CN117294277B - 一种高功率高机电耦合系数的体声波谐振器及其制备方法 - Google Patents

一种高功率高机电耦合系数的体声波谐振器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高功率高机电耦合系数的体声波谐振器及其制备方法，涉及谐振器技术领域。该高功率高机电耦合系数的体声波谐振器包括第一衬底、底电极、AlScN层、单晶AlN层和顶电极，第一衬底的底面设置有凹槽；底电极为第一衬底的下层并通过覆盖凹槽以构成空腔；AlScN层为底电极的下层；单晶AlN层为AlScN层的下层；顶电极为单晶AlN层的下层。本发明的高功率高机电耦合系数的体声波谐振器能够增加谐振器的散热效率，改善谐振器的自加热效应，进而提高谐振器的功率容量。

Description

一种高功率高机电耦合系数的体声波谐振器及其制备方法
技术领域
本发明涉及谐振器技术领域，具体而言，涉及一种高功率高机电耦合系数的体声波谐振器及其制备方法。
背景技术
薄膜体声波谐振器利用压电材料将电学信号转换成为声学信号，由于声波的速度较低，声波波长短，因此与其他种类的谐振器相比，具有体积小、工作频率高的优点，广泛应用于射频前端电路。
目前薄膜体声波滤波器已经大规模应用于5G滤波器，但是基于AlN的薄膜体声波谐振器的机电耦合系数过低。为了提高谐振器的机电耦合系数，现有技术一般采用Sc元素掺杂AlN，但是AlScN薄膜的热导率极低，导致谐振器有源区的热量无法及时传导到衬底，最终严重降低了谐振器的功率容量。
针对上述问题，目前尚未有有效的技术解决方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高功率高机电耦合系数的体声波谐振器及其制备方法，能够增加谐振器的散热效率，改善谐振器的自加热效应，进而提高谐振器的功率容量。
第一方面，本发明提供一种高功率高机电耦合系数的体声波谐振器，包括：
第一衬底，所述第一衬底的底面设置有凹槽；
底电极，所述底电极为所述第一衬底的下层并通过覆盖所述凹槽以构成空腔；
AlScN层，所述AlScN层为所述底电极的下层；
单晶AlN层，所述单晶AlN层为所述AlScN层的下层；
顶电极，所述顶电极为所述单晶AlN层的下层。
本发明提供的高功率高机电耦合系数的体声波谐振器，在具有AlScN层的现有谐振器基础上增加具有高导热率的单晶AlN层，能够有效提高谐振器的散热效率，由此提高谐振器的功率容量。
进一步的，所述AlScN层中的Sc元素含量为5%-40%。
调节Sc元素含量能够控制获得高质量且应力可控的AlScN层以及控制AlScN层与单晶AlN层导热比，由此调节谐振器成品的功率容量和机电耦合系数。
进一步的，所述AlScN层中的Sc元素含量为30%。
AlScN层与单晶AlN层导热比最大，实现最大程度上提高谐振器成品的功率容量和机电耦合系数。
进一步的，所述单晶AlN层的厚度为所述AlScN层的厚度的1/3-1/2。
进一步的，所述单晶AlN层的厚度为所述AlScN层的厚度的1/3。
进一步的，所述顶电极和所述底电极均由Pt、Mo、Ag、Al、Au中的任意一种材料制成。
进一步的，所述顶电极的厚度为所述AlScN层的1/6。
进一步的，所述空腔的深度为2um-30um。
第二方面，本发明提供了一种制备方法，用于制作上述的高功率高机电耦合系数的体声波谐振器，包括以下步骤：
S1.基于MOCVD方法，在第二衬底的顶面制作所述单晶AlN层；
S2.基于磁控溅射方法，在所述单晶AlN层的顶面制作所述AlScN层；
S3.基于磁控溅射方法，在所述AlScN层的顶面制作所述底电极；
S4.基于金锡键合方法，将设置有所述凹槽的所述第一衬底键合在所述底电极的顶面；
S5.利用氢氧化钾去除所述第二衬底；
S6.在所述单晶AlN层的底面制作所述顶电极。
以键合方式形成所需的空腔，从而无需制作牺牲层，也免除了去除牺牲层的过程，简化了制备工艺，缩短了制备周期，大大提高了制备效率。
进一步的，步骤S1之前还包括步骤：
S7.对所述第一衬底和所述第二衬底均依次进行丙酮超声清洗、硫酸和过氧化氢混合溶液清洗并干燥。
避免衬底上附着了杂质影响后续各层的制作和键合过程，有利于确保谐振器成品的质量。
由上可知，本发明提供的高功率高机电耦合系数的体声波谐振器，通过在AlScN层（即压电层）的底面设置单晶AlN层，由于单晶AlN层的导热率是AlScN层的数倍，因此谐振器产生的热量能够通过底部的单晶AlN层及时扩散出去，由此极大地改善谐振器的自加热效应，有利于提高谐振器的功率容量且确保其具有较高的机电耦合系数。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1为本发明实施例提供的高功率高机电耦合系数的体声波谐振器的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的制备方法的一种流程图。
图3为本发明实施例中高功率高机电耦合系数的体声波谐振器的制备过程示意图。
标号说明：
100、第一衬底；200、底电极；210、空腔；300、AlScN层；400、单晶AlN层；500、顶电极；600、第二衬底。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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发明和简化描述，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发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；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连通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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。此外，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地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
请参照图1，图1是高功率高机电耦合系数的体声波谐振器的结构示意图。该高功率高机电耦合系数的体声波谐振器包括：
第一衬底100，第一衬底100的底面设置有凹槽；
底电极200，底电极200为第一衬底100的下层并通过覆盖凹槽以构成空腔210；
AlScN层300，AlScN层300为底电极200的下层；
单晶AlN层400，单晶AlN层400为AlScN层300的下层；
顶电极500，顶电极500为单晶AlN层400的下层。
AlScN层300作为压电层位于底电极200和顶电极500之间与底电极200和顶电极500组成三明治结构，由此构成现有的薄膜体声波谐振器（FBAR），本实施例在此基础上，针对掺杂了Sc元素的AlScN层300在AlScN层300和顶电极500之间设置单晶AlN层400，由于单晶AlN层400的导热率是AlScN层300的数倍，能够有效且及时地将谐振器产生的热量扩散出去，谐振器的散热能力得到巨大提升，因此单晶AlN层400和AlScN层300结合所制成的AlN/AlScN基-体声波谐振器（即本发明的高功率高机电耦合系数的体声波谐振器）极大地改善了自加热效应，相比于现有的薄膜体声波谐振器，具有更高的功率容量和机电耦合系数。
在某些实施例中，AlScN层300中的Sc元素含量为5%-40%。
实际制备时，通过控制AlScN层300中的Sc元素含量能够控制获得高质量且应力可控的AlScN层300，以此控制谐振器成品的质量，同时也能够控制AlScN层300与单晶AlN层400的导热比，由此调节谐振器成品的功率容量和机电耦合系数。
在优选的实施例中，AlScN层300中的Sc元素含量为30%，Sc元素含量为30%时，AlScN层300与单晶AlN层400的导热比最大，实现最大程度上提高谐振器成品的功率容量和机电耦合系数。
在某些实施例中，单晶AlN层400的厚度为AlScN层300的厚度的1/3-1/2。
在某些优选的实施例中，单晶AlN层400的厚度为AlScN层300的厚度的1/3，进一步优选的，例如单晶AlN层400的厚度为200nm，AlScN层300的厚度为600nm。
在某些实施例中，顶电极500和底电极200均由Pt、Mo、Ag、Al、Au中的任意一种材料制成。
在某些实施例中，顶电极500的厚度为AlScN层300的1/6，优选的，例如，顶电极500的厚度为100nm。
在某些实施例中，空腔210的深度为2um-30um，优选的，例如空腔210的深度为5um
请参照图2，图2是制备方法的流程图。该制备方法，用于制作上述实施例中的高功率高机电耦合系数的体声波谐振器，包括以下步骤：
S1.基于MOCVD方法，在第二衬底的顶面制作单晶AlN层；
S2.基于磁控溅射方法，在单晶AlN层的顶面制作AlScN层；
S3.基于磁控溅射方法，在AlScN层的顶面制作底电极；
S4.基于金锡键合方法，将设置有凹槽的第一衬底键合在底电极的顶面；
S5.利用氢氧化钾去除第二衬底；
S6.在单晶AlN层的底面制作顶电极。
本实施例中，参考附图3，在实际应用时，选用晶面高阻硅作为第二衬底600和第一衬底100，基于MOCVD方法在硅衬底的顶面沉积单晶AlN直至达到指定厚度后形成单晶AlN层400；然后通过磁控溅射方法在单晶AlN层400的顶面生长出指定厚度的AlScN层300；然后在AlScN层300的顶面以相同方式生长出指定厚度的底电极200（底电极材料可以为钼）；然后将预先刻蚀出凹槽的第一衬底100通过金锡键合方法键合到底电极200的顶面；然后除去第二衬底600；最后通过磁控溅射方法在单晶AlN层400的底面生长出指定厚度的顶电极500（顶电极材料可以为钼），至此完成AlN/AlScN基-体声波谐振器的制备。
由于第一衬底100键合到底电极上后其凹槽便直接成为空腔210（现有的空腔型FBAR结构中均存在空腔，空腔用于形成空气界面供声波反射，属于现有技术，在此不再赘述），因此无需制作牺牲层，也免除了去除牺牲层的过程，简化了制备工艺，缩短了制备周期，大大提高了制备效率。
在某些实施例中，步骤S1之前还包括步骤：
S7.对第一衬底和第二衬底均依次进行丙酮超声清洗、硫酸和过氧化氢混合溶液清洗并干燥。
本实施例中，利用丙酮超声清洗去除衬底上的油脂等有机污染物，然后利用硫酸和过氧化氢混合溶液清洗去除衬底上的有机污染物，由此避免衬底上附着了杂质影响后续各层的制作和键合过程，有利于确保谐振器成品的质量。
在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
参考术语“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高功率高机电耦合系数的体声波谐振器，其特征在于，包括：
第一衬底（100），所述第一衬底（100）的底面设置有凹槽；
底电极（200），所述底电极（200）为所述第一衬底（100）的下层并通过覆盖所述凹槽以构成空腔（210）；
AlScN层（300），所述AlScN层（300）为所述底电极（200）的下层；所述AlScN层（300）中的Sc元素含量为30%；
单晶AlN层（400），所述单晶AlN层（400）为所述AlScN层（300）的下层；
顶电极（500），所述顶电极（500）为所述单晶AlN层（400）的下层；
所述单晶AlN层（400）的厚度为所述AlScN层（300）的厚度的1/3；
所述顶电极（500）的厚度为所述AlScN层（300）的1/6；
所述空腔（210）的深度为2um-30um。
2.根据权利要求1所述的高功率高机电耦合系数的体声波谐振器，其特征在于，所述顶电极（500）和所述底电极（200）均由Pt、Mo、Ag、Al、Au中的任意一种材料制成。
3.一种用于制作如权利要求1-2任一项所述高功率高机电耦合系数的体声波谐振器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.基于MOCVD方法，在第二衬底的顶面制作所述单晶AlN层；
S2.基于磁控溅射方法，在所述单晶AlN层的顶面制作Sc元素含量为30%的所述AlScN层；所述单晶AlN层的厚度为所述AlScN层的厚度的1/3；
S3.基于磁控溅射方法，在所述AlScN层的顶面制作所述底电极；
S4.基于金锡键合方法，将设置有所述凹槽的所述第一衬底键合在所述底电极的顶面以形成深度为2um-30um的所述空腔；
S5.利用氢氧化钾去除所述第二衬底；
S6.在所述单晶AlN层的底面制作所述顶电极；所述顶电极的厚度为所述AlScN层的1/6。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S1之前还包括步骤：
S7.对所述第一衬底和所述第二衬底均依次进行丙酮超声清洗、硫酸和过氧化氢混合溶液清洗并干燥。
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