CN111010119B - 带复合环形结构的谐振器、滤波器及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种体声波谐振器，包括：基底；声学镜；底电极，设置在基底上方；顶电极，与所述底电极对置，且具有电极连接部；和压电层，设置在底电极上方以及底电极与顶电极之间，其中：所述声学镜、底电极、压电层和顶电极在谐振器厚度方向上的重叠区域构成谐振器的有效区域；在所述谐振器的厚度方向上的顶电极的边缘设置有复合环形结构，所述复合环形结构至少包括至少两层环形结构层，所述至少两层环形结构层在谐振器的厚度方向上至少在所述有效区域内部分重叠，且至少一层环形结构层为空间不连续结构层，所述空间不连续结构层在有效区域内设置有沿环形方向的空间不连续结构。本发明还涉及一种滤波器，以及一种具有该滤波器的电子设备。
Description
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，一种具有该谐振器的滤波器，以及一种具有该滤波器的电子设备。
背景技术
体声波滤波器具有低插入损耗、高矩形系数、高功率容量等优点，因此，被广泛应用在当代无线通讯系统中，是决定射频信号进出通讯系统质量的重要元器件。体声波滤波器的性能由构成它的体声波谐振器决定，如：体声波谐振器的谐振频率决定了滤波器的工作频率，有效机电耦合系数决定了滤波器的带宽，品质因数决定滤波器插入损耗。当滤波器结构一定时，其品质因数，特别是在串联谐振频率和并联谐振频率处的品质因数(或串并联阻抗)，会显著影响通带插入损耗。因此，如何提高谐振器的品质因数是高性能滤波器设计的一个重要问题。
体声波谐振器串联谐振频率处的品质因数(Qs)或阻抗(Rs)通常由电极损耗及材料损耗决定，而体声波谐振器并联谐振频率处的品质因数(Qp)或阻抗(Rp)通常受边界声波泄露影响。因此，当谐振器材料及重叠结构确定时，Qs(或Rs)的提升空间有限，但可以通过改变谐振器的边界结构来有效改善声波的边界泄露情况，从而提高谐振器的Qp(或Rp)。
图1为已知的一个示例性实施例的体声波谐振器的俯视示意图；图1A为已知的一个示例性实施例的体声波谐振器的沿图1中的1B-1B截得的示意性局部剖视图。在图1和图1A中，体声波谐振器包括基底110；声学镜120，声学镜为嵌入基底中的空腔所构成，但是任何其它的声学镜结构如布拉格反射器也同样适用；底电极130；压电层140；顶电极150；钝化层160；翼190；单环形结构170。底电极130沉积在声学镜的上表面，并覆盖声学镜。在图1和图1A中，谐振器的边界结构中设置了单层的环形结构170。
图2为已知的一个示例性实施例的体声波谐振器的俯视示意图；图2A为根据已知的一个示例性实施例的体声波谐振器的沿图1中的1B-1B截得的示意性局部剖视图。在上述图2和图2A中，体声波谐振器包括基底110；声学镜120，声学镜为嵌入基底中的空腔所构成，但是任何其它的声学镜结构如布拉格反射器也同样适用；底电极130；压电层140；顶电极150；钝化层160；翼190；底部环形结构170和顶层环形结构180，其中底部环形结构170与顶层环形结构180共同组成复合环形结构。底电极130沉积在声学镜的上表面，并覆盖声学镜。在图2和图2A中，谐振器的边界结构设置了底部环形结构170与顶层环形结构180共同组成复合环形结构。
但是，仍然存在进一步改善声波的边界泄露情况、从而提高谐振器的Qp(或Rp)的需求。
发明内容
为进一步提高体声波谐振器的并联谐振阻抗值，提出本发明。
根据本发明的实施例的一个方面，提出了体声波谐振器，包括：
基底；
声学镜；
底电极，设置在基底上方；
顶电极，与所述底电极对置，且具有电极连接部；和
压电层，设置在底电极上方以及底电极与顶电极之间，
其中：
所述声学镜、底电极、压电层和顶电极在谐振器厚度方向上的重叠区域构成谐振器的有效区域；
在所述谐振器的厚度方向上的顶电极的边缘设置有复合环形结构，所述复合环形结构至少包括至少两层环形结构层，所述至少两层环形结构层在谐振器的厚度方向上至少在所述有效区域内部分重叠，且至少一层环形结构层为空间不连续结构层，所述空间不连续结构层在有效区域内设置有沿环形方向的空间不连续结构。
可选的，所述空间不连续结构为环形结构。
可选的，所述谐振器还包括与顶电极相连的翼部或桥部。
可选的，在谐振器的厚度方向上，所述空间不连续结构仅位于所述有效区域内；或者在谐振器的厚度方向上，所述空间不连续结构覆盖所述翼部或所述桥部的至少一部分。
可选的，所述谐振器还包括所述空间不连续结构层还包括与所述空间不连续结构相连的延伸部。
可选的，所述延伸部覆盖所述翼部或所述桥部的至少一部分，或者所述延伸部覆盖所述翼部或所述桥部且延伸到所述翼部或者桥部之外。
可选的，上环形结构层和下环形结构层在谐振器的厚度方向上彼此相邻。
可选的，上环形结构层和下环形结构层在谐振器的厚度方向上彼此间隔开。
可选的，所述空间不连续结构层具有同一厚度。进一步可选的，所述空间不连续结构为一体结构。可选的，所述一体结构包括凹凸结构。可选的，所述凹凸结构包括锯齿形结构或矩槽齿形结构或波形结构或者条形曲折结构。
可选的，所述空间不连续结构为在环向方向上彼此间隔开且平行延伸的多个条形结构。
可选的，所述空间不连续结构的不同部分具有彼此不同的厚度，在环向方向上厚度存在高低分布。进一步的，所述空间不连续结构的不同部分具有彼此不同的第一厚度与第二厚度，在环向方向上第一厚度与第二厚度交替分布。
根据本发明的实施例的另一方面，提出了一种滤波器，包括上述的体声波谐振器。
根据本发明的实施例的还一方面，提出了一种电子设备，包括上述的滤波器或者体声波谐振器。
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为已知的一个示例性实施例的体声波谐振器的俯视示意图；
图1A为已知的一个示例性实施例的体声波谐振器的沿图1中的1B-1B截得的示意性局部剖视图；
图2为已知的一个示例性实施例的体声波谐振器的俯视示意图；
图2A为根据已知的一个示例性实施例的体声波谐振器的沿图1中的1B-1B截得的示意性局部剖视图；
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俯视示意图；
图3A为根据本发明的一个示例性实施例的沿图3中的1B-1B截得的示意性剖视图；
图4为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的局部立体示意图；
图5为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的局部立体示意图；
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局部立体示意图；
图7为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的局部立体示意图；
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局部立体示意图；
图9为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的局部立体示意图；
图10为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的局部立体示意图；
图11为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的局部立体示意图；
图12为体声波谐振器的频率-阻抗曲线示意图。
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。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。
下面参照图描述根据本发明的一个实施例的体声波谐振器。需要指出的是，在本发明的实施例中，虽然以薄膜体声波谐振器为例进行说明，这些说明均可以适用于其他类型的体声波谐振器。
图3所示的实施例为体声波谐振结构的俯视图。体声波谐振器包括底电极，压电层，顶电极和复合环形结构。
图3A为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的沿图3中的1B-1B截得的示意性局部剖视图。体声波谐振器包括基底110和声学镜120，此声学镜位于基底的上表面或嵌于基底的内部，在图3A中声学镜为嵌入基底中的空腔所构成，但是任何其它的声学镜结构如布拉格反射器也同样适用。体声波谐振器还包括底电极130，压电层140、顶电极150、钝化层160、翼190、桥200、底部环形结构170及顶层环形结构180，其中底部环形结构170与顶层环形结构180共同组成复合环形结构。底电极130沉积在声学镜的上表面，并覆盖声学镜。可将底电极130边缘刻蚀成斜面，并且该斜面位于声学镜的外边，此外还可以为阶梯状、垂直状或是其它相似的结构。桥200跨越底电极的第二末端，桥第一末端位于声学镜内，第二末端位于底电极外侧。
声学镜120、底电极130、压电层140、顶电极150在谐振器的厚度方向上重叠的区域为谐振器的有效区域。如图3A所示，复合环形结构位于钝化层160上方。在翼190处，底部环形结构170位于顶电极末端且延伸至翼部边缘，顶层环形结构180也位于顶电极末端且延伸至翼部边缘。在桥200处，底部环形结构170位于顶电极之上，其第一末端位于桥内侧且延伸至桥外，顶层环形结构180也位于顶电极之上，其第一末端位于桥内侧且延伸至桥外。
下面示例性的简单说明根据本发明的体声波谐振器的部件的材料。
在本发明中，电极组成材料可以是金(Au)、钨(W)、钼(Mo)、铂(Pt)，钌(Ru)、铱(Ir)、钛钨(TiW)、铝(Al)、钛(Ti)、锇(Os)、镁(Mg)、金(Au)、钨(W)、钼(Mo)、铂(Pt)、钌(Ru)、铱(Ir)、锗(Ge)、铜(Cu)、铝(Al)、铬(Cr)、砷掺杂金等类似金属形成。
在本发明中，压电层材料可以为氮化铝(AlN)、掺杂氮化铝(doped 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)等材料，其中掺杂ALN至少含一种稀土元素，如钪(Sc)、钇(Y)、镁(Mg)、钛(Ti)、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)等。
在本发明中，基底材料包括但不限于：单晶硅(Si)，砷化镓(GaAs)，蓝宝石，石英等。
在本发明中，钝化层为介电材料，介电材料可选择但不限于：二氧化硅(SiO2)，氮化硅(Si3N4)，碳化硅(SiC)，氮化铝(AlN)，氧化铝(Al2O3)等。
需要注意的是，顶层环形结构180并非规则结构，其立体结构可有多种变型。
如图4所示，顶层环形结构180在有效区域内存在条形曲折结构。此外，在图4中，顶层环形结构180具有延伸至翼部边缘的延伸部，该延伸部与条形曲折结构相连。如图4所示，延伸部可为彼此间隔开的多个部分，该多个部分的一侧均连接到条形曲折结构。
在本发明中，条形曲折结构，表示条形以弯曲的方式接连顺次形成凹部或者凸起。
如图5所示，顶部环形结构在有效区域的一侧为锯齿形，且全部延伸至翼部边缘。如图5所示，顶部环形结构包括在有效区域内的部分，其具有锯齿形状；以及覆盖整个翼部的部分。
在图4-图5中，条形曲折结构和锯齿形结构形成空间不连续结构。
需要指出的是，在本发明中，空间不连续是指：在谐振器的俯视图中，在有效区域内，沿着某一个环形方向形成的截面图中，形成有空隙，该截面可以为与谐振器的厚度方向平行形成的环形截面，也可以为与谐振器的厚度方向垂直的环形截面。
还需要指出的是，在本发明中，空间不连续可以是在整个环形方向上存在空间不连续，也可以是在环形方向上的一部分存在空间不连续。
在图4-图5中，空间不连续结构设置在顶部环形结构上。但是，其也可以设置在底部环形结构上。
如图6所示，底部环形结构在有效区域的一侧为锯齿形，顶部环形结构为规则图案。在图6中，锯齿形结构构成空间不连续结构。
图7所示实施例与图5所示实施例类似，区别在于仅仅在有效区域上加工顶部环形结构。
图8所示实施例与图5所示实施例类似，区别在于顶部环形结构仅延伸至翼部的部分区域，而没有覆盖全部的翼部。
如图9所示，在桥200处，顶部环形结构在有效区域的一侧为锯齿形，且全部延伸至桥外。顶部复合结构也可仅加工至有效区域内、或覆盖部分桥。
图10所示实施例与图5所示实施例类似，顶部环形结构在有效区域的一侧为突出矩形，且全部延伸至翼部边缘。
图8所示实施例中，顶部环形结构并非连续结构，顶部环形结构在有效区域内侧为间断矩形(可以认为是条形结构)，且矩形延伸至翼部边缘。此间断矩形也可为间断的其他形状。在图11中，所述空间不连续结构为在环向方向上彼此间隔开且平行延伸的多个条形结构。
在本发明的上述实施例中，空间不连续结构设置于钝化层上方，需要指出的是，空间不连续结构可以位于覆盖层(例如钝化层)上方，位于顶电极与覆盖层之间，位于压电层与顶电极之间，位于压电层与底电极之间，或者位于底电极与声学镜之间。
在本发明的示出的实施例中，顶部环形结构和底部环形结构在谐振器的厚度方向上彼此相邻。但是，本发明不限于此，虽然没有示出，顶部环形结构和底部环形结构在谐振器的厚度方向上也可彼此间隔开。
在本发明的实施例中，复合环形结构具有顶部环形结构和底部环形结构，但是，本发明不限于此，例如，复合环形结构还可以包括三层或者更多层的环形结构，只要其中的一个或多个层为空间不连续层即可。此外，复合环形结构的材料可以是金属或者介电材料或者两者的组合，如钼(Mo)、金(Au)、铂(Pt)、氮化铝(AlN)、二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、掺杂AlN等。
在以上实施例中，空间不连续结构(层)的厚度，其可以是具有同一厚度，空间不连续是由在环向方向上存在空隙或者间隔导致的，该空隙或者间隔体现在与谐振器的厚度方向平行形成的环形截面中。
但是本发明不限于此，空间不连续也可以由为在谐振器的厚度方向上空间不连续结构的厚度变化导致的，该空隙或者间隔也可以体现在与谐振器的厚度方向垂直的环形截面中。此时，所述空间不连续结构的不同部分具有彼此不同的厚度，在环向方向上厚度存在高低分布。具体的，所述空间不连续结构的不同部分可以具有彼此不同的第一厚度与第二厚度，在环向方向上第一厚度与第二厚度交替分布。在第一厚度小于第二厚度的情况下，第一厚度可以为零或者更低(相对于面凹入)。
在本发明中，基于空间不连续结构，不仅可以在沿谐振器径向方向上形成高低阻抗变换，还可以在沿谐振器周长方向或环形方向上形成高低阻抗变换，从而对平面内沿任意方向传播的兰姆波均能形成有效反射，将更多的声能限制在有效区域内，进一步增强了环形结构对声波的反射能力及转换能力，使得与压电层表面垂直的活塞声波模式得到进一步提高，表现在谐振器电性能上即有效提高了并联谐振阻抗Rp。
相比于传统的单层环形结构及阶梯型环形结构，由于本发明在谐振器的有效区域内存在空间不连续的图形布置，这种空间的不连续就会形成相应的高低声阻抗变换，从而在边界处形成一个横向的布拉格反射层，可以限制更多的沿谐振器边缘传播的兰姆波能量，从而进一步提高并联谐振阻抗Rp。另一方面，对于传统单层环形结构或者阶梯环形结构，环形结构部分可以等效为一个频率低于主谐振器频率的谐振器，当环形结构宽度较大时，环形结构的总体面积会增大，从而在串联谐振频率以下的位置形成一个明显谐振峰，如图12所示，这一谐振峰在滤波器应用中会影响带外抑制或者双工器匹配效果，因此希望尽量减小这一谐振峰；而采用本发明的谐振器环形结构，可以将环形结构沿谐振器周长方向分散为若干面积较小的部分，从而减小了环形结构等效谐振区域的面积，从而可以降低环形结构引起的谐振效果。
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，设置在基底上方；
顶电极，与所述底电极对置，且具有电极连接部；和
压电层，设置在底电极上方以及底电极与顶电极之间，
其中：
所述声学镜、底电极、压电层和顶电极在谐振器厚度方向上的重叠区域构成谐振器的有效区域；
在所述谐振器的厚度方向上的顶电极的边缘设置有复合环形结构，所述复合环形结构至少包括至少两层环形结构层，所述至少两层环形结构层在谐振器的厚度方向上至少在所述有效区域内部分重叠，且至少一层环形结构层为空间不连续结构层，所述空间不连续结构层在有效区域内设置有沿环形方向的空间不连续结构。
2、根据1所述的谐振器，其中：
所述空间不连续结构为环形结构。
3、根据1或2所述的谐振器，其中：
所述谐振器还包括与顶电极相连的翼部或桥部。
4、根据3所述的谐振器，其中：
在谐振器的厚度方向上，所述空间不连续结构仅位于所述有效区域内；或者
在谐振器的厚度方向上，所述空间不连续结构覆盖所述翼部或所述桥部的至少一部分。
5、根据4所述的谐振器，还包括：
所述空间不连续结构层还包括与所述空间不连续结构相连的延伸部。
6、根据5所述的谐振器，其中：
所述延伸部覆盖所述翼部或所述桥部的至少一部分，或者所述延伸部覆盖所述翼部或所述桥部且延伸到所述翼部或者桥部之外。
7、根据1-6中任一项所述的谐振器，其中：
上环形结构层和下环形结构层在谐振器的厚度方向上彼此相邻。
8、根据1-6中任一项所述的谐振器，其中：
上环形结构层和下环形结构层在谐振器的厚度方向上彼此间隔开。
9、根据1-8中任一项所述的谐振器，其中：
所述空间不连续结构层具有同一厚度。
10、根据1-9中任一项所述的谐振器，其中：
所述空间不连续结构为一体结构。
11、根据10所述的谐振器，其中：
所述一体结构包括凹凸结构。
12、根据11所述的谐振器，其中：
所述凹凸结构包括锯齿形结构或矩槽齿形结构或波形结构或者条形曲折结构。
13、根据9所述的谐振器，其中：
所述空间不连续结构为在环向方向上彼此间隔开且平行延伸的多个条形结构。
14、根据1-8中任一项所述的谐振器，其中：
所述空间不连续结构的不同部分具有彼此不同的第一厚度与第二厚度，在环向方向上第一厚度与第二厚度交替分布。
15、根据1所述的谐振器，其中：
所述谐振器具有覆盖层；
空间不连续结构层位于覆盖层上方，位于顶电极与覆盖层之间，位于压电层与顶电极之间，位于压电层与底电极之间，或者位于底电极与声学镜之间。
基于以上，本发明还提出了一种滤波器，包括多个上述的体声波谐振器。本发明还提出了一种电子设备，包括上述的滤波器或者上述的体声波谐振器。
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 (18)
1.一种体声波谐振器，包括：
基底；
声学镜；
底电极，设置在基底上方；
顶电极，与所述底电极对置，且具有电极连接部；和
压电层，设置在底电极上方以及底电极与顶电极之间，
其中：
所述声学镜、底电极、压电层和顶电极在谐振器厚度方向上的重叠区域构成谐振器的有效区域；
在所述谐振器的厚度方向上的顶电极的边缘设置有复合环形结构，所述复合环形结构的边缘不超过所述顶电极的边缘，且所述复合环形结构仅在靠近有效区域中心的一侧形成有阶梯结构；
所述复合环形结构至少包括至少两层环形结构层，所述至少两层环形结构层在谐振器的厚度方向上至少在所述有效区域内部分重叠，且至少一层环形结构层为空间不连续结构层，所述空间不连续结构层在有效区域内设置有沿环形方向的空间不连续结构。
2.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
所述空间不连续结构为环形结构。
3.根据权利要求1或2所述的谐振器，其中：
所述谐振器还包括与顶电极相连的翼部或桥部。
4.根据权利要求3所述的谐振器，其中：
在谐振器的厚度方向上，所述空间不连续结构仅位于所述有效区域内；或者
在谐振器的厚度方向上，所述空间不连续结构覆盖所述翼部或所述桥部的至少一部分。
5.根据权利要求4所述的谐振器，还包括：
所述空间不连续结构层还包括与所述空间不连续结构相连的延伸部。
6.根据权利要求5所述的谐振器，其中：
所述延伸部覆盖所述翼部或所述桥部的至少一部分，或者所述延伸部覆盖所述翼部或所述桥部且延伸到所述翼部或者桥部之外。
7.根据权利要求1或2所述的谐振器，其中：
上环形结构层和下环形结构层在谐振器的厚度方向上彼此相邻。
8.根据权利要求1或2所述的谐振器，其中：
上环形结构层和下环形结构层在谐振器的厚度方向上彼此间隔开。
9.根据权利要求1或2所述的谐振器，其中：
所述空间不连续结构层具有同一厚度。
10.根据权利要求1或2所述的谐振器，其中：
所述空间不连续结构为一体结构。
11.根据权利要求10所述的谐振器，其中：
所述一体结构包括凹凸结构。
12.根据权利要求11所述的谐振器，其中：
所述凹凸结构包括锯齿形结构或矩槽齿形结构或波形结构或者条形曲折结构。
13.根据权利要求9所述的谐振器，其中：
所述空间不连续结构为在环向方向上彼此间隔开且平行延伸的多个条形结构。
14.根据权利要求1或2所述的谐振器，其中：
所述空间不连续结构的不同部分具有彼此不同的厚度，在环向方向上厚度存在高低分布。
15.根据权利要求14所述的谐振器，其中：
所述空间不连续结构的不同部分具有彼此不同的第一厚度与第二厚度，在环向方向上第一厚度与第二厚度交替分布。
16.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
所述谐振器具有覆盖层；
空间不连续结构层位于覆盖层上方，位于顶电极与覆盖层之间，位于压电层与顶电极之间，位于压电层与底电极之间，或者位于底电极与声学镜之间。
17.一种滤波器，包括根据权利要求1-16中任一项所述的体声波谐振器。
18.一种电子设备，包括根据权利要求17所述的滤波器或者根据权利要求1-16中任一项所述的体声波谐振器。
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