CN111355466A - 具有多梁檐空隙的体声波谐振器、滤波器和电子设备 - Google Patents
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Abstract
具有多梁檐空隙的体声波谐振器、滤波器和电子设备。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；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；所述有效区域的边缘的至少一部分设置有抑制结构，所述抑制结构具有至少两层在厚度方向上间隔开的空隙。所述抑制结构包括至少两个檐结构，所述至少两个檐结构在所述厚度方向上间隔开。所述抑制结构也可包括至少两个梁结构，所述至少两个梁结构在厚度方向上间隔开。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者谐振器的电子设备。
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，以及一种具有该滤波器或谐振器的电子设备。
背景技术
当前，由体声波谐振器构成的射频前端滤波器在射频通讯系统中被广泛应用，这种滤波器通常具有优越的电性能，如低插入损耗、陡峭的过渡带、较大的功率容量、较强的抗静电放电能力，以及加工工艺能够与IC工艺相兼容，从而适宜大规模低成本制造。而滤波器的好坏与谐振器的各项性能指标息息相关。
体声波谐振器一般具有两个谐振频率，定义阻抗最小的频率点为串联谐振频率fs，相应阻抗为串联阻抗Rs，阻抗最大的频率点为并联谐振频率fp，相应阻抗为并联阻抗Rp，通过有效机电耦合系数衡量谐振器中压电转换效率。通常，谐振器的串联谐振频率决定了滤波器的中心频率，而谐振器的有效机电耦合系数决定了滤波器可实现的最大带宽，谐振器的串联阻抗和并联阻抗决定了通带插入损耗及回波损耗。一般而言，谐振器的并联阻抗Rp越高，串联阻抗Rs越低，相应滤波器的通带插入损耗越好。因此，如何提高谐振器的性能，特别是提高谐振器的并联阻抗Rp，是滤波器设计中的一个重要而基础的问题。
发明内容
为进一步提高谐振器的并联阻抗性能，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，设置在基底上方；顶电极；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；所述有效区域的边缘的至少一部分设置有抑制结构，所述抑制结构具有至少两层在厚度方向上间隔开的空隙。
可选的，所述抑制结构包括至少两个檐结构，所述至少两个檐结构在所述厚度方向上间隔开。
可选的，所述至少两个檐结构包括由顶电极形成的第一檐结构以及由谐振器的钝化层形成的第二檐结构；第一檐结构的上下两侧形成两个空隙。进一步的，第一檐结构与第二檐结构的末端在厚度方向上错开。
可选的，第一檐结构与第二檐结构的末端在厚度方向上齐平。
可选的，所述压电层与所述钝化层一体形成第一檐结构，所述第一檐结构的上方形成第二檐结构；第一檐结构的上下两侧形成两个空隙。进一步的，所述第二檐结构为包括了金属层与钝化材料层的复合结构。
可选的，所述至少两个檐结构在谐振器的厚度方向上位于所述声学镜的位置内侧。
可选的，所述抑制结构包括至少两个梁结构，所述至少两个梁结构在厚度方向上间隔开。
可选的，所述至少两个梁结构包括由顶电极形成的第一梁结构以及由谐振器的钝化层形成的第二梁结构；第一梁结构的上下两侧形成两个空隙。
可选的，所述至少两个梁结构包括由顶电极与钝化层一体形成的第一梁结构以及形成在第一梁结构上方的第二梁结构；第一梁结构的上下两侧形成两个空隙。进一步可选的，所述第二梁结构为包括了金属层与钝化材料层的复合结构。
可选的，该谐振器可以同时具有上述的梁结构以及上述的檐结构。
可选的，所述至少两个檐结构对应的空隙与所述至少两个梁结构对应的空隙共同围绕所述谐振器的整个有效区域设置。
本发明的实施例也涉及一种滤波器，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，包括上述的滤波器或者谐振器。
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俯视图；
图1A为根据本发明的一个示例性实施例的沿图1中的1B-1B向截得的截面图；
图1B为根据本发明的一个示例性实施例的沿图1中的1B-1B向截得的截面图；
图1C为根据本发明的一个示例性实施例的沿图1中的1B-1B向截得的截面图；
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俯视图；
图2A为根据本发明的一个示例性实施例的沿图2中的2B-2B向截得的截面图；
图2B为根据本发明的一个示例性实施例的沿图2中的2B-2B向截得的截面图；
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俯视图；
图3A为根据本发明的一个示例性实施例的沿图3中的3B-3B向截得的截面图；
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俯视图；
图4A为根据本发明的一个示例性实施例的沿图4中的3B-3B向截得的截面图；
图4B为根据本发明的一个示例性实施例的沿图4中的3B-3B向截得的截面图。
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1所示的实施例中，为一个示例性实施例的体声波谐振器的俯视图。体声波谐振器包括第一电极103、压电层104、第二电极105、第一檐109以及第二檐110，在本实施例中第一檐与第二檐的位置在谐振器的厚度方向上齐平。
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102，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第一电极103，压电层104、第二电极105和钝化层106。第一电极设置在声学镜的上方，并覆盖声学镜。可将第一电极的第一末端部和第二末端部刻蚀成斜面，并且该斜面位于声反射镜的外边，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104具有第一末端和对应的第二末端以及中间部分，并且位于第一电极103之上，两个末端部分分别向相反方向延伸到基底101之上，从而使压电层在斜端面上形成阶梯型边缘。第二电极105沉积在压电层104之上，包括位于压电层之上的中间的部分以及跨于压电层之上的第一末端的第一檐109。
需要说明的是，在本发明中，第一末端对应于附图中的左端，而第二末端对应于附图中的右端。
如图1A所示，在第一檐109上方设置有第二檐110。如图1A所示，在第二电极的第一末端的第一檐109与压电层104之间形成空隙107，且在对应的第二檐110与第一檐109之间形成空隙108。所述第二电极105的第一末端的檐结构在反射镜之内。空隙107与108在谐振器的厚度方向上重叠。
如图1A所示，第二电极、压电层、第一电极、空腔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。图1A中的d1区域具有第二声阻抗。由于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，可有效提高Qp。可以选择双檐结构的尺寸d1，以调整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Rp。
图1B所示的体声波谐振器结构与图1A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。不同之处在于第二檐110比第一檐109短，两檐横向距离为d3。不对齐的双檐结构导致第二声阻抗与第一声阻抗不匹配，从而提升声波的反射能力和转换能力以及在双檐结构对寄生模式的抑制作用，使得谐振器的性能增加，其Rp值进一步增加。
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，均为沿着
图1俯视图1B-1B所取的截面图。不同之处在于在图1C中，第二檐110比第一檐109长，两檐横向距离为d4。不对齐的双檐结构导致第二声阻抗与第一声阻抗不匹配，从而提升声波的反射能力和转换能力以及在双檐结构对寄生模式的抑制作用，使得谐振器的性能增加，其Rp值进一步增加。
为增加工艺宽容度，可在第一檐之上增加钝化层。图2所示的实施例，为一个示例性实施例的压电谐振结构的俯视图。体声波谐振器包括第一电极203，压电层204，第二电极205，第一檐209以及第二檐210。在本实施例中第一檐209与第二檐210位置重叠或者在谐振器的厚度方向上对齐。
图2A所示的实施例为体声波谐振器沿着图2俯视图2B-2B所取的截面图。体声波谐振器包括基底201和声学镜202，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第一电极203，压电层204、第二电极205和钝化层206。第一电极设置在声学镜的上方，并覆盖声学镜。可将第一电极203的第一末端部和第二末端部刻蚀成斜面，并且该斜面位于声反射镜的外边，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204具有第一末端和对应的第二末端以及中间部分，并且位于第一电极203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。第二电极205沉积在压电层204之上，包括位于压电层之上的中间的部分以及跨于压电层之上的第一末端的第一檐209。在图2A中，第一檐209由顶电极与钝化层一体形成。
如图2A所示，在第一檐209的上方设置有第二檐210。如图2A所示，在第二电极205的第一末端的第一檐209与压电层204之间的空隙207和对应的第二檐与第一檐之间的空气隙208，其中第二檐210可选择性延伸至第一电极第二末端右侧。所述第二电极205的第一末端的檐结构在声反射镜之内。
如图2A所示，第二电极205、压电层204、第一电极203、空腔在厚度方向重叠的区域为谐振器的有效区域，即图2A中的区域d2，具有第一声阻抗。图2A中d1区域具有第二声阻抗。由于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，可有效提高Qp。可以选择双檐结构的尺寸d1，以调整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Rp。
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，均为沿着
图2俯视图2B-2B所取的截面图。不同之处在于，图2B中的第二檐210采用复合结构，分别为金属层212和钝化层213，钝化层213同样可选择性延伸至第一电极第二末端右侧。
需要说明的是，在本发明中，对齐可以为图1A中的第一檐109和第二檐110的末端在厚度方向上的投影重合，错开可以为例如图1B中的第一檐109和第二檐110的末端在厚度方向上的投影不重合。
在以上的实施例中，谐振器采用了悬檐结构。基于本发明的实施例，谐振器还可以设置梁部结构。具体的，在底电极与顶电极的连接边的一侧可以采用多层梁部结构。采用了上述结构之后，该谐振器包括底电极、压电层、顶电极以及双梁结构或多梁结构。
图3A所示的实施例为体声波谐振器沿着图3俯视图3B-3B所取的截面图。体声波谐振器包括基底301和声学镜302，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第一电极303，压电层304、第二电极305、钝化层306第一梁313和第二梁314。第一电极303设置在声学镜的上方，并覆盖声学镜。第一电极303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。可以将第一电极303的第一末端部和第二末端部刻蚀成斜面，并且该斜面位于声反射镜之外，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304具有第一末端和对应的第二末端以及中间部分，并且位于第一电极303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304在斜端面上形成阶梯型边缘。
第一电极303、压电层304、第二电极305的主体部分、空腔(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d2，具有第一声阻抗。图中d3所示区域具有第二声阻抗。由于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。同时由于第二梁部314进一步限制了声波在边界处的传播，从而将更多声能耦合反射到有效激励区域中。可以选择双梁结构的宽度d3，以调整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Rp。
可选的，图3A中第二梁314可采用复合结构，例如钝化材料层与金属层的复合结构。
图4所示的实施例为压电谐振结构的俯视图。体声波谐振器包括第一电极303，压电层304，第二电极305，以及双檐结构315和双梁结构316。如图4和4A所示，所述双檐结构对应的空隙与所述双梁结构对应的空隙共同围绕所述谐振器的整个有效区域设置。
图4A所示的实施例为体声波谐振器沿着图4俯视图3B-3B所取的截面图。体声波谐振器包括基底301和声学镜302，此声学镜位于基底的上表面或嵌于基底的内部，在图4A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第一电极303，压电层304、第二电极305、钝化层306。第一电极设置在声学镜302的上方，并覆盖声学镜。所述的第一电极303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。可以将第一电极303的第一末端部和第二末端部刻蚀成斜面，并且该斜面位于声反射镜的外边，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304具有第一末端和对应的第二末端以及中间部分，并且位于第一电极303之上，两个末端部分分别向相反方向延伸到基底301之上，从而使压电层在斜端面上形成阶梯型边缘。
第一电极303、压电层304、第二电极305的主体部分、空腔(声学镜)302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。图中d1、d3所示区域具有第二声阻抗。由于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。同时由于第二檐310和第二梁314进一步限制了声波在边界处的传播，从而将更多声能耦合反射到有效激励区域中。可以选择双檐结构的宽度d1和双梁结构的尺寸d3，以调整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Rp。
图4B所示的体声波谐振器结构与图4A所示的实施例结构类似，均为沿着图4俯视图3B-3B所取的截面图。不同之处在于在图4B中，第二檐310采用复合结构，即包括了金属层315和钝化材料层316，第二梁也采用复合结构，即包括了金属层317和钝化材料层318。
基于以上，本发明提出了一种体声波谐振器，包括：
基底101(201；301)；
声学镜102(202；302)；
底电极103(203；303)，设置在基底上方；
顶电极105(205；305)；和
压电层104(204；304)，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；且
所述有效区域的边缘的至少一部分设置有抑制结构，所述抑制结构具有至少两层在厚度方向上间隔开的空隙107,108(207,208；307,308)或者311,312。
例如参见附图1-图2B，所述抑制结构包括至少两个檐结构109,110(209,210；309,310)，所述至少两个檐结构在所述厚度方向上间隔开。
例如参见图3-3A，所述抑制结构包括至少两个梁结构113，114(213,214；313,314)，所述至少两个梁结构在厚度方向上间隔开。
例如参见图4-4B，谐振器同时设置有梁结构与檐结构。
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。
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谐振器。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 (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；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；
所述有效区域的边缘的至少一部分设置有抑制结构，所述抑制结构具有至少两层在厚度方向上间隔开的空隙。
2.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
所述抑制结构包括至少两个檐结构，所述至少两个檐结构在所述厚度方向上间隔开。
3.根据权利要求2所述的谐振器，其中：
所述至少两个檐结构包括由顶电极形成的第一檐结构以及由谐振器的钝化层形成的第二檐结构；
第一檐结构的上下两侧形成两个空隙。
4.根据权利要求3所述的谐振器，其中：
第一檐结构与第二檐结构的末端在厚度方向上错开。
5.根据权利要求3所述的谐振器，其中：
第一檐结构与第二檐结构的末端在厚度方向上齐平。
6.根据权利要求3所述的谐振器，其中：
所述顶电极与所述钝化层一体形成第一檐结构，所述第一檐结构的上方形成第二檐结构；
第一檐结构的上下两侧形成两个空隙。
7.根据权利要求6所述的谐振器，其中：
所述第二檐结构由谐振器的钝化层构成。
8.根据权利要求6所述的谐振器，其中：
所述第二檐结构为包括了金属层与钝化层的复合结构。
9.根据权利要求2-8中任一项所述的谐振器，其中：
所述至少两个檐结构在谐振器的厚度方向上位于所述声学镜的位置内侧。
10.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
所述抑制结构包括至少两个梁结构，所述至少两个梁结构在厚度方向上间隔开。
11.根据权利要求10所述的谐振器，其中：
所述至少两个梁结构包括由顶电极形成的第一梁结构以及由谐振器的钝化层形成的第二梁结构；
第一梁结构的上下两侧形成两个空隙。
12.根据权利要求10所述的谐振器，其中：
所述至少两个梁结构包括由顶电极与钝化层一体形成的第一梁结构以及形成在第一梁结构上方的第二梁结构；
第一梁结构的上下两侧形成两个空隙。
13.根据权利要求12所述的谐振器，其中：
所述第二梁结构由钝化层构成。
14.根据权利要求12所述的谐振器，其中：
所述第二梁结构为包括了金属层与钝化材料层的复合结构。
15.根据权利要求1-9中任一项所述的谐振器，其中：
所述谐振器还包括根据权利要求10-14中任一项所述的所述至少两个梁结构。
16.根据权利要求15所述的谐振器，其中：
所述至少两个檐结构对应的空隙与所述至少两个梁结构对应的空隙共同围绕所述谐振器的整个有效区域设置。
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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