KR102461739B1 - 개선된 음향파 필터들을 위해 치환된 알루미늄 질화물 - Google Patents

개선된 음향파 필터들을 위해 치환된 알루미늄 질화물 Download PDF

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Abstract

압전 재료는 Sb, Ta, Nb 또는 Ge 중 하나; B, Sc, Y, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm 또는 Yb 중 하나 이상과 조합된 Cr; Li, Mg, Ca, Ni, Co 및 Zn 중 하나와 조합된 Nb 및 Ta 중 하나; Si, Ge, Ti, Zr 및 Hf 중 하나와 조합된 Ca; Si, Ge 및 Ti 중 하나와 조합된 Mg; 및 Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm 또는 Yb 중 하나 이상과 조합된 Co, Sb, Ta, Nb, Si 또는 Ge 중 하나 이상으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 원소의 양이온들로 도핑된 AlN을 포함한다. 양이온들은 압전 재료의 결정 구조에서 Al을 적어도 부분적으로 치환한다.

Description

개선된 음향파 필터들을 위해 치환된 알루미늄 질화물
<관련 출원들에 대한 상호-참조>
본 출원은 35 U.S.C. §119(e) 하에서 2017년 7월 7일자로 출원되고 발명의 명칭이 "SUBSTITUTED ALUMINUM NITRIDE FOR IMPROVED ACOUSTIC WAVE FILTERS"인 미국 가특허 출원 제62/529,742호의 우선권을 주장하며, 이는 본 명세서에서 모든 목적들을 위해 전체적으로 참조로 포함된다.
알루미늄 질화물(AlN)은 1-5GHz 범위에서 동작하는 벌크 음향파(Bulk Acoustic Wave)(BAW) 및 필름 벌크 음향 공진기(Film Bulk Acoustic Resonator)(FBAR) 필터들에서 사용된 압전 재료이다. 더 큰 IIIA족 질화물들(예를 들어, GaN 및 InN)은 계열로 내려감에 따라 압전 계수가 급격히 감소하는 것을 나타낸다. AlN의 특성들은 스칸듐과 같은 알루미늄에 대한 치환물들을 사용하여 수정될 수 있다. 그러나, 이러한 재료들에 대한 개선된 전자 기계 커플링, 더 높은 유전 상수들, 더 큰 음속들 및 더 양호한 온도 안정성에 대한 요구가 여전히 존재하며, 이는 BAW 필터들의 특성들이 개선되게 할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "BAW 필터"라는 용어는 FBAR 필터들을 포함한다.
음향파 필터들에 사용될 수 있는 압전 재료들의 바람직한 특성들은 다음을 포함한다.
·예를 들어, 12,000m/sec보다 큰 높은 음속
·예를 들어, 5%보다 큰 양호한 커플링 상수
·디바이스의 사이즈를 감소시키기 위한 높은 유전 상수
·퇴적 및 통합을 위한 안정적인 재료 시스템 및 결정 구조
·재료가 누설이 적은 양호한 절연체가 되도록 제공하는 넓은 밴드 갭
BAW 필터들의 다양한 파라미터들과 이러한 필터들에 활용되는 압전 재료의 재료 특성들 간의 관계는 다음을 포함한다.
·증가된 밴드 폭 = 증가된 커플링 팩터 k2
·필터에 대한 가파른 에지들 = 증가된 품질 팩터 Q
·필터 두께 소형화 = 증가된 음속 v = (c33/ρ)1/2; c33 = 탄성 계수(elastic modulus), ρ = 재료 밀도.
·x-y 평면에서의 필터 소형화 = 증가된 유전 상수
·낮은 누설 전류, 더 양호한 절연체 = 넓은 밴드 갭
·필터 온도 안정성 = 압전 응답의 온도 안정성
음향파 필터들에서 사용될 때 그 성능과 관련된 압전 재료들의 재료 특성들은 다음을 포함한다.
·
Figure 112020011931999-pct00001
(kt 2은 커플링 계수이고, e33 및 d33은 압전 계수들이고, cD 33 및 cE 33은 탄성 계수들이고, ε33은 유전 상수이고, εR은 상대 유전 상수이다. fs 및 fp는 각각 직렬 및 병렬 공진 주파수이다.)
·신호 대 잡음비(signal to noise ratio)(SNR) =
Figure 112020011931999-pct00002
·fs,m(GHz) = 최소 임피던스 지점의 주파수로서, 직렬 공진 주파수에 가까우며, 이론적으로 이와 동일하다.
·fp(GHz) = 병렬 공진 주파수
·종방향 음속 v1 = (c33/ρ)1/2
·FOM(Figure of Merit) =
Figure 112020011931999-pct00003
직렬 공진 주파수 및 병렬 공진 주파수의 위치들을 나타내는 음향파 필터의 예에 대한 임피던스 대 주파수의 차트가 도 1에 예시되어 있다.
마이크로파 주파수들에서, 재료의 유전 상수는 이온 분극도(ionic polarizability)에 의해 좌우된다. 다양한 3가 양이온들 대 결정 반경의 유전 분극도들을 예시하는 차트가 도 2에 예시되어 있다. 유전 상수에 대한 클라우지우스-모세티(Clausius-Mossetti) 관계는 다음과 같다.
Figure 112020011931999-pct00004
·αD = 총 이온 분극도
·Vm = 몰 부피
·ε' = 재료의 유전 상수
Figure 112020011931999-pct00005
·αi는 개별 이온 분극도들을 나타낸다.
Figure 112020011931999-pct00006
공유 원자가 효과들은 이온 모델을 "흐리게(blur)" 한다. 도핑된 AlN은 사용된 도펀트(들)에 따라 이온 결합 및 공유 결합 둘 모두의 특성들을 나타낼 수 있다.
AlN-계 공진기들은 -25 내지 -30ppm/℃의 범위의 주파수의 온도 계수(temperature coefficient of frequency)(TCF) 드리프트를 나타낸다. 비교를 하자면, GaN의 TCF는 약 -18ppm/℃이다. 공진 주파수의 TCF 드리프트는 탄성 계수에서의 열 드리프트에 의해 지배된다. 공진 주파수의 과도한 열 드리프트는 공진 주파수의 TCF 드리프트를 보상하기 위해 공진기 상에 실리콘 이산화물(SiO2) 층이 퇴적될 필요가 있어, 감소된 커플링 팩터(k2) 및 스퓨리어스 공진(spurious resonance)들을 초래할 수 있다는 점에서 문제가 있다. 스칸듐(Sc)과 같은 재료로 AlN을 도핑하면 TCF를 거의 조정할 수 없다.
재료의 음속은 다음의 방정식 당 재료의 체적 탄성 계수(bulk modulus) 및 밀도와 관련된다.
Figure 112020011931999-pct00007
·K = 재료의 체적 탄성 계수
·ρ = 밀도
재료의 종방향 음속은 다음의 화학식에 의해 계산될 수 있다.
Figure 112020011931999-pct00008
다양한 전자 기계 재료들의 음향 속도들 및 다른 선택된 재료 파라미터들이 도 3의 표에 예시되어 있다. 4H 타입 육방정계 스택형의 실리콘 탄화물(SiC)(우르자이트)은 매우 높은 음속(13,100m/s)을 갖는다. 그러나, SiC와 AlN의 고용체는 실현 가능하지 않다.
AlN, 갈륨 질화물(GaN) 및 인듐 질화물(InN)을 포함하는 다양한 질화물들은 모두 공간군 c4 6V를 갖는 우르자이트 결정학적 구조를 가정한다. 공간군은 주기적인 격자로 도시된 3차원 대칭 피처들을 나타낸다. 이 구조의 예시가 도 4에 도시되어 있다. 우르자이트 구조는 사면체 배위 양이온들 및 AB 타입 육방정계 구조의 음이온들을 포함한다. 우르자이트 구조는 자발 분극과 호환되는 가능한 가장 높은 대칭성을 나타낸다. 우르자이트 결정 구조의 주요 결정학적 파라미터들은 육방정계 c, 육방정계 a 및 결합 길이 u를 포함한다. 이들 파라미터들은 도 4에 예시되어 있다. AlN에서, c-축 결합은 다른 것들에 비해 길다. AlN, GaN 및 InN에 대한 이러한 결정학적 파라미터들은 아래의 표 1에 도시된 바와 같다.
Figure 112020011931999-pct00009
위의 표에서, u는 결합 길이이다. 이것은 통상적으로 차원이 없으며, 차원 c의 파라미터의 일부로서 표현된다. 결합 길이(Å)는 (c/a)에 u를 곱하여 결정될 수 있다.
우르자이트 구조화된 질화물들은 다른 III-V 재료들보다 II-VI 재료들(ZnO)과 더 유사하다. 우르자이트 구조화된 질화물들은 동일한 부호의 압전 계수 및 높은 보른 유효 전하들(이온성)을 갖는다. GaN -> InN -> AlN에서 결합 길이(u)는 점점 길어지고, c/a는 점점 작아진다. 다양한 III-V 우르자이트 질화물들 AlN, GaN 및 InN 및 II-VI 우르자이트 산화물들에 대한 자발 분극, 보른 유효 전하 및 압전 상수들을 포함하는 다양한 재료 파라미터들이 도 5a의 표에 예시되어 있다. AlN, GaN 및 InN의 추가적인 특성들이 도 5b의 표에 예시되어 있다.
ZnO는 AlN 또는 GaN과 같은 우르자이트 구조화된 III-V 질화물들에 대한 모델로 간주될 수 있다. ZnO는 AlN 또는 GaN보다 큰 압전 계수들, GaN보다 높은 유효 전하, 및 GaN보다 변형에 대한 더 큰 분극 응답을 갖는다. ZnO에서 Zn2 +를 치환하는 더 작은 양이온들에 대한 강화된 압전 응답이 관찰되었다. 특정 이론에 구속되지 않고, ZnO에서의 압전 응답은 c축 주위에서 동일 직선 상에 없는(non-colinear) 결합들의 회전으로 인해 발생하는 것으로 여겨진다. ZnO에서 Zn을 더 작고 더 높은 전하를 갖는 이온들로 치환하면 이러한 회전을 강화시킨다(예를 들어, Zn2 +를 V5+로 치환함). AlN에서 Al보다 작은 이온들은 많지 않지만(예를 들어, Si4+), 이 메커니즘은 GaN에서 압전성을 강화시킬 수 있다. V5 + 또는 Ta5 +의 높은 전하, 가능하게는 알루미늄 베이컨시(aluminum vacancy)들로 보상되는 전하가 AlN에서의 이러한 회전 효과를 강화시킬 수 있다. 또한, 특정 이론에 구속되지 않고, 결함들이 도핑된 ZnO 및 AlN에서 압전성을 강화시키는 역할을 할 수 있을 것으로 여겨지는데, 왜냐하면 결함들의 존재에 의해 전하 균형 및 그림-서머필드(Grimm-Summerfeld) 개념이 위반되기 때문이다. 전하 보상은 안티-사이트 결함들(anti-site defect)(NAl), 질소 간극(nitrogen interstitial)(Ni) 또는 도핑된 AlN에서의 Al 베이컨시들에 의해 달성될 수 있다.
AlN은 음향파 공진기들 및 필터들에서 압전 재료로 사용하기에 매력적인 다양한 특성들을 나타낸다. 이러한 특성들은 다음을 포함한다.
·넓은 밴드 갭(6.2eV)
·높은 열 전도성(2W/cm-K)
·높은 전기 저항률(1 x 1016Ω-cm)
·높은 항복 전압(5 x 105V/cm)
·높은 품질 팩터(BAW의 경우, 2GHz에서 3,000)
·적당한 커플링 계수(BAW의 경우, 6.5%)
·적당한 압전 계수(e33 = 1.55C/m2)
·높은 종방향 음향 속도(BAW의 경우, 11,300m/s)
·낮은 전파 손실들
·c-축 배향 필름 준비가 용이
·화학적으로 안정
·IC-기술 프로세스들과 호환
BN 이외에, IIIA 질화물-AlN 고용체들의 압전 특성들을 특징짓는 연구는 거의 수행되지 않았다. AlxGa1 - xN 고용체들의 격자 상수 및 에너지 갭의 검사 결과들이 도 6a 및 도 6b에 예시되어 있다. AlxGa1-xN은 연속적인 고용체를 나타낸다.
SiC, GaN, InN, ZnO 및 CdSe의 특성들을 비교하는 추가 연구는, 도 7a 및 도 7b에 예시된 바와 같이, 필립스 이온성(Phillips Ionicity)을 감소시키면 더 큰 탄성 상수들 및 더 큰 음속들로 이어진다는 것을 나타내었다.
Sc로 도핑된 AlN의 특성들이 조사되었다. ScN은 암염 구조를 가지고 있다. AlN의 우르자이트 구조에서의 c/a 비는 Sc 첨가들에 따라 감소한다(AlN의 경우, c/a는 1.601이고; Al. 88Sc.12N의 경우, c/a는 1.575이다). 모델링은 Sc-도핑된 AlN에 중간 육방정계 결정학적 구조들이 존재할 수 있다고 예측한다. Sc0 . 5Alo.5N에 대한 결정학적 구조의 변화 대 c/a 비가 도 8a 및 도 8b에 예시되어 있다. 도 8a 및 도 8b는 궁극적으로 동일한 c/a 비를 나타내고, 최적의 c/a 비를 벗어나서 소모된 에너지 페널티를 나타낸다. u 파라미터는 Sc 사이트들 주위에서 더 크다. c 방향에는 얕은 에너지 우물(energy well)이 있다. Sc는 도핑된 AlN의 공유 원자가를 감소시키고, 압전성을 증가시킨다. 밀도 기능 이론은 Al을 Sc로 치환하면 우르자이트 상(Wurtzite phase)을 연화시키게 된다는 것을 밝혀냈다. 이것은 질소 배위에 대한 Al3 +와 Sc3 +의 경쟁 때문이다. Al3 +는 사면체 배위를 선호하는 반면, Sc3 +는 5 또는 6 배위(fold coordination)를 선호한다. 이로 인해 시스템이 불만스럽게 된다. AlN에서 Al이 Sc로 치환됨에 따라, 이온들에 대한 퍼텐셜 우물들이 덜 깊어지고, 이온 변위들이 더 커진다. Sc의 농도들이 증가함에 따라, e33 압전 계수는 증가하는 반면, c33 탄성 상수는 감소한다. Y3 +, Yb3 + 등과 같이 더 크고 더 양전성인 이온들도 이러한 효과를 나타낼 수 있다. AlN과 Al. 88Sc.12N의 다양한 특성들 간의 비교가 도 8c에 예시되어 있고, AlN과 다른 농도들의 Sc로 도핑된 AlN의 특성들 간의 비교들이 도 8d 내지 도 8h에 예시되어 있다.
어느 정도 연구된 다른 도핑된 AlN 재료는 YxAl1 - xN이다. 이트륨은 더 큰 이온 반경을 갖고, 더 양전성이며, 스칸듐보다 덜 비싸다. 밀도 기능 이론에 기초한 순이론적 계산(ab initio calculation)들은 YxAl1 - xN(x = 0.75)의 우르자이트 구조에 대해 높은 상 안정성을 나타낸다. 그럼에도 불구하고, YxAl1 - xN 필름들에서 결정성이 불량한 것으로 관찰되었다. YxAl1 - xN은 산소 및 물(YOOH기들)에 대해 큰 친화력을 나타낸다. YxAl1 - xN의 밴드 갭은 x = 0.22에서 6.2eV(AlN)로부터 4.5eV로 감소된다. Sc-도핑된 AlN보다 YxAl1 - xN에서 탄성 계수의 더 큰 감소 및 d33 및 e33의 더 큰 증가가 관찰된다. YxAl1 - xN에 대한 관찰된 유전율 증가는 Sc-도핑된 재료와 유사하다. YxAl1-xN에서 상이한 양들의 Y 도펀트에 의한 εr, e33, e31, d33 및 d31의 변화를 예시하는 차트들이 도 9a 내지 도 9c에 예시되어 있다.
Al 대신 Mg 및 Zr, Mg 및 Ti, 또는 Mg 및 Hf의 커플링된 치환물을 갖는 AlN의 특성들을 조사하는 일부 연구가 수행되었다. 이들 재료들은 AlN에 비해 압전 계수들은 개선되었지만, 탄성 계수들(및 유사하게는, 음속들 및 Q)은 더 낮게 나타낸다. 상이한 도펀트 농도로 Al 대신 Mg 및 Zr, Mg 및 Ti, 및 Mg 및 Hf의 커플링된 치환물을 갖는 AlN의 압전 계수들 및 탄성 계수들을 예시하는 차트들이 도 10a 및 도 10b에서 ScxAl1 - xN의 압전 계수들 및 탄성 계수들과 비교하여 예시되어 있다. (Mg.5Zr.5)0.13Al0.87N 및 (Mg. 5Hf.5)0 . 13Al0 .87N의 다양한 특성들 대 AlN의 해당 특성들이 도 10c에 표로 도시되어 있다.
우르자이트 BxAl1 - xNy(0.001 < x < 0.70, 0.85 < y < 1.05)에 대한 수많은 연구들이 수행되었다. 최대 8%의 B를 갖는 필름들이 성공적으로 합성되었다. 순이론적 결과들은, B가 증가함에 따라 공유 원자가가 증가하면 탄성 상수 c33및 음향 속도가 증가함을 지시한다는 것을 나타낸다. 붕소 농도가 증가함에 따라, 이온성이 감소하면 e33 및 k2이 감소하게 된다. 붕소 농도가 증가함에 따라, 유전 상수는 감소할 것으로 예상된다. AlN에 붕소를 첨가하면 도핑되지 않은 AlN 필름들보다 더 큰 경도, 더 높은 음속 및 더 넓은 밴드 갭으로 이어진다. 구조적 무질서 및 증가된 c/a 비로 인해, 피크 확장(peak broadening)이 관찰된다. 합성 필름들의 격자 상수들은 베가드의 법칙(Vegard's law)에 의해 예상된 것보다 더 많이 감소한다. 상이한 양들의 B를 갖는 BxAl1 - xNy에 대한 계산 및 관찰된 재료 특성들이 도 11a 내지 도 11f의 그래프들에 예시되어 있다.
AlN에서 Al이 Cr 또는 Mn으로 치환된 AlN이 묽은 자성 반도체(dilute magnetic semiconductor)들로 사용하기 위해 조사되었다. 스퍼터링된 필름들은 양호한 c-축 배향을 나타내었다. Al. 93Cr.07N 및 Al. 91Mn.09N의 저항률 대 온도가 도 12a에 예시되어 있다. Cr-도핑된 AlN의 추가 재료 특성들이 도 12b 및 도 12c에 예시되어 있다. Mn-도핑된 재료는 Cr-도핑된 재료보다 높은 저항률을 나타낸다. 구체적으로, Cr-도핑된 재료와 관련하여, 3d 전이 금속은 Cr3 +와 같은 팔면체 배위에 대한 선호를 나타내는 것으로 보이지 않는다. 따라서, AlN에 Cr을 강제하는 것은 잠재적으로 k2를 강화시키는 왜곡들을 야기할 수 있을 것이다. CrN은 ScN과 등구조이다(암염 구조). XPS 결합 에너지는 Cr이 Cr-도핑된 AlN에서 Cr3 +로서 존재한다는 것을 나타낸다. 허용되지 않은 1s-3d 전이에 대한 XANES 피크는 Cr이 대칭성이 낮은(사면체) 사이트들에 존재한다는 것을 나타낸다. Cr은 격자 변형을 유도하고, AlN 우르자이트 구조를 변형시킨다. Al. 937Cr.063N의 음속(11,490m/s)은 도핑되지 않은 AlN의 음속보다 크다. Al. 937Cr.063N은 AlN(7.9%)보다 낮은 k2(5.6%), 더 높은 TCF 값들(-39ppm/℃), 및 더 높은 ε'(캐패시턴스) 91pF/m 대 치환된 AlN에 대한 82pF/m를 나타내는 것으로 관찰되었고, 이는 커플링 팩터를 감소시키는 대부분의 다른 치환들도 유전 상수(및 이에 따른 캐패시턴스)를 감소시킨다는 점에서 예상되지 않는다. 반전 도메인들(반대 극성의 영역들)이 관찰되었다. Cr3 + 도핑된 AlN에서 강자성이 관찰되었다.
또한, AlN에서 Al이 Ti로 치환될 수 있다. 이러한 재료들에서, Ti의 산화 상태는 알려져 있지 않지만, Ti3 +인 것으로 추정된다. Ti 함량이 16% 미만일 때, Al-Ti-N 필름들은 단상 우르자이트 구조를 형성한다. 큰 Ti 원자들은 x-선 회절 피크들에 대해 2쎄타 값들의 이동을 야기한다. Ti의 농도들이 증가함에 따라, 결정 격자 파라미터들이 증가한다. 추가 Ti가 첨가될 때, 압축 변형들은 결정성을 감소시킨다. Ti-Al 분리는 4%보다 큰 Ti에서 관찰되었다. Ti 함량이 증가함에 따라, 음속 및 k2이 감소한다. Ti 함량에 따라 유전 상수가 증가한다. Ti-도핑된 AlN의 TCF는 AlN의 TCF보다 약간 낮다. 도 13은 x의 함수로서의 Al(0.5-x)TixN0 .5의 전자 기계 커플링 팩터, 종방향 속도, 및 유전 상수를 예시한다.
AlN에서 Al 대신 치환될 수 있는 추가 원소들은 탄탈(Ta) 및 바나듐(V)을 포함한다. AlN에서 Al을 치환할 때, 이들 원소들의 산화 상태들은 Ta3 + 및 V3+인 것으로 가정된다. 결정학적 c 파라미터는, AlN이 V로 도핑될 때에는 감소되지만, AlN이 Ta로 도핑될 때에는 증가된다. AlN이 약 7%보다 큰 V로 도핑될 때, 재료의 결정성이 파괴된다. VN 상은 6.4% V에서 나타나기 시작한다. Ta의 경우, Ta가 3.2% 이상으로 AlN에 도핑될 때, 분리가 관찰된다. V 함량이 증가함에 따라, 음향 속도 및 k2는 강하되지만, ε'는 증가한다. 다양한 양들의 V 및 Ta로 도핑된 AlN의 음향 속도 및 유전 상수의 변화들을 예시하는 차트들이 도 14a 및 도 14b에 각각 예시되어 있다.
AlN에서 Ta에 의한 Al 치환의 한계는 5.1 원자 퍼센트인 것으로 보인다. Ta는 c-축 배향이 우수한 AlN에서 Al 대신 치환될 수 있다. Sc3 +와 마찬가지로, Ta5 +는 Al3 +보다 크다. 그러나, Sc3 + 치환과 달리, AlN에서 Al3 +가 Ta5 +로 치환될 때, c/a 비는 감소하지 않는다. 대신, c 및 격자 상수들이 모두 증가한다. 도 14c는, 상이한 양들의 Ta 도핑에 따라, AlN의 c 및 격자 상수들이 어떻게 변화하는지를 예시한다. 라만, TEM 및 XPS는 AlN에서 Al을 Ta로 치환할 때 2차 상들 또는 조성 불균일 영역들이 나타나지 않는다는 것을 제시한다. Ta-Al-N 결정 격자 내의 탄성 손실들은 결함들로 인한 무질서로 인한 것일 수 있다. Ta5 +는 Sc3 +보다 양전성이 적지만, Ta-도핑된 AlN에서 d33의 큰 증가가 관찰된다. (도 14d 참조.) Ta-도핑된 AlN에서 관찰된 d33의 증가는 결합 굽힘(bond bending)의 용이성으로 인한 것일 수 있는 것으로 가정되었다. 작은 이온들은 결합 회전을 촉진한다. 작은 이온들은 인가된 전기장(예를 들어, ZnO의 V5+) 하에서 용이하게 이동될 수 있다. 큰 격자 팽창으로 인해, AlN의 Ta5 +에도 유사한 효과가 적용될 수 있다. Ta5 +가 Al3 +보다 훨씬 작을 것으로 예상되지는 않으므로, d33 압전 계수가 왜 증가하는지가 불확실하다. 이것은 가능하게는 결함들을 보상하는 전하와 연관된다.
일부 예들에서, AlN은 산소로 도핑될 수 있다. 예를 들어, 산소는 AlN-계 필름들의 퇴적 동안 사용되는 스퍼터링 가스에 존재할 수 있다. 산소의 이온성이 증가함에도 불구하고, 산소-도핑된 AlN의 압전 계수의 크기는 증가하지 않는다. 특정 이론에 구속되지 않고, AlN 내의 산소 결함들은 알루미늄 베이컨시들(□Al)에 의해 보상될 수 있다. 또한, AlN 내의 산소의 존재는 제2 상 Al2O3가 형성되게 야기할 수 있다. 따라서, 음이온 화학양론을 제어하는 것이 어려울 수 있다. 따라서, 도핑된 AlN에서는, 음이온 혼합을 피하고, 오히려 양이온을 기준으로 모든 조정들을 하는 것이 바람직할 수 있다.
AlN에 도펀트들을 첨가하면 다수의 타입들의 결정학적 결함들 중 하나 이상을 야기할 수 있다. 한 가지 타입의 결함은 전자 치환들을 수반한다. 예를 들어, AlN에서 Al 대신 치환된 Si는 재료의 전도성을 감소시킬 수 있는 깊은 준위 도너(320meV)로서 작용할 수 있는 반면, AlN에서 Al 대신 치환된 C는 깊은 준위 수용체(500meV)로서 작용할 수 있다. 포인트 결함들은 베이컨시(vacancy)들, 간극(interstitial)들 및 안티-사이트 결함(anti-site defect)들을 포함한다. AlN에서, 베이컨시들은 간극들 또는 안티-사이트 결함들보다 에너지적으로 더 유리하다. Al 베이컨시들의 경우, 베이컨시로부터 멀어지는 원자 변위가 관찰된다. N 베이컨시들의 경우, 베이컨시를 향한 원자 변위가 관찰된다. AlN의 적층 결함들은 {1120} 적층 결함 구성들을 포함한다. 적층 결함들은 치환 이온들 또는 Al 베이컨시들에 바람직한 영역일 수 있다. AlN에서 Al을 일부 원소들로 치환함으로써 체계적인 베이컨시들이 야기될 수 있다. 예를 들어, AlN의 Ta5 + 및 Zr4 + 도핑은 Al 베이컨시들(VAl 또는 □Al)과 같은 고유 결함들에 의해 보상될 수 있다. Al3 + 또는 Ta5 +보다 작은 이온들은 2□Al-3TaAl와 탄성 구동 결함 커플들을 형성할 수 있다. □Al 및 TaAl 베이컨시들 또는 치환들은 가장 가까운 이웃 N 사면체를 확장시킬 수 있다. Si4 +는 VAl와 결함 커플들을 형성하는 가장 가까운 이웃 N 사면체를 축소시킬 수 있다.
제1 양태에 따르면, 압전 재료가 제공된다. 압전 재료는 Sb, Ta, Nb 또는 Ge 중 하나; B, Sc, Y, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm 또는 Yb 중 하나 이상과 조합된 Cr; Li, Mg, Ca, Ni, Co 및 Zn 중 하나와 조합된 Nb 및 Ta 중 하나; Si, Ge, Ti, Zr 및 Hf 중 하나와 조합된 Ca; Si, Ge 및 Ti 중 하나와 조합된 Mg; 및 Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm 또는 Yb 중 하나 이상과 조합된 Co, Sb, Ta, Nb, Si 또는 Ge 중 하나 이상으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 원소의 양이온들로 도핑된 AlN을 포함한다. 양이온들은 압전 재료의 결정 구조에서 Al을 적어도 부분적으로 치환한다.
일부 실시예들에서, 압전 재료는 화학식 Al1 - xGe3 /4x□1/4xN 또는 Al1 - 5/3xTa5 + x□2/3xN 중 하나를 가지며, □는 압전 재료의 결정 구조에서 Al 사이트에서의 베이컨시(vacancy)를 나타내며, 0<x<0.25이다.
일부 실시예들에서, 압전 재료는 화학식 Al1 - 2xBxCrxN 0<x<0.15를 갖는다.
일부 실시예들에서, 압전 재료는 화학식 Al1 -5/3x- 3yMg2yTax +y□2/3xN을 갖고, □는 압전 재료의 결정 구조에서 Al 사이트에서의 베이컨시를 나타내며, 1>5/3x+3y, 0<x<0.3, 0<y<0.25이다.
일부 실시예들에서, 압전 재료는 화학식 Al1 - 2xMgxSixN 0<x<0.15를 갖는다.
일부 실시예들에서, 압전 재료는 화학식 Al1 -x- yCr3 + xMIII yN을 갖고, MIII = Sc3 +, Y3+, Sm3+...Yb3 +이고, Sm3+...Yb3 + = 62-70의 원자 번호를 갖는 란탄족 원소들 중 임의의 하나 이상이다.
압전 재료는 우르자이트(Wurtzite) 결정 구조를 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 음향파 공진기(acoustic wave resonator)가 압전 재료를 포함한다. 음향파 공진기는 고상 장착 공진기(solidly mounted resonator)로서 구성될 수 있다. 음향파 공진기는 필름 벌크 음향 공진기로서 구성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 필터가 음향파 공진기를 포함한다. 필터는 라디오 주파수 대역에 통과 대역을 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 전자 디바이스 모듈이 필터를 포함한다.
일부 실시예들에서, 전자 디바이스가 전자 디바이스 모듈을 포함한다. 전자 디바이스 모듈은 라디오 주파수 전자 디바이스 모듈일 수 있다.
도 1은 음향파 필터의 예에 대한 임피던스 대 주파수의 차트이다.
도 2는 다양한 3가 양이온들 대 결정 반경의 유전 분극도들을 예시하는 차트이다.
도 3은 다양한 전자 기계 재료들의 선택된 재료 파라미터들의 표이다.
도 4는 우르자이트 결정학적 구조를 예시한다.
도 5a는 다양한 III-V 우르자이트 질화물들 및 II-VI 우르자이트 산화물들에 대한 선택된 재료 파라미터들의 표이다.
도 5b는 AlN, GaN 및 InN의 선택된 재료 파라미터들의 표이다.
도 6a는 AlxGa1 - xN에서의 격자 상수 대 x의 차트이다.
도 6b는 AlxGa1 - xN에서의 에너지 갭 대 x의 차트이다.
도 7a는 선택된 화합물들에 대한 탄성 상수 대 필립스 이온성의 차트이다.
도 7b는 선택된 화합물들에 대한 음속 대 필립스 이온성의 차트이다.
도 8a는 Sc0 . 5Al0 .5N에서의 결정학적 구조의 변화 대 c/a 비를 예시하는 차트이다.
도 8b는 Sc0 . 5Al0 .5N에서의 결정학적 구조의 변화 대 c/a 비를 예시하는 다른 차트이다.
도 8c는 AlN 및 Al. 88Sc.12N의 선택 재료 특성들의 표이다.
도 8d는 AlN 및 다양한 농도들의 Sc로 도핑된 AlN의 선택 재료 특성들의 표이다.
도 8e는 다양한 농도들의 Sc로 도핑된 AlN에 대한 k2 및 Q-팩터의 차트이다.
도 8f는 다양한 농도들의 Sc로 도핑된 AlN에 대한 εr 및 tanδ의 차트이다.
도 8g는 다양한 농도들의 Sc로 도핑된 AlN에 대한 FOM의 차트이다.
도 8h는 다양한 농도들의 Sc로 도핑된 AlN에 대한 TCF의 차트이다.
도 9a는 다양한 농도들의 Y로 도핑된 AlN에 대한 εr의 차트이다.
도 9b는 다양한 농도들의 Y로 도핑된 AlN에 대한 e33 및 e31의 차트이다.
도 9c는 다양한 농도들의 Y로 도핑된 AlN에 대한 d33 및 d31의 차트이다.
도 10a는 Al 대신 Sc로, 및 Mg 및 Zr, Mg 및 Ti, 및 Mg 및 Hf의 커플링된 치환물로 도핑된 AlN에 대한 e33 대 도펀트 농도의 차트이다.
도 10b는 Al 대신 Sc로, 및 Mg 및 Zr, Mg 및 Ti, 및 Mg 및 Hf의 커플링된 치환물로 도핑된 AlN에 대한 c33 대 도펀트 농도의 차트이다.
도 10c는 AlN, (Mg. 5Zr.5)0 . 13Al0 .87N 및 (Mg. 5Hf.5)0 . 13Al0 .87N의 선택된 재료 특성들의 표이다.
도 11a는 붕소-도핑된 AlN에서의 c33 대 붕소 농도의 차트이다.
도 11b는 붕소-도핑된 AlN에서의 e33 대 붕소 농도의 차트이다.
도 11c는 붕소-도핑된 AlN에서의 결정 격자 파라미터 c 대 붕소 농도의 차트이다.
도 11d는 붕소-도핑된 AlN에서의 k2 대 붕소 농도의 차트이다.
도 11e는 붕소-도핑된 AlN에서의 결정 단위 셀 부피 대 붕소 농도의 차트이다.
도 11f는 붕소-도핑된 AlN에서의 결정 격자 파라미터 c 및 a 대 붕소 농도의 차트이다.
도 12a는 Al. 93Cr.07N 및 Al. 91Mn.09N에 대한 재료 저항률 대 온도의 차트이다.
도 12b는 Cr-도핑된 AlN에서의 격자 상수 대 Cr 농도의 차트이다.
도 12c는 Cr-도핑된 AlN에서의 유효 d33 대 Cr 농도의 차트이다.
도 13은 Ti-도핑된 AlN에서의 k2, vs 및 유전 상수 대 Ti 농도의 차트이다.
도 14a는 V-도핑된 AlN에서의 음향 속도 및 유전 상수 대 V 함량의 차트이다.
도 14b는 Ta-도핑된 AlN에서의 음향 속도 및 유전 상수 대 Ta 함량의 차트이다.
도 14c는 Ta-도핑된 AlN에서의 격자 상수 대 Ta 함량의 차트이다.
도 14d는 Ta-도핑된 AlN에서의 압전 계수 d33 대 Ta 함량의 차트이다.
도 15는 AlN의 상이한 도펀트들에 대한 재료 특성들에서 상충되는 트레이드오프들을 예시한다.
도 16은 도핑된 AlN의 선택된 재료 특성들에 대한 다양한 도펀트들의 예상 효과를 나타내는 표이다.
도 17은 고상 장착 공진기(solidly mounted resonator)(SMR) BAW의 예의 단면도이다.
도 18은 FBAR BAW의 예의 단면도이다.
도 19는 SMR BAW 및/또는 FBAR BAW 디바이스들을 포함할 수 있는 필터의 개략도이다.
도 20은 도 19의 필터가 구현될 수 있는 프론트-엔드 모듈의 블록도이다.
도 21은 도 19의 필터가 구현될 수 있는 무선 디바이스의 블록도이다.
이전 연구로부터의 결정 화학 체계들의 분석은 알루미늄 질화물(AlN)에서 알루미늄(Al)에 대한 특정 화학 치환기들이 재료의 다양한 관심 특성들에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 통찰력들을 제공하였다. 벌크 음향파(Bulk Acoustic Wave)(BAW) 및 필름 벌크 음향 공진기(Film Bulk Acoustic Resonator)(FBAR) 필터들과 같은 음향파 필터들에 사용하기 위한 압전 재료를 형성하는 데 사용될 수 있는 AlN에 대한 새로운 화학 치환기 조합들이 본 명세서에서 개시된다. 이전의 솔루션들에 비해 본 명세서에서 개시된 솔루션들의 이점들은 다수의 재료 특성들이 동시에 최적화될 수 있다는 것이다(예를 들어, 전자 기계 커플링 및 음속). 결정 화학 및 이전 연구에 대한 지식에 기초하여, AlN-계 압전 재료들에서 Al 대신 도핑함으로써 획득되는 일련의 상호 배타적인 특성 조합들이 있는 것으로 보인다. 예를 들어, 알루미늄보다 질소와 더 많은 이온 결합을 형성하는 치환물들(예를 들어, 스칸듐)은 커플링 및 유전 상수를 개선시키는 반면, 알루미늄보다 질소와 더 많은 공유 결합을 형성하는 치환물들(예를 들어, 붕소)은 음속을 개선시키고, 점탄성 손실들을 감소시킬 것이다. 다수의 특성들의 개선들을 나타낼 수 있거나 또는 특정 개별 특성들(예를 들어, 유전 상수)에 대한 극한의 강화들을 나타낼 수 있는 AlN-계 압전 재료들이 본 명세서에서 개시된다.
AlN에 가장 빈번하게 인용되는 첨가제는 스칸듐(Sc)이다. 스칸듐은 Al보다 양전성이다. Al3 +에 비해 증가된 Sc3 +의 이온성은 도핑되지 않은 AlN과 비교하여 Sc-도핑된 AlN의 압전 커플링을 증가시킨다. Sc3 +는 또한 Al3 +보다 크다. Al3 + 대신 치환된 Sc3 +의 존재로 인한 AlN의 결정 격자의 왜곡은 도핑되지 않은 AlN과 비교하여 Sc-도핑된 AlN의 압전 계수를 증가시킨다. 그러나, Al3 + 대신 치환된 Sc3 +의 존재로 인한 공유 원자가의 손실은 점탄성 손실들을 증가시킨다.
Y, Yb 및 다른 작은 란탄족 원소들은 Sc3 +보다 큰 이온들이며, Sc보다 양전성이다. AlN에서 이들 원소들의 이온들로 Al3 +를 치환하면 압전 효과 및 점탄성 손실들 모두를 강화시킬 수 있다. Yb3 +와 같은 더 무거운 분극도의 원자들은 Sc3 + 및 Y3+와 같은 더 가벼운 원자들보다 도핑된 AlN의 유전 상수를 더 많이 개선해야 한다. 다수의 동위 원자가 치환들(AlN:B, Sc 또는 AlN:B, Yb)도 사용될 수 있다.
Sc, Y 및 Yb와 달리, 붕소(B)는 Al보다 훨씬 작은 이온을 형성하고, Al보다 양전성이 적다. 붕소는 Al보다 N과 더 공유 결합을 형성할 것이다. 압전 커플링은 AlN에서 Al 대신 B로 치환함에 따라 약간 감소할 것으로 예상될 수 있지만, 점탄성 손실들 또한 감소해야 한다. Al-N 결합들에 비해 증가된 B-N 결합들의 공유 원자가는 도핑되지 않은 AlN과 비교하여 B-도핑된 AlN의 체적 탄성 계수를 증가시켜야 한다. Al을 치환하는 가벼운 B 원자들은 또한 도핑되지 않은 AlN과 비교하여 B-도핑된 AlN의 밀도를 감소시켜야 한다. 두 가지 효과를 결합하여 더 큰 음향 속도를 제공해야 한다(v = (K/ρ)1/2, K = 재료의 체적 탄성 계수; ρ = 밀도).
AlN에서 재료의 Q, 탄성 계수 및 음속을 강화시키는 Al용 도펀트들은 개선된 커플링 계수들 및 더 높은 유전 상수들에 대해 작용하는 것으로 보인다. 이것은 도 15에 개략적으로 표현되어 있다. 3d 전자 상호 작용들을 용이하게 하거나 또는 정렬된 빈 격자 사이트들을 형성하기 위해 상이한 도펀트들을 동시에 첨가하고/첨가하거나 AlN을 도핑시키면 높은 양전성 및 약한 양전성 도펀트들 모두와 연관된 이점들을 제공할 수 있다.
전이 금속들에서, d-전자 매니폴드는 결합을 크게 복잡하게 한다. 이온들은 d 전자 카운트에 따라 팔면체 또는 사면체 배위를 선호할 수 있다. 예를 들어, Cr3+는 팔면체 배위를 매우 강하게 선호한다. 사면체 사이트에 집중하자면, 이것은 (Cr3+ 이온이 Sc만큼 양전성이 아님에도 불구하고) 압전성을 강화시키는 강한 격자 왜곡들을 생성할 수 있다. B 및 Cr의 커플링된 치환은 점탄성 손실들없이 압전성을 강화시키는 격자 왜곡들을 생성할 수 있다. V3 +, Mn3 + 및 Co3 +와 같은 다른 이온들도 AlN의 특성들을 개선하기 위한 도펀트들로서 유용할 수 있다. 이들 이온들은 산화 상태 당 여러 스핀 상태들을 갖는 Co3 +로 상이한 산화 상태들로 조정할 수 있으며, 따라서 다수의 상이한 이온 반경들을 나타낼 수 있다.
일부 실시예들에서는, 빈 격자 사이트들(0개의 전자)이 그림-서머필드 규칙들의 사면체 프레임워크에 통합될 수도 있다. 예는 32063 타입인 γ-Ga2S3이다. AlN에서의 알루미늄 베이컨시들은 사면체 구조에서의 비-결합 오비탈들(단독 쌍들)의 쿼드러플릿(quadruplet)으로 간주될 수 있다. AlN에서의 알루미늄 베이컨시들은 이온성을 증가시키지 않으면서 점탄성 손실들을 증가시키거나(특히, 이동성인 경우) 또는 압전 왜곡을 강화시킬 수 있다.
AlN과 혼합하여 도핑된 AlN 재료를 형성하는 데 유용할 수 있는 다른 화합물들은 Si3N4 및 Ge3N4와 같은 43054 화합물들을 포함한다. Ge3N4는 양이온 베이컨시들이 정렬되는 결함-함유 우르자이트 구조에서 결정화된다. 비-결합 오비탈들에서 p 오비탈 특성을 증가시키면 격자 결정 격자를 왜곡시킬 수 있는 결합 오비탈들의 sp2(평면) 하이브리드화 경향으로 이어진다. Al1 - xGe3 /4x□1/4xN 및 Al1 - xSi3 /4x□1/4xN과 같은 고용체들도 관심이 있으며, 여기서 □는 압전 재료의 결정 구조의 Al 사이트에서의 베이컨시를 나타낸다.
GaN 및 InN을 포함하는 AlN의 고용체들에서, k2 및 음속은 강하될 것으로 예상된다. 따라서, 재료의 유전 상수는 특성들에서 가정된 선형 관계들로 인해 c/a 비와 함께 도핑되지 않은 AlN에 비해 약간 증가할 수 있다.
AlN의 다양한 재료 특성들에 대한 다양한 도펀트들의 예상 효과가 도 16에 표로 도시되어 있다.
음향파 공진기들 또는 필터들에 사용하기에 바람직한 특성들을 나타낼 수 있는 상이한 AlN계 압전 재료들의 목록, 및 기저 AlN 재료에 대한 도펀트(들)의 예상 효과가 아래의 표 2에 제시되어 있다.
화합물 화학식 도펀트(들)의 예상 효과
Al1 - x(Sm3+...Yb3+)xN
Sm3+...Yb3 + = 62-70의 원자 번호를 갖는 란탄족 원소들 중 임의의 하나 이상		 Yb3 +는 Sc3 +보다 더 크고 더 양전성의 이온이고, Y3+보다 더 작고 더 양전성의 이온이다.
Sm3 +는 Sc3 + 및 Y3+ 둘 다보다 더 크고 더 양전성이고, 높은 샤논 분극도(Shannon polarizability)를 가져 유전 상수를 개선시킨다.
도펀트 레벨이 증가함에 따라, Q를 감소시키고, k2 및 유전 상수를 증가시킬 것으로 예상된다. 음속 또한 감소되어야 한다.
Sc-N 결합보다 이온성들이 높다.
Sc 도핑된 AlN보다 높은 유전 상수들이 예상된다.
Al1 -x- yBxMIII yN
MIII = Sc3 +, Y3+, Sm3+...Yb3 +
이것은 붕소와 Sc3 +의 조합, 또는 Y3+ 또는 Yb3 +와 같은 하나 이상의 양전성 이온이다. 양이온 치환물들의 수는 3개 이하로 제한될 수 있다.		 붕소와 MIII는 반대 방향들로 동작할 것이다.
Al 사이트 상의 3개의 상이한 사이즈의 이온은 Q에 부정적으로 영향을 미칠 수 있다.
Al1 -x- yBxCr3 + yN
이것은 붕소와 Cr3 +의 조합이다.		 B 단독 치환과 비교하여 커플링에서 완만한 감소를 갖는 높은 음속 재료에 대한 가능성이 있다. B 및 Cr은 모두 음속을 증가시키는 것으로 보고된다. 이들은 k2와 ε'와 관련하여 서로 반대된다.
Al1 -x- yCr3 + xMIII yN
MIII = Sc3 +, Y3+, Sm3+...Yb3 +
이것은 Cr과 Sc3 +의 조합, 또는 Y3+ 또는 Yb3 +와 같은 하나 이상의 양전성 이온이다.		 음속의 현저한 감소 또는 점탄성 손실들 없이, 높은 k2와 ε' 재료에 대한 가능성이 있다. 개선된 Q의 가능성이 있다. Cr은 격자 변형을 포함하고, 우르자이트 구조를 변형시킨다.
Al1 - xCoxN Co는 용이하게 2+, 3+ 및 4+ 산화 상태들을 적응시키고, 각각의 산화 상태는 다수의 스핀 상태들을 가져, 잠재적인 이온 사이즈들의 세트로 이어진다. 단일 도핑은 3+ 상태로 이어질 가능성이 있고, 4+ 및 2+ 상태들은 각각 Mg2 + 또는 Zr4+(또는 Hf4+)과의 코-도핑에 의해 유도될 수 있다.
감소된 전기 전도성은 높은 도핑 레벨들에서 위험 요소이다.
Al1 - xSb3 + xN Sb3 +는 매우 높은 이온 분극도들을 나타내서, 단일 도핑 또는 다른 이온들과의 커플링된 도핑 중 어느 것에 대해 유전 상수를 강화시킬 수 있는 가능성으로 이어진다. 그러나, Sb가 Sb-3 상태를 채택하고, 질소 대신 치환될 위험이 있다. 단독 쌍은 Al 사이트에서 비대칭성을 강화시키지만, 증가된 공유 원자가는 그렇지 않기 때문에, k2에 대한 효과는 불확실하다.
Al1 - 5/3xTa5 + x□2/3xN
□ = 알루미늄 베이컨시		 소량의 Ta 첨가들에 대해 압전 계수의 개선이 예상된다.
Al1 - 3xMg2xTa5 xN 소량의 첨가들에 대해 압전 계수의 개선이 관찰된다.
Zr 또는 Hf보다 높은 분극도로 인해, 더 높은 ε'를 갖는 Mg/Zr 또는 Mg/Hf 코-도핑된 재료들과 유사한 k2의 개선이 예상된다.
음향 속도 효과는 알 수 없다.
Al1 -5/3x- 3yMg2 + 2yTa5 + x+y□2/3xN 베이컨시들에 의해 보상되는 연속적인 일련의 Ta 첨가물들, 및 Mg2 +가 존재할 수 있다.
Zr 또는 Hf보다 높은 분극도로 인해, 더 높은 ε'를 갖는 Mg/Zr 또는 Mg/Hf 코-도핑된 재료들과 유사한 k2의 개선이 예상된다.
음향 속도 효과는 알 수 없다.
Al1 -5/3x- 3yLi+ yTa5 + x+y□2/3xN Zr 또는 Hf보다 높은 분극도로 인해, 더 높은 ε'를 갖는 Mg/Zr 또는 Mg/Hf 코-도핑된 재료들과 유사한 k2의 개선이 예상된다.
음향 속도 효과는 알 수 없다.
Al1 - 5/3xNb5 + x□2/3xN,Al1 - 3xMg2 + xNb5 + xN,
Al1 -5/3x- 3yLi+ yNb5 + x+y□2/3xN, 또는
Al1 -5/3x- 3yMg2 + 2yNb5 + x+y□2/3xN
또한, Nb 및 Ta의 조합들		 Ta5 +와 동일한 화학 반응들.
Nb5 +는 Ta5 +보다 감소될 가능성이 높다.
Al1 - xGe3 /4x□1/4xN 또는 Al1 - xSi3 /4x□1/4xN
Si 및 Ge 도핑.		 음속의 현저한 감소 없이, 압전 계수 및 커플링의 증가 가능성이 있다. 그러나, Si와 Ge는 결함들을 보상하는 전하의 필요 없이도, AlN 사이트들 모두에 분할될 가능성이 있다.
공유 원자가는 두 경우 모두에서 증가할 것이다.
Al1 - 2xMg2 + xSi4 + xN 전하 보상을 위해 Mg2 +를 사용하여 Si를 Al 사이트에 바이어싱한다. k2 및 d33에 대한 이중 효과가 가능하다. 큰 양전성 이온들은 k2를 증가시킬 것이다. Si4 +는 (도핑된 ZnO에서와 같이) 작은 하전 이온으로 거동하여, k2에 기여할 수 있다. 보다 가능하게는, 음속 저하 및 점탄성 손실들 없이, 공유 원자가를 강화시킬 것이고, 잠재적으로는 k2이 강화된 솔루션을 제공할 것이다.
Al1 - 2xMg2 + xTi4 + xN Ti3 +가 형성할 수 있고, MgAl은 마그네슘 베이컨시들에 의해 전하 보상될 수 있다. Ti4 + 및 V5+와 같은 제1행 전이 금속들에서의 d0 상태들은 AlN에서 안정화되지 않을 가능성이 있다.
위에서 논의된 바와 같이, 본 명세서에서 개시된 다양한 재료들은 BAW 공진기들의 압전 재료들로서 유용할 수 있다. 일부 구현들에서, 본 명세서에서 개시된 다양한 재료들은 또한 표면 음향파(surface acoustic wave)(SAW) 공진기들 또는 필터들의 압전 재료들로서 유용할 수 있다. 하나의 타입의 BAW 공진기는 고상 장착 공진기(SMR)이다. SMR BAW의 일례가 도 17에, 일반적으로 100으로 예시되어 있다. SMR BAW는 기판(105), 예를 들어, 실리콘 기판 상에 형성된다. 상부 전극(115)과 하부 전극(120) 사이에서 기판(105) 상에 압전 재료 층(110)이 배치된다. 압전 재료 층(110)은 본 명세서에서 개시된 재료들 중 임의의 것을 포함할 수도 있고, 또는 이로 구성될 수 있다. 압전 재료 층(110)은 λ/2의 두께를 가지며, 여기서 λ는 SMR BAW(100)의 공진 주파수이다. 높은 임피던스 재료(130), 예를 들어, SiO2와 낮은 임피던스 재료(135), 예를 들어, Mo 또는 W의 교대하는 층들을 포함하는 브래그 반사기 또는 음향 미러(125)가 하부 전극(120) 아래에 배치되고, 음향 에너지가 기판(105)을 통해 누설되기보다는 압전 재료(110)에 한정되도록 돕는다. 각각의 재료 층(120, 135)은 λ/4의 두께를 가질 수 있다.
FBAR BAW의 예가 도 18에, 일반적으로 200으로 예시되어 있다. FBAR BAW(200)는 기판(205) 상에, 예를 들어, 상부 전극(215)과 하부 전극(220) 사이에서 실리콘 기판 상에 배치된 압전 재료 필름(210)을 포함한다. 캐비티(225)가 압전 재료 필름(210) 아래(임의적으로는, 하부 전극(220) 아래) 및 기판(205)의 상부 표면 위에 형성되어, 압전 재료 필름(210)이 진동할 수 있게 한다. 압전 재료 필름(210)은 본 명세서에서 개시된 재료들 중 임의의 것을 포함할 수도 있고, 또는 이로 구성될 수도 있다.
압전 소자들로서 본 명세서에서 개시된 재료들 중 임의의 것을 포함하는 SMR BAW 및/또는 FBAR BAW 공진기들의 예들은 함께 결합되어 필터를 형성할 수 있다. 라디오 주파수(radio frequency)(RF) 범위에서 신호들을 필터링하는 데 유용할 수 있는 필터 구성의 일례는 도 19에 개략적으로 예시된 래더 필터(ladder filter)(300)일 수 있다. 래더 필터(300)는 입력 포트(305)와 출력 포트(310) 사이에서 직렬로 연결된 복수의 직렬 공진기들(R1, R2, R3, R4, R5, R6), 및 제1 측은 직렬 공진기들의 쌍들 사이에 전기적으로 연결되고 제2 측은 기준 전압, 예를 들어, 접지에 전기적으로 연결된 복수의 병렬 공진기들(R7, R8 및 R9)을 포함한다. 공진기들(R1-R9)의 공진 및 반-공진 주파수들은 래더 필터(300)가 입력 포트(305)로부터 출력 포트(310)로 원하는 통과 대역 내에서는 RF 에너지를 통과시키면서 통과 대역 외부의 주파수들에서는 RF 에너지를 감쇠시키도록 선택될 수 있다. 래더 필터에 포함된 직렬 및/또는 병렬 공진기들의 수 및 구성은 필터의 원하는 주파수 응답에 기초하여 변할 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
도 20을 참조하면, 프론트-엔드 모듈(400)의 일례의 블록도가 예시되어 있으며, 이는, 예를 들어, 무선 통신 디바이스(예를 들어, 모바일폰)와 같은 전자 디바이스에 사용될 수 있다. 프론트-엔드 모듈(400)은 공통 노드(412), 입력 노드(414) 및 출력 노드(416)를 갖는 안테나 듀플렉서(410)를 포함한다. 안테나(510)는 공통 노드(412)에 연결된다. 프론트-엔드 모듈(400)은 듀플렉서(410)의 입력 노드(414)에 연결된 송신기 회로(432), 및 듀플렉서(410)의 출력 노드(416)에 연결된 수신기 회로(434)를 추가로 포함한다. 송신기 회로(432)는 안테나(510)를 통한 송신을 위한 신호들을 생성할 수 있고, 수신기 회로(434)는 안테나(510)를 통해 수신된 신호들을 수신하고 프로세싱할 수 있다. 일부 실시예들에서는, 수신기 및 송신기 회로들이 도 20에 도시된 바와 같이 개별 컴포넌트들로서 구현되지만, 다른 실시예들에서는, 이들 컴포넌트들은 공통 송수신기 회로 또는 모듈로 통합될 수 있다. 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해되는 바와 같이, 프론트-엔드 모듈(400)은 스위치들, 전자기 커플러들, 증폭기들, 프로세서들 등을 포함하되, 이에 제한되지 않는, 도 20에 예시되지 않은 다른 컴포넌트들을 포함할 수 있다.
안테나 듀플렉서(410)는 입력 노드(414)와 공통 노드(412) 사이에 연결된 하나 이상의 송신 필터(422), 및 공통 노드(412)와 출력 노드(416) 사이에 연결된 하나 이상의 수신 필터(424)를 포함할 수 있다. 송신 필터(들)의 통과 대역(들)은 수신 필터들의 통과 대역(들)과 상이하다. 송신 필터(들)(422) 및 수신 필터(들)(424) 각각은 본 명세서에서 개시된 압전 재료의 하나 이상의 실시예를 포함하는 하나 이상의 공진기를 포함할 수 있다. 공통 노드(412)에는 인덕터 또는 다른 정합 컴포넌트(440)가 연결될 수 있다.
특정 예들에서, 송신 필터(422) 또는 수신 필터(424)에서 사용되는 음향파 소자들 각각은 동일한 압전 재료를 포함한다. 이 구조는 개개의 필터의 주파수 응답들에 대한 온도 변화들의 효과를 감소시키며, 특히, 온도 변화들로 인한 통과 또는 감쇠 특성들의 저하를 감소시키는데, 왜냐하면 각각의 음향파 소자가 주변의 온도 변화들에 응답하여 유사하게 변화하기 때문이다.
도 21은 도 20에 도시된 안테나 듀플렉서(410)를 포함하는 무선 디바이스(500)의 일례의 블록도이다. 무선 디바이스(500)는 셀룰러폰, 스마트폰, 태블릿, 모뎀, 통신 네트워크 또는 음성 또는 데이터 통신을 위해 구성된 임의의 다른 휴대용 또는 비-휴대용 디바이스일 수 있다. 무선 디바이스(500)는 안테나(510)로부터 신호들을 수신 및 송신할 수 있다. 무선 디바이스는 도 20을 참조하여 위에서 논의된 것과 유사한 프론트-엔드 모듈(400')의 실시예를 포함한다. 위에서 논의된 바와 같이, 프론트-엔드 모듈(400')은 듀플렉서(410)를 포함한다. 도 21에 도시된 예에서, 프론트-엔드 모듈(400')은 안테나 스위치(450)를 추가로 포함하며, 이는, 예를 들어, 송신 및 수신 모드들과 같은 상이한 주파수 대역들 또는 모드들 사이에서 스위칭하도록 구성될 수 있다. 도 21에 예시된 예에서, 안테나 스위치(450)는 듀플렉서(410)와 안테나(510) 사이에 위치 결정되지만, 다른 예들에서, 듀플렉서(410)는 안테나 스위치(450)와 안테나(510) 사이에 위치 결정될 수 있다. 다른 예들에서, 안테나 스위치(450)와 듀플렉서(410)는 단일 컴포넌트로 통합될 수 있다.
프론트 엔드 모듈(400')은 송신을 위한 신호들을 생성하거나 또는 수신된 신호들을 프로세싱하도록 구성되는 송수신기(430)를 포함한다. 도 20의 예에 도시된 바와 같이, 송수신기(430)는 듀플렉서(410)의 입력 노드(414)에 연결될 수 있는 송신기 회로(432), 및 듀플렉서(410)의 출력 노드(416)에 연결될 수 있는 수신기 회로(434)를 포함할 수 있다.
송신기 회로(432)에 의한 송신을 위해 생성된 신호들은 전력 증폭기(PA) 모듈(460)에 의해 수신되고, 이는 송수신기(430)로부터 생성된 신호들을 증폭시킨다. 전력 증폭기 모듈(460)은 하나 이상의 전력 증폭기를 포함할 수 있다. 전력 증폭기 모듈(460)은 광범위한 RF 또는 다른 주파수-대역 송신 신호들을 증폭시키는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 전력 증폭기 모듈(460)은 무선 근거리 통신망(wireless local area network)(WLAN) 신호 또는 임의의 다른 적절한 펄스 신호의 송신을 보조하기 위해 전력 증폭기의 출력을 펄스화하는 데 사용될 수 있는 인에이블 신호를 수신할 수 있다. 전력 증폭기 모듈(460)은, 예를 들어, GSM(Global System for Mobile) 신호, CDMA(code division multiple access) 신호, W-CDMA 신호, LTE(Long Term Evolution) 신호, 또는 EDGE 신호를 포함하는 다양한 타입들의 신호 중 임의의 것을 증폭시키도록 구성될 수 있다. 특정 실시예들에서, 전력 증폭기 모듈(460), 및 스위치들 등을 포함하는 연관된 컴포넌트들은, 예를 들어, 고전자 이동도 트랜지스터들(high-electron mobility transistors)(pHEMT) 또는 절연-게이트 양극성 트랜지스터들(insulated-gate bipolar transistor)(BiFET)를 사용하여 갈륨 비화물(GaAs) 기판 상에, 또는 상보성 금속-산화물 반도체(complementary metal-oxide semiconductor)(CMOS) 전계 효과 트랜지스터들을 사용하여 실리콘 기판 상에 제조될 수 있다.
여전히 도 21을 참조하면, 프론트-엔드 모듈(400')은 저잡음 증폭기 모듈(470)을 추가로 포함할 수 있으며, 이는 안테나(510)로부터 수신된 신호들을 증폭시키고, 증폭된 신호들을 송수신기(430)의 수신기 회로(434)에 제공한다.
도 21의 무선 디바이스(500)는 송수신기(430)에 연결되고 무선 디바이스(500)의 동작을 위한 전력을 관리하는 전력 관리 서브-시스템(520)을 추가로 포함한다. 전력 관리 시스템(520)은 또한 기저 대역 서브-시스템(530)의 동작 및 무선 디바이스(500)의 다양한 다른 컴포넌트들의 동작을 제어할 수도 있다. 전력 관리 시스템(520)은 무선 디바이스(500)의 다양한 컴포넌트들에 전력을 공급하는 배터리(도시 생략)를 포함할 수도 있고, 또는 이에 연결될 수도 있다. 전력 관리 시스템(520)은, 예를 들어, 신호들의 송신을 제어할 수 있는 하나 이상의 프로세서 또는 제어기를 추가로 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 기저 대역 서브-시스템(530)은 사용자에게 제공되고 사용자로부터 수신되는 음성 및/또는 데이터의 다양한 입력 및 출력을 용이하게 하기 위해 사용자 인터페이스(540)에 연결된다. 기저 대역 서브-시스템(530)은 또한 무선 디바이스의 동작을 용이하게 하고/하거나 사용자에게 정보의 저장을 제공하기 위해 데이터 및/또는 명령어들을 저장하도록 구성되는 메모리(550)에 연결될 수도 있다.
적어도 하나의 실시예의 상기 여러 양태들을 설명하였지만, 본 기술분야의 통상의 기술자에게는 다양한 변경들, 수정들 및 개선들이 용이하게 이루어질 것이라는 것이 이해되어야 한다. 이러한 변경들, 수정들 및 개선들은 본 개시내용의 일부인 것으로 의도되고, 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 본 명세서에서 논의된 방법들 및 장치들의 실시예들은 상기 상세한 설명에 설명되거나 첨부 도면들에 예시된 컴포넌트들의 구성 및 배열의 세부 사항들에 적용되는 것에 제한되지 않는 것이 이해되어야 한다. 방법들 및 장치들은 다른 실시예들에서 구현될 수 있고, 다양한 방식들로 실시되거나 수행될 수 있다. 특정 구현들의 예들은 단지 예시적인 목적을 위해 본 명세서에서 제공되며, 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 본 명세서에서 개시된 임의의 실시예의 하나 이상의 특징은 임의의 다른 실시예의 임의의 하나 이상의 특징에 추가되거나 대체될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용된 어구 및 용어는 설명의 목적을 위한 것이며, 제한적인 것으로 간주되지 않아야 한다. "포함하는(including)", "포함하는(comprising)", "갖는(having)", "포함하는(containing)", "포함하는(involving)" 및 그 변형들의 본 명세서에서의 사용은 열거된 항목들 및 등가물들뿐만 아니라 추가적인 항목들을 포함하는 것을 의미한다. "또는"에 대한 참조들은 "또는"을 사용하여 설명된 임의의 용어들이 설명된 용어들 중 단일의 것, 2개 이상 및 전부 중 임의의 것을 나타낼 수 있도록 포함적인 것으로 해석되어야 한다. 전방 및 후방, 좌측 및 우측, 최상부 및 바닥, 상부 및 하부, 및 수직 및 수평에 대한 임의의 참조들은 본 시스템들 및 방법들 또는 그들의 컴포넌트들을 임의의 하나의 포지션 또는 공간 배향으로 제한하는 것이 아니라 설명의 편의를 위해 의도된다. 따라서, 상기 설명 및 도면들은 단지 예에 불과하다.

Claims (20)

  1. 압전 재료로서,
    a) Sb;
    b) B, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm 또는 Yb 중 하나 이상과 조합된 Cr;
    c) Li 또는 Co 중 하나와 조합된 Nb 및 Ta 중 하나; 또는
    d) Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm 또는 Yb 중 하나 이상과 조합된 Co, Sb, Ta, Nb, Si 또는 Ge 중 하나 이상
    으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 원소의 양이온들로 도핑된 AlN
    을 포함하고,
    상기 양이온들은 상기 압전 재료의 결정 구조에서 Al을 적어도 부분적으로 치환하는 압전 재료.
  2. 압전 재료로서, 화학식 Al1-5/3xTa5+ x□2/3xN 0<x<0.25를 가지며, □는 상기 압전 재료의 결정 구조에서 Al 사이트에서의 베이컨시(vacancy)를 나타내는 압전 재료.
  3. 압전 재료로서, B와 조합된 Cr의 양이온들로 도핑된 AlN을 포함하고, 화학식 Al1-2xBxCrxN 0<x<0.15를 갖고, 상기 양이온들은 상기 압전 재료의 결정 구조에서 Al을 적어도 부분적으로 치환하는 압전 재료.
  4. 압전 재료로서, Sc, Y, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, 또는 Yb 중 하나 이상과 조합된 Cr의 양이온들로 도핑된 AlN을 포함하고,
    화학식 Al1-x-yCr3+ xMIII yN을 갖고, 여기서 MIII = Sc3+, Y3+, 또는 Sm3+...Yb3+이고, 여기서 Sm3+...Yb3+ = 62-70의 원자 번호를 갖는 란탄족 원소들 중 임의의 하나 이상이고, 상기 양이온들은 상기 압전 재료의 결정 구조에서 Al을 적어도 부분적으로 치환하는 압전 재료.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 우르자이트(Wurtzite) 결정 구조를 갖는 압전 재료.
  6. 음향파 공진기(acoustic wave resonator)로서,
    제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 압전 재료를 포함하는 음향파 공진기.
  7. 제6항에 있어서, 고상 장착 공진기(solidly mounted resonator)로서 구성된 음향파 공진기.
  8. 제6항에 있어서, 필름 벌크 음향 공진기로서 구성된 음향파 공진기.
  9. 필터로서,
    제6항의 음향파 공진기를 포함하는 필터.
  10. 제9항에 있어서, 라디오 주파수 대역에 통과 대역을 갖는 필터.
  11. 전자 디바이스 모듈로서,
    제9항의 필터를 포함하는 전자 디바이스 모듈.
  12. 전자 디바이스로서,
    제11항의 전자 디바이스 모듈을 포함하는 전자 디바이스.
  13. 제12항에 있어서, 상기 전자 디바이스 모듈은 라디오 주파수 전자 디바이스 모듈인 전자 디바이스.
  14. 음향파 공진기로서, 제5항의 압전 재료를 포함하는 음향파 공진기.
  15. 필터로서, 제14항의 음향파 공진기를 포함하는 필터.
  16. 전자 디바이스 모듈로서, 제15항의 필터를 포함하는 전자 디바이스 모듈.
  17. 전자 디바이스로서, 제16항의 전자 디바이스 모듈을 포함하는 전자 디바이스.
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