KR102011467B1 - 탄성파 장치, 고주파 프론트 엔드 회로 및 통신 장치 - Google Patents

탄성파 장치, 고주파 프론트 엔드 회로 및 통신 장치 Download PDF

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Abstract

고차 모드의 응답을 효과적으로 억제할 수 있는, 탄성파 장치를 제공한다.
실리콘으로 이루어지는 지지 기판(2)과, 지지 기판(2) 상에 직접 또는 간접적으로 마련된 압전막(4)과, 압전막(4)의 한쪽면에 마련된 IDT전극(5)을 포함하는 탄성파 장치(1). 압전막(4)을 전파하는 고차 모드의 음속이, 하기의 식(2)로부터 도출되는 x의 해답 V1, V2, V3 중의 V1에 의해 규정되는 실리콘을 전파하는 음속 VSi=(V1)1/2과 같거나, 음속 VSi보다도 고속으로 되어 있다.
Ax3+Bx2+Cx+D=0 …식(2)

Description

탄성파 장치, 고주파 프론트 엔드 회로 및 통신 장치
본 발명은, 실리콘으로 이루어지는 지지 기판을 이용한 탄성파 장치 및 이것을 이용한 고주파 프론트 엔드 회로 및 통신 장치에 관한 것이다.
종래, 실리콘판을 지지 기판으로서 이용한 탄성파 장치가 여러가지 제안되어 있다. 예를 들면 하기의 특허문헌 1에는, 실리콘 기판 상에, SiO2막, LiTaO3막 및 IDT전극을 이 순서로 적층해서 이루어지는 탄성파 장치가 개시되어 있다. 특허문헌 1에서는, LiTaO3막의 막두께는, 탄성파의 파장을 λ로 했을 때에, 약 1λ 정도로 되어 있다.
일본공개특허공보 평11-55070호
특허문헌 1에 기재된 탄성파 장치에서는, 실리콘 기판의 결정 방위(結晶方位)의 상태에 따라서는, 고차(高次) 모드에 의한 응답이 비교적 큰 경우가 있었다.
본 발명의 목적은, 고차 모드의 응답을 효과적으로 억제할 수 있는 탄성파 장치, 고주파 프론트 엔드 회로 및 통신 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명에 따르는 탄성파 장치는, 실리콘으로 이루어지는 지지 기판과, 상기 지지 기판 상에 직접 또는 간접적으로 마련된 압전막(壓電膜)과, 상기 압전막의 한쪽면에 마련된 IDT전극을 포함하고, 상기 압전막을 전파하는 고차 모드의 음속이 하기의 식(1)의 음속 VSi와 같거나, 또는 상기 음속 VSi보다도 고속으로 되어 있는 탄성파 장치이다.
VSi= (V1)1/2(m/초) …식(1)
상기 식(1)에 있어서의 상기 V1은, 하기의 식(2)의 해답이다.
Ax3+Bx2+Cx+D=0 …식(2)
상기 식(2)에 있어서, 상기 A, B, C 및 D는, 각각 하기의 식(2A)~(2D)로 나타내는 값이다.
A=-ρ3 …식(2A)
B=ρ2(L11+L22+L33) …식(2B)
C=ρ(L21 2+L23 2+L31 2-L11·L33-L22·L33-L11·L22) …식(2C)
D=2·L21·L23·L31+L11·L22·L33-L31 2·L22-L11·L23 2-L21 2·L33 …식(2D)
단, 상기 식(2A), 식(2B), 식(2C) 또는 식(2D)에 있어서, 상기 ρ는, 실리콘의 밀도(g/㎤)를 나타낸다. 또한, 상기 L11, L22, L33, L21, L31 및 L23은, 하기의 식(3A)~(3F)로 나타내는 값이다.
L11=c11·a1 2+c44·a2 2+c44·a3 2 …식(3A)
L22=c44·a1 2+c11·a2 2+c44·a3 2 …식(3B)
L33=c44·a1 2+c44·a2 2+c11·a3 2 …식(3C)
L21=(c12+c44)·a2·a1 …식(3D)
L31=(c12+c44)·a1·a3 …식(3E)
L23=(c44+c12)·a3·a2 …식(3F)
단, 상기 식(3A)~(3F)에 있어서, 상기 c11, c12, c44는, 각각 실리콘의 탄성정수(N/㎡)이며, 상기 a1, a2 및 a3은, 하기의 식(4A)~(4C)로 나타내는 값이다.
a1=cos(φ)·cos(ψ)-sin(φ)·cos(θ)·sin(ψ) …식(4A)
a2=sin(φ)·cos(ψ)+cos(φ)·cos(θ)·sin(ψ) …식(4B)
a3=sin(θ)·sin(ψ) …식(4C)
또한, 상기 식(4A)~(4C)에 있어서의 상기 φ, θ 및 ψ는, 실리콘의 결정 방위(φ, θ, ψ)에 있어서의 φ, θ, ψ이다.
본 발명에 따르는 탄성파 장치가 있는 특정한 국면에서는, 상기 식(1)에 있어서의 상기 V1은, 상기 식(2)의 해답 V1, V2, V3 중, 가장 작은 값이다.
본 발명에 따르는 탄성파 장치의 다른 특정한 국면에서는, 상기 압전막이 LiTaO3으로 이루어진다. 이 경우에는, 메인모드의 응답을 고(高)Q로 할 수 있고, 또한, 고차 모드의 응답을 억제할 수 있다.
본 발명에 따르는 탄성파 장치의 또 다른 특정한 국면에서는, 상기 IDT전극의 전극 핑거 피치로 정해지는 탄성파의 파장을 λ로 했을 때에, 상기 LiTaO3으로 이루어지는 압전막의 막두께가, 0.05λ 이상, 3.5λ 이하의 범위에 있다. 이 경우에는, 고차 모드의 응답을 보다 효과적으로 억제할 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 LiTaO3으로 이루어지는 압전막의 막두께는, 1.5λ 이하이다. 이 경우에는, 고차 모드의 응답을 보다 한층 효과적으로 억제할 수 있다. 또한, 보다 바람직하게는, 상기 LiTaO3으로 이루어지는 압전막의 막두께는, 0.5λ 이하이다. 이 경우에는 고차 모드의 응답을 보다 한층 효과적으로 억제할 수 있고, 또한, 메인모드의 응답의 Q를 보다 한층 높일 수 있다.
본 발명에 따르는 탄성파 장치의 다른 특정한 국면에서는, 상기 지지 기판과, 상기 압전막의 사이에 적층된 유전체막이 더 포함되어 있다.
본 발명에 따르는 탄성파 장치의 다른 특정한 국면에서는, 상기 유전체막이 산화규소로 이루어진다. 이 경우에는, 주파수 온도 계수 TCF의 절대값을 작게 할 수 있다.
본 발명에 따르는 탄성파 장치의 또 다른 특정한 국면에서는, 상기 산화규소로 이루어지는 유전체막의 막두께가, 상기 IDT전극의 전극 핑거 피치로 정해지는 탄성파의 파장을 λ로 했을 때에, 1.2λ 이하이다. 이 경우에는, 고차 모드의 응답을 보다 효과적으로 억제할 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 산화규소로 이루어지는 유전체막의 막두께는, 상기 IDT전극의 전극 핑거 피치로 정해지는 탄성파의 파장을 λ로 했을 때에, 0.6λ 이하이다. 이 경우에는, 고차 모드의 응답을 보다 한층 효과적으로 억제할 수 있다.
본 발명에 따르는 탄성파 장치의 또 다른 특정한 국면에서는, 상기 지지 기판과, 상기 압전막의 사이에 마련되어 있으며, 상기 압전막을 전파하는 탄성파의 음속보다도 전파하는 벌크파의 음속이 고속인 고음속막과, 상기 고음속막 상에 적층되어 있으며, 상기 압전막을 전파하는 탄성파보다도 전파하는 벌크파의 음속이 저속인 저음속막이 더 포함되어 있다.
본 발명에 따르는 고주파 프론트 엔드 회로는, 본 발명에 따라 구성된 탄성파 장치와, 파워앰프를 포함한다.
본 발명에 따르는 통신 장치는, 상기 고주파 프론트 엔드 회로와, RF신호 처리 회로와, 베이스 밴드 신호 처리 회로를 포함한다.
본 발명에 따르는 탄성파 장치에 의하면, 실리콘으로 이루어지는 지지 기판의 음속이 고차 모드의 음속 이하가 되는, 실리콘의 결정 방위(φ, θ, ψ)를 선택함으로써, 고차 모드의 응답을 효과적으로 억제할 수 있다. 본 발명에 따르는 고주파 프론트 엔드 회로 및 통신 장치에 의하면, 상기 탄성파 장치를 이용하는 것에 의해, 고차 모드의 응답을 효과적으로 억제할 수 있다.
도 1(a) 및 도 1(b)는 본 발명의 일실시형태에 따르는 탄성파 장치의 정면단면도 및 일실시형태에 있어서의 탄성파 장치의 전극구조를 나타내는 모식적 평면도이다.
도 2는 SiO2막의 막두께와, 고차 모드의 음속과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 3은 Si의 결정 방위의 정의를 설명하기 위한 모식도이다.
도 4는 Si의 결정 방위(φ, θ, ψ)=(0°, 0°, 0°)일 때의 Si결정의 X축과, IDT전극의 전극 핑거가 연장되는 방향과의 관계를 나타내는 모식적 평면도이다.
도 5는 비교예의 탄성파 장치의 임피던스 특성을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시형태의 탄성파 장치의 임피던스 특성을 나타내는 도면이다.
도 7은 도 1에 나타낸 실시형태의 변형예에 따르는 탄성파 장치의 정면단면도이다.
도 8은 고주파 프론트 엔드 회로의 구성도이다.
이하, 도면을 참조하면서, 본 발명이 구체적인 실시형태를 설명하는 것에 의해, 본 발명을 분명히 한다.
또한, 본 명세서에 기재된 각 실시형태는 예시적인 것이며, 다른 실시형태 사이에서, 구성의 부분적인 치환 또는 조합이 가능한 것을 지적해 둔다.
도 1(a)는 본 발명의 일실시형태에 따르는 탄성파 장치의 정면단면도이다. 탄성파 장치(1)는, 실리콘으로 이루어지는 지지 기판(2)을 가진다. 지지 기판(2) 상에 SiO2막(3)이 적층되어 있다. 또한, 유전체막으로서, 산화규소 이외의 유전체로 이루어지는 막이 이용되어도 된다.
SiO2막(3) 상에, 압전막으로서 LiTaO3막(4)이 적층되어 있다. 즉, LiTaO3막(4)은, 지지 기판(2) 상에 간접적으로 마련되어 있다. LiTaO3막(4) 상에, IDT전극(5)과 반사기(6, 7)가 마련되어 있다. 도 1(b)에 나타내는 바와 같이, 탄성파 장치(1)의 전극 구조는, 상기 IDT전극(5)과 반사기(6, 7)를 가진다. 탄성파 장치(1)는, 1포트형 탄성파 공진자이다.
IDT전극(5)은, LiTaO3막(4)의 상면에 마련되어 있지만, 하면에 마련되어 있어도 된다.
IDT전극(5)상에 유전체막을 형성해도 된다.
또한, 본원은, 발명자에 의해 실리콘으로 이루어지는 지지 기판의 음속이 고차 모드의 음속보다도 높아지면 고차 모드의 응답이 커지고, 실리콘으로 이루어지는 지지 기판의 음속이 고차 모드의 음속과 같거나, 또는 고차 모드의 음속보다도 낮아지면 고차 모드의 응답이 작아지는 것을 새롭게 발견한 것에 기초하는 것이다.
그리고, 실리콘으로 이루어지는 지지 기판의 음속은, 하기의 식(1)~(4C)로 표현되고, 실리콘의 결정 방위(φ, θ, ψ)의 값에 따라 값이 바뀐다.
VSi=(V1)1/2(m/초) …식(1)
상기 식(1)에 있어서의 V1은, 하기의 식(2)의 해답이다.
Ax3+Bx2+Cx+D=0 …식(2)
식(2)에 있어서, A, B, C 및 D는, 각각 하기의 식(2A)~(2D)로 나타내는 값이다.
A=-ρ3 …식(2A)
B=ρ2(L11+L22+L33) …식(2B)
C=ρ(L21 2+L23 2+L31 2-L11·L33-L22·L33-L11·L22) …식(2C)
D=2·L21·L23·L31+L11·L22·L33-L31 2·L22-L11·L23 2-L21 2·L33 …식(2D)
단, 식(2A), 식(2B), 식(2C) 또는 식(2D)에 있어서, ρ는, 실리콘의 밀도(g/㎤)를 나타낸다. 또한, L11, L22, L33, L21, L31 및 L23은, 하기의 식(3A)~(3F)로 나타내는 값이다.
L11=c11·a1 2+c44·a2 2+c44·a3 2 …식(3A)
L22=c44·a1 2+c11·a2 2+c44·a3 2 …식(3B)
L33=c44·a1 2+c44·a2 2+c11·a3 2 …식(3C)
L21=(c12+c44)·a2·a1 …식(3D)
L31=(c12+c44)·a1·a3 …식(3E)
L23=(c44+c12)·a3·a2 …식(3F)
단, 식(3A)~(3F)에 있어서, c11, c12, c44는, 각각 Si(실리콘)의 탄성정수(N/㎡)이며, a1, a2 및 a3은, 하기의 식(4A)~(4C)로 나타내는 값이다.
a1=cos(φ)·cos(ψ)-sin(φ)·cos(θ)·sin(ψ) …식(4A)
a2=sin(φ)·cos(ψ)+cos(φ)·cos(θ)·sin(ψ) …식(4B)
a3=sin(θ)·sin(ψ) …식(4C)
또한, 식(4A)~(4C)에 있어서의 φ, θ 및 ψ는, 실리콘의 결정 방위(φ, θ, ψ)에 있어서의, φ, θ, ψ이다.
그리고, 압전막을 전파하는 고차 모드의 음속이 실리콘으로 이루어지는 지지 기판의 음속 VSi와 같거나, 또는 실리콘으로 이루어지는 지지 기판의 음속 VSi보다도 고속이 되도록, 실리콘의 결정 방위(φ, θ, ψ)의 값을 선택함으로써, 고차 모드의 응답을 효과적으로 억제할 수 있다.
탄성파 장치(1)의 또 다른 특징은, LiTaO3막(4)을 전파하는 고차 모드의 음속이, 상기의 식(2)을 만족시키는 x의 해답 V1, V2, V3(V1≤V2＜V3) 중에서, 가장 작은 해답을 V1로 했을 때, VSi=(V1)1/2로 나타내는 실리콘의 늦은 횡파 음속 VSi와 같거나, 또는 음속 VSi보다도 고속으로 되어 있는 것에 있다. 식(2)을 만족시키는 x로서는, V1, V2 및 V3의 3개의 해답이 존재한다. 여기서, V1≤V2＜V3이다. 바람직하게는, V1은, 식(2)의 x의 해답 V1, V2, V3 중, 가장 작은 값이다. 실리콘을 전파하는 늦은 횡파 음속 VSi=(V1)1/2(m/초)가 된다.
이로써, 고차 모드의 응답을 보다 한층 효과적으로 억제할 수 있다.
그런데, 상기 실리콘의 결정 방위(φ, θ, ψ)를, 도 3을 참조해서 설명한다. 도 3은, 실리콘의 결정 방위의 정의를 설명하기 위한 모식도이다. 도 3의 실리콘의 결정 구조에 있어서, 오른나사(right-handed screw)의 회전 방향을 양으로 한 경우, Z-X-Z를 회전축으로 한다. 결정 방위(φ, θ, ψ)는, 1) (X, Y, Z)을 Z축 둘레에 “φ”회전하여 (X1, Y1, Z1)로 하고, 다음으로, 2) (X1, Y1, Z1)을 X1축 둘레에 “θ”회전하여 (X2, Y2, Z2)로 하고, 또한 3) (X2, Y2, Z2)를 Z2축 둘레에 “ψ”회전하여 (X3, Y3, Z3)으로 한 방위가 된다.
도 4에 나타내는 바와 같이, 탄성파 장치(1)에 있어서, (φ, θ, ψ)= (0°, 0°, 0°)일 때에 Si결정의 X축과, IDT전극(5)이 연장되는 방향과 직교하는 방향 Xa가 동일 방향이 된다.
여기서는, VSi는, Xa 방향으로 전파하는 실리콘의 벌크파 중, 늦은 횡파의 음속으로서 계산하고 있다.
사용하고 있는 실리콘의 결정 방위가 예를 들면 (φ, θ, ψ)= (30°, 54.7°, 45°)의 경우에, 음속 VSi를, 식(1)에 의해 구하면, 4913(m/초)가 된다.
Si의 탄성정수 c11, c12 및 c44는 아래와 같이 정의되는 값이다.
탄성체의 왜곡 S와 응력 T는 비례 관계에 있다. 이 비례 관계는, 이하의 행렬로 나타낸다.
Figure 112018009838641-pct00001
이 식의 비례 정수(cij)는 탄성정수라고 불리고 있다. 탄성정수 cij는 고체가 속하는 결정계에 따라 결정된다. 예를 들면, 실리콘에서는, 결정의 대칭성으로부터, 이하의 3개의 독립한 값으로 표현할 수 있다.
Si의 탄성정수(N/㎡)
Figure 112018009838641-pct00002
상술한 탄성정수 c11, c12 및 c44는, 상기와 같이 해서 정의되는 Si의 탄성정수이다. 또한, Si의 탄성정수 c11=1.674E+11(N/㎡), c12=6.523E+10(N/㎡), c44=7.957E+10(N/㎡)이다(H. J. McSkimin, etal., "Measurement of the Elastic Constants of Silicon Single Crystals and Their Thermal Constants", Phys. Rev. Vol. 83, p. 1080(L) (1951)). 또한, 실리콘의 밀도 ρ=2331(g/㎤)이다.
탄성파 장치(1)에서는, 고차 모드의 음속이, 음속 VSi와 같거나, 또는 그것보다도 높게 되어 있다. 따라서, 고차 모드의 음속이, SiO2막(3)과, LiTaO3막(4)이 적층되어 있는 부분에 고차 모드가 갇혀있지 않고, 고차 모드가 Si로 이루어지는 지지 기판(2)측에 누설된다. 그것에 의해, 고차 모드에 의한 응답을 효과적으로 억제할 수 있다.
고차 모드의 음속에 대해서는, SiO2막 등의 저음속막의 막두께에 의해 조정할 수 있다. 도 2는, SiO2막의 막두께와, 고차 모드의 음속과의 관계를 나타내는 도면이다. 또한, 직사각형의 플롯이, SiO2의 막두께와, 제2의 고차 모드의 음속과의 관계를 나타내고, 사다리꼴형의 플롯이, SiO2의 막두께와, 제1의 고차 모드의 음속과의 관계를 나타낸다. 도 2의 계산 조건은, LiTaO3막두께는 0.3λ, 컷트각은 50°Y, Si의 결정 방위는 (0°, 0°, 0°), IDT전극에는 Al을 이용하고, 두께는 0.08λ, 파장은 1㎛로 계산했다. 또한, LiTaO3의 막두께, 컷트각, 전극의 두께에 따라 도 2의 결과가 크게 바뀌지 않는 것은 확인되었다. 즉, 고차 모드의 음속은 SiO2막두께에 크게 의존한다. 도 2에 있어서는, 제1의 고차 모드의 음속과 제2의 고차 모드의 음속이 나타나 있다. 이 2종류의 고차 모드의 음속이, SiO2막의 막두께의 변화에 의해 변화되고 있는 것을 알 수 있다. 상술한 바와 같이, 식(1)로부터 구해진 Si기판의 음속이 4913(m/초)이기 때문에, 제2의 고차 모드를 억제하기 위해서는, SiO2막의 막두께를 1.0λ 이하로 하면 되는 것을 알 수 있다. 또한, 제1의 고차 모드도 억제하기 위해서는, SiO2막의 막두께를 0.4λ 이하로 하면 되는 것을 알 수 있다. 따라서, SiO2막의 막두께를 0.4λ 이하로 하는 것이 가장 바람직하고, 제1 및 제2의 고차 모드의 쌍방을 억제할 수 있다.
또한, 실리콘의 결정 방위를 전방위 회전한 경우에, VSi를 가장 작게 할 수 있는 방위에 있어서의 VSi는 4673(m/초)이며, 도 2로부터 SiO2막(3)의 막두께를 1.2λ 이하로 함으로써 제2의 고차 모드가 억제 가능한 조건이 존재하게 된다. 또한, SiO2막(3)의 막두께를 0.6λ 이하로 함으로써, 제1의 고차 모드, 제2의 고차 모드의 양쪽을 동시에 억제 가능한 조건이 존재하게 되어, 고차 모드 억제가 더 가능하게 된다.
또한, 탄성파 장치(1)에서는, 상기 LiTaO3막(4)의 두께는, IDT전극(5)의 전극 핑거 피치로 정해지는 탄성파의 파장을 λ로 했을 때에, 0.05λ 이상, 3.5λ 이하의 범위에 있는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 1.5λ 이하가 된다. 또한, 보다 바람직하게는, 0.5λ 이하가 된다.
왜냐하면, 본원발명의 구조를 적용하는 경우에는, 상술한 바와 같이, SiO2막(3)과, LiTaO3막(4)이 적층되어 있는 부분에 고차 모드가 갇히는 경향에 있지만, 상기 LiTaO3막(4)의 두께를 상기 범위 내로 하는 것에 의해, SiO2막(3)과 LiTaO3막(4)의 적층부분이 얇아지기 때문에, 고차 모드가 갇히기 어려워지기 때문이다.
상기 실시형태의 탄성파 장치의 일례 및 비교예의 탄성파 장치를 제작했다. 설계 파라미터는 아래와 같이 했다.
실시형태의 탄성파 장치: (45°, 0°, 0°)의 결정 방위의 실리콘으로 이루어지는 지지 기판(2) 상에, 0.337λ의 두께의 SiO2막(3), 0.300λ의 두께의 LiTaO3막(4), 0.08λ의 두께의 Al로 이루어지는 IDT전극(5) 및 반사기(6, 7)를 마련했다. IDT전극의 전극 핑거 피치로 정해지는 파장 λ는 1㎛로 했다. 비교예에서는, 실리콘의 결정 방위를 (0°, 0°, 0°)로 한 것을 제외하고는, 상기 실시형태와 마찬가지로 해서 탄성파 장치를 제작했다.
상기 탄성파 장치에 있어서의 지지 기판(2)의 음속은 4673(m/초)이며, 스퓨리어스(spurious)가 되는 제1의 고차 모드의 음속은 4673(m/초), 제2의 고차 모드의 음속은 5628(m/초)이다.
비교예의 탄성파 장치에서는, 지지 기판의 음속은 5844(m/초)이며, 제1의 고차 모드의 음속은, 5108(m/초), 제2의 고차 모드의 음속은 5588(m/초)이다.
도 5는 비교예의 탄성파 장치의 임피던스 특성을 나타낸다. 도 6은 상기 실시형태의 일례의 탄성파 장치의 임피던스 특성을 나타낸다. 여기서, 도 5 및 도 6 중의 점선이 실리콘으로 이루어지는 지지 기판의 음속이다.
도 5에서는, 화살표(H1a, H1b)로 나타내는 고차 모드의 응답이 크게 나타나 있는 것에 비해, 도 6에 나타내는 임피던스 특성에서는, 화살표(H2a, H2b)로 나타내는 바와 같이, 고차 모드의 응답이 매우 작아져 있다.
상기와 같이, 본 실시형태의 탄성파 장치(1)에서는, 고차 모드의 음속이 실리콘으로 이루어지는 지지 기판의 음속보다도 높아져 있기 때문에, 고차 모드에 의한 응답을 효과적으로 억제할 수 있다.
상기 고차 모드의 음속을 실리콘으로 이루어지는 지지 기판의 음속보다도 높게 하기 위해서는, 상술한 바와 같이, SiO2막 등의 저음속막, 또는 LiTaO3막 등의 압전박막의 막두께를 변화시키고, 고차 모드의 음속을 변화시키면 된다. 혹은, 실리콘의 결정 방위를 변화시키는 것에 의해, 상기 실리콘으로 이루어지는 지지 기판을 전파하는 파의 음속을 조정해도 된다.
즉, 압전막을 전파하는 고차 모드의 음속이, 식(1)을 만족시키는 실리콘을 전파하는 파의 음속 VSi보다도 고속이 되도록, 상기 고차 모드의 음속 및 음속 VSi의 적어도 한 쪽을 조정하면 된다.
또한, 본 발명에 있어서, SiO2막(3) 등의 유전체막은 반드시 마련되지 않아도 된다. 그 경우에는, 압전막은, 지지 기판(2) 상에 직접적으로 마련되어 있는 것이 된다. 이 경우에 있어서도, 고차 모드의 음속이 실리콘으로 이루어지는 지지 기판(2)을 전파하는 파의 음속 VSi보다도 높아지도록 음속 VSi를 조정하는 것에 의해, 고차 모드의 응답을 억압할 수 있다. 즉, 실리콘의 결정 방위를 조정하는 것에 의해, 상기 음속 VSi를 조정하여 고차 모드의 음속보다도 음속 VSi를 낮게 해도 된다.
가장 바람직하게는, 상술한 바와 같이 SiO2막의 막두께를 조정하고, 그것에 의해 고차 모드의 음속을 컨트롤하는 것에 의해, 고차 모드의 음속을 음속 VSi보다 높게 하는 방법을 병용하는 것이 바람직하다. 그것에 의해, 고차 모드의 응답을 보다 효과적으로 억압할 수 있다.
또한, SiO2, 즉 산화규소 이외의 유전체로 이루어지는 유전체막을 이용해도 된다.
또한, 도 7에 나타내는 변형예의 탄성파 장치(21)와 같이, 지지 기판(2)과, LiTaO3막(4)의 사이에, 제1의 저음속막(22), 고음속막(23) 및 제2의 저음속막(24)을 배치해도 된다. 고음속막(23)은, LiTaO3막(4)을 전파하는 탄성파의 음속보다도 전파하는 벌크파의 음속이 고속인 재료로 이루어진다. 또한, 제1, 제2의 저음속막(22, 24)은, LiTaO3막(4)을 전파하는 탄성파의 음속보다도 전파하는 벌크파의 음속이 저속인 재료로 이루어진다. 상기 고음속막(23) 및 제1, 제2의 저음속막(22, 24)을 구성하는 재료는, 상기 음속관계를 만족시키는 한 특별히 한정되지 않는다. 본 변형예에서는, 제1, 제2의 저음속막(22, 24)은 SiO2로 이루어지고, 고음속막(23)은 SiN으로 이루어진다.
또한, 탄성파 장치(21)의 제1의 저음속막(22)이 생략되어도 된다. 즉, 지지 기판(2) 상에, 고음속막(23) 및 제2의 저음속막(24)이 적층된 구조여도 된다.
또한, 상기 실시형태에서는, 탄성파 장치(1)로서, 1포트형 탄성파 공진자를 설명했지만, 본 발명의 탄성파 장치는, 1포트형 탄성파 공진자에 한정하지 않고, 세로 결합 공진자형 탄성파 필터 등의 다양한 전극구조를 가지는 탄성파 장치에 넓게 적용할 수 있다.
압전막으로서는, LiTaO3에 한정하지 않고, LiNbO3 등의 다른 압전단결정이나 다른 압전재료로 이루어지는 것을 이용해도 된다.
도 8은, 고주파 프론트 엔드 회로(130)의 구성도이다. 또한, 동일 도면에는, 고주파 프론트 엔드 회로(130)와 접속되는 각 구성요소(안테나 소자(102), RF신호 처리 회로(RFIC)(103), 및 베이스 밴드 신호 처리 회로(BBIC)(104))에 대해서도 함께 도시되어 있다. 고주파 프론트 엔드 회로(130), RF신호 처리 회로(103) 및 베이스 밴드 신호 처리 회로(104)는, 통신 장치(140)를 구성하고 있다. 또한, 통신 장치(140)는, 전원이나 CPU, 디스플레이를 포함하고 있어도 된다.
고주파 프론트 엔드 회로(130)는, 쿼드플렉서(101)와, 수신측 스위치(113) 및 송신측 스위치(123)와, 로우 노이즈 앰프 회로(114)와, 파워 앰프 회로(124)를 포함한다. 또한, 탄성파 장치(1)는, 쿼드플렉서(101)여도 되고, 필터(111, 112, 121, 122)여도 된다.
수신측 스위치(113)는, 쿼드플렉서(101)의 수신단자인 개별단자(111A) 및 개별단자(121A)에 개별로 접속된 2개의 선택단자, 그리고 로우 노이즈 앰프 회로(114)에 접속된 공통단자를 가지는 스위치 회로이다.
송신측 스위치(123)는, 쿼드플렉서(101)의 송신단자인 개별단자(112A) 및 개별단자(122A)에 개별로 접속된 2개의 선택단자, 그리고 파워 앰프 회로(124)에 접속된 공통단자를 가지는 스위치 회로이다.
이들 수신측 스위치(113) 및 송신측 스위치(123)는, 각각, 제어부(도시하지 않음)로부터의 제어 신호에 따라, 공통단자와 소정의 밴드에 대응하는 신호 경로를 접속하고, 예를 들면, SPDT(Single Pole Double Throw)형의 스위치에 의해 구성된다. 또한, 공통단자와 접속되는 선택단자는 1개에 한정하지 않고, 복수개여도 상관없다. 즉, 고주파 프론트 엔드 회로(130)는, 캐리어 어그리게이션(carrier aggregation)에 대응해도 상관없다.
로우 노이즈 앰프 회로(114)는, 안테나 소자(102), 쿼드플렉서(101) 및 수신측 스위치(113)를 경유한 고주파 신호(여기서는 고주파 수신 신호)를 증폭하여, RF신호 처리 회로(103)에 출력하는 수신 증폭 회로이다.
파워 앰프 회로(124)는, RF신호 처리 회로(103)로부터 출력된 고주파 신호 (여기서는 고주파 송신 신호)를 증폭하여, 송신측 스위치(123) 및 쿼드플렉서(101)를 경유해서 안테나 소자(102)에 출력하는 송신 증폭 회로이다.
RF신호 처리 회로(103)는, 안테나 소자(102)로부터 수신 신호 경로를 통해 입력된 고주파 수신 신호를, 다운 컨버트 등에 의해 신호 처리하고, 해당 신호 처리해서 생성된 수신 신호를 베이스 밴드 신호 처리 회로(104)에 출력한다. 또한, RF신호 처리 회로(103)는, 베이스 밴드 신호 처리 회로(104)로부터 입력된 송신 신호를 업 컨버트 등에 의해 신호 처리하고, 해당 신호 처리해서 생성된 고주파 송신 신호를 파워 앰프 회로(124)에 출력한다. RF신호 처리 회로(103)는, 예를 들면 RFIC이다. 베이스 밴드 신호 처리 회로(104)로 처리된 신호는, 예를 들면, 화상신호로서 화상 표시를 위해, 또는 음성신호로서 통화를 위해 사용된다. 또한, 고주파 프론트 엔드 회로(130)는, 상술한 각 구성 요소의 사이에 다른 회로 소자를 포함하고 있어도 된다.
이상과 같이 구성된 고주파 프론트 엔드 회로(130) 및 통신 장치(140)에 의하면, 상기 쿼드플렉서(101)를 포함하는 것에 의해, 통과 대역 내의 리플(ripple）을 억제할 수 있다.
또한, 고주파 프론트 엔드 회로(130)는, 상기 쿼드플렉서(101)를 대신하여 쿼드플렉서(101)의 변형예에 따르는 쿼드플렉서를 포함해도 상관없다.
(그 외의 실시형태)
이상, 본 발명의 실시형태에 따르는 탄성파 장치, 고주파 프론트 엔드 회로 및 통신 장치에 대해, 실시형태 및 그 변형예를 들어 설명했지만, 본 발명은, 상기 실시형태 및 변형예에 있어서의 임의의 구성 요소를 조합하여 실현되는 다른 실시형태나, 상기 실시형태에 대하여 본 발명의 주지를 일탈하지 않는 범위에서 당업자가 생각해내는 각종 변형을 실시하여 얻어지는 변형예나, 본 발명에 따르는 고주파 프론트 엔드 회로 및 통신 장치를 내장한 각종 기기도 본 발명에 포함된다.
예를 들면, 상기 설명에서는, 탄성파 장치로서 쿼드플렉서여도 되고, 필터여도 된다고 했지만, 본 발명은, 예를 들면, 3개의 필터 안테나 단자가 공통화된 트리플렉서나, 6개의 필터 안테나 단자가 공통화된 헥사플렉서 등의 멀티플렉서에 대해서도 적용할 수 있다. 멀티플렉서는, 2개 이상의 필터를 포함하고 있으면 된다.
또한, 멀티플렉서는, 송신 필터 및 수신 필터의 쌍방을 포함하는 구성에 한정하지 않고, 송신 필터만, 또는 수신 필터만을 포함하는 구성이어도 상관없다.
본 발명은, 필터, 멀티 밴드 시스템에 적용할 수 있는 멀티플렉서, 프론트 엔드 회로 및 통신 장치로서, 휴대전화 등의 통신기기에 널리 이용할 수 있다.
1: 탄성파 장치 2: 지지 기판
3: SiO2막 4: LiTaO3막
5: IDT전극 6,7: 반사기
21: 탄성파 장치 22, 24: 제1, 제2의 저음속막
23: 고음속막 101: 쿼드플렉서
102: 안테나 소자 103: RF신호 처리 회로
104: 베이스 밴드 신호 처리 회로 111, 112, 121, 122: 필터
111A, 112A, 121A, 122A: 개별단자 113: 수신측 스위치
114: 로우 노이즈 앰프 회로 123: 송신측 스위치
124: 파워 앰프 회로 130: 고주파 프론트 엔드 회로
140: 통신 장치

Claims (13)

  1. 실리콘으로 이루어지는 지지 기판과,
    상기 지지 기판 상에 직접 또는 간접적으로 마련된 압전막(壓電膜)과,
    상기 압전막의 한쪽면에 마련된 IDT전극을 포함하고,
    상기 압전막을 전파하는 고차(高次) 모드의 음속이 하기의 식(1)의 음속 VSi와 같거나, 또는 상기 음속 VSi보다도 고속으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 탄성파 장치.
    VSi=(V1)1/2(m/초) …식(1)
    상기 식(1)에 있어서의 상기 V1은, 하기의 식(2)의 해답이다.
    Ax3+Bx2+Cx+D=0 …식(2)
    상기 식(2)에 있어서, 상기 A, B, C 및 D는, 각각, 하기의 식(2A)~(2D)로 나타내는 값이다.
    A=-ρ3 …식(2A)
    B=ρ2(L11+L22+L33) …식(2B)
    C=ρ(L21 2+L23 2+L31 2-L11·L33-L22·L33-L11·L22) …식(2C)
    D=2·L21·L23·L31+L11·L22·L33-L31 2·L22-L11·L23 2-L21 2·L33 …식(2D)
    단, 상기 식(2A), 식(2B), 식(2C) 또는 식(2D)에 있어서, 상기 ρ는, 실리콘의 밀도(g/㎤)를 나타낸다. 또한, 상기 L11, L22, L33, L21, L31 및 L23은, 하기의 식(3A)~(3F)로 나타내는 값이다.
    L11=c11·a1 2+c44·a2 2+c44·a3 2 …식(3A)
    L22=c44·a1 2+c11·a2 2+c44·a3 2 …식(3B)
    L33=c44·a1 2+c44·a2 2+c11·a3 2 …식(3C)
    L21=(c12+c44)·a2·a1 …식(3D)
    L31=(c12+c44)·a1·a3 …식(3E)
    L23=(c44+c12)·a3·a2 …식(3F)
    단, 상기 식(3A)~(3F)에 있어서, 상기 c11, c12, c44는, 각각 실리콘의 탄성정수(N/㎡)이며, 상기 a1, a2 및 a3은, 하기의 식(4A)~(4C)로 나타내는 값이다.
    a1=cos(φ)·cos(ψ)-sin(φ)·cos(θ)·sin(ψ) …식(4A)
    a2=sin(φ)·cos(ψ)+cos(φ)·cos(θ)·sin(ψ) …식(4B)
    a3=sin(θ)·sin(ψ) …식(4C)
    또한, 상기 식(4A)~(4C)에 있어서의 상기 φ, θ 및 ψ는, 실리콘의 결정 방위(φ, θ, ψ)에 있어서의 φ, θ, ψ이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 식(1)에 있어서의 상기 V1은, 상기 식(2)의 해답 V1, V2, V3 중, 가장 작은 값인 것을 특징으로 하는 탄성파 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 압전막이 LiTaO3으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄성파 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 IDT전극의 전극 핑거 피치로 정해지는 탄성파의 파장을 λ로 했을 때에, 상기 LiTaO3으로 이루어지는 압전막의 막두께가, 0.05λ 이상, 3.5λ 이하의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 탄성파 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    LiTaO3으로 이루어지는 압전막의 막두께가, 1.5λ 이하인 것을 특징으로 하는 탄성파 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 LiTaO3으로 이루어지는 압전막의 막두께가, 0.5λ 이하인 것을 특징으로 하는 탄성파 장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 지지 기판과, 상기 압전막의 사이에 적층된 유전체막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성파 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 유전체막이 산화규소로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄성파 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 산화규소로 이루어지는 유전체막의 막두께가, 상기 IDT전극의 전극 핑거 피치로 정해지는 탄성파의 파장을 λ로 했을 때에, 1.2λ 이하인 것을 특징으로 하는 탄성파 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 산화규소로 이루어지는 유전체막의 막두께가, 상기 IDT전극의 전극 핑거 피치로 정해지는 탄성파의 파장을 λ로 했을 때에, 0.6λ 이하인 것을 특징으로 하는 탄성파 장치.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 지지 기판과, 상기 압전막의 사이에 마련되어 있으며, 상기 압전막을 전파하는 탄성파의 음속보다도 전파하는 벌크파의 음속이 고속인 고음속막과,
    상기 고음속막 상에 적층되어 있으며, 상기 압전막을 전파하는 탄성파보다도 전파하는 벌크파의 음속이 저속인 저음속막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성파 장치.
  12. 제1항 또는 제2항에 기재된 탄성파 장치와,
    파워앰프를 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 프론트 엔드 회로.
  13. 제12항에 기재된 고주파 프론트 엔드 회로와,
    RF신호 처리 회로와,
    베이스 밴드 신호 처리 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 장치.
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