CN110999076B - 杂散模式信号被抑制的saw设备 - Google Patents

Abstract

对于布置在载体基板上的多层SAW设备，提出使用特定的材料作为载体基板。如果具有选定的欧拉角范围的硅材料被用作载体基板的材料，则可以实现对干扰信号的改进的抑制。

Description

杂散模式信号被抑制的SAW设备

背景技术

如今，在用于无线通信设备的频率滤波器中使用的SAW设备需要符合许多规范。新引入的标准或新的发展不断要求修改规范以及改进设备。无线设备在可能以载波聚合模式耦合的多个频带中的操作需要在不同温度条件下具有较高的频率稳定性，并且需要对带外的杂散模式的良好抑制。特别是在高功率水平下操作SAW设备时，需要相应解决方案，每种解决方案通常都需要被组合在一个设备中。

使用泄漏表面波的SAW设备由于不期望的声能辐射到体基板中而表现出损耗。另外，附加的体模式可以到达换能器的电极并且产生可能干扰所使用的频带中的操作的寄生信号。另外的损耗归因于较高模式的激发，例如板模式或通常被称为H2模式的二次谐波。

一种减少这些损耗并且消除寄生信号的方法是在支撑基板的表面上使用压电膜。在这种分层结构中，寄生体模式可以被引导在基板内，而不是被引导在布置有SAW换能器电极的压电膜的上表面附近，导致不希望的寄生信号。

如果在SAW设备的分层结构中引入另外的功能层(例如补偿层，以减小频率的温度系数，从而提高设备的温度稳定性)，则会出现其他问题。可以降低温度系数的层优选地包括具有正TCF的材料，例如氧化硅。这种多层结构中的每个另外的层增加了在这种结构内产生不期望的体模式或其他杂散模式的可能性。

从公开的美国专利申请US2015/0102705A1中，已知一种弹性表面波设备，其允许将弹性波的主模式限制在层系统内。该弹性表面波设备包括高声速膜、低声速膜和压电膜，该高声速膜、低声速膜和压电膜依次布置在载体基板之上，以达到期望的目的。然而，尚未研究所公开的叠层对例如板模式或二次谐波的附加的较高模式的激发和位置的影响。

发明内容

本发明的目的是减少源自例如板模式或H2模式的杂散模式的信号以及从体模式产生的信号。

这些目的中的至少一个目的由根据权利要求1的SAW设备实现。在从属子权利要求中给出了可以满足其他目的的改进实施例。

本发明提供了一种SAW设备，其包括载体基板，布置在载体基板之上的压电层，以及布置在压电层之上的IDT电极。发明人已经发现，适当选择用于载体基板的材料可以在减少由干扰模式(例如高次谐波和体模式)产生的干扰信号方面改善SAW设备。适当地选择用于基板的材料允许将SAW设备的主模式的能量限制在压电层内或层系统内，该层系统包括压电层并且被布置在载体基板之上。同时，这种材料允许较高模式或体模式泄漏到基板中，使得杂散模式信号的振幅显著减小。因此，选择载体基板的材料，使得杂散模式的波能量辐射到载体基板中，同时所使用的主模式的波能量位于压电层的上表面附近。

可以用于载体基板以产生期望结果的合适材料包括具有在给定范围内选择的选定欧拉角的晶体硅。第一种有用的材料提供根据(0°±10°，0°±10°，45°±10°)的欧拉角的晶体切割。

可以使用的第二种材料提供根据(45°±10°，54°±10°，0°±10°)的欧拉角的晶体切割。具有选定晶体切割的这两种硅材料支持较高模式和整体模式泄露到载体基板中，并且因此减少了这些干扰模式在SAW设备上表面附近的传播。因此，防止干扰模式到达IDT电极，并且因此防止产生干扰信号。所提出的新的载体基板材料的另外的效果是，尽管干扰模式的频率显著降低，但其可以被移动到一频率范围内，该频率范围不干扰该SAW设备被设计用于的另一个频带中的SAW设备的操作。已经发现，晶体基板材料的欧拉角对所选择的基板材料内的声模式的优选传播方向有影响。由于可以使具有优选欧拉角的基板材料对主模式和杂散模式或体模式的声波的传播的影响不同，所以主模式的模式传播和体模式或杂散模式的传播被去耦合。最重要的事实是，通过适当地选择基板材料，主模式在相应的信号的频率、振幅和侧面锐度方面不受影响。作为这种效果的证明，可以表明，在本发明的SAW设备中，SAW设备的层结构内的主模式的能量分布是不变的，并且与杂散模式或体模式的相应能量分布不同。

根据一个另外的实施例，高声速层被布置在SAW设备的载体基板和压电层之间。选择高声速层的材料，使得高声速层中的声速高于载体基板中的声速。已经发现，取决于高声速层的材料以及该层的厚度，可以进一步抑制由杂散模式产生的信号。

用于高声速层的有用材料是多晶硅。高声速层的优选厚度在0.05×λ至1.0×λ的范围内，其中λ是高声速层内的声波的主模式的波长。取决于高声速层内的声速，可以优化其厚度以产生期望的模式抑制。

本发明的SAW设备的另外的改进包括TCF补偿层，TCF补偿层具有频率的正温度系数。该TCF补偿层优选地被布置在高声速层和压电层之间。另外的可能布置是在IDT电极上方。

TCF补偿层包括具有频率的正温度系数的材料，例如SiO₂、氟掺杂的SiO₂或使用不同的掺杂剂的掺杂SiO₂。取决于TCF补偿层的厚度，相应量的波在TCF补偿层内传播。由于该层的正TCF补偿了大多数压电材料的负TCF，因此可以通过增加该层的厚度来改善TCF补偿。

TCF补偿层的优选厚度为0.05×λ至1.0×λ的范围。

在本发明的范围内可以变化的另一个参数是压电层的厚度。减小压电层厚度的好处是改进了对泄漏表面波的引导。附加地，可以通过优化压电膜的厚度来提高耦合常数。另外，可以通过减小压电层的厚度并由此增加TCF补偿层和压电层的厚度比来改善TCF补偿。

当进一步优化本发明的SAW设备时，必须考虑SAW设备的多层结构的所有层的材料和相对厚度。清楚的是，考虑到单层的材料和厚度，精确的多层结构对主模式以及较高模式和杂散模式的激发和传播有很大影响。结果，SAW设备的不同层结构可能导致可以在系统内传播的不同模式，并且因此，必须抑制不同的模式或者必须消除其信号。

附图说明

在下文中，关于特定实施例和附图更详细地解释本发明。

图1以示意性截面图示出了根据本发明的SAW设备的不同示例；

图2示出了根据本发明的SAW设备的导纳曲线的实数部分；

图3示出了相同的SAW设备的导纳的相应的绝对值部分，以dB为单位；

图4示出了对于主模式的频率而言，取决于SAW设备的上表面下方的深度的波能量；

图5示出了取决于SAW设备上表面下方的深度的杂散模式的振幅；

图6示出了根据本发明的一个另外的实施例的导纳曲线；

图7示出了相同的导纳曲线的绝对值部分，以dB为单位；以及

图8示出了取决于SAW设备的上表面下方的深度的体模式的振幅。

具体实施方式

图1A以示意性横截面示出了根据本发明的最简单实施例的SAW设备。该SAW设备包括载体基板SU，布置在载体基板SU之上的压电层PL，以及布置在压电层PL之上的叉指换能器电极IT。载体基板SU的材料选自具有特定切割角度范围的硅，该切割角具有(0°±10°，0°±10°，45°±10°)的欧拉角。一个相似的工作实施例包括具有(45°±10°，54°±10°，0°±10°)的欧拉角的硅的基板材料。设置载体基板的厚度以提供足够的机械强度，以承载布置在该载体基板之上的层和结构。

压电层PL可以包括对SAW设备有用的任何压电材料。示例性实施例包括钽酸锂或铌酸锂。其他压电材料(例如AlN和ZnO)也是可能的。

叉指换能器电极IT仅用几个电极指示意性地描绘，并且可以包括更多的电极指和一个或多个叉指换能器、反射器或通常在SAW设备之上使用的任何其他电极结构。根据共振频率和共振器规格来选择压电层PL的厚度，优说选为大约2μm或更小。

在引导声学主模式和任何干扰体模式或另一杂散模式方面，改进根据图1A的SAW设备。产生SAW设备的所需信号的主模式被集中并且被限制在压电层PL的表面附近，而大多数杂散模式或体模式泄漏到基板SU中，并且因此不再对SAW设备的传输曲线产生影响，并且不产生干扰信号。

图1B示出了改进的实施例，其中在如图1A所示的压电层PL和载体基板SU之间布置TCF补偿层TC。该TCF补偿层可以选自具有正TCF或至少高于压电层PL的TCF的TCF的任何材料。可以降低温度系数TCF的层优选包括氧化硅。该层的优选厚度X3在0.1λ至1.0λ的范围内。

在进一步的改进中，在图1C中示出本发明。另外的功能层HV被引入到本发明的SAW设备的多层结构中。高声速层被布置在载体基板SU和TCF补偿层TC之间。

该层的优选厚度X2在0.05λ至1.0λ的范围内。

图2和图3示出了根据图1B的SAW单个端口共振器的导纳曲线。图2示出了导纳的实数部分，其中作为参考，曲线1符合图1A中所示的SAW设备，该SAW设备是在具有(0°，0°，0°)的欧拉角的硅材料上制作的。曲线2是指本发明的SAW设备，本发明的SAW设备具有欧拉角为(0°，0°，45°)的硅材料。从图2中可以最好地看到，在根据本发明的SAW设备处，在大约2300MHz处的杂散模式信号被显著降低。在大约1900MHz处的主模式保持不变，并提供清晰的信号。图3示出了相同的设备的导纳的绝对值部分，以dB为单位，其中曲线1是参考示例的导纳，而曲线2符合本发明的设备。可以看到，在大约2600MHz至2700MHz处的干扰峰的振幅也显著降低。

关于图4和图5，可以最好地解释上述本发明的SAW设备的积极效果。图4示出了声学主模式的波能量的分布，该波能量取决于深度，该深度是到压电层PL的上表面的距离。在图4的左侧部分中，示出了具有常用硅基板的SAW设备，而在图4的右侧部分中，描绘了具有特定欧拉角的硅材料的本发明的SAW设备中的主模式。主模式具有大约1900MHz的频率。

将根据现有技术的左侧部分与根据本发明的右侧部分进行比较表明，主模式的能量集中在压电层的表面附近，并且因此不侵入载体基板。将主模式的能量集中在上表面附近确保较低的损耗，因为大量的主模式在叉指电极处被恢复为电信号。

在图5中，根据存在于根据本领域的SAW设备的导纳曲线中的干扰模式，这两个设备被视为在大约2600MHz的频率处。在这种情况下，已知的SAW设备将干扰模式的能量集中在硅载体基板上部附近的另一个区域中。当考虑根据本发明的SAW设备的图5的右侧部分时，可以看到，干扰模式的能量可以更深地渗透到SAW设备和载体基板SU中，并且不再仅集中在载体基板的上表面附近。当比较图4和图5的曲线时，清楚的是，在实施本发明时，主模式几乎保持不变。然而，干扰模式比以前更深地被拉入SAW基板(载体基板)中，因此防止其到达IDT电极，从而防止其产生干扰信号。

在根据图1C的结构的进一步改进中，另外的功能层被引入到本发明的SAW设备的多层结构中。高声速层被布置在载体基板SU和TCF补偿层TC之间。该高声速层提供了声信号的高速度，该速度比在载体基板以及压电层中的相同波的声速更高。该层的优选材料包括多晶硅。优选使该层薄至一个波长或更薄。该层的优选厚度X2在0.05λ至1.0λ的范围内。已经发现，该实施例在高于主模式的频率的高频区域(即，高于SAW设备的通带)中提供了模式抑制的进一步改进。

图6以曲线2示出了该实施例的导纳曲线的实数部分。作为参考，曲线1示出了根据现有技术的SAW设备的导纳。可以清楚地看到，在大约2300MHz的频率处，实现了对干扰信号的显著减小。在大约2600MHz或更高频率处的根据SAW设备的较高模式的信号会保留，但频率发生偏移。

图7示出了相同的SAW设备的导纳的绝对值部分，以dB为单位。该实施例的最有利的效果出现在2300MHz的频率处，其中在图(曲线2)中，在曲线1处可见的干扰模式被完全抑制。根据其通带频率，SAW设备的主共振保持不变。干扰模式的消失是改变速度差异的结果，并且因此是由于引入了附加的快速度层而导致边界条件不同的结果。

图8描绘了与不具有声速层HV的SAW设备相比，在具有声速层HV的本发明的SAW设备中的干扰模式的深度轮廓。在图8的左侧部分中描绘了根据不具有声速层HV的SAW设备的曲线，而在图8的右侧部分中描绘了根据具有功能层HV的SAW设备的曲线。可以看到，干扰模式被更深地拉到载体基板中，因为曲线的最大值在SAW设备的载体基板内更深。该干扰模式符合体波，并且由于该实施例使体模式的激发最小化而消除了其有害作用。

仅参考少量实施例说明了本发明，但是本发明不限于这些实施例。特别地，SAW设备的多层结构的单层也可以利用其他材料和其他厚度来实施。清楚的是，每个新的多层结构可能潜在地促进其他特定的干扰模式。由于可能在两个相邻层之间的界面处发生共振影响，因此其共振频率取决于这些层的材料和特定厚度。然而，本发明允许在不减小主信号的振幅的情况下，减小任何干扰模式。不能被充分抑制的模式的频率可以被移动到不存在会受到干扰信号影响的其他频带的位置。

附图标记的列表

SU 载体基板

IT IDT电极

PL 压电层

TC 温度补偿层

HV 高声速层

1 参考样品的导纳

2 根据本发明的共振器的导纳

Claims (9)

1.一种SAW设备，包括：

-载体基板；

-压电层，布置在所述载体基板之上；

-IDT电极，布置在所述压电层之上；

其中所述载体基板的材料被选择以使得杂散模式的波能量在所述载体基板内辐射，而所使用的主模式的波能量被局域化在所述压电层的上表面附近，并且

其中所述载体基板包括晶体硅，所述晶体硅具有根据以下欧拉角的晶体切割：(45°±10°，54°±10°，0°±10°)的欧拉角。

2.根据权利要求1所述的SAW设备，

其中高声速层被布置在载体基板和压电层之间，其中所述高声速层中的声速高于所述载体基板中的声速。

3.根据权利要求2所述的SAW设备，

其中所述高声速层具有x2的厚度，x2在0.05λ与λ之间；

其中λ是声波的所述主模式的波长。

4.根据权利要求2所述的SAW设备，

其中所述高声速层包括多晶硅。

5.根据权利要求3所述的SAW设备，

包括TCF补偿层，所述TCF补偿层具有频率的正温度系数，并且被布置在所述高声速层和所述压电层之间或被布置在所述IDT电极上方。

6.根据权利要求5所述的SAW设备，

其中所述TCF补偿层是通过SiO₂或氟掺杂的SiO₂基材料完成的。

7.根据权利要求5所述的SAW设备，

其中所述TCF补偿层具有x3的厚度，x3在0.05λ与λ之间。

8.根据权利要求3所述的SAW设备，

其中所述压电层具有x4的厚度，x4在0.1λ 与λ 之间。

9.根据权利要求3所述的SAW设备，

其中所述IDT电极包括主要由铝构成的多层结构，所述IDT电极具有x5的厚度，x5在0.05λ 与0.2λ之间。