CN111010124B - 电极具有空隙层的体声波谐振器、滤波器及电子设备 - Google Patents
电极具有空隙层的体声波谐振器、滤波器及电子设备 Download PDFInfo
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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；顶电极；和压电层，设置在底电极与顶电极之间，其中：底电极和/或顶电极为间隙电极，间隙电极包括空隙层、第一电极和第二电极，在谐振器的厚度方向上空隙层形成在第一电极与第二电极之间，第一电极与压电层形成面接触；且间隙电极包括处于第一电极侧的第一表面，处于第二电极侧的第二表面，第一表面与第二表面在谐振器的厚度方向上彼此相对，且空隙层位于第一表面与第二表面之间；谐振器还包括自第一表面和/或第二表面在谐振器的厚度方向上延伸到空隙层中的多个突起，突起的延伸高度小于空隙层的厚度。本发明还涉及一种具有上述谐振器的滤波器以及具有该滤波器或谐振器的电子设备。
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，以及一种具有该谐振器或者该滤波器的电子设备。
背景技术
电子器件作为电子设备的基本元素，已经被广泛应用，其应用范围包括移动电话、汽车、家电设备等。此外，未来即将改变世界的人工智能、物联网、 5G通讯等技术仍然需要依靠电子器件作为基础。
电子器件根据不同工作原理可以发挥不同的特性与优势，在所有电子器件中，利用压电效应(或逆压电效应)工作的器件是其中很重要一类，压电器件有着非常广泛的应用情景。薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，简称FBAR，又称为体声波谐振器，也称BAW)作为压电器件的重要成员正在通信领域发挥着重要作用，特别是FBAR滤波器在射频滤波器领域市场占有份额越来越大，FBAR具有尺寸小、谐振频率高、品质因数高、功率容量大、滚降效应好等优良特性，其滤波器正在逐步取代传统的声表面波(SAW)滤波器和陶瓷滤波器，在无线通信射频领域发挥巨大作用，其高灵敏度的优势也能应用到生物、物理、医学等传感领域。
薄膜体声波谐振器的结构主体为由电极-压电薄膜-电极组成的“三明治”结构，即两层金属电极层之间夹一层压电材料。通过在两电极间输入正弦信号， FBAR利用逆压电效应将输入电信号转换为机械谐振，并且再利用压电效应将机械谐振转换为电信号输出。
通信技术的快速发展要求滤波器工作频率不断提高，例如5G通信频段 (sub-6G)的频率在3GHz-6GHz,频率高于4G等通信技术。对于体声波谐振器和滤波器，高工作频率意味着薄膜厚度尤其是电极的薄膜厚度，要进一步减小；然而电极薄膜厚度的减小带来的主要负面效应为电学损耗增加导致的谐振器Q 值降低，尤其是串联谐振点及其频率附近处的Q值降低；相应地，高工作频率体声波滤波器的性能也随着体声波谐振器的Q值降低而大幅恶化。
已经提出一种在电极中设置空隙层来提高体声波性能的技术方案。
发明内容
为了进一步提高电极含有空隙层的体声波谐振器的性能，或保证其性能在工作时具有良好的稳定性，提出本发明。
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，设置在底电极与顶电极之间，
其中：
底电极和/或顶电极为间隙电极，所述间隙电极包括空隙层、第一电极和第二电极，在谐振器的厚度方向上所述空隙层形成在第一电极与第二电极之间，第一电极与压电层形成面接触；且
所述间隙电极包括处于第一电极侧的第一表面，处于第二电极侧的第二表面，第一表面与第二表面在谐振器的厚度方向上彼此相对，且空隙层位于第一表面与第二表面之间；
所述谐振器还包括自第一表面和/或第二表面在谐振器的厚度方向上延伸到空隙层中的多个突起，所述突起的延伸高度小于空隙层的厚度。
本发明的实施例还涉及一种滤波器，包括上述的体声波谐振器。
本发明的实施例也涉及一种电子设备，包括上述的滤波器或者上述的谐振器。
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为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的间隙电极的示意性局部剖视图，间隙电极的第二顶电极设置有突起；
图2为图1中的间隙电极朝向彼此贴合的示意图；
图3为图2中的部位的局部放大图；
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间隙电极的示意性局部剖视图，间隙电极的第一顶电极设置有突起；
图5为根据本发明的另一个示例性实施例的体声波谐振器的示意性局部剖视图，第一顶电极设置有钝化层，钝化层表面设置有突起；
图6A为根据本发明的一个示例性实施例的突起设置的示例性示意图，其中突起设置在第二顶电极侧；
图6B为图6A的一个示意性俯视图；
图7为根据本发明的一个示例性实施例的突起分布示意图；
图8为根据本发明的一个示例性实施例的突起的外形的示意图；
图9A和9B分别为根据本发明的一个示例性实施例的突起的立体图与截面图；
图10A为已有的电极具有空隙层的体声波谐振器的俯视示意图；
图10B为图10A中的体声波谐振器沿A1-A2线的示意性剖视图。
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。
本发明是针对图10A和10B所示的体声波谐振器的结构的一种改进。因此，结合图10A与10B的说明，也可以应用于本发明。
如图10A与10B所示，附图标记如下：
10：基底，可选材料为硅(高阻硅)、砷化镓、蓝宝石、石英等。
20：声学镜，图中为空腔20，也可采用布拉格反射层及其他等效形式。
30：底电极，材料可选钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金等。
36：电极引脚，材料与第一底电极相同。
40：压电薄膜层，可选氮化铝(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，也可包含上述材料的一定原子比的稀土元素掺杂材料。
50：第一顶电极，材料可选钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金等。
56：电极引脚，材料与第一顶电极相同。
60：位于顶电极之中的空气间隙，处于第一顶电极50和第二顶电极70之间。
70：第二顶电极，材料选择范围同第一顶电极50，但具体材料不一定与第一顶电极50相同。
需要说明的是，空气间隙构成空隙层，但是本发明中，空隙层除了可以为空气间隙层之外，还可以是真空间隙层，也可以是填充了其他气体介质的空隙层。
在图10B中，第一顶电极与第二顶电极的非引脚端之间限定了局部释放孔结构81。
对于电极含空气间隙的体声波谐振器(图10A-10B所示)，空气间隙可有效避免第二顶电极或第一底电极参与谐振器有效区域的声学运动，同时可使谐振器有效利用所述附加电极带来的电学优势(减小阻抗)。
在本发明例如图1的实施例中，谐振器具有双层顶电极50和70(即第一顶电极50与第二顶电极70)，顶电极70覆盖顶电极50的整个上表面同时在非电极引脚侧和引脚侧与顶电极50上表面保持接触，从而在顶电极70和50之间形成空气间隙60。
当谐振器工作时，交变电场通过电极施加在压电层40上，由于声电能量耦合并相互转化，电极中会有电流通过，由于本实施例的顶电极具有双层电极并联结构，因此可以有效减小谐振器的电学损耗。在交变电场的激励下，压电层产生声波，当声波向上方传导至位于顶电极中的空气间隙60和电极层50的界面时声波能量会被反射回压电层40(因为空气和电极的声阻抗不匹配程度极大)，并不会进入电极层70。本发明中含有空气间隙的电极结构一方面可显著降低谐振器的电学损耗(表现为提升串联谐振频率处及其附近Q值的提高)。另一方面，空气间隙对顶电极70起到了声学隔离作用，从而基本避免电极层70对谐振器性能造成的负面影响(如谐振频率和机电耦合系数的改变)。
空气间隙的高度一般大于谐振器的典型振幅(约10nm)，例如空气间隙的高度在
的范围内，这有利于谐振器在大功率工作时顶电极70与谐振腔(此实施例为顶电极50、压电层40、底电极30组成的复合结构)的声学能量解耦。更进一步的，在
的范围内。
本发明中，体声波谐振器的底电极也可以为空隙电极，其靠近压电薄膜一侧的电极为第一底电极，远离压电薄膜一侧的电极为第二底电极。
如果谐振器在工作过程中，间隙电极中空隙层上下两侧的电极层彼此出现贴合，且不易分离复位，则声波能量会从接触的部位从有效区域泄露到附加电极(在图10B中为第二顶电极)中，这样，第二顶电极70不再与有效区域声学隔离，从而导致谐振器的电学响应中出现寄生，且由于存在质量负载效应，还会导致谐振器的频率发生显著下降，使得谐振器性能恶化，不利于谐振器性能的稳定及提高。
本发明提出一种技术方案，其可以防止间隙电极中空隙层上下两侧的电极层彼此贴合。以下实施例均以顶电极为空隙电极为例，如本领域技术人员能够理解的，当底电极也为空隙电极时可以采用相同的实施方案。
图1为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的间隙电极的示意性局部剖视图，间隙电极的第二顶电极设置有突起。
在图1中，50为第一顶电极，70为第二顶电极，在第一顶电极50和第二顶电极70之间具有空气间隙60，81为局部释放孔结构。其中在第二顶电极70 的下表面上具有若干个微小突起BMP1。
图2为图1中的间隙电极朝向彼此贴合的示意图；图3为图2中的部位的局部放大图。如图2-3所示，若两电极50和70在湿法释放环境下相互靠近(如图3所示)，仅突起结构的顶部与第一底电极50发生小面积接触(如图3所示的C2区域)。
因此，由于接触面积显著减小，这使得两层电极在接触面上的吸附作用大幅下降，也可使得两层电极在接触后很容易分离复位，从而可有效抑制或避免贴合现象的发生。
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间隙电极的示意性局部剖视图，间隙电极的第一顶电极50设置有突起BMP1。
图5为根据本发明的另一个示例性实施例的体声波谐振器的示意性局部剖视图示意图，图中，第一顶电极50上表面设置有钝化层71，而突起BMP1则直接设置在钝化层71上，其材料也可以与钝化层相同。在图5中，第二顶电极70 的顶面也设置有钝化层72。
下面结合图6A和6B说明突起的分布。图6A为根据本发明的一个示例性实施例的突起设置的示例性示意图，其中突起设置在第二顶电极侧。当间隙电极的两个电极层发生贴合时，通常只有电极层的一部分发生接触，因此可如图6A所示，可以仅将突起BMP1设置在最可能发生接触的区域内，而无需将其遍布整个电极表面。突起也可以遍布其所在的电极侧的表面，这里的遍布，可以离散分布也可以是均匀分布。
在进一步的实施例中，在空隙层两侧的电极层在空隙层的两端(非引脚端和引脚端)均彼此电连接的情况下，例如参照附图(为截面图，例如图6A)在谐振器的横向方向上，空气间隙可以具有第一端与第二端，第一端与第二端之间具有第一距离；在谐振器的横向方向上，突起可以分布于第一端与第二端之间的中间区域。以上是参照截面图说明。
实际上，所述突起布置在中间区域，所述中间区域为以空隙层的形心为圆心、以第一距离为半径的圆，所述第一距离不大于从所述形心到所述空隙层的边缘的最短距离的五分之四，更进一步的，所述第一距离在所述最短距离的四分之一到四分之三的范围内。具体的，例如参见图6B，可以看到，所述突起分布在其所在电极的空隙层的中心区域范围内，所述中心区域范围是指以空隙层的形心为中心，以R为半径的圆的范围内，设该形心距离空隙层边缘最短距离为d0，则R的范围在0.25-0.75d0。在本发明中，所述形心为所述空隙层的几何中心或者为谐振器的有效区域的几何中心在所述空隙层的投影。
在第一电极与第二电极在引脚端彼此电连接且在非引脚端在谐振器的厚度方向上彼此间隔开的情况下，突起的分布更靠近非引脚端。具体的，所述空隙层具有形心，在谐振器的横向方向上，所述形心到空隙层的边缘具有一个最短距离；且在所述空隙层的边缘朝向所述形心的方向上，在距离空隙层的边缘的距离小于所述最短距离的二分之一的范围内，布置有所述突起。同样的，在本发明中，所述形心为所述空隙层的几何中心或者为谐振器的有效区域的几何中心在所述空隙层的投影。
图7为根据本发明的一个示例性实施例的突起分布的示例性示意图。在图7 中，突起为矩阵阵列排布，也可以其他的排布形式。例如圆环形阵列分布，发散状分布等。可以限定阵列分布的突起之间的间距。在图7中，突起BMP1在俯视图中可采用如图7所示的规律阵列分布。其中某个突起与相邻突起在横向和纵向的中心间距分别为a和b。
下面说明突起的外形或者形状。
图8为根据本发明的一个示例性实施例的突起的外形的示意图；图9A和9B 分别为根据本发明的一个示例性实施例的突起的立体图与截面图。
每个突起的具体几何形状可为圆柱形、棱柱形、圆锥形、棱锥型、半球形等等。例如可如图8所示，将突起制成锥形圆台结构，其中突起的高度为h范围可以是为
(或者为所在空气间隙厚度的1/10-1/2),底部圆形面半径R范围为0.1-20μm，顶部圆形面半径为0.05-10μm。
图9A和9B中的锥形形状可以显著缩小突起顶部接触面的面积，且侧部的曲线形状与所在底面平滑搭接，可有效防止突起发生折断。在图9A与9B中，所述突起的侧面为朝向突起的中心线内凹的曲面。
在本发明中，以顶电极为间隙电极为例进行说明，如本领域技术人员能够理解的，根据本发明的突起也可以设置在作为间隙电极的底电极中。
在本发明中，提到的数值范围除了可以为端点值之外，还可以为端点值之间的中值或者其他值，均在本发明的保护范围之内。
如本领域技术人员能够理解的，根据本发明的体声波谐振器可以用于形成滤波器。
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，设置在底电极与顶电极之间，
其中：
底电极和/或顶电极为间隙电极，所述间隙电极包括空隙层、第一电极和第二电极，在谐振器的厚度方向上所述空隙层形成在第一电极与第二电极之间，第一电极与压电层形成面接触；且
所述间隙电极包括处于第一电极侧的第一表面，处于第二电极侧的第二表面，第一表面与第二表面在谐振器的厚度方向上彼此相对，且空隙层位于第一表面与第二表面之间；
所述谐振器还包括自第一表面和/或第二表面在谐振器的厚度方向上延伸到空隙层中的多个突起，所述突起的延伸高度小于空隙层的厚度。
2、根据1所述的谐振器，其中：
所述第一表面为第一电极的表面，所述突起的材料与第一电极的材料相同。
3、根据1所述的谐振器，其中：
所述第一电极的表面设置有钝化层，所述第一表面为所述钝化层的表面，所述突起的材料与钝化层的材料相同。
4、根据1-3中任一项所述的谐振器，其中：
所述突起的高度为
或者
所述突起的高度为所述空隙层的厚度的二分之一到十分之一。
5、根据4所述的谐振器，其中：
所述空隙层的厚度在
的范围内。
6、根据5所述的谐振器，其中：
所述空隙层的厚度在
的范围内。
7、根据1-3中任一项所述的谐振器，其中：
所述突起遍布其所设置的表面。
8、根据1-3中任一项所述的谐振器，其中：
所述突起仅分布于其所设置的表面的一部分。
9、根据8所述的谐振器，其中：
第一电极与第二电极在引脚端彼此电连接且在非引脚端彼此电连接。
10、根据9所述的谐振器，其中：
所述空隙层具有形心，所述形心为所述空隙层的几何中心或者为谐振器的有效区域的几何中心在所述空隙层的投影；
所述突起布置在中间区域，所述中间区域为以所述形心为圆心、以第一距离为半径的圆，所述第一距离不大于从所述形心到所述空隙层的边缘的最短距离的五分之四，更进一步的，所述第一距离在所述最短距离的四分之一到四分之三的范围内。
11、根据8所述的谐振器，其中：
第一电极与第二电极在引脚端彼此电连接且在非引脚端在谐振器的厚度方向上彼此间隔开。
12、根据11所述的谐振器，其中：
所述空隙层具有形心，在谐振器的横向方向上，所述形心到空隙层的边缘具有一个最短距离，所述形心为所述空隙层的几何中心或者为谐振器的有效区域的几何中心在所述空隙层的投影；且
在所述空隙层的边缘朝向所述形心的方向上，在距离空隙层的边缘的距离小于所述最短距离的二分之一的范围内，布置有所述突起。
13、根据1-3中任一项所述的谐振器，其中：
所述多个突起呈阵列布置。
14、根据1-3中任一项所述的谐振器，其中：
所述突起的靠近其所在表面的横截面积大于所述突起的延伸末端的横截面积。
15、根据14所述的谐振器，其中：
所述突起为锥台形或棱锥形或半球形。
16、根据14所述的谐振器，其中：
所述突起的侧面为朝向突起的中心线内凹的曲面。
17、一种滤波器，包括根据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17所述的滤波器或者根据1-16中任一项所述的谐振器。
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 (19)
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，设置在底电极与顶电极之间，
其中：
底电极和/或顶电极为间隙电极，所述间隙电极包括空隙层、第一电极和第二电极，在谐振器的厚度方向上所述空隙层形成在第一电极与第二电极之间，第一电极与压电层形成面接触；且
所述间隙电极包括处于第一电极侧的第一表面，处于第二电极侧的第二表面，第一表面与第二表面在谐振器的厚度方向上彼此相对，且空隙层位于第一表面与第二表面之间；
所述谐振器还包括自第一表面和/或第二表面在谐振器的厚度方向上延伸到空隙层中的多个突起，所述突起的延伸高度小于空隙层的厚度；
第一电极与第二电极在引脚端彼此电连接。
2.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
所述第一表面为第一电极的表面，所述突起的材料与第一电极的材料相同。
3.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
所述第一电极的表面设置有钝化层，所述第一表面为所述钝化层的表面，所述突起的材料与钝化层的材料相同。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的谐振器，其中：
所述突起的高度为10Å-2000Å；或者
所述突起的高度为所述空隙层的厚度的二分之一到十分之一。
5.根据权利要求4所述的谐振器，其中：
所述空隙层的厚度在50Å-10000Å的范围内。
6.根据权利要求5所述的谐振器，其中：
所述空隙层的厚度在100Å-5000Å的范围内。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的谐振器，其中：
所述突起遍布其所设置的表面。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的谐振器，其中：
所述突起仅分布于其所设置的表面的一部分。
9.根据权利要求8所述的谐振器，其中：
第一电极与第二电极在引脚端彼此电连接且在非引脚端彼此电连接。
10.根据权利要求9所述的谐振器，其中：
所述空隙层具有形心，所述形心为所述空隙层的几何中心或者为谐振器的有效区域的几何中心在所述空隙层的投影；
所述突起布置在中间区域，所述中间区域为以所述形心为圆心、以第一距离为半径的圆，所述第一距离不大于从所述形心到所述空隙层的边缘的最短距离的五分之四。
11.根据权利要求10所述的谐振器，其中：所述第一距离在所述最短距离的四分之一到四分之三的范围内。
12.根据权利要求8所述的谐振器，其中：
第一电极与第二电极在引脚端彼此电连接且在非引脚端在谐振器的厚度方向上彼此间隔开。
13.根据权利要求12所述的谐振器，其中：
所述空隙层具有形心，在谐振器的横向方向上，所述形心到空隙层的边缘具有一个最短距离，所述形心为所述空隙层的几何中心或者为谐振器的有效区域的几何中心在所述空隙层的投影；且
在所述空隙层的边缘朝向所述形心的方向上，在距离空隙层的边缘的距离小于所述最短距离的二分之一的范围内，布置有所述突起。
14.根据权利要求1-3中任一项所述的谐振器，其中：
所述多个突起呈阵列布置。
15.根据权利要求1-3中任一项所述的谐振器，其中：
所述突起的靠近其所在表面的横截面积大于所述突起的延伸末端的横截面积。
16.根据权利要求15所述的谐振器，其中：
所述突起为锥台形或棱锥形或半球形。
17.根据权利要求15所述的谐振器，其中：
所述突起的侧面为朝向突起的中心线内凹的曲面。
18.一种滤波器，包括根据权利要求1-17中任一项所述的体声波谐振器。
19.一种电子设备，包括根据权利要求18所述的滤波器或者根据权利要求1-17中任一项所述的谐振器。
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Denomination of invention: Bulk acoustic wave resonator, filter and electronic equipment with electrode having gap layer Effective date of registration: 20210908 Granted publication date: 20210601 Pledgee: Tianjin TEDA Haihe intelligent manufacturing industry development fund partnership (L.P.) Pledgor: ROFS MICROSYSTEM(TIANJIN) Co.,Ltd. Registration number: Y2021980009022 |
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