ロウパスフィルタ、ハイパスフィルタ、バンドパスフィルタ、バンドリジェクトフィルタ、フィルタおよび無線通信装置
【課題】集積回路上で大きな面積を必要とせず、優れた周波数特性を有する各種フィルタ、及び無線通信装置の提供。
【解決手段】入力端子からの入力信号を、予め定めたカットオフ周波数以上の信号成分の減衰量が所定量以上となる様に通過させて出力端子から出力するロウパスフィルタは、前記入力端子と前記出力端子間に接続された半導体素子と、前記出力端子と接地端子間に接続された容量と、を備え、前記半導体素子は、半導体基板と、前記半導体基板に、前記カットオフ周波数に応じた長さの長辺と、前記長辺より短い短辺と、を有する形状で形成される音響波伝播層と、少なくとも前記音響波伝播層の長辺方向の両端に形成される音響波反射層と、前記音響波伝播層上に形成され、前記入力端子と電気的に接続される第１のコンタクトと、前記音響波伝播層上に前記第１のコンタクトとは離れて形成され、前記出力端子と電気的に接続される第２のコンタクトと、を有する。
【解決手段】入力端子からの入力信号を、予め定めたカットオフ周波数以上の信号成分の減衰量が所定量以上となる様に通過させて出力端子から出力するロウパスフィルタは、前記入力端子と前記出力端子間に接続された半導体素子と、前記出力端子と接地端子間に接続された容量と、を備え、前記半導体素子は、半導体基板と、前記半導体基板に、前記カットオフ周波数に応じた長さの長辺と、前記長辺より短い短辺と、を有する形状で形成される音響波伝播層と、少なくとも前記音響波伝播層の長辺方向の両端に形成される音響波反射層と、前記音響波伝播層上に形成され、前記入力端子と電気的に接続される第１のコンタクトと、前記音響波伝播層上に前記第１のコンタクトとは離れて形成され、前記出力端子と電気的に接続される第２のコンタクトと、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、ロウパスフィルタ、ハイパスフィルタ、バンドパスフィルタ、バンドリジェクトフィルタ、フィルタおよび無線通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線通信装置等のアナログ信号処理においては、種々のフィルタが用いられる。例えば、ロウパスフィルタは抵抗と容量とを直列接続して構成される。しかしながら、抵抗および容量のみで構成されたロウパスフィルタは周波数特性がよくない、という問題がある。また、周波数特性を改善するために集積回路上にスパイラルインダクタを形成すると非常に大きな面積を占有する、という問題がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】G. Weinreich, Physical Review, 104 (1956), pp. 321 - 324
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
集積回路上で大きな面積を必要とせず、優れた周波数特性を有するロウパスフィルタ、ハイパスフィルタ、バンドパスフィルタ、バンドリジェクトフィルタ、フィルタ、および、無線通信装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態によれば、入力端子に入力される信号を、予め定めたカットオフ周波数以上の信号成分の減衰量が所定量以上となるように通過させて出力端子から出力するロウパスフィルタは、 前記入力端子と前記出力端子との間に接続された半導体素子と、前記出力端子と接地端子との間に接続された容量と、を備える。前記半導体素子は、半導体基板と、前記半導体基板に、前記カットオフ周波数に応じた長さの長辺と、前記長辺より短い短辺と、を有する形状で形成される音響波伝播層と、少なくとも前記音響波伝播層の長辺方向の両端に形成される音響波反射層と、前記音響波伝播層上に形成され、前記入力端子と電気的に接続される第１のコンタクトと、前記音響波伝播層上に前記第１のコンタクトとは離れて形成され、前記出力端子と電気的に接続される第２のコンタクトと、を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】半導体素子１００の上面図。
【図２】半導体素子１００の斜視図。
【図３】半導体素子１００の断面図。
【図４】半導体素子１００の変形例の斜視図。
【図５】半導体素子１００の等価回路。
【図６】第１の実施形態に係るＬＰＦ１０の回路図。
【図７】ＬＰＦ１５の回路図。
【図８】ＬＰＦ１０，１５の周波数特性のシミュレーション結果を示すグラフ。
【図９】第２の実施形態に係るＨＰＦ２０の回路図。
【図１０】ＨＰＦ２５の回路図。
【図１１】ＨＰＦ２０，２５の周波数特性のシミュレーション結果を示すグラフ。
【図１２】第３の実施形態に係るＢＰＦ３０の回路図。
【図１３】ＢＰＦ３０の周波数特性のシミュレーション結果を示すグラフ。
【図１４】第４の実施形態に係るＢＲＦ４０の回路図。
【図１５】ＢＲＦ４０の周波数特性のシミュレーション結果を示すグラフ。
【図１６】無線通信装置２００の構成を示す概略ブロック図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。まず、各実施形態のフィルタで使用される半導体素子１００について説明する。
【０００８】
図１〜図３はそれぞれ、半導体素子１００の上面図、斜視図および断面図である。半導体素子１００は、シリコン基板（半導体基板）１と、ｎウェル２と、ｐ型拡散層（音響波伝播層）３と、ＳｉＯ２膜（音響波反射層）４と、コンタクト５ａ，５ｂと、配線６ａ，６ｂとを有する。
【０００９】
シリコン基板１の表面には、例えば不純物としてリンあるいはヒ素がドーピングされたｎウェル２が形成される。ｎウェル２の内側に、例えば不純物としてホウ素がドーピングされたｐ型拡散層３が形成される。ｐ型拡散層３を上面から見た形状は、短辺および長辺を有する略長方形である。短辺および長辺の長さはそれぞれ、例えば、３μｍおよび４０μｍであり、集積回路上に形成されるスパイラルインダクタに比べて非常に小さい。
【００１０】
後述するように、本実施形態の特徴の１つは、長辺の長さに応じて、フィルタの周波数特性を調整できる点にある。
【００１１】
ｎウェル２の内側で、ｐ型拡散層３を囲うように溝７がシリコン基板１に形成され、その中にＳｉＯ２膜４が埋め込まれている。ＳｉＯ２膜４は、いわゆるＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）と呼ばれる構造であり、ｐ型拡散層３をシリコン基板１上に形成される他の素子と電気的に分離する。コンタクト５ａ，５ｂは、ｐ型拡散層３上に形成され、ｐ型拡散層３と配線６ａ，６ｂとをそれぞれ電気的に接続する。コンタクト５ａ，５ｂは、互いに接触していなければｐ型拡散層３上のどこに形成してもよい。配線６ａ，６ｂは他の素子（不図示）と接続される。
【００１２】
図１〜図３の半導体素子１００は簡易な構造であるため、通常のＣＭＯＳプロセスにより形成できる。
【００１３】
一般に、キャリアを有する半導体中では、電荷密度が変化すると体積が変化し、体積が変化すると電荷密度が変化すること、すなわち、電気と機械振動との相互作用が知られている。より具体的には、ρを電荷密度、Φを体積変化に比例する変数、ｃを半導体中の音速とすると、下記（１）式の方程式が成立する。
【数１】
【００１４】
上記（１）式の左辺は音響波の伝搬を表す方程式であり、電荷密度ρの変化があると（右辺）、音速ｃの音響波が伝播する（左辺）ことを示している。
【００１５】
このことを図１〜図３の半導体素子１００に当てはめる。半導体素子１００では、ｐ型拡散層３にキャリアとしてホールが存在する。コンタクト５ａ，５ｂの一方または両方から電気入力が与えられるとｐ型拡散層３の電荷密度が変化し、その結果、ｐ型拡散層３が音響波伝播層となって音響波が伝播する。一方、ＳｉＯ２膜４は音響波反射層として機能する。すなわち、音響波はｐ型拡散層３とＳｉＯ２膜４との界面で反射し、ｐ型拡散層３に音響定在波が生じる。この音響定在波の周波数はｐ型拡散層３の長辺の長さとｐ型拡散層３中の音速ｃとに応じて定まる。
【００１６】
したがって、半導体素子１００は特定の周波数のみで共振する共振器となる。ｐ型拡散層３の長辺の長さが短いほど定在波の波長は短くなるため、ｐ型拡散層３の長辺の長さに応じて、共振周波数を調整できる。一例として、長辺の長さが４０μｍの場合、共振周波数の実測値は９４ＭＨｚである。また、シリコン基板１、ｎウェル２あるいはｐ型拡散層３にバイアスを印加することにより共振周波数を調整することもできる。
【００１７】
なお、半導体素子１００の構造は図１〜図３に限定されるものではない。音響波をｐ型拡散層３内に効率よく閉じ込めるためには、図１〜図３に示すように音響波伝播層を取り囲むように音響波反射層が設けられるのが望ましいが、少なくとも、不純物拡散領域の長辺方向の両端に音響波反射層が形成されていればよい。例えば、図４に示すように、ＳｉＯ２膜４をｐ型拡散層３の長辺方向の両端にのみ形成し、短辺方向の側面にはｎウェル２が形成されていてもよい。音響波反射層の材料は、ｐ型拡散層３が形成されるシリコン基板１の材料の音響インピーダンスとの差が大きい方が望ましく、例えばＳｉＮ等でもよい。また、図１〜図４の半導体素子１００は、ｎウェル２およびｐ型拡散層３を形成しているが、導電型を逆にし、ｐウェル２’およびｎ型拡散層３’を形成してもよい。
【００１８】
図５（ａ）は、半導体素子１００の等価回路である。半導体素子１００は、コンタクト５ａ，５ｂ間に直列に形成される抵抗成分（第１の抵抗成分）Ｒｓ、インダクタンス成分Ｌｓおよび容量成分Ｃｓと、これらと並列に形成される抵抗成分（第２の抵抗成分）Ｒｐとを有する。
【００１９】
抵抗成分Ｒｐはコンタクト５ａ，５ｂ間にｐ型拡散層３を介して電流が流れることを示している。抵抗成分Ｒｓ、インダクタンス成分Ｌｓおよび容量成分Ｃｓは、半導体素子１００の共振特性からフィッティングすることができる。
【００２０】
通常、半導体集積回路上に形成されるスパイラルインダクタのインダクタンスは１０ｎＨ程度であるので、これよりはるかに大きなインダクタンスを実現できる。これは、半導体中の音速ｃは、電気信号に比べると、非常に遅いためである。
【００２１】
また、ｐ型拡散層３の長辺方向の長さをより長く、例えば１００μｍ以上とすると共振周波数が低くなり、インダクタンス成分Ｌｓは数μＨとなる。すなわち、ｐ型拡散層３の長辺方向の長さを長くすればインダクタンス成分を大きくすることができる。
【００２２】
このように、半導体素子１００は、大きなインダクタンス成分を有し、かつ、長辺方向の長さに応じて共振周波数を調整可能な共振器として使用できる。しかも、半導体素子１００はシンプルな構造であるため、オペアンプ等のアクティブ回路を使用したフィルタよりも低消費電力で動作するフィルタを構成できる。
【００２３】
なお、図１〜図４の半導体素子１００は、２つのコンタクト５ａ，５ｂを有する例を示しているが、１つのコンタクト５ａのみ有してもよい。この場合の等価回路は、図５（ｂ）に示すようになり、コンタクト５ａと接地端子との間には、抵抗成分Ｒｐに加え容量成分Ｃｐが形成される。
【００２４】
（第１の実施形態）
第１の実施形態は、半導体素子１００を用いてロウパスフィルタ（以下、ＬＰＦ）を構成するものである。
【００２５】
図６は、第１の実施形態に係るＬＰＦ１０の回路図である。ＬＰＦ１０は、入力端子Ｖｉｎと中間ノードＶｍとの間に接続された半導体素子１００ａと、中間ノードＶｍと出力端子Ｖｏｕｔとの間に接続された半導体素子１００ｂと、中間ノードＶｍと接地端子との間に接続された容量Ｃａと、出力端子Ｖｏｕｔと接地端子との間に接続された容量Ｃｂとを備えている。
【００２６】
より具体的には、半導体素子１００ａにおいて、図１〜図３のコンタクト５ａが入力端子Ｖｉｎに接続され、コンタクト５ｂが中間ノードＶｍに接続される。また、半導体素子１００ｂにおいて、コンタクト５ａが中間ノードＶｍに接続され、コンタクト５ｂが出力端子Ｖｏｕｔに接続される。
【００２７】
一点鎖線で囲まれた部分が２次のＬＰＦを構成し、ＬＰＦ１０はこれを２段縦続接続した４次のＬＰＦである。
【００２８】
比較例としてＬＰＦ１５の回路図を図７に示す。ＬＰＦ１５は、抵抗および容量からなる１次のＬＰＦを縦続接続した２次のＬＰＦである。図６のＬＰＦ１０は、図７の抵抗を半導体素子１００で置き換えることで性能改善を図るものである。
【００２９】
図８は、ＬＰＦ１０，１５の周波数特性のシミュレーション結果を示すグラフである。横軸は周波数であり、縦軸は利得である。
【００３０】
ＬＰＦ１０，１５ともにカットオフ周波数を３０ＭＨｚに設定している。図６のＬＰＦ１０においては、カットオフ周波数が３０ＭＨｚとなるようｐ型拡散層３の長辺方向の長さやバイアスを適宜調整すればよく、一例として、抵抗成分Ｒｓ＝６００Ω、インダクタンス成分Ｌｓ＝２．４μＨおよび容量成分Ｃｓ＝１００ｐＦ、抵抗成分Ｒｐ＝６００Ω、ならびに、容量Ｃａ＝Ｃｂ＝８ｐＦとしてシミュレーションしている。また、ＬＰＦ１５においては、抵抗を１ｋΩ、容量を２ｐＦとしている。
【００３１】
なお、ＬＰＦのカットオフ周波数は、例えば減衰量が３ｄＢとなる周波数として定義され、これより周波数が高い信号成分は３ｄＢ以上減衰する。
【００３２】
同図に示すように、ＬＰＦ１０の方が急峻な周波数特性となっている。これは、図７のＬＰＦ１５が２次のＬＰＦであるのに対し、図６のＬＰＦ１０が４次のＬＰＦだからである。
【００３３】
仮に、ＬＰＦ１０と同様の急峻な周波数特性を実現するために、半導体集積回路上にスパイラルインダクタを形成すると、極めて大きな面積が必要になってしまう。これに対し本実施形態では、図７の抵抗を簡易な構造の半導体素子１００で置き換えるため、小さな素子でＬＰＦの次数を高くすることができ、結果として急峻な周波数特性を実現できる。
【００３４】
さらに、本実施形態のＬＰＦ１０は、カットオフ周波数を十〜数百ＭＨｚに設定できることも１つの特徴である。スパイラルインダクタを用いた場合、面積の制約からＧＨｚオーダー以下のカットオフ周波数を実現するのは困難である。これに対し本実施形態では、半導体素子１００は電気信号より遅い音速ｃに応じた共振周波数を有するため、大きなインダクタンスを形成でき、カットオフ周波数を低く設定できる。
【００３５】
なお、図６では、周波数特性をさらに向上させるために、２次のＬＰＦを縦続接続して４次のＬＰＦを構成しているが、もちろん、同図の一点鎖線で囲まれた部分のみで１段のＬＰＦを構成してもよい。この場合でも、図７の一点鎖線で囲まれた部分と比較すると周波数特性が向上している。
【００３６】
このように、第１の実施形態では、半導体素子１００を用いてＬＰＦ１０を構成する。そのため、面積が小さな素子で高次のＬＰＦを構成でき、優れた周波数特性を実現できる。また、カットオフ周波数を十〜数百ＭＨｚに設定できる。
【００３７】
（第２の実施形態）
上述した第１の実施形態は、半導体素子１００をＬＰＦに用いるものであったが、以下に説明する第２の実施形態は、半導体素子１００を用いてハイパスフィルタ（以下、ＨＰＦ）を構成するものである。
【００３８】
図９は、第２の実施形態に係るＨＰＦ２０の回路図である。ＬＰＦ２０は、入力端子Ｖｉｎと中間ノードＶｍとの間に接続された容量Ｃａと、中間ノードＶｍと出力端子Ｖｏｕｔとの間に接続された容量Ｃｂと、中間ノードＶｍと接地端子との間に接続された半導体素子１００ａと、出力端子Ｖｏｕｔと接地端子との間に接続された半導体素子１００ｂとを備えている。
【００３９】
なお、半導体素子１００ａは、図１〜図３のコンタクト５ａ，５ｂのうちの一方のみを形成し、そのコンタクトを中間ノードＶｍに接続してもよい。同様に、半導体素子１００ｂは、コンタクト５ａ，５ｂのうちの一方のみを形成し、そのコンタクトを出力端子Ｖｏｕｔに接続してもよい。この場合、半導体素子１００ａの等価回路は図５（ｂ）で表される。
【００４０】
一点鎖線で囲まれた部分が２次のＨＰＦを構成し、ＨＰＦ２０はこれを２段縦続接続した４次のＨＰＦである。なお、第１の実施形態と同様に、一点鎖線で囲まれた１段のＨＰＦを構成してもよい。
【００４１】
比較例としてＨＰＦ２５の回路図を図１０に示す。ＨＰＦ２５は、容量および抵抗からなる１次のＨＰＦを縦続接続した２次のＨＰＦである。図９のＨＰＦ２０は、図１０の抵抗を半導体素子１００で置き換えることで性能改善を図るものである。
【００４２】
図１１は、ＨＰＦ２０，２５の周波数特性のシミュレーション結果を示すグラフである。縦軸および横軸は図８と同様である。
【００４３】
ＨＰＦ２０，２５ともにカットオフ周波数を３０ＭＨｚに設定している。図９のＨＰＦ２０においては、カットオフ周波数が３０ＭＨｚとなるようｐ型拡散層３の長辺方向の長さやバイアスを適宜調整すればよく、一例として、抵抗成分Ｒｓ＝２０Ω、インダクタンス成分Ｌｓ＝２．４μＨおよび容量成分Ｃｓ＝１００ｐＦ、抵抗成分Ｒｐ＝６００Ω、容量成分Ｃｐ＝１０ｐＦ、ならびに、容量Ｃａ＝Ｃｂ＝８ｐＦとしてシミュレーションしている。また、ＨＰＦ２５においては、抵抗を２ｋΩ、容量を６ｐＦとしている。
【００４４】
なお、ＨＰＦのカットオフ周波数は、例えば減衰量が３ｄＢとなる周波数として定義され、これより周波数が低い信号成分は３ｄＢ以上減衰する。
【００４５】
同図に示すように、ＨＰＦ２０の方が急峻な周波数特性となっている。これは、図１０のＨＰＦ２５が２次のＨＰＦであるのに対し、図９のＨＰＦ２０が４次のＨＰＦだからである。
【００４６】
このように、第２の実施形態では、半導体素子１００を用いてＨＰＦ２０を構成する。そのため、面積が小さな素子で高次のＨＰＦを構成でき、優れた周波数特性を実現できる。また、カットオフ周波数を十〜数百ＭＨｚに設定できる。
【００４７】
（第３の実施形態）
第３の実施形態は、半導体素子１００を用いてバンドパスフィルタ（以下、ＢＰＦ）を構成するものである。
【００４８】
図１２は、第３の実施形態に係るＢＰＦ３０の回路図である。ＢＰＦ３０は、入力端子Ｖｉｎと中間ノードＶｍとの間に接続された半導体素子１００ａと、中間ノードＶｍと出力端子Ｖｏｕｔとの間に接続された半導体素子１００ｂと、中間ノードＶｍと接地端子との間に接続された抵抗Ｒａと、出力端子Ｖｏｕｔと接地端子との間に接続された抵抗Ｒｂとを備えている。同図のＢＰＦ３０は圧電素子を用いずに半導体素子１００を用いるものである。
【００４９】
一点鎖線で囲まれた部分が２次のＢＰＦを構成し、ＢＰＦ３０はこれを２段縦続接続した４次のＢＰＦである。なお、第１の実施形態と同様に、一点鎖線で囲まれた１段のＢＰＦを構成してもよい。
【００５０】
図１３は、ＢＰＦ３０の周波数特性のシミュレーション結果を示すグラフである。中心周波数ｆを１０．４７ＭＨｚに設定しており、この周波数における信号成分の減衰量が極小あるいは最小となる。図１２のＢＰＦ３０においては、中心周波数が１０．４７ＭＨｚになるようｐ型拡散層３の長辺方向の長さやバイアスを適宜調整すればよく、一例として、抵抗成分Ｒｓ＝２０Ω、インダクタンス成分Ｌｓ＝２．４μＨおよび容量成分Ｃｓ＝１００ｐＦ、抵抗成分Ｒｐ＝６００Ω、ならびに、抵抗Ｒａ＝Ｒｂ＝２００Ωとしてシミュレーションしている。
【００５１】
このように、第３の実施形態では、半導体素子１００を用いてＢＰＦ３０を構成するため、急峻な周波数特性を実現できる。また、中心周波数を十〜数百ＭＨｚに設定できる。
【００５２】
（第４の実施形態）
以下に説明する第２の実施形態は、半導体素子１００をバンドリジェクトフィルタ（以下、ＢＲＦ）に用いるものである。
【００５３】
図１４は、第４の実施形態に係るＢＲＦ４０の回路図である。ＢＲＦ４０は、入力端子Ｖｉｎと中間ノードＶｍとの間に接続された抵抗Ｒａと、中間ノードＶｍと出力端子Ｖｏｕｔとの間に接続された抵抗Ｒｂと、中間ノードＶｍと接地端子との間に接続された半導体素子１００ａと、出力端子Ｖｏｕｔと接地端子との間に接続された半導体素子１００ｂとを備えている。同図のＢＲＦ４０は圧電素子を用いずに半導体素子１００を用いるものである。
【００５４】
なお、半導体素子１００ａは、図１〜図３のコンタクト５ａ，５ｂのうちの一方のみを形成し、そのコンタクトを中間ノードＶｍに接続してもよい。同様に、半導体素子１００ｂは、コンタクト５ａ，５ｂのうちの一方のみを形成し、そのコンタクトを出力端子Ｖｏｕｔに接続してもよい。この場合、半導体素子１００ａの等価回路は図５（ｂ）で表される。
【００５５】
一点鎖線で囲まれた部分が２次のＢＲＦを構成し、ＢＲＦ４０はこれを２段縦続接続した４次のＢＲＦである。なお、第１の実施形態と同様に、一点鎖線で囲まれた１段のＢＲＦを構成してもよい。
【００５６】
図１５は、ＢＲＦ４０の周波数特性のシミュレーション結果を示すグラフである。中心周波数ｆを１０．４７ＭＨｚに設定しており、この周波数における信号成分の減衰量が極大あるいは最大となる。図１４の回路においては、中心周波数が１０．４７ＭＨｚになるようｐ型拡散層３の長辺方向の長さやバイアスを適宜調整すればよく、一例として、抵抗成分Ｒｓ＝２０Ω、インダクタンス成分Ｌｓ＝２．４μＨおよび容量成分Ｃｓ＝１００ｐＦ、抵抗成分Ｒｐ＝６００Ω、容量成分Ｃｐ＝１０ｐＦ、ならびに、抵抗Ｒａ＝Ｒｂ＝１Ωとしてシミュレーションしている。
【００５７】
このように、第３の実施形態では、半導体素子１００を用いてＢＰＦ３０を構成するため、急峻な周波数特性を実現できる。また、中心周波数を十〜数百ＭＨｚに設定できる。
【００５８】
上述した第１〜第４の実施形態のフィルタにおいて、半導体素子１００のｐ型拡散層３あるいはｎウェル２にバイアスを印加することにより共振周波数が変化することを利用して、カットオフ周波数や中心周波数を可変なフィルタとして用いてもよい。
【００５９】
（第５の実施形態）
上述したフィルタは種々の装置に用いることができるが、第５の実施形態はフィルタを無線通信装置に用いるものである。
【００６０】
図１６は、無線通信装置２００の構成を示す概略ブロック図である。無線通信装置２００は、受信部２１０と、送信部２２０と、受信部２１０および送信部２２０に基準信号を供給する発振器（ＬＯ）２３０と、アンテナ３００から受信する信号を受信部に供給し、アンテナ３００から送信する信号を送信部に供給するスイッチ（ＳＷＩＴＣＨ）２４０とを備えている。
【００６１】
受信部２１０は、ＢＰＦ２１１と、ロウノイズアンプ（第１のアンプ、ＬＮＡ）２１２と、ミキサ（ＭＩＸ）２１３と、ＬＰＦ２１４とを有する。ＢＰＦ２１１は、アンテナ３００で受信してスイッチ２４０を介して供給される受信信号から、受信したい周波数近傍の信号成分のみを通過させて、ＬＮＡ２１２へ供給する。ＬＮＡ２１２は受信信号を増幅して、ミキサ２１３に供給する。ミキサ２１３は増幅された受信信号を基準信号に基づいて復調し、ＬＰＦ２１４に供給する。ＬＰＦ２１４は所定周波数以下の信号成分のみを通過させて、出力する。出力された信号は外部のベースバンドＬＳＩ等に供給され、アナログ信号からデジタル信号に変換された後、種々の処理が行われる。
【００６２】
一方、送信部２２０は、ＬＰＦ２２１と、ミキサ２２２と、パワーアンプ（第２のアンプ、ＰＡ）２２３と、ＢＰＦ２２４とを有する。ＬＰＦ２２１は、外部のベースバンドＬＳＩ等から供給される送信信号における、所定周波数以下の信号成分のみを通過させて、ミキサ２２２に供給する。ミキサ２２２は送信信号を基準信号に基づいて変調し、パワーアンプ２２３に供給する。パワーアンプ２２３は送信信号を増幅し、ＢＰＦ２２４に供給する。ＢＰＦ２２４は所定の周波数近傍の信号成分のみを通過させて、スイッチ２４０に供給する。
【００６３】
図１６のＬＰＦ２１４，２２１として、第１の実施形態で説明したＬＰＦ１０を用いることができる。また、ＢＰＦ２１１，２３４として、第２の実施形態で説明したＢＰＦ３０を用いることができる。これにより、無線通信装置２００として必要な、カットオフ周波数が十〜数百ＭＨｚであり、かつ、急峻な周波数特性を有する小型のフィルタを実現できる。
【００６４】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００６５】
１ シリコン基板
２ ｎウェル
３ ｐ型拡散層
４ ＳｉＯ２膜
５ａ，５ｂ コンタクト
６ａ，６ｂ 配線
７ 溝
１０，１５，２１４，２２１ ＬＰＦ
２０，２５ ＨＰＦ
３０，２１１，２２４ ＢＰＦ
４０ ＢＲＦ
１００，１００ａ，１００ｂ 半導体素子
２００ 無線通信装置
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、ロウパスフィルタ、ハイパスフィルタ、バンドパスフィルタ、バンドリジェクトフィルタ、フィルタおよび無線通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線通信装置等のアナログ信号処理においては、種々のフィルタが用いられる。例えば、ロウパスフィルタは抵抗と容量とを直列接続して構成される。しかしながら、抵抗および容量のみで構成されたロウパスフィルタは周波数特性がよくない、という問題がある。また、周波数特性を改善するために集積回路上にスパイラルインダクタを形成すると非常に大きな面積を占有する、という問題がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】G. Weinreich, Physical Review, 104 (1956), pp. 321 - 324
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
集積回路上で大きな面積を必要とせず、優れた周波数特性を有するロウパスフィルタ、ハイパスフィルタ、バンドパスフィルタ、バンドリジェクトフィルタ、フィルタ、および、無線通信装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態によれば、入力端子に入力される信号を、予め定めたカットオフ周波数以上の信号成分の減衰量が所定量以上となるように通過させて出力端子から出力するロウパスフィルタは、 前記入力端子と前記出力端子との間に接続された半導体素子と、前記出力端子と接地端子との間に接続された容量と、を備える。前記半導体素子は、半導体基板と、前記半導体基板に、前記カットオフ周波数に応じた長さの長辺と、前記長辺より短い短辺と、を有する形状で形成される音響波伝播層と、少なくとも前記音響波伝播層の長辺方向の両端に形成される音響波反射層と、前記音響波伝播層上に形成され、前記入力端子と電気的に接続される第１のコンタクトと、前記音響波伝播層上に前記第１のコンタクトとは離れて形成され、前記出力端子と電気的に接続される第２のコンタクトと、を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】半導体素子１００の上面図。
【図２】半導体素子１００の斜視図。
【図３】半導体素子１００の断面図。
【図４】半導体素子１００の変形例の斜視図。
【図５】半導体素子１００の等価回路。
【図６】第１の実施形態に係るＬＰＦ１０の回路図。
【図７】ＬＰＦ１５の回路図。
【図８】ＬＰＦ１０，１５の周波数特性のシミュレーション結果を示すグラフ。
【図９】第２の実施形態に係るＨＰＦ２０の回路図。
【図１０】ＨＰＦ２５の回路図。
【図１１】ＨＰＦ２０，２５の周波数特性のシミュレーション結果を示すグラフ。
【図１２】第３の実施形態に係るＢＰＦ３０の回路図。
【図１３】ＢＰＦ３０の周波数特性のシミュレーション結果を示すグラフ。
【図１４】第４の実施形態に係るＢＲＦ４０の回路図。
【図１５】ＢＲＦ４０の周波数特性のシミュレーション結果を示すグラフ。
【図１６】無線通信装置２００の構成を示す概略ブロック図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。まず、各実施形態のフィルタで使用される半導体素子１００について説明する。
【０００８】
図１〜図３はそれぞれ、半導体素子１００の上面図、斜視図および断面図である。半導体素子１００は、シリコン基板（半導体基板）１と、ｎウェル２と、ｐ型拡散層（音響波伝播層）３と、ＳｉＯ２膜（音響波反射層）４と、コンタクト５ａ，５ｂと、配線６ａ，６ｂとを有する。
【０００９】
シリコン基板１の表面には、例えば不純物としてリンあるいはヒ素がドーピングされたｎウェル２が形成される。ｎウェル２の内側に、例えば不純物としてホウ素がドーピングされたｐ型拡散層３が形成される。ｐ型拡散層３を上面から見た形状は、短辺および長辺を有する略長方形である。短辺および長辺の長さはそれぞれ、例えば、３μｍおよび４０μｍであり、集積回路上に形成されるスパイラルインダクタに比べて非常に小さい。
【００１０】
後述するように、本実施形態の特徴の１つは、長辺の長さに応じて、フィルタの周波数特性を調整できる点にある。
【００１１】
ｎウェル２の内側で、ｐ型拡散層３を囲うように溝７がシリコン基板１に形成され、その中にＳｉＯ２膜４が埋め込まれている。ＳｉＯ２膜４は、いわゆるＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）と呼ばれる構造であり、ｐ型拡散層３をシリコン基板１上に形成される他の素子と電気的に分離する。コンタクト５ａ，５ｂは、ｐ型拡散層３上に形成され、ｐ型拡散層３と配線６ａ，６ｂとをそれぞれ電気的に接続する。コンタクト５ａ，５ｂは、互いに接触していなければｐ型拡散層３上のどこに形成してもよい。配線６ａ，６ｂは他の素子（不図示）と接続される。
【００１２】
図１〜図３の半導体素子１００は簡易な構造であるため、通常のＣＭＯＳプロセスにより形成できる。
【００１３】
一般に、キャリアを有する半導体中では、電荷密度が変化すると体積が変化し、体積が変化すると電荷密度が変化すること、すなわち、電気と機械振動との相互作用が知られている。より具体的には、ρを電荷密度、Φを体積変化に比例する変数、ｃを半導体中の音速とすると、下記（１）式の方程式が成立する。
【数１】
【００１４】
上記（１）式の左辺は音響波の伝搬を表す方程式であり、電荷密度ρの変化があると（右辺）、音速ｃの音響波が伝播する（左辺）ことを示している。
【００１５】
このことを図１〜図３の半導体素子１００に当てはめる。半導体素子１００では、ｐ型拡散層３にキャリアとしてホールが存在する。コンタクト５ａ，５ｂの一方または両方から電気入力が与えられるとｐ型拡散層３の電荷密度が変化し、その結果、ｐ型拡散層３が音響波伝播層となって音響波が伝播する。一方、ＳｉＯ２膜４は音響波反射層として機能する。すなわち、音響波はｐ型拡散層３とＳｉＯ２膜４との界面で反射し、ｐ型拡散層３に音響定在波が生じる。この音響定在波の周波数はｐ型拡散層３の長辺の長さとｐ型拡散層３中の音速ｃとに応じて定まる。
【００１６】
したがって、半導体素子１００は特定の周波数のみで共振する共振器となる。ｐ型拡散層３の長辺の長さが短いほど定在波の波長は短くなるため、ｐ型拡散層３の長辺の長さに応じて、共振周波数を調整できる。一例として、長辺の長さが４０μｍの場合、共振周波数の実測値は９４ＭＨｚである。また、シリコン基板１、ｎウェル２あるいはｐ型拡散層３にバイアスを印加することにより共振周波数を調整することもできる。
【００１７】
なお、半導体素子１００の構造は図１〜図３に限定されるものではない。音響波をｐ型拡散層３内に効率よく閉じ込めるためには、図１〜図３に示すように音響波伝播層を取り囲むように音響波反射層が設けられるのが望ましいが、少なくとも、不純物拡散領域の長辺方向の両端に音響波反射層が形成されていればよい。例えば、図４に示すように、ＳｉＯ２膜４をｐ型拡散層３の長辺方向の両端にのみ形成し、短辺方向の側面にはｎウェル２が形成されていてもよい。音響波反射層の材料は、ｐ型拡散層３が形成されるシリコン基板１の材料の音響インピーダンスとの差が大きい方が望ましく、例えばＳｉＮ等でもよい。また、図１〜図４の半導体素子１００は、ｎウェル２およびｐ型拡散層３を形成しているが、導電型を逆にし、ｐウェル２’およびｎ型拡散層３’を形成してもよい。
【００１８】
図５（ａ）は、半導体素子１００の等価回路である。半導体素子１００は、コンタクト５ａ，５ｂ間に直列に形成される抵抗成分（第１の抵抗成分）Ｒｓ、インダクタンス成分Ｌｓおよび容量成分Ｃｓと、これらと並列に形成される抵抗成分（第２の抵抗成分）Ｒｐとを有する。
【００１９】
抵抗成分Ｒｐはコンタクト５ａ，５ｂ間にｐ型拡散層３を介して電流が流れることを示している。抵抗成分Ｒｓ、インダクタンス成分Ｌｓおよび容量成分Ｃｓは、半導体素子１００の共振特性からフィッティングすることができる。
【００２０】
通常、半導体集積回路上に形成されるスパイラルインダクタのインダクタンスは１０ｎＨ程度であるので、これよりはるかに大きなインダクタンスを実現できる。これは、半導体中の音速ｃは、電気信号に比べると、非常に遅いためである。
【００２１】
また、ｐ型拡散層３の長辺方向の長さをより長く、例えば１００μｍ以上とすると共振周波数が低くなり、インダクタンス成分Ｌｓは数μＨとなる。すなわち、ｐ型拡散層３の長辺方向の長さを長くすればインダクタンス成分を大きくすることができる。
【００２２】
このように、半導体素子１００は、大きなインダクタンス成分を有し、かつ、長辺方向の長さに応じて共振周波数を調整可能な共振器として使用できる。しかも、半導体素子１００はシンプルな構造であるため、オペアンプ等のアクティブ回路を使用したフィルタよりも低消費電力で動作するフィルタを構成できる。
【００２３】
なお、図１〜図４の半導体素子１００は、２つのコンタクト５ａ，５ｂを有する例を示しているが、１つのコンタクト５ａのみ有してもよい。この場合の等価回路は、図５（ｂ）に示すようになり、コンタクト５ａと接地端子との間には、抵抗成分Ｒｐに加え容量成分Ｃｐが形成される。
【００２４】
（第１の実施形態）
第１の実施形態は、半導体素子１００を用いてロウパスフィルタ（以下、ＬＰＦ）を構成するものである。
【００２５】
図６は、第１の実施形態に係るＬＰＦ１０の回路図である。ＬＰＦ１０は、入力端子Ｖｉｎと中間ノードＶｍとの間に接続された半導体素子１００ａと、中間ノードＶｍと出力端子Ｖｏｕｔとの間に接続された半導体素子１００ｂと、中間ノードＶｍと接地端子との間に接続された容量Ｃａと、出力端子Ｖｏｕｔと接地端子との間に接続された容量Ｃｂとを備えている。
【００２６】
より具体的には、半導体素子１００ａにおいて、図１〜図３のコンタクト５ａが入力端子Ｖｉｎに接続され、コンタクト５ｂが中間ノードＶｍに接続される。また、半導体素子１００ｂにおいて、コンタクト５ａが中間ノードＶｍに接続され、コンタクト５ｂが出力端子Ｖｏｕｔに接続される。
【００２７】
一点鎖線で囲まれた部分が２次のＬＰＦを構成し、ＬＰＦ１０はこれを２段縦続接続した４次のＬＰＦである。
【００２８】
比較例としてＬＰＦ１５の回路図を図７に示す。ＬＰＦ１５は、抵抗および容量からなる１次のＬＰＦを縦続接続した２次のＬＰＦである。図６のＬＰＦ１０は、図７の抵抗を半導体素子１００で置き換えることで性能改善を図るものである。
【００２９】
図８は、ＬＰＦ１０，１５の周波数特性のシミュレーション結果を示すグラフである。横軸は周波数であり、縦軸は利得である。
【００３０】
ＬＰＦ１０，１５ともにカットオフ周波数を３０ＭＨｚに設定している。図６のＬＰＦ１０においては、カットオフ周波数が３０ＭＨｚとなるようｐ型拡散層３の長辺方向の長さやバイアスを適宜調整すればよく、一例として、抵抗成分Ｒｓ＝６００Ω、インダクタンス成分Ｌｓ＝２．４μＨおよび容量成分Ｃｓ＝１００ｐＦ、抵抗成分Ｒｐ＝６００Ω、ならびに、容量Ｃａ＝Ｃｂ＝８ｐＦとしてシミュレーションしている。また、ＬＰＦ１５においては、抵抗を１ｋΩ、容量を２ｐＦとしている。
【００３１】
なお、ＬＰＦのカットオフ周波数は、例えば減衰量が３ｄＢとなる周波数として定義され、これより周波数が高い信号成分は３ｄＢ以上減衰する。
【００３２】
同図に示すように、ＬＰＦ１０の方が急峻な周波数特性となっている。これは、図７のＬＰＦ１５が２次のＬＰＦであるのに対し、図６のＬＰＦ１０が４次のＬＰＦだからである。
【００３３】
仮に、ＬＰＦ１０と同様の急峻な周波数特性を実現するために、半導体集積回路上にスパイラルインダクタを形成すると、極めて大きな面積が必要になってしまう。これに対し本実施形態では、図７の抵抗を簡易な構造の半導体素子１００で置き換えるため、小さな素子でＬＰＦの次数を高くすることができ、結果として急峻な周波数特性を実現できる。
【００３４】
さらに、本実施形態のＬＰＦ１０は、カットオフ周波数を十〜数百ＭＨｚに設定できることも１つの特徴である。スパイラルインダクタを用いた場合、面積の制約からＧＨｚオーダー以下のカットオフ周波数を実現するのは困難である。これに対し本実施形態では、半導体素子１００は電気信号より遅い音速ｃに応じた共振周波数を有するため、大きなインダクタンスを形成でき、カットオフ周波数を低く設定できる。
【００３５】
なお、図６では、周波数特性をさらに向上させるために、２次のＬＰＦを縦続接続して４次のＬＰＦを構成しているが、もちろん、同図の一点鎖線で囲まれた部分のみで１段のＬＰＦを構成してもよい。この場合でも、図７の一点鎖線で囲まれた部分と比較すると周波数特性が向上している。
【００３６】
このように、第１の実施形態では、半導体素子１００を用いてＬＰＦ１０を構成する。そのため、面積が小さな素子で高次のＬＰＦを構成でき、優れた周波数特性を実現できる。また、カットオフ周波数を十〜数百ＭＨｚに設定できる。
【００３７】
（第２の実施形態）
上述した第１の実施形態は、半導体素子１００をＬＰＦに用いるものであったが、以下に説明する第２の実施形態は、半導体素子１００を用いてハイパスフィルタ（以下、ＨＰＦ）を構成するものである。
【００３８】
図９は、第２の実施形態に係るＨＰＦ２０の回路図である。ＬＰＦ２０は、入力端子Ｖｉｎと中間ノードＶｍとの間に接続された容量Ｃａと、中間ノードＶｍと出力端子Ｖｏｕｔとの間に接続された容量Ｃｂと、中間ノードＶｍと接地端子との間に接続された半導体素子１００ａと、出力端子Ｖｏｕｔと接地端子との間に接続された半導体素子１００ｂとを備えている。
【００３９】
なお、半導体素子１００ａは、図１〜図３のコンタクト５ａ，５ｂのうちの一方のみを形成し、そのコンタクトを中間ノードＶｍに接続してもよい。同様に、半導体素子１００ｂは、コンタクト５ａ，５ｂのうちの一方のみを形成し、そのコンタクトを出力端子Ｖｏｕｔに接続してもよい。この場合、半導体素子１００ａの等価回路は図５（ｂ）で表される。
【００４０】
一点鎖線で囲まれた部分が２次のＨＰＦを構成し、ＨＰＦ２０はこれを２段縦続接続した４次のＨＰＦである。なお、第１の実施形態と同様に、一点鎖線で囲まれた１段のＨＰＦを構成してもよい。
【００４１】
比較例としてＨＰＦ２５の回路図を図１０に示す。ＨＰＦ２５は、容量および抵抗からなる１次のＨＰＦを縦続接続した２次のＨＰＦである。図９のＨＰＦ２０は、図１０の抵抗を半導体素子１００で置き換えることで性能改善を図るものである。
【００４２】
図１１は、ＨＰＦ２０，２５の周波数特性のシミュレーション結果を示すグラフである。縦軸および横軸は図８と同様である。
【００４３】
ＨＰＦ２０，２５ともにカットオフ周波数を３０ＭＨｚに設定している。図９のＨＰＦ２０においては、カットオフ周波数が３０ＭＨｚとなるようｐ型拡散層３の長辺方向の長さやバイアスを適宜調整すればよく、一例として、抵抗成分Ｒｓ＝２０Ω、インダクタンス成分Ｌｓ＝２．４μＨおよび容量成分Ｃｓ＝１００ｐＦ、抵抗成分Ｒｐ＝６００Ω、容量成分Ｃｐ＝１０ｐＦ、ならびに、容量Ｃａ＝Ｃｂ＝８ｐＦとしてシミュレーションしている。また、ＨＰＦ２５においては、抵抗を２ｋΩ、容量を６ｐＦとしている。
【００４４】
なお、ＨＰＦのカットオフ周波数は、例えば減衰量が３ｄＢとなる周波数として定義され、これより周波数が低い信号成分は３ｄＢ以上減衰する。
【００４５】
同図に示すように、ＨＰＦ２０の方が急峻な周波数特性となっている。これは、図１０のＨＰＦ２５が２次のＨＰＦであるのに対し、図９のＨＰＦ２０が４次のＨＰＦだからである。
【００４６】
このように、第２の実施形態では、半導体素子１００を用いてＨＰＦ２０を構成する。そのため、面積が小さな素子で高次のＨＰＦを構成でき、優れた周波数特性を実現できる。また、カットオフ周波数を十〜数百ＭＨｚに設定できる。
【００４７】
（第３の実施形態）
第３の実施形態は、半導体素子１００を用いてバンドパスフィルタ（以下、ＢＰＦ）を構成するものである。
【００４８】
図１２は、第３の実施形態に係るＢＰＦ３０の回路図である。ＢＰＦ３０は、入力端子Ｖｉｎと中間ノードＶｍとの間に接続された半導体素子１００ａと、中間ノードＶｍと出力端子Ｖｏｕｔとの間に接続された半導体素子１００ｂと、中間ノードＶｍと接地端子との間に接続された抵抗Ｒａと、出力端子Ｖｏｕｔと接地端子との間に接続された抵抗Ｒｂとを備えている。同図のＢＰＦ３０は圧電素子を用いずに半導体素子１００を用いるものである。
【００４９】
一点鎖線で囲まれた部分が２次のＢＰＦを構成し、ＢＰＦ３０はこれを２段縦続接続した４次のＢＰＦである。なお、第１の実施形態と同様に、一点鎖線で囲まれた１段のＢＰＦを構成してもよい。
【００５０】
図１３は、ＢＰＦ３０の周波数特性のシミュレーション結果を示すグラフである。中心周波数ｆを１０．４７ＭＨｚに設定しており、この周波数における信号成分の減衰量が極小あるいは最小となる。図１２のＢＰＦ３０においては、中心周波数が１０．４７ＭＨｚになるようｐ型拡散層３の長辺方向の長さやバイアスを適宜調整すればよく、一例として、抵抗成分Ｒｓ＝２０Ω、インダクタンス成分Ｌｓ＝２．４μＨおよび容量成分Ｃｓ＝１００ｐＦ、抵抗成分Ｒｐ＝６００Ω、ならびに、抵抗Ｒａ＝Ｒｂ＝２００Ωとしてシミュレーションしている。
【００５１】
このように、第３の実施形態では、半導体素子１００を用いてＢＰＦ３０を構成するため、急峻な周波数特性を実現できる。また、中心周波数を十〜数百ＭＨｚに設定できる。
【００５２】
（第４の実施形態）
以下に説明する第２の実施形態は、半導体素子１００をバンドリジェクトフィルタ（以下、ＢＲＦ）に用いるものである。
【００５３】
図１４は、第４の実施形態に係るＢＲＦ４０の回路図である。ＢＲＦ４０は、入力端子Ｖｉｎと中間ノードＶｍとの間に接続された抵抗Ｒａと、中間ノードＶｍと出力端子Ｖｏｕｔとの間に接続された抵抗Ｒｂと、中間ノードＶｍと接地端子との間に接続された半導体素子１００ａと、出力端子Ｖｏｕｔと接地端子との間に接続された半導体素子１００ｂとを備えている。同図のＢＲＦ４０は圧電素子を用いずに半導体素子１００を用いるものである。
【００５４】
なお、半導体素子１００ａは、図１〜図３のコンタクト５ａ，５ｂのうちの一方のみを形成し、そのコンタクトを中間ノードＶｍに接続してもよい。同様に、半導体素子１００ｂは、コンタクト５ａ，５ｂのうちの一方のみを形成し、そのコンタクトを出力端子Ｖｏｕｔに接続してもよい。この場合、半導体素子１００ａの等価回路は図５（ｂ）で表される。
【００５５】
一点鎖線で囲まれた部分が２次のＢＲＦを構成し、ＢＲＦ４０はこれを２段縦続接続した４次のＢＲＦである。なお、第１の実施形態と同様に、一点鎖線で囲まれた１段のＢＲＦを構成してもよい。
【００５６】
図１５は、ＢＲＦ４０の周波数特性のシミュレーション結果を示すグラフである。中心周波数ｆを１０．４７ＭＨｚに設定しており、この周波数における信号成分の減衰量が極大あるいは最大となる。図１４の回路においては、中心周波数が１０．４７ＭＨｚになるようｐ型拡散層３の長辺方向の長さやバイアスを適宜調整すればよく、一例として、抵抗成分Ｒｓ＝２０Ω、インダクタンス成分Ｌｓ＝２．４μＨおよび容量成分Ｃｓ＝１００ｐＦ、抵抗成分Ｒｐ＝６００Ω、容量成分Ｃｐ＝１０ｐＦ、ならびに、抵抗Ｒａ＝Ｒｂ＝１Ωとしてシミュレーションしている。
【００５７】
このように、第３の実施形態では、半導体素子１００を用いてＢＰＦ３０を構成するため、急峻な周波数特性を実現できる。また、中心周波数を十〜数百ＭＨｚに設定できる。
【００５８】
上述した第１〜第４の実施形態のフィルタにおいて、半導体素子１００のｐ型拡散層３あるいはｎウェル２にバイアスを印加することにより共振周波数が変化することを利用して、カットオフ周波数や中心周波数を可変なフィルタとして用いてもよい。
【００５９】
（第５の実施形態）
上述したフィルタは種々の装置に用いることができるが、第５の実施形態はフィルタを無線通信装置に用いるものである。
【００６０】
図１６は、無線通信装置２００の構成を示す概略ブロック図である。無線通信装置２００は、受信部２１０と、送信部２２０と、受信部２１０および送信部２２０に基準信号を供給する発振器（ＬＯ）２３０と、アンテナ３００から受信する信号を受信部に供給し、アンテナ３００から送信する信号を送信部に供給するスイッチ（ＳＷＩＴＣＨ）２４０とを備えている。
【００６１】
受信部２１０は、ＢＰＦ２１１と、ロウノイズアンプ（第１のアンプ、ＬＮＡ）２１２と、ミキサ（ＭＩＸ）２１３と、ＬＰＦ２１４とを有する。ＢＰＦ２１１は、アンテナ３００で受信してスイッチ２４０を介して供給される受信信号から、受信したい周波数近傍の信号成分のみを通過させて、ＬＮＡ２１２へ供給する。ＬＮＡ２１２は受信信号を増幅して、ミキサ２１３に供給する。ミキサ２１３は増幅された受信信号を基準信号に基づいて復調し、ＬＰＦ２１４に供給する。ＬＰＦ２１４は所定周波数以下の信号成分のみを通過させて、出力する。出力された信号は外部のベースバンドＬＳＩ等に供給され、アナログ信号からデジタル信号に変換された後、種々の処理が行われる。
【００６２】
一方、送信部２２０は、ＬＰＦ２２１と、ミキサ２２２と、パワーアンプ（第２のアンプ、ＰＡ）２２３と、ＢＰＦ２２４とを有する。ＬＰＦ２２１は、外部のベースバンドＬＳＩ等から供給される送信信号における、所定周波数以下の信号成分のみを通過させて、ミキサ２２２に供給する。ミキサ２２２は送信信号を基準信号に基づいて変調し、パワーアンプ２２３に供給する。パワーアンプ２２３は送信信号を増幅し、ＢＰＦ２２４に供給する。ＢＰＦ２２４は所定の周波数近傍の信号成分のみを通過させて、スイッチ２４０に供給する。
【００６３】
図１６のＬＰＦ２１４，２２１として、第１の実施形態で説明したＬＰＦ１０を用いることができる。また、ＢＰＦ２１１，２３４として、第２の実施形態で説明したＢＰＦ３０を用いることができる。これにより、無線通信装置２００として必要な、カットオフ周波数が十〜数百ＭＨｚであり、かつ、急峻な周波数特性を有する小型のフィルタを実現できる。
【００６４】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００６５】
１ シリコン基板
２ ｎウェル
３ ｐ型拡散層
４ ＳｉＯ２膜
５ａ，５ｂ コンタクト
６ａ，６ｂ 配線
７ 溝
１０，１５，２１４，２２１ ＬＰＦ
２０，２５ ＨＰＦ
３０，２１１，２２４ ＢＰＦ
４０ ＢＲＦ
１００，１００ａ，１００ｂ 半導体素子
２００ 無線通信装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力端子に入力される信号を、予め定めたカットオフ周波数以上の信号成分の減衰量が所定量以上となるように通過させて出力端子から出力するロウパスフィルタであって、
前記入力端子と前記出力端子との間に接続された半導体素子と、
前記出力端子と接地端子との間に接続された容量と、を備え、
前記半導体素子は、
半導体基板と、
前記半導体基板に、前記カットオフ周波数に応じた長さの長辺と、前記長辺より短い短辺と、を有する形状で形成される音響波伝播層と、
少なくとも前記音響波伝播層の長辺方向の両端に形成される音響波反射層と、
前記音響波伝播層上に形成され、前記入力端子と電気的に接続される第１のコンタクトと、
前記音響波伝播層上に前記第１のコンタクトとは離れて形成され、前記出力端子と電気的に接続される第２のコンタクトと、を有することを特徴とするロウパスフィルタ。
【請求項２】
前記半導体素子は、
前記第１のコンタクトと前記第２のコンタクトとの間に直列に形成される第１の抵抗成分、インダクタンス成分および容量成分と、
前記第１の抵抗成分、前記インダクタンス成分および前記容量成分と並列に形成される第２の抵抗成分と、を有することを特徴とする請求項１に記載のロウパスフィルタ。
【請求項３】
前記音響波反射層は、前記半導体基板に形成された溝に埋め込まれた絶縁体材料であることを特徴とする請求項１または２に記載のロウパスフィルタ。
【請求項４】
前記音響波反射層は、前記音響波伝播層を取り囲むように形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のロウバスフィルタ。
【請求項５】
前記音響波伝播層は、前記半導体基板に形成された不純物拡散層であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のロウパスフィルタ。
【請求項６】
前記半導体基板または前記音響波伝播層に所定のバイアスを印加可能であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のロウパスフィルタ。
【請求項７】
入力端子に入力される信号を、予め定めたカットオフ周波数以下の信号成分の減衰量が所定量以上となるように通過させて出力端子から出力するハイパスフィルタであって、
前記入力端子と前記出力端子との間に接続された容量と、
前記出力端子に接続された半導体素子と、を備え、
前記半導体素子は、
半導体基板と、
前記半導体基板に、前記カットオフ周波数に応じた長さの長辺と、前記長辺より短い短辺と、を有する形状で形成される音響波伝播層と、
少なくとも前記音響波伝播層の長辺方向の両端に形成される音響波反射層と、
前記音響波伝播層上に形成され、前記出力端子と電気的に接続される第１のコンタクトと、を有することを特徴とするハイパスフィルタ。
【請求項８】
入力端子に入力される信号を、予め定めた中心周波数における信号成分の減衰量が極小となるように通過させて出力端子から出力するバンドパスフィルタであって、
前記入力端子と前記出力端子との間に接続された半導体素子と、
前記出力端子と接地端子との間に接続された抵抗と、を備え、
前記半導体素子は、
半導体基板と、
前記半導体基板に、前記カットオフ周波数に応じた長さの長辺と、前記長辺より短い短辺と、を有する形状で形成される音響波伝播層と、
少なくとも前記音響波伝播層の長辺方向の両端に形成される音響波反射層と、
前記音響波伝播層上に形成され、前記入力端子と電気的に接続される第１のコンタクトと、
前記音響波伝播層上に前記第１のコンタクトとは離れて形成され、前記出力端子と電気的に接続される第２のコンタクトと、を有することを特徴とするバンドパスフィルタ。
【請求項９】
入力端子に入力される信号を、予め定めた中心周波数における信号成分の減衰量が極大となるように通過させて出力端子から出力するバンドリジェクトフィルタであって、
前記入力端子と前記出力端子との間に接続された抵抗と、
前記出力端子に接続された半導体素子と、を備え、
前記半導体素子は、
半導体基板と、
前記半導体基板に、前記カットオフ周波数に応じた長さの長辺と、前記長辺より短い短辺と、を有する形状で形成される音響波伝播層と、
少なくとも前記音響波伝播層の長辺方向の両端に形成される音響波反射層と、
前記音響波伝播層上に形成され、前記出力端子と電気的に接続される第１のコンタクトと、を有することを特徴とするバンドリジェクトフィルタ。
【請求項１０】
アンテナで受信した受信信号から特定の信号成分を通過させる第１のバンドパスフィルタと、前記第１のバンドパスフィルタの出力信号を増幅する第１のアンプと、前記第１のアンプの出力信号を基準信号に基づいて復調する第１のミキサと、前記第１のミキサの出力信号を予め定めたカットオフ周波数以上の信号成分の減衰量が所定量以上となるように通過させて外部に出力する第１のロウパスフィルタと、を有する受信部と、
外部から入力される送信信号を予め定めたカットオフ周波数以上の信号成分の減衰量が所定量以上となるように通過させる第２のロウパルフィルタと、前記第２のロウパスフィルタの出力信号を前記基準信号に基づいて変調する第２のミキサと、前記第２のミキサの出力信号を増幅する第２のアンプと、前記第２のアンプの出力信号から特定の信号成分を通過させる第２のバンドパスフィルタと、を有する送信部と、のうちの少なくとも１つを備え、
前記第１および第２のロウパスフィルタのうちの少なくとも１つは、
入力端子と出力端子との間に接続された半導体素子と、
前記出力端子と接地端子との間に接続された容量と、を備え、
前記半導体素子は、
半導体基板と、
前記半導体基板に、前記カットオフ周波数に応じた長さの長辺と、前記長辺より短い短辺と、を有する形状で形成される音響波伝播層と、
少なくとも前記音響波伝播層の長辺方向の両端に形成される音響波反射層と、
前記音響波伝播層上に形成され、前記入力端子と電気的に接続される第１のコンタクトと、
前記音響波伝播層上に前記第１のコンタクトとは離れて形成され、前記出力端子と電気的に接続される第２のコンタクトと、を有することを特徴とする無線通信装置。
【請求項１１】
前記第１および第２のバンドパスフィルタのうちの少なくとも１つは、入力端子に入力される信号を、予め定めた中心周波数における信号成分の減衰量が極小となるように通過させて出力端子から出力するバンドパスフィルタであって、
前記入力端子と前記出力端子との間に接続された半導体素子と、
前記出力端子と接地端子との間に接続された抵抗と、を備え、
前記半導体素子は、
半導体基板と、
前記半導体基板に、前記カットオフ周波数に応じた長さの長辺と、前記長辺より短い短辺と、を有する形状で形成される音響波伝播層と、
少なくとも前記音響波伝播層の長辺方向の両端に形成される音響波反射層と、
前記音響波伝播層上に形成され、前記入力端子と電気的に接続される第１のコンタクトと、
前記音響波伝播層上に前記第１のコンタクトとは離れて形成され、前記出力端子と電気的に接続される第２のコンタクトと、を有することを特徴とする請求項７に記載の無線通信装置。
【請求項１２】
入力信号を、予め定めた周波数における信号成分の減衰量が所定量となるように、あるいは、前記予め定めた周波数における信号成分の減衰量が極小または極大となるように通過させて、出力するフィルタであって、
前記入力信号が入力される半導体素子を備え、
前記半導体素子は、
半導体基板と、
前記半導体基板に、前記カットオフ周波数に応じた長さの長辺と、前記長辺より短い短辺と、を有する形状で形成される音響波伝播層と、
少なくとも前記音響波伝播層の長辺方向の両端に形成される音響波反射層と、
前記音響波伝播層上に形成される第１のコンタクトと、を有することを特徴とするフィルタ。
【請求項１】
入力端子に入力される信号を、予め定めたカットオフ周波数以上の信号成分の減衰量が所定量以上となるように通過させて出力端子から出力するロウパスフィルタであって、
前記入力端子と前記出力端子との間に接続された半導体素子と、
前記出力端子と接地端子との間に接続された容量と、を備え、
前記半導体素子は、
半導体基板と、
前記半導体基板に、前記カットオフ周波数に応じた長さの長辺と、前記長辺より短い短辺と、を有する形状で形成される音響波伝播層と、
少なくとも前記音響波伝播層の長辺方向の両端に形成される音響波反射層と、
前記音響波伝播層上に形成され、前記入力端子と電気的に接続される第１のコンタクトと、
前記音響波伝播層上に前記第１のコンタクトとは離れて形成され、前記出力端子と電気的に接続される第２のコンタクトと、を有することを特徴とするロウパスフィルタ。
【請求項２】
前記半導体素子は、
前記第１のコンタクトと前記第２のコンタクトとの間に直列に形成される第１の抵抗成分、インダクタンス成分および容量成分と、
前記第１の抵抗成分、前記インダクタンス成分および前記容量成分と並列に形成される第２の抵抗成分と、を有することを特徴とする請求項１に記載のロウパスフィルタ。
【請求項３】
前記音響波反射層は、前記半導体基板に形成された溝に埋め込まれた絶縁体材料であることを特徴とする請求項１または２に記載のロウパスフィルタ。
【請求項４】
前記音響波反射層は、前記音響波伝播層を取り囲むように形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のロウバスフィルタ。
【請求項５】
前記音響波伝播層は、前記半導体基板に形成された不純物拡散層であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のロウパスフィルタ。
【請求項６】
前記半導体基板または前記音響波伝播層に所定のバイアスを印加可能であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のロウパスフィルタ。
【請求項７】
入力端子に入力される信号を、予め定めたカットオフ周波数以下の信号成分の減衰量が所定量以上となるように通過させて出力端子から出力するハイパスフィルタであって、
前記入力端子と前記出力端子との間に接続された容量と、
前記出力端子に接続された半導体素子と、を備え、
前記半導体素子は、
半導体基板と、
前記半導体基板に、前記カットオフ周波数に応じた長さの長辺と、前記長辺より短い短辺と、を有する形状で形成される音響波伝播層と、
少なくとも前記音響波伝播層の長辺方向の両端に形成される音響波反射層と、
前記音響波伝播層上に形成され、前記出力端子と電気的に接続される第１のコンタクトと、を有することを特徴とするハイパスフィルタ。
【請求項８】
入力端子に入力される信号を、予め定めた中心周波数における信号成分の減衰量が極小となるように通過させて出力端子から出力するバンドパスフィルタであって、
前記入力端子と前記出力端子との間に接続された半導体素子と、
前記出力端子と接地端子との間に接続された抵抗と、を備え、
前記半導体素子は、
半導体基板と、
前記半導体基板に、前記カットオフ周波数に応じた長さの長辺と、前記長辺より短い短辺と、を有する形状で形成される音響波伝播層と、
少なくとも前記音響波伝播層の長辺方向の両端に形成される音響波反射層と、
前記音響波伝播層上に形成され、前記入力端子と電気的に接続される第１のコンタクトと、
前記音響波伝播層上に前記第１のコンタクトとは離れて形成され、前記出力端子と電気的に接続される第２のコンタクトと、を有することを特徴とするバンドパスフィルタ。
【請求項９】
入力端子に入力される信号を、予め定めた中心周波数における信号成分の減衰量が極大となるように通過させて出力端子から出力するバンドリジェクトフィルタであって、
前記入力端子と前記出力端子との間に接続された抵抗と、
前記出力端子に接続された半導体素子と、を備え、
前記半導体素子は、
半導体基板と、
前記半導体基板に、前記カットオフ周波数に応じた長さの長辺と、前記長辺より短い短辺と、を有する形状で形成される音響波伝播層と、
少なくとも前記音響波伝播層の長辺方向の両端に形成される音響波反射層と、
前記音響波伝播層上に形成され、前記出力端子と電気的に接続される第１のコンタクトと、を有することを特徴とするバンドリジェクトフィルタ。
【請求項１０】
アンテナで受信した受信信号から特定の信号成分を通過させる第１のバンドパスフィルタと、前記第１のバンドパスフィルタの出力信号を増幅する第１のアンプと、前記第１のアンプの出力信号を基準信号に基づいて復調する第１のミキサと、前記第１のミキサの出力信号を予め定めたカットオフ周波数以上の信号成分の減衰量が所定量以上となるように通過させて外部に出力する第１のロウパスフィルタと、を有する受信部と、
外部から入力される送信信号を予め定めたカットオフ周波数以上の信号成分の減衰量が所定量以上となるように通過させる第２のロウパルフィルタと、前記第２のロウパスフィルタの出力信号を前記基準信号に基づいて変調する第２のミキサと、前記第２のミキサの出力信号を増幅する第２のアンプと、前記第２のアンプの出力信号から特定の信号成分を通過させる第２のバンドパスフィルタと、を有する送信部と、のうちの少なくとも１つを備え、
前記第１および第２のロウパスフィルタのうちの少なくとも１つは、
入力端子と出力端子との間に接続された半導体素子と、
前記出力端子と接地端子との間に接続された容量と、を備え、
前記半導体素子は、
半導体基板と、
前記半導体基板に、前記カットオフ周波数に応じた長さの長辺と、前記長辺より短い短辺と、を有する形状で形成される音響波伝播層と、
少なくとも前記音響波伝播層の長辺方向の両端に形成される音響波反射層と、
前記音響波伝播層上に形成され、前記入力端子と電気的に接続される第１のコンタクトと、
前記音響波伝播層上に前記第１のコンタクトとは離れて形成され、前記出力端子と電気的に接続される第２のコンタクトと、を有することを特徴とする無線通信装置。
【請求項１１】
前記第１および第２のバンドパスフィルタのうちの少なくとも１つは、入力端子に入力される信号を、予め定めた中心周波数における信号成分の減衰量が極小となるように通過させて出力端子から出力するバンドパスフィルタであって、
前記入力端子と前記出力端子との間に接続された半導体素子と、
前記出力端子と接地端子との間に接続された抵抗と、を備え、
前記半導体素子は、
半導体基板と、
前記半導体基板に、前記カットオフ周波数に応じた長さの長辺と、前記長辺より短い短辺と、を有する形状で形成される音響波伝播層と、
少なくとも前記音響波伝播層の長辺方向の両端に形成される音響波反射層と、
前記音響波伝播層上に形成され、前記入力端子と電気的に接続される第１のコンタクトと、
前記音響波伝播層上に前記第１のコンタクトとは離れて形成され、前記出力端子と電気的に接続される第２のコンタクトと、を有することを特徴とする請求項７に記載の無線通信装置。
【請求項１２】
入力信号を、予め定めた周波数における信号成分の減衰量が所定量となるように、あるいは、前記予め定めた周波数における信号成分の減衰量が極小または極大となるように通過させて、出力するフィルタであって、
前記入力信号が入力される半導体素子を備え、
前記半導体素子は、
半導体基板と、
前記半導体基板に、前記カットオフ周波数に応じた長さの長辺と、前記長辺より短い短辺と、を有する形状で形成される音響波伝播層と、
少なくとも前記音響波伝播層の長辺方向の両端に形成される音響波反射層と、
前記音響波伝播層上に形成される第１のコンタクトと、を有することを特徴とするフィルタ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１３−９１５１（Ｐ２０１３−９１５１Ａ）
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４０４２５（Ｐ２０１１−１４０４２５）
【出願日】平成２３年６月２４日（２０１１．６．２４）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２４日（２０１１．６．２４）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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