CN111342809A - 提高抗静电击穿能力的谐振器及滤波器和电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种薄膜体声波谐振器，包括：基底，设置有构成声学镜的空腔；和由顶电极、压电层和底电极构成的三明治结构，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；所述压电层在所述有效区域之外具有穿过压电层的释放孔；所述基底还设置有与所述空腔相通的释放通道，所述释放孔在所述基底的厚度方向上位于对应释放通道上方而与对应释放通道相通；且所述释放孔沿释放通道到底电极的延伸距离不小于6μm。本发明也涉及一种具有该谐振器的滤波器以及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，尤其涉及一种薄膜体声波谐振器，一种滤波器以及一种具有该谐振器或者滤波器的电子设备。
背景技术
射频滤波器是各种无线通讯系统射频前端中必不可少的重要器件之一，它能够有效滤除各种无用信号及噪声，降低各通信频道间的信号干扰，从而保障通信设备的正常工作，实现高质量通信，进而达到频谱资源的有效利用。
近年来随着无线移动通讯技术的快速发展，无线通讯设备逐渐向着便携式、多功能、高性能、低成本方向发展，促使电子元器件也朝着小型化、高集成、高可靠性、高良率的方向发展，射频滤波器也不例外。
射频滤波器是由许多串联和并联谐振器组成，其小型化的要求导致释放牺牲层结构使用的释放孔与器件之间的间距越来越小，静电击穿路径越来越短，致使器件耐击穿电压也愈来愈低。而静电击穿的发生，会影响产品的技术指标，降低其可靠性。因此，提高器件的抗静电击穿能力，提高器件的可靠性已成为目前射频滤波器发展亟待解决的问题之一。
图1a为现有技术中的谐振器100的示意性俯视图，图1b为沿图1a中的AA’线截得的示意性剖视图，图1c则为构成反射镜的空腔的示意性立体图。在图中，为表述清楚，均以单个谐振器进行说明，原则上谐振器的每个拐角均有相应的释放孔131及通道111，为方便，图中仅示出一个。谐振器的形状也不限于图中所示形状。
如图1a-1c所示，谐振器100包括空腔110、底电极120、压电层130和顶电极140，附图标记121和141为两个电极引脚，附图标记131为释放孔，附图标记111为释放通道。
如图1b所示，附图标记150为硅衬底。如图1b所示，释放孔距谐振器底电极的距离S1大约为1-3um。由于空气的介电常数远低于压电材料的介电常数，因此静电击穿的路径160更容易沿释放孔131延伸，如图1b所示。
可见，现有技术中，释放孔到底部空腔的距离较近，静电击穿路径短，易发生静电击穿，损坏器件。
发明内容
为缓解或解决使用现有技术中的上述问题的至少一个方面，提出本发明。
根据本发明的实施例的一个方面，提出了一种薄膜体声波谐振器，包括：
基底，设置有构成声学镜的空腔；和
由顶电极、压电层和底电极构成的三明治结构，
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；
所述压电层在所述有效区域之外具有穿过压电层的释放孔；
所述基底还设置有与所述空腔相通的释放通道，所述释放孔在所述基底的厚度方向上位于对应释放通道上方而与对应释放通道相通；且
所述释放孔沿释放通道到底电极的延伸距离不小于6μm。
可选的,所述释放孔沿释放通道到底电极的延伸距离与所述释放孔到顶电极的最小距离之和不小于15um。
可选的，上述谐振器中，所述释放通道为直的通道。
可选的，上述谐振器中，所述释放通道在其通道两端之间的延伸距离大于所述释放通道的两端之间的直线距离。
可选的，所述释放通道为带弧度的通道。
可选的，所述释放通道为带折线的通道。
可选的，上述谐振器中，所述空腔为具有n个顶点的多边形空腔，且至多n-1个顶点处设置有所述释放通道，n为自然数；或者每个谐振器具有至多5个与其对应的释放孔。
可选的，上述谐振器中，所述压电层掺杂有如下元素中的一种或多种：钪、钇、镁、钛、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥；且掺杂元素的原子分数范围为1％-40％。进一步可选的，所述压电层为氮化铝压电层、氧化锌压电层、铌酸锂压电层或钛锆酸铅压电层。进一步可选的，掺杂元素的原子分数范围为3％-20％。
本发明的实施例还涉及一种滤波器，包括功能基底以及与功能基底对置的封装基底；功能器件，设置于所述功能基底，所述功能器件包括上述的谐振器。可选的，所有谐振器均设置于功能基底上，且所有谐振器的有效区域的面积之和不大于所述功能基底的一个表面的面积的2/3，进一步的为1/2。
本发明的实施例也涉及一种电子设备，包括上述的谐振器或者滤波器。
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1a为现有技术中的谐振器100的示意性俯视图；
图1b为沿图1a中的AA’线截得的示意性剖视图；
图1c为图1a中的谐振器的空腔的示意性立体图；
图2a为根据本发明的一个示例性实施例的谐振器的俯视示意图；
图2b为沿图2a中的BB’线截得的示意性剖视图；
图2c为图2a中的谐振器的空腔的示意性立体图；
图3a为根据本发明的一个示例性实施例的谐振器的俯视示意图；
图3b为图3a中的谐振器的空腔的示意性立体图；
图4a为根据本发明的一个示例性实施例的谐振器的俯视示意图；
图4b为图4a中的谐振器的空腔的示意性立体图；
图5a为根据本发明的一个示例性实施例的谐振器的俯视示意图；
图5b为图5a中的谐振器的空腔的示意性立体图；
图6a为根据本发明的一个示例性实施例的谐振器的俯视示意图；
图6b为图6a中的谐振器的空腔的示意性立体图；
图7为体声波谐振器的三明治结构示意图；以及
图8为体声波谐振器的机电耦合系数Nkt与比例r之间的关系曲线图。
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。
下面参照附图2a-6b示例性描述本发明。
下面参照图2a-2c描述根据本发明的一个示例性实施例的谐振器200。
在图2a-2c中，为表述清楚，均以单个谐振器进行说明，原则上谐振器200的每个拐角或顶点均有相应的释放孔231及通道211，为方便，图中仅示出一个。谐振器的形状也不限于图中所示形状。
如图2a-2c所示，谐振器200包括空腔210、底电极220、压电层230和顶电极240，附图标记221和241为两个电极引脚，附图标记231为释放孔，附图标记211为释放通道。如图2c所示，附图标记250为硅衬底。
如图2b所示，释放孔距谐振器的底电极的延伸距离S2不小于6um，可以看出，静电击穿路径260显著长于图1b中的路径160。
在本发明中，除了使用具体的长度范围来限定释放孔距谐振器的底电极的延伸距离以限定或保证静电击穿路径的长度外，还可以采用其他的参照长度来限定该延伸距离。
例如，所述释放孔231沿释放通道211到底电极220的延伸距离与所述释放孔231到顶电极240的最小距离之和不小于15um
下面参照图3a-3b描述根据本发明的一个示例性实施例的谐振器300。
在图3a、3b中，为表述清楚，均以单个谐振器进行说明，原则上谐振器300的每个拐角或顶点均有相应的释放孔331及释放通道311，为方便，图中仅示出一个。谐振器的形状也不限于图中所示形状。在图3a-3b中，释放通道为单曲线的形状。
如图3a、3b所示，谐振器300包括空腔310、底电极320、压电层330和顶电极340，附图标记321和341为两个电极引脚，附图标记331为释放孔，附图标记311为释放通道。如图3b所示，附图标记350为硅衬底。
虽然没有示出，但是类似于图2b所示，谐振器300的静电击穿路径显著长于图1b中的路径160。
下面参照图4a-4b描述根据本发明的一个示例性实施例的谐振器400。
在图4a、4b中，为表述清楚，均以单个谐振器进行说明，原则上谐振器400的每个拐角或顶点均有相应的释放孔431及通道411，为方便，图中仅示出一个。谐振器的形状也不限于图中所示形状。
如图4a、4b所示，谐振器400包括空腔410、底电极420、压电层430和顶电极440，附图标记421和441为两个电极引脚，附图标记431为释放孔，附图标记411为释放通道。如图4b所示，附图标记450为硅衬底。在图4a和4b中，释放通道411为单折线的形状。
虽然没有示出，但是类似于图2b所示，谐振器400的静电击穿路径显著长于图1b中的路径160。
下面参照图5a-5b描述根据本发明的一个示例性实施例的谐振器500。
在图5a、5b中，为表述清楚，均以单个谐振器进行说明，原则上谐振器500的每个拐角或顶点均有相应的释放孔531及通道511，为方便，图中仅示出一个。谐振器的形状也不限于图中所示形状。
如图5a、5b所示，谐振器500包括空腔510、底电极520、压电层530和顶电极540，附图标记521和541为两个电极引脚，附图标记531为释放孔，附图标记511为释放通道。如图5b所示，附图标记550为硅衬底。
虽然没有示出，但是类似于图2b所示，谐振器500的静电击穿路径显著长于图1b中的路径160。
下面参照图6a-6b描述根据本发明的一个示例性实施例的谐振器600。
在图6a、6b中，为表述清楚，均以单个谐振器进行说明，原则上谐振器600的每个拐角或顶点均有相应的释放孔631及通道611，为方便，图中仅示出一个。谐振器的形状也不限于图中所示形状。
如图6a、6b所示，谐振器600包括空腔610、底电极620、压电层630和顶电极640，附图标记621和641为两个电极引脚，附图标记631为释放孔，附图标记611为释放通道。如图6b所示，附图标记650为硅衬底。
虽然没有示出，但是类似于图2b所示，谐振器600的静电击穿路径显著长于图1b中的路径160。
基于以上，本发明提出了一种谐振器，包括：基底，设置有构成声学镜的空腔；和由顶电极、压电层和底电极构成的三明治结构，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；所述压电层在所述有效区域之外具有穿过压电层的释放孔；所述基底还设置有与所述空腔相通的释放通道，所述释放孔在所述基底的厚度方向上位于对应释放通道上方而与对应释放通道相通；且所述释放孔沿释放通道到底电极的延伸距离不小于6μm。
作为一种另外的限定延伸距离的方式，可以限定为：所述释放孔沿释放通道到底电极的延伸距离与所述释放孔到顶电极的最小距离之和不小于15um。
通过延长该延伸距离，可以显著提高静电击穿路径的长度，提高器件的抗静电击穿能力，提高器件的可靠性。
延伸距离变长，可以在提高当前谐振器的尺寸的情况下实现，也可以在不改变甚至减小当前谐振器的尺寸的情况下实现。针对后一种情况，本发明提出了减小谐振器的有效区域的面积的方式来减小谐振器的尺寸的方案。
具体的，在一个实施例中，体声波谐振器(具有压电层、底电极和顶电极)，通过在例如氮化铝(AlN)压电层的压电层中参入杂质元素，使谐振器的有效区域的面积缩小，从而使得谐振器的尺寸变小。
下面参照附图7-8具体说明利用元素掺杂降低体声波谐振器的有效区域的面积的原理。
机电耦合系数(Nkt)是体声波谐振器的重要性能指标之一，该性能参数和如下因素有密切关系：(1)压电薄膜参入杂质元素的比例；以及(2)三明治结构中电极层和压电层的厚度比例。
图7所示的体声波谐振器的三明治结构包含厚度为t的顶电极TE、底电极BE以及厚度为d的压电层PZ。此处定义比例
对于特定的未掺杂的谐振器，其归一化的机电耦合系数Nkt和比例r之间的关系可用图8所示的特性曲线C0描述。
如图8所示，当对该谐振器的压电层掺杂时，特性曲线C0向上移动形成曲线C1。若未掺杂之前，具有厚度比r0的谐振器的机电耦合系数为Nkt0,那么掺杂之后该系数升高至Nkt1。
通常机电耦合系数受到滤波器相对带宽及滚降特性的技术指标限制而需保持不变，因此在掺杂的情况下，需要通过调节比例r来将机电耦合系数恢复到未掺杂的水平。注意到曲线C1有一个最大值，因此对比例r的调节有两种方式，可使比例r从r0缩小到r2或增大至r1。但由于缩小r意味着电极层变薄阻抗增大，从而造成器件损耗上升，因此选择增大比例r至r1。
另一方面，谐振器的频率f受滤波器中心频率技术指标约束而需固定不变。频率f与三明治结构的总体厚度有如下简化关系：
其中D是将电极材料(Mo)等效为压电材料的等效总厚度，具体为D＝2tv1/v2+d，其中，v2是电极材料中纵波声速，v1是压电材料中纵波声速。将公式(1)带入公式(2)中，可以得到：
由于掺杂带来的声速v1降低，同时，r增大，那么若要求频率f不发生变化，那么压电层厚度d应减小。
此外，对谐振器的阻抗也有限制(50欧姆)的技术要求，而阻抗Z与压电层厚度d之间由下式相联系：
其中，ε是压电材料的介电常数，A是谐振器的有效面积，j是表示相位的虚数单位。
当要求阻抗Z不变时，若压电层厚度d变小时，有效面积A也必须变小。
基于以上，可以通过向压电层添加杂质元素使得压电层厚度d变小，从而减小谐振器的有效面积A。
在实施例中，所述压电层掺杂有如下元素中的一种或多种：钪、钇、镁、钛、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥；且掺杂元素的原子分数范围为1％-40％，进一步的，为3％-20％。具体的原子分数可以为1％、3％、6％、9％、20％、30％、40％等。
所述压电层可为氮化铝压电层、氧化锌压电层、铌酸锂压电层或钛锆酸铅压电层。
在本发明中，顶电极和底电极的材料可选但不限于：钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬等或以上金属的复合或其合金。
利用上述掺杂的技术方案使得谐振器的面积大幅缩小，进而可以减小滤波器(谐振器作为滤波器的核心器件)的尺寸，在滤波器面积不变的情况下，可以延长释放孔到底电极的路径的长度，从而增长静电击穿路径，降低静电击穿的发生率。此外，因为谐振器面积减小，空腔的面积减小，从而可以减小释放孔的数量，例如每个谐振器具有至多5个与其对应的释放孔，这可以进一步减少静电击穿路径的数量，从而也降低静电击穿的发生率。
相应的，本发明也涉及一种滤波器，包括功能基底以及与功能基底对置的封装基底；功能器件，设置于所述功能基底，所述功能器件包括上述的谐振器。
在可选的实施例中，在功能基底面积不变而谐振器的面积减小的情况下，例如，基于上述元素掺杂谐振器的有效面积减小的情况下，所有谐振器的有效区域的面积之和不大于所述功能基底的一个表面的面积的2/3，进一步的为1/2。需要指出的是，这里的功能基底的表面的面积为其一个表面的整个面积(包括了过孔以及功能器件所在的面积)。
本发明也涉及一种电子设备，包括上述的谐振器或者滤波器。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 (15)
1.一种薄膜体声波谐振器，包括：
基底，设置有构成声学镜的空腔；和
由顶电极、压电层和底电极构成的三明治结构，
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；
所述压电层在所述有效区域之外具有穿过压电层的释放孔；
所述基底还设置有与所述空腔相通的释放通道，所述释放孔在所述基底的厚度方向上位于对应释放通道上方而与对应释放通道相通；且
所述释放孔沿释放通道到底电极的延伸距离不小于6μm。
2.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
所述释放孔沿释放通道到底电极的延伸距离与所述释放孔到顶电极的最小距离之和不小于15um。
3.根据权利要求1或2所述的谐振器，其中：
所述释放通道为直的通道。
4.根据权利要求1或2所述的谐振器，其中：
所述释放通道在其通道两端之间的延伸距离大于所述释放通道的两端之间的直线距离。
5.根据权利要求4所述的谐振器，其中：
所述释放通道为带弧度的通道。
6.根据权利要求4所述的谐振器，其中：
所述释放通道为带折线的通道。
7.根据权利要求1或2所述的谐振器，其中：
所述空腔为具有n个顶点的多边形空腔，且至多n-1个顶点处设置有所述释放通道，n为自然数；或者
每个谐振器具有至多5个与其对应的释放孔。
8.根据权利要求1或2所述的谐振器，其中：
所述压电层掺杂有如下元素中的一种或多种：钪、钇、镁、钛、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥；且
掺杂元素的原子分数范围为1％-40％。
9.根据权利要求8所述的谐振器，其中：
所述压电层为氮化铝压电层、氧化锌压电层、铌酸锂压电层或钛锆酸铅压电层。
10.根据权利要求8或9所述的谐振器，其中：
掺杂元素的原子分数范围为3％-20％。
11.一种滤波器，包括：
功能基底以及与功能基底对置的封装基底；
功能器件，设置于所述功能基底，所述功能器件包括根据权利要求1-7中任一项所述的谐振器。
12.根据权利要求11所述的滤波器，其中：
所有谐振器均设置于功能基底上；且
所有谐振器的有效区域的面积之和不大于所述功能基底的一个表面的面积的2/3。
13.根据权利要求12所述的滤波器，其中：
所有谐振器的有效区域的面积之和不大于所述功能基底的一个表面的面积的1/2。
14.根据权利要求12或13所述的滤波器，其中：
所述谐振器为根据权利要求8-10中任一项所述的谐振器。
15.一种电子设备，包括根据权利要求1-10中任一项所述的谐振器或者根据权利要求11-14中任一项所述的滤波器。
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