CN111193484A - 带粗糙面体声波谐振器、滤波器和电子设备 - 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；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：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；所述谐振器邻近所述有效区域的边界且在边界之外设置有空气隙；所述空气隙对应的表面中的至少一个表面为粗糙面，该粗糙面的粗糙度大于该粗糙面所在部件的该粗糙面周围部分表面的粗糙度；且所述压电层内掺杂有稀土元素。本发明还涉及一种具有上述谐振器的滤波器，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声波谐振器，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
随着无线通信技术的快速发展，人们对于能同步处理大量数据的多通带收发器的需求与日俱增。近年来，多通带收发器已被广泛地应用在定位系统和多标准的系统中，这些系统需要同时处理不同频段的信号以提高系统的整体性能。虽然单个芯片中频率带的个数不断增加，但消费者对小型化、多功能的便携式设备的需求越来越高，小型化成为芯片的发展趋势，这就对滤波器的尺寸提出了更高的要求。
为此，现有技术中已经采用薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，简称FBAR)取代传统的波导技术实现多频带滤波器。
FBAR主要利用压电材料的压电效应与逆压电效应产生体声波，从而在器件内形成谐振，因为FBAR具有品质因数高、功率容量大、频率高(可达2-10GHz甚至更高)以及与标准集成电路(IC)的兼容性好等一系列的固有优势，可广泛应用于频率较高的射频应用系统中。
FBAR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。FBAR主要利用压电薄膜的纵向压电系数(d33)产生压电效应，所以其主要工作模式为厚度方向上的纵波模式(Thickness Extensional Mode，简称TE模式)。
理想地，薄膜体声波谐振器仅激发厚度方向(TE)模。但是体声波谐振器在工作状态下，除了会激发在厚度方向的(TE)模式或者活塞模式外，还会产生横向寄生模式的波，如瑞利-拉姆模是与TE模的方向相垂直的机械波。这些横向模式的波会在谐振器的边缘经反射形成反射波并与入射波干涉，从而会在谐振器的有效激励区域内形成驻波。此外，这些横向模式的波会在谐振器的边界处损失掉，从而使得谐振器所需的纵模的能量损失。横向寄生模式的波最终导致谐振器Q值下降。
通过在谐振器的电极的一边或多边边缘处加工一种包含粗糙度的桥翼或桥部结构，桥翼或桥部结构能够将边缘处的声波反射回谐振器内，同时一部份能量会转化成垂直方向振动的模式，使得谐振器的Q值得以提升。而且由于粗糙结构的表面与其周围压电层区域的表面相比更为粗糙，使得声波在粗糙结构中反射的周长变长，从而提高了声波反射的周期，使得一部分横向模式的声波会在粗糙结构中损失掉，从而降低了寄生模式。
但是粗糙结构的存在，会使得谐振器在Q值提升的同时会带来谐振器机电耦合系数即Kt2的下降。例如，随着粗糙结构面积的增加，粗糙结构中反射回谐振器中的横向模式声波能量增加，从而导致谐振器中垂直模式的声波能量相对减小，使得谐振器的机电耦合系数下降。
发明内容
为缓解或解决FBAR中设置粗糙结构时导致谐振器机电耦合系数即Kt2的下降的问题，本发明提出对压电层材料进行稀土元素的掺杂的方案。
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，设置在基底上方；顶电极，与所述底电极对置；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：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；所述谐振器邻近所述有效区域的边界且在边界之外设置有空气隙；所述空气隙对应的表面中的至少一个表面为粗糙面，该粗糙面的粗糙度大于该粗糙面所在部件的该粗糙面周围部分表面的粗糙度；且所述压电层内掺杂有稀土元素。
当对压电层材料进行稀土元素的掺杂时，由于稀土元素的原子半径比较大，从而引起压电材料中的应力发生变化，进而导致压电材料中的电偶极子发生改变，此时对压电材料施加一电场时，压电材料中就会产生更大的机械响应，从而可以使得谐振器获得更高的机电耦合系数(Kt2)。
在可选的实施例中，空气隙设置在顶电极附近。具体的，所述顶电极具有主体部以及与主体部连接的连接部；所述空气隙设置在所述连接部的下方以及压电层的上表面之间；与空气隙对应的压电层上表面、连接部下表面、连接部上表面中的至少一个表面为所述粗糙面。
可选的，所述连接部包括第一连接部；所述第一连接部邻近所述有效区域的边界形成桥翼结构，所述桥翼结构下表面以及压电层上表面之间形成所述空气隙。
可选的，所述连接部包括分别连接在主体部两侧的第一连接部和第二连接部；所述空气隙包括第一空气隙和第二空气隙；所述第一连接部邻近所述有效区域的边界形成第一桥翼结构，所述第一桥翼结构下表面与所述压电层上表面之间形成所述第一空气隙；所述第二连接部邻近所述有效区域的边界形成第二桥翼结构，所述第二桥部翼结构下表面与所述压电层上表面之间形成所述第二空气隙。
进一步可选的，与空气隙对应的压电层的上表面为所述粗糙面；所述桥翼结构的末端边缘在基底的厚度方向上位于声学镜之内且桥翼结构在横向上具有桥翼宽度。
可选的，所述连接部包括第一连接部；所述第一连接部邻近所述有效区域的边界形成桥部结构，所述桥部结构下表面以及压电层上表面之间形成所述空气隙。进一步可选的，与空气隙对应的压电层的上表面为所述粗糙面；在基底的厚度方向上顶电极的主体部与连接部的连接处位于声学镜之内，所述连接处与声学镜边界之间具有第一横向距离，并且桥部结构跨越底电极，顶电极的连接部的末端与底电极的对应末端之间具有第二横向距离。
可选的，所述连接部包括分别连接在主体部两侧的第一连接部和第二连接部；所述空气隙包括第一空气隙和第二空气隙；所述第一连接部邻近所述有效区域的边界形成桥部结构，所述桥部结构下表面与所述压电层上表面之间形成所述第一空气隙；所述第二连接部邻近所述有效区域的边界形成桥翼结构，所述桥翼结构下表面与所述压电层上表面之间形成所述第二空气隙。进一步可选的，与空气隙对应的压电层的上表面为所述粗糙面；在基底的厚度方向上顶电极的主体部与连接部的连接处位于声学镜之内，所述连接处与声学镜边界之间具有第一横向距离，并且桥部结构跨越底电极，顶电极的连接部的末端与底电极的对应末端之间具有第二横向距离；所述桥翼结构的末端边缘在基底的厚度方向上位于声学镜之内且桥翼结构在横向上具有桥翼宽度。
可选的，所述体声波谐振器还包括平坦层，所述平坦层设置在所述基底与所述压电层之间且与底电极厚度相同；所述压电层上表面是平坦的。
在可选的实施例中，所述空气隙可以在底电极的边缘附近设置在压电层下表面与底电极上表面之间。
本发明的实施例还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；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：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，所述有效区域具有第一声阻抗；所述谐振器邻近所述有效区域的边界且在边界之外设置有空气隙，与所述空气隙对应的表面中的至少一个表面为粗糙面，所述空气隙所在区域具有不同于第一声阻抗的第二声阻抗，且所述压电层内掺杂有稀土元素。
本发明的实施例也涉及一种体声波谐振器，包括：基底；声学镜；底电极，置在基底上方；顶电极，与所述底电极对置；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：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，所述有效区域具有第一声阻抗；所述谐振器邻近所述有效区域的边界且在边界之外设置有粗糙面，所述粗糙面所在区域具有不同于第一声阻抗的第二声阻抗，且所述压电层内掺杂有稀土元素。可选的，所述粗糙面设置在有效边界之外的顶电极的上表面或者下表面处、或者压电层的上表面或者下表面处、或者底电极的上表面或者下表面处。
可选的，上述体声波谐振器中，所述粗糙面的粗糙度为
进一步可选的，所述粗糙度为
左右。
可选的，上述的滤波器中，掺杂的稀土元素包括镧(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)、钇(Y)和钪(Sc)中的任意一种或者多种。
进一步可选的，所述压电层材料为氮化铝(ALN)，掺杂后形成Al1-aXaN或Al1-a-bXaYbN结构，其中X、Y代表上述稀土元素中的任意两种元素，a、b分别代表掺杂元素X、Y的含量。进一步的，掺杂元素X和Y的原子分数均为0.5％-30％。
可选的，掺杂的稀土元素为钪(Sc)。
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。
本发明的实施例还涉及一种电子设备，包括上述的滤波器。
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为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的示意性俯视图；
图1A为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器沿图1中的1B-1B向的截面图；
图1B为根据本发明的另一个示例性实施例的体声波谐振器沿图1中的1B-1B向的截面图；
图1C为根据本发明的再一个示例性实施例的体声波谐振器沿图1中的1B-1B向的截面图；
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示意性俯视图；
图2A为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器沿图2中的1B-1B向的截面图；
图2B为根据本发明的另一个示例性实施例的体声波谐振器沿图2中的1B-1B向的截面图；
图2C为根据本发明的再一个示例性实施例的体声波谐振器沿图2中的1B-1B向的截面图；
图2D为根据本发明的再一个示例性实施例的体声波谐振器沿图2中的1B-1B向的截面图；
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示意性俯视图；
图3A为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器沿图3中的1B-1B向的截面图；
图3B为根据本发明的另一个示例性实施例的体声波谐振器沿图3中的1B-1B向的截面图；
图3C为根据本发明的再一个示例性实施例的体声波谐振器沿图3中的1B-1B向的截面图；
图4为根据本发明的另一个实施例的薄膜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。
本发明在谐振器的电极的一边或多边边缘处加工一种包含粗糙度的桥翼或桥部结构，桥翼或桥部结构能够有效减小横向寄生模式对谐振器性能的影响，有效提高其Q值。
下面参照附图1-4描述根据本发明的实施例的体声波谐振器。
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示意性俯视图。图1所示的实施例中，为压电谐振结构的俯视图。体声波谐振器包括底电极105，压电层107，顶电极109以及包含粗糙结构或粗糙面的桥翼113。
在本发明的所有实施例中，压电层材料掺杂稀土元素。
典型的压电材料为氮化铝(AlN)，其为纤锌矿结构即六方晶系，极化轴方向为(0001)。
掺杂的稀土元素可以包括镧(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)，以及钇(Y)和钪(Sc)中的任意一种或者多种。在一个实施例中，掺杂的稀土元素包括钪(Sc)。
对于压电材料为氮化铝(AlN)，掺杂的方式可以为稀土元素X和/或Y替换AlN晶体结构中的Al原子，形成Al1-aXaN或Al1-a-bXaYbN结构，其中X、Y代表上述稀土元素中的任意两种元素，a、b代表掺杂原子X、Y的含量。可选的，稀土元素X或Y的原子分数可以为0.5％-30％，其中掺杂的稀土元素X与Y的含量可以相同也可以不同。
虽然粗糙结构的存在在提升谐振器Q值的同时，会带来Kt2下降的问题，但是通过对压电层材料进行掺杂稀土元素，可以提高其Kt2，来弥补粗糙结构的不足之处。
以上对于掺杂的描述可以适用于本发明的所有实施例。
图1A所示的实施例中，为体声波谐振器沿着图1俯视图1B-1B所取的截面图。体声波谐振器包括基底101和声学镜103，此声学镜位于基底的上表面或嵌于基底的内部，在图1A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105，压电层107和顶电极109。底电极沉积在声学镜的上表面，并覆盖声学镜。所述的底电极包含第一末端部、第二末端部、以及位于第一末端部和第二末端部的中间部分。可以将底电极的第一末端部和第二末端部刻蚀成斜面，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。所述的压电层具有第一末端和对应的第二末端以及中间部分，并且位于底电极之上，两个末端部分分别向相反方向延伸到基底之上，从而使压电层在斜端面上形成阶梯型边缘。
顶电极109沉积在压电层107之上，包括位于压电层之上的中间的部分(即主体部)以及跨于压电层之上的第一末端的桥翼结构111和第二末端的桥翼结构116。在顶电极的第一末端与压电层之间设置有空气隙113，在对应的第二末端与压电层之间设置有空气隙118。
所述顶电极的两末端的桥翼结构在声学镜之内，同时在顶电极的第一末端和对应的第二末端下的压电材料表面有粗糙度。粗糙结构115和117的表面要比其周围压电层区域的表面粗糙，其典型的粗糙度范围可以为
可选的，可以为
或者在
左右。
底电极105、压电层107、顶电极109和声学镜103在厚度方向重叠的区域为谐振器的有效区域，即图中的区域d2，具有第一声阻抗。
谐振器在顶电极109的第一末端桥翼结构下的空气隙113和第二末端桥翼结构下的空气隙118处，具有第二声阻抗。由于在桥翼结构处的第二声阻抗与第一声阻抗不匹配，会使得声波在边界处传输不连续。因此在边界处，一部分声能就会耦合且反射到有效激励区域d2中，并且转换成与压电层表面垂直的活塞声波模式。同时由于粗糙结构115和117的表面与其周围压电层区域的表面相比更为粗糙，使得声波在粗糙结构中反射的周长变长，从而提高了声波反射的周期，使得一部分横向模式的声波会在粗糙结构中损失掉，从而降低了寄生模式。
桥翼结构以及粗糙结构可以增大横向模式边缘反射回来的声波的反射系数和从横向声波模式转换为活塞模式的转换效率，从而提高谐振器的Q值。因为桥翼结构没有改变有效激励区域外加电场方向的机械位移分布，因此不会降低谐振器的Q值，也不会对寄生模式强度有影响。
在图1B所示的体声波谐振器结构与图1A所示的实施例结构类似，它们都是沿着图1俯视图1B-1B所取的截面图。不同之处在于粗糙度位于顶电极的第一末端和对应的第二末端的上下表面形成粗糙结构。顶电极两末端部在上、下表面均形成粗糙结构，即都具有粗糙面，这能够进一步提升其声阻抗与第一声阻抗之间的不匹配程度，从而进一步提升声波的反射能力和转换能力以及在粗糙结构中对寄生模式的抑制作用，使得谐振器的性能增加，其Q值进一步增加。
在图1C所示的体声波谐振器结构与图1A所示的实施例结构类似，它们都是沿着图1俯视图1B-1B所取的截面图。不同之处在于在底电极的两侧加入了平坦层，加入的平坦层与底电极的第一末端和第二末端的斜端面对齐，从而形成平整光滑的表面，这样有利于在底电极与平坦层的连接处上沉积有良好C-轴取向的压电薄膜。平坦层可以采用二氧化硅、氮化硅、碳化硅等合适的介质材料。
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示意性俯视图。图2所示的体声波谐振器包括底电极205，压电层207，顶电极209，以及包含粗糙结构的桥部结构213。
图2A所示的实施例，为体声波谐振器沿着图2俯视图1B-1B所取的截面图。体声波谐振器包括基底201和声学镜203，此声学镜位于基底的上表面或嵌于基底的内部，在图2A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205，压电层207和顶电极209。底电极沉积在声学镜的上表面，并覆盖声学镜。所述的底电极包含第一末端部、第二末端部、以及位于第一末端部和第二末端部的中间部分。可以将底电极的第一末端部和第二末端部刻蚀成斜面，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。所述的压电层具有第一末端和对应的第二末端以及中间部分，并且位于底电极之上，两个末端部分分别向相反方向延伸到基底之上，从而使压电层在斜端面上形成阶梯型边缘。
顶电极209沉积在压电层207之上，包括位于压电层之上的主体部以及跨于压电层之上的第二部分(连接部)的桥部结构211，在顶电极的第二部分与压电层之间为空气隙214。
顶电极的主体部与第二部分的连接处位于声学镜之内，其与声学镜之间的距离为d1，并且桥部结构跨越底电极并位于压电层上方，顶电极的第二部分的末端与底电极第二部分末端之间的距离为d2。同时在顶电极的第二部分下的压电材料表面有一粗糙度。粗糙结构213的表面要比其周围压电层区域的表面粗糙，其典型的粗糙度范围可以为
可选的，可以为
或者在
左右。
底电极205、压电层207、顶电极209和声学镜在厚度方向重叠的区域为谐振器的有效区域，即图中的区域d，具有第一声阻抗。在顶电极的第二部分桥部结构下的空气隙214处，具有第二声阻抗。由于在桥部结构处的第二声阻抗与第一声阻抗不匹配，会使得声波在边界处传输不连续。因此在边界处，一部分声能就会耦合且反射到有效激励区域d中，并且转换成与压电层表面垂直的活塞声波模式。同时由于粗糙结构213的表面与其周围压电层区域的表面相比更为粗糙，使得声波在粗糙结构中反射的周长变长，从而提高了声波反射的周期，使得一部分横向模式的声波会在粗糙结构中损失掉，从而降低了寄生模式。
桥部结构以及粗糙结构可以增大横向模式边缘反射回来的声波的反射系数和从横向声波模式转换为活塞模式的转换效率，从而提高谐振器的Q值。因为桥部结构没有改变有效激励区域外加电场方向的机械位移分布，因此不会降低谐振器的Q值，也不会对寄生模式强度有影响。
在图2B所示的体声波谐振器结构与图2A所示的实施例结构类似，它们都是沿着图2俯视图1B-1B所取的截面图。不同之处在于粗糙度位于顶电极的第二部分的上下表面形成粗糙结构。顶电极第二部分上下表面形成的粗糙结构，能够进一步提升其声阻抗与第一声阻抗之间的不匹配程度以及在粗糙结构中对寄生模式的抑制作用，从而进一步提升声波的反射能力和转换能力，使得谐振器的性能增加，其Q值进一步增加。
在图2C所示的体声波谐振器结构与图2A所示的实施例结构类似，它们都是沿着图2俯视图1B-1B所取的截面图。不同之处在于桥部结构位于底电极的第二部分和压电层的第二部分之间，且粗糙结构位于底电极的第二部分之上。
在图2D所示的体声波谐振器结构与图2A所示的实施例结构类似，它们都是沿着图2俯视图1B-1B所取的截面图。不同之处在于在底电极的两侧加入了平坦层，加入的平坦层与底电极的第一末端和第二末端的斜端面对齐，从而形成平整光滑的表面，这样有利于在底电极与平坦层的连接处上沉积有良好C-轴取向的压电薄膜。平坦层可以采用二氧化硅、氮化硅、碳化硅等合适的介质材料。
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示意性俯视图。图3所示的实施例中，为压电谐振结构的俯视图。体声波谐振器包括体声波谐振器包括底电极305，压电层307，顶电极309，以及包含粗糙结构的桥部结构313和包含粗糙结构的桥翼结构311。
图3A所示的实施例中，为体声波谐振器沿着图3俯视图1B-1B所取的截面图。体声波谐振器包括基底301和声学镜303，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305，压电层307和顶电极309。底电极沉积在声学镜的上表面，并覆盖声学镜。所述的底电极包含第一末端部、第二末端部、以及位于第一末端部和第二末端部的中间部分。可以将底电极的第一末端部和第二末端部刻蚀成斜面，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。所述的压电层具有第一末端和对应的第二末端以及中间部分，并且位于底电极之上，两个末端部分分别向相反方向延伸到基底之上，从而使压电层在斜端面上形成阶梯型边缘。
顶电极沉积在压电层之上，包括位于压电层之上的主体部、第一部分桥翼结构311以及跨于压电层之上的第二部分桥部结构313，在顶电极的第一、第二部分与压电层之间为空气隙315和317。顶电极的主体部与第二部分的连接处位于声学镜之内，其与声学镜之间的距离为d1，并且桥部结构跨越底电极并位于压电层上方，顶电极的第二部分的末端与底电极第二部分末端之间的距离为d2。顶电极的第一部分桥翼结构的边缘位于声学镜之内，其宽度为d3。同时，在顶电极第一部分下和第二部分下的压电材料表面有一粗糙度。粗糙结构319和321的表面要比其周围压电层区域的表面粗糙，其典型的粗糙度范围可以为
可选的，可以为
或者在
左右。
底电极、压电层、顶电极和声学镜在厚度方向重叠的区域为谐振器的有效区域，即图中的区域d，具有第一声阻抗。在顶电极的第一部分桥翼结构下和第二部分桥部结构下的空气隙214，具有第二声阻抗。由于在桥翼、桥部结构处的第二声阻抗与第一声阻抗不匹配，会使得声波在边界处传输不连续。因此在边界处，一部分声能就会耦合且反射到有效激励区域d中，并且转换成与压电层表面垂直的活塞声波模式。同时由于粗糙结构319和321的表面与其周围压电层区域的表面相比更为粗糙，使得声波在粗糙结构中反射的周长变长，从而提高了声波反射的周期，使得一部分横向模式的声波会在粗糙结构中损失掉，从而降低了寄生模式。
桥翼结构、桥部结构以及粗糙结构可以增大横向模式边缘反射回来的声波的反射系数和从横向声波模式转换为活塞模式的转换效率，从而提高谐振器的Q值。因为桥翼、桥部结构没有改变有效激励区域外加电场方向的机械位移分布，因此不会降低谐振器的Q值，也不会对寄生模式强度有影响。
在图3B所示的体声波谐振器结构与图3A所示的实施例结构类似，它们都是沿着图3俯视图1B-1B所取的截面图。不同之处在于粗糙度位于顶电极的第一、第二部分的上下表面形成粗糙结构。顶电极第一、第二部分上下表面形成的粗糙结构，能够进一步提升其声阻抗与第一声阻抗之间的不匹配程度以及在粗糙结构中对寄生模式的抑制作用，从而进一步提升声波的反射能力和转换能力，使得谐振器的性能增加，其Q值进一步增加。
在图3C所示的体声波谐振器结构与图3A所示的实施例结构类似，它们都是沿着图3俯视图1B-1B所取的截面图。不同之处在于在底电极的两侧加入了平坦层，加入的平坦层与底电极的第一末端和第二末端的斜端面对齐，从而形成平整光滑的表面，这样有利于在底电极与平坦层的连接处上沉积有良好C-轴取向的压电薄膜。平坦层可以采用二氧化硅、氮化硅、碳化硅等合适的介质材料。
基于以上，本发明的实施例提出了一种体声波谐振器，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；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：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；所述谐振器邻近所述有效区域的边界且在边界之外设置有空气隙；所述空气隙对应的表面中的至少一个表面为粗糙面，该粗糙面的粗糙度大于该粗糙面所在部件的该粗糙面周围部分表面的粗糙度，且所述压电层内掺杂有稀土元素。
基于以上，本发明的实施例还提出了一种体声波谐振器，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；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：声学镜、底电极、压电层、顶电极在基板的厚度方向重叠的区域为谐振器的有效区域，所述有效区域具有第一声阻抗；所述谐振器邻近所述有效区域的边界且在边界之外设置有空气隙，与所述空气隙对应的表面中的至少一个表面为粗糙面，所述空气隙所在区域具有不同于第一声阻抗的第二声阻抗，且所述压电层内掺杂有稀土元素。
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截面图。体声波谐振器包括：基底401、声学镜403，此声学镜位于基底的上表面或嵌于基底的内部，在图4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405，压电层407和顶电极409以及粗糙结构415。底电极沉积在声学镜的上表面，并覆盖声学镜。粗糙结构415位于顶电极边缘周围区域压电层的上表面。粗糙结构415的表面要比其周围压电层区域的表面粗糙，其典型的粗糙度范围可以为
可选的，可以为
或者在
左右。
底电极、压电层、顶电极和声学镜在厚度方向重叠的区域为谐振器的有效区域，具有第一声阻抗。在粗糙结构415中具有第二声阻抗。由于在粗糙结构中的第二声阻抗与第一声阻抗不匹配，会使得声波在边界处传输不连续。因此在边界处，一部分声能就会耦合且反射到有效激励区域中，并且转换成与压电层表面垂直的活塞声波模式。同时由于粗糙结构415的表面与其周围压电层区域的表面相比更为粗糙，使得声波在粗糙结构中反射的周长变长，从而提高了声波反射的周期，使得一部分横向模式的声波会在粗糙结构中损失掉，从而降低了寄生模式。
需要指出的是，虽然没有示出，粗糙结构或者粗糙面也可以直接设置在有效边界之外的顶电极的上表面或者下表面处、或者压电层的上表面或者下表面处、或者底电极的上表面或者下表面处。
基于以上，本发明提出了一种体声波谐振器，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；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：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，所述有效区域具有第一声阻抗；所述谐振器邻近所述有效区域的边界且在边界之外设置有粗糙面，所述粗糙面所在区域具有不同于第一声阻抗的第二声阻抗，且所述压电层内掺杂有稀土元素。
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)等类似金属。
在本发明中，压电层材料可以为氮化铝(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。
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。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 (22)
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；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：
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；
所述谐振器邻近所述有效区域的边界且在边界之外设置有空气隙；
所述空气隙对应的表面中的至少一个表面为粗糙面，该粗糙面的粗糙度大于该粗糙面所在部件的该粗糙面周围部分表面的粗糙度；且
所述压电层内掺杂有稀土元素。
2.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其中：
所述顶电极具有主体部以及与主体部连接的连接部；
所述空气隙设置在所述连接部的下方以及压电层的上表面之间；
与空气隙对应的压电层上表面、连接部下表面、连接部上表面中的至少一个表面为所述粗糙面。
3.根据权利要求2所述的体声波谐振器，其中：
所述连接部包括第一连接部；
所述第一连接部邻近所述有效区域的边界形成桥翼结构，所述桥翼结构下表面以及压电层上表面之间形成所述空气隙。
4.根据权利要求2所述的体声波谐振器，其中：
所述连接部包括分别连接在主体部两侧的第一连接部和第二连接部；
所述空气隙包括第一空气隙和第二空气隙；
所述第一连接部邻近所述有效区域的边界形成第一桥翼结构，所述第一桥翼结构下表面与所述压电层上表面之间形成所述第一空气隙；
所述第二连接部邻近所述有效区域的边界形成第二桥翼结构，所述第二桥部翼结构下表面与所述压电层上表面之间形成所述第二空气隙。
5.根据权利要求3或4所述的体声波谐振器，其中：
与空气隙对应的压电层的上表面为所述粗糙面；
所述桥翼结构的末端边缘在基底的厚度方向上位于声学镜之内且桥翼结构在横向上具有桥翼宽度。
6.根据权利要求2所述的体声波谐振器，其中：
所述连接部包括第一连接部；
所述第一连接部邻近所述有效区域的边界形成桥部结构，所述桥部结构下表面以及压电层上表面之间形成所述空气隙。
7.根据权利要求6所述的体声波谐振器，其中：
与空气隙对应的压电层的上表面为所述粗糙面；
在基底的厚度方向上顶电极的主体部与连接部的连接处位于声学镜之内，所述连接处与声学镜边界之间具有第一横向距离，并且桥部结构跨越底电极，顶电极的连接部的末端与底电极的对应末端之间具有第二横向距离。
8.根据权利要求2所述的体声波谐振器，其中：
所述连接部包括分别连接在主体部两侧的第一连接部和第二连接部；
所述空气隙包括第一空气隙和第二空气隙；
所述第一连接部邻近所述有效区域的边界形成桥部结构，所述桥部结构下表面与所述压电层上表面之间形成所述第一空气隙；
所述第二连接部邻近所述有效区域的边界形成桥翼结构，所述桥翼结构下表面与所述压电层上表面之间形成所述第二空气隙。
9.根据权利要求8所述的体声波谐振器，其中：
与空气隙对应的压电层的上表面为所述粗糙面；
在基底的厚度方向上顶电极的主体部与连接部的连接处位于声学镜之内，所述连接处与声学镜边界之间具有第一横向距离，并且桥部结构跨越底电极，顶电极的连接部的末端与底电极的对应末端之间具有第二横向距离；
所述桥翼结构的末端边缘在基板的厚度方向上位于声学镜之内且桥翼结构在横向上具有桥翼宽度。
10.根据权利要求2-9中任一项所述的体声波谐振器，其中：
所述体声波谐振器还包括平坦层，所述平坦层设置在所述基底与所述压电层之间且与底电极厚度相同；
所述压电层上表面是平坦的。
11.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其中：
所述空气隙在底电极的边缘附近设置在压电层下表面与底电极上表面之间。
12.一种体声波谐振器，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；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：
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，所述有效区域具有第一声阻抗；
所述谐振器邻近所述有效区域的边界且在边界之外设置有空气隙，与所述空气隙对应的表面中的至少一个表面为粗糙面，所述空气隙所在区域具有不同于第一声阻抗的第二声阻抗；且
所述压电层内掺杂有稀土元素。
13.一种体声波谐振器，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；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：
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，所述有效区域具有第一声阻抗；
所述谐振器邻近所述有效区域的边界且在边界之外设置有粗糙面，所述粗糙面所在区域具有不同于第一声阻抗的第二声阻抗；且
所述压电层内掺杂有稀土元素。
14.根据权利要求13所述的体声波谐振器，其中：
所述粗糙面设置在有效边界之外的顶电极的上表面或者下表面处、或者压电层的上表面或者下表面处、或者底电极的上表面或者下表面处。
15.根据权利要求1-14中任一项所述的体声波谐振器，其中：
所述粗糙面的粗糙度为
16.根据权利要求15所述的体声波谐振器，其中：
所述粗糙度为
左右。
17.根据权利要求1、12或13所述的体声波谐振器，其中：
掺杂的稀土元素包括镧(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)、钇(Y)和钪(Sc)中的任意一种或者多种。
18.根据权利要求17所述的体声波谐振器，其中：
所述压电层材料为氮化铝(ALN)，掺杂后形成Al1-aXaN或Al1-a-bXaYbN结构，其中X、Y代表上述稀土元素中的任意两种元素，a、b分别代表掺杂元素X、Y的含量。
19.根据权利要求18所述的体声波谐振器，其中：
掺杂元素X或Y的原子分数为0.5％-30％。
20.根据权利要求17所述的体声波谐振器，其中：
掺杂的稀土元素包括钪(Sc)。
21.一种滤波器，包括根据权利要求1-20中任一项所述的体声波谐振器。
22.一种电子设备，包括根据权利要求21所述的滤波器。
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