KR102671258B1 - 공동 공진 saw 필터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 표면 음향파, 특히, 유도형 표면 음향파를 이용하는 결합형 공동 필터 구조에 관한 것으로서, 음향파 전파 기판(102); 기판(102) 위에 제공되며, 인터-디지테이티드 빗살형 전극들(124, 126)을 각각 포함하는, 적어도 하나의 입력 트랜스듀서 구조(112) 및 하나의 출력 트랜스듀서 구조(114); 및 하나의 반사 구조(116)를 포함하고, 상기 반사 구조(116)는, 음향파의 전파 방향에 있어서 입력 및 출력 트랜스듀서 구조들(112, 114) 사이에서 소정의 거리에 위치하는 적어도 하나 이상의 금속 스트립(122)을 포함하는 결합형 공동 필터 구조에 있어서, 음향파 전파 기판(102)이 베이스 기판(106)과 압전층(104)을 포함하는 복합 기판인 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명은, 하나의 반사 구조(816)가 홈(822)을 포함하는 결합형 공동 필터 구조에 관한 것이다. 또한, 본 발명은, 전술한 바와 같은 적어도 2개의 결합형 공동 필터 구조를 포함하는 SAW 사다리 필터 장치에 관한 것으로서, 적어도 2개의 결합형 공동 필터 구조는 단일 라인 상에 위치한다.

Description

공동 공진 SAW 필터
본 발명은, 필터 응용분야용 표면 음향파(surface acoustic wave) 장치에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 표면 음향파 필터 장치용 복합 기판에 관한 것이다.
최근 몇 년 동안, 표면 음향파(SAW) 장치는, 필터, 센서, 및 지연 라인과 같은 실제 응용분야에 점점 더 많이 사용되어왔다.
SAW 필터들의 복합은, 상이한 유형의 도구를 필요로 하며, 상이한 유형의 구조가 구현되게 할 수 있다. 그러나, SAW 장치에서 기존의 필터 구조를 사용하면, 장치의 콤팩트성 및 성능과 같은 다양한 문제가 발생한다.
SAW 필터 장치는, 일반적으로 모놀리식 석영, LiNbO3, 또는 LiTaO3 결정으로 제조된 웨이퍼를 압전 재료로서 사용한다. 그러나, 압전 기판을 사용하면, 사용되는 압전 재료에 따라 온도에 대한 민감도가 높아지거나 전기기계적 결합이 약해진다. 이로 인해 필터의 통과 대역 특성의 성능이 저하된다.
필터 성능은, 대역폭, 대역내 삽입 손실, 소거 및 전환 대역폭 등의 여러 파라미터를 사용하여 정의되며, 통과 대역과 소거 대역을 분리한다.
또한, 필터 전달 함수에서 폴(pole)과 제로(zero)를 생성하기 위해 공동(cavity)을 사용하는 것은, 수 GHz에서 동작하는 마이크로파 필터를 개발할 때 체계적으로 사용되는 널리 알려진 기술이다. 이러한 필터는, 서로 연결되는 방식(직렬 또는 병렬)에 따라 폴 또는 제로를 생성하는 공진 요소들이 배치되는 도파관을 필요로 한다. 이러한 필터들의 복합은, 이러한 폴과 제로의 조합을 기반으로 하여, 소스와 필터링 구조 간의 주어진 결합 계수를 가정할 때 대역에서 감소된 리플을 제공하고 개선된 대역외 소거를 제공한다. 어느 경우든, 필터는, 서로 연결되거나 상기 도파관을 따라 배치되고 전기 커넥터에 의해 또는 도파관의 에지를 통해 직접 액세스되는 일련의 공동으로만 이루어진다. SAW 장치의 경우, 전자기 필터링된 신호를 제공하기 위해서는 전자기파에서 음향파로 또는 그 반대로 변환을 수행해야 한다. 그 사이에서, 전극 구조들은, 공진이 전기적으로 또는 음향적으로 결합되어 필터링 효과를 생성할 수 있는 방식으로 결합된다.
지금까지, SAW 필터용으로 개발된 해결책은, 세 가지 종류의 아키텍처를 사용하여 필터 기능을 달성하는 것이며, 주로, 브래그 조건에 가깝게 동작하는 격자를 사용하는 결합형 IDT를 기반으로 하는, 임피던스 요소 격자(소위 SAW-사다리) 또는 길이방향으로 결합형 공진기 필터(LCRF) 또는 이중-모드 SAW(DMS) 필터를 달성하는 것이다. 그러나, 이러한 방안들은 일반적으로 통과 대역에 2개 이상의 폴을 배치할 수 있으므로, 장치의 성능이 최적화되지 않으며 비교적 큰 풋프린트를 필요로 한다.
본 발명의 목적은, 콤팩트성, 단순성, 다목적성, 및 우수한 성능을 위한 개선된 설계를 갖는 복합 기판 상에 증착(deposit)된 표면 음향파(SAW) 필터 장치를 제공함으로써, 앞서 언급된 단점을 극복하는 것이다.
본 발명의 목적은, 음향파, 특히, 유도형 표면 음향파를 이용하는 결합형 공동 필터 구조에 의해 달성되며, 이러한 결합형 공동 필터 구조는, 음향파 전파 기판; 기판 위에 제공되며, 인터-디지테이티드 빗살형 전극들(inter-digitated comb electrode)을 각각 포함하는, 적어도 하나의 입력 트랜스듀서 구조 및 하나의 출력 트랜스듀서 구조; 및 하나의 반사 구조로서, 상기 반사 구조는, 음향파의 전파 방향에 있어서 입력 및 출력 트랜스듀서 구조들 사이에서 거리 d에 위치하는 적어도 하나 이상의 금속 스트립을 포함하는, 하나의 반사 구조를 포함하고, 음향파 전파 기판은 베이스 기판과 압전층(104)을 포함하는 복합 기판이라는 점을 특징으로 한다. 이러한 필터 구조에 의하면, 통과 대역이 조정될 수 있고, 동시에, 당해 기술에서의 전술한 필터 구조에 비해 감소된 풋프린트를 갖는 필터 구조를 취득할 수 있다.
본 발명의 변형예에 따르면, 결합형 공동 필터 구조는, 표면 음향파가 압전층 내에서 전단파 또는 종파이도록 구성될 수 있다. 반면, 종래 기술에서는, 레일리(Rayleigh)파가 사용되었는데, 벌크 기판 대신 압전층을 사용하면 다른 유형의 음향파를 사용하는 방식을 시작하게 되어, 추가 최적화 파라미터를 제공한다. 유도형 전단파는, 복합 기판을 사용하여 도달할 수 있는 최고의 전기기계적 결합을 제공할 수 있다. 이러한 유도형 전단파는, 종래의 레일리형 파(Rayleigh-like wave)에 비해 열 보상에 대한 기회가 확장된, 타원 편광파보다 높은 파 속도에 액세스할 수 있다. 또한, 기판과 여기 조건의 주어진 조합을 사용함으로써, 길이방향으로 편광된 유도형 파를 여기할 수 있어서, 5%를 초과하는 결합으로, 다른 파 유형인 전단파 및 레일리파보다 높은 속도를 생성할 수 있다.
본 발명의 변형예에 따르면, 적어도 하나의 입력 트랜스듀서 구조와 하나의 출력 트랜스듀서 구조의 인터-디지테이티드 빗살형 전극들은 p=λ/2로 주어진 브래그 조건에 의해 정의될 수 있으며, 여기서, λ는 상기 트랜스듀서 구조들의 동작 음향 파장이고, p는 상기 트랜스듀서 구조들의 전극 피치이다. 이 방안은, 주어진 주파수, 대역폭, 및 에너지 구속에 대한 최적의 치수 및 여기 조건 또는 결합 조건을 생성할 수 있다.
본 발명의 변형예에 따르면, 결합형 공동 필터 구조는, 음향파의 전파 방향에 있어서 입력 및/또는 출력 트랜스듀서 구조로부터 하나의 반사 구조가 위치하는 측의 반대측에 떨어져 위치하는 적어도 하나의 브래그 미러를 더 포함할 수 있다. 트랜스듀서 구조 옆에 브래그 미러가 존재하여 위치함으로써, 구조의 손실을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 변형예에 따르면, 결합형 공동 필터 구조는, 음향파의 전파 방향에 있어서 갭 g만큼 서로 분리되며 입력 및 출력 트랜스듀서 구조들 사이에서 거리 d에 위치하는 복수의 반사 구조를 포함할 수 있고, 반사 구조들 사이의 각 갭 g 및 트랜스듀서 구조와 이웃하는 반사 구조 사이의 각 갭 d는 음향 공동을 형성한다. 구조가 반사 구조를 한 개 넘게 갖는다는 사실은 구조에 복수의 음향 공동을 제공한다. 더 많은 수의 음향 공동은 천이 대역을 좁힐 수 있다.
본 발명의 변형예에 따르면, 공동 필터 구조의 각 음향 공동의 치수는, 특히, 공동에서의 위상 속도가 반사 구조 내의 위상 속도보다 빠르도록 λ/4보다 작을 수 있다. 이러한 치수는 공진 조건을 개선할 수 있으며 이에 따라 필터의 성능을 개선할 수 있다.
본 발명의 변형예에 따르면, 복수의 반사 구조의 이웃하는 반사 구조들 사이의 거리 및/또는 반사 구조와 이웃하는 트랜스듀서 구조 사이의 거리는 동일하거나 상이할 수 있다. 갭의 치수를 적응시키고 이에 따라 공동의 치수를 적응시킴으로써, 필터 파라미터를 개선할 수 있다.
본 발명의 변형예에 따르면, 반사 구조 또는 반사 구조들은, 트랜스듀서 구조의 인터-디지테이티드 빗살형 전극들과 복합 기판의 결합 계수 ks 2보다 뛰어난 단일 금속 스트립의 반사 계수를 가질 수 있고, 특히, 결합 계수 ks 2보다 적어도 1.5배 뛰어난 단일 금속 스트립의 반사 계수를 가질 수 있다. 결합 계수에 대한 반사 계수의 높은 비는, 주어진 대역폭에 대해, 본질적으로 평탄한 대역내 전달 함수 및 예리한 천이 대역을 제공하며, 조건을 충족하지 않는 필터에 비해 대역내 리플 효과가 감소된다.
본 발명의 변형예에 따르면, 각 반사 구조는, 적어도 하나 이상의 금속 스트립을 포함할 수 있고, 이러한 금속 스트립들의 피치는 트랜스듀서 구조의 전극 피치와 동일하거나 상이할 수 있다. 반사율이 높은 구조를 사용함으로써, 제조 변동에 대한 미러의 허용 오차가 더 커질 수 있지만, 반사 함수 0을 시프트하여 대역외 소거를 개선할 수도 있다.
본 발명의 변형예에 따르면, 각 반사 구조의 금속 스트립들은 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 따라서, 각 반사 구조를 통해 전위의 일정한 값을 취득할 수 있으며, 이에 따라 브래그 조건에서의 반사 구조의 반사 계수를 개선할 수 있다.
본 발명의 변형예에 따르면, 복수의 반사 구조의 각 반사 구조의 금속 스트립의 수는, 복수의 반사 구조의 반사 계수가 0.5를 초과, 특히, 0.8을 초과하도록, 30 미만일 수 있으며, 바람직하게 20 미만일 수 있다. 따라서, 음향 에너지의 공동 구속을 개선할 수 있고 구조에 모드 결합 조건을 제공할 수 있다.
본 발명의 변형예에 따르면, 압전층으로부터의 재료의 음향 임피던스와 복수의 반사 구조의 각 반사 구조의 금속 스트립으로부터의 재료 간의 차이점은, 복수의 반사 구조의 반사 계수가 0.5보다 뛰어난, 특히 0.8보다 뛰어난 것일 수 있다. 반사 계수를 증가시킴으로써, 필터 구조의 크기를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 목적은, 또한, 표면 음향파, 특히, 유도형 표면 음향파를 이용하는 결합형 공동 필터 구조에 의해 달성되며, 음향파 전파 기판; 기판 위에 제공되며, 전극들을 각각 포함하는, 적어도 하나의 입력 트랜스듀서 구조 및 하나의 출력 트랜스듀서 구조; 및 하나의 반사 구조로서, 상기 반사 구조는, 음향파의 전파 방향에 있어서 입력 및 출력 트랜스듀서 구조들 사이에서 거리 L에 위치하는 홈을 포함하는, 반사 구조를 포함하는 결합형 공동 필터 구조에 있어서, 음향파 전파 기판은 베이스 기판과 압전층을 포함하는 복합 기판인 것을 특징으로 한다. 이러한 필터 구조에 의하면, 통과 대역이 조정될 수 있고, 동시에, 당해 기술에서의 전술한 필터 구조에 비해 감소된 풋 프린트를 갖는 필터 구조를 취득할 수 있다.
본 발명의 변형예에 따르면, 결합형 공동 필터 구조는, 표면 음향파가 압전층 내에서 전단파 또는 종파이도록 구성될 수 있다. 반면, 종래 기술에서는, 레일리파가 사용되었는데, 벌크 기판 대신 압전층을 사용하면 다른 유형의 음향파를 사용하는 방식을 시작하게 되어, 추가 최적화 파라미터를 제공한다. 유도형 전단파는, 복합 기판을 사용하여 도달할 수 있는 최고의 전기기계적 결합을 제공할 수 있다. 이러한 유도형 전단파는, 종래의 레일리형 파에 비해 열 보상에 대한 기회가 확장된, 타원 편광파보다 높은 파 속도에 액세스할 수 있다. 또한, 기판과 여기 조건의 주어진 조합을 사용함으로써, 길이방향으로 편광된 유도형 파를 여기할 수 있어서, 5%를 초과하는 결합으로, 다른 파 유형인 전단파 및 레일리파보다 높은 속도를 생성할 수 있다.
본 발명의 변형예에 따르면, 결합형 공동 필터 구조는, 음향파의 전파 방향에 있어서 입력 및/또는 출력 트랜스듀서 구조로부터 하나의 반사 구조가 위치하는 측의 반대측에 떨어져 위치하는 적어도 하나의 추가 홈을 더 포함할 수 있다. 트랜스듀서 구조 옆에 홈들이 존재하여 위치함으로써, 구조의 손실을 감소시킬 수 있고, 예컨대 트랜스듀서에서 전파되는 음향파의 전반사를 취득하도록 구성할 수 있다.
변형예에 따르면, 적어도 하나의 입력 트랜스듀서 구조와 하나의 출력 트랜스듀서 구조의 전극들은 nλ와 동일한 전극 피치 p에 의해 정의될 수 있고, 여기서, λ는 상기 트랜스듀서 구조들의 동작 음향 파장이다.
변형예에 따르면, 결합형 공동 필터 구조는, 음향파의 전파 방향에 있어서 입력 및/또는 출력 트랜스듀서 구조로부터 하나의 반사 구조가 위치하는 측의 반대측에 떨어져 위치하는 적어도 하나의 추가 홈을 더 포함할 수 있다.
변형예에 따르면, 음향파의 전파 방향에 있어서 입력 및/또는 출력 트랜스듀서 구조로부터 하나의 반사 구조가 위치하는 측의 반대측에 떨어져 위치하는 적어도 하나의 추가 홈의 깊이 D3은 대략 1 이상일 수 있다.
변형예에 따르면, 결합형 공동 필터는, 음향파의 전파 방향에 있어서 갭 g만큼 서로 분리되고 입력 및 출력 트랜스듀서 구조들 사이에서 거리 L에 위치하는 복수의 반사 구조를 포함할 수 있고, 반사 구조들 사이의 각 갭 g는 음향 공동을 형성한다. 변형예에 따르면, 홈의 에지와 홈이 위치하는 측에서의 트랜스듀서 구조(812, 814)의 피치의 단부에 대응하는 음향파의 전파 방향에서의 위치 A, B 사이의 거리 L2는, 음향 공동을 형성할 수 있다. 구조가 반사 구조를 한 개보다 많이 갖는다는 사실은, 구조에 복수의 음향 공동을 제공한다. 더 많은 수의 음향 공동은 천이 대역을 좁힐 수 있다.
변형 예에 따르면, 홈(822, 1022, 1322, 1422, 1522, 1722)의 에지와 적어도 하나의 추가 홈(932, 934)의 에지 사이의 거리는 대략 nλ일 수 있다. 이러한 치수는 공진 조건을 개선할 수 있고 이에 따라 필터 성능을 개선할 수 있다.
변형예에 따르면, 수평축 X와 홈의 에지 벽 사이의 각도인 반사 구조의 홈의 여유각은, 약 70° 이상일 수 있으며, 특히, 약 90°이다.
변형예에 따르면, 반사 구조의 홈의 깊이는, 대략 λ 이상, 특히, 대략 10λ 이상이며, 여기서, λ는 표면 음향파의 파장이다.
변형예에 따르면, 적어도 하나의 추가 홈은 예컨대 전파 방향을 따라 전파되는 파의 전반사를 취득하도록 구성된다.
변형예에 따르면, 복수의 반사 구조의 적어도 2개의 홈 사이에 형성된 음향 공동은, 트랜스듀서가 위치하는 기판의 표면이기도 한 기판의 표면에 위치할 수 있다.
변형예에 따르면, 복수의 반사 구조의 적어도 2개의 홈 사이에 형성된 음향 공동은, 기판의 표면과 깊이 D에 위치하는 적어도 2개의 홈의 하부면 사이에 포함된 깊이에 위치할 수 있다.
변형예에 따르면, 입력 및 출력 트랜스듀서 구조들은 상이할 수 있으며, 특히, 각 트랜스듀서 구조의 전극 핑거의 수가 상이할 수 있다. 따라서, 필터 구조는 더욱 다목적용이며, 저 삽입 손실을 취득하기 위해 반사 구조 내의 모드의 결합 효율을 최적화하도록 트랜스듀서의 구조를 수정할 수 있다.
변형예에 따르면, 음향 공동은 서로 분리된 하위 공동들로 분할될 수 있다. 하위 공동들은, 하나의 공동에서 다른 하나의 공동으로 소멸 결합(evanescent coupling)을 생성할 수 있게 하는 추가 층에 의해 서로 분리될 수 있다. 따라서, 하위 공동들은, 구조 내의 에너지 구속을 선호하며, 장치의 콤팩트성을 개선할 수 있다.
변형예에 따르면, 공동 필터 구조는 음향파의 전파 방향으로 적어도 3개 이상의 트랜스듀서 구조를 포함한다. 소스 밀도를 증가시킬 수 있어서, 불량을 개선할 수 있다. 또한, 필터 대역은 2개의 트랜스듀서만이 있는 동일한 필터보다 평평할 수 있다.
변형예에 따르면, 압전층의 특징 및 트랜스듀서 구조의 전극의 특징은, 압전층(104)에서의 전단파, 바람직하게는 유도형 전단파, 또는 유도형 종파의 전기기계적 결합 계수 ks 2가 5%보다 우수하도록, 특히, 구체적으로 트랜스듀서 구조의 기하학적 전극 형상, 예컨대, 전극의 두께, 폭, 및/또는 길이 및/또는 개수 및/또는 형상, 및 파장 λ의 5% 이상이어야 하는 압전층의 두께를 적응시킴으로써 고 필터 대역 통과 특성을 취득하게끔 7%보다 우수하도록 선택될 수 있다.
본 발명의 변형예에 따르면, 압전층의 두께는, 압전층(104)에서의 전단파, 바람직하게는 유도형 전단파, 또는 유도형 종파의 전기기계적 결합 계수 ks 2가 5%보다 우수하도록, 특히 7%보다 우수하도록 선택될 수 있다. λ보다 큰 두께의 경우, 음향파는 자신의 유도형 특성을 잃어서, 층에서 다중 파장 방출을 생성하고 기판에서 에너지 손실을 발생시킨다.
본 발명의 변형예에 따르면, 공동 필터 구조는 베이스 기판과 압전층 사이에 끼워진 유전체층, 특히 SiO2 층을 더 포함할 수 있다. 유전체층 또는 패시베이션층은, 베이스 기판 위의 압전층의 부착을 개선할 수 있지만, 표면 음향파 장치의 온도 안정성을 유지하면서 전기기계적 결합도 개선할 수 있다. 바람직하게, 유전체층은 1 ㎛ 미만의 두께, 특히 100 nm 내지 1 ㎛ 범위의 두께를 갖는다.
본 발명의 변형예에 따르면, 복합 기판의 압전층은, 질화 알루미늄(AIN), 산화 아연(ZnO), PZT, 니오베이트 칼륨(KNbO3), 및 KTN 등의 유사 재료일 수 있고, 또한, PMN-PT 및 관련 재료와 같은 압전 이완제, 표준 IEEE 1949 Std-176에 따라 (YXI)/θ로서 정의된 리튬 탄탈레이트(LiTaO3) 또는 리튬 니오베이트(LiNbO3)에 대한 결정학적 배향을 가진 질화 갈륨(GaN), 리튬 탄탈레이트(LiTaO3) 또는 리튬 니오베이트(LiNbO3)일 수 있으며, 여기서, θ는 0° 내지 60° 사이에 또는 90° 내지 150° 사이에 포함된 결정학적 배향 각도이다.
본 발명의 변형예에 따르면, 복합 기판의 베이스 기판은, 실리콘, 특히, 트랩 풍부 층(trap-rich layer)을 포함하는 고 저항률 실리콘 기판, 탄소-다이아몬드, 사파이어, 또는 실리콘-카바이드 중 하나일 수 있다. 고 저항률이라고 하면, 1000 Ohm.cm를 초과하는 전기 저항률이라고 이해하게 된다. 실리콘 상에 압전층을 전사하는 경우에는, 압전 소스 기판에 이온 주입을 사용하여 전사될 층을 정의하고, 소스 기판을 실리콘 기판에 부착하고, 열적 또는 기계적 처리에 의해 층을 전사하는, SmartCutTM과 같은 대량 생산 방법을 이용할 수 있다. 압전 기판의 (CMP, 그라인딩, 연마를 통한) 후속 박형화와 함께 압전 기판을 베이스 기판에 본딩하는 것에 기초하는 더욱 간단한 방안도, 본 발명에 사용될 수 있으며, 특히, 최종 두께가 5 ㎛ 내지 20 ㎛ 정도로 예상되는 두꺼운 압전층에 적합하다. 양측 방안인, SmartCut™을 통한 또는 본딩/박형화를 통한 층 전사는, 베이스 기판 상에 단결정 압전층을 형성하여, 고 품질을 제공하게 된다.
본 발명의 변형예에 따르면, 베이스 기판은 압전층 아래에 브래그 미러를 포함할 수 있다. 브래그 미러는, 임의의 무기 재료로 형성된 판 상부에 증착되거나 제조된, 주기적으로 교번된 음향 임피던스가 있는 층들의 스택으로 이루어진다. 상기 층들의 스택은, 각 층의 두께가 음향 파장의 약 1/4이면 상부 압전층에서 여기되는 파에 대해 미러처럼 기능한다. 따라서, 미러는, 기판 깊이를 향하는 성분을 갖는 파를 반사하여, 압전층 내에 파를 구속한다.
본 발명의 변형예에 따르면, 결합형 공동 표면 음향파 필터 구조는 0.5% 내지 10% 사이에 포함된 필터 대역 통과를 갖는다. 공동 필터 구조의 파라미터를 가변함으로써 필터 장치의 대역 통과를 가변할 수 있으며, 이에 따라 장치는 필요한 필터 대역 통과를 취득하도록 사용자의 사양에 맞게 구성될 수 있다.
본 발명의 변형예에 따르면, 결합형 공동 필터 구조는, 트랜스듀서 구조 및 적어도 하나의 반사 구조 위에 형성된 패시베이션층을 더 포함할 수 있고, 패시베이션층은, 트랜스듀서 구조 및/또는 적어도 하나의 반사 구조에 걸쳐 동일하거나 상이한 미리 결정된 두께를 갖는다.
본 발명의 목적은, 또한, 전술한 바와 같이 적어도 2개의 결합형 공동 필터를 포함하는 SAW 사다리 필터 장치에 의해 달성되며, 여기서 적어도 2개의 결합형 공동 필터 장치는 단일 라인 상에 위치할 수 있다. 본 발명에 따른 결합형 공동 필터들은 단일 라인 상에 위치할 수 있으므로, 다중 공동 필터의 위치결정 및 연결에는, 최신 SAW 사다리 장치에서와 같이 많은 공간이 필요하지 않다. 본 발명에 따른 SAW 사다리 필터 장치는 최신 SAW 사다리 필터 장치에 비해 더욱 콤팩트한 장치로 이루어진다.
도 1a와 도 1b는 본 발명의 제1 실시예 및 이의 변형예에 따른 결합형 공동 표면 음향파 필터 구조를 도시한다.
도 2a 내지 2e는 본 발명의 제2 실시예 및 이의 변형예에 따른 결합형 공동 표면 음향파 필터 구조를 도시한다.
도 3a 내지 3d는, 6 ㎛의 LiTaO3(YXI)/42° 압전층과 반무한(semi-infinite) (100) 실리콘 기판 사이에 500 nm의 SiO2 층이 있는 본 발명에 따른 복합 기판을 사용하는, 도 2b에 도시된 바와 같은 결합형 공동 표면 음향파 필터 구조의 성능을 보여준다.
도 4는 본 발명에 따라 도 2b에 도시된 바와 같은 결합형 공동 표면 음향파 필터 구조의 특징을 열거하는 표를 도시한다.
도 5a와 도 5b는 본 발명의 제3 실시예에 따른 결합형 공동 표면 음향파 필터 구조를 도시한다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 결합형 공동 표면 음향파 필터 구조를 도시한다.
도 7은 본 발명의 제5 실시예에 따른 결합형 공동 표면 음향파 필터 구조를 도시한다.
도 8a 내지 도 8h는 본 발명의 제6 실시예 및 이의 변형예에 따른 결합형 공동 표면 음향파 필터 구조를 도시한다.
도 9는 시뮬레이션의 실제 예에 사용되는 본 발명의 제3 실시예에 따른 장치를 도시한다.
도 10a와 도 10b는, 본 발명의 제3 실시예에 따라 도 9에 도시된 바와 같은 결합형 공동 표면 음향파 필터 구조의 시뮬레이션된 특징을 도시한다.
도 11a 내지 도 11d는, 본 발명의 제3 실시예에 따라 도 9에 도시된 바와 같은 결합형 공동 표면 음향파 필터 구조의 시뮬레이션된 특징에 대한 장치의 파라미터의 영향을 도시한다.
도 12a와 도 12b는 도 12a의 최신 기술에 따른 그리고 도 12b의 본 발명에 따른 SAW 사다리 필터 장치의 일례를 도시한다.
본 발명은 첨부 도면과 관련하여 취해진 다음 설명을 참조함으로써 이해할 수 있으며, 여기서 참조 번호는 본 발명의 특징을 식별한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 결합형 공동 표면 음향파 필터 구조를 도시한다. 도 1a에서, 결합형 공동 표면 음향파 필터 구조(100)는 복합 기판인 기판(102) 상에 구현된다. 복합 기판(102)은, 베이스 기판(106) 위에 형성된 결정학적 축 X, Y, 및 Z를 갖는 압전 재료층(104)을 포함한다.
본 실시예에서, 압전층(104)은, LiTaO3 또는 LiNbO3, 특히 표준 IEEE 1949 Std-176에 따라 (YXI)/θ에 의해 정의된 절단된 배향을 가지며, 여기서, 결정학적 배향 각도인 θ는 0° 내지 60° 사이에 또는 90° 내지 150° 사이에 포함되는 것, 칼륨 니오베이트(KNbO3) 및 KTN과 같은 유사 재료 조성물, 스퍼터링 또는 에피택셜 막을 사용하는 다른 압전층, 예컨대, 질화 알루미늄(AlN), 산화 아연(ZnO), PZT, GaN, 또는 AIN과 GaN의 임의의 조성물이다.
베이스 기판(106) 상에 형성된 압전층(104)의 두께는 대략 1λ의 파장 이하, 특히 약 20 ㎛ 이하이다. 베이스 기판(106)의 두께(t)는 압전층(104)의 두께보다 크다. 바람직한 상황은, 압전층(104)의 두께보다 적어도 10배 더 큰, 특히 50배 내지 100배 더 큰 베이스 기판 두께에 해당하며, 이는 250 ㎛ 내지 500 ㎛와 동일한 베이스 기판 두께에 해당한다.
본 발명의 제1 실시예에서 사용되는 베이스 기판(106)은, 실리콘 기판, 특히, 고 저항성 실리콘 기판이다. 실리콘 기판의 배향은, 바람직하게는, 다른 결정 배향, 예를 들어, (110), (111), 또는 (001)에 비해 더 높은 음향파 전파 속도로 인해 (100)이지만, 어느 배향이라도 사용될 수 있다. 실리콘 대신, 압전층의 음향파 전파 속도보다 빠른 음향파 전파 속도를 갖는 다른 기판 재료, 예컨대, 탄소-다이아몬드, 사파이어, 또는 실리콘 카바이드가 사용될 수 있다.
본 발명의 변형예에서, 베이스 기판(106)은 압전 재료의 상부층에 가까운 소위 트랩 풍부 층을 추가로 포함할 수 있으며, 상기 트랩 풍부 층은, 베이스 기판의 격리 성능을 개선하며, 예를 들어, 다결정 실리콘, 비정질 실리콘, 또는 다공성 실리콘 등의 다결정 재료, 비정질 재료, 또는 다공성 재료 중 적어도 하나에 의해 형성될 수 있지만, 본 발명은 이러한 재료로 제한되지 않는다.
본 발명의 변형예에서, 베이스 기판(106)은 압전층(104) 아래에 브래그 미러를 더 포함할 수 있다. 브래그 미러는, 임의의 무기 재료로 형성된 판 상부에 증착되거나 제조된, 주기적으로 교번된 음향 임피던스가 있는 층들의 스택으로 이루어진다. 음향 임피던스는, 파 속도와 재료 밀도의 곱이며, 레일리로 표현되고, 바람직하게는 엠레일리(Mrayleigh), 즉, 106 레일리로 표현된다. 압전층은, 음향파의 여기 및 검출을 위해 층 스택의 상부에 증착되거나 제조된다. 스택은, 유리하게는, 텅스텐과 실리카, 또는 Si3N4와 SiO2, 또는 Mo와 Al의 교변형으로 구성될 수 있고, 일반적으로는 2보다 큰 음향 임피던스 비를 나타내는 재료의 임의의 커플로 구성될 수 있다. 무기 하위 판은, 유리하게는 표준 실리콘 또는 고 저항성 실리콘 또는 유리일 수 있으며, 일반적으로 6 ppm/K 미만의 열팽창 계수(TCE)를 나타내는 임의의 재료일 수 있다. 무기 하위 판은, 또한, 전기적 격리를 개선하도록 트랩 풍부 층을 통합할 수 있다. 유리하게, 스택의 제1 층은, SiO2, 또는 일반적으로 압전층을 전술한 복합 기판에 본딩하는 데 사용될 수 있는 임의의 재료일 수 있다.
본 실시예에서, 얇은 SiO2 층(108)은, 압전 재료층(104)의 베이스 기판(106)에 대한 부착을 개선하도록 압전층(104)과 베이스 기판(106) 사이의 계면(110)에 제공된다. SiO2 층(110)의 두께는 200 nm이지만, 변형예에서, SiO2 층(110)의 두께는 가변될 수 있고 200 nm 이하일 수 있으며, 특히 10 nm 내지 6 ㎛로 가변될 수 있다.
결합형 공동 필터 구조(100)는, 도 1에 도시한 바와 같이 2개의 트랜스듀서 구조(112, 114), 및 전파 방향 X에 있어서 트랜스듀서 구조들(112, 114)의 소정의 거리 d에서 2개의 트랜스듀서 구조(112, 114) 사이에 위치하는 하나의 반사 구조(116)를 포함한다. 반사 구조(116)와 하나의 트랜스듀서 구조(112, 114) 사이에 위치하는 영역, 예를 들어, 거리 d에 의해 정의된 폭을 갖는 영역(118)은 음향 공동(120)에 해당한다. 이 경우, 전극들은 트랜스듀서 구조들(112, 114)의 피치 p 내부의 중심에 위치한다. 따라서, 다음에서, 트랜스듀서 구조들(112, 114)의 피치 p의 단부는 전극(128)으로부터 거리에 위치한다. 일례로, 트랜스듀서 구조(112, 114)의 비 a/p가 50%일 때, 피치 p의 단부는 트랜스듀서 구조(112, 114)의 제1 전극(128)으로부터의 λ/8과 동일한 거리에 있다.
결과적으로, 음향 공동은, 반사 구조(116)와 반사 구조(116)가 위치하는 측에서의 트랜스듀서 구조(112, 114)의 피치 p의 단부 사이에서 연장된다. 따라서, 결합형 공동 표면 음향파 필터 구조(100)에서, 다양한 음향 공동이 음향파의 전파 방향으로 존재하고, 도 1a에 도시된 결합형 공동 필터 구조에서는, 2개의 음향 공동(120)이 존재한다.
반사 구조(116)는, 일반적으로 하나 이상의 금속 스트립(122)을 포함하고, 반사 구조(116) 내의 금속 스트립들(122) 사이의 거리에 대응하는 금속 스트립(122)의 피치(도시되지 않음)에 의해 정의된다. 트랜스듀서 구조(112, 114)와 마찬가지로, 반사 구조(116)의 피치는 금속 스트립을 피치 내에서 중앙에 갖춤으로써 정의된다.
트랜스듀서 구조들(112 및 114)은 입력 트랜스듀서 구조(112) 및 출력 트랜스듀서 구조(114)에 대응하지만, 이들 구조의 위치는, 음향파의 전파 방향에 있어서 입력 트랜스듀서 구조가 전체 구조의 우측에 있고 출력 트랜스듀서 구조가 좌측에 있도록 위치를 변경될 수도 있다. E 기호는 입력 음향 신호를 나타내는 한편, S 기호는 트랜스듀서 구조의 출력 음향 신호를 나타낸다.
각각의 트랜스듀서 구조(112, 114)는, 복수의 전극 수단(128, 130)을 각각 포함하는 2개의 인터-디지테이티드 빗살형 전극(124, 126)을 포함한다. 본 실시예에서, 전극 수단(128, 130)은 전극 핑거의 형상을 갖는다. 인터-디지테이티드 빗살형 전극들(124, 126) 및 이러한 전극 각각의 전극 핑거(128, 130)는, 알루미늄 기반 재료, 예를 들어, 순수 알루미늄, 또는 알루미늄 합금으로 형성되며, 이러한 알루미늄은 Cu, Si 또는 Ti로 도핑된다. 그럼에도 불구하고, 더 작은 상대적 전극 두께에 대해 더 강한 반사 계수를 생성하는 다른 재료를 사용할 수 있다. 그러한 점에서, 선호되는 전극 재료는, 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta) 또는 크롬(Cr), 지르코늄(Zr), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 텅스텐(W)과 같은 접착층이 있는, 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 백금(Pt) 또는 금(Au) 등이 있다.
트랜스듀서 구조(112, 114)는, 또한, 대향하는 인터-디지테이티드 빗살형 전극들(124 및 126)으로부터의 2개의 이웃하는 전극 핑거(128, 130) 사이의 에지-대-에지 전극 핑거 거리에 대응하는 전극 피치 p(도시되지 않음)에 의해 정의된다. 본 발명의 변형예에서, 전극 피치 p는 p = λ/2에 의해 주어진 브래그 조건에 의해 정의되고, 여기서, λ는 상기 트랜스듀서 구조(112, 114)의 동작 음향 파장이다. 음향 파장 λ를 조작함으로써, λ가, f가 필터 구조의 미리 결정된 중심 주파수이고 V가 이용되는 모드의 위상 속도인 λ = V/f를 따르는 음향 파장이라는 점을 이해할 수 있다. 이러한 트랜스듀서 구조를 파장당 2-핑거 인터-디지테이티드 빗살형 트랜스듀서(2-finger-per-wavelength inter-digitated transducer(IDT)라고도 한다.
본 발명의 변형예에서, 인터-디지테이티드 빗살형 트랜스듀서는, 예를 들어, 파장당 3 또는 4-핑거 여기 구조 또는 2개의 파장당 5-핑거 트랜스듀서 또는 3개의 파장당 7 또는 8-핑거를 이용하여 브래그 조건에서 동작할 수 있다.
트랜스듀서 구조들(112 및 114)은, 대칭적일 수 있으며, 즉, 동일한 특징을 갖는 동일한 수의 전극 핑거(128, 130)를 갖는다. 그러나, 본 발명의 변형예에서, 이러한 구조들은 또한 상이할 수 있으며, 특히, 상이한 수의 전극 핑거(128, 130)를 가질 수 있다.
인터-디지테이티드 빗살형 전극(128, 130)의 전극 핑거(132, 134)는 모두 본질적으로 동일한 길이 l, 폭 w, 및 두께 h를 갖는다. 본 실시예의 변형예에 따르면, 전극 핑거(132, 134)는 상이한 길이 l, 폭 w, 및 두께 h를 가질 수 있다. 치수는, 원하는 결합 계수 ks를 취득하도록 또는 횡단 모드 제거, IDT 임피던스 변조, 원하지 않는 모드 방출의 감소 등과 같은 다른 기능을 이용하도록 구성된다.
본 발명의 변형예에서, 트랜스듀서 구조(112, 114)는 처프(chirp)될 수 있는데, 이는 트랜스듀서 구조의 전극 피치 p가 선형 방식으로 또는 쌍곡선 방식으로 연속적으로 변경될 수 있음을 의미한다. 이는, 트랜스듀서의 동작 주파수 대역을 확대할 수 있게 하고 온도 대비 소정의 견고성을 얻을 수 있다.
반사 구조(116)의 금속 스트립(122)의 피치는 트랜스듀서 구조(112, 114)의 전극 피치 p와 동일할 수 있다. 변형예에서, 반사 구조(116)의 금속 스트립(122)의 피치는 트랜스듀서 구조(112, 114)의 전극 피치 p와 상이할 수 있다.
본 발명의 변형예에서, 반사 구조(116)는, 필터의 동작 대역 및 트랜스듀서 구조(112, 114) 사이에 위치하는 음향 공동(118)의 공진 효율을 증가시키도록 처프될 수도 있다.
변형예에서, 결합형 공동 필터 구조(100)는 2개의 브래그 미러(132, 134)를 더 포함한다. 이러한 변형예는 도 1b에 도시되어 있는데, 여기서, 각각의 브래그 미러(132, 134)는 결합형 공동 필터 구조(200)의 외부에서 트랜스듀서 구조(112, 114) 옆에 위치하며, 이는, 음향파의 전파 방향에 있어서 반사 구조(116)가 위치하는 타측을 의미한다. 각각의 브래그 미러(132, 134)는 각각의 트랜스듀서 구조(112, 114)의 거리 s에 위치한다. 각각의 브래그 미러(132, 134)는, 하나 이상의 금속 스트립(136)을 포함하고, 브래그 미러(132, 134) 내의 금속 스트립들(136) 사이의 거리에 대응하는 금속 스트립들(136)의 피치(도시하지 않음)에 의해 정의된다.
본 발명의 변형예에서, 반사 구조(116) 및 브래그 미러(132, 134)는 금속 스트립(136, 210)을 증착하는 대신 홈을 에칭함으로써 구축될 수 있다. 홈은, 복합 기판(102)의 압전층(104)에서 그리고 심지어 베이스 기판(106)까지 에칭될 수 있다.
변형예에서, 패시베이션층(도시하지 않음)은, 트랜스듀서 구조(112, 114) 및 적어도 하나의 반사 구조(116) 위에 형성될 수 있다. 패시베이션층은, 트랜스듀서 구조(112, 114) 및/또는 적어도 하나의 반사 구조(116)에 걸쳐 동일하거나 상이한 미리 결정된 두께를 갖는다. 패시베이션층은, 또한, 브래그 미러(132, 134) 위에 형성될 수 있다. 이 변형예에서, 기판은 리튬 탄탈레이트 또는 리튬 니오베이트 벌크 웨이퍼와 같은 모놀리식 압전 웨이퍼일 수 있고, 패시베이션층은 유리하게는 실리카 SiO2 층 또는 탄탈륨 펜톡사이드 Ta2O5 층일 수 있다. 본 실시예에서, 패시베이션층은 양의 열 팽창 계수(TCE)를 갖는 반면, 기판은 음의 열 팽창 계수(TCE)를 갖고, 층 두께는 SAW 장치의 주파수의 온도 계수(TCF)를 감소시키도록 설정된다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 제2 실시예 및 이의 변형예에 따른 결합형 공동 필터 구조를 도시한다. 도 2a 내지 도 2e 모두에 대해, 결합형 공동 필터 구조는 2D 평면도로 도시되며, 이러한 구조가 위에 위치하게 되는 기판은 더는 도시되지 않는다. 그러나, 기판은 도 1a 및 도 1b의 기판(102)과 동일하다. 도 1a 및 도 1b와 동일한 참조 번호는 동일한 기능을 나타내는 데 사용되며, 자세한 내용은 다시 설명하지 않는다.
도 2a에서, 결합형 공동 필터 구조(300)는, 결합형 공동 필터 구조(200)와 같이, 하나의 트랜스듀서 구조 옆에 각각 위치하는 2개의 브래그 미러(132, 134)를 갖는 2개의 트랜스듀서 구조(112, 114)를 포함한다. 결합형 공동 필터(200)와의 차이점은, 복수의 반사 구조, 즉, 4개의 반사 구조(202, 204, 206, 208)가 트랜스듀서 구조들(112, 114) 사이에 존재한다는 점이다. 복수의 반사 구조의 각각의 반사 구조(202, 204, 206, 208)는, 적어도 하나 이상의 금속 스트립(210)을 포함하고, 각각의 반사 구조(202, 204, 206, 208) 내의 금속 스트립들(210) 사이의 거리에 대응하는 금속 스트립(210)의 피치(도시하지 않음)에 의해 정의된다. 여기서, 각각의 반사 구조(204, 206, 208, 210)의 금속 스트립들(210)은 4개에 달하지만, 더 많거나 적을 수 있다. 복수의 반사 구조의 반사 구조들(204, 206, 208, 210)은, 또한, 동일한 수의 금속 스트립(210)을 가질 수 있지만, 변형예에서, 각각 상이한 수의 금속 스트립(210)을 가질 수 있다. 예를 들어, 반사 구조(204, 206, 208, 210)의 금속 스트립(210)의 수는, 증가된 후 구조의 실제 중심에서의 공진을 강화하도록 트랜스듀서 구조들(112, 114) 사이에서 전체 반사 구조(204, 206, 208, 210)에 걸쳐 감소될 수 있다.
이들 반사 구조(202, 204, 206, 208)는 갭 g에 의해 서로 분리된다. 2개의 인접하는 반사 구조, 예를 들어, 갭 g에 의해 정의된 폭을 갖는 반사 구조들(202 및 204) 사이에 위치하는 영역은 음향 공동(212)에 대응한다. 결합형 공동 필터 구조(100 및 200)의 경우와 같이, 반사 구조와 인접하는 트랜스듀서 구조 사이에 위치하는 영역도, 음향 공동(214)에 대응하지만, 반사 구조와 인접하는 트랜스듀서 구조 사이의 거리 d에 의해 정의되는 폭을 갖는다. 제1 실시예에서와 같이, 트랜스듀서 구조(112, 114)의 전극들은 트랜스듀서들(112, 114)의 피치 p 내에서 중심에 있고, 음향 공동은, 반사 구조(116)와 반사 구조(116)가 위치하는 측에서의 트랜스듀서 구조(112, 114)의 피치 p의 단부 사이에 위치하는 영역으로서 정의된다.
따라서, 결합형 공동 표면 음향파 필터 구조에서, 다양한 공동은, 음향파의 전파 방향으로 존재하고, 반사 구조에 의해 분리되거나, 달리 말하면, 공동은 트랜스듀서 사이에 있는 2개의 반사 구조에 의해 둘러싸여 있다. 따라서, 도 2a에 도시된 결합형 공동 필터 구조(300)에서, 모드의 전파 방향으로 총 5개의 음향 공동(212, 214)이 존재한다. 트랜스듀서 구조 사이에 있는 주어진 수의 반사 구조와 브래그 조건에서 동작하는 트랜스듀서 구조의 경우, 음향 공동의 수는 반사 구조의 수에 1을 더한 것과 같다.
본 발명의 변형예에서, 반사 구조(202, 204, 206, 208)는, 필터의 동작 대역 및 트랜스듀서 구조들(212, 214) 사이에 위치하는 음향 공동(212, 214)의 공진 효율을 증가시키도록 처프될 수도 있다.
본 발명의 변형예에서, 반사 구조(202, 204, 206, 208) 및 브래그 미러(132, 134)는 금속 스트립(136, 210)을 증착하는 대신 홈을 에칭함으로써 구축될 수 있다. 홈은, 복합 기판(102)의 압전층(104)에 그리고 심지어 베이스 기판(106)까지 에칭될 수 있다.
본 발명의 변형예에서, 반사 구조(202, 204, 206, 208) 및/또는 브래그 미러(132, 134)의 금속 스트립들(136, 210)은 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 반사 구조(202, 204, 206, 208)와 브래그 미러(132, 134) 모두의 반사 스트립들(136, 210)이 서로 연결되는 변형예는 결합형 공동 필터 구조(400)에 대해 도 2b에 도시되어 있다. 이는 브래그 조건에서 반사 구조(202, 204, 206, 208)와 브래그 미러(132, 134)의 반사 계수를 개선한다. 모든 반사 구조(202, 204, 206, 208) 및/또는 브래그 미러(132, 134)는 소위 단락 조건에서 동작하며, 이는, 주어진 반사 구조(202, 204, 206, 208)/브래그 미러(132, 134)의 모든 금속 스트립(136, 210)이 서로 연결되어, 상기 격자 구조 전체에 걸쳐 일정한 전위 값을 생성한다는 점을 의미한다.
본 발명의 변형예에서, 결합형 공동 필터 구조는 3개 이상의 트랜스듀서 구조를 포함할 수 있다. 도 2c에는, 결합형 공동 필터 구조(400)에 3개의 트랜스듀서 구조(402, 404, 406)가 존재하는 변형예가 도시되어 있다. 결합형 공동 필터 구조(400)는, 또한, 복수의 반사 구조가 총 6개의 반사 구조(302, 304, 306, 308, 310, 312)를 포함하므로, 도 2a에 도시된 바와 같은 결합형 공동 필터 구조(300)와 상이하다. 다시, 동일한 참조 번호를 사용하여, 결합형 공동 필터 구조(300)에 대해 도 2a에서 이미 설명된 동일한 기능을 설명한다.
2개의 트랜스듀서 구조(112, 114)는 도 2a의 구조에서와 같이 반사 구조(302, 304, 306, 308, 310, 312)의 외부에 위치하는 반면, 제3 트랜스듀서 구조(314)는 반사 구조(302, 304, 306, 308, 310, 312, 116)의 중심에 위치하며, 이에 따라 제3 트랜스듀서 구조(314)의 각 측에는, 3개의 반사 구조(302, 304, 306 및 308, 310, 312)가 존재한다. 트랜스듀서 구조(314)는, 또한, 트랜스듀서 구조(112, 114)와 각각의 인접 반사 구조, 여기서는 트랜스듀서 구조(112)에 대한 참조 번호 302 및 트랜스듀서 구조(114)에 대한 참조 번호 302 사이의 동일한 거리에 대응하는 거리 d만큼 2개의 인접한 반사 구조로부터 분리된다. 결합형 공동 필터(500)는 총 8개의 음향 공동(316)을 포함한다. 이러한 공동 필터 구조(500)는, 대칭적이며, 2개의 트랜스듀서 구조(112, 114)만을 갖는 도 2a에 도시된 바와 같은 공동 필터 구조(300)에 비해 공동(316) 내에 에너지를 더욱 강하게 구속한다.
본 발명의 변형예에서, 제3 트랜스듀서(314)는 결합형 공동 필터 구조가 대칭적이지 않도록 결합형 공동 필터 구조의 중간에 위치하지 않는다.
본 발명의 변형예에서, 복수의 음향 공동은 하위 공동들로 분할될 수 있다. 이 변형예는, 하위 공동들이 추가 층들의 존재에 의해 서로 분리되어 있는 도 2d에 도시되어 있다. 다시, 결합형 공동 필터 구조(600)는, 또한, 복수의 반사 구조가 총 3개의 반사 구조(402, 404, 406)를 포함하므로, 도 2a에 도시된 바와 같은 결합형 공동 필터 구조(300)와 상이하다. 다시, 동일한 참조 번호를 사용하여, 결합형 공동 필터 구조(300)에 대해 도 2a에서 이미 설명된 동일한 기능을 설명한다. 공동 필터 구조(600)에서, 반사 구조들(402, 404, 406) 사이 및 트랜스듀서 구조들(112, 114)과 이에 인접하는 반사 구조들(402 및 406) 사이에 각각 위치하는 음향 공동들(408)은, 2개의 섹션으로 분할되어, 2개의 트랜스듀서 구조(112, 114) 사이에 8개의 어두운 영역(410) 및 4개의 백색 영역(412)이 존재하게 된다. 어두운 영역(410)은, 파 속도가 백색 영역(412)보다 느린 위치를 나타내며, 따라서 도 2a에 도시된 결합형 공동 필터 구조(300)보다 양호한 에너지 구속을 초래한다. 따라서, 결합형 공동 필터 구조(600)는, 추가 폴을 생성하여, 결합형 공동 필터 구조(600)의 콤팩트성을 개선한다.
본 발명의 변형예에서, 입력 및 출력 트랜스듀서 구조들은 대칭적이지 않거나 동일하지 않으며, 이 변형예는 도 2e에 도시되어 있다. 다시, 결합형 공동 필터 구조(700)는, 또한, 복수의 반사 구조가 총 2개의 반사 구조(502, 504)를 포함하므로, 2a에 도시된 바와 같은 결합형 공동 필터 구조(300)와 상이하다. 다시, 동일한 참조 번호가 사용하여, 결합형 공동 필터 구조(300)에 대해 도 2a에서 이미 설명된 동일한 기능을 설명한다. 도 2에서는, 각 트랜스듀서 구조의 전극 핑거의 수가 다르다. 결합형 공동 필터 구조(700)에서, 트랜스듀서 구조(114)는, 전체 트랜스듀서 구조(114)에 걸쳐 일정한 전극 피치 p를 갖는 5개의 전극 핑거(128, 130)를 각각 갖는 인터-디지테이티드 빗살형 전극들(124, 126)을 포함한다. 트랜스듀서 구조(506)는 인터-디지테이티드 빗살형 전극들(508, 510)을 포함하지만, 이러한 전극들 각각은 8개의 전극 핑거(128, 130)를 갖고, 또한, 트랜스듀서 구조(506)에서는 인터-디지테이티드 빗살형 전극(508)의 제3 전극 핑거(128)와 인터-디지테이티드 빗살형 전극(510)의 제4 전극 핑거(130) 사이에 갭이 존재한다. 또한, 이 변형예에서는, 트랜스듀서 구조(114, 506) 옆에 브래그 미러가 존재하지 않으며, 이는 도 2a의 결합형 공동 필터 구조(300)보다 많은 손실 및 리플을 생성할 것이다. 그러나, 이러한 결합형 공동 필터 구조(700)는 도 2a에 도시된 구조보다 콤팩트하고 단순한 설계를 제공한다.
결합형 공동 표면 음향파 필터 구조는 다음에 따르는 방식으로 동작한다. 입력 인터-디지테이티드 빗살형 트랜스듀서(IDT)는 반사 구조를 향해 음향 에너지를 방출하고 공진을 여기한다. 반사 구조는 다른 반사 구조에 결합되어, 하나의 반사 구조에서 다른 반사 구조로의 에너지 전달을 생성하는 결합 조건을 생성한다. 복수의 이러한 반사 구조는 서로 결합될 수 있지만, 전달되는 에너지를 수집하는 적어도 하나의 출력 트랜스듀서 구조가 존재한다.
따라서, 본 발명은, 복합 기판으로부터 상부 압전층의 파 유도를 이용하고 하나의 반사 구조로부터 다른 반사 구조로 에너지를 결합하는 음향 공진 공동을 사용하는 결합형 공동 필터 구조를 사용하는 것을 제안한다.
결합형 공동 필터 구조의 경우, 필터의 저주파 천이 대역에서 트랜스듀서 구조의 공진이 발생하고, 필터 대역의 거의 중간에서 반공진이 발생한다. 따라서, 전기기계적 결합 계수의 조건은 임피던스 필터에 필요한 조건과 유사하며, 즉, 주어진 모드가 달성될 대역 통과에 비례하는 결합 인자를 나타내야 하므로, 결합 계수가 달성될 대역보다 1.5배 내지 2배 더 커야 하며, 이 대역 내에서의 삽입 손실을 감소시킬 수 있다. 그러나, 결합 계수보다 큰 반사 계수, 이상적으로는, 결합 계수의 1.5 배 이상이, 필터 대역을 달성하는 데 필요하다.
본 발명에 따르면, 트랜스듀서 구조의 결합 계수가 5% 이상인 경우에도, 복합 기판으로 결합 계수에 대한 반사 계수의 관계가 달성될 수 있다. 이는 복합 기판의 압전층에서 유도되는 전단파 또는 종파를 사용할 때 특히 그러하다.
압전층의 두께가 파장보다 작기 때문에, 압전층 내에서 전단파 모드 또는 종방향 모드가 유도된다. 또한, 복합 기판의 에너지 손실을 감소시킬 수 있다. 압전층의 두께는 파장 λ의 5% 이상이어야 한다. 두꺼운 압전층의 경우, 복합 기판의 전단 모드는, 더는 완전히 유도되지 않지만, 베이스 기판에 대한 계면에서 반사되어 기생 모드 또는 흔들림(rattle) 효과를 유발하는 손실 벌크 성분을 갖는다. 그러나, 얇은 압전층, 즉, 파장 또는 하위 파장 두께의 경우, 전단 모드는 손실 벌크 모드 없이 완전히 유도된다.
필터 장치의 성능 지수는, 필터의 투과성으로서, 대역 통과에서 dB 단위의 손실 수준과 함께 주파수 함수로서 필터 대역 통과를 나타낸다. 필터 대역 통과는 다양한 인자, 즉, 결합 계수, 공동의 수, 및 반사 계수에 의존한다.
압전층의 치수, 트랜스듀서 구조의 치수, 반사 구조의 길이 치수, 결합형 반사 구조의 수, 및 모드의 결합 계수에 따라, 다중 폴 및 제로 필터를 매우 낮은 삽입 손실로, 즉, 2dB 초과, 특히 1dB 미만의 삽입 손실로, 트랜스듀서 구조의 설계 및 선택성에 따라 15 dB 내지 20 dB 이상의 소거와 함께 합성할 수 있다.
음향 공동의 치수와 관련하여, 상기 음향 공동은, 최신 기술에 따라 최적의 공진 조건을 충족시키도록 이상적으로 1/4 파장 길이 또는 1/4 파장의 홀수이어야 한다. 본 발명에서, 음향 공동 길이는 1/4 파장보다 열등할 수 있다. 이는, 자유 표면으로부터 격자 영역으로의 강한 속도 변화로 인한 것으로서, 표준 True SAW 솔루션을 사용하여 액세스할 수 있는 것보다 훨씬 큰 음향 임피던스 불일치를 생성한다.
결합 계수와 관련하여, 복합 기판 및 금속 스트립 파라미터(재료, 치수)의 경우, 결합 계수는 인자 0.7에 의해 대역 통과 값과 직접 관련되므로, 공동 필터 구조의 재료와 치수를 선택함으로써 필터 장치의 필요한 대역 통과를 취득할 수 있다.
반사 구조에서 금속 스트립의 수와 관련하여, 이 수는, 0.5보다 큰, 특히 0.8보다 큰 전반사 계수를 생성하여 공동 내에 음향 에너지를 구속할 수 있고 이에 따라 모드 결합 조건을 제공하도록 선택된다.
이미 언급한 바와 같이, 반사 계수의 크기는, 바람직하게는 결합 계수보다 크고, 이상적으로는 결합 계수 파라미터보다 1.5배 이상 크다. 반사 계수가 클수록, 금속 스트립의 수가 적어지므로, 필터 대역폭이 커진다. 예를 들어, 15%보다 큰 반사 계수는, 필터의 대역폭에 직접 영향을 미치는 반사 구조를 구성하는 금속 스트립의 수를 감소시킬 수 있는데, 구조의 반사 계수가 크거나 50%와 같다면 반사 구조의 금속 스트립의 수가 적을수록 대역폭이 커진다. 반사 계수가 15%를 초과하면, 대역폭이 5%를 초과하는 필터를 달성할 수 있다.
대역폭이 7%를 초과하고 대역내 리플이 0.6 dB 미만이면서 2.6 GHz에서 동작하는 필터 장치의 특정 예에는, (100) 실리콘 기판 상으로 1 ㎛ 두께의 SiO2 층 상의 300 nm 두께의 (YXI)/52° LiNbO3 층을 포함하는 복합 기판 상의 30 nm 두께 탄탈룸(YXI) 전극이 주어진다. 이 예에서, 반사 계수는 20%에 이르고, 결합 계수는 약 18%에 이른다.
도 3a 내지 도 3d는, 6 ㎛의 LiTaO3 (YXI)/42o 압전층과 반무한 (100) 실리콘 기판 사이에 500 nm의 SiO2 층을 갖는 본 발명에 따른 복합 기판과 함께, 도 2b에 도시된 바와 같은 공동 필터 구조를 포함하는 표면 음향파 필터 장치의 특징을 도시한다. 이 구성은 50 MHz 내지 250 MHz 주파수 범위에서 동작하는 데 적합하다.
이러한 복합 기판에서, 순수 전단 참 모드(pure shear true mode)가 여기 및 전파될 수 있다.
이 SAW 필터 장치의 경우에는, 도 2b에 도시된 결합형 공동 필터 구조를 사용하였으며, 즉, 브래그 미러가 각각 인접해 있으며 트랜스듀서 구조들 사이에 5개의 음향 공동이 있는 4개의 반사 구조를 갖는 입력 및 출력 트랜스듀서 구조들을 사용하였다. 각각의 반사 구조와 브래그 미러 모두의 금속 스트립들은 단락 동작을 위해 서로 연결된다.
인터-디지테이티드 빗살형 트랜스듀서 구조는, 전극 피치가 9.95 ㎛로 설정된 전극 피치, 0.3으로 설정된 비 a/p, 및 15로 설정된 전극 핑거 쌍의 수를 갖는다. 또한, 30개의 전극을 사용하여 미러 격자 기간을 10 ㎛로 설정하고, a/p를 0.4로 설정한다. 미러 격자와 인터-디지테이티드 빗살형 트랜스듀서 구조 사이의 갭은, 한 파장의 대략 절반에 해당하는 9 ㎛로 설정된다. 14개의 전극으로 구성된 2개의 내부 반사 구조의 각각은, 약 1/4 파장에 해당하는 4.8 ㎛의 갭 g에 의해 분리된다. 이어서, 애퍼처는 3.1 mm이다.
도 3a는, 필터 전달 함수와 필터의 그룹 지연을 170 MHz 내지 250 MHz의 주파수(MHz) 함수로서 도시한다. 그룹 지연은 위상 선형성의 척도이다. 도 3b는, 중심 주파수 근처에 있는 도 3a의 줌(zoom)을 도시하므로 대역 통과에 중점을 두어 매우 낮은 전달 손실을 도시한다. 도 3c는, 필터의 폴(최소 |S11| 피크)의 시그너처를 주파수(MHz)의 함수로 또한 도시하는 반사 계수이다. 도 3d는, 필터의 양측 포트의 전기 임피던스 매칭을 평가하기 위해 당업자에 의해 현재 사용되는 소위 반사 계수의 스미스 애버커스 플롯(Smith abacus plot)이다. 반사 계수는, 50 Ω 조건, 즉, 매칭할 애버커스의 중심을 중심으로 두어야 한다.
도 3a의 전달 함수는, 필터 대역 통과가 210 MHz 내지 218 MHz인 장치의 성능을 나타낸다. 도 3b에서는, 필터 대역 통과가 대역내 리플이 적은 약 0.5 dB에서 평평한 프로파일을 나타냄을 알 수 있다.
도 4는 본 발명에 따라 도 2b에 도시된 바와 같은 결합형 공동 표면 음향파 필터 구조의 특징을 나열하는 표를 도시한다. 모든 결합형 공동 필터 구조에 대해, 사용된 복합 기판은, 도 3의 경우와 동일하였으며, 즉, 6 ㎛의 LiTaO3(YXI)/42° 압전층과 반무한 (100) 실리콘 기판 사이에 500 nm의 SiO2 층이 있는 복합 기판을 사용하였다.
결합형 공동 필터 구조는 도 2b에 해당하며, 즉, 각각 인접한 브래그 미러, 4개의 반사 구조로 인해 트랜스듀서 구조들 사이에 5개의 음향 공동이 있는 입력 및 출력 트랜스듀서 구조이다. 각각의 반사 구조와 브래그 미러 모두의 금속 스트립들은 단락 동작을 위해 서로 연결된다.
도 4에 설명된 모든 결합형 공동 필터 구조는, 순수 전단파 모드의 전파에 해당하며, 성능을 나타내는데, 즉, 0.5% 내지 10%로 가변되는 필터 대역 통과, 15 dB 내지 20 dB의 소거 손실이 있는 2 dB 미만의 낮은 삽입 손실, 5%를 초과하는 결합 인자, 및 20 ppm/K 미만의 주파수 온도 계수(TCF)를 나타낸다. 예를 들어, 현재 증착 기술과 호환되는 두께, 즉, h/λ가 5% 이하이고 h가 금속 스트립의 절대 두께인 Pt 또는 W 또는 Ta 또는 Mo 기반 전극을 갖는 얇은 LNO 층을 사용하여, 10%만큼 큰 대역 통과를 달성할 수 있다.
따라서, 결합형 공동 SAW 필터 장치의 필요한 성능에 대하여, 결합형 공통 필터 구조의 크기 제한을 초과하지 않게끔 결합 계수를 조정하고 반사 구조의 수와 크기를 조정하도록 재료를 선택할 수 있다.
본 발명에 따른 결합형 공동 SAW 필터 장치는, 0.5% 내지 10%의 좁은 필터 대역 통과, 15 dB 내지 20 dB의 소거 손실이 있는 2 dB 미만의 낮은 삽입 손실, 개선된 콤팩트성으로 인한 감소된 크기, 및 필터 대역 통과 내의 적은 리플을 취득하기 위해 복합 기판의 전단파를 사용한다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 제3 실시예에 따른 결합형 공동 표면 음향파 필터 구조를 도시한다.
제3 실시예에서, 도 1a 및 도 1b에 도시된 제1 실시예와 같이, 결합형 공동 표면 음향파 필터 구조(800)는 도 1a 및 도 1b의 기판(102)과 동일한 복합 기판(102) 상에 구현된다.
도 1a 및 도 1b와 동일한 참조 번호는 동일한 기능을 나타내는 데 사용되며, 자세한 내용은 다시 설명하지 않는다.
본 실시예에서, 베이스 기판(106)에 대한 압전 재료층(104)의 부착을 개선하도록 압전 재료층(104)과 베이스 기판(106) 사이의 계면(110)에 제공된 얇은 SiO2 층(108)의 두께는 500 nm이다.
결합형 공동 필터 구조(800)는, 2개의 트랜스듀서 구조(812, 814), 및 도 5a에 도시된 바와 같이 전파 방향 X에 있어서 트랜스듀서 구조(812, 814)의 소정의 거리 L에서 2개의 트랜스듀서 구조(812, 814) 사이에 위치하는 하나의 반사 구조(816)를 포함한다.
각각의 트랜스듀서 구조(812, 814)는, 복수의 전극 수단(828, 830)을 각각 포함하는 2개의 전극(824, 826)(도시하지 않음)을 포함한다. 빗살형 전극들은 대체 방식으로 +V/-V 전위에 연결되는데, 전극(824)은 +V에, 전극(826)은 -V에, 또는 그 반대로 연결된다. 변형예에서, 전극들(824, 826)은 빗살형 전극, 구체적으로, 인터-디지테이티드 빗살형 전극들일 수 있다.
트랜스듀서 구조들(812, 814)은, 대향하는 빗살형 전극들(824 및 826)으로부터의 이웃하는 2개의 전극 핑거(828, 830) 사이의 에지-대-에지 전극 핑거 거리에 대응하는 전극 피치 p(도시하지 않음)에 의해 정의된다.
본 실시예에서, 트랜스듀서 구조들(812, 814)의 전극 피치 p는 파장의 수 nλ에 의해 정의되고, 여기서, λ는 상기 트랜스듀서 구조들(812, 814)의 동작 음향 파장이다.
트랜스듀서 구조의 금속 비 a/p는 전극의 피치 p에 대한 전극의 폭 a의 비로서 정의된다.
본 발명의 본 실시예에서, 반사 구조(816)는, 홈(822)에 의해 실현되고, 홈(822)의 2개의 에지 측벽(822a 및 822b) 사이의 거리에 대응하는 치수(L1) 및 이러한 홈의 총 깊이 D에 의해 정의된다. 홈(822)의 총 깊이 D는, 트랜스듀서 구조들(812, 814)이 홈(822)의 하부면(822c)에 위치하는 압전층(104)의 표면 사이에서 정의된다. 홈(822)의 깊이 D는 대략 λ 이상이고, 특히 대략 10λ 이상이고, 여기서, λ는 표면 음향파의 파장이다.
게다가, 홈(822)은, 또한, 수평축(X) 및 홈(822c)의 하부면에 대한 홈의 에지 벽(822a, 822b)의 위치를 정의하는 에칭 여유각 θ(340)에 의해 정의된다. 여유각 θ(840)는, 약 70° 이상일 수 있으며, 특히, 대략 90°일 수 있다. 도 5a는 90°의 여유각 θ(340)에 대응하는 수직 에지 벽을 갖는 홈(822)을 도시한다.
반사 구조(816)와 트랜스듀서 구조(812, 814) 사이에 위치한 영역, 예를 들어, 거리 L2에 의해 정의된 폭을 갖는 영역(818)이 음향 공동(820)에 대응한다. 거리 L2는, 홈(822)의 하나의 에지 벽(822a, 822b)과 트랜스듀서들(812, 814)이 위치하는 압전층의 표면에 위치한 지점 A, B 사이의 거리로서 정의된다. 지점 A, B는, 도 5a에 도시된 바와 같이 홈(822)이 위치하는 측에서의 트랜스듀서 구조들(812, 814)의 피치의 단부에 위치한다. 전극들이 피치 내에서 중심에 있으므로, 트랜스듀서 구조들(812, 814)의 피치의 단부는 트랜스듀서 구조들(812, 814)의 제1 전극(830)의 단부에 대응하지 않는다. 예를 들어, 비 a/p가 50%인 경우, 피치의 단부는, 트랜스듀서 구조들(812, 814)의 제1 전극(830)의 1/8과 동일한 거리에 위치한다. 도 5b는, 음향 공동(820)의 영역(818)을 더욱 명확하게 나타내기 위해 2개의 전극(828 및 830)만을 포함하는 트랜스듀서 구조들(812, 814)을 갖는 도 5a에 대응한다.
결합형 공동 표면 음향파 필터 구조(800)에서, 2개의 음향 공동(820)은, 도 5a 및 도 5b에 도시된 결합형 공동 필터 구조에서 음향파의 전파 방향으로 존재한다.
본 발명의 본 실시예에서, 반사 구조(816)는, 예를 들어, 에칭에 의해, 제1 및 제2 실시예에서와 같이 금속 스트립을 증착하는 대신 홈(822)을 제공함으로써 실현된다.
홈(822)은, 복합 기판(102)의 압전층(104)에서 그리고 SiO2 층에서 베이스 기판(106) 아래로 총 깊이 D까지 제공된다. D1은 베이스 기판(106)에서만 실현되는 깊이 D의 일부에 해당한다.
변형예에서, 홈(822)은, 압전층(104)을 통해서만 그리고 SiO2 층(108)을 통해 SiO2 층(108)과 베이스 기판(106) 사이의 계면(810)인 베이스 기판(106)의 표면까지 에칭될 수 있다. 따라서, D1은 0과 같다.
제4 실시예에서, 제3 실시예에 기초하여, 결합형 공동 필터 구조(900)는 2개의 브래그 미러(832, 834)를 더 포함한다. 본 실시예는 도 6에 도시되어 있으며, 여기서, 각각의 브래그 미러(832, 834)는, 음향파의 전파 방향 X에 있어서 반사 구조(816)가 위치하는 타측에서 트랜스듀서 구조(812, 814) 옆에 위치한다.
각각의 브래그 미러(832, 834)는 각각의 트랜스듀서 구조(812, 814)의 거리 s에 위치한다. 각각의 브래그 미러(832, 834)는, 하나 이상의 금속 스트립(836)을 포함하고, 브래그 미러(832, 834) 내의 금속 스트립들(836) 사이의 거리에 대응하는 금속 스트립(836)의 피치에 의해 정의된다. 트랜스듀서의 경우와 마찬가지로, 브래그 미러(832, 834)의 피치는 피치 내에서 금속 스트립들(840)을 중앙에 가짐으로써 정의된다.
이 변형예에서, 브래그 미러(832, 834)의 피치는, 또한, 파장 λ의 배수 n과 동일하므로, nλ이다.
이 경우, 브래그 미러(832, 834)가 위치하는 측에서는 파가 위상 변화와 함께 반사되는 한편, 홈 측에서는 반사 유형이 홈의 폭과 깊이에 따라 달라진다.
제5 실시예에서, 제3 실시예에 기초하여, 결합형 공동 필터 구조(1000)는 2개의 추가 홈(932, 934)을 포함하고, 각각의 추가 홈(932, 934)은, 음향파의 전파 방향에 있어서 반사 구조(816)가 위치하는 타측에서 트랜스듀서 구조(812, 814) 옆에 위치한다. 본 실시예는 도 7에 도시되어 있다.
각각의 추가 홈(932, 834)은 각각의 트랜스듀서 구조(812, 814)의 거리 s에 위치한다. 각각의 추가 홈(932, 934)은 해당 홈의 폭 L3 및 총 깊이 D3에 의해 정의된다. 추가 홈(932, 934)의 총 깊이 D3는, 트랜스듀서(812, 814)가 추가 홈(932, 934)의 하부면(932c, 934c)에 위치하는 압전층(104)의 표면 사이에서 정의된다. 깊이 D2는, 홈(822)의 하부면(822c)으로부터 홈(932, 934)의 하부면(932c, 934c)까지의 추가 홈(932, 934)의 깊이로서 정의된다. 따라서, 총 깊이 D3는 D + D2로서 정의되고, 여기서, D는 반사 구조(816)의 홈(822)의 총 깊이이다. 적어도 하나의 추가 홈(932, 934)의 깊이 D3는 대략 λ 이상이다.
본 발명의 본 실시예에서, 반사 구조(816) 및 추가 홈(932, 934)은, 예를 들어, 에칭에 의해, 제1 및 제2 실시예에서와 같이 금속 스트립을 증착하는 대신 홈을 제공함으로써 실현된다.
각각의 추가 홈(932, 934)은 전파 방향을 따라 전파되는 파의 전반사를 갖도록 구성된다.
변형예에서, 결합형 공동 필터 구조는, 출력 트랜스듀서 측에 홈이 있고 입력 트랜스듀서의 일측에 음향파의 전파 방향 X에 있어서 반사 구조(816)가 위치하는 타측에서 트랜스듀서 구조(812, 814) 옆에 각각 위치하는 브래그 미러와 홈을 포함할 수 있다.
제3 실시예 내지 제5 실시예 중 하나에 따른 결합형 공동 필터 장치는, 제1 실시예에 따른 결합형 공동 필터 장치와 같이 동작하지만, 장치가 제1 실시예와 유사한 기능을 보여주기 위한 조건이 충족되도록, 구조적 특징, 즉, 트랜스듀서 및 미러의 피치, 공동의 치수는 조정된다.
이는, 에지 상에서 반사되는 경우, 반사 위치의 정의가 기하학적으로 정의되기 때문이다. 따라서, 트랜스듀서 내의 위상의 기원이 무엇이든, 위상 구성은 정수 파장의 경우에만 발생한다. 브래그 미러 등가 반사 중심은, 주로 반사 강도에 의존하는 위상 변화를 나타내므로, 정의하기가 더욱 어렵다. 브래그 미러의 반사 기능은, 미러의 한 에지에서 정의된 반사파 대 입사파의 비로서 정의된다. 격자의 단일 전극 상의 반사 계수의 크기가 격자의 반사 동작에 대응하는 스펙트럼 대역의 폭을 조절한다는 것은 당업계에 공지되어 있다. 그러나, 미러 정지 대역의 시작과 끝 사이에서의 반사 함수의 위상 변화가 항상 pi-2×pi 범위에 있으므로, 반사 계수의 크기도 반사 계수 대 주파수의 위상 변화에 영향을 미치는 것으로 보인다.
따라서, 제1 실시예 및 제2 실시예의 금속 스트립을 포함하는 반사 구조를 제3 실시예, 제4 실시예, 제5 실시예, 및 제6 실시예에서와 같이 홈을 포함하는 반사 구조로 대체함으로써, 결합형 공동 필터 장치가 기능하기 위한 λ의 배수를 갖는 조건을 초래한다.
제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 결합형 공동 필터 장치의 모든 변형예는, 또한, 제3 실시예 내지 제6 실시예에 따른 결합형 공동 필터 장치에 적용될 수 있다.
도 8a 내지 도 8h는 본 발명의 제6 실시예 및 이의 변형예에 따른 결합형 공동 표면 음향파 필터 구조를 도시한다.
도 8a 및 도 8b에 도시된 기판은 도 5a, 도 5b, 도 6, 및 도 7의 기판(102)과 동일하다.
도 7과 동일한 참조 번호는 동일한 기능을 나타내는 데 사용되며, 자세한 내용은 다시 설명하지 않는다.
도 8a에서, 결합형 공동 필터 구조(1100)는, 결합형 공동 필터 구조(1000)와 같이, 각각 하나의 트랜스듀서 구조 옆에 위치하는 2개의 홈(932, 934)을 갖는 2개의 트랜스듀서 구조(812, 814)를 포함한다. 결합형 공동 필터(900)와의 차이점은, 복수의 반사 구조, 즉 2개의 반사 구조(1006 및 1016)가 트랜스듀서 구조들(812, 814) 사이에 존재한다는 점이다. 복수의 반사 구조의 각 반사 구조(1006, 1016)는, 홈(1022)에 대응하고, 홈(1022)의 폭 L1과 총 깊이 D에 의해 정의된다.
이들 반사 구조(1006, 1016)는 전파 방향 X에 있어서 갭 g에 의해 서로 분리된다. 2개의 인접한 반사 구조(1006, 1016) 사이에 위치하는 영역(1008)은, 해당 폭이 갭 g에 의해 정의되며, 음향 공동(1010)에 해당한다. 음향 공동(1010)은 중심 공동으로서 간주될 수 있는 한편, 공동(1020)은 측면 공동이라고 칭할 수 있다.
결합형 공동 필터 구조(800 및 900)의 경우와 같이, 반사 구조(1006, 1016)와 인접하는 트랜스듀서 구조(812, 814) 사이에 위치하는 영역(1018)은 음향 공동(1020)에 해당하며, 이러한 영역의 폭은, 반사 구조(1006, 1016)의 에지와 압전층(104) 표면 상에 위치하는 지점 A, B 사이의 거리 L2에 의해 정의된다.
영역(1008)은 실제로 베이스 기판(106)의 상부에 압전층(104) 및 SiO2 층(108)을 포함한다.
따라서, 결합형 공동 표면 음향파 필터 구조(1100)에서는, 3개의 공동이, 음향파의 전파 방향으로 존재하고, 반사 구조에 의해 분리되거나, 그렇지 않으면, 공동이 트랜스듀서 사이에 있는 2개의 반사 구조에 의해 둘러싸인다.
제6 실시예의 다른 변형예에서, 결합형 공동 표면 음향파 필터 구조(1200)는, 도 8b에 도시된 바와 같이, 압전층(104)이 없고 SiO2 층(108)이 없는 홈들(1006 및 1016) 사이에 영역(1008)을 갖는다. 영역(1008)에는, 베이스 기판(106)만이 존재한다. 추가 변형예에 따르면, 베이스 기판의 표면은, 또한, 영역(1008)에서의 베이스 기판의 두께가 영역(1018)에서보다 작도록 에칭될 수 있다.
하위 공동을 갖는 추가 변형예를 예시하는 도 8c 내지 도 8h 모두에 대해, 결합형 공동 필터 구조(1300 내지 1800)는 위에서 본 2D 평면도로 도시되어 있다.
도 6c에 도시된 바와 같은 결합형 공동 필터 구조(1300)에서, 복수의 반사 구조 중의 2개의 반사 구조(1206, 1216)는 갭 w에 의해 서로 분리되지만 전파 방향 Z에 있다. 도 8a의 영역(1008)과 같은 영역(1208)은 에칭되거나 에칭되지 않을 수 있다. 이 경우, 음향 공동(1020)은 2개의 하위 공동(1020a, 1020b)로 분할된다.
결합형 공동 필터 구조(1400)에서, 공동 필터 장치(1100)에서와 같이, 복수의 반사 구조(1316)는 전파 방향 X에 있어서 갭 g에 의해 서로 분리되고, 공동 필터 장치(1200)에서와 같이, 복수의 반사 구조(1316)는, 또한, 갭 w에 의해 그러나 전파 방향 Z에 있어서 서로 분리된다. 도 8a의 영역(1008) 및 도 8c의 영역(1210)과 같은 복수의 반사 구조 사이의 영역(1308)은 에칭되거나 에칭되지 않을 수 있다.
이 변형예에서, 음향 공동(1310, 1320)은, 본 발명의 제2 실시예에 따른 장치(600)와 같이 복수의 서브 공동 (1310a, 1310b, 1320a, 1320b)으로 분할된다.
도 8e에 도시된 바와 같은 결합형 공동 필터 구조(1500)에서, 복수의 반사 구조(1506, 1516)는, 2개의 트랜스듀서 구조(812) 사이의 전체 거리를 따라 Z 방향으로 폭 w1을 갖고 반사 구조(1506, 1516)가 없는 중심 영역(1510)에 의해 대칭적으로 분리된다. 또한, 이전 변형예에서와 같이 Z 방향으로 길게 연장되는 에칭된 홈 대신, 홈(1522)은 이제 정사각형 형태이다. 명확하게 하기 위해, 하나의 반사 구조(1506, 1516) 및 하나의 홈(1522)만이 도 8e에 도시되어 있다.
도 8f에 도시된 결합형 공동 필터 구조(1600)에서, 트랜스듀서 구조들(812, 814) 사이에 반사 구조(1506, 1516)가 없는 영역(1610)의 치수는 도 8e의 영역(1510)과 상이하다. 영역(1610)은 실제로 더 얇고, 3개의 반사 구조가 Z 방향으로 연속적으로 제거된다. 영역(1610)은 복수의 반사 구조의 대칭이 끊어지도록 동화될 수 있다. 명확하게 하기 위해, 하나의 반사 구조(1506, 1516) 및 하나의 홈(1522)만이 도 8f에 도시되어 있다.
다른 변형예에서, 도 8g에 도시된 장치(1700)는, 복수의 반사 구조(1506, 1516)와 이에 따른 복수의 홈(1522)을 포함하는, 2개의 추가 홈(1532, 1534)을 갖는 도 8e의 장치(1500)에 대응한다.
본 발명의 변형예에서, 결합형 공동 필터 구조(1800)는 3개 이상의 트랜스듀서 구조를 포함할 수 있다. 도 8h에는, 3개의 트랜스듀서 구조(1210, 1212, 1214)가 결합형 공동 필터 구조(1200)에 존재하는 변형예가 도시되어 있다.
트랜스듀서 구조들(1210, 1214) 중 2개는 도 2c의 구조에서와 같이 반사 구조(1706, 1716)의 외부에 위치하는 반면, 제3 트랜스듀서 구조(1212)는 반사 구조(1706, 1716)의 중간에 위치하여, 제3 트랜스듀서 구조(1212)의 각 측면에는, 하나의 반사 구조(1706, 1716), 이에 따라 홈(1722)이 존재한다. 트랜스듀서 구조(1212)는, 또한, 2개의 인접한 반사 구조(1706, 1716)로부터 거리 L만큼 분리되며, 이러한 거리는 트랜스듀서 구조(1210, 1214)와 각각의 인접하는 반사 구조 사이의 동일한 거리에 해당하며, 여기서는 트랜스듀서 구조(1210)에 대해서는 1706이고 트랜스듀서 구조(1214)에 대해서는 1716이다. 이러한 공동 필터 구조(1800)는, 대칭적이며, 2개의 트랜스듀서 구조(812, 814)만을 갖는 도 8c에 도시된 바와 같은 공동 필터 구조(1300)에 비해 공동(1720) 내에 에너지를 더욱 강하게 구속한다. 또한, 여기서, 반사 구조들(1706, 1716)은, 또한, 도 8c에 도시된 장치(1300)에서와 같이 거리 w1만큼 서로 분리된다.
본 발명의 변형예에서, 제3 트랜스듀서(1210)는, 결합형 공동 필터 구조가 대칭적이지 않도록 결합형 공동 필터 구조의 중간에 위치하지 않는다.
도 9는 시뮬레이션에 사용되는 본 발명의 제3 실시예에 따른 장치를 도시한다.
이 시뮬레이션을 위해, 사용된 장치는 도 7에 도시된 바와 같은 장치(1000)에 대응하지만, 여기서 트랜스듀서 구조들(812 및 814)은 각각 2개의 전극 핑거(828, 830)만을 포함한다.
또한, 구조에 대해 다음에 따르는 파라미터들이 사용되었다. 500 nm의 LiTaO3(YXI)/42° 압전층과 반무한(100) 실리콘 기판 사이에 200 nm의 SiO2 층이 있는 복합 기판이 시뮬레이션에 사용되었다. 트랜스듀서의 전극 피치 p는 800 nm와 같으며, 2.5 GHz 근처의 주파수 동작에 대해 1.6 ㎛와 같은 파장을 생성한다. 금속화 비 a/p는 0.5와 동일하며, 이는 400 nm와 동일한 전극 폭 a를 의미한다. 전극 핑거는, 두께가 100 nm로 설정된 Al-Cu이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 제3 실시예의 예에 따라 도 9에 도시된 바와 같은 결합형 공동 표면 음향파 필터 구조의 시뮬레이션된 특징을 도시한다.
이러한 실제 예에서, 시뮬레이션은, 2 ㎛와 같은 피치 p, 피치 p와 같은 깊이 D1, 6×p와 같은 깊이 D2, 6.4 ㎛와 같은 홈의 폭 L1, 및 2×p와 같은 폭 L2를 갖는 메시 구조(도시하지 않음)로 수행되었다. (100) Si 베이스 기판 상에 두께가 600 nm인 LiTaO3, 및 500 nm 두께의 SiO2가 있는 복합 기판이 사용되었다.
도 10a는, 61800 GHz 및 62000 GHz 부근의 2개의 피크를 도시하며, 약 61750 GHz의 피크는 62000 GHz 부근의 다른 피크에 비해 강한 어드미턴스를 나타낸다. 도 10a는, 실수 부분이 좌측 Y 축에 있고 허수 부분이 우측 축에 있는 어드미턴스의 그래프를 X 축 상의 GHz의 주파수 함수로서 도시한다.
도 10b는, 실수 부분이 좌측 Y 축에 있고 허수 부분이 우측 축에 있는 트랜스 어드미턴스(trans-admittance)의 그래프를 X 축 상의 GHz의 주파수 함수로서 도시한다. 도 10b는, 61800 GHz 및 62000 GHz 부근에서 동일한 2개의 피크를 도시하고 있지만, 이번에는 더욱 균형잡힌 기여로, 2개의 피크의 진폭이 등가이다.
그래프는, 실제 진폭 레벨에 관계없이 필터 대역 통과의 효과적인 정의를 가능하게 하는 2개의 균형 기여와 함께 2개의 결합 모드를 도시한다.
도 11a 내지 도 11d는, 본 발명에 따른 반사 구조의 다양한 치수에 대한 필터 기본 구조의 어드미턴스 계산을 도시한다.
시뮬레이션을 위해 LiTaO3(YXI)/42° 압전층 600 nm와 반무한 (100) 실리콘 기판 사이에 500 nm의 SiO2 층이 있는 복합 기판이 사용되었다.
도 11a 내지 도 11b는, 홈의 다양한 깊이 D1에 대하여 실수 부분이 좌측 Y 축에 있고 허수 부분이 우측 축에 있는 어드미턴스의 그래프를 X 축 상의 GHz의 주파수 함수로서 도시한다. 도시된 주파수 범위는 61000 GHz 내지 63000 GHz이다. 모든 그래프는 도 10b에서와 같이 61800 GHz 및 62500 GHz 부근에서 동일한 2개의 피크를 도시하며, 이는 제1 피크가 약 61800 GHz이고 제2 피크가 약 63000 GHz보다 높은 어드미턴스 값을 갖는 이중 피크 형성으로서 간주될 수 있다. 도 10d에서, 이중 피크는 실제로 도 11a, 도 11b, 또는 도 10c보다 얇은 대역폭을 갖는다.
도 11a 내지 도 11c에서, D1은 1 ㎛ 내지 0.2 ㎛로 가변되는 한편, 도 11d에서, D1은 1 ㎛ 내지 2 ㎛로 가변된다.
도 11a 내지 도 11d에서는, 피크의 동일한 거동을 볼 수 있다. D1이 1 ㎛에서 0.2 ㎛로 감소됨에 따라, 이중 피크 형성은 더 높은 주파수로 이동하는 반면, 제1 피크는 어드미턴스가 감소하고 제2 피크는 어드미턴스가 증가한다. 도 11b, 도 11c, 및 도 11d에서, 제2 피크는 어드미턴스가 증가하여 실제로 제1 피크보다 높은 값에 도달하는 반면, 도 11a에서, 양측 피크는 D1에 있어서 0.2 ㎛와 동일하다.
도 12a 및 도 12b는 도 12a의 최신 기술에 따른 및 도 12b의 본 발명에 따른 SAW 사다리 필터 장치의 일례를 도시한다.
도 12a에서, 4개의 트랜스듀서 구조(1612, 1614, 1616 및 1618)는 각각 2개의 반사 구조(1632 및 1634) 사이에 끼워진다. 트랜스듀서(1612, 1614, 1616, 1618)의 인터-디지테이티드 빗살형 전극들은 금속 라인들(1640)에 의해 서로 연결된다. 알 수 있는 바와 같이, 이러한 설계는, 트랜스듀서와 트랜스듀서의 금속 연결에 많은 공간이 필요하므로, 부피가 크다. 트랜스듀서들은, 트랜스듀서들 간의 연결이 가능하도록 서로 시프트되어야 하므로, 수직 또는 수평의 단일 라인 상에 정렬될 수 없다.
도 12b는, 본 발명에 따른 2개의 공동 결합형 필터 장치(1000)가 단일 라인 상에서 서로 옆에 위치하는 SAW 사다리 필터 장치(2000)를 도시한다. 각각의 공동 결합형 필터 장치(1000)는, 해당 반사 구조(932, 934 및 816)를 각각 갖는 2개의 트랜스듀서 구조(812, 814)를 각각 포함한다. 반사 구조(816)는, 2개의 트랜스듀서 구조 사이에, 예를 들어, 참조번호 812와 참조번호 814 사이에 있는 참조번호 816에 위치하며, 반사 구조들(932, 934)은, 반사 구조(816)가 위치하는 측의 반대측에서 트랜스듀서 구조의 일측 상에 각각 위치한다. 도 12b에서, 반사 구조들(816, 934 및 932)은 도 8에서와 같이 홈으로서 표시된다. 도 12a에서와 같이, 트랜스듀서들의 전극들은 금속 라인들(1740)에 의해 서로 연결된다.
SAW 사다리 필터 장치(2000)는 도 12b에서 2개의 공동 결합형 필터 장치(1000)를 갖는 것으로 도시되어 있지만, 본 발명에 따른 공동 결합형 필터 장치(1000)의 임의의 변형예가 SAW 사다리 필터 장치에 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 SAW 사다리 필터 장치(2000)는, 더 콤팩트하며, 도 12a에 도시된 SAW 사다리 필터 장치만큼 많은 공간을 필요로 하지 않는다.
본 발명의 다수의 실시예를 설명하였다. 그럼에도 불구하고, 다음에 따르는 청구범위를 벗어나지 않고 다양한 수정 및 개선이 이루어질 수 있음을 이해할 수 있다.

Claims (20)

  1. 표면 음향파를 이용하는 결합형 공동 필터 구조(Coupled cavity filter structure)로서,
    음향파 전파 기판(102);
    상기 기판(102) 위에 제공되며, 인터-디지테이티드 빗살형 전극들(inter-digitated comb electrode; 124, 126)을 각각 포함하는, 적어도 하나의 입력 트랜스듀서 구조(112) 및 하나의 출력 트랜스듀서 구조(114); 및
    하나의 반사 구조(116);를 포함하고,
    상기 하나의 반사 구조(116)는, 음향파의 전파 방향에 있어서 상기 입력 및 출력 트랜스듀서 구조들(112, 114) 사이에서 거리 d에 위치하는 적어도 하나 이상의 금속 스트립(122)을 포함하고,
    상기 음향파 전파 기판(102)은
    베이스 기판(106); 압전층(104); 및 상기 베이스 기판(106)과 상기 압전층(104) 사이에 끼워진 유전체층(108);을 포함하는 복합 기판이고,
    상기 하나의 반사 구조(116)는 상기 복합 기판과 상기 트랜스듀서 구조(112, 114)의 인터-디지테이티드 빗살형 전극들(124, 126)에 관한 결합 계수 ks 2 보다 큰 단일 금속 스트립에 관한 반사 계수를 가지고,
    상기 결합형 공동 필터 구조는 상기 표면 음향파가 상기 압전층(104) 내에서 전단파 또는 종파이도록 구성된 것을 특징으로 하는 결합형 공동 필터 구조.
  2. 제1항에 있어서, 상기 표면 음향파가 상기 압전층(104) 내에서 유도형 전단파 또는 유도형 종파이도록 구성된, 결합형 공동 필터 구조.
  3. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 입력 트랜스듀서 구조(112)와 하나의 출력 트랜스듀서 구조(114)의 인터-디지테이티드 빗살형 전극들(124, 126)은 p=λ/2로 주어진 브래그 조건에 의해 정의되며, 여기서, λ는 상기 트랜스듀서 구조들(112, 114)의 동작 음향 파장이고, p는 상기 트랜스듀서 구조들(112, 114)의 전극 피치인, 결합형 공동 필터 구조.
  4. 제1항에 있어서, 상기 음향파의 전파 방향에 있어서 상기 입력 및/또는 출력 트랜스듀서 구조(112, 114)로부터 상기 하나의 반사 구조(116)가 위치하는 측의 반대측에 떨어져 위치하는 적어도 하나의 브래그 미러(132, 134)를 더 포함하는, 결합형 공동 필터 구조.
  5. 제1항에 있어서, 음향파의 전파 방향에 있어서 갭 g만큼 서로 분리되며 상기 입력 및 출력 트랜스듀서 구조들(112, 114) 사이에서 거리 d에 위치하는 복수의 반사 구조(202, 204, 206, 208)를 포함하고,
    상기 반사 구조들(202, 204, 206, 208) 사이의 각 갭 g 및 트랜스듀서 구조(112, 114)와 이웃하는 반사 구조 사이의 각 갭 d는 음향 공동(212, 214)을 형성하는, 결합형 공동 필터 구조.
  6. 제5항에 있어서, 각 음향 공동(212, 214)의 치수는 λ/4 미만이고, 여기서 λ는 상기 표면 음향파의 파장인, 결합형 공동 필터 구조.
  7. 제5항에 있어서, 상기 복수의 반사 구조의 이웃하는 반사 구조들(202, 204, 206, 208) 사이의 거리 g 또는 반사 구조(202, 208)와 이웃하는 트랜스듀서 구조(112, 114) 사이의 거리 d는 동일하거나 상이한, 결합형 공동 필터 구조.
  8. 제5항에 있어서, 상기 반사 구조(116) 또는 상기 반사 구조들(202, 204, 206, 208)은, 상기 트랜스듀서 구조(112, 114)의 인터-디지테이티드 빗살형 전극들(124, 126)과 상기 복합 기판(102)에 관한 결합 계수 ks 2보다 큰 단일 금속 스트립에 관한 반사 계수를 갖는, 결합형 공동 필터 구조.
  9. 제5항에 있어서, 상기 반사 구조(116) 또는 상기 반사 구조들(202, 204, 206, 208)은 적어도 하나 이상의 금속 스트립(122, 210)을 포함하고, 상기 금속 스트립들의 피치는 상기 트랜스듀서 구조(112, 114)의 전극 피치 p와 동일하거나 상이한, 결합형 공동 필터 구조.
  10. 제1항 및 제3항 내지 제9항 중의 어느 한 항에 따른 적어도 2개의 결합형 공동 필터 구조를 포함하는 SAW 사다리 필터 장치로서, 상기 적어도 2개의 결합형 공동 필터 구조는 단일 라인 상에 위치하는, SAW 사다리 필터 장치.
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