CN116248067A - 体声波谐振器的调谐方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种体声波谐振器的调谐方法，体声波谐振器的调谐方法包括：压电薄膜包括n层极性压电薄膜，任意相邻两层的极性压电薄膜的极性相反，其中，n≥2；通过固定压电薄膜的总厚度，改变不同极性的极性压电薄膜的层数。极性压电薄膜层数越多，越能激发更高阶谐振模式，谐振频率越大；体声波谐振器的调谐方法利用分层制备极性相反的极性压电薄膜，在不降低压电薄膜总厚度或引入过渡电极的条件下提高谐振器谐振频率，激发更高阶谐振模式，简化工艺，降低对工艺及设备要求的同时，提高滤波器工作频率。
Description
技术领域
本发明涉及微电子器件技术领域，特别是涉及一种体声波谐振器的调谐方法。
背景技术
随着无线通信技术的发展，电子技术向5G迈进并朝向更小、更轻、更薄的方向发展。压电射频(RF)微机电系统(MEMS)谐振器已经被用来作为射频系统前端以实现选频和抑制干扰功能，其工作原理是利用压电薄膜实现机械能和电能的转换。
目前，无线数据传输需要射频滤波器拥有5GHz或者更高的工作频率，应用于5G通信中的滤波器主要是体声波滤波器(Bulk Acoustic Wave，BAW)和声表面波滤波器(Surface Acoustic Wave，SAW)。BAW器件具有极高的Q值(4000以上)，工作频段范围为100MHz～20GHz，具有高工作频率、低插入损耗、高频率选择特性、高功率容量和强抗静电能力等优点，是未来射频前端的最佳解决方案。
由于传统单层体声波谐振器的谐振频率与纵向声速和薄膜厚度的比值正相关，这意味着在5G的更高频频段所应用的滤波器压电薄膜的厚度将更小，对薄膜晶体质量和工艺精度要求更高。在现有的一些其他解决方案包括采用铁电材料堆叠，利用施加偏压调控材料极性调谐，但此方法要求不同层铁电材料间生长用于施加偏压的过渡电极，晶体质量的下降或过渡电极的引入都会导致薄膜谐振器的功率处理能力、机电耦合系数和Q值下降。
应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的，不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
鉴于以上，有必要提供一种体声波谐振器的调谐方法，提高谐振器的频率，以解决现有技术中薄膜谐振器的功率处理能力、机电耦合系数和Q值下降的问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种体声波谐振器的调谐方法，提高谐振器的频率，以解决现有技术中薄膜谐振器的功率处理能力、机电耦合系数和Q值下降的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种体声波谐振器的调谐方法，体声波谐振器包括压电薄膜以及位于所述压电薄膜上下表面的第一电极及第二电极，所述体声波谐振器的调谐方法包括：
所述压电薄膜包括n层极性压电薄膜，任意相邻两层的所述极性压电薄膜的极性相反，其中，n≥2；
通过固定所述压电薄膜的总厚度，改变不同极性的所述极性压电薄膜的层数。
可选地，所述极性压电薄膜的单层厚度不小于50nm；所述压电薄膜的总厚度范围为100nm～4000nm。
可选地，不同极性的所述极性压电薄膜的厚度相同。
可选地，不同极性的所述极性压电薄膜的厚度不相同。
可选地，通过固定所述极性压电薄膜的层数，改变不同层的厚度比。
可选地，所述极性压电薄膜的材料为AlN、AlxGa(1-x)N、ScxAl(1-x)N、LiNbO3、PZT、PbTiO3及ZnO中的任意一种，其中，x、y均大于等于0且小于等于1。
可选地，不同极性的所述极性压电薄膜的材料相同。
可选地，不同极性的所述极性压电薄膜的材料不相同。
可选地，所述第一电极的材料为Au、Ag、Ru、W、Mo、Ir、Al、Pt、Nb及Hf中的任意一种或两种及以上的组合，所述第一电极的材料的厚度范围为100nm～300nm。
可选地，所述第二电极的材料为Au、Ag、Ru、W、Mo、Ir、Al、Pt、Nb及Hf中的任意一种或两种及以上的组合；所述第二电极的材料的厚度范围为100nm～300nm。
如上所述，本发明的体声波谐振器的调谐方法，具有以下有益效果：
本发明提出一种体声波谐振器的调谐方法，所述体声波谐振器包括压电薄膜以及位于所述压电薄膜上下表面的第一电极及第二电极，所述压电薄膜又包括n层极性压电薄膜，所述极性压电薄膜层数越多，越能激发更高阶谐振模式，谐振频率越大；所述体声波谐振器的调谐方法利用分层制备极性相反的所述极性压电薄膜，在不降低所述压电薄膜总厚度或引入过渡电极的条件下提高谐振器谐振频率，激发更高阶谐振模式，简化工艺，降低对工艺及设备要求的同时，提高滤波器工作频率。
附图说明
图1显示为本发明的体声波谐振器的结构示意图。
图2显示为本发明的体声波谐振器的COMSOL仿真结果图。
图3显示为本发明的实验组一的结构示意图。
图4显示为本发明的实验组一的COMSOL仿真结果图。
图5显示为本发明的实验组二的结构示意图。
图6显示为本发明的实验组二的COMSOL仿真结果图。
图7显示为本发明的实验组三的结构示意图。
图8显示为本发明的实验组三的COMSOL仿真结果图。
元件标号说明
11第一电极
22、25、28第二极性压电薄膜
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。
为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个结构或特征与其他结构或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。本文使用的“介于……之间”表示包括两端点值。
在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
请参阅图1至图8。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
在传统单层压电薄膜谐振器中，由于体声波谐振器的谐振频率与纵向声速和薄膜厚度的比值正相关，这意味着在5G的更高频频段所应用的滤波器压电薄膜的厚度将更小，对薄膜晶体质量要求更高的同时会导致薄膜BAW谐振器的功率处理能力、机电耦合系数和Q值下降，现在急需寻找其他调控手段提高谐振器的频率；此外，此前相关极性反转工作大都基于材料的铁电性，需要在压电薄膜层之间生长电极，利用偏压的方法调控材料极性改变，这样的情况工艺过于复杂，成本也相对较高。
发明人基于以上发现并经过研究分析，提出一种体声波谐振器的调谐方法，以实现在不降低压电薄膜总厚度或引入过渡电极的条件下提高谐振器谐振频率，以解决现有技术中薄膜谐振器的功率处理能力、机电耦合系数和Q值下降的问题。
实施例一
本实施例提供一种体声波谐振器，所述体声波谐振器包括：
压电薄膜以及位于所述压电薄膜上下表面的第一电极11及第二电极12；
所述压电薄膜包括n层极性压电薄膜，任意相邻两层的所述极性压电薄膜的极性相反，其中，n≥2。
所述体声波谐振器包括压电薄膜以及位于所述压电薄膜上下表面的第一电极11及第二电极12，所述压电薄膜又包括n层极性压电薄膜，所述极性压电薄膜层数越多，越能激发更高阶谐振模式，谐振频率越大。
作为示例，所述极性压电薄膜的材料为AlN、AlxGa(1-x)N、ScxAl(1-x)N、LiNbO3、PZT、PbTiO3及ZnO中的任意一种，其中，x、y均大于等于0且小于等于1；所述极性压电薄膜的单层厚度不小于50nm，例如，可以为50nm、100nm、200nm、300nm、400nm、500nm；所述压电薄膜的总厚度范围为100nm～4000nm，例如，可以为100nm、500nm、1000nm、1500nm、2000nm、2500nm、3000nm、3500nm、4000nm。
如图1所示，本实施例中，n采用为2，也即所述压电薄膜依次包括第一极性压电薄膜21及第二极性压电薄膜22，所述第一极性压电薄膜21与所述第二极性压电薄膜22的极性相反，所述第一极性压电薄膜21与所述第二极性压电薄膜22的材料也均选择相反极性的AlN，单晶AlN，可以提高所述压电薄膜的晶体质量，从而可以进一步提高谐振器的谐振性能。本实施例中，所述极性压电薄膜的单层厚度均为500nm，也即所述第一极性压电薄膜21与所述第二极性压电薄膜22的厚度均为500nm，所述压电薄膜的总厚度为1000nm。
这里需要说明的是，所述极性压电薄膜的数量n可以在满足所述压电薄膜的总厚度的情况下的任意数，每层所述极性压电薄膜的材料可以呈规则性循环堆叠，也可以呈任意材料堆叠，只要保证任意相邻两层的极性相反即可。
作为示例，所述第一电极11的材料为Au、Ag、Ru、W、Mo、Ir、Al、Pt、Nb及Hf中的任意一种或两种及以上的组合，所述第一电极11的材料的厚度范围为100nm～300nm，例如可以为100nm、200nm、300nm。本实施例中，所述第一电极11的材料优先采用为Mo，厚度为200nm。
所述第一电极11的形状包括但不限于圆、椭圆、方形、多边形、鸭蛋型等的规则或不规则形状，具体所述第一电极11的形状及大小可根据实际需要进行设置，在此不做限制。
作为示例，所述第二电极12的材料为Au、Ag、Ru、W、Mo、Ir、Al、Pt、Nb及Hf中的任意一种或两种及以上的组合，所述第二电极12的材料的厚度范围为100nm～300nm，例如可以为100nm、200nm、300nm。本实施例中，所述第二电极12的材料选择与所述第一电极11相同，均为Mo，厚度为200nm。所述第二电极12与所述压电薄膜以及所述第一电极11形成谐振器核心区域。
所述第二电极12的形状包括但不限于圆、椭圆、方形、多边形、鸭蛋型等的规则或不规则形状，具体所述第二电极12的形状及大小可根据实际所述第一电极11进行配合设置，在此不做限制。
实施例二
本实施例提供一种体声波谐振器的调谐方法，用于调谐实施例一中所述体声波谐振器的频率，所述体声波谐振器的调谐方法包括：通过固定所述压电薄膜的总厚度，改变不同极性的所述极性压电薄膜的层数。
固定所述压电薄膜的总厚度，改变不同极性的所述极性压电薄膜的层数，可以改变不同阶数谐振峰振幅。所述体声波谐振器的调谐方法利用分层制备极性相反的所述极性压电薄膜，在不降低所述压电薄膜总厚度或引入过渡电极的条件下提高谐振器谐振频率，激发更高阶谐振模式，简化工艺，降低对工艺及设备要求的同时，提高滤波器工作频率。
作为示例，不同极性的所述极性压电薄膜的厚度相同，不同极性的所述极性压电薄膜的材料相同。
以实施例一做为对比组，所述体声波谐振器的所述压电薄膜的总厚度为1000nm，所述第一极性压电薄膜21与所述第二极性压电薄膜22的单层厚度均为500nm，材料也均为相反极性的AlN，所述第一电极11及所述第二电极12的厚度均为200nm，材料也均为Mo。
图2为实施例一，也即图1的COMSOL仿真结果，由仿真结果可知，对比组的最强谐振峰在6GHz附近，也即对比组的体声波谐振器的工作频段可以在6GHz附近。
图3及图4为是实验组一的体声波谐振器的结构及其COMSOL仿真结果，所述压电薄膜总厚度及所述第一电极11与所述第二电极12均与对比组相同，不同之处在于所述压电薄膜只包括材料为AlN的所述第一极性压电薄膜23。由图4可以看出，实验组一的最强谐振峰在3GHz附近，也即对比组的体声波谐振器的工作频段可以在3GHz附近。
图5及图6为是实验组二的体声波谐振器的结构及其COMSOL仿真结果，所述压电薄膜总厚度及所述第一电极11与所述第二电极12均与对比组相同，不同之处在于所述压电薄膜包括三层厚度相同的极性压电薄膜，单层厚度均近似为333nm，其材料均为AlN，三层极性压电薄膜分别为所述第一极性压电薄膜24、所述第二极性压电薄膜25及所述第一极性压电薄膜26堆叠，且所述第一极性压电薄膜24与所述第二极性压电薄膜25极性相反，所述第二极性压电薄膜25与所述第一极性压电薄膜26极性相反。由图6可以看出，实验组二的最强谐振峰在18GHz附近，也即实验组二的体声波谐振器的工作频段可以在18GHz附近。
由对比组、实验组一及实验组二的COMSOL仿真结果的最强谐振峰可知，实验组一的体声波谐振器的工作频段可以在3GHz附近，对比组的体声波谐振器的工作频段可以在6GHz附近，实验组二的体声波谐振器的工作频段可以在18GHz附近。所述体声波谐振器的所述极性压电薄膜的层数越多，也就可激发更高阶谐振模式，谐振频率也越大。
作为示例，不同极性的所述极性压电薄膜的厚度不相同，通过固定所述极性压电薄膜的层数，改变不同层的厚度比，不同极性的所述极性压电薄膜的材料不相同。
图7及图8为是实验组三的体声波谐振器的结构及其COMSOL仿真结果，所述压电薄膜总厚度及所述第一电极11与所述第二电极12与对比组相同，不同之处在于所述压电薄膜包括两层厚度不相同的极性压电薄膜，分别为700nm厚度，材料为AlN的第一极性压电薄膜27，与300nm厚度，材料为Sc0.7Al0.3N的第二极性压电薄膜28。由图8可以看出，实验组三的最强谐振峰在6GHz附近，也即对比组的体声波谐振器的工作频段可以在6GHz附近。
由对比组及实验组三的COMSOL仿真结果可知，对比组的体声波谐振器的工作频段可以在6GHz附近，实验组三的体声波谐振器的工作频段也可以在6GHz附近。
当所述体声波谐振器的各极性压电薄膜的厚度不相同，材料也不相同时，并不影响所述体声波谐振器的所述极性压电薄膜的层数越多，可激发更高阶谐振模式，谐振频率也越大的结果。
这里需要说明的是，不同极性压电薄膜的厚度与极性压电薄膜材料的压电系数有关，可以在固定所述极性压电薄膜的层数，通过适当的调节极性压电薄膜的厚度比及材料，细致调谐对应体声波谐振器的频率，具体厚度比及材料的设置可根据实际需要进行设置，在此不做限制。
综上所述，本发明提出一种体声波谐振器的调谐方法，所述体声波谐振器的调谐方法包括：所述压电薄膜包括n层极性压电薄膜，任意相邻两层的所述极性压电薄膜的极性相反，其中，n≥2；通过固定所述压电薄膜的总厚度，改变不同极性的所述极性压电薄膜的层数。所述极性压电薄膜层数越多，越能激发更高阶谐振模式，谐振频率越大；所述体声波谐振器的调谐方法利用分层制备极性相反的所述极性压电薄膜，在不降低所述压电薄膜总厚度或引入过渡电极的条件下提高谐振器谐振频率，激发更高阶谐振模式，简化工艺，降低对工艺及设备要求的同时，提高滤波器工作频率。
因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种体声波谐振器的调谐方法，体声波谐振器包括压电薄膜以及位于所述压电薄膜上下表面的第一电极及第二电极，其特征在于，所述体声波谐振器的调谐方法：
所述压电薄膜包括n层极性压电薄膜，任意相邻两层的所述极性压电薄膜的极性相反，其中，n≥2；
通过固定所述压电薄膜的总厚度，改变不同极性的所述极性压电薄膜的层数。
2.根据权利要求1所述的体声波谐振器的调谐方法，其特征在于：所述极性压电薄膜的单层厚度不小于50nm；所述压电薄膜的总厚度范围为100nm～4000nm。
3.根据权利要求1所述的体声波谐振器的调谐方法，其特征在于：不同极性的所述极性压电薄膜的厚度相同。
4.根据权利要求1所述的体声波谐振器的调谐方法，其特征在于：不同极性的所述极性压电薄膜的厚度不相同。
5.根据权利要求4所述的体声波谐振器的调谐方法，其特征在于：通过固定所述极性压电薄膜的层数，改变不同层的厚度比。
6.根据权利要求1所述的体声波谐振器的调谐方法，其特征在于：所述极性压电薄膜的材料为AlN、AlxGa(1-x)N、ScxAl(1-x)N、LiNbO3、PZT、PbTiO3及ZnO中的任意一种，其中，x、y均大于等于0且小于等于1。
7.根据权利要求1所述的体声波谐振器的调谐方法，其特征在于：不同极性的所述极性压电薄膜的材料相同。
8.根据权利要求1所述的体声波谐振器的调谐方法，其特征在于：不同极性的所述极性压电薄膜的材料不相同。
9.根据权利要求1所述的体声波谐振器的调谐方法，其特征在于：所述第一电极的材料为Au、Ag、Ru、W、Mo、Ir、Al、Pt、Nb及Hf中的任意一种或两种及以上的组合，所述第一电极的材料的厚度范围为100nm～300nm。
10.根据权利要求1所述的体声波谐振器的调谐方法，其特征在于：所述第二电极的材料为Au、Ag、Ru、W、Mo、Ir、Al、Pt、Nb及Hf中的任意一种或两种及以上的组合；所述第二电极的材料的厚度范围为100nm～300nm。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Citations (5)
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|---|---|---|---|---|
| US20170288121A1 (en) * | 2016-03-31 | 2017-10-05 | Avago Technologies General Ip (Singapore) Pte. Ltd | Acoustic resonator including composite polarity piezoelectric layer having opposite polarities |
| CN216959824U (zh) * | 2021-12-31 | 2022-07-12 | 河源市艾佛光通科技有限公司 | 一种高带宽空腔型薄膜体声波谐振器 |
| CN217116045U (zh) * | 2022-01-27 | 2022-08-02 | 河源市艾佛光通科技有限公司 | 一种高带宽硅反面刻蚀型薄膜体声波谐振器 |
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2023
- 2023-03-10 CN CN202310229595.7A patent/CN116248067A/zh active Pending
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