CN103283145B - 电子器件和用于制造电子器件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电子器件，所述电子器件具有层序列，所述层序列至少包括第一电极（10）、第二电极（20）和有源区域（30）并且至少在子区域中包含单原子的碳层。

Description

电子器件和用于制造电子器件的方法
技术领域
提出一种电子器件以及一种用于制造电子器件的方法。
背景技术
电子器件的、例如电声器件的主要组件是电极和必要时的反射层。作为用于电极的材料已经研究了多种金属物质，例如钼或钨。
发明内容
本发明的至少一个实施形式的目的是提供一种电子器件，所述电子器件具有带有改进的特性的物质。所述目的通过一种电声器件来实现。本发明的另一个实施形式的另一个目的是提供用于制造这种电子器件的方法。所述目的通过一种方法来实现。其他的实施形式是下面的描述的主题。
根据一个实施形式提出一种电子器件，所述电子器件具有层序列，所述层序列至少包括第一电极、第二电极和与第一电极及第二电极电耦合的有源区域并且所述层序列至少在子区域中包含单原子的碳层。因此，提出一种电子器件，所述电子器件至少在其层序列的子区域中包含合成物质，即单原子的碳层。
“电耦合”在本文中理解成欧姆的或电磁的接触。
“层序列”能够理解成多个相互叠置的层，但是例如也理解成并排地设置在第三层上的两个层。
此外，根据一个实施形式，电子器件的层序列能够包括反射层。此外，第一电极和/或第二电极和/或反射层能够至少在子区域中包含单原子的碳层。
在此，第一电极、第二电极和反射层中的至少一个至少在子区域中包含单原子的碳层。
因此，提出一种电子器件，所述电子器件具有至少一个电极和/或至少一个反射层，所述至少一个电极和/或至少一个反射层全部都包含或在子区域中包含单原子的碳层，也就是合成物质。
单原子的碳层能够包括石墨烯并且在下文中至少部分地称作石墨烯。
因此，在电子器件的一个或两个电极中和/或反射层中不使用例如为钼或钨的重金属，而是使用替选的、合成的物质。
发明人已知的是，石墨烯满足能够提供电子器件的不仅高的电学的而且还有电声学的要求。因此，石墨烯尤其具有机械稳定性和电导率。石墨烯的机械稳定性能够超越钢的机械稳定性，电导率能够超越铜的电导率。
石墨烯是用于SP2杂化的碳的单原子的薄层的术语。石墨烯的合成能够以不同的类型和方式来进行。例如，通过将石墨借助氧而氧化，将氧原子设置在每隔一个的碳原子上并且使各个石墨层通过将氧嵌入而互相排斥的方式，使各个石墨烯层绝缘。另一种合成方法是将碳化硅加热到1500℃。
石墨烯是限定的、多环芳香族的碳氢化合物，所述碳氢化合物也能够是功能化的。所述碳氢化合物的基本结构基于六苯并蔻(HBC)，六苯并蔻在多数溶剂中是不能溶解的。所述基本结构例如能够由烷基链被取代，由此被取代的石墨烯在溶剂中是能溶解的。
石墨烯不仅能够以结晶的形式而且还能够在溶液中以柱形的方式设置。在此，芳香核能够直接地相互叠置。柱形的设置称作自我组织并且与石墨烯上的取代基、温度并且与在溶液中设置的情况下的浓度相关地构成。通过在溶液中的柱形的设置，例如能够制造薄的表面膜，所述表面膜具有——在理想情况下没有缺陷的——良好有序的层和高的载流子迁移率。
柱形设置的石墨烯能够以所谓的侧向(Edge-on)设置的形式施加在例如衬底上。在此，各个柱体平行于衬底设置。替选地，石墨烯在其柱形的设置中能够以所谓的正向(Face-on)定向的形式设置在衬底上。在此，各个柱体垂直于衬底设置。两种设置的特征在于石墨烯层之内的高秩序性。
石墨烯、也就是单原子的碳层能够作为单层或多层设置在电子器件中。因此，碳层能够作为可具有高秩序性的相互叠置的层或绝缘的层存在于电子器件中，例如存在于第一或第二电极或反射层中。
电子器件能够是电声器件，其中有源区域包括压电层。压电层例如能够包含氮化铝。
第一和第二电极能够设置在压电层的一侧上。因此，电声器件例如能够是基于表面波的器件。替选地，第一和第二电极能够设置在压电层的相对置的侧上。例如，在该实施形式中能够为基于体积波的器件。
为了能够将单原子的碳层、也就是将石墨烯在电子器件中用作用于第一和/或第二电极的材料和/或用作反射层，必须满足对其声学特性、其电学特性以及其对应力的反应的特定要求。
当将电极用在电声器件中时，对于电极而言，例如需要尽可能高的声阻抗。因此，能够实现器件的良好质量。因为石墨烯具有高的声阻抗，石墨烯能够用作在电声器件中的电极。
良好的电导率是将石墨烯例如用在电子器件的电极中所需要的另一个特性。石墨烯的电导率能够为108S/m，由此石墨烯例如与银相比具有更高的电导率并且能够用作电极材料。
选择电极材料时的另一个因素是将在电声器件中产生的应力维持在压电层之内的能力。应力性能或应力分布尤其对基于体积波的器件是有意义的。石墨烯在此示出类似于迄今的电极材料例如钼或钨的值。
在电子器件中，第一和/或第二电极能够包括多个相互叠置的层，其中至少一个层包含单原子的碳层。因此，第一和/或第二电极能够完全由单原子的碳层构建，或者然而也能够具有由包含单原子的碳层的层和包含其他材料的层组成的夹层结构。
第一和/或第二电极的包含至少一个单原子的碳层的层能够与至少一个包含选自下列的材料的层进行组合：Ti、Mo、由Ti与Mo组成的混合物、Pt、Ru、W、Al、Cu和由Al与Cu组成的混合物。
例如能够形成夹层结构，所述夹层结构具有下述构造：Ti、Al/Cu、W，其中包含单原子的碳的层能够设置在Ti和Al/Cu之间或设置在Al/Cu和W之间或设置在W上。
另一个可能的夹层结构具有下述构造：Mo、Ti/Mo、Ru。在此，石墨烯能够设置在Mo和Ti/Mo之间或设置在Ti/Mo和Ru之间。这种夹层结构例如能够是基于体积波的器件的电极，其中压电层设置在衬底上，并且第一电极设置在衬底和压电层之间，并且第二电极在背离衬底的一侧上设置在压电层上。在此，夹层结构例如能够形成器件的第一电极。
夹层结构的另一个实例是与Al层或Al/Cu层结合的单原子的碳层。这种电极例如能够是基于表面波的器件的第一和/或第二电极，其中两个电极都设置在压电层的一侧上。
基于表面波的器件的两个电极能够具有所谓的梳状结构，其中交替地第一和第二电极的梳状部的梳齿部交替地依次设置在压电衬底上。在此，能够分别在第一和第二电极之间形成场力线。
在基于表面波的器件的情况下，石墨烯的机械稳定性对其作为用于电极的材料而言是尤其有利的。在基于体积波的器件的情况下，石墨烯层的高的电导率和能够良好限定的层厚度有利于用作电极。在这两种情况下，器件的特性能够通过将石墨烯用作电极材料来改进。此外，也能够减小器件尺寸，因为通过提高的电导率或提高的机械稳定性能够减小所有其他所应用的电极材料的层厚度。
此外，电子器件能够包括至少一个带有高的声阻抗的第一反射层和至少一个带有低的声阻抗的第二反射层和衬底，其中第一反射层和第二反射层设置在衬底和第一电极之间。两个第一和两个第二反射层也能够交替地相互叠置。因此，例如能够在衬底和压电层之间构成布拉格反射镜，所述布拉格反射镜确保，在压电层中产生的波不能够穿过衬底偏离。第一和第二反射层能够是λ/4反射镜层。
至少一个第一反射层能够包含W。第一反射层能够是能导电的。
至少一个第二反射层能够具有化学改性的单原子的碳层。例如，能够使用设有具有绝缘特性的氧的石墨烯。
第二反射层能够是电绝缘的。
因此，石墨烯也能够作为不导电的材料用作电子器件中，例如基于体积波的器件中的布拉格反射镜的一部分。包含单原子的碳层的第二反射层能够设置在第一反射层和第一电极之间。因此，石墨烯用作绝缘体，由此，不用考虑迄今需要的用于避免短路的结构化并且在过程方面能够简化层堆的构造。
因此，石墨烯不仅能够实现为绝缘体，而且能够实现为电导体。在不损害机械特性的情况下能够进行氧的添加，以获得绝缘体。
电子器件能够构成为基于表面波的器件、基于体积波的器件或微机电器件。基于表面波的器件也能够称作SAW器件(SAW：surface acoustic wave，声表面波)。基于体积波的器件也能够称作BAW器件(BAW：bulk acoustic wave，体声波)。
因此，例如能够提供SAW滤波器或BAW滤波器、谐振器或传感器如还有波导管或具有电子器件的延迟线路。此外，电子器件能够是所谓的基于导体声波(Guide BulkAcoustic Wave)的器件。此外，由滤波器能够构建双工器以及表示其他复杂的模块。这种电声器件例如能够用在移动电话中。
因此，石墨烯能够根据其电学特性用作在例如电声器件中的电极材料和/或反射层。
此外，提出一种用于制造根据上述实施形式之一所述的电子器件的方法。在此，单原子的碳层能够借助于选自下列的方法来施加：化学气相沉积、物理气相沉积、在溶液中施加和表面化学反应。因此，提供一种多样的方法，借助所述方法石墨烯层能够以不复杂的方式施加在电子器件的期望的位置上。
附图说明
根据附图和实施例能够详细阐明本发明。
图1示出石墨烯与其他材料相比较的声阻抗的图形示图，
图2示出电极的三维示意侧视图，
图3a)至c)示出不同层序列的应力分布，
图4示出基于体积波的电声器件的示意侧视图，
图5示出器件的色散曲线，
图6a示出基于表面波的电声器件的示意侧视图，
图6b示出基于表面波的电声器件的示意俯视图。
具体实施方式
图1示出不同材料的声阻抗的图形示图。
对于声学特性能观察到的是：所谓的杨氏模量Y(弹性模数)，所述弹性模数对于石墨烯而言位于0.5TPa和1.2TPa之间；密度ρ，所述密度对于石墨烯而言大约位于3000kg/m3至4000kg/m3之间以及泊松比ν，所述泊松比对于石墨烯而言位于0.04和0.11之间。由这些值能够估计声学参数，所述声学参数连同石墨烯的制造方法一起得出精确的声学参数。如果采用极值并且以各向同性的材料为前提，那么当计算所谓的柔度矩阵的关系式
时能够得到估计值。由所述参数能够推导声学的参考参数，所述参考参数如下进行定义：
声阻抗(纵向)：
声阻抗(横向)：
在此，νL或νS是纵向的或横向的速度。由所述阻抗能够推导出相应的传播速度。
在图1的x轴上以km/s为单位给出速度并且在y轴上以g/cm3为单位给出密度。每个气泡的尺寸示出相应材料的声阻抗。由G标记的气泡在此表示石墨烯的声阻抗。将该气泡的尺寸与一些用于电声器件的电极的常规材料、例如与Pt、W、U或Mo进行比较。
例如，对于基于体积波的器件而言，电极的声阻抗必须是非常高的，以便实现尽可能好的质量。因此，在声阻抗由气泡半径来给出的图1中，能够根据尽可能大的气泡半径挑选出合适的材料。在此，石墨烯位于钼和铀的量级。因此，能够在保持或改进电极质量的情况下使用石墨烯，并且能够在此在电极具有多个层并且所述层中的至少一个具有石墨烯的情况下替代或补充钼或钨。
以类似的方式，也能够示出不同材料的横波(在此没有示出)。从这种图表上也能够显而易见的是，合成的石墨烯是对钼或钨的良好的替代物。
图2示出电极的以长方体的形式的三维示意图。在所述长方体中示出电极的尺寸d1、d2和t。在此，d1表示电极的长度，d2表示电极的宽度并且t表示电极的厚度。
根据电子器件的、例如基于体积波的器件的几何结构，能够算出电阻R。根据关系式：
能够确定电阻。在此，κel是电导率，A是例如电极的面积，d1＝1是长度，d2是宽度并且t是厚度。石墨烯的电导率例如能够是108S/m，由此石墨烯例如与银相比具有更高的电导率。当电极厚度t为200μm以及面积A为200μm×200μm时，对于选择的材料例如得出下述电阻值：
由此能够推断出，石墨烯由于其电学特性也能够用作电声器件中的电极材料。
图3a至3c示出不同层序列中的应力分布的图形示图。在此，分别在x轴上以1:nm给出层厚度t的倒数并且在y轴上给出应力分布DS。在图3a至c中在上方的x轴上示出电极E的区域和压电层P的区域。示出的线表示应力S。将在电声器件中产生的应力保持在压电层之内的能力尤其对基于体积波的器件是有意义的。石墨烯在此示出类似于迄今的电极材料例如钼或钨的值。
在图3a中示出层序列AlCu、AlN、AlCu的应力分布。AlCu分别是第一和第二电极并且AlN是压电层。在图3b中，两个电极都由石墨烯替代。在图3c中，两个电极都由钼Mo替代。
三个附图3a至3c的比较示出，在将石墨烯用作电极材料时，应力分布与将AlCu或Mo用作电极时相比是略微更小的。因为，石墨烯的密度大约位于AlN的密度范围中，夹层物石墨烯-AlN-石墨烯的应力性能与多层的AlCu-AlN-AlCu的应力性能非常相似。因此，石墨烯在其将产生的应力保持在压电层之内的能力的方面也能够替代或补充常规的电极材料。
图4示出基于体积波的电声器件的示意侧视图。所述电声器件包括衬底40、各两个第一反射层51和第二反射层52、第一电极10、第二电极20和压电层30。反射层是布拉格反射镜，其中第一反射层51具有高的声阻抗并且第二反射层具有低的声阻抗。高的声阻抗能够与高的电导率相结合，而低的声阻抗通常能够与材料的绝缘特性相结合。
第一反射层51例如能够包含钨，第二反射层52包含SiO2。当例如借助氧来加工石墨烯使得其具有绝缘特性时，第二反射层能够替选地包含石墨烯。
以所述方式设置的反射层不仅对纵波而且对横波具有高的反射率。因此，能够将所述波反射，使得引导回到压电层中。
衬底40例如能够具有Si或SiO2。固有的谐振器位于反射层上并且包括第一电极10、第二电极20和压电层30。压电层例如能够包含AlN，两个电极能够具有金属，例如Ti、Mo，由Ti与Mo组成的混合物、Ru、Pt、W、Al、Cu和由Al与Cu组成的混合物。电极也能够包含多个相叠堆置的子层，其中每个子层包含能够选自上述材料的另一种材料。所述子层中的一个在此能够是石墨烯。不仅在第一电极10中而且在第二电极20中能够是这种情况，或在两个电极中也能够都是这种情况。两个电极10、20也能够完全地由石墨烯构成。
例如，电极能够具有夹层结构Ti、Al/Cu、W，其中包含石墨烯的层能够设置在Ti和Al/Cu之间或设置在Al/Cu和W之间或设置在W上。
另一个可能的夹层结构具有构造Mo、Ti/Mo、Ru，其中石墨烯设置在Mo和Ti/Mo之间或设置在Ti/Mo和Ru之间。
此外，在例如在图4中示出的层堆上能够施加最后的氧化物层作为钝化部(在此没有示出)。
由反射层51、52构成的层序列的尺寸能够确定成，使得得出平坦的色散。
图5示出基于体积波的电声器件的、例如谐振器的色散曲线fR(kx)。在此，以MHz为单位的频率fR相对于以1/μm为单位的波数kx标出。色散曲线在kx＝0处具有为零的斜率。应当总是选择单调上升的或非常平坦的色散。平坦的或单调上升的色散意味着来自声波的小的能量损耗。图5中的水平的双向箭头示出单调上升的kx区域。竖直的双向箭头示出模TE(沿厚度延伸)和模TS(切向于厚度)之间的间距。圆圈示出色散曲线中的分支点。
色散曲线描述一方面体积波的频率或角频率和另一方面体积波的波数或波矢量之间的关系。频率-波矢量图表中的不同的分支在此说明谐振器的不同的振荡模。当在纵向主模的周围环境中的不同类型的模之间的距离选择成尽可能大的时候，能够使声学损耗最小化。
图6a示出基于表面波的器件的示意侧视图。所述器件包括压电层30、第一电极10和第二电极20。在图6b中示出这种器件的示意俯视图。根据所述附图能够识别出，第一电极10和第二电极20分别具有梳状的结构，其中每个梳状部交替地具有短和长的梳齿部。不同的梳状部的梳齿部沿压电层30的纵轴交替地依次设置在压电层上。这也能够在图6a的示意侧视图中识别出。因此，在电极10、20的各个梳齿部之间形成电磁波，所述电磁波能够由压电层转换成机械波并且反之亦然。
两个电极10和20中的至少一个在此由石墨烯构成。在此，电极能够完全由石墨烯构成或者具有由相叠堆置的层构成的层序列，其中所述层中的至少一个包含作为材料的石墨烯。例如，一个或两个电极能够具有带有与Al层或Al/Cu层结合的单原子的碳层的夹层结构。
由此，由于其高的机械稳定性和良好的电导率，能够改进具有包含石墨烯的电极的器件的性能。
此外，在示意地在图4和6中示出的器件上能够施加能够具有腔的壳体结构(在此没有示出)。
本发明不局限于根据实施例进行的描述。更确切地说，本发明包括每个新特征以及特征的任意组合，这尤其是包含在实施例中的特征的任意组合，即使所述特征或所述组合本身并未在实施例中明确说明时也如此。
附图标记列表
10 第一电极
20 第二电极
30 压电层
40 衬底
51 第一反射层
52 第二反射层
t 厚度
DS 应力分布
d1 长度
d2 宽度
v 速度
D 密度
E 电极区域
P 压电层区域
fR 频率
kx 波数
TE 模
TS 模

Claims (7)

1.电声器件，具有层序列，所述层序列至少包括
-第一电极(10)，
-第二电极(20)，和
-有源区域(30)，所述有源区域与所述第一电极(10)和所述第二电极(20)电耦合，
其中所述层序列至少在子区域中包含石墨烯，其中所述石墨烯设置成单层或多层并且作为绝缘的层或作为相互叠置的层存在，并且其中所述有源区域(30)包括压电层并且所述第一电极(10)和/或所述第二电极(20)至少在子区域中包含石墨烯，
其中所述第一电极(10)和所述第二电极(20)设置在所述压电层的一侧上或者设置在所述压电层的相对置的侧上，并且
所述电声器件构成为基于表面波的器件或构成为基于体积波的器件，
其中所述层序列还包括至少一个第一反射层(51)和至少一个第二反射层(52)，所述至少一个第二反射层(52)是电绝缘的并且包括化学改性的石墨烯，其中所述化学改性的石墨烯包括借助氧来加工的石墨烯，使得所述石墨烯具有绝缘特性。
2.根据权利要求1所述的电声器件，其中所述第一电极(10)和所述第二电极(20)中的至少一个包括多个相互叠置的层，在所述多个相互叠置的层中的至少一个层包含石墨烯。
3.根据权利要求2所述的电声器件，其中所述第一电极(10)和所述第二电极(20)的所述至少一个包含石墨烯的层与包含选自下列的材料的至少一个层进行组合：Ti、Mo、由Ti与Mo组成的混合物、Ru、Pt、W、Al、Cu和由Al与Cu组成的混合物。
4.根据权利要求1所述的电声器件，其中所述至少一个第一反射层(51)具有高的声阻抗，和所述至少一个第二反射层(52)具有低的声阻抗，所述电声器件还包括衬底(40)，其中所述至少一个第一反射层(51)和所述至少一个第二反射层(52)设置在所述衬底(40)和所述第一电极(10)之间。
5.根据权利要求4所述的电声器件，其中至少一个第一反射层(51)包含W。
6.根据权利要求4所述的电声器件，其中所述至少一个第二反射层(52)设置在所述至少一个第一反射层(51)和所述第一电极(10)之间。
7.用于制造根据权利要求1至6中任一项所述的电声器件的方法，其中石墨烯借助于选自下列的方法来施加：化学气相沉积、物理气相沉积、在溶液中施加和表面化学反应。
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