された原理及び利点はいずれも、例えば約４５０ＭＨｚから６ＧＨｚの範囲のような、約３０ｋＨｚから３００ＧＨｚの範囲の信号を処理するように構成されるＲＦ回路に関連付けて実装することができる。
本開示の複数側面を、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み得る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型電話機、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、携帯型メモリーチップ、洗濯機、乾燥機、洗濯／乾燥機、コピー機、ファクシミリ装置、スキャナ、多機能周辺デバイス、腕時計、置時計等を含み得る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。
文脈が明確にそうでないことを要求しない限り、明細書及び特許請求の範囲全体を通して、「含む」、「備える」等の用語は、排他的又は網羅的な意味とは逆の、包括的な意味で、すなわち「～を含むがこれに限られない」意味で解釈されるべきである。ここで一般に使用される用語「結合」は、２以上の要素が、直接に接続されるか、又は一以上の中間要素を経由して接続されるかのいずれかとなり得ることを言及する。同様に、ここで一般に使用される用語「接続」も、２以上の要素が、直接に接続されるか、又は一以上の中間要素を経由して接続されるかのいずれかとなり得ることを言及する。加えて、本願において使用される場合、用語「ここで」、「上」、「下」、及び同様の意味の用語は、本願全体を言及するものとし、本願のいずれか特定の部分を言及するわけではない。文脈上許容される場合、単数又は複数の数を使用する上記の詳細な説明における用語は、それぞれ複数又は単数の数も含み得る。２つ以上の項目のリストを参照する「又は」及び「若しくは」という用語は、その用語の以下の解釈、すなわち、リスト内の項目のいずれか、リスト内の項目のすべて、及びリスト内の項目の任意の組み合わせ、のすべてをカバーする。
さらに、具体的に記述されない限り、又は使用される文脈内でそうでないと理解されない限り、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」等のようなここで使用される条件的言語は一般に、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は含まないことを意図する。すなわち、かかる条件的言語は一般に、特徴、要素及び／若しくは状態が、一以上の実施形態に必要な任意の態様で存在すること、又は一以上の実施形態が、著者のインプット若しくはプロンプトあり若しくはなしで、これらの特徴、要素及び／若しくは状態が含まれるか否か、若しくは任意の特定の実施形態において行われるべきか否かを決定する論理を必ず含むこと、を含意することが意図されていない。
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としてのみ提示され、本開示の範囲を限定する意図はない。実際のところ、ここに記載される新規な方法及びシステムは、様々な他の形式で具体化してよく、さらには、ここに記載される方法及びシステムの形式の様々な省略、置換及び変更を、本開示の要旨から逸脱することなく行ってよい。例えば、ブロックが所与の配列で提示される一方で、代替実施形態が、同様の機能を異なるコンポーネント及び／又は回路トポロジで行ってもよく、いくつかのブロックを削除、移動、追加、細分化、結合及び／又は修正してよい。これらのブロックはそれぞれが、様々な異なる態様で実装してよい。上述の様々な実施形態の要素及び作用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べく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れらの均等物は、本開示の範囲及び要旨に収まるような形式又は修正をカバーすることが意図される。

Claims (9)

  1. バルク弾性波共振器であって、
    ２を超える奇数の層の圧電材料を有する圧電膜を含むメンブレンを含み、
    前記２を超える奇数の層の圧電材料のうち真ん中の層は、前記２を超える奇数の層の圧電材料のうちの他層よりも高いドーピングレベルを有し、前記２を超える奇数の層の圧電材料のうちの他層の厚さよりも大きな厚さを有し、かつ、前記２を超える奇数の層の圧電材料のうちの他層の厚さの和に近似的に等しい厚さを有する、バルク弾性波共振器。
  2. 前記２を超える奇数の層の圧電材料は、前記圧電膜の入力側から出力側への方向においてドーピング濃度及び厚さに関して対称的に配列される、請求項１のバルク弾性波共振器。
  3. 前記２を超える奇数の層の圧電材料のうちの真ん中の層は、ＳｃがドーピングされたＡｌＮから形成され、
    前記２を超える奇数の層の圧電材料のうちの他層は未ドーピングＡｌＮから形成される、請求項１のバルク弾性波共振器。
  4. 薄膜バルク弾性波共振器として構成される請求項１のバルク弾性波共振器。
  5. ソリッドマウント共振器として構成される請求項１のバルク弾性波共振器。
  6. 無線周波数フィルタに含まれる請求項１のバルク弾性波共振器。
  7. 電子デバイスモジュールに含まれる請求項６のバルク弾性波共振器。
  8. 電子デバイスに含まれる請求項７のバルク弾性波共振器。
  9. バルク弾性波共振器を形成する方法であって、
    ２を超える奇数の層の圧電材料を形成することによって前記バルク弾性波共振器のためのメンブレンを形成することを含み、
    前記２を超える奇数の層の圧電材料のうち真ん中の層は、前記２を超える奇数の層の圧電材料のうちの他層よりも高いドーピングレベルを有し、前記２を超える奇数の層の圧電材料のうちの他層の厚さよりも大きな厚さを有し、かつ、前記２を超える奇数の層の圧電材料のうちの他層の厚さの和に近似的に等しい厚さを有する、方法。
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