CN109889177A - 具有掺杂隔离结构的体声波谐振器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有掺杂隔离结构的体声波谐振器，包括基底，嵌入基底的声学镜，位于基底和声学镜之上的下电极，位于下电极之上的压电层，以及位于压电层之上的上电极，上电极、压电层、下电极与声学镜在谐振器的厚度方向上的重叠部分形成有效区域，其中，压电层的周边区域具有掺杂隔离结构，掺杂隔离结构在横向上具有多层结构，每层具有均匀的元素掺杂浓度，彼此邻近的两层中掺杂浓度或者掺杂元素不同。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别地涉及一种具有掺杂隔离结构的体声波谐振器。
背景技术
传统的体声波谐振器俯视结构如图1所示，沿直线AA’剖开可得到如图2所示的剖面结构。如图2所示，传统体声波谐振器包含基底SUB200(对应图1中的SUB100)，嵌入或位于基底上的声学镜结构AM200(对应图1中的AM100)，位于声学镜和基底上方的下电极BE200(对应于对应图1中的BE100)，位于下电极之上并并向四周延伸且覆盖下电极的压电薄膜层PZ200(对应于对应图1中的PZ100)，位于压电薄膜层之上的上电极TE200。此外，图2中未示出的结构还包含图1中所示的下电极的引脚BE110和上电极引脚TE110。该体声波谐振器中，声学镜、下电极、压电层和上电极在横向上的重合区域构成谐振器的有效声学区域AR200(图1中未示出)。此外，图1和图2中所示的压电层横向边界不代表实际边界。此规则也适用于本文中的其他实施例。
具有如图2所示结构的体声波谐振器在工作时，总会有部分声波从有效区域AR200内泄漏到有效区域之外，从而造成体声波谐振器的品质因数(Q值)下降，从而使谐振器性能劣化。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种具有掺杂隔离结构的体声波谐振器，具有更高品质因素。
本发明提出一种具有掺杂隔离结构的体声波谐振器，包括基底，嵌入基底的声学镜，位于基底和声学镜之上的下电极，位于下电极之上的压电层，以及位于压电层之上的上电极，所述上电极、所述压电层、所述下电极与所述声学镜在所述谐振器的厚度方向上的重叠部分形成有效区域，其中，所述压电层的周边区域具有掺杂隔离结构，所述掺杂隔离结构在横向上具有多层结构，每层具有均匀的元素掺杂浓度，彼此邻近的两层中掺杂浓度或者掺杂元素不同。
可选地，所述掺杂隔离结构的内侧边界与所述体声波谐振器有效声学区域外侧边界的距离大于3μm小于30μm，或者大于声波波长并且小于十倍声波波长。
可选地，所述掺杂隔离结构中掺杂浓度为0-40％。
可选地，所述掺杂隔离结构中各层的横向厚度范围为1-20μm。
可选地，所述掺杂隔离结构中各层的掺杂浓度由中心向周边呈周期性排布、单调上升排布或者单调下降排布。
可选地，所述掺杂隔离结构的上表面为：平坦表面、具有阶梯结构、具有梯形结构或者具有起伏结构。
可选地，所述基底的材料包括但不限于：单晶硅、砷化镓、石英或者蓝宝石。
可选地，所述上电极和下电极的材料包括但不限于：钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金。
可选地，所述压电层的材料包括但不限于：氮化铝、氧化锌或者钛锆酸铅。
可选地，所述掺杂隔离结构的材料包括但不限于：掺杂的氮化铝、氧化锌或钛锆酸铅，掺杂元素为包括但不限于：钛、镁、钪、钇、镁、钛、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥。
本发明通过对压电层进行元素掺杂和对压电层结构进行调整，在体声波谐振器的有效区域周围形成声波反射和抑制结构，从而有效降低或消除泄漏到有效区域之外的声波能量，进而提高谐振器对能量的利用效率和工作性能。
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是传统谐振器的俯视结构图；
图2是传统谐振器的剖视结构图；
图3是本发明第一实施例的具有掺杂隔离结构的体声波谐振器A100的俯视结构图；
图4是本发明第一实施例的具有掺杂隔离结构的体声波谐振器A100的剖视结构图；
图5是本发明第二实施例的具有掺杂隔离结构的体声波谐振器A110剖视结构图；
图6是本发明第三实施例的具有掺杂隔离结构的体声波谐振器A120剖视结构图；
图7是本发明第四实施例的具有掺杂隔离结构的体声波谐振器A200剖视结构图；
图8是本发明第五实施例的具有掺杂隔离结构的体声波谐振器A300的剖视结构图；
图9是本发明第六实施例的具有掺杂隔离结构的体声波谐振器A400的剖视结构图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例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例是示例性的，旨在用于解释本发明，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。
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该特征。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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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；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。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。
本发明实施例的具有掺杂隔离结构的体声波谐振器，包括基底，嵌入基底的声学镜，位于基底和声学镜之上的下电极，位于下电极之上的压电层，以及位于压电层之上的上电极，其特征在于，所述压电层的周边区域具有掺杂隔离结构，所述掺杂隔离结构在横向上具有多层结构，每层具有均匀的元素掺杂浓度，彼此邻近的两层中掺杂浓度或者掺杂元素不同。
本发明实施例的具有掺杂隔离结构的体声波谐振器中，通过对压电层进行元素掺杂和对压电层结构进行调整，在体声波谐振器的有效区域周围形成声波反射和抑制结构，从而有效降低或消除泄漏到有效区域之外的声波能量，进而提高谐振器对能量的利用效率和工作性能。
可选地，声学镜可采用空腔结构(优选)或布拉格反射层结构。基底材料可选但不限于：单晶硅(优选)、砷化镓、石英、蓝宝石等。上下电极材料可选但不限于钼(优选)、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬等或以上金属的复合或其合金。
压电层有效区域材料可选但不限于：氮化铝(优选)、氧化锌、钛锆酸铅等。掺杂隔离结构的材料包括但不限于：掺杂的氮化铝(优选)、氧化锌或钛锆酸铅，掺杂元素为包括但不限于：钛、镁、钪(优选)、钇、镁、钛、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥。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)。
为使本领域技术人员更好地理解，下面结合具体实施例进行说明。
一、第一类实施例
在本类实施例中，压电层130(特别是掺杂隔离结构)具有平坦的上表面，且在掺杂隔离结构150内具有细节结构。
图3为第一实施例A100的俯视结构图，图4为第一实施例A100的剖视结构图。实施例A100与传统结构的不同之处在于，在有效声学区域周边加入了若干层具有元素掺杂的压电层结构，构成了掺杂隔离结构150(图3中的虚线标注区域150仅示意了部分掺杂隔离结构，并且俯视图在后续实施例中不再使用)。该掺杂隔离结构150用于抑制声波泄漏抑制。图4中的体声波谐振器结构包含基底100，嵌入基底的声学镜(空腔)110，位于基底和声学镜之上的下电极120，位于下电极之上的压电层薄膜130，以及位于压电层之上的上电极140。其中压电层声学镜110、下电极120、压电层薄膜130和上电极140的横向重合部分构成谐振器的有效声学区域160。压电层130向四周延伸至下电极120边缘外侧，压电层130包含中心区域135和位于周边区域的掺杂隔离结构150。压电层的掺杂区域在横向上分为若干层，且层数不小于2。掺杂隔离结构150的内侧边界与有效声学区域160的距离为D100，为了充分抑制声波泄漏同时又充分减小对谐振器工作状态的负面影响，将D100范围设定为大于一个声波波长小于十个声波波长。
进一步，可将上述掺杂隔离结构150的内侧边界位置设置在图5所示的第二实施例A110所示的位置。如图5所示，压电层周边区域的内侧边界152位于区域162中，其中区域162由声学镜112、下电极122和压电层132在横向上重合于上电极142之外的部分所定义。
进一步，中心压电层和周边压电层的界面还可进入有效声学区域，如图6的第三实施例A120所示。图中界面153进入有效区域163的程度为：确保有效区域内中心压电层138的面积不低于该区域内压电层总面积的一半。
以上实施例中，对于压电层材料的元素掺杂比例范围为0％-40％，优选范围3％-20％。中心压电层具有均匀的元素参杂浓度。周边压电层横向上具有多层结构，每层具有均匀的元素参杂浓度。每层横向上厚度范围1-20μm。中心压电层至少与和其相邻的一层周边压电层的元素参杂比例不同(以形成声阻抗不匹配效果)。可选的，掺杂隔离结构中各层的浓度随层排布方式采用如下方式中的一种：掺杂区域的各层的浓度可进行周期排布(最小周期不低于2层)；由中心向外参杂浓度单调上升排布；由中心向外参杂浓度单调下降排布。
需要说明的是，掺杂隔离结构150的内侧边界位置可以灵活设定。通常地，该内侧边界位置距离中间近，则反射横向传播的声波的效果会得到增强，可使Q较高，但是距离太近了对有效区域的纵向传播的声波产生影响，使得Q降低。上述多个距离实施例(A100，A110和A120)就是为了在利弊点中寻求平衡。
二、第二类实施例
图7是本发明第四实施例的具有掺杂隔离结构的体声波谐振器A200剖视结构图。A200与A100的不同之处在于在周边压电层上表面不再平坦，加入了阶梯结构。
其中BC及BC垂直于基底200上表面的延伸线为周边压电层与中心压电层的界面。此界面的横向位置设置同A100，A110和A120。若以中心压电层延伸至上电极之外的部分AB为基准面，则阶梯面CD到AB的距离为H201，H201范围为中心压电层厚度的正负1/2，优选范围正负1/4；阶梯面EF到AB的距离为H200，H200范围为中心压电层厚度的正负1/2，优选范围正负1/4，此处线段DE及其垂直于基底上表面的延长线不一定为周边压电层中层结构间的分界面。结构BCDE的横向宽度为D201，D201范围为中心压电层厚度的正负1/2，优选范围正负1/4。
三、第三类实施例
图8是本发明第五实施例的具有掺杂隔离结构的体声波谐振器A300的剖视结构图。A300与A100的不同之处在于压电层上表面不再平坦，加入了梯形结构。
周边压电层与中心压电层的分界面BH的横向位置设定与A100、A110和A120相同。梯形结构下底CF长度D302，上底DE长度D303，梯形高度H300；梯形上底距离有效声学区域360的横向距离D301，上底与区域360的横向距离为D304。其中D302的范围为中心压电层厚度的1/2，优选范围1/4，D303的范围为中心压电层厚度的1/2，优选范围1/4。H300的范围为中心压电层厚度的正负1/2，优选范围正负1/4。D301和D304的范围为中心压电层厚度的正负1/2，优选范围正负1/4。(注意，当H300为负值时，D301和304才可取负值。)
四、第四类实施例
图9是本发明第六实施例的具有掺杂隔离结构的体声波谐振器A400的剖视结构图。A400与A100的不同之处在于压电层上表面不再平坦，加入了起伏结构。
周边压电层与中心压电层的分界面BC及其垂直于基底400上表面的延长线的横向位置设定与A100、A110和A120相同。纵向上，以中心压电层435延伸至上电极440之外的平面AB作为基准，平面CD与AB的距离为H400，，平面EF与AB的距离为H410，平面GH与AB的距离为H402。其中H400范围为中心压电层厚度的正负1/2，优选范围正负1/4，H401范围为中心压电层厚度的正负1/2，优选范围正负1/4，H402范围为中心压电层厚度的正负1/2，优选范围正负1/4。横向上，CD长度为D401，DE横向长度D402，EF横向长度D403，FG横向长度D404。当H400为负值时(即CD面低于AB面)，横向上中心压电层可覆盖住部分周边压电层的CD面，覆盖宽度为D405，D405的值可取0至覆盖满整个CD面的范围。其中D401范围为中心压电层厚度的1/2，优选范围1/4，D402范围为中心压电层厚度的1/2，优选范围1/4，D403范围为中心压电层厚度的1/2，优选范围1/4,D404范围为中心压电层厚度的1/2，优选范围1/4。
需要说明的是，与第一类实施例相同，第二、三、四类实施例中的掺杂隔离结构的内侧边界也可以向有效区域内侧延伸，例如可以延伸至位于如图5、6所示的位置。
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。
Claims (10)
1.一种具有掺杂隔离结构的体声波谐振器，包括基底，嵌入基底的声学镜，位于基底和声学镜之上的下电极，位于下电极之上的压电层，以及位于压电层之上的上电极，所述上电极、所述压电层、所述下电极与所述声学镜在所述谐振器的厚度方向上的重叠部分形成有效区域，其特征在于：
所述压电层的周边区域具有掺杂隔离结构，所述掺杂隔离结构在横向上具有多层结构，每层具有均匀的元素掺杂浓度，彼此邻近的两层中掺杂浓度或者掺杂元素不同。
2.根据权利要求1所述的具有掺杂隔离结构的体声波谐振器，其特征在于，所述掺杂隔离结构的内侧边界与所述体声波谐振器有效声学区域外侧边界的距离大于3μm小于30μm，或者大于声波波长并且小于十倍声波波长。
3.根据权利要求1所述的具有掺杂隔离结构的体声波谐振器，其特征在于，所述掺杂隔离结构中掺杂浓度范围为0-40％。
4.根据权利要求1所述的具有掺杂隔离结构的体声波谐振器，其特征在于，所述掺杂隔离结构中各层的横向厚度范围为1-20μm。
5.根据权利要求1所述的具有掺杂隔离结构的体声波谐振器，其特征在于，所述掺杂隔离结构中各层的掺杂浓度由中心向周边呈周期性排布、单调上升排布或者单调下降排布。
6.根据权利要求1所述的具有掺杂隔离结构的体声波谐振器，其特征在于，所述掺杂隔离结构的上表面为：平坦表面、具有阶梯结构、具有梯形结构或者具有起伏结构。
7.根据权利要求1所述的具有掺杂隔离结构的体声波谐振器，其特征在于，所述基底的材料包括但不限于：单晶硅、砷化镓、石英或者蓝宝石。
8.根据权利要求1所述的具有掺杂隔离结构的体声波谐振器，其特征在于，所述上电极和下电极的材料包括但不限于：钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金。
9.根据权利要求1所述的具有掺杂隔离结构的体声波谐振器，其特征在于，所述压电层的材料包括但不限于：氮化铝、氧化锌或者钛锆酸铅。
10.根据权利要求1所述的具有掺杂隔离结构的体声波谐振器，其特征在于，所述掺杂隔离结构的材料包括但不限于：掺杂的氮化铝、氧化锌或钛锆酸铅，掺杂元素为包括但不限于：钛、镁、钪、钇、镁、钛、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥。
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