CN109802646B

CN109802646B - 带有温度补偿层的谐振器、滤波器

Info

Publication number: CN109802646B
Application number: CN201811605272.9A
Authority: CN
Inventors: 张孟伦; 庞慰; 杨清瑞
Original assignee: Tianjin University; ROFS Microsystem Tianjin Co Ltd
Current assignee: Tianjin University; ROFS Microsystem Tianjin Co Ltd
Priority date: 2018-12-26
Filing date: 2018-12-26
Publication date: 2023-07-04
Anticipated expiration: 2038-12-26
Also published as: CN109802646A

Abstract

本发明涉及通信领域，提供一种带有温度补偿层的谐振器、滤波器。本发明中，多个所述谐振器用于级联形成滤波器；其中所述谐振器包括位置关系依次相连的顶电极、压电层、底电极、声反射结构、基底以及位于所述顶电极或所述压电层的温度补偿层；所述压电层的其中一部分掺杂有稀土元素。本发明与现有技术相比，可以在不影响谐振器其它性能的情况下，能够调节温度补偿层材料的声速温度系数以调节温度补偿层材料的温度补偿能力，从而使得谐振器的设计过程具有更强的灵活性。

Description

带有温度补偿层的谐振器、滤波器

技术领域

本发明涉及通信领域，特别地涉及一种带有温度补偿层的谐振器、滤波器。

背景技术

目前射频前端滤波器领域中，基于声表面波(SAW)技术和薄膜体声波(BAW)技术的滤波器由于器件的高性能表现、尺寸小型化而占据了市场的主导地位。相比SAW滤波器而言BAW滤波器解决方案在高频下能提供更加小的通带插损，更高地选择性，并且可长时间承受高功率，更好的静电放电(ESD)保护以及更加稳定的温度特性。基于这些优势，BAW滤波器技术在无线通讯应用的市场份额逐渐增大。

压电声波谐振器的压电层、金属层或电介层的厚度以及其内的声速都随温度的变化而变化，因此压电声波谐振器的谐振频率也随温度的变化而变化。尽管上述压电声波谐振器的各层随温度变化而产生的厚度膨胀或收缩会影响谐振频率，但各层内声波传播速度随温度的改变是影响压电声波谐振器谐振频率随温度改变的主要原因。目前应用在压电声波谐振器中的大部分材料都呈现出负的温度系数，即随温度的升高声速会变小，因为材料在较高温下会变“软化”(例如，跨原子力被减弱)。跨原子力的减小会导致材料弹性系数的减小，从而减小声速。由压电声波谐振器构成的射频(RF)滤波器通常有一个通带频率响应，压电声波谐振器的频率温度系数(TCF)会降低射频(RF)滤波器的制造良率，因为由压电声波谐振器所构成的设备或器件只有在一定温度范围内才能满足通带带宽的要求。

构成压电声波谐振器层叠结构的主要材料基本上都具有负的声速温度系数，而SiO₂(二氧化硅)材料具有正的声速温度系数，通过调整层叠结构中SiO₂以及其它各层材料的厚度，可以有效降低压电声波谐振器频率随温度漂移。但是插入的温度补偿层结构会降低谐振器的机电耦合系数，同时随着温度补偿层厚度的增加也会使得谐振器的品质因数Q值降低。在一些滤波器的应用中，需要压电谐振器的谐振频率、机电耦合系数、谐振器品质因数、谐振器频率温度系数同时满足一定要求，而通过单纯调节谐振器层叠结构中SiO₂以及其它各层材料的厚度难以实现。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种带有温度补偿层的谐振器、滤波器，使得可以在不影响谐振器的其它性能的情况下，能够调节温度补偿层材料的声速温度系数以调节温度补偿层材料的温度补偿能力，从而使得谐振器的设计过程具有更强的灵活性。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供了一种带有温度补偿层的谐振器，多个所述谐振器用于级联形成滤波器。所述谐振器包括位置关系依次相连的顶电极、压电层、底电极、声反射结构、基底以及位于所述顶电极或所述压电层的温度补偿层。所述压电层的其中一部分掺杂有稀土元素。温度补偿层的厚度范围是

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优选地可以是

至/>

本发明的实施例还提供了一种滤波器，所述滤波器包括多个上述谐振器，多个所述谐振器级联形成所述滤波器。

由于本发明的谐振器包括温度补偿层，所以可以提高谐振器温度补偿的能力，但是也会使得谐振器的机电耦合系数降低。同时如果温度补偿层的厚度太厚，还会导致谐振器的Q值(Q值即品质因数值)降低。在压电层其中一部分掺杂的稀土元素的原子半径通常比压电层本身的原子半径大，故会引起压电层的应力发生变化，而压电层中只有其中一部分掺杂了稀土元素，所以掺杂了稀土元素的那部分压电层的应力最大，从而在掺杂部分的压电层中加入较薄的温度补偿层就能起到最好的温补效果。同时，由于温度补偿层的厚度较薄，所以可以降低其中声波能量的损耗，提高谐振器的Q值；而且可以通过改变压电层中稀土元素的掺杂方式，来改变压电层中的应力变化情况，进而可以灵活改变温度补偿层所在的位置，可以使得谐振器在设计时在不影响其性能的同时，能够具有更强的灵活性。再者，由于掺入稀土元素后压电层应力的变化，会导致压电层材料中的电偶极子发生改变，当对压电层施加一电场时，压电层的材料中就会产生更大的机械响应，从而可以使得谐振器获得更高的机电耦合系数，进而能够弥补由于加入温度补偿层后所导致的谐振器机电耦合系数降低的情况。

可选的，所述压电层中靠近所述顶电极的其中一部分掺杂有稀土元素；所述温度补偿层位于所述掺杂有稀土元素的部分压电层中。

可选的，所述压电层中靠近所述底电极的其中一部分掺杂有稀土元素；所述温度补偿层位于所述掺杂有稀土元素的部分压电层中。

可选的，所述压电层依次包括第一部位、第二部位以及第三部位；所述第一部位靠近所述顶电极，所述第三部位靠近所述底电极，所述第二部位掺杂有稀土元素；所述温度补偿层位于所述第二部位。

可选的，所述压电层中靠近所述顶电极的其中一部分掺杂有稀土元素；所述温度补偿层位于所述顶电极。

可选的，所述压电层在该压电层的厚度方向上掺杂不同比例的稀土元素，且由所述底电极至所述顶电极的方向上掺杂的稀土元素的比例越来越高。

可选的，所述温度补偿层位于所述顶电极的上方。

可选的，所述温度补偿层位于所述顶电极之中，且被所述顶电极包围。

可选的，所述压电层在该压电层的厚度方向上掺杂不同比例的稀土元素，且由所述顶电极至所述底电极的方向上掺杂的稀土元素的比例越来越高。

可选的，所述温度补偿层位于所述掺杂有稀土元素比例最高的部分压电层中。

可选的，所述温度补偿层位于所述底电极之中，且被所述底电极包围。

可选的，所述压电层为单层结构或多层结构。

可选的，所述稀土元素为以下任意一种或其任意组合：镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钇以及钪。

可选的，所述稀土元素为钪。

可选的，所述钪的掺杂量为0.5％-40％。

可选的，所述谐振器还包括位于所述压电层和所述基底之间的平坦层；所述平坦层位于所述底电极的其中一端且与所述底电极的末端对齐。

附图说明

附图用于更好地理解本发明，不构成对本发明的不当限定。其中：

图1是第一实施方式中带有温度补偿层的谐振器的结构示意图；

图2是第一实施方式中带有温度补偿层的谐振器的另一结构示意图；

图3是第一实施方式中带有温度补偿层的谐振器的另一结构示意图；

图4是第一实施方式中带有温度补偿层的谐振器的另一结构示意图；

图5是第二实施方式中带有温度补偿层的谐振器的结构示意图；

图6是第二实施方式中带有温度补偿层的谐振器的另一结构示意图；

图7是第二实施方式中带有温度补偿层的谐振器的另一结构示意图；

图8是第三实施方式中带有温度补偿层的谐振器的结构示意图；

图9是第三实施方式中带有温度补偿层的谐振器的另一结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施例进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施例中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施例的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施例涉及一种带有温度补偿层的谐振器。本实施例中带有温度补偿层的谐振器为薄膜体声波谐振器。多个所述谐振器用于级联形成滤波器。所述谐振器包括位置关系依次相连的顶电极、压电层、底电极、声反射结构、基底以及位于所述顶电极或所述压电层的温度补偿层。所述压电层的其中一部分掺杂有稀土元素。其中，顶电极和底电极的材料可以由金(Au)、钨(W)、钼(Mo)、铂(Pt)，钌(Ru)、铱(Ir)、钛钨(TiW)、铝(Al)、钛(Ti)等类似金属形成。

压电层的材料可以为氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、锆钛酸铅(PZT)、铌酸锂(LiNbO₃)、石英(Quartz)、铌酸钾(KNbO₃)或钽酸锂(LiTaO₃)等。上述材料为压电薄膜，厚度小于10微米。氮化铝薄膜为多晶形态或者单晶形态，生长方式为薄膜溅射(sputtering)或者有机金属化学气相沉积法(MOCVD)。

温度补偿层的材料可以为多晶硅、硼磷酸盐玻璃(BSG)、二氧化硅(SiO₂)、铬(Cr)或碲氧化物(TeO_(x))。本发明实施例中的温度补偿层，在尽可能不影响谐振器其他性能的同时，具有较薄的厚度而且可以灵活调整位置。温度补偿层的厚度范围是

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优选地可以是/>

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如图1所示，所述压电层102中靠近所述顶电极101的其中一部分掺杂有稀土元素，即以图1所示方向为例，对压电层102的上半部分进行掺杂。所述温度补偿层106位于所述掺杂有稀土元素的部分压电层102中。具体地说，图1中的带有温度补偿层106的谐振器为一种薄膜体声波谐振器。该带有温度补偿层106的谐振器除包括位置关系依次相连的顶电极101、压电层102、底电极103、声反射结构104、基底105以及位于所述顶电极101或所述压电层102的温度补偿层106以外，还包括平坦层107。平坦层107的材料可以为二氧化硅、氮化硅、碳化硅等合适的介质材料。平坦层107位于所述压电层102和所述基底105之间，且所述平坦层107位于所述底电极103的其中一端且与所述底电极103的末端对齐，从而形成平整光滑的表面，有助于在底电极103与平坦层107的连接处沉积良好的压电薄膜。所述压电层102可以为单层结构，也可以为多层结构。多层结构比如，掺杂有稀土元素的一部分1021为一层结构，没有掺杂稀土元素的一部分1022为另一层结构。

值得一提的是，在图1中声反射结构104为嵌入基底105中的空腔所构成，但是任何其它的声反射结构104如布拉格反射器也同样适用。其中，压电层102典型的压电材料为氮化铝(AlN)。氮化铝为纤锌矿结构即六方晶系。加入温度补偿层106之后虽然能够提高上述谐振器的温度补偿能力，但是也会使得谐振器的机电耦合系数降低，同时如果温度补偿层106厚度太厚的话，也会降低谐振器的Q值。因此为了弥补谐振器机电耦合系数的降低以及灵活的改变温度补偿层106的位置和厚度，对压电层102进行了不对称掺杂即在压电层102的其中一部分掺杂有稀土元素。所述稀土元素可以为以下任意一种或其任意组合：镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)、钇(Y)以及钪(Sc)。其中，所述稀土元素优选为钪。当稀土元素掺杂进入压电层102的材料中时，会替换AlN晶体结构中的Al原子，形成Al_1-aSc_aN结构，其中a代表Sc的原子含量，典型的Sc掺杂量可以为0.5％-40％。

本实施例中，构成薄膜体声波谐振器的底电极103、压电层102以及顶电极101具有负的温度系数。当温度升高时，在底电极103、压电层102以及顶电极101中声波传播速度降低，谐振器的谐振频率降低。因此未经温度补偿层106的压电声波谐振器的频率温度系数为负。为补偿当温度变化而引起的谐振器谐振频率的变化，在掺杂有稀土元素的部分压电层102中添加温度补偿层106，其声速温度系数符号与底电极103、压电层102以及顶电极101相反，即具有正声速温度系数。一般地为了得到低的频率温度系数，将温度补偿层106放在谐振器发生谐振时产生的应力最大处即声波能量最密集区，可以起到温度补偿的效果最好。

在本发明实施例中，由于掺杂稀土元素的原子半径比铝元素的原子半径大，会引起压电材料中的应力发生变化，而压电层102中只有其中一部分结构中掺杂了稀土元素，所以在掺杂有稀土元素的部分压电层102的应力最大，从而在其中加入较薄的温度补偿层106结构就能起到最好的温补效果。同时由于温度补偿层106的厚度较薄，所以可以降低其中声波能量的损耗，提高谐振器的Q值；而且可以通过改变压电层中稀土元素的掺杂方式，来改变压电层中的应力变化情况，进而可以灵活改变温度补偿层所在的位置，可以使得谐振器在设计时在不影响其性能的同时，能够具有更强的灵活性。而且由于掺入稀土元素后压电层102中应力的变化，会导致压电层102材料中的电偶极子发生改变，当对压电层102施加一电场时，压电层102材料中就会产生更大的机械响应，从而可以使得谐振器获得更高的机电耦合系数，进而能够弥补由于加入温度补偿层106后所导致的谐振器机电耦合系数的降低。

或者，如图2所示，所述压电层102中靠近所述底电极103的其中一部分掺杂有稀土元素，即以图2所示方向为例，对压电层102的下半部分进行掺杂。所述温度补偿层106位于所述掺杂有稀土元素的部分压电层102中。所述压电层102可以为单层结构，也可以为多层结构。多层结构比如，掺杂有稀土元素的一部分1021为一层结构，没有掺杂稀土元素的一部分1022为另一层结构。

或者，如图3所示，所述压电层102依次包括第一部位301、第二部位302以及第三部位303。所述第一部位301靠近所述顶电极101，所述第三部位303靠近所述底电极103，所述第二部位302掺杂有稀土元素，即以图3所示方向为例，对压电层102的中间部分进行掺杂。所述温度补偿层106位于所述第二部位302。所述压电层102可以为单层结构，也可以为多层结构。多层结构比如，第一部位301、第二部位302以及第三部位303为三层结构。

或者，如图4所示，所述压电层102中靠近所述顶电极101的其中一部分掺杂有稀土元素，即以图4所示方向为例，对压电层102的上半部分进行掺杂。所述压电层102可以为单层结构，也可以为多层结构。多层结构比如，掺杂有稀土元素的一部分1021为一层结构，没有掺杂稀土元素的一部分1022为另一层结构。所述温度补偿层106位于所述顶电极101，且被所述顶电极101包围。由于在压电层102中掺杂的部分位于其上半部，所以谐振器在压电层102上半部分中的应力最大，因此将温度补偿层106放在顶电极101中(此时离谐振器中应力最大处最近)，可以使得温度补偿层106具有较薄的厚度即可以达到更好的温补效果，同时由于温度补偿层106的厚度较薄，因此降低了其中能量的损耗，进而使得谐振器的Q值得到提高。如果将温度补偿层106放在下电极中，要达到相同的温补效果，则需要更厚的温度补偿层106，这样会使得谐振器的机电耦合系数和Q值进一步下降。因此对压电层102进行不对称掺杂，通过改变掺杂的方式即可以改变温度补偿层106在谐振器中的位置和厚度。

另外，由于温度补偿层106通常是由绝缘材料组成，所以当温度补偿层106位于两电极(两电极指的是上述顶电极101和底电极103)与压电层102之间就作为一个串联电容，两电极之间的部分电压会落在温度补偿层106上，从而使得压电层102内的压降减小，压电层102内的电场强度也相应减小。因此对谐振器的机电耦合系数会产生影响。当温度补偿层106包裹在顶电极101之内后，由于在温度补偿层106的周围电极是相连接的，故在温度补偿层106周围的电极中具有相同的电势，所以在包裹在顶电极101中的温度补偿层106中的电场强度接近为零。声波谐振器顶电极101和底电极103之间的压降全部都位于压电层102之内，使得声波谐振器的机电耦合系数相比增大。另外，由于温度补偿层106没有在压电层102之内，因此不会破坏压电层102中压电材料的完整性。

本发明的第二实施例涉及一种带有温度补偿层的谐振器，本实施与第一实施例有所不同。不同之处在于：本实施例中压电层在该压电层的厚度方向上掺杂不同比例的稀土元素，且由底电极至顶电极的方向上掺杂的稀土元素的比例越来越高。

所述压电层在该压电层的厚度方向上掺杂不同比例的稀土元素，且由所述底电极至所述顶电极的方向上掺杂的稀土元素的比例越来越高。其中，所述温度补偿层位于所述顶电极的上方。或者，所述温度补偿层位于所述顶电极之中，且被所述顶电极包围。掺杂的所述稀土元素的比例变化范围为0～30％。

具体地说，如图5所示，在本发明实施例中，由于掺杂的稀土元素原子半径比铝元素的原子半径大，会引起压电层102材料中的应力发生变化。而由于压电层102在图5所示的厚度方向上掺杂的稀土元素的比例逐渐增大，图5中以掺杂三种比例的稀土元素为例进行说明，从标识501、标识502至标识503掺杂的稀土元素的比例逐渐增大，而标识504部分的压电层102没有掺杂稀土元素。压电层102可以为单层结构也可以为多层结构。即压电层102中的标识501、标识502、标识503以及标识504所指示的部分可以为单层结构也可以为四层结构。所以在压电层102的上表面具有最大的应力，因此可以将较薄的温度补偿层106结构放在压电层102的上表面就能起到最好的温补效果。同时由于温度补偿层106的厚度较薄，所以可以降低其中声波能量的损耗，提高谐振器的Q值。而且由于掺入稀土元素后压电层102材料中应力的变化，会导致压电层102材料中的电偶极子发生改变，当对压电材料施加一电场时，压电层102材料中就会产生更大的机械响应，从而可以使得谐振器获得更高的机电耦合系数，进而能够弥补由于加入温度补偿层后所导致的谐振器机电耦合系数的降低。同时由于温度补偿层在压电层102的表面，不会破坏压电层102内部压电材料的完整性。

如图6所示，温度补偿层106位于顶电极101之上。由于压电层102在厚度方向上掺杂的稀土元素的比例逐渐增大，使其在压电层102的表面具有最大的应力。同时对于谐振器来说其电极厚度一般都比较薄，所以将温度补偿层放在顶电极101的上方，能够在保证谐振器温补能力的同时，增加的温度补偿层也不会对谐振器的机电耦合系数产生影响。

如图7所示，温度补偿层106的位置位于顶电极101之中，并且温度补偿层106被顶电极101所包围。在本发明实施例中能够在保证温度补偿层106的温补的能力的同时，能够有效提升谐振器的机电耦合系数，而且能够保证压电层102中压电材料的完整性。

本发明的第三实施例涉及一种带有温度补偿层的谐振器，本实施与第一实施例有所不同。不同之处在于：本实施例中压电层在该压电层的厚度方向上掺杂不同比例的稀土元素，且由顶电极至底电极的方向上掺杂的稀土元素的比例越来越高。

所述压电层在该压电层的厚度方向上掺杂不同比例的稀土元素，且由所述顶电极至所述底电极的方向上掺杂的稀土元素的比例越来越高。其中，所述温度补偿层位于所述掺杂有稀土元素比例最高的部分压电层中。或者，所述温度补偿层位于所述底电极之中，且被所述底电极包围。

具体地说，如图8所示，压电层102在图8所示的厚度方向上掺杂的稀土元素的比例逐渐降低，典型的掺杂比例变化范围可以为30％～0％。图8中以掺杂三种比例的稀土元素为例进行说明，从标识801、标识802至标识803掺杂的稀土元素的比例逐渐减小，而标识804部分的压电层102没有掺杂稀土元素。压电层102可以为单层结构也可以为多层结构。即压电层102中的标识801、标识802、标识803以及标识804指示的部分可以为单层结构也可以为四层结构。在本实施例中，由于掺杂稀土元素的原子半径比铝元素的原子半径大，会引起压电层102材料中的应力发生变化，而压电层102在厚度方向上掺杂的稀土元素的比例逐渐减小，所以在压电层102的下表面具有最大的应力，因此可以将较薄的温度补偿层106结构放在压电层102的下表面就能起到最好的温补效果。同时由于温度补偿层106的厚度较薄，所以可以降低其中声波能量的损耗，提高谐振器的Q值。而且由于掺入稀土元素后压电层102材料中应力的变化，会导致压电层102材料中的电偶极子发生改变，当对压电层102材料施加一电场时，压电材层料中就会产生更大的机械响应，从而可以使得谐振器获得更高的机电耦合系数，进而能够弥补由于加入温度补偿层后所导致的谐振器机电耦合系数的降低。

如图9所示，温度补偿层106的位置位于底电极103之中，并且温度补偿层106被顶电极101所包围。在本实施例中能够在保证温度补偿层106的温补的能力的同时，能够有效提升谐振器的机电耦合系数，而且能够保证压电层102中压电材料的完整性。

本发明的第四实施例涉及滤波器。所述滤波器包括多个第一、第二或第三实施例所述的带有温度补偿层的谐振器，多个所述谐振器级联形成所述滤波器。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。