CN106130501B - Ⅲ族氮化物薄膜体声波谐振器和滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了Ⅲ族氮化物薄膜体声波谐振器和滤波器，涉及谐振器和滤波器技术领域，本发明包含衬底，设于衬底上的布拉格反射层、设于布拉格反射层上的导电层、压电层、上金属电极，所述导电层为Ⅲ族氮化物导电层，所述压电层为Ⅲ族氮化物压电层，Ⅲ族氮化物导电层与Ⅲ族氮化物压电层之间产生高迁移率二维电子气作为压电电荷的收集电极和疏运通道。避免了先沉积下金属电极，再在金属电极上制备压电层的过程，实现了下导电材料层和压电材料层之间的连续制备，工艺流程简单、方便，并且同为Ⅲ族氮化物的导电层上制备的压电材料晶体质量更好，压电系数更高，利用这种结构的谐振器组成的滤波器的滤波性能更好。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜体声波谐振器和滤波器技术领域，尤其涉及Ⅲ族氮化物薄膜体声波谐振器和滤波器技术领域。
背景技术
微型化、集成化、高性能是无线终端对频率器件的要求。传统射频/微波频段频率器件的解决方案为介质陶瓷滤波器、声表面波（SAW）滤波器和体声波（BAW）滤波器。前者具有较好的性能，但体积太大；后者虽然体积小，但存在工作频率低、插入损耗大、功率容量低的缺点。体声波BAW滤波器件综合了介质陶瓷滤波器和SAW滤波器的优点，同时又能克服二者的缺点，被认为是最佳的GHZ器件解决方案。
传统的BAW谐振器是由金属电极-压电薄膜-金属电极构成的三明治状结构。BAW谐振器的机电耦合系数主要取决于压电薄膜的质量，压电薄膜通常选用半导体材料，压电薄膜的c轴择优取向性越好，BAW谐振器的机电耦合系数也就越高，而压电薄膜的取向生长，受底层材料晶格匹配和生长条件的影响很大。但是由于下层金属电极与压电薄膜有很高的晶格失配度，如此大的晶格失配造成了很高的位错密度，将使BAW滤波器件中的非辐射复合中心增多，限制了其内量子效率的进一步提升，不利于声波的传输。因此，如何把满足BAW器件要求的高质量压电薄膜整合到下层金属电极上成为亟需解决的关键问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种Ⅲ族氮化物薄膜体声波谐振器，既可以满足压电电荷的收集和输运需求，又可以保证压电层和导电层之间界面良好，实现了下导电层与压电层之间的连续制备，工艺流程简单、方便。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：Ⅲ族氮化物薄膜体声波谐振器，包含衬底，设于衬底上的布拉格反射层、设于布拉格反射层上的导电层、压电层、上金属电极，所述导电层为Ⅲ族氮化物导电层，所述压电层为Ⅲ族氮化物压电层，Ⅲ族氮化物导电层与Ⅲ族氮化物压电层之间产生高迁移率二维电子气作为压电电荷的收集电极和疏运通道。
进一步优化的技术方案为所述的衬底为SiC、Si、蓝宝石、AlN、GaN或金刚石中的一种。
进一步优化的技术方案为所述的布拉格反射层由多层高、低阻抗薄膜交替组成。。
进一步优化的技术方案为所述的高阻抗材料使用W或Mo，低阻抗材料使用金属Al。
进一步优化的技术方案为所述的Ⅲ族氮化物导电层为GaN、AlGaN、InN、InAlN或InGaN氮化物层。
进一步优化的技术方案为所述的Ⅲ族氮化物压电层为具有高压电性能的Ⅲ族氮化物材料，其极化强度要高于Ⅲ族氮化物导电层，包括AlN、AlGaN、InAlN、GaN、InGaN或InN氮化物。
进一步优化的技术方案为所述的上金属电极为Mo、Au、Pt、Al、W、Ti或者其中的组合。
进一步优化的技术方案为所述的Ⅲ族氮化物压电层厚度是工作声波的半波长。
进一步优化的技术方案为所述的Ⅲ族氮化物导电层和上金属电极的厚度是四分之一工作声波的波长。
本发明还提供一种Ⅲ族氮化物薄膜体声波滤波器，包含有上述所述的Ⅲ族氮化物薄膜体声波谐振器。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明的谐振器利用Ⅲ族氮化物导电层与Ⅲ族氮化物压电层之间产生的高迁移率二维电子气作为压电电荷的收集电极和疏运通道，避免了先沉积下金属电极再在金属电极上制备半导体压电层的过程，实现了下导电材料层与压电材料层之间的连续制备，工艺流程简单、方便；且在同为Ⅲ族氮化物的导电层上制备的压电材料晶体质量更好，压电系数更高，利用这种结构的滤波器的滤波性能更好。
附图说明
图1是Ⅲ族氮化物薄膜体声波谐振器的结构示意图。
图中：1、衬底；2、布拉格反射层；21、高阻抗材料；22、低阻抗材料；3、Ⅲ族氮化物导电层；4、Ⅲ族氮化物压电层；5、上金属电极。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，Ⅲ族氮化物薄膜体声波谐振器，包含衬底1，设于衬底1上的布拉格反射层2、设于布拉格反射层2上的导电层、压电层、上金属电极5，导电层、压电层、上金属电极5组成三明治结构，导电层为Ⅲ族氮化物导电层3，利用Ⅲ族氮化物导电层3代替下金属电极，压电层为Ⅲ族氮化物压电层4，由于Ⅲ族氮化物的极化反应，利用Ⅲ族氮化物导电层3与Ⅲ族氮化物压电层4之间产生高迁移率二维电子气作为压电电荷的收集电极和疏运通道，既可以满足压电电荷的收集和输运需求，又可以保证Ⅲ族氮化物压电层4和Ⅲ族氮化物导电层3之间界面良好，并且导电层与压电层之间的连续制备，工艺流程简单、方便，且在同为Ⅲ族氮化物的导电层3上制备的Ⅲ族氮化物压电层4晶体质量更好，压电系数更高。
衬底1可以选择SiC、Si、蓝宝石、AlN、GaN或金刚石。
布拉格反射层2由多层高、低阻抗薄膜交替形成。
低阻抗材料22可使用金属Al，高阻抗材料21可使用W或Mo。
Ⅲ族氮化物导电层3为可与Ⅲ族氮化物压电层之间产生二维电子气的Ⅲ族氮化物材料，可以选择GaN、AlGaN、InN、InAlN、InGaN等氮化物。
Ⅲ族氮化物压电层4为具有高压电性能的Ⅲ族氮化物材料，其极化强度要高于导电层，包括AlN、高Al组分的AlGaN、InAlN、GaN、InGaN、InN等氮化物,制备在Ⅲ族氮化物导电层上的AlN压电材料c轴择优取向好。
上金属电极5为Mo、Au、Pt、Al、W、Ti或者其中的组合。
压电层厚度是工作声波的半波长。
导电层和上金属电极5的厚度是四分之一工作声波的波长。
最优实施例为：采用蓝宝石衬底，布拉格反射层为交替叠合的金属Mo薄膜和金属Al薄膜：Mo-Al-Mo-Al-Mo-Al，Ⅲ族氮化物导电层为c轴取向的GaN，Ⅲ族氮化物压电层为c轴择优取向的AlN，上金属电极为Ti/Au。
最优实施例工艺流程：
采用直流溅射沉积工艺在附图1所示的蓝宝石衬底1上按照Mo-Al-Mo-Al-Mo-Al的顺序，依次制成交替叠合的金属Mo薄膜层和金属Al薄膜层组成的布拉格反射层2。然后再沉积c轴取向的GaN导电层3，用负胶剥离形成图形。在优化工艺条件下制备AlN压电层4，以正胶作掩膜抗蚀层，四甲基氢氧化铵（TMAH）的水溶液为刻蚀剂湿法刻蚀AlN薄膜，形成压电层图形。溅射金属Ti/Au作为上金属电极5，用负胶剥离形成图形。其中，所述AlN压电层4厚度是工作声波的半波长，GaN导电层3和上金属电极5的厚度都是四分之一工作声波的波长，布拉格反射层2和GaN导电层3各层的面积是1×1平方毫米，AlN压电层4面积是500×500平方微米，上电极5面积是500×500平方微米。
本发明还提出Ⅲ族氮化物薄膜体声波滤波器，该滤波器含有上述结构的Ⅲ族氮化物薄膜体声波谐振器，制备在Ⅲ族氮化物导电层上的AlN压电材料c轴择优取向好，BAW谐振器的机电耦合系数越好，组成的BAW滤波器的性能更好。具体结构参照上述实施例，由于本体声波滤波器含有上述所有实施例的全部技术方案，因此同样具有上述实施例的技术方案带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
采用上述技术方案，解决了现有技术中下层金属电极与半导体压电材料有很高的晶格失配度，不利于声波的传输的缺点，本发明的谐振器利用Ⅲ族氮化物导电层与Ⅲ族氮化物压电层之间产生的高迁移率二维电子气作为压电电荷的收集电极和疏运通道，避免了先沉积下金属电极再在金属电极上制备压电层的过程，实现了下导电材料层与压电材料层之间的连续制备，工艺流程简单、方便；且在同为Ⅲ族氮化物的导电层上制备的压电材料晶体质量更好，压电系数更高，利用这种结构的滤波器的滤波性能更好。
Claims (10)
1.Ⅲ族氮化物薄膜体声波谐振器，其特征在于：包含衬底(1)，设于衬底(1)上的布拉格反射层(2)、设于布拉格反射层(2)上的导电层、压电层、上金属电极(5)，所述导电层为Ⅲ族氮化物导电层(3)，所述压电层为Ⅲ族氮化物压电层(4)，Ⅲ族氮化物导电层(3)与Ⅲ族氮化物压电层(4)之间产生高迁移率二维电子气作为压电电荷的收集电极和疏运通道。
2.根据权利要求1所述的Ⅲ族氮化物薄膜体声波谐振器，其特征在于所述衬底(1)为SiC、Si、蓝宝石、AlN、GaN或金刚石中的一种。
3.根据权利要求1所述的Ⅲ族氮化物薄膜体声波谐振器，其特征在于所述布拉格反射层(2)由多层高、低阻抗薄膜交替组成。
4.根据权利要求3所述的Ⅲ族氮化物薄膜体声波谐振器，其特征在于所述高阻抗薄膜使用W或Mo，低阻抗薄膜使用金属Al。
5.根据权利要求1所述的Ⅲ族氮化物薄膜体声波谐振器，其特征在于所述Ⅲ族氮化物导电层(3)为GaN、AlGaN、InN、InAlN或InGaN氮化物层。
6.根据权利要求1所述的Ⅲ族氮化物薄膜体声波谐振器，其特征在于所述Ⅲ族氮化物压电层(4)为具有高压电性能的Ⅲ族氮化物材料，其极化强度要高于Ⅲ族氮化物导电层(3)，包括AlN、AlGaN、InAlN、GaN、InGaN或InN氮化物。
7.根据权利要求1所述的Ⅲ族氮化物薄膜体声波谐振器，其特征在于所述上金属电极(5)为Mo、Au、Pt、Al、W、Ti或者其中的组合。
8.根据权利要求1所述的Ⅲ族氮化物薄膜体声波谐振器，其特征在于所述Ⅲ族氮化物压电层(4)厚度是工作声波的半波长。
9.根据权利要求1所述的Ⅲ族氮化物薄膜体声波谐振器，其特征在于所述Ⅲ族氮化物导电层(3)和上金属电极(5)的厚度均是四分之一工作声波的波长。
10.Ⅲ族氮化物薄膜体声波滤波器，其特征在于，包含有如权利要求1-9中任一项所述的Ⅲ族氮化物薄膜体声波谐振器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |