CN110138356A - 一种高频声表面波谐振器及其制备方法 - Google Patents

一种高频声表面波谐振器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高频声表面波谐振器及其制备方法，所述高频声表面波谐振器包括：高波速支撑衬底，位于所述高波速支撑衬底上表面的压电膜，及位于所述压电膜上表面的顶电极；其中，所述高波速支撑衬底中传播的体波波速大于所述压电膜中传播的目标弹性波波速。通过本发明提供的高频声表面波谐振器及其制备方法，解决了现有声表面波谐振器的工作频率较低的问题。

Description

一种高频声表面波谐振器及其制备方法
技术领域
本发明属于微电子器件技术领域，特别是涉及一种高频声表面波谐振器及其制备方法。
背景技术
虽然声波谐振器(声波滤波器)被广泛应用于射频通信，但随着射频通信技术的不断发展，特别是5G通信的到来，其要求声波谐振器工作在更高频率。
现有声波谐振器主要分为声表面波谐振器和体声波谐振器两类，其中声表面波谐振器的工作频率一般低于3GHz，无法完全满足5G通信需求；因此，如何提高声表面波谐振器的工作频率是本领域技术人员迫切需要解决的技术问题。
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高频声表面波谐振器及其制备方法，用于解决现有声表面波谐振器的工作频率较低的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种高频声表面波谐振器，所述高频声表面波谐振器包括：高波速支撑衬底，位于所述高波速支撑衬底上表面的压电膜，及位于所述压电膜上表面的顶电极；其中，所述高波速支撑衬底中传播的体波波速大于所述压电膜中传播的目标弹性波波速。
可选地，所述压电膜激发的目标弹性波包括对称型兰姆波、反对称型兰姆波、剪切恒波或瑞利波，所述高波速支撑衬底中传播的体波波速大于所述压电膜激发的目标弹性波的本征波速。
可选地，所述压电膜激发的目标弹性波包括对称型兰姆波或反对称型兰姆波，同时所述高波速支撑衬底中传播的体波波速小于所述压电膜激发的目标弹性波的本征波速时，所述高频声表面波谐振器通过增加所述顶电极的厚度或提高所述顶电极的材料密度，以降低所述目标弹性波在所述压电膜中的传播速度，使所述高波速支撑衬底中传播的体波波速大于所述压电膜中传播的目标弹性波波速。
可选地，所述压电膜激发的目标弹性波包括对称型兰姆波或反对称型兰姆波，同时所述高波速支撑衬底中传播的体波波速小于所述压电膜激发的目标弹性波的本征波速时，所述高频声表面波谐振器还包括覆盖于所述压电膜及所述顶电极上表面的覆膜层，以降低所述目标弹性波在所述压电膜中的传播速度，使所述高波速支撑衬底中传播的体波波速大于所述压电膜中传播的目标弹性波波速。
可选地，所述压电膜的厚度与其激发的目标弹性波波长的比值小于2。
可选地，所述顶电极包括叉指电极、圆环形条状电极、扇形条状电极或多边形板状电极中的一种或多种组合。
可选地，在所述顶电极为叉指电极时，所述叉指电极中各叉指相互平行，且所述叉指垂直方向与所述目标弹性波的传播方向所成夹角小于20°。
可选地，所述高频声表面波谐振器还包括：位于所述高波速支撑衬底和所述压电膜之间的底电极。
可选地，所述高波速支撑衬底的材质包括：碳化硅、金刚石、类金刚石、蓝宝石、石英、硅或氮化铝，所述压电膜的材质包括：铌酸锂、铌酸钾、钽酸锂、氮化铝、石英或氧化锌。
可选地，所述高波速支撑衬底的热导率大于所述压电膜的热导率。
本发明还提供了一种高频声表面波谐振器的制备方法，所述制备方法包括：
提供一高波速支撑衬底；
于所述高波速支撑衬底的上表面形成压电膜；
于所述压电膜的上表面形成顶电极；
其中，所述高波速支撑衬底中传播的体波波速大于所述压电膜中传播的目标弹性波波速。
可选地，所述压电膜激发的目标弹性波包括对称型兰姆波或反对称型兰姆波，同时所述高波速支撑衬底中传播的体波波速小于所述压电膜激发的目标弹性波的本征波速时，所述制备方法还包括：于所述压电膜及所述顶电极的上表面形成覆膜层的步骤。
可选地，所述压电膜的厚度与其激发的目标弹性波波长的比值小于2。
可选地，所述顶电极包括叉指电极、圆环形条状电极、扇形条状电极或多边形板状电极中的一种或多种组合。
可选地，在所述顶电极为叉指电极时，所述叉指电极中各叉指相互平行，且所述叉指垂直方向与所述目标弹性波的传播方向所成夹角小于20°。
可选地，所述制备方法还包括：于所述高波速支撑衬底和所述压电膜之间形成底电极的步骤。
可选地，所述高波速支撑衬底的材质包括：碳化硅、金刚石、类金刚石、蓝宝石、石英、硅或氮化铝，所述压电膜的材质包括：铌酸锂、铌酸钾、钽酸锂、氮化铝、石英或氧化锌。
可选地，所述高波速支撑衬底的热导率大于所述压电膜的热导率。
如上所述，本发明的一种高频声表面波谐振器及其制备方法，具有以下有益效果：
本发明所述高频声表面波谐振器及其制备方法通过使所述高波速支撑衬底中传播的体波波速大于所述压电膜中传播的目标弹性波波速，以在所述压电膜激发高波速的对称型兰姆波或反对称型兰姆波时，利用具有更高波速的支撑衬底约束对称型兰姆波或反对称型兰姆波向所述支撑衬底传播，实现通过提高目标弹性波的波速来提高所述声表面波谐振器的谐振频率，同时使其保持较高的Q值；或在所述压电膜激发剪切恒波或瑞利波时，利用具有更高波速的支撑衬底与压电膜形成界面复合膜，通过剪切恒波或瑞利波在支撑衬底界面处的高波速提高压电膜中剪切恒波或瑞利波的整体传播波速，实现通过提高目标弹性波的波速来提高所述声表面波谐振器的谐振频率，同时使其保持较高的Q值。
本发明所述高频声表面波谐振器及其制备方法通过使所述压电膜的厚度与其激发的目标弹性波波长的比值小于2，以对所述目标弹性波进行色散补偿，从而激发更高波速的目标弹性波。
本发明所述高频声表面波谐振器及其制备方法通过使所述叉指电极中叉指垂直方向与所述目标弹性波的传播方向所成夹角小于20°，以抑制所述目标弹性波中平行叉指方向的杂波，从而进一步提高所述高频声表面波谐振器的机电耦合系数及Q值。
本发明所述高频声表面波谐振器及其制备方法通过使所述高波速支撑衬底的热导率大于所述压电膜的热导率，以减小所述高频声表面波谐振器的温度漂移，提高其温漂稳定性，同时提高其功率承受能力。
附图说明
图1显示为本发明所述高频声表面波谐振器的结构示意图。
图2显示为本发明所述高频声表面波谐振器中叉指电极的结构示意图。
图3显示为IHP-SAW结构声表面波谐振器纵深方向各质点在f1频率点的位移量。图4显示为HF-SAW结构声表面波谐振器纵深方向各质点在f2频率点的位移量。
图5显示为IHP-SAW结构声表面波谐振器和HF-SAW结构声表面波谐振器激发S0波时对应的导纳-频率响应对比曲线图。
图6显示为IHP-SAW结构声表面波谐振器和HF-SAW结构声表面波谐振器激发SH0波时对应的导纳-频率响应对比曲线图。
元件标号说明
100 高波速支撑衬底
200 压电膜
300 顶电极
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。
请参阅图1至图6。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，虽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形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
如图1所示，本实施例提供一种高频声表面波谐振器，所述高频声表面波谐振器包括：高波速支撑衬底，位于所述高波速支撑衬底上表面的压电膜，及位于所述压电膜上表面的顶电极；其中，所述高波速支撑衬底中传播的体波波速大于所述压电膜中传播的目标弹性波波速。
作为示例，所述高波速支撑衬底100的材质包括：碳化硅、金刚石、类金刚石、蓝宝石、石英、硅或氮化铝，所述压电膜200的材质包括：铌酸锂、铌酸钾、钽酸锂、氮化铝、石英或氧化锌。
为了满足所述高波速支撑衬底100中传播的体波波速大于所述压电膜200中传播的目标弹性波波速，在所述高波速支撑衬底100及所述压电膜200的材质匹配上，最好是直接选用波速较大的材质作为高波速支撑衬底100，相对波速较小的材质作为压电膜200，即高波速支撑衬底100中的波速大于压电膜200中的波速(如高波速支撑衬底100的材质选用金刚石，压电膜200的材质选用铌酸锂、钽酸锂、氮化铝或氧化锌，或高波速支撑衬底100的材质选用碳化硅，压电膜200的材质选用铌酸锂或钽酸锂，或高波速支撑衬底100的材质选用蓝宝石，压电膜200的材质选用钽酸锂或氧化锌等)；此时
在所述压电膜200激发的目标弹性波包括剪切恒波(SH波)或瑞利波(Rayleigh波)时，所述高波速支撑衬底100中传播的体波波速大于所述压电膜200激发的目标弹性波的本征波速。本示例中压电膜200激发的SH波或Rayleigh波在传输过程中，部分能量分布在压电膜中，部分能量分布在高波速支撑衬底100的界面处，因此高波速支撑衬底100的界面区域与压电膜200构成复合膜，而由于高波速支撑衬底100界面处SH波或Rayleigh波的波速大于压电膜中SH波或Rayleigh波的波速，复合膜中的等效波速大于压电膜中的波速，从而提高了SH波或Rayleigh波的波速；也就是说，本示例利用具有更高波速的支撑衬底与压电膜形成复合膜，通过SH波或Rayleigh波在支撑衬底界面处的高波速提高SH波或Rayleigh波的整体波速，从而实现通过提高SH波或Rayleigh波的波速来提高所述声表面波谐振器的谐振频率。
在所述压电膜200激发的目标弹性波包括对称型兰姆波(S波)或反对称型兰姆波(A波)时，所述高波速支撑衬底100中传播的体波波速大于所述压电膜200激发的目标弹性波的本征波速。本示例中虽然压电膜激发高波速的S波或A波，但由于高波速支撑衬底100中的波速大于压电膜200中的波速，故S波或A波从压电膜200向高波速支撑衬底100传输时，会被高波速支撑衬底100反射回至压电膜200，即S波或A波被很好地约束在压电膜200中；也就是说，本示例通过具有更高波速的支撑衬底约束高波速的S波或A波向所述支撑衬底传播，从而实现利用高波速的S波或A波来提高所述声表面波谐振器的谐振频率。当然，本示例也通过支撑衬底界面与压电膜形成复合膜，从而提高了S波或A波的波速。
当然，在实际应用中，也有可能选用波速较小的材质作为高波速支撑衬底100，相对波速较大的材质作为压电膜200，即高波速支撑衬底100中的波速略小于压电膜200中的波速(如高波速支撑衬底100的材质选用蓝宝石，压电膜200的材质选用铌酸锂等)；此时，在所述压电膜200激发的目标弹性波包括对称型兰姆波(S波)或反对称型兰姆波(A波)时，所述高波速支撑衬底100中传播的体波波速略小于所述压电膜200激发的目标弹性波的本征波速；而为了实现所述高波速支撑衬底100中传播的体波波速大于所述压电膜200中传播的目标弹性波波速，可通过增加所述顶电极300的厚度、提高所述顶电极300的材料密度或于所述压电膜200及所述顶电极300上表面形成覆膜层(如二氧化硅膜)，利用质量加载效应(mass load)以拉低S波或A波在压电膜200中的传播速度，从而使最终的所述高波速支撑衬底100中传播的体波波速大于所述压电膜200中传播的目标弹性波波速，同时利用高波速的S波或A波来提高所述声表面波谐振器的谐振频率。需要注意的是，为了提高声表面波谐振器的谐振频率，只有在高波速支撑衬底100中传播的体波波速略小于压电膜200激发的目标弹性波的本征波速时，才可通过本示例所述方法来降低压电膜200中目标弹性波的波速；若高波速支撑衬底100中传播的体波波速与压电膜200激发的目标弹性波的本征波速相差较大时，需将目标弹性波的波速降得很低才能满足高波速支撑衬底100中传播的体波波速大于压电膜200中传播的目标弹性波波速，但此时就无法通过提高目标弹性波的相对波速来提高声表面波谐振器的谐振频率了。
作为示例，在对所述高波速支撑衬底100及所述压电膜200进行材质匹配时，优选高波速支撑衬底100的热导率大于压电膜200的热导率，以提高器件散热性能，减小所述高频声表面波谐振器的温度漂移，即提高其温漂稳定性，同时提高其功率承受能力；而且由于本示例是利用高波速的目标弹性波提高声表面波谐振器的谐振频率，故压电膜的材质优选为波速大且声学损耗小的材料。在实际应用中，通常高波速支撑衬底的材质选用金刚石或碳化硅，但由于金刚石难以大尺寸加工且价格昂贵，故通常优选为碳化硅；所述压电膜虽然可以为单晶薄膜也可以为多晶薄膜，但考虑到波速和声学损耗，其通常优选为单晶薄膜。
作为示例，所述压电膜200的厚度与其激发的目标弹性波波长的比值小于2；进一步地，所述压电膜200的厚度与其激发的目标弹性波波长的比值小于1。本示例通过对压电膜厚度及其激发目标弹性波波长的比值设计，以对所述压电膜激发的目标弹性波进行色散补偿，从而激发更高波速的目标目标弹性波。
作为示例，所述顶电极300包括叉指电极、圆环形条状电极、扇形条状电极或多边形板状电极中的一种或多种组合。如图2所示，在所述顶电极300为叉指电极时，所述叉指电极中各叉指相互平行，且所述叉指垂直方向与所述目标弹性波的传播方向所成夹角α小于20°。本示例通过对所述叉指电极中叉指的垂直方向与所述目标弹性波的传播方向的角度设计，以抑制所述目标弹性波中平行叉指方向的杂波，从而进一步提高所述高频声表面波谐振器的机电耦合系数及Q值。
作为示例，所述高频声表面波谐振器还包括：位于所述高波速支撑衬底100和所述压电膜200之间的底电极。在实际应用中，可根据激发目标弹性波所需的压电常数分量及其方向来决定所述高频声表面波谐振器是否包括底电极；如所需压电膜200中压电常数分量分布于面内时，所述高频声表面波谐振器不包括底电极，此时通过顶电极300向压电膜200施加电场，以使所述压电膜200激发目标弹性波；所需压电膜200中压电常数分量分布于面外时，所述高频声表面波谐振器则包括底电极，此时通过顶电极300和底电极共同作用向压电膜200施加电场，以使所述压电膜200激发目标弹性波。
下面请参阅图1对本实施例所述高频声表面波谐振器的制备方法进行详细说明，其中所述制备方法包括：
1)提供一高波速支撑衬底100；
2)于所述高波速支撑衬底100的上表面形成压电膜200；
3)于所述压电膜200的上表面形成顶电极300；
其中，所述高波速支撑衬底100中传播的体波波速大于所述压电膜200中传播的目标弹性波波速。
作为示例，采用沉积工艺、外延工艺、离子束剥离工艺或键合工艺于所述高波速支撑衬底100的上表面形成所述压电膜200；当然，其它能够于所述高波速支撑衬底100的上表面形成所述压电膜200的工艺同样适用于本实施例，本实施例并不对形成所述压电膜200的具体工艺进行限制。其中所述高波速支撑衬底100的材质包括：碳化硅、金刚石、类金刚石、蓝宝石、石英、硅或氮化铝，所述压电膜200的材质包括：铌酸锂、铌酸钾、钽酸锂、氮化铝、石英或氧化锌。
为了满足所述高波速支撑衬底100中传播的体波波速大于所述压电膜200中传播的目标弹性波波速，在所述高波速支撑衬底100及所述压电膜200的材质匹配上，最好是直接选用波速较大的材质作为高波速支撑衬底100，相对波速较小的材质作为压电膜200，即高波速支撑衬底100中的波速大于压电膜200中的波速(如高波速支撑衬底100的材质选用金刚石，压电膜200的材质选用铌酸锂、钽酸锂、氮化铝或氧化锌，或高波速支撑衬底100的材质选用碳化硅，压电膜200的材质选用铌酸锂或钽酸锂，或高波速支撑衬底100的材质选用蓝宝石，压电膜200的材质选用钽酸锂或氧化锌等)；此时
在所述压电膜200激发的目标弹性波包括剪切恒波(SH波)或瑞利波(Rayleigh波)时，所述高波速支撑衬底100中传播的体波波速大于所述压电膜200激发的目标弹性波的本征波速。本示例中压电膜200激发的SH波或Rayleigh波在传输过程中，部分能量分布在压电膜中，部分能量分布在高波速支撑衬底100的界面处，因此高波速支撑衬底100的界面区域与压电膜200构成复合膜，而由于高波速支撑衬底100界面处SH波或Rayleigh波的波速大于压电膜中SH波或Rayleigh波的波速，复合膜中的等效波速大于压电膜中的波速，从而提高了SH波或Rayleigh波的波速；也就是说，本示例利用具有更高波速的支撑衬底与压电膜形成复合膜，通过SH波或Rayleigh波在支撑衬底界面处的高波速提高SH波或Rayleigh波的整体波速，从而实现通过提高SH波或Rayleigh波的波速来提高所述声表面波谐振器的谐振频率。
在所述压电膜200激发的目标弹性波包括对称型兰姆波(S波)或反对称型兰姆波(A波)时，所述高波速支撑衬底100中传播的体波波速大于所述压电膜200激发的目标弹性波的本征波速。本示例中虽然压电膜激发高波速的S波或A波，但由于高波速支撑衬底100中的波速大于压电膜200中的波速，故S波或A波从压电膜200向高波速支撑衬底100传输时，会被高波速支撑衬底100反射回至压电膜200，即S波或A波被很好地约束在压电膜200中；也就是说，本示例通过具有更高波速的支撑衬底约束高波速的S波或A波向所述支撑衬底传播，从而实现利用高波速的S波或A波来提高所述声表面波谐振器的谐振频率。当然，本示例也通过支撑衬底界面与压电膜形成复合膜，从而提高了S波或A波的波速。
当然，在实际应用中，也有可能选用波速较小的材质作为高波速支撑衬底100，相对波速较大的材质作为压电膜200，即高波速支撑衬底100中的波速略小于压电膜200中的波速(如高波速支撑衬底100的材质选用蓝宝石，压电膜200的材质选用铌酸锂等)；此时，在所述压电膜200激发的目标弹性波包括对称型兰姆波(S波)或反对称型兰姆波(A波)时，所述高波速支撑衬底100中传播的体波波速略小于所述压电膜200激发的目标弹性波的本征波速；而为了实现所述高波速支撑衬底100中传播的体波波速大于所述压电膜200中传播的目标弹性波波速，可通过增加所述顶电极300的厚度、提高所述顶电极300的材料密度或于所述压电膜200及所述顶电极300上表面形成覆膜层(如二氧化硅膜)，利用质量加载效应(mass load)以拉低S波或A波在压电膜200中的传播速度，从而使最终的所述高波速支撑衬底100中传播的体波波速大于所述压电膜200中传播的目标弹性波波速，同时利用高波速的S波或A波来提高所述声表面波谐振器的谐振频率。需要注意的是，为了提高声表面波谐振器的谐振频率，只有在高波速支撑衬底100中传播的体波波速略小于压电膜200激发的目标弹性波的本征波速时，才可通过本示例所述方法来降低压电膜200中目标弹性波的波速；若高波速支撑衬底100中传播的体波波速与压电膜200激发的目标弹性波的本征波速相差较大时，需将目标弹性波的波速降得很低才能满足高波速支撑衬底100中传播的体波波速大于压电膜200中传播的目标弹性波波速，但此时就无法通过提高目标弹性波的相对波速来提高声表面波谐振器的谐振频率了。
具体的，在对所述高波速支撑衬底100及所述压电膜200进行材质匹配时，优选高波速支撑衬底100的热导率大于压电膜200的热导率，以提高器件散热性能，减小所述高频声表面波谐振器的温度漂移，即提高其温漂稳定性，同时提高其功率承受能力；而且由于本示例是利用高波速的目标弹性波提高声表面波谐振器的谐振频率，故压电膜的材质优选为波速大且声学损耗小的材料。在实际应用中，通常高波速支撑衬底的材质选用金刚石或碳化硅，但由于金刚石难以大尺寸加工且价格昂贵，故通常优选为碳化硅；所述压电膜虽然可以为单晶薄膜也可以为多晶薄膜，但考虑到波速和声学损耗，其通常优选为单晶薄膜。
具体的，所述压电膜200的厚度与其激发的目标弹性波波长的比值小于2；进一步地，所述压电膜200的厚度与其激发的目标弹性波波长的比值小于1。本示例通过对压电膜厚度及其激发目标弹性波波长的比值设计，以对所述压电膜激发的目标弹性波进行色散补偿，从而激发更高波速的目标弹性波。
作为示例，形成所述顶电极300的方法包括：
3.1)于所述压电膜200的上表面形成金属材料层，之后于所述金属材料层的上表面形成光刻胶层；
3.2)对所述光刻胶层进行图形化处理，以于所述金属材料层的上表面形成光刻图形；
3.3)以所述光刻图形为刻蚀掩膜，对所述金属材料层进行刻蚀，以于所述压电膜的上表面形成顶电极。
具体的，所述顶电极300包括叉指电极、圆环形条状电极、扇形条状电极或多边形板状电极中的一种或多种组合。如图2所示，在所述顶电极300为叉指电极时，所述叉指电极中各叉指相互平行，且所述叉指垂直方向与所述目标弹性波的传播方向所成夹角α小于20°。本示例通过对所述叉指电极中叉指的垂直方向与所述目标弹性波的传播方向的角度设计，以抑制所述目标弹性波中平行叉指方向的杂波，从而进一步提高所述高频声表面波谐振器的机电耦合系数及Q值。
作为示例，所述制备方法还包括：于所述高波速支撑衬底100和所述压电膜200之间形成底电极的步骤。在实际应用中，可根据激发目标弹性波所需的压电常数分量及其方向来决定所述高频声表面波谐振器中是否形成底电极；如所需压电膜200中压电常数分量分布于面内时，所述高频声表面波谐振器中无需形成底电极，此时通过顶电极300向压电膜200施加电场，以使所述压电膜200激发目标弹性波；所需压电膜200中压电常数分量分布于面外时，所述高频声表面波谐振器中则需要形成底电极，此时通过顶电极300和底电极共同作用向压电膜200施加电场，以使所述压电膜200激发目标弹性波。
下面通过有限元仿真，对本实施例所述高频声表面波谐振器的性能进行说明；其中以碳化硅为支撑衬底、以铌酸锂单晶薄膜(500纳米)为压电膜的声表面波谐振器为示例(即LiNbO3/SiC结构，也称HF-SAW结构)，以硅为支撑衬底、以铌酸锂单晶薄膜(500纳米)为压电膜、且支撑衬底与压电膜之间形成有二氧化硅层(500纳米)的声表面波谐振器为对比示例(即LiNbO3/SiO2/Si结构，也称IHP-SAW结构)。
通过调整施加于压电膜上的电场分布，在压电膜中激发波长为2μm的S0波；其中S0波在LiNbO3中的波速约为6400m/s，同时大于SiO2和Si中的体波波速，小于SiC中最慢的体波波速(约7160m/s)。对上述两个结构进行能量分布对比及导纳-频率响应对比，仿真结果如下：
对于IHP-SAW结构，如图3所示，在压电膜中激发的S0波的振动能量向支撑衬底泄露严重，使得IHP-SAW结构的声表面波谐振器无法形成有效谐振。图3表示IHP-SAW结构纵深方向A1点到D1点连线上各质点在图5中f1频率点的位移量，观察发现，LiNbO3薄膜(A1-B1区域)中质点位移量与SiO2薄膜(B1-C1区域)中质点位移量、Si衬底(C1-D1区域)中质点位移量相差不大，也就是说LiNbO3薄膜中激发的S0波的振动能量大量泄漏到SiO2/Si构成的复合衬底。
对于HF-SAW结构，如图4所示，由于SiC中最慢的体波波速大于LiNbO3中S0波波速，因此S0波的振动能量被有效约束在LiNbO3薄膜中和LiNbO3/SiC界面，难以向支撑衬底泄露，从而使得LL-SAW结构的声表面波谐振器可以形成有效谐振。图4表示HF-SAW结构纵深方向A2点到C2点连线上各质点在图5中f2频率点的位移量，观察发现，LiNbO3薄膜(A2-B2区域)中质点位移量远远大于SiC衬底(B2-C2)区域中质点位移量(SiC衬底中质点位移量约为0)，也就是说LiNbO3薄膜中激发的S0波的振动能量几乎完全被约束在LiNbO3薄膜中和LiNbO3/SiC界面，形成良好谐振的同时具有很高的Q值。
图5为上述两结构激发S0波时对应的导纳-频率响应对比，由图5可知，HF-SAW结构中激发的S0波能够形成有效谐振，谐振点为f2，反谐振点为f3(具体如图5中曲线2所示)；IHP-SAW结构中激发的S0波严重泄漏到衬底，无法形成有效谐振，转而形成各类杂散波(具体如图5中曲线1所示)。
通过调整施加于压电膜上的电场分布，在压电膜中激发波长为2μm的SH0波；图6为上述两结构激发SH0波时对应的导纳-频率响应对比。由图6可知，IHP-SAW结构激发的SH0波波速约为3788m/s，对应谐振频率f1为1894MHz(具体如图6中曲线1所示)；而HF-SAW结构激发的SH0波波速增加到4800m/s，对应的谐振频率f3提高到2400MHz(具体如图6中曲线2所示)，也就是说，HF-SAW结构能够提高SH0波波速。同时由图6还可知，谐振频率点f3对应的谐振峰比谐振频率点f1对应的谐振峰尖锐，说明谐振频率点f3处Q值更高，也即HF-SAW在提高SH0波波速的同时保持更高的Q值。
由此可见，通过利用压电膜激发高波速的S0波，同时利用具有更高波速的支撑衬底约束高波速的S0波向所述支撑衬底传播，从而实现利用高波速的S0波来提高所述声表面波谐振器的谐振频率；即使压电膜激发的是波速低于S波、A波的SH0波，所述高频声表面波谐振器依然可以利用具有更高波速的支撑衬底与压电膜形成复合膜，通过SH0波在支撑衬底界面处的高波速提高SH0波的整体波速，从而实现通过提高SH0的波速来提高所述声表面波谐振器的谐振频率。
综上所述，本发明的一种高频声表面波谐振器及其制备方法，具有以下有益效果：本发明所述高频声表面波谐振器及其制备方法通过使所述高波速支撑衬底中传播的体波波速大于所述压电膜中传播的目标弹性波波速，以在所述压电膜激发高波速的对称型兰姆波或反对称型兰姆波时，利用具有更高波速的支撑衬底约束对称型兰姆波或反对称型兰姆波向所述支撑衬底传播，实现通过提高目标弹性波的波速来提高所述声表面波谐振器的谐振频率，同时使其保持较高的Q值；或在所述压电膜激发剪切恒波或瑞利波时，利用具有更高波速的支撑衬底与压电膜形成界面复合膜，通过剪切恒波或瑞利波在支撑衬底界面处的高波速提高压电膜中剪切恒波或瑞利波的整体传播波速，实现通过提高目标弹性波的波速来提高所述声表面波谐振器的谐振频率，同时使其保持较高的Q值。本发明所述高频声表面波谐振器及其制备方法通过使所述压电膜的厚度与其激发的目标弹性波波长的比值小于2，以对所述目标弹性波进行色散补偿，从而激发更高波速的目标弹性波。本发明所述高频声表面波谐振器及其制备方法通过使所述叉指电极中叉指垂直方向与所述目标弹性波的传播方向所成夹角小于20°，以抑制所述目标弹性波中平行叉指方向的杂波，从而进一步提高所述高频声表面波谐振器的机电耦合系数及Q值。本发明所述高频声表面波谐振器及其制备方法通过使所述高波速支撑衬底的热导率大于所述压电膜的热导率，以减小所述高频声表面波谐振器的温度漂移，提高其温漂稳定性，同时提高其功率承受能力。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。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 (18)

1.一种高频声表面波谐振器，其特征在于，所述高频声表面波谐振器包括：高波速支撑衬底，位于所述高波速支撑衬底上表面的压电膜，及位于所述压电膜上表面的顶电极；其中，所述高波速支撑衬底中传播的体波波速大于所述压电膜中传播的目标弹性波波速。
2.根据权利要求1所述的高频声表面波谐振器，其特征在于，所述压电膜激发的目标弹性波包括对称型兰姆波、反对称型兰姆波、剪切恒波或瑞利波，所述高波速支撑衬底中传播的体波波速大于所述压电膜激发的目标弹性波的本征波速。
3.根据权利要求1所述的高频声表面波谐振器，其特征在于，所述压电膜激发的目标弹性波包括对称型兰姆波或反对称型兰姆波，同时所述高波速支撑衬底中传播的体波波速小于所述压电膜激发的目标弹性波的本征波速时，所述高频声表面波谐振器通过增加所述顶电极的厚度或提高所述顶电极的材料密度，以降低所述目标弹性波在所述压电膜中的传播速度，使所述高波速支撑衬底中传播的体波波速大于所述压电膜中传播的目标弹性波波速。
4.根据权利要求1所述的高频声表面波谐振器，其特征在于，所述压电膜激发的目标弹性波包括对称型兰姆波或反对称型兰姆波，同时所述高波速支撑衬底中传播的体波波速小于所述压电膜激发的目标弹性波的本征波速时，所述高频声表面波谐振器还包括覆盖于所述压电膜及所述顶电极上表面的覆膜层，以降低所述目标弹性波在所述压电膜中的传播速度，使所述高波速支撑衬底中传播的体波波速大于所述压电膜中传播的目标弹性波波速。
5.根据权利要求1至4任一项所述的高频声表面波谐振器，其特征在于，所述压电膜的厚度与其激发的目标弹性波波长的比值小于2。
6.根据权利要求1所述的高频声表面波谐振器，其特征在于，所述顶电极包括叉指电极、圆环形条状电极、扇形条状电极或多边形板状电极中的一种或多种组合。
7.根据权利要求6所述的高频声表面波谐振器，其特征在于，在所述顶电极为叉指电极时，所述叉指电极中各叉指相互平行，且所述叉指垂直方向与所述目标弹性波的传播方向所成夹角小于20°。
8.根据权利要求1所述的高频声表面波谐振器，其特征在于，所述高频声表面波谐振器还包括：位于所述高波速支撑衬底和所述压电膜之间的底电极。
9.根据权利要求1所述的高频声表面波谐振器，其特征在于，所述高波速支撑衬底的材质包括：碳化硅、金刚石、类金刚石、蓝宝石、石英、硅或氮化铝，所述压电膜的材质包括：铌酸锂、铌酸钾、钽酸锂、氮化铝、石英或氧化锌。
10.根据权利要求9所述的高频声表面波谐振器，其特征在于，所述高波速支撑衬底的热导率大于所述压电膜的热导率。
11.一种高频声表面波谐振器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
提供一高波速支撑衬底；
于所述高波速支撑衬底的上表面形成压电膜；
于所述压电膜的上表面形成顶电极；
其中，所述高波速支撑衬底中传播的体波波速大于所述压电膜中传播的目标弹性波波速。
12.根据权利要求11所述的高频声表面波谐振器的制备方法，其特征在于，所述压电膜激发的目标弹性波包括对称型兰姆波或反对称型兰姆波，同时所述高波速支撑衬底中传播的体波波速小于所述压电膜激发的目标弹性波的本征波速时，所述制备方法还包括：于所述压电膜及所述顶电极的上表面形成覆膜层的步骤。
13.根据权利要求11或12所述的高频声表面波谐振器的制备方法，其特征在于，所述压电膜的厚度与其激发的目标弹性波波长的比值小于2。
14.根据权利要求11所述的高频声表面波谐振器的制备方法，其特征在于，所述顶电极包括叉指电极、圆环形条状电极、扇形条状电极或多边形板状电极中的一种或多种组合。
15.根据权利要求14所述的高频声表面波谐振器的制备方法，其特征在于，在所述顶电极为叉指电极时，所述叉指电极中各叉指相互平行，且所述叉指垂直方向与所述目标弹性波的传播方向所成夹角小于20°。
16.根据权利要求11所述的高频声表面波谐振器的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：于所述高波速支撑衬底和所述压电膜之间形成底电极的步骤。
17.根据权利要求11所述的高频声表面波谐振器的制备方法，其特征在于，所述高波速支撑衬底的材质包括：碳化硅、金刚石、类金刚石、蓝宝石、石英、硅或氮化铝，所述压电膜的材质包括：铌酸锂、铌酸钾、钽酸锂、氮化铝、石英或氧化锌。
18.根据权利要求17所述的高频声表面波谐振器的制备方法，其特征在于，所述高波速支撑衬底的热导率大于所述压电膜的热导率。
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