CN111371425B - 顶电极连接部设有延伸结构的谐振器、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；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；所述谐振器在顶电极的电极连接部的位置设置有延伸结构，所述延伸结构包括在沿谐振器的厚度方向的投影上处于所述有效区域的边缘与所述底电极的边缘之间的主延伸部。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
由于体声波谐振器具有高工作频率、高品质因数、小体积、低成本的优点，相应的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，这类小型化、高性能的体声波滤波器被广泛应用在无线通讯系统的射频前端中，是射频信号进出通讯系统的重要门户。
体声波谐振器一般分为两种类型，分别是薄膜体声波谐振器和固态装配性谐振器。这两种结构具有相同的谐振层结构，而具有不同的声学反射结构。其中，谐振层结构是由上下两个金属电极夹着一层压电材料层组成，是决定谐振器谐振特性的关键结构。理想情况下，谐振层工作在沿厚度方向扩张的主振动模式，但由于体声波谐振器存在横向边界，因此，会在谐振器内产生横向传播的寄生模式，称为兰姆波。这种横向模式的声波会在谐振器两侧泄露进基底中，在谐振器的电学性能上表现为并联阻抗(Rp)或并联谐振频率的品质因数(Qp)减小。
为克服因横向模式泄露导致的Rp值降低，可在上电极或下电极的有效区域边缘增加环形凸起结构，此环形凸起结构可导致有效区域边缘的阻抗不匹配，进而会使得声波在边界处被反射回有效激励区域中，从而有机会转换成主振动模式，从而提高并联阻抗Rp。
但是，这种环形凸起结构一般在谐振器非上电极连接边的边缘处会更有效，而在上电极连接边的边缘处，凸起结构引入的阻抗失配情况并不相同。
发明内容
为得到并联阻抗Rp性能更好的谐振器，有必要进一步优化谐振器上电极连接边处的阻抗失配度，以最终达到更好的滤波器性能。
为进一步提高谐振器的并联阻抗值，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；所述谐振器在顶电极的电极连接部的位置设置有延伸结构，所述延伸结构包括在沿谐振器的厚度方向的投影上处于所述有效区域的边缘与所述底电极的边缘之间的主延伸部。
可选的，所述主延伸部自所述有效区域边缘延伸。
可选的，所述主延伸部远离所述有效区域的一端在谐振器的厚度方向上与所述底电极的端部平齐。
进一步的，所述主延伸部的延伸距离不小于1微米。
可选的，所述延伸结构还包括与主延伸部同层布置的辅助延伸部，所述辅助延伸部与主延伸部的另一端连接且在谐振器的厚度方向的投影上延伸到底电极之外。
可选的，所述辅助延伸部的延伸长度不小于2微米。
可选的，所述谐振器还包括设置于顶电极上方的钝化层；所述延伸结构设置于钝化层之上。
进一步可选的，所述谐振器还包括设置于顶电极上方的钝化层；所述延伸结构设置于钝化层与顶电极之间。
可选的，所述延伸结构设置于顶电极与压电层之间。
可选的，所述主延伸部的一端自所述有效区域边缘延伸；所述谐振器还包括自有效区域的边缘朝向有效区域延伸的凸起结构。
可选的，所述凸起结构与主延伸部同层，且与主延伸部的所述一端连接。
可选的，所述凸起结构与主延伸部非同层布置。
可选的，所述凸起结构的材料所具有的声阻抗不大于所述延伸结构的材料所具有的声阻抗。
可选的,所述主延伸部的厚度不小于所述凸起结构的厚度。
可选的，所述谐振器还包括环状凸起，所述环状凸起在有效区域内侧呈环形设置，且所述凸起结构为所述环状凸起的组成部分。
可选的，所述延伸结构还包括第二辅助延伸部，所述第二辅助延伸部与所述主延伸部的一端连接且延伸到有效区域内。
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为不设置延伸结构的体声波谐振器的并联阻抗曲线图；
图3为根据本发明的一个示例性实施例的设置延伸结构的体声波谐振器的并联阻抗曲线；
图4为仅仅在有效区域内侧设置延伸结构的体声波谐振器的并联阻抗曲线图；
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俯视图；
图5A为根据本发明的一个示例性实施例的沿图5中的2B-2B向截得的截面图；
图5B为根据本发明的一个示例性实施例的沿图5中的2B-2B向截得的截面图；
图5C为根据本发明的一个示例性实施例的沿图5中的2B-2B向截得的截面图；
图5D为根据本发明的一个示例性实施例的沿图5中的2B-2B向截得的截面图；
图6为图5A中的体声波谐振器对应的并联阻抗曲线图；
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俯视图；
图7A为根据本发明的一个示例性实施例的沿图7中的3B-3B向截得的截面图；
图7B为根据本发明的一个示例性实施例的沿图7中的3B-3B向截得的截面图；
图7C为根据本发明的一个示例性实施例的沿图7中的3B-3B向截得的截面图；
图7D为根据本发明的一个示例性实施例的沿图7中的3B-3B向截得的截面图；
图8为图7A中的体声波谐振器对应的并联阻抗曲线图；
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俯视图；
图10为沿图9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为一个示例性实施例的体声波谐振结构的俯视图。如图1所示，体声波谐振器包括底电极120，压电层130，顶电极140，延伸结构160。
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着图1俯视图1B-1B所取的截面图。如图1A所示，体声波谐振器包括基底100和声学镜110，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120，压电层130、顶电极140、钝化层150和延伸结构160。底电极120设置在声学镜110上方，并覆盖声学镜。
可将底电极120边缘刻蚀成斜面，并且该斜面位于声反射镜的外边，此外，底电极120的边缘可以为阶梯状、垂直状或是其它相似的结构。
如图1A所示，在一个可选的实施例中，延伸结构160以连接边一侧的有效区域为起点并可选择性延伸至120斜边的底端。需要指出的是，只要延伸结构160包括了在沿谐振器的厚度方向的投影上处于有效区域(图1A中d所示区域)的边缘与所述底电极的边缘之间(即处于d2的区域内)的主延伸部即可，该主延伸部并不要求起始自有效区域的边缘，或者终止于底电极的边缘对应的位置。
图1A中d所示区域为谐振器的有效区域，具有第一声阻抗，d2所示区域含延伸结构160、钝化层150、顶电极140、压电层130、底电极120以及高阻硅基底100，具有第二声阻抗。由于d区域的声阻抗小于d2区域的声阻抗，会使得声波在边界处反射。因此在边界处，一部分声能就会反射到有效区域中，能够再次转换成与压电层表面垂直的活塞声波模式，可有效提高并联阻抗Rp。可以选择延伸结构OB’的尺寸d2，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。在可选的实施例中，考虑到光刻对准精度，d2大于1um。
图2显示了无延伸结构的体声波谐振器的并联阻抗曲线图，如图2所示，其并联阻抗RP仅为700Ω。
图3为根据本发明的一个示例性实施例的设置延伸结构的体声波谐振器的并联阻抗曲线。如图3所示，增加延伸结构后该谐振器的并联阻抗RP可达750Ω。可见，延伸结构160的增加，相较于图2，使谐振器的并联阻抗Rp增加了50Ω(提升大约7％)。
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，均是沿着图1俯视图1B-1B所取的截面图。不同之处在于图1B中的延伸结构160位于顶电极140与钝化层150之间。
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，均是沿着图1俯视图1B-1B所取的截面图。不同之处在于在图1C中，延伸结构160位于压电层130与顶电极140之间。
考虑到工艺兼容性及对并联阻抗Rp提高的程度，延伸结构160也可向内延伸到有效区域以内，但不能仅加工在有效区域内侧。图4为仅仅在有效区域内侧设置延伸结构的体声波谐振器的并联阻抗曲线图。如图4所示，并联阻抗Rp仅为716Ω，这说明单独在有效区域内侧设置延伸结构并没有起到很好的提升并联阻抗的作用。
图5为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振结构的俯视图。如图5所示，体声波谐振器包括底电极220、压电层230、顶电极240、凸起结构261、延伸结构260。
图5A所示的实施例为体声波谐振器沿着图5俯视图2B-2B所取的截面图。体声波谐振器包括基底200和声学镜210，此声学镜位于基底的上表面或嵌于基底的内部，在图5A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。
如图5A所示，体声波谐振器还包括底电极220，压电层230、顶电极240、钝化层250、凸起结构261和延伸结构260。底电极220设置在声学镜210上方，并覆盖声学镜。可将底电极220边缘刻蚀成斜面，并且该斜面位于声反射镜的外边，此外底电极的边缘还可以为阶梯状、垂直状或是其它相似的结构。
在一个可选的实施例中，延伸结构260的高度大于或等于凸起结构261的高度。
在一个可选的实施例中，延伸结构260材料所具有的声阻抗大于或等于凸起结构261材料所具有的声阻抗，此外，延伸结构‘260可选择性延伸至底电极220斜边的底端。
图5A中d所示区域为谐振器的有效区域，d1所示区域为谐振器的一部分有效区域，含凸起结构261、钝化层250、顶电极240、压电层230、底电极220及空腔210，具有第一声阻抗。图5A中d2所示区域含延伸结构260、钝化层250、顶电极240、压电层230、底电极220以及高阻硅基底200，具有第二声阻抗。由于d1区域的声阻抗小于d2区域的声阻抗，会使得声波在边界处反射。因此在边界处，一部分声能就会反射到有效区域中，能够再次转换成与压电层表面垂直的活塞声波模式，可有效提高Rp。可以选择凸起结构261的尺寸d1和延伸结构260的尺寸d2，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。考虑到光刻对准精度，在一个实施例中，d2大于1um。
图6为图5A中的体声波谐振器对应的并联阻抗曲线图。如图6所示，相应的并联阻抗RP可提高至910Ω(提升大约30％)。
图5B所示的体声波谐振器结构与图5A所示的实施例结构类似，均为沿着图5俯视图2B-2B所取的截面图。不同之处在于在图5B中，凸起结构261以及延伸结构260位于顶电极240与钝化层250之间。
图5C所示的体声波谐振器结构与图5A所示的实施例结构类似，均为沿着图5俯视图2B-2B所取的截面图。不同之处在于在图5C中，凸起结构261及延伸结构260位于压电层230与顶电极240之间。
图5D所示的体声波谐振器结构与图5A所示的实施例结构类似，均为沿着图5俯视图2B-2B所取的截面图。不同之处在于在图5D中，凸起结构261位于钝化层250之上，而延伸结构260位于钝化层250之下。凸起结构261与延伸结构‘260的其他任意组合方式均含在本发明的保护范围之内，只需满足d2所示区域的阻抗高于d1所示区域的阻抗即可。
考虑到光刻对准精度及刻蚀精度的影响，实际工艺中难以保证d2在尺寸上的稳定性。为稳定提高并联阻抗Rp，有必要将延伸结构260继续延伸至底电极220图形边缘外侧。
图7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320，压电层330，顶电极340，凸起结构361，延伸结构360。
图7A为体声波谐振器沿着图7A的俯视图的3B-3B所取的截面图。体声波谐振器包括基底和声学镜310，此声学镜位于基底的上表面或嵌于基底的内部，在图7A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320、压电层330、顶电极340、钝化层350、凸起结构361和延伸结构360。底电极320设置在声学镜上方，并覆盖声学镜。可将底电极320边缘刻蚀成斜面，并且该斜面位于声反射镜的外边，此外底电极320的边缘还可以为阶梯状、垂直状或是其它相似的结构。延伸结构360的高度应大于或等于凸起结构361的高度。延伸结构360的材料所具有的声阻抗应大于或等于凸起结构361的材料所具有的声阻抗，且延伸结构360延伸至底电极320的图形外侧。
图7A中d所示区域为谐振器的有效区域，图7A中d1所示区域为谐振器的一部分有效区域，含凸起结构361、钝化层350、顶电极340、压电层330、底电极320及空腔，具有第一声阻抗，图中d2所示区域含延伸结构360、钝化层350、顶电极340、压电层330、底电极320以及高阻硅基底，具有第二声阻抗，图中d3所示区域含延伸结构360、钝化层350、顶电极340、压电层330以及高阻硅基底300。由于d1区域的声阻抗小于d2区域的声阻抗，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，可有效提高Rp。可以选择延伸结构360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。考虑到光刻线宽精度，在一个实施例中，d3距离大于2um。
图8为图7A中的体声波谐振器对应的并联阻抗曲线图。如图8所示，图7A中的体声波谐振器的并联阻抗Rp可提高至930Ω(提升大约33％)。
图7B所示的体声波谐振器结构与图7A所示的实施例结构类似，均为沿着图7俯视图3B-3B所取的截面图。不同之处在于在图7B中，凸起结构361及延伸结构360位于顶电极340与钝化层350之间。
图7C所示的体声波谐振器结构与图7A所示的实施例结构类似，均为沿着图7俯视图3B-3B所取的截面图。不同之处在于在图7C中，凸起结构361及延伸结构360位于压电层330之上。
图7D所示的体声波谐振器结构与图7A所示的实施例结构类似，均为沿着图7俯视图3B-3B所取的截面图。不同之处在于在图7D中，凸起结构361位于钝化层350之上，而延伸结构360位于钝化层350之下。凸起结构361与延伸结构360的其他任意组合方式均含在本发明的保护范围之内，只需满足d2所示区域的阻抗高于d1所示区域的阻抗即可。
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俯视图；图10为沿图9中的3B-3B向截得的截面图。如图9-10所示，所述谐振器包括：基底400，声学镜410，底电极420，压电层430，顶电极440，钝化层450，延伸结构460(具有区域d2内的主延伸部以及区域d3内的辅助延伸部)。所述谐振器还包括环状凸起461，所述环状凸起461在有效区域内侧呈环形设置，且所述凸起结构(图10中的d1区域)为所述环状凸起的组成部分。
基于以上，本发明提出了一种体声波谐振器，包括：
基底，例如100；
声学镜，例如110；
底电极，例如120，设置在基底上方；
顶电极，例如140；和
压电层，例如130，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d；
所述谐振器在顶电极的电极连接部的位置设置有延伸结构例如160(参见图1A、1B和1C)，所述延伸结构包括在沿谐振器的厚度方向的投影上处于所述有效区域的边缘与所述底电极的边缘之间的主延伸部。
如图1A-1C，5A-5D，7A-7D所示，在可选的实施例中，主延伸部在d2的范围内。
如图7A、7D所示，主延伸部的另一端(图中的右侧)还连接有辅助延伸部(在d3的区域内)。
如图5A-5D、7A-7D所示，主延伸部的一端(图中的左侧)还可以有凸起结构。此外，如图5D和7D所示，凸起结构可以不与主延伸结构在同一层或者处于彼此连接的状态。
如图1A-1C，5A-5D，7A-7D所示，延伸结构可以处于不同的层间位置或者处于不同的层。
在本发明中，在谐振器顶电极与底电极连接一侧的有效区域外侧，设置延伸结构。该延伸结构能够有效提高顶电极连接边处有效谐振区域与外侧区域的阻抗失配度，增强横向寄生模式的反射，从而减小横向寄生模式对谐振器性能的影响，有效提高其并联阻抗Rp的值。
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；
所述谐振器在顶电极的电极连接部的位置设置有延伸结构，所述延伸结构包括在沿谐振器的厚度方向的投影上处于所述有效区域的边缘与所述底电极的边缘之间的主延伸部，所述延伸结构并非钝化层的一部分，也非顶电极的电极连接部的一部分，所述钝化层适于设置在顶电极上方，且所述主延伸部与下方相邻的层结构之间不存在空隙。
2.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
所述主延伸部自所述有效区域边缘延伸。
3.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
所述主延伸部远离所述有效区域的一端在谐振器的厚度方向上与所述底电极的端部平齐。
4.根据权利要求3所述的谐振器，其中：
所述主延伸部的延伸距离不小于1微米。
5.根据权利要求3所述的谐振器，其中：
所述延伸结构还包括与主延伸部同层布置的辅助延伸部，所述辅助延伸部与主延伸部的另一端连接且在谐振器的厚度方向的投影上延伸到底电极之外。
6.根据权利要求5所述的谐振器，其中：
所述辅助延伸部的延伸长度不小于2微米。
7.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
所述谐振器还包括设置于顶电极上方的钝化层；
所述延伸结构设置于钝化层之上。
8.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
所述谐振器还包括设置于顶电极上方的钝化层；
所述延伸结构设置于钝化层与顶电极之间。
9.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
所述延伸结构设置于顶电极与压电层之间。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的谐振器，其中：
所述主延伸部的一端自所述有效区域边缘延伸；
所述谐振器还包括自有效区域的边缘朝向有效区域延伸的凸起结构。
11.根据权利要求10所述的谐振器，其中：
所述凸起结构与主延伸部同层，且与主延伸部的所述一端连接。
12.根据权利要求10所述的谐振器，其中：
所述凸起结构与主延伸部非同层布置。
13.根据权利要求10所述的谐振器，其中：
所述凸起结构的材料所具有的声阻抗不大于所述延伸结构的材料所具有的声阻抗。
14.根据权利要求10所述的谐振器，其中：
所述主延伸部的厚度不小于所述凸起结构的厚度。
15.根据权利要求10所述的谐振器，其中：
所述谐振器还包括环状凸起，所述环状凸起在有效区域内侧呈环形设置，且所述凸起结构为所述环状凸起的组成部分。
16.根据权利要求1-9中任一项所述的谐振器，其中：
所述延伸结构还包括第二辅助延伸部，所述第二辅助延伸部与所述主延伸部的一端连接且延伸到有效区域内。
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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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| PP01 | Preservation of patent right | ||
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Effective date of registration: 20240130 Granted publication date: 20240126 |