CN110120793A - 具有非c轴优选压电层的薄膜体声波谐振器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有非c轴优选压电层的薄膜体声波谐振器，包括从下到上依次设置的基底、第一电极、压电层和第二电极，基底与第一电极之间设有反射界面；其中压电层的中间部分位于有源区，压电层包括c轴优选压电层，所述的压电层中还包括非c轴优选压电层，所述的c轴优选压电层的一部分或全部位于非c轴优选压电层的内侧；其中位于内侧的c轴优选压电层被非c轴优选压电层包围，且位于有源区内。本发明通过在压电层设置非c轴优选压电层，从而在压电层能够抑制c轴优选压电层产生的侧向波或是寄生模态的共振，进而提升谐振器的Q值并减小寄生谐振。
Description
技术领域
本发明属于薄膜体声波谐振器领域，具体涉及一种具有非c轴优选压电层的薄膜体声波谐振器。
背景技术
薄膜体声波谐振器是构成体声波滤波器的核心器件，其性能的好坏决定了滤波器性能的优劣。为了提供高性能的体声波滤波器，需要提供高Q值、更小寄生谐振的谐振器。
图1为一种常规薄膜体声波谐振器结构示意图，其中从上到下依次设有第二电极101、压电层102、第一电极103和基底105，其中基底105和第一电极103之间设有作为反射界面的空气腔104。目前常用的提高Q值、减小寄生谐振的方法有很多种，比较常见的是提供更好的压电层材料。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种具有非c轴优选压电层的薄膜体声波谐振器，能够提升谐振器的Q值并减小寄生谐振。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种具有非c轴优选压电层的薄膜体声波谐振器，包括从下到上依次设置的基底、第一电极、压电层和第二电极，基底与第一电极之间设有反射界面；其中压电层的中间部分位于有源区，压电层包括c轴优选压电层，其特征在于：所述的压电层中还包括非c轴优选压电层，所述的c轴优选压电层的一部分或全部位于非c轴优选压电层的内侧；其中位于内侧的c轴优选压电层被非c轴优选压电层包围，且位于有源区内。
按上述方案，所述的非c轴优选压电层位于有源区内侧、有源区外侧或横跨有源区内外侧。
按上述方案，所述的反射界面为空气腔、背腔或布拉格反射镜。
按上述方案，所述的非c轴优选压电层采用非压电材料。
按上述方案，所述的非压电材料为SiO2。
按上述方案，所述的非c轴优选压电层采用与c轴优选压电层不同的压电材料，且结晶特性也不同；非c轴优选压电层的c轴取向为c轴倾斜、水平或垂直。
按上述方案，所述的非c轴优选压电层与c轴优选压电层为在同一个压电层具有相同压电材料、不同结晶特性的薄膜；非c轴优选压电层的c轴取向为c轴倾斜、水平或垂直；
本谐振器还包括用于控制所述非c轴优选压电层在生长时形成的结晶特性的晶向控制层。
按上述方案，所述的晶向控制层通过在与压电层接触的第一电极表面改变表面粗糙度而形成。
按上述方案，所述的晶向控制层设置在所述的第一电极与非c轴优选压电层之间，晶向控制层采用与第一电极晶格不匹配的金属。
按上述方案，所述的压电材料为AlN、ZnO 、PZT、BST中的一种。
按上述方案，所述的非c轴优选压电层的厚度与c轴优选压电层的厚度一致。
本发明的有益效果为：通过在压电层设置非c轴优选压电层，从而在压电层能够抑制c轴优选压电层产生的侧向波或是寄生模态的共振，进而提升谐振器的Q值并减小寄生谐振。
附图说明
图1为一种常规薄膜体声波谐振器结构示意图。
图2为本发明实施例一的结构示意图。
图3为本发明实施例二的结构示意图。
图4为本发明实施例三的结构示意图。
图5为本发明实施例四的结构示意图。
图6为本发明实施例五的结构示意图。
图7为本发明实施例六的结构示意图。
图8为本发明实施例七的结构示意图。
图9为现有技术一薄膜体声波谐振器的散射参数图。
图10为本发明实施例一的散射参数图。
图11为现有技术与本发明实施例一的散射参数对比图。
图12为本发明一实施例中非c轴优选压电层的原理图。
图13为本发明一实施例中非c轴优选压电层的形成结构示意图。
图中：101-第二电极，102-压电层，103-第一电极，104-空气腔，105-基底，106-非c轴优选压电层，107-有源区，108-布拉格反射镜，109-晶向控制层，110-背腔，201-纵向波，202-横向波，203-非c轴优选压电层弱横向波，204-c轴优选压电层弱横向波。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
实施例一：
如图2所示，本实施例提供一种具有非c轴优选压电层的薄膜体声波谐振器，包括从下到上依次设置的基底105、第一电极103、压电层102和第二电极101，基底105与第一电极103之间设有反射界面，本实施例中反射界面为空气腔104。其中压电层102的中间部分位于有源区107，有源区107的明确定义是：第一电极，压电层及第二电极重叠的区域，而且重叠的区域地下有反射界面。压电层102包括c轴优选压电层和非c轴优选压电层106，所述的c轴优选压电层被非c轴优选压电层106分为内外两部分；其中位于内侧的c轴优选压电层被非c轴优选压电层106包围，且位于有源区107的中心（也可以不是中心，有可能是偏离中心，只要在有源区内就有效）。
本实施例中，非c轴优选压电层106位于有源区107内侧，且非c轴优选压电层106的边缘与有源区107的边缘重合。非c轴优选压电层106的厚度与c轴优选压电层的厚度一致。
其中，非c轴优选压电层106可以为SiO2等非压电材料，也可以为AlN、ZnO、PTZ、BST等与c轴优选压电层材料不同、结晶特性不同的压电材料，还可以是在同一个压电层具有不同结晶特性的相同压电材料的薄膜。
当非c轴优选压电层106为非压电材料、或者与c轴优选压电层材料不同、结晶特性不同的压电材料，制备时，在压电材料沉积完成之后，利用光刻在压电层102中特定的区域形成凹槽，此凹槽区域即为非c轴优选压电层106的区域，沉积非c轴优选压电层106所用的非压电材料或压电材料填充凹槽，然后利用化学机械抛光去除多余的材料后，实施后续制造体声波器件的工艺步骤。
当非c轴优选压电层106为在同一个压电层具有不同结晶特性的相同压电材料的薄膜时，如图13所示，通过设置用于控制所述非c轴优选压电层106在生长时形成的结晶特性的晶向控制层109，使得非c轴优选压电层106的结晶特性与c轴优选压电层结晶特性不同，从而非c轴优选压电层106的c轴取向为c轴倾斜、水平或垂直。
所述的晶向控制层109可以通过在与压电层102接触的第一电极103表面改变表面粗糙度而形成，从而在形成压电层102时，在同一个压电层102形成两种以上结晶特性的薄膜，其中一种结晶特性作为c轴优选压电层，其它的作为非c轴优选压电层106；最后在压电层102上沉积第二电极101。以第一电极103以Mo为例，晶向控制层109为粗糙的Mo表面，压电层102为AlN薄膜。粗糙的Mo表面会让AlN的半高宽（FWHM）变大，FWHM变大表示结晶特性改变，该AlN为非c轴优选AlN。非c轴优选AlN在电场激励下抑制了c轴优选压电材料产生的横向波共振，进而减少寄生模态的产生。
由于本实施例中反射界面为空气腔104，在制备过程中基底上还有一层牺牲层，工艺完成后该牺牲层会被释放，因此在制备时，所述的晶向控制层109也可以通过在与第一电极103接触的牺牲层表面改变表面粗糙度而形成，从而在形成第一电极103时，晶向控制层109上形成的第一电极103为非结晶优选电极层，在非结晶优选电极层上形成的压电层即为非c轴优选压电层106。
所述的晶向控制层109也可以通过在所述的第一电极103上采用与第一电极103晶格不匹配的金属形成，从而在形成压电层102时，在同一个压电层102形成两种以上结晶特性的薄膜，在非晶向控制层的第一电极103表面上生长的压电层102为c轴优选压电层，在晶向控制层109上生长的压电层为非c轴优选压电层106。
其工作原理如图12所示：压电层102除了在厚度的范围内形成一个纵向波201之外，还会伴随产生侧向的横向波202，本发明的目的是在横向波202传递的路径上形成一个吸收波能量区域，即非c轴优选压电层106，此区域的压电薄膜结晶特性不同于c轴优选压电层，横向波202传递到非c轴优选压电层106时会因为材料结晶特性的差异而衰减，抑制横向波202共振所产生的寄生模态，即成为非c轴优选压电层弱横向波203，非c轴优选压电层弱横向波203回到c轴优选压电层成为弱横向波204，并逐步衰减。
图1所示的常规薄膜体声波谐振器模拟得到的散射参数图如图9所示，而本实施例的散射参数图如图10所示，为了更直观的比较，将图9和图10进行叠加，如图11所示，图11中L2为常规薄膜体声波谐振器的散射曲线，L1为本实施例的散射曲线，从图9、10和11可以看出，本实施例在大于fs频率区域寄生谐振明显减少，即在上半圆区域L1明显在L2外侧，也就是“Q圆”更大，同时在圆图的右侧寄生圆明显减少，表明Q值也得到提升。
实施例二：
本实施例的原理和结构与实施例一基本相同，其不同之处在于：如图3所示，本实施例提供一种具有非c轴优选压电层的薄膜体声波谐振器，包括从下到上依次设置的基底105、第一电极103、压电层102和第二电极101，基底105与第一电极103之间设有反射界面，本实施例中反射界面为空气腔104。其中压电层102的中间部分位于有源区107，压电层102包括c轴优选压电层和非c轴优选压电层106，所述的c轴优选压电层被非c轴优选压电层106分为内外两部分；其中位于内侧的c轴优选压电层被非c轴优选压电层106包围，且位于有源区107的中心。非c轴优选压电层106位于有源区107内侧，且非c轴优选压电层106的边缘与有源区107的边缘不重合。非c轴优选压电层106的一边的截面宽度小于有源区107截面宽度的一半，即总宽度小于有源区。
实施例三：
本实施例的原理和结构与实施例一基本相同，其不同之处在于：如图4所示，本实施例提供一种具有非c轴优选压电层的薄膜体声波谐振器，包括从下到上依次设置的基底105、第一电极103、压电层102和第二电极101，基底105与第一电极103之间设有反射界面，本实施例中反射界面为空气腔104。其中压电层102的中间部分位于有源区107，压电层102包括c轴优选压电层和非c轴优选压电层106，所述的c轴优选压电层被非c轴优选压电层106分为内外两部分；其中位于内侧的c轴优选压电层被非c轴优选压电层106包围，且位于有源区107的中心。非c轴优选压电层106横跨有源区107的内外侧，位于有源区107内的非c轴优选压电层106的一边截面宽度小于有源区107截面宽度的一半，即总宽度小于有源区。
为了降低对有源区性能的影响，同时保证能量泄露和寄生谐振的抑制能力，c轴优选压电层的部分位于有源区内侧，非c轴优选压电层106横跨有源区107的内外侧时，效果最佳。在有源区边缘外侧区域收集了边缘的电场能量，提升了能量的利用效率；降低非c轴优选压电层106对有源区107性能的影响；保证对能量泄露和寄生谐振的抑制能力。
实施例四：
本实施例的原理和结构与实施例一基本相同，其不同之处在于：如图5所示，本实施例提供一种具有非c轴优选压电层的薄膜体声波谐振器，包括从下到上依次设置的基底105、第一电极103、压电层102和第二电极101，基底105与第一电极103之间设有反射界面，本实施例中反射界面为空气腔104。其中压电层102的中间部分位于有源区107，压电层102包括c轴优选压电层和非c轴优选压电层106，所述的c轴优选压电层被非c轴优选压电层106分为内外两部分；其中位于内侧的c轴优选压电层被非c轴优选压电层106包围，且位于有源区107的中心。非c轴优选压电层106位于有源区107外侧，且非c轴优选压电层106的边缘与有源区107的边缘重合。
实施例五：
本实施例的原理和结构与实施例一基本相同，其不同之处在于：如图6所示，本实施例提供一种具有非c轴优选压电层的薄膜体声波谐振器，包括从下到上依次设置的基底105、第一电极103、压电层102和第二电极101，基底105与第一电极103之间设有反射界面，本实施例中反射界面为空气腔104。其中压电层102的中间部分位于有源区107，压电层102包括c轴优选压电层和非c轴优选压电层106，所述的c轴优选压电层被非c轴优选压电层106分为内外两部分；其中位于内侧的c轴优选压电层被非c轴优选压电层106包围，且位于有源区107的中心。非c轴优选压电层106位于有源区107外侧，且非c轴优选压电层106的边缘与有源区107的边缘不重合。
实施例六：
本实施例的原理和结构与实施例三基本相同，其不同之处在于：如图7所示，本实施例提供一种具有非c轴优选压电层的薄膜体声波谐振器，包括从下到上依次设置的基底105、第一电极103、压电层102和第二电极101，基底105与第一电极103之间设有反射界面，本实施例中反射界面为贯穿基底的背腔110。其中压电层102的中间部分位于有源区107，压电层102包括c轴优选压电层和非c轴优选压电层106，所述的c轴优选压电层被非c轴优选压电层106分为内外两部分；其中位于内侧的c轴优选压电层被非c轴优选压电层106包围，且位于有源区107的中心。非c轴优选压电层106横跨有源区107的内外侧，位于有源区107内的非c轴优选压电层106的一边的截面宽度小于或等于有源区107截面宽度的一半，即总宽度小于有源区。
实施例七：
本实施例的原理和结构与实施例三基本相同，其不同之处在于：如图8所示，本实施例提供一种具有非c轴优选压电层的薄膜体声波谐振器，包括从下到上依次设置的基底105、第一电极103、压电层102和第二电极101，基底105与第一电极103之间设有反射界面，本实施例中反射界面为第一声阻抗材料和第二声阻抗材料交替组合形成的布拉格反射镜108，第一声阻抗材料和第二声阻抗材料的声阻抗不同。其中压电层102的中间部分位于有源区107，压电层102包括c轴优选压电层和非c轴优选压电层106，所述的c轴优选压电层被非c轴优选压电层106分为内外两部分；其中位于内侧的c轴优选压电层被非c轴优选压电层106包围，且位于有源区107的中心。非c轴优选压电层106横跨有源区107的内外侧，位于有源区107内的非c轴优选压电层106的一边的截面宽度小于或等于有源区107截面宽度的一半，即总宽度小于有源区。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种具有非c轴优选压电层的薄膜体声波谐振器，包括从下到上依次设置的基底、第一电极、压电层和第二电极，基底与第一电极之间设有反射界面；其中压电层的中间部分位于有源区，压电层包括c轴优选压电层，其特征在于：所述的压电层中还包括非c轴优选压电层，所述的c轴优选压电层的一部分或全部位于非c轴优选压电层的内侧；其中位于内侧的c轴优选压电层被非c轴优选压电层包围，且位于有源区内。
2.根据权利要求1所述的具有非c轴优选压电层的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述的非c轴优选压电层位于有源区内侧、有源区外侧或横跨有源区内外侧。
3.根据权利要求1所述的具有非c轴优选压电层的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述的反射界面为空气腔、背腔或布拉格反射镜。
4.根据权利要求1或2或3所述的具有非c轴优选压电层的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述的非c轴优选压电层采用非压电材料。
5.根据权利要求4所述的具有非c轴优选压电层的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述的非压电材料为SiO2。
6.根据权利要求1所述的具有非c轴优选压电层的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述的非c轴优选压电层采用与c轴优选压电层不同的压电材料，且结晶特性也不同；非c轴优选压电层的c轴取向为c轴倾斜、水平或垂直。
7.根据权利要求1所述的具有非c轴优选压电层的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述的非c轴优选压电层与c轴优选压电层为在同一个压电层具有相同压电材料、不同结晶特性的薄膜；非c轴优选压电层的c轴取向为c轴倾斜、水平或垂直；
本谐振器还包括用于控制所述非c轴优选压电层在生长时形成的结晶特性的晶向控制层。
8.根据权利要求7所述的具有非c轴优选压电层的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述的晶向控制层通过在与压电层接触的第一电极表面改变表面粗糙度而形成。
9.根据权利要求7所述的具有非c轴优选压电层的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述的晶向控制层设置在所述的第一电极与非c轴优选压电层之间，晶向控制层采用与第一电极晶格不匹配的金属。
10.根据权利要求7所述的具有非c轴优选压电层的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述的压电材料为AlN、ZnO 、PZT、BST中的一种。
11.根据权利要求1所述的具有非c轴优选压电层的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述的非c轴优选压电层的厚度与c轴优选压电层的厚度一致。
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