CN109075762A - 压电层及包括压电层的压电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明描述一种压电材料。所述压电材料包括掺杂有镱Yb的氮化铝AlN，在所述AlN中Yb的原子百分比大于或等于大约10.0％且小于或等于大约27.0％。包括所述压电材料的压电层可用于体声波BAW声谐振器及表面声波SAW声谐振器中。所述BAW声谐振器及所述SAW声谐振器可用于各种应用中。

Description

压电层及包括压电层的压电装置
相关申请案的交叉参考
本申请案是依据专利合作条约提出申请的国际专利申请案且依据35U.S.C.§365主张2016年5月6日提出申请的发明人为柳谷(Yanagitani)的日本专利申请案第2016-92976号的优先权。日本专利申请案第2016-92976号的全部揭露内容特此以引用方式并入本文中。
背景技术
许多电子应用中均使用电谐振器。举例来说，在许多无线通信装置中，将射频(rf)谐振器及微波频率谐振器用作滤波器来改进信号的接收及发射。滤波器通常包含电感器及电容器，且近来包含谐振器。
将了解，期望减小电子装置的组件的大小。许多已知的滤波器技术给总体系统小型化带来障碍。由于需要减小组件大小，因此已出现基于压电效应的一类谐振器。在基于压电的谐振器中，在压电材料中会产生声谐振模式。这些声波被转换成电波以用于电应用中。
声谐振器经由反压电效应及正压电效应将电信号转换成声信号(音波)且将所接收到声波转换成电信号。声换能器通常包含声谐振器(例如，表面声波(SAW)谐振器及体声波(BAW)谐振器)，且可用于各种各样的电子应用中，例如蜂窝电话、个人数字助理(PDA)、电子游戏装置、膝上型计算机及其它便携式通信装置。举例来说，BAW谐振器包含：层体声谐振器(FBAR)，其包含形成于衬底腔上方的谐振器堆叠；及固态装配型谐振器(SMR)，其包含形成于声反射器(例如，布拉格镜)上方的谐振器堆叠。举例来说，BAW谐振器可用于电滤波器及变压器。
通常，声谐振器在两个导电板(电极)之间具有一层压电材料，所述压电材料可形成于薄膜上。举例来说，压电材料可以是一层各种材料，例如氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)或锆钛酸铅(PZT)。
压电层特性的指标之一是机电耦合系数(kt2)。机电耦合系数是指示电能与机械振动能之间的转换效率的系数。在使用压电层的频率滤波器中，压电材料的机电耦合系数越大，滤波器的频带宽度越宽。
虽然已研究了用以改进包括声谐振器的滤波器的带宽的各种方法，但仍需要通过增大声谐振器中所使用的压电材料的机电耦合系数来增加带宽。
因此，需要一种能克服至少上文所描述的已知缺点的BAW谐振器。
附图说明
当结合附图进行阅读时，从以下详细说明会最好地理解说明性实施例。要强调的是，各种特征未必按比例绘制。事实上，为论述清晰起见，可任意地增大或减小尺寸。在适用且实用时，相似参考编号指代相似元件。
图1是根据代表性实施例的Al1-xYbxN的晶体结构的示意图。
图2是用于形成本发明教示的压电层的代表性实施例设备的简化示意图。
图3是展示在本发明教示的压电层实例中镱(Yb)浓度与机电耦合系数之间的关系以及c轴在垂直于所述层的方向上的倾斜角的图表，所述倾斜角是通过X射线衍射获得。
图4是展示在本发明教示实例的压电层中Yb浓度与机电耦合系数之间的关系以及通过X射线衍射获得的摇摆曲线半值宽度的图表。
图5是展示根据代表性实施例通过对反射系数的频率特性进行逆傅里叶变换而获得的脉冲响应的时间波形的图表。
图6是展示通过对图5中所展示的时间波形的第一反射波进行傅里叶变换而获得的纵波转换损耗的频率特性(循环)以及基于梅森(Mason)等效电路模型计算出的频率特性的理论曲线(实线)的图表。
图7是用于产生本发明教示的压电层的另一代表性实施例设备的示意图。
图8是包括本发明教示的压电层的代表性实施例体声波(BAW)谐振器的横截面图。
图9是展示包括本发明教示的压电层的代表性实施例表面声波(SAW)谐振器的透视图。
具体实施方式
在以下详细说明中，出于阐释而非限制目的，陈述揭示具体细节的实例性实施例以便提供对本发明教示的透彻理解。然而，受益于本发明的所属领域的技术人员将明了，根据本发明教示的背离本文中所揭示的具体细节的其它实施例仍在随附权利要求书的范围内。此外，可省略对众所周知的设备及方法的说明以免使对实例性实施例的说明模糊。此类方法及设备显然在本发明教示的范围内。
本文中所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，并不打算具限制性。所定义术语是对所述所定义术语在相关上下文中通常所理解及接受的技术意义、科学意义或普通意义的补充。
除非上下文另外明确规定，否则如说明书及随附权利要求书中所使用，术语‘一(a)’、‘一(an)’及‘所述(所述)’包含单数及复数指示物两者。因此，举例来说，‘一装置’包含一个装置及多个装置。
如说明书及随附权利要求书中所使用且除其普通含义之外，术语‘基本’或‘基本上’还意指具有可接受限度或程度。举例来说，‘基本上消除’意指所属领域的技术人员将认为消除可接受。
如说明书及随附权利要求书中所使用且除其普通含义之外，术语‘大约’还向所属领域的技术人员意指在可接受限度或量内。举例来说，‘大约相同’意指所属领域的技术人员将认为所比较的各项目是相同的。
相对性术语，例如“上方”、“下方”、“顶部”、“底部”、“上部”及“下部”可用于描述各种元件彼此间的关系，如附图中所图解说明。这些相对性术语打算囊括除图式中所描绘的定向之外的装置及/或元件的不同定向。举例来说，如果装置在图式中相对于视图而倒转，那么被描述为在另一元件上方的元件(举例来说)现在将在所述元件下方。类似地，如果装置在图式中相对于视图旋转90°，那么被描述为在另一元件“上方”或“下方”的元件现在将“邻近”所述另一元件；其中“邻近”意指邻接所述另一元件，或在元件之间具有一或多个层、材料、结构等。
根据本发明教示且如下文更详细地描述，与已知压电材料相比，压电层具有经改进或经增大的机电耦合系数(kt2)。经改进/经增大机电耦合系数(kt2)有益地提供与已知滤波器相比具有更大的可用频带宽度的设备(例如，体声波(BAW)谐振器及滤波器以及表面声波(SAW)谐振器及滤波器)。
本发明教示的设备的声谐振器涵盖各种装置、装置结构、材料及制作方法。举例来说，可在以下美国专利公开案中的一或多者找到此类装置及对应制作方法的各种细节：莱金(Lakin)的美国专利第6,107,721号；鲁比(Ruby)等人的美国专利第5,587,620号、第5,873,153号、第6,507,983号、第7,388,454号、第7,714,684号及第8,436,516号；法兹欧(Fazzio)等人的美国专利第7,369,013号、第7,791,434号及第8,230,562号；冯(Feng)等人的美国专利第8,188,810号、第7,280,007号及第9,455,681号；蔡(Choy)等人的美国专利第8,248,185号及第8,902,023号；格莱曼(Grannen)等人的美国专利第7,345,410号；布兰得利(Bradley)等人的美国专利第6,828,713号；拉森三世(Larson,III)等人的美国专利第7,561,009号、第7,358,831号及第9,243,316号；邹(Zou)等人的美国专利第9,197,185号；蔡等人的美国专利申请公开案第20120326807号；鲁比的美国专利第7,629,865号；拉森三世等人的美国专利申请公开案第20110180391号及第20120177816号；拉森三世的美国专利申请公开案第20140246305号及第20140132117号；扎木米拉(Jamneala)等人的美国专利申请公开案第20070205850号；鲁比等人的美国专利申请公开案第20110266925号；鲁比等人的美国专利申请公开案第20130015747号；邹等人的美国专利申请公开案第20130049545号；比拉克(Burak)等人的美国专利申请公开案第20140225682号；格莱曼等人的美国专利申请公开案第20140118090号、第20140354109号及第20150326200号；邹等人的美国专利申请公开案第20140292150号及第20140175950号；冯等人的美国专利申请公开案第20150244347号；叶(Yeh)等人的美国专利申请公开案20150311046号；及毕(Bi)等人的美国专利申请公开案第20150207489号。上文所列举的专利及专利申请公开案中的每一者的全部揭露内容特此以引用方式并入本文中。注意，可做出一些专利及专利申请公开案的教示的变化形式以包含掺杂AlN的镱(Yb)，以实现所要的下文所描述的本发明教示压电层。要强调的是，这些专利及专利申请案中所描述的组件、材料及制作方法是代表性的，且涵盖所属领域的技术人员的视界内的其它制作方法及材料。
已知，铝及镓在周期表上属于相同族，其中Al属于第3周期且Ga属于第4周期。如此，Al具有比Ga小的离子半径。虽然离子半径的值在不同的文件中有所不同，但在一个实例中，Al的离子半径为50pm(皮米)且Ga的离子半径为62pm。在Ga1-xRxN中，在属于第6周期的R元素当中仅具有最小离子半径的Yb被Ga的一部分取代以给出经增大机电耦合系数。因此，自然可明白，不可能通过由属于第6周期的R元素(包含R元素是Yb的情形)取代氮化铝晶体中的Al的一部分来获得经增大机电耦合系数，Al具有比Ga小的离子半径。然而，本发明人发现，可制备其中由Yb取代AlN中的Al的一部分的压电层来完成本发明。
根据本发明教示，压电层包括氮化铝镱(Yb)，其中Yb掺杂元素仅替换AlN晶体中的Al原子。根据本发明教示，压电层具有化学成分分子式Al1-xYbxN，其中x的值大于或等于0.10且小于或等于0.27。如此，根据本发明教示，具有化学成分分子式Al1-xYbxN的代表性实施例压电层在AlN中大于或等于10％且小于或等于27％的Al由Yb取代。注意，当本文中论述在经掺杂AlN层中掺杂元素Yb的百分比时，这仅是指YbAlN压电层的铝对镱的比率。因此，举例来说，如果代表性实施例压电层中的Yb具有大约12.0％的原子百分比且Al具有大约88.0％的原子百分比，那么压电层的原子一致性可表示为Al0.88Sc0.12N。因为Yb的原子质量(173.0)大于已在特定已知装置中的AlN中被用作掺杂剂的Sc的原子质量(44.96)，所以本发明教示压电层可使机电耦合系数增大到大于特定具有掺杂钪的氮化铝(ASN)的压电材料的压电层，且借此加宽可用频带宽度。另外，在将可用频带宽度设置到相同水平的情形中，根据本发明教示，在压电层是已知的ASN层时所添加的Yb量小于所添加的Sc量，借此减少所使用的稀有稀土元素的量。
注意，在化学成分分子式Al1-xYbxN中x的值是通过四舍五入到第二小数位来表示。为此，申请人已从通过使用EPMA(电子探针显微分析器，其由日本电子株式会社(JEOLLtd.)制造)对所获得压电层(实例及比较性实例)中的每一者的成分进行的评估确定，在代表性实施例中，获得由Al1-xYbxN形成且全部均具有在0.0977到0.2657范围内的x的值(即，在四舍五入到第二小数位时，0.10<x<0.27)的压电层。在下文所描述的图3及图4的图表中，通过在14个测量点上的水平轴的值来展示所获得压电层的x的值(包含比较性实例的x＝0)，(即，这些图表的垂直轴的值在下文予以描述)。
此外申请人已确定，当在Al1-xYbxN层中x的值小于0.10时，在所述层与AlN膜之间机电耦合系数的值基本上不存在显著差异。与此同时，当x的值超过0.27时，制作Al1-xYbxN层便极其困难。因此，本发明教示规定在化学成分分子式Al1-xYbxN中，x的值介于0.10与0.27之间。
Al1-xYbxN具有被称为纤锌矿型结构的六边形晶体结构，如图1中所展示，且由于电极化(P)轴而在平行于c轴的方向上具有压电性。如下文结合图7的说明更充分地描述，可通过溅射方法来制备代表性实施例的Al1-xYbxN压电层。在氮气(其也可以是氮气与另一适合惰性气体的混合气体)大气下，通过在衬底的附近区域中产生Al及Yb的溅射粒子来形成具有所定义c轴的Al1-xYbxN压电层。在代表性实施例中，Al1-xYbxN压电层的c轴被定向成在垂直(正交)于压电层的方向上。换句话说且如下文更详细地描述，代表性实施例的Al1-xYbxN压电层具有与压电层的平面正交的c轴。另一选择为，根据下文所描述的另一代表性实施例，通过以与衬底表面几乎平行的角度将由氩及氮构成的离子束辐射到衬底表面这一溅射方法来制作Al1-xYbxN压电层，Al1-xYbxN压电层的c轴被定向成在与Al1-xYbxN压电层的平面平行的方向上。又一选择为，根据下文所描述的另一代表性实施例，通过以相对于衬底表面倾斜的角度辐射离子束来在衬底上形成Al1-xYbxN压电层，Al1-xYbxN压电层的c轴在相对于Al1- xYbxN压电层的平面倾斜的方向上(即，既不垂直于也不平行于压电层)，通过上述溅射方法来将Al1-xYbxN压电层制作于衬底表面上。
代表性实施例的压电元件将从一对电极输入的AC电信号转换成机械振动，且将机械振动从压电层表面输出到周围介质。反之，压电元件将从周围介质输入到压电层表面的机械振动转换成AC电信号，并从电极输出电信号。
根据代表性实施例，设备包括衬底；第一电极，其安置于衬底上方；压电层，其安置于第一电极上方。BAW谐振器还包括第二电极，所述第二电极安置于压电层上方。所述设备的压电层包括掺杂有镱(Yb)的氮化铝(AlN)，且在AlN中Yb的原子百分比大于或等于大约10.0％且小于或等于大约27.0％。用作说明，在本发明所描述的设备中，压电层以及第一电极及第二电极安置于平行平面中，其中Al1-xYbxN压电层的c轴与这些平面中的每一者正交。因此，在代表性实施例的设备中，在压电层中Al1-xYbxN的c轴被定向成在垂直于于压电层的方向上。此设备支持体声波(BAW)，且提供BAW谐振器。多个BAW谐振器可经配置以提供电滤波器。
在上文所描述的代表性实施例设备中，当在压电层中Al1-xYbxN的c轴被定向成在垂直(正交)于压电层的方向上时，所述压电元件可被用作BAW谐振器。相比之下，当压电层的c轴被定向成在平行于压电层(即，平行于压电层的平面)的方向上时，本发明教示的压电层可被用作以液体为检测物体的液体传感器，由于在周围环境中存在液体时在压电层中激发剪切体波，因此压电层在振动不会泄传到液体的情况下发生谐振。举例来说，此类液体传感器包含用于检测抗原及抗体反应的传感器。抗体形成于压电元件的表面上(电极的表面上，或压电层未被电极覆盖的一部分的表面上)；当含有抗原的液体与表面接触时，由于抗原与抗体之间的耦合所致的质量改变会使谐振频率发生改变；且通过测量所述谐振频率，此传感器可检测到抗原与抗体的反应。另外，当c轴被定向成方向相对于层倾斜时，激发纵波及剪切波两者。因此，压电元件可被用作使用纵波及剪切波两者的压电元件。
在又一代表性实施例中，压电层安置于第一电极上方。压电层包括掺杂有镱(Yb)的氮化铝(AlN)。AlN中Yb的原子百分比大于或等于大约10.0％且小于或等于大约27.0％；且压电层包括一对指状交叉梳状电极。此代表性实施例的设备经配置以支持表面声波(SAW)且提供SAW谐振器。多个SAW谐振器可经配置以提供SAW滤波器。
第二代表性实施例的压电元件将从一对梳状电极输入的交流(AC)电信号转换成机械振动，且将所述机械振动(表面声波)从压电层表面产生到周围介质。反之，代表性实施例的压电元件将从周围介质输入到压电层表面的机械振动转换成AC电信号，并从梳状电极输出电信号。包括本发明教示压电层的多个SAW谐振器可经配置以提供SAW滤波器。
当压电层的c轴被定向成在垂直于压电层的方向上时，第二实施例的压电元件产生称为瑞利(Rayleigh)波的表面声波，且可被用作SAW滤波器。类似地，当压电层的c轴被定向成平行于压电层且垂直于梳状齿的延伸方向时，压电元件可用作SAW滤波器。另外，当压电层的c轴被定向成平行于压电层且平行于梳状齿的延伸方向时，压电元件产生横波型表面声波，且不仅可用作SAW滤波器而且可用作液体传感器。此液体传感器使用在物体(固体物体)附近的液体的导电率的大小对表面波的速度的改变，借此能够测量液体的导电率。当压电层的c轴被定向成在相对于层倾斜的方向上时，压电元件可被用作使用纵波(瑞利波)及剪切波两者的装置。
参考图2至图9，描述压电层以及制作本发明教示压电层的方法及设备的代表性实施例。以下代表性实施例是为了图解说明本发明教示的一些说明性实例，并不限制本发明。
图2是用于形成根据代表性实施例的压电层的溅射装置的简化示意图。溅射装置10包括真空室11、磁控管阴极12及阳极13，阳极13呈板状、安置成面向磁控管阴极12。磁控管阴极12具有安置于面向阳极13的表面上的溅射目标T，且经由匹配箱141连接到高频电源14。阳极13具有附接到面向磁控管阴极12的表面的衬底S且接地。真空室11的壁表面包括：气体引入端口15，其用于将气体引入到真空室11的内部；及气体排放端口16，其用于在引入气体之前从真空室11的内部排出空气等。注意，尽管不必要，但阳极13可具有用于使衬底S冷却的水冷却型冷却装置(未展示)。
随着本说明继续将变得更清楚，选择衬底S以用作后续装置(例如，声谐振器)及装置的组件(例如，电极)的载台。根据代表性实施例，衬底包括单晶硅(Si)或类似材料。
在本发明所描述的代表性实施例中，溅射目标T包括安置于板状铝目标(T-AL)上方的颗粒状目标镱(T-YB)。另一选择为，并非是溅射目标T-AL及T-YB，也可使用由Al与Yb的合金形成的板状目标。又一选择为，也可使用将包括Al的一个目标且包括Yb的另一目标放置于不同溅射源上的二元溅射方法。
在进行选定溅射目标设置之后，高频电源14在大约40W到大约150W的功率电平下提供具有说明性频率13.56MHz的电力。对于从气体引入端口15引入到真空室11内部的气体而言，本发明实施例使用氮气与氩气的混合气体，其中在分压力中氮气对氩气的混合比率是大约1:2。整个混合气体的压力被设置为大约0.75Pa。要强调，此混合比率及压力仅是说明性的，并不打算限制于此实例。另外，也可使用另一惰性气体来代替氩气，且可仅使用氮气来代替混合气体。
接下来，阐释其中在上述条件下使用溅射装置10来制备本发明实施例压电层的实例。在所述实例中，对目标T-YB的量做出改变以获得十个不同的Al1-xYbxN层，所述十个Al1- xYbxN层具有不同的Al及Yb原子百分比。作为比较性实例，在不将目标T-YB放置于目标T-Al上的情况下(即，仅使用T-Al)制备未被掺杂的AlN层。
由于通过EPMA(电子探针显微分析器，其由日本电子株式会社制造)对所获得压电层(实例及比较性实例)中的每一者的成分进行了评估，因此确认在所述实例中，获得了由Al1-xYbxN形成且全部均具有在0.0977到0.2657范围内的x的值(其中在四舍五入到第二小数位时，0.10>x≤<0.27)的压电层。在图3及图4的图表中，通过在14个测量点上的水平轴的值来展示所获得压电层的x的值(包含比较性实例的x＝0)(这些图表的垂直轴的值在下文予以描述)。
接下来，通过X射线衍射方法来评估所获得压电层中的每一者。c轴相对于与其中安置压电层的上表面的平面垂直的方向具有0°到8.1°的倾斜角(即举例来说，相对于图8的z轴为0°到8.1°)，。在图3的图表中将压电层的c轴的倾斜角展示为3种类型：2°或小于2°(圆形)、介于2°与4°之间(三角形)及4°或大于4(最大8.1°，x)，即其中所有的角度测量均是相对于其中安置有压电层的上表面的平面的垂直轴或正交轴(即举例来说，相对于图8的z轴)而言的。另外，是展示c轴方向变化的值的半值宽度介于1.4°与5.4°之间。在图4的图表中相对于安置压电层的上表面的平面(即举例来说，相对于图8的z轴)将压电层的半值宽度展示为3种类型：3°或小于3°(圆形)、介于3°与5°之间(三角形)、及5°或大于5°(最大5.4°，x)。依据上述结果可评估出所有压电层均被定向成在垂直于c轴的方向上。
接下来，进行获得机电耦合系数的实验以便评估所获得压电层的压电特性。在此实验中，制备HBAR(高次谐波体声谐振器，high-overtone bulk acoustic resonator)且使用网络分析器(E5071C，安捷伦科技(Agilent Technologies))依据纵波转换损耗的测量结果来获得机电耦合系数，在HBAR中，从底部开始按照石英玻璃衬底、由Ti制成的下部电极、所述实例的Al1-xYbxN层及由Au制成的上部电极的次序来安放上述各项。具体来说，首先测量所制备HBAR的反射系数S11的频率特性；对反射系数S11的频率特性进行逆傅里叶变换以获得脉冲响应时间波形(图5)；且仅提取在大约200纳秒内侦测到的脉冲响应时间波形的第一波的回波并对其进行傅里叶变换，借此获得纵波转换损耗的频率特性(图6)。在图5及图6中，展示示范性脉冲响应时间波形及纵波转换损耗的频率特性以作为具有x＝0.17的样本。通过对由此获得的纵波转换损耗的所测量值与理论曲线进行比较，可估计出机电耦合系数值。
在此实验中，由于整个压电层经由下部电极与石英玻璃衬底接触，因此当在压电层中所激发的音波传播通过石英玻璃衬底时会发生衍射损耗及传播衰减。因此，通过上述方法获得的机电耦合系数值小于通过其它方法获得的机电耦合系数值。因此，在下文，不将所述实例的Al1-xYbxN层的机电耦合系数值与其它文件所报告的机电耦合系数值进行比较，而是与比较性实例中所制备的不含Yb的AlN层的机电耦合系数值进行比较。
图3及图4中展示根据上述代表性实施例制作的及在上述实验中获得的机电耦合系数(kt2)值(图3与图4仅在呈现上述X射线衍射结果方面不同，且机电耦合系数具有相同的值)。当在比较性实例中机电系数(kt2)值是大约3.8％时，在所述实例中kt2处于从大约6.2％到大约10.8％范围内，这一值是比较性实例的压电层的kt2的大约1.6倍到大约2.8倍大。这意味着(尽管测量方法不同)所述实例的kt2等于或大于已知Al1-xScxN层的机电耦合系数对比较性实例(未被掺杂的AlN层)的机电耦合系数的比率的最大值(1.8倍)。即，所述实例的代表性实施例的Al1-xYbxN层的机电耦合系数等于或大于已知Al1-xScxN层的机电耦合系数。
此外，使用以类似方式形成的已知Al1-xScxN层作为实例，也进行使用HBAR来获得机电耦合系数的实验。然而，当Sc含量x是0.38时，在实验中获得的机电耦合系数是10.0％，这一值小于所述实例的最大值。那么，直到在Al1-xScxN中x是0.40时，机电耦合系数才会大于所述实例的最大值。由于当Yb含量x是0.21时获得所述实例中的最大值，因此可以说在稀土(Yb)量少于已知Al1-xScxN层的情况下，可通过所述实例的Al1-xYbxN层获得约相同水平的机电耦合系数。
图7展示根据另一代表性实施例的溅射装置10A。溅射装置10A、其组件及其操作的许多细节类似于结合图2所描述的溅射装置10，且出于说明清晰起见可不再重复。
溅射装置10A是用于制备Al1-xYbxN层的装置，其中压电层的c轴被定向成在平行于压电层的平面的方向上(例如，在图8及9的Al1-xYbxN层的相应上表面的x-y平面中)。此溅射装置10A与上述溅射装置10之间的比较表明，此溅射装置的不同在于其具有：离子束辐射装置17，用于将离子束辐射到附接到阳极13的衬底S的表面；及冷却装置18，其用于经由阳极13来使衬底S冷却。离子束辐射装置17以几乎平行于衬底S的表面的角度将氩离子束及氮离子束辐射到表面。通过在使用离子束辐射装置17以上述角度将氩离子束辐射到衬底S的表面时将溅射粒子沉积于表面上，形成c轴被定向成在平行于Al1-xYbxN层的方向上的Al1- xYbxN层。当离子束相对于衬底S的表面的角度增大时，可获得c轴被定向成在相对于层倾斜的方向上的Al1-xYbxN层。在本变化形式中，冷却装置18是水冷却型的，但也可使用另一方法的冷却装置，只要可使衬底S冷却即可。
图8是代表性实施例的包括本发明教示压电层的体声波(BAW)谐振器20的横截面图。通常，安置于包括腔(参见下文)的声反射器上方的BAW谐振器被称为膜体声谐振器(FBAR)，而安置于包括交替低声阻抗层与高声阻抗层(通常被称为分布式布拉格反射器)的声反射器上方的BAW谐振器被称为固态装配型谐振器(SMR)。
BAW谐振器20包括安置于声堆叠下方的腔231，声堆叠包括：下部电极222；压电层21，其包括安置于下部电极的上表面上方的Al1-xYbxN层(在四舍五入到第二小数位时，0.10<x<0.27)；及上部电极221，其安置于压电层21的上表面上方。腔231形成于衬底23中，衬底23如上文所描述，可以是单晶硅或其它适合材料。如此，BAW谐振器20是FBAR。
压电层21具有安置于第一平面(在图8中所描绘的坐标系的x-y维度中)中的上表面251及安置于第二平面(在图8中所描绘的坐标系的x-y维度中)中的下表面252，第二平面平行于第一平面。压电层21具有定向成在基本上垂直(参见箭头22)于压电层21的方向上的c轴(及因此是极化轴)(即，c轴定向成在所展示坐标系的z方向上)，且如此c轴定向成基本上垂直于压电层21的上表面251的第一平面(即，所展示坐标系的x-y平面)(c轴基本上平行于z轴)。夹于上部电极221与下部电极222之间的压电层21用作层谐振器，且仅其一部分由衬底23支撑，而其余部分位于衬底23的腔231上方。在FBAR 20中，当在上部电极221与下部电极222之间施加AC电压时，压电层21在基本上垂直压电层21的方向(平行于所描绘的坐标系中的z轴)上振动，且有益地开启纵向模式。与此同时，当在垂直于压电层21的方向上施加振动时，会在上部电极221与下部电极222之间产生AC电压。
FBAR 20中的压电层21的c轴的方向并不限于上述实例，且可在平行于压电层21的方向上，或在相对于压电层21倾斜(既不垂直也不平行于压电层21)的方向上。当c轴并不如上所述垂直于压电层21时，FBAR 20可用作层谐振器传感器。此外，因具有与FBAR 20的配置相同的配置，因此压电元件可用作除了层谐振器之外的压电元件，例如压电致动器。
图9是展示包括本发明教示的压电层31的代表性实施例表面声波(SAW)谐振器30的透视图。压电层31具有安置于第一平面(在图9中所描绘的坐标系的x-y维度中)中的上表面3251及安置于第二平面(在图9中所描绘的坐标系的x-y维度中)中的下表面3252，第二平面平行于第一平面。
SAW 30谐振器包括：压电层31，其包括Al1-xYbxN层(在四舍五入到第二小数位时，0.10<x<0.27)；第一梳状电极321；及第二梳状电极322，第一梳状电极321及第二梳状电极322安置于压电层31的上表面上方。第一梳状电极321具有多个梳齿3221，所述多个梳齿3221安置于压电层31的上表面的平面(图9所展示的坐标系的xy平面)中且在垂直于压电层31的c轴的方向上延伸。第二梳状电极322也具有类似梳齿3222。
第一梳状电极321的梳齿3211与第二梳状电极322的梳齿3222是以指状交叉布置安置。
在SAW装置30中，当在第一梳状电极321与第二梳状电极322之间施加AC电压时，压电层31在平行于c轴(即，反平行于图9中所展示的坐标轴中的y轴)的方向上振动。与此同时，当在平行于c轴的方向上对压电层31施加振动时，会在第一梳状电极321与第二梳状电极322之间产生AC电压。
SAW装置30中的压电层31的c轴的方向并不限于上述实例，且可平行于梳齿3221及3222，或者可在平行于压电层31的方向上，而非仅平行于或垂直于梳齿3221及3222这两个方向(即，平行于/反平行于图9中所展示的坐标系的x轴)。此外，c轴可在垂直于压电层31的方向上(即，平行于图9的坐标系的z轴)，或者在相对于压电层21倾斜的方向上(既不垂直也不平行行压电层21)。然而，当产生横波型表面声波时，需要使c轴不垂直于压电层31(即，不平行于z轴)且不平行于梳齿3221及3222(即，不平行于x轴)，且c轴优选地平行于压电层31(即，反平行于图9中所展示的坐标轴中的y方向)且垂直(平行于图9的坐标系中的z轴)于梳齿3221及3222。
除了使用上述层谐振器及SAW装置的频率滤波器及传感器之外，本发明的压电层还可用作用于超声换能器、隔膜型空中超声元件(pMUT)、压电变压器、能量采集器、压电致动器、压电电动机、用于医学装备的超声探针等的压电层。
根据代表性实施例，描述掺杂有Yb的AlN材料(AYbN)及层、用于包含AYbN层的各种应用的BAW及SAW谐振器(例如在电滤波器及无线通信装置的其它组件中)，且提供上文所描述的其它装置。所属领域的技术人员应了解，可存在根据本发明教示的许多变化形式，且其仍在随附权利要求书的范围内。在审阅本文中的说明书、图式及权利要求书之后，所属领域的技术人员将明了这些及其它变化形式。因此，本发明不受除了在随附权利要求书的精神及范围内的内容之外的限制。

Claims (10)

1.一种压电层，其包括：
掺杂有镱Yb的氮化铝AlN，在所述AlN中Yb的原子百分比大于或等于大约10.0％且小于或等于大约27.0％。
2.根据权利要求1所述的压电层，其中所述压电层具有在第一平面中的上表面及在第二平面中、与所述上表面相对的下表面，所述第一平面平行于所述第二平面，且所述压电层包括正交于所述第一平面及所述第二平面而定向的极化轴(c轴)。
3.根据权利要求1所述的压电层，其中所述压电层具有第一表面及与所述第一表面相对的第二表面，所述第一表面及所述第二表面分别安置于平行的第一平面及第二平面中，且所述压电层包括平行于所述第一平面及所述第二平面而定向的极化轴(c轴)。
4.根据权利要求1所述的压电层，其中所述压电层具有上表面及与所述上表面相对的下表面，所述上表面及所述下表面分别安置于平行的第一平面及第二平面中，且所述压电层包括相对于所述第一平面及所述第二平面成大于大约0°的角度且不足与所述第一平面及所述第二平面正交的程度而定向的极化轴(c轴)。
5.一种体声波BAW谐振器，其包括：
衬底；
第一电极，其安置于所述衬底上方；
压电层，其安置于所述第一电极上方，所述压电层包括掺杂有镱Yb的氮化铝AlN，在所述AlN中Yb的原子百分比大于或等于大约10.0％且小于或等于大约27.0％；及
第二电极，其安置于所述压电层上方。
6.根据权利要求5所述的BAW谐振器，其进一步包括安置于所述衬底中及所述第一电极下方的声反射器。
7.根据权利要求6所述的BAW谐振器，其中所述声反射器是位于所述衬底中的腔或安置于所述衬底中的分布式布拉格反射器。
8.一种BAW谐振器型滤波器，其包括多个根据权利要求7所述的BAW谐振器。
9.根据权利要求8所述的BAW谐振器型滤波器，其中所述多个BAW谐振器中的一些BAW谐振器被串联电连接，且所述BAW谐振器中的一些BAW谐振器被并联电连接。
10.一种表面声波SAW谐振器，其包括：
压电层，其安置于第一电极上方，所述压电层包括掺杂有镱Yb的氮化铝AlN，在所述AlN中Yb的原子百分比大于或等于大约10.0％且小于或等于大约27.0％；及
一对指状交叉梳状电极，其安置于所述压电层上方。
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