CN114124021A - 一种弹性波谐振器及多通带滤波器 - Google Patents

Abstract

本申请实施例所公开的一种弹性波谐振器及多通带滤波器，弹性波谐振器包括衬底、第一电极层、压电薄膜和第二电极层。其中，压电薄膜包括多个刻蚀区域和多个非刻蚀区域，刻蚀区域的深度与压电薄膜厚度的比值在区间[0.4,1)内，相邻两个刻蚀区域间的中心间距与压电薄膜厚度的比值在区间[0.4,1.25]内，第一电极层设置在衬底上，压电薄膜设置在第一电极层上，第二电极层设置在压电薄膜上，并以第二层电极为掩膜版对压电薄膜进行部分刻蚀。谐振器在较大的频率区间内可以获得多个无杂散模式、大机电耦合系数的谐振。基于本申请实施例通过调整压电薄膜的刻蚀尺寸和刻蚀深度，可以改变谐振频率和机电耦合系数，可搭建多通带滤波器。

Description

一种弹性波谐振器及多通带滤波器

技术领域

本发明涉及微电子器件领域，尤其涉及一种弹性波谐振器及多通带滤波器。

背景技术

随着移动通信技术的不断发展，5G时代所使用的电磁波频段将继续朝向着高频、大带宽发展。射频声学滤波器具有高带外抑制，低***损耗、小器件尺寸以及低制造成本等优势，被认为是目前Sub-6GHz移动射频前端的最佳器件，主要包括表面声波滤波器SAW和体波滤波器BAW。滤波器是由多个谐振器基于拓扑结构级联、桥接或耦合构成的，其中，级联是最为常用的方式，例如梯形滤波器。

成熟的5G技术将新增50个以上的通信频段，届时全球2G/3G/4G/5G共计能够支持91个频段。在通常情况下，每个滤波器具有特定的通带频率响应特性。为支撑更多的频段，可以将多个滤波器并联获取单个滤波器的特性相加的多通道综合特性，然而，将多个滤波器并联会增加滤波器的数量，不利于射频前端的微型化与集成化。另一种更佳的方法是利用多模式谐振器通过级联、桥联等方式得到多通带滤波器，与前一种方法相比，大大减少了滤波器的数量，降低了滤波器的尺寸。

声学谐振器的机电耦合系数与压电材料的压电系数绝对值呈正相关，SAW谐振器的机电耦合系数主要与压电系数|e_1i|(i＝1,5,6)相关。由于压电材料的各向异性，在一个固定传播方向上各压电系数绝对值均为较大数值，因此难以在各个声波模式均得到较大的机电耦合系数。体波滤波器BAW通常使用氮化铝AlN作为压电材料，由于其压电系数较小，难以实现超过10％的机电耦合系数，无法满足5G时代大带宽的要求。

发明内容

本申请实施例了提供一种弹性波谐振器及多通带滤波器，弹性波谐振器在较大的频率区间内可以获得多个无杂散模式、大机电耦合系数的谐振。弹性波谐振器的谐振频率和机电耦合系数可通过光刻尺寸和刻蚀深度改变，可形成多通带滤波器。

本申请实施例提供了一种弹性波谐振器，该弹性波谐振器包括：衬底、第一电极层、压电薄膜和第二电极层；

压电薄膜包括多个刻蚀区域和多个非刻蚀区域，刻蚀区域的深度与非刻蚀区域的深度的比值在区间[0.4,1)内，相邻两个刻蚀区域间的中心间距与非刻蚀区域的深度的比值在区间[0.4,1.25]内；

第一电极层设置在衬底上；

压电薄膜设置在第一电极层上；

第二电极层设置在压电薄膜的非刻蚀区域上。

进一步地，第一电极层的材料为铝、钨、铬、钛、铜、银、钼、金中至少一种。

进一步地，第二电极层的材料为镍、钨、铬、钛、铝中至少一种。

进一步地，压电薄膜的材料为铌酸锂或钽酸锂。

进一步地，压电薄膜的切型为X切型。

进一步地，衬底的材料包括但不限于金刚石、碳化硅中的任意一种。

进一步地，弹性波谐振器为二维振动模式；

弹性波谐振器在X方向的特征尺寸为亚波长状态，弹性波谐振器在Z方向的特征尺寸为亚波长状态。

相应地，本申请实施例还提供了一种多通带滤波器，包括多个弹性波谐振器，该弹性波谐振器为上述弹性波谐振器，多个弹性波谐振器基于预设拓扑结构级联、桥接或耦合。

本申请实施例具有如下有益效果：

本申请实施例所公开的一种弹性波谐振器及多通带滤波器，弹性波谐振器包括衬底、第一电极层、压电薄膜和第二电极层。其中，压电薄膜包括多个刻蚀区域和多个非刻蚀区域，刻蚀区域的深度与非刻蚀区域的深度的比值在区间[0.4,1)内，相邻两个刻蚀区域间的中心间距与非刻蚀区域的深度的比值在区间[0.4,1.25]内，第一电极层设置在衬底上，压电薄膜设置在第一电极层上。第二电极层设置在压电薄膜的非刻蚀区域上。基于本申请实施例中的弹性波谐振器可以实现SAW和BAW的耦合谐振。并且，谐振器在较大的频率区间内可以获得多个无杂散模式、大机电耦合系数的谐振，通过调整压电薄膜的刻蚀尺寸和刻蚀深度，可以改变谐振器的谐振频率和机电耦合系数，可搭建多通带、大带宽滤波器。此外，通过将第一电极层、压电薄膜和第二电极层与高声速支撑衬底键合，器件的机械稳定性较好。悬浮电位的底层电极可以减少滤波器中谐振器之间的相互电磁干扰。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本申请实施例提供的一种弹性波谐振器的结构示意图；

图2是本申请实施例提供的一种二维振动弹性波谐振器的谐振振型图；

图3是本申请实施例提供的一种不同光刻尺寸的弹性波谐振器的导纳仿真曲线示意图

图4是本申请实施例提供的一种不同刻蚀深度的弹性波谐振器的导纳仿真曲线示意图；

图5是本申请实施例提供的示例1与对比例1的导纳仿真曲线示意图；

图6是本申请实施例提供的示例1与对比例2的导纳仿真曲线示意图。

图7是本申请实施例提供的一种多通带滤波器的拓扑结构示意图；

图8是本申请实施例提供的一种多通带滤波器的S参数仿真曲线图。

附图标记：

100-衬底，200-第一电极层，300-压电薄膜，400-第二电极层。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施例作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一个实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

此处所称的“实施例”是指可包含于本申请至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本申请实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置/***或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请实施例能够以除了在这里图示或描述以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“为”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

下面介绍本申请一种弹性波谐振器的具体实施例，图1是本申请实施例提供的一种弹性波谐振器的结构示意图，本说明书提供了如实施例或示意图所示的组成结构，但基于常规或者无创造性的劳动可以包括更多或者更少的组成结构。实施例中列举的组成结构仅仅为众多组成结构中的一种方式，不代表唯一的组成结构，在实际执行时，可以按照实施例或者示意图所示的组成结构执行。

具体的如图1所示，该弹性波谐振器可以包括衬底100、第一电极层200、压电薄膜300和第二电极层400。其中，压电薄膜300可以包括多个刻蚀区域和多个非刻蚀区域，刻蚀区域的深度与非刻蚀区域的深度的比值可以在区间[0.4,1)内，相邻两个刻蚀区域间的中心间距与非刻蚀区域的深度的比值可以在区间[0.4,1.25]内。第一电极层200可以设置在衬底100上，压电薄膜300可以设置在第一电极层200上，第二电极层400可以设置在压电薄膜300的非刻蚀区域上。通过调整压电薄膜的光刻尺寸和刻蚀深度，可以改变弹性波谐振器的谐振频率和机电耦合系数，便于后续搭建多通带滤波器。

在一种可选的实施方式中，弹性波谐振器可以是二维振动弹性波谐振器，图2是本申请实施例提供的一种二维振动弹性波谐振器的谐振图，其在X方向和Z方向的特征尺寸均可以是亚波长状态。该二维振动弹性波谐振器的二维振动模式可以通过改变X和Z方向的尺寸，即通过调整光刻尺寸和刻蚀深度，以改变其谐振频率和机电耦合系数。

在一种可选的实施方式中，衬底100可以是高声速支撑衬底100，该衬底100的材料可以是金刚石，也可以是碳化硅，还可以是其他材料，本申请实施例不作具体限定。通过将第一电极层200、压电薄膜300和第二电极层400与高声速支撑衬底100键合，器件的机械稳定性良好。第一电极层200可以是底层电极，该底层电极可以设置在衬底100上。压电薄膜300可以设置在底层电极上，其材料可以为铌酸锂，也可以为钽酸锂。第二电极层400可以是叉指电极，该叉指电极可以设置在压电薄膜300上，叉指电极可以作为压电薄膜300的掩膜板，以实现对压电薄膜300的部分刻蚀，得到刻蚀区域和非刻蚀区域。

在一种可选的实施方式中，可以用字母d表示刻蚀区域的深度，可以用字母h表示非刻蚀区域的深度，可以用字母p表示相邻两个刻蚀区域间的中心间距。图3是本申请实施例提供的一种不同光刻尺寸的弹性波谐振器的导纳仿真曲线示意图，相邻两个刻蚀区域间的距离p应该满足0.8＜p＜2.5h。根据图3可以清楚地看到，当p过大时，在较大频率区域间内声波模式的数量减少，当p过小时，声波模式的机电耦合系数较小。图4是本申请实施例提供的一种不同刻蚀深度的谐振器的导纳仿真曲线示意图，压电薄膜300的刻蚀深度应当满足0.4h＜d＜1h。根据图4可以清楚地看到，当刻蚀深度较小时，无法较好地抑制杂散模式，当完全刻蚀时，将会对底层电极造成损伤。

本申请实施例中，第一电极层200即底层电极的材料可以是镍、钨、铬、钛、铝中至少一种，且底层电极可以处于悬浮电位状态。悬浮电位的底层电极可以减少滤波器中谐振器之间的相互电磁干扰。

本申请实施例中，第二电极层400的材料可以为铝、钨、铬、钛、铜、银、钼、金中至少一种，也可以是用作铌酸锂刻蚀或钽酸锂刻蚀的掩膜板材料的其他金属材料。即叉指电极可以是上述多种金属材料中的一种构成的，也可以是由上述多种金属材料中的两种构成。

本申请实施例中，压电薄膜300的切型可以为X切型，可选地，压电薄膜300可以是X切的铌酸锂，也可以是X切的钽酸锂。其中，压电薄膜为X切型的铌酸锂仅是本申请实施例列举的一种实施方式，压电薄膜还可以是其他切型的铌酸锂或钽酸锂，本申请实施例不作具体限定。

下面，以具有图2所示的二维振动模式的二维振动弹性波谐振器的结构作为示例，设置2个对比例对二维振动弹性波谐振器的性能和优越性进行说明。

示例1：以金刚石为支撑衬底100，铝Al作为底层电极的材料，以X切的铌酸锂作为压电薄膜材料，以Al作为叉指电极的材料。其中，该底层电极的厚度可以为50nm，压电薄膜的厚度可以为600nm，即非刻蚀区域的深度可以为600nm，压电薄膜的刻蚀深度可以为300nm，即刻蚀区域的深度可以为300nm，压电薄膜的面内传输方向与-Y轴夹角可以为56°，即欧拉角可以为[56,90,90]。叉指电极的厚度可以50nm，相邻两个叉指电极间的中心距离可以为1μm。

对比例1：以氮化铝AlN作为压电薄膜的材料，其余设置可以与示例1相同。

对比例2：传统SAW谐振器，无底电极，不对压电薄膜进行部分刻蚀，其中压电薄膜为Z切铌酸锂，其余设置可以与示例1相同。

图5是本申请实施例提供的示例1与对比例1的导纳仿真曲线示意图。由于AlN的压电系数远小于铌酸锂，因此，以AlN作为压电薄膜300的材料的谐振器的机电耦合系数远小于以铌酸锂作为压电薄膜300的材料的谐振器的机电耦合系数，无法满足5G时代下大带宽的要求。并且，由于AlN的晶体对称性更强，即各向异性更弱，独立且不为零的压电系数数量较少，因此，在一定的频率区间内，AlN激发的声波模式数量较铌酸锂少。

图6是本申请实施例提供的示例1与对比例2的导纳仿真曲线示意图。从中可以看出，由于对比例2中铌酸锂材料的各向异性，难以在各个声波模式都得到较大的机电耦合系数，而示例1所示的结构可以同时激发BAW和SAW两种声波模式，并在衬底表面将BAW转化为SAW，因此，激发的各个声波模式的机电耦合系数均大于对比例2。

采用本申请实施例提供的二维振动弹性波谐振器可以实现SAW和BAW的耦合谐振。并且，谐振器在较大的频率区间内可以获得多个无杂散模式、大机电耦合系数的谐振，通过调整压电薄膜的刻蚀尺寸和刻蚀深度，可以改变谐振器的谐振频率和机电耦合系数。此外，通过将第一电极层、压电薄膜和第二电极层与高声速支撑衬底键合，可以提高器件的机械稳定性。悬浮电位的底层电极可以减少滤波器中谐振器之间的相互电磁干扰。

本申请实施例提供了一种多通带滤波器，该滤波器可以包括多个弹性波谐振器，多个弹性波谐振器可以基于预设拓扑结构级联、桥接或耦合。

图7是本申请实施例提供的一种多通带滤波器的拓扑结构示意图，下面，以图7所示的拓扑结构作为示例2，对搭建的多通带滤波器性能予以说明。

示例2：以金刚石为支撑衬底，铝Al作为底层电极的材料，以X切的铌酸锂作为压电薄膜，以Al作为叉指电极的材料。其中，该底层电极的厚度可以为50nm，压电薄膜的厚度可以为600nm，即非刻蚀区域的深度可以为600nm，压电薄膜的刻蚀深度可以为300nm，即刻蚀区域的深度可以为300nm，压电薄膜的面内传输方向与-Y轴夹角可以为56°，即欧拉角可以为[56,90,90]。叉指电极的厚度可以50nm。串联谐振器相邻两个叉指电极间的中心距离可以为0.85μm。并联谐振器相邻两个叉指电极的中心距离为0.94um。

图8是本申请实施例提供的一种多通带滤波器的S参数仿真曲线图，从图中可以看出该滤波器带内纹波均较小，带宽均较大。仿真结果验证了采用本申请实施例提供的弹性波谐振器可形成多通带大带宽滤波器。

在一种可选的实施方式中，每个谐振器可以包括衬底、第一电极层、压电薄膜和第二电极层。其中，压电薄膜可以包括多个刻蚀区域和多个非刻蚀区域，刻蚀区域的深度与非刻蚀区域的深度的比值可以在区间[0.4,1)内，相邻两个刻蚀区域间的中心间距与非刻蚀区域的深度的比值可以在区间[0.4,1.25]内。第一电极层可以设置在衬底上，压电薄膜可以设置在第一电极层上，第二电极层可以设置在压电薄膜的非刻蚀区域上。相邻两个刻蚀区域间的距离p应该满足0.8＜p＜2.5h，压电薄膜的刻蚀深度应当满足0.4h＜d＜1h。其中，字母d可以表示刻蚀区域的深度，字母h可以表示非刻蚀区域的深度，字母p可以表示相邻两个刻蚀区域间的中心间距。

采用本申请实施例所提供的多通带滤波器，可以满足5G时代大带宽的要求。

由上述本申请提供的弹性波谐振器或多通带滤波器的实施例可见，本申请中弹性波谐振器包括衬底、第一电极层、压电薄膜和第二电极层。其中，压电薄膜包括多个刻蚀区域和多个非刻蚀区域，刻蚀区域的深度与非刻蚀区域的深度的比值在区间[0.4,1)内，相邻两个刻蚀区域间的中心间距与非刻蚀区域的深度的比值在区间[0.4,1.25]内，第一电极层设置在衬底上，压电薄膜设置在第一电极层上。第二电极层设置在压电薄膜的非刻蚀区域上。基于本申请实施例中的二维振动弹性波谐振器可以实现SAW和BAW的耦合谐振。并且，弹性波谐振器在较大的频率区间内可以获得多个无杂散模式、大机电耦合系数的谐振，通过调整压电薄膜的刻蚀尺寸和刻蚀深度，可以改变其谐振频率和机电耦合系数，可搭建多通带大带宽滤波器。此外，通过将第一电极层、压电薄膜和第二电极层与高声速支撑衬底，可以提高器件的机械稳定性。悬浮电位的底层电极可以减少滤波器中谐振器之间的相互电磁干扰。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的相连或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要说明的是：上述本申请实施例的先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣，且上述本说明书对特定的实施例进行了描述，其他实施例也在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或者步骤可以按照不同的实施例中的顺序来执行并且能够实现预期的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出特定顺序或者而连接顺序才能够实现期望的结果，在某些实施方式中，多任务并行处理也是可以的或者可能是有利的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的均为与其他实施例的不同之处。尤其，对于滤波器的实施例而言，由于其基于相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种弹性波谐振器，其特征在于，包括：衬底、第一电极层、压电薄膜和第二电极层；

所述压电薄膜包括多个刻蚀区域和多个非刻蚀区域，所述刻蚀区域的深度与所述压电薄膜厚度的比值在区间[0.4,1)内，相邻两个所述刻蚀区域间的中心间距与所述压电薄膜的比值在区间[0.4,1.25]内；

所述第一电极层设置在所述衬底上；

所述压电薄膜设置在所述第一电极层上；

所述第二电极层设置在所述压电薄膜的所述非刻蚀区域上。

2.根据权利要求1所述的弹性波谐振器，其特征在于，所述第一电极层的材料为铝、钨、铬、钛、铜、银、钼、金中至少一种。

3.根据权利要求1所述的弹性波谐振器，其特征在于，所述第二电极层的材料为镍、钨、铬、钛、铝中至少一种。

4.根据权利要求1所述的弹性波谐振器，其特征在于，所述压电薄膜的材料为铌酸锂或钽酸锂。

5.根据权利要求4所述的弹性波谐振器，其特征在于，所述压电薄膜为X切型的铌酸锂或X切型的钽酸锂。

6.根据权利要求1所述的弹性波谐振器，其特征在于，所述支撑衬底包括但不限于金刚石、碳化硅中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的弹性波谐振器，其特征在于，所述弹性波谐振器为二维振动模式；

所述弹性波谐振器在X方向的特征尺寸为亚波长状态，所述弹性波谐振器在Z方向的特征尺寸为亚波长状态。

8.一种多通带滤波器，其特征在于，包括多个弹性波谐振器，所述弹性波谐振器为权利要求1-7任一项所述的弹性波谐振器，多个所述弹性波谐振器基于预设拓扑结构级联、桥接或耦合。

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