CN111010116A - 带有高度渐变的凸起结构的体声波谐振器、滤波器和电子设备 - Google Patents

带有高度渐变的凸起结构的体声波谐振器、滤波器和电子设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及体声波谐振器，包括：基底；声学镜；底电极；顶电极；压电层，声学镜、底电极、压电层、顶电极在基底的厚度方向重叠的区域为谐振器的有效区域；且所述谐振器还包括设置于顶电极上侧的凸起结构，在通过所述谐振器有效区域的平面几何中心的一个纵截面或任一纵截面中，所述凸起结构的至少一部分为高度从内侧朝向外侧逐渐升高且升高斜率逐渐增大的高度渐变结构。本发明还涉及滤波器与电子设备。

Description

带有高度渐变的凸起结构的体声波谐振器、滤波器和电子 设备
技术领域
本发明的实施例涉及半导体领域，尤其涉及一种体声波谐振器，一种滤波器，一种具有上述部件中的一种的电子设备。
背景技术
近年来，随着无线通信技术朝着高频率和高速度方向迅猛发展，以及电子元器件朝着微型化和低功耗的方向发展，基于薄膜体声波谐振器(Film Bulk AcousticResonator，简称FBAR)的滤波器的研究与开发越来越受到人们的关注。传统的无线通信系统常常用到介质滤波器和SAW(Surface Acoustic Wave，声表面波)滤波器。介质滤波器虽然有较好的性能，但体积大，不便于用到便携式设备中；SAW滤波器体积小，目前虽得到广泛运用，但仍存在工作频率不高、插入损耗较大、功率容量较低等缺点；而FBAR滤波器既综合了介质陶瓷性能优越和SAW体积较小的优势，又克服两者的缺点，其体积小、高Q值、工作频率高、功率容量大、损耗低，是替代SAW滤波器的下一代滤波器，也是被业界认为最有可能实现射频模块全集成化的滤波器。
传统的薄膜体声波谐振器其结构如图1所示，其中，10为谐振器的基底；11为谐振器的空腔结构，即声学镜，其可以为在基底中刻蚀出的空腔结构或者为向上凸起的空腔结构，也可以为布拉格反射结构等声波反射形式，在图1中为在基底中刻蚀出的空腔结构；12为谐振器的第一电极；13为谐振器的压电层结构；14为谐振器的第二电极结构；15为谐振器的凸起结构。其中，传统的谐振器上凸起结构为单圆环结构，位于第二电极上的边缘处，单一凸起结构仅仅能在谐振器边缘反射兰姆波，并不能将谐振器整体电性能最优化。因此，传统谐振器不能实现更为优化的电性能。
发明内容
为利用凸起结构优化谐振器的电性能，提出本发明。在本发明中，通过改变凸起结构在谐振器表面分布的位置及高度，来有效提高谐振器的并联谐振频率处的阻抗(Rp)或品质因数(Qp)，以优化谐振器的性能。
根据本发明的实施例的一个方面，提出了一种体声波谐振器，包括：
基底；
声学镜；
底电极；
顶电极；和
压电层，
其中：
声学镜、底电极、压电层、顶电极在基底的厚度方向重叠的区域为谐振器的有效区域；且
所述谐振器还包括设置于顶电极上侧的凸起结构，在通过所述谐振器的有效区域的平面几何中心的一个纵截面或任一纵截面中，所述凸起结构的至少一部分为高度从内侧朝向外侧逐渐升高且升高斜率逐渐增大的高度渐变结构。
可选的，所述高度渐变结构的高度变化满足圆弧形变化。
进一步可选的，所述高度渐变结构的高度变化满足公式：
Figure BDA0002164430960000021
其中：
R为所述圆弧形的半径，所述圆弧形的圆心位于谐振器有效区域的平面几何中心的正上方，且与所述平面几何中心距离为R；
w为谐振器有效区域平面几何中心距离谐振器边缘的距离；
d为高度渐变结构在最外侧的最高突出高度。
可选的，所述高度渐变结构在最外侧的最高突出高度的范围为50A-8000A；和/或所述高度渐变结构在最内侧的突出高度的范围为10A-3000A。
可选的，所述高度渐变结构为高度从外侧朝向内侧逐渐降低的圆弧一体结构。
可选的，所述高度渐变结构包括至少三个台阶结构。
可选的，所述至少三个台阶结构在径向方向上彼此间隔开。可选的，彼此间隔开的距离不小于0.5μm。
可选的，所述至少三个台阶结构在径向方向上彼此等距离间隔开。
可选的，所述至少三个台阶结构在径向方向上的间隔距离在从外侧向内侧的方向上逐渐变大。进一步的，所述至少三个台阶结构在径向方向上的间隔距离在从外侧向内侧的方向上按照相同步长变大。
可选的，所述至少三个台阶结构在径向方向上彼此相邻布置。
可选的，所述至少三个台阶结构中，在从外侧到内侧的方向上，台阶结构的宽度逐渐变大。
可选的，台阶结构的宽度以等步长的方式变大。可选的，所述步长在0.5μm-20μm的范围内。
可选的，所述至少三个台阶结构中，在从外侧到内侧的方向上，相邻台阶之间的高度差相同。
进一步可选的，最外侧的台阶结构的宽度不小于0.5μm，和/或最外侧台阶的高度范围在50A-8000A之间，和/或最内侧台阶的高度范围在10A-3000A之间。
可选的，所述至少三个台阶结构中，台阶结构的宽度相同，且相邻台阶之间的高度差在从内侧向外侧的方向上逐渐变大。
可选的，所述高度渐变结构为环形结构。
可选的，所述高度渐变结构到所述谐振器的有效区域的平面几何中心的距离大于同侧边缘至所述谐振器几何中心的距离的25％；或者所述高度渐变结构覆盖谐振器的有效区域的边缘的面积不大于谐振器的有效区域的总面积的75％。
可选的，所述高度渐变结构设置于所述谐振器的有效区域的中心区域之外，所述中心区域的边界为以有效区域的几何中心为中心，等比例缩小谐振器有效区域形状的各边，使其面积为有效区域面积的50％的区域。
根据本发明的实施例的再一方面，提出了一种滤波器，包括上述的谐振器。
根据本发明的实施例的还一方面，提出了一种电子设备，包括上述的谐振器，或者上述的滤波器。
附图说明
以下描述与附图可以更好地帮助理解本发明所公布的各种实施例中的这些和其他特点、优点，图中相同的附图标记始终表示相同的部件，其中：
图1为现有技术中的体声波谐振器的截面示意图，其中示出了凸起结构；
图2为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的截面示意图；
图3为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的截面示意图；
图4为根据本发明的一个示例性实施例的图3中的凸起结构部分的放大示意图；
图5为根据本发明的一个示例性实施例的图3中的凸起结构部分的放大示意图；
图6为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的截面示意图；
图7为根据本发明的一个示例性实施例的图6中的凸起结构部分的局部放大示意图；
图8为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的截面示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。
图2为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的截面示意图。
图2所示的实施例中，为一薄膜体声波谐振器的剖面图。其中，101为谐振器的基底；103为谐振器的声学镜；105为谐振器的第一电极(底电极)；107为谐振器的压电层，109为谐振器第二电极(顶电极)；111为第二电极上的凸起结构。
在本实施例中，谐振器的凸起结构具有圆弧形表面，即从谐振器的中心至边缘凸起结构逐渐升高，且升高斜率逐渐增大。相应的，在沿谐振器横向尺寸上存在连续声阻抗不匹配，且在存在凸起结构的区域上，从中心或内侧到边缘声阻抗不匹配程度逐渐增强，从而导致横向传播兰姆波从谐振器中心到边缘形成多次反射，且反射强度从中心或内侧到边缘逐渐增强，从而提高谐振器的Rp值。
该圆弧结构的尺寸通过以下方式确定。
首先，确定谐振器有效区域形状(如：凸多边形)的几何中心，该几何中心作为圆弧结构的圆心。
其次，确定圆弧结构的半径R。若保证圆弧凸起结构在谐振器边缘的高度均为d，d的范围是50A-8000A，则在通过谐振器有效区域的平面几何中心的任意纵截面上，如图2所示，设该几何中心至谐振器边缘的距离为w，则圆弧半径R可以通过以下公式求得：
Figure BDA0002164430960000051
基于以上，可以确定该截面上圆心位置和凸起结构的圆弧形貌，如图2所示，所述圆弧形的圆心位于谐振器有效区域的平面几何中心的正上方，且与所述平面几何中心距离为R。
由于谐振器几何中心至边缘的距离不断变化，因此不同截面上圆弧形貌可能是不同的。
从中心到边缘形成的凸起结构的形状不限于此，换言之，高度渐变结构不限于图2中所示的形式，只要其为高度从内侧朝向外侧逐渐升高，且升高斜率逐渐增大即可。
在本发明中，升高斜率逐渐增大表示在从内侧到外侧的方向上，基于相同的间隔或步长，高度增加的幅度增大(例如参见图4)，或者在高度增加的幅度相同的情况下，对应的横向间隔或径向间隔在从内侧到外侧的方向上逐渐减小(例如参见图5)。
图3为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的截面示意图。图3中，201为谐振器的基底；203为谐振器的声学镜；205为谐振器的第一电极；207为谐振器的压电层，209为谐振器第二电极；211为第二电极上的凸起结构(图3中凸起结构仅展示圆弧右半边为例)。
在本实施例中，为了方便加工，将谐振器的凸起结构制作为阶梯状，该阶梯状凸起结构从谐振器的有效区域的中心区域至边缘逐渐升高，如图3-5所示，其边缘包络线(图3-5中的圆弧虚线)仍满足图2中的实施例中的圆弧结构的特征。当然也可以不满足圆弧特征，而是为从内侧朝向外侧逐渐升高，且升高的斜率逐渐增大的高度渐变结构。相应的，所述高度渐变结构包括至少三个台阶结构。
图4为根据本发明的一个示例性实施例的图3中凸起结构的部分结构图，在图4中，相邻台阶凸起之间彼此相邻而没有间隙，从中心到边缘，相邻台阶之间的高度差逐渐增大，该阶梯状凸起结构的每个阶梯的宽度相等，宽度范围为0.5-20um，谐振器中心台阶的高度范围为10A-3000A，边缘台阶的高度范围为50A-8000A。
图5为根据本发明的另一个示例性实施例的图3中凸起结构的部分结构图。由于谐振器的主振动模式从中心到边缘逐渐减弱，为了减少阶梯结构对中心主谐振模式产生的负面影响，设置阶梯结构的宽度从中心到边缘逐渐减小，此时，相邻台阶之间的高度差相等，从而保证相邻台阶之间的升高斜率逐渐增大。进一步的，使得距离中心最近的第一阶梯到谐振器中心的距离大于同侧谐振器边缘至谐振器几何中心距离的25％，或者阶梯结构覆盖谐振器边缘的面积小于谐振器总面积的75％，进一步的，第一阶梯的高度范围为10A-3000A。在进一步的实施例中，从第一阶梯到边缘阶梯宽度按照等步长减小，步长范围为0.5-10um，更进一步的，边缘最小阶梯宽度不小于0.5um，且边缘阶梯的高度范围为50A-8000A。
需要指出的是，在本发明中，各种数值范围，除了包括数值范围所限定的两个端值之外，还可以为该数值范围的中值或者其他数值，均在本发明的保护范围之内。
在图3-5中，台阶凸起相邻且彼此相接，但是，在本发明中，台阶凸起之间也可以彼此间隔开，但仍然满足相邻凸起的升高斜率从中心到边缘逐渐增大。
图6为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的截面示意图，图7为根据本发明的一个示例性实施例的图6中的凸起结构部分的局部放大示意图。图6所示的实施例中，301为谐振器的基底；303为谐振器的声学镜；305为谐振器的第一电极；307为谐振器的压电层，309为谐振器第二电极；311为第二电极上的凸起结构(图6中凸起结构仅展示圆弧右半边为例),其边缘包络线仍满足图2中的实施例中的圆弧结构的特征。当然也可以不满足圆弧特征，而是为从内侧朝向外侧逐渐升高，且升高斜率逐渐增大的高度渐变结构。。
在图6-7所示的实施例中，该凸起结构的宽度可以相等，范围为0.5-20um，相邻凸起结构之间的间隙可以相等，间隙范围为0.5-20um，但相邻凸起结构之间的高度差从中心到边缘逐渐增大，进一步的，位于谐振器中心的凸起结构的高度范围为10A-3000A，位于谐振器边缘的凸起结构高度范围为50A-8000A。
进一步的，由于谐振器的主振动模式从中心到边缘逐渐减弱，为了减少凸起结构对中心主谐振模式产生的负面影响，设置凸起结构的宽度从中心到边缘逐渐减小，凸起结构的间隙从中心到边缘逐渐减小或保持不变，此时，相邻台阶之间的高度差相等，从而保证相邻台阶之间的升高斜率逐渐增大。更进一步的，使得距离中心最近的第一凸起结构到谐振器中心的距离大于谐振器宽度的25％，或者渐变凸起结构覆盖谐振器边缘的面积小于谐振器总面积的75％，进一步的，第一凸起结构的高度范围为10A-3000A。在一个实施例中，从第一凸起到边缘凸起结构的宽度按照等步长减小，步长范围可为0.5-10um，更进一步的，边缘最小凸起宽度不小于0.5um。此外，凸起结构的间隙也可从中心到边缘按照相同步长减小，进一步的，最小间隙不小于0.5um，边缘凸起的高度范围为50A-8000A。
在图6中，附图标记313表示凸起结构的间隙，附图标记317对应于谐振器几何中心到任意边缘的距离。在图7中，附图标记314表示最外侧凸起的高度，附图标记315表示凸起的宽度，而附图标记316则表示相邻凸起之间的间隙或者距离。
在图6-7所示的实施例中，凸起结构为分离的多环渐进式结构，在一个凸起和间隙形成的周期内，由于增加了空气间隙，从而可以增大相邻结构之间的声阻抗不匹配度，提高对横向传播的兰姆波的局部反射，且凸起部分越高，声阻抗不匹配程度越大，因此，从中心到边缘声反射逐渐增大，从而可以在不影响主谐振的前提下，更好的抑制兰姆波的横向传播，从而提高Rp值，优化谐振器的性能。
图8为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的截面示意图。可以只在谐振器中心区域50％以外的地方设置凸起结构，省略谐振器中心区域50％以内部分设置的凸起结构，从而进一步减少对主谐振产生的负面影响。换言之，所述凸起结构设置于所述谐振器的有效区域的中心区域之外，所述中心区域的边界为以谐振器几何中心为中心等比例缩小谐振器有效区域形状的各边使其面积为有效区域面积的50％的区域。
在图8中，附图标记411表示凸起结构，附图标记412表示该凸起结构411设置的范围或者区域。
在图示的实施例中，虽然凸起结构在整体上为高度从内侧朝向外侧逐渐升高且升高斜率逐渐增大的高度渐变结构，但是本发明不限于此，凸起结构的一部分形成为高度从内侧朝向外侧逐渐升高且升高斜率逐渐增大的高度渐变结构时，也在本发明的保护范围之内。
在图4-8所示的示例中，包络线(虚线)体现出了升高斜率逐渐增大。在图4-8中，包络线通过了各个台阶结构的左侧顶点，但是，本发明中包络线不限于图4-8中所示的制作形式，例如，包络线可以通过各个台阶结构的右侧顶点形成，或者通过各个台阶结构的顶面的中点形成等，这些均在本发明的保护范围之内。
基于以上，本发明提出了如下技术方案：
1、一种体声波谐振器，包括：
基底；
声学镜；
底电极；
顶电极；和
压电层，
其中：
声学镜、底电极、压电层、顶电极在基底的厚度方向重叠的区域为谐振器的有效区域；且
所述谐振器还包括设置于顶电极上侧的凸起结构，在通过所述谐振器的有效区域的平面几何中心的一个纵截面或任一纵截面中，所述凸起结构的至少一部分为高度从内侧朝向外侧逐渐升高且升高斜率逐渐增大的高度渐变结构。
进一步的，高度渐变结构可以为至少三个台阶结构，在所述至少三个台阶结构中，在从外侧到内侧的方向上，台阶结构的宽度逐渐变大。由于谐振器的主振动模式从中心到边缘逐渐减弱，该布置可减少凸起结构对中心主谐振模式产生的负面影响。
2、一种滤波器，包括上述的谐振器。
3、一种电子设备，包括上述的谐振器，或者上述的滤波器。需要指出的是，这里的电子设备，包括但不限于射频前端、滤波放大模块等中间产品，以及手机、WIFI、无人机等终端产品。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (23)

1.一种体声波谐振器，包括：
基底；
声学镜；
底电极；
顶电极；和
压电层，
其中：
声学镜、底电极、压电层、顶电极在基底的厚度方向重叠的区域为谐振器的有效区域；且
所述谐振器还包括设置于顶电极上侧的凸起结构，在通过所述谐振器有效区域的平面几何中心的一个纵截面或任一纵截面中，所述凸起结构的至少一部分为高度从内侧朝向外侧逐渐升高且升高斜率逐渐增大的高度渐变结构。
2.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
所述高度渐变结构的高度变化满足圆弧形变化。
3.根据权利要求2所述的谐振器，其中：
所述高度渐变结构的高度变化满足公式：
Figure RE-FDA0002345291910000011
其中：
R为所述圆弧形的半径，所述圆弧形的圆心位于谐振器有效区域的平面几何中心的正上方，且与所述平面几何中心距离为R；
w为谐振器有效区域平面几何中心距离边缘的距离；
d为高度渐变结构在最外侧的最高突出高度。
4.根据权利要求1或3所述的谐振器，其中：
所述高度渐变结构在最外侧的最高突出高度的范围为50A-8000A；和/ 或
所述高度渐变结构在最内侧的突出高度的范围为10A-3000A。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的谐振器，其中：
所述高度渐变结构为圆弧一体结构。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的谐振器，其中：
所述高度渐变结构包括至少三个台阶结构。
7.根据权利要求6所述的谐振器，其中：
所述至少三个台阶结构在径向方向上彼此间隔开。
8.根据权利要求7所述的谐振器，其中：
所述至少三个台阶结构在径向方向上彼此等距离间隔开。
9.根据权利要求7所述的谐振器，其中：
所述至少三个台阶结构在径向方向上的间隔距离在从外侧向内侧的方向上逐渐变大。
10.根据权利要求9所述的谐振器，其中：
所述至少三个台阶结构在径向方向上的间隔距离在从外侧向内侧的方向上按照相同步长变大。
11.根据权利要求7所述的谐振器，其中：
所述至少三个台阶结构在径向方向上彼此间隔开的距离不小于0.5μm。
12.根据权利要求6所述的谐振器，其中：
所述至少三个台阶结构在径向方向上彼此相邻布置。
13.根据权利要求6-12中任一项所述的谐振器，其中：
所述至少三个台阶结构中，在从外侧到内侧的方向上，台阶结构的宽度逐渐变大。
14.根据权利要求13所述的谐振器，其中：
台阶结构的宽度以等步长的方式变大。
15.根据权利要求13或14所述的谐振器，其中：
所述至少三个台阶结构中，在从外侧到内侧的方向上，相邻台阶之间的高度差相同。
16.根据权利要求14所述的谐振器，其中：
所述步长在0.5μm-20μm的范围内。
17.根据权利要求13-16中任一项所述的谐振器，其中：
最外侧的台阶结构的宽度不小于0.5μm，和/或最外侧台阶的高度范围在50A-8000A之间，和/或最内侧台阶的高度范围在10A-3000A之间。
18.根据权利要求6-12中任一项所述的谐振器，其中：
所述至少三个台阶结构中，台阶结构的宽度相同，且相邻台阶之间的高度差在从内侧向外侧的方向上逐渐变大。
19.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
所述高度渐变结构为环形结构。
20.根据权利要求1-19中任一项所述的谐振器，其中：
所述高度渐变结构到所述谐振器的有效区域的平面几何中心的距离大于谐振器同侧边缘至谐振器平面几何中心的距离的25％；或者
所述高度渐变结构覆盖谐振器的有效区域的边缘的面积不大于谐振器的有效区域的总面积的75％。
21.根据权利要求1-19中任一项所述的谐振器，其中：
所述高度渐变结构设置于所述谐振器的有效区域的中心区域之外，所述中心区域的边界为以有效区域的平面几何中心为中心，等比例缩小谐振器有效区域形状的各边，使其面积为有效区域面积的50％的区域。
22.一种滤波器，包括：
根据权利要求1-21中任一项所述的体声波谐振器。
23.一种电子设备，包括根据权利要求1-21中任一项所述的体声波谐振器，或者根据权利要求22所述的滤波器。
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