CN111971897A - 具有改进的品质因数的tf-saw谐振器、rf滤波器和制造tf-saw谐振器的方法 - Google Patents
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Abstract
一种具有改进的品质因数的TF‑SAW谐振器被提供。该谐振器具有薄膜形式的其压电材料和布置在压电层上的电极结构。节距(P)和金属化率(η)被选取以使品质因数(Q)最大化。
Description
技术领域
本发明涉及在包括压电材料的薄层上具有IDT结构的电声谐振器(TF-SAW谐振器)，这些电声谐振器可以被使用在RF滤波器中以用于移动通信设备。此外，本发明涉及RF滤波器以及制造这样的谐振器和滤波器的方法。
背景技术
在移动通信设备中，电声谐振器可以被用于建立RF滤波器。电声谐振器具有压电材料和电极结构，该电极结构包括布置在压电材料上的叉指状电极指。由于压电效应，这样的谐振器可以在RF信号与声波之间进行转换。特别地，TF-SAW谐振器的特征在于具有以薄膜形式提供的压电材料，该薄膜是利用晶片键合及薄膜处理技术或者薄膜层沉积技术(诸如溅射、物理气相沉积、化学气相沉积、分子束外延等)而创建的。
两个或更多这样的谐振器可以被组合以建立带通滤波器或带阻滤波器。RF滤波器应当满足例如关于插入损耗、带宽、通带裙边陡度等的规范的选集。个体谐振器的一个重要的特性数是其品质因数(Q因数)。品质因数对于对应的RF滤波器的性能有影响。因此，想要的是具有改进的品质因数的电声谐振器。
与利用表面声波来工作的常规电声谐振器相比，TF-SAW谐振器是一种相对新型的谐振器，并且归因于不同类型的构造(相比于在单晶压电体衬底上具有IDT结构的常规SAW谐振器)，所以用于优化常规SAW谐振器的品质因数的手段可能不一定对TF-SAW谐振器起作用。
发明内容
根据独立权利要求的具有改进的品质因数的TF-SAW谐振器、包括这样的谐振器的RF滤波器、以及制造TF-SAW谐振器的方法被提供。从属权利要求提供了优选实施例。
具有改进的品质因数的TF-SAW谐振器包括载体衬底和在载体衬底上或上方的压电层。压电层具有厚度T。此外，谐振器包括电极结构，电极结构包括在压电层上的IDT结构。IDT结构(IDT＝叉指式换能器)具有节距P和金属化率η。压电层是薄膜并且包括压电材料。节距P和金属化率η被选取以使品质因数Q最大化。
有可能的是，节距P和金属化率η取决于压电层的厚度T。
在这样的谐振器中，载体衬底充当用于在载体衬底上或上方布置的结构、层和组件的载体。压电层包括采用压电效应以在RF信号与声波之间进行转换所需要的压电材料。压电层是薄膜。也就是说，压电层利用晶片键合与薄膜处理或者薄膜层沉积技术来提供。电极结构包括IDT结构。IDT结构具有电连接到至少两个母线之一的电极指。经由电极指，RF信号被提供在压电层的表面处。
优选的是，压电材料使其物质以这样的方式被提供、布置和定向：压电轴被获得。优选的是，压电轴相对于声波的传播方向被定向，例如，根据所选择的欧拉角被定向。
节距是IDT的特性值并且至少局部地定义为相邻电极指的两个边缘之间的距离，这些边缘指向相同方向。
每个电极指具有均匀的或特定的指宽度W。指间隔被定义为两个相邻电极指之间的距离。因此，节距被定义为关于两个相邻电极指的指宽度和指间隔之和。
对应地，金属化率η被定义为指宽度W除以节距P：η＝W/P。
已经发现，在TF-SAW谐振器中，这样的谐振器的品质因数具有对节距的特定依赖性、对金属化率的特定依赖性、以及对压电材料的厚度的特定依赖性。特别地，厚度依赖性基本上将TF-SAW谐振器的品质因数与具有布置在压电体材料上的电极结构的常规SAW谐振器的品质因数区分开。因此，压电层的薄膜特性变得重要，并且在确定谐振器的特性性质时起主要作用。
有可能的是，压电材料包括铌酸锂(LiNbO3)或钽酸锂(LiTaO3)。也有可能的是，压电材料由铌酸锂或钽酸锂组成。
还有可能的是，TF-SAW谐振器还包括在载体衬底与压电层之间的中间层。中间层中的声速小于压电层中的声速。
这样的其声速小于压电层中的声速的中间层有助于在矢状平面中建立声波导并且将声能限制到谐振器的表面。
有可能的是，中间层包括硅氧化物，例如二氧化硅。
此外，TF-SAW谐振器可以在载体衬底与压电层之间包括TCF层(TCF＝频率的温度系数)。这样的TCF层有助于减小特征频率(例如，谐振器的谐振频率或反谐振频率)的温度依赖性。为了该目的，TCF层可以具有刚度参数对温度的依赖性，这与压电材料相反。
有可能的是，TF-SAW谐振器还包括电荷减少层。这样的层也可以被认为是陷阱富集层，因为其被提供为包含陷阱以捕获电荷。
电荷减少层(例如，称为陷阱富集层)可以用于通过捕获自由电荷载流子来减少寄生表面传导。多晶Si可以用作用于电荷减少层的材料。
有可能的是，方法还包括：单独地针对每个谐振器局部地修整压电层的厚度T。
有可能的是，节距P和金属化率η对压电层的厚度T的依赖性被谐振器的外部电环境所修改/扰乱。
有可能的是，电声换能器包括钝化层、修整层、温度补偿层、矢状波导层和/或电荷减少层。
矢状波导层与压电层相比具有减小的声速，并且优选地布置在压电层下方。
电荷减少层(例如，称为陷阱富集层)可以用于通过捕获自由电荷载流子来减少寄生表面传导。多晶Si可以用作用于电荷减少层的材料。
修整层可以包括至少局部地布置在电极结构上或上方的材料，并且可以用于将质量加载修整到优选操作频率。
修整层可以包括介电材料，诸如氮化硅。
温度补偿层可以被布置在压电材料上方或压电材料上，或者优选地被布置在压电材料下方。
修整层优选地被布置在压电层上或上方。
钝化层优选地被布置在压电层上或上方，并且可以包括Si3N4或SiO2。
钝化层的材料也可以建立修整层的材料。
电荷减少层优选地被布置在载体与矢状波导层之间。
温度补偿层可以包括硅氧化物，诸如二氧化硅，并且可以用于抵消温度引发的频率漂移，以在宽温度范围内维持稳定的操作频率。
已经发现，通过使用常规手段用于确定谐振器的品质因数，结果可能失真，这归因于例如由连接的电性质(例如，源自声轨外部的连接焊盘的电磁损耗)所引起的个体谐振器的外部电路环境。这样的损耗可能基本上主导所测量的品质因数，而使换能器本身的真实品质因数模糊不清。因此，这样的伪像必须通过聚焦于换能器本身的声学和电性质的测量技术来补偿。
有可能通过去嵌入源自声轨外部的焊盘的电磁损耗，来确定针对特定厚度T的最佳节距P和金属化率η，而没有来自谐振器的外部电路环境的伪像。去嵌入可以借助于开路结构和短路结构来执行。
因为归因于TF-SAW谐振器中的PSC(寄生表面传导)层，电环境的电磁损耗可能增大，所以去嵌入在不具有补偿PSC效应的陷阱富集层的TF-SAW谐振器中尤其有意义。
RF滤波器可以包括两个或更多这样的TF-SAW谐振器。在对应的RF滤波器中，节距P和金属化率η针对每个谐振器单独地被选取。
那么，对应的RF滤波器基于具有改进的品质因数的谐振器，并且可以向其电环境提供改进的滤波器特性。
有可能通过去嵌入源自声轨外部的焊盘的电磁损耗，取决于厚度T来确定节距P和金属化率η，而没有来自谐振器的外部电路环境的伪像。去嵌入可以借助于开路结构和短路结构来执行。
一种制造TF-SAW谐振器的方法可以包括步骤：
-提供载体衬底，
-利用晶片键合与薄膜处理或薄膜层沉积技术，在载体衬底上或上方提供包括压电材料的压电层，
-在压电层上构造包括IDT结构的电极结构，该IDT结构具有被选取以使品质因数Q最大化的节距P和金属化率η。
该方法提供了上文描述的改进的TF-SAW谐振器。
此外，有可能的是，该方法被执行以使得节距P和金属化率η考虑压电层的厚度T而被选取，但是与谐振器的外部电路环境无关。
这可以通过对谐振器结构进行去嵌入(例如，经由使用开路结构或短路结构)来实现。
附图说明
TF-SAW谐振器、RF滤波器和方法的主要方面、以及优选实施例的细节被示出在所附的示意图中。
在附图中：
图1示出了TF-SAW谐振器的透视视图；
图2图示了节距P和金属化率η的定义；
图3在横截面中图示了可能的层构造；
图4图示了具有压电层的较小厚度的可能的层构造；
图5示出了具有中间层的层构造；
图6图示了具有压电层的较小厚度和中间层的层构造；
图7图示了针对厚压电层的在具有和不具有去嵌入的情况下确定的针对不同节距的品质因数；
图8图示了针对薄压电层的在具有和不具有去嵌入的情况下确定的针对不同节距的品质因数；
图9图示了针对两个压电层厚度的所获得的最大品质因数的概览；
图10示出了针对厚压电层的在具有和不具有去嵌入的情况下确定的针对不同金属化率的品质因数；以及
图11示出了针对薄压电层的在具有和不具有去嵌入的情况下确定的针对不同金属化率的品质因数。
具体实施方式
图1在透视视图中图示了薄膜SAW谐振器TFSAWR的可能构造。谐振器的元件被布置在载体衬底CS上。特别地，包括压电材料或由压电材料组成的压电层PL被布置并且沉积在载体衬底CS上。在压电层PL上，叉指式结构IDT被布置和构造。叉指式结构包括电连接到两个母线BB之一的电极指EF。因此，叉指式换能器使其电极指以梳状图案被布置，以经由电声效应在RF信号与声波之间进行转换。
在纵向方向上，叉指式换能器IDT的侧面有反射器RF，反射器RF包括用于将声能纵向地限制到声轨的反射指。
图2图示了可能的IDT几何形状。节距P被定义为指向相同方向的相邻电极指的两个边缘之间的距离。因此，节距P被定义为电极指的宽度W以及电极指与相邻电极指之间的距离之和。金属化率η被定义为W/P。
图3图示了穿过层构造的矢状平面中的横截面。具有其压电材料的压电层PL被布置在载体衬底CS上。在压电层PL的顶侧上，电极指EF被布置。T表示压电层在竖直方向上的厚度。
与图3的层构造形成对比，图4图示了压电层PL的厚度T较小的层构造。
图5和图6示出了针对较厚的压电层PL(图5)和较薄的压电层PL(图6)的对应层构造，每个层构造在压电层PL与载体衬底之间具有中间层IL。
中间层可以包括相比于压电层具有较小声速的材料或由该材料组成。因此，将声能限制到压电层的波导被获得。
此外，有可能的是，中间层IL或附加层包括TCF层的材料，以用于减小或消除作为温度变化的结果的特征频率的频率漂移。
图7图示了针对具有压电层的特定厚度的层构造的多个测量的品质因数。与较高品质因数相对应的曲线是利用去嵌入方法来测量的，去嵌入方法用于忽略由声轨外部的谐振器的电环境所引起的测量伪像。然而，具有较低Q值的品质因数是利用不具有电环境的去嵌入的用于确定品质因数的常规手段来获得的。
可以清楚地看到，真实品质因数与通过常规测量手段获得的品质因数不同。此外，可以看出，与通过常规测量手段将获得的最大品质因数相比，针对真实值的最佳品质因数Qopt的频率范围被移位。
多个品质因数对应于不同节距，因此图示了节距变化对最大品质因数的影响。
可以清楚地看到，常规测量手段将会建议如下的节距，该节距在大约2000MHz或略低于2000MHz处具有其最高品质因数，而真实的最佳品质因数针对不同节距在大约2200MHz处被获得。
因此，图7清楚地示出了所提供的用于建立谐振器的方法向谐振器提供了改进的品质因数。
相同的论点对于如图8中示出的具有较薄压电层的层构造同样适用。与图7相似，图8将会建议当节距针对大约2000MHz变化时的最佳Q因数，而实际的最佳Q值在高于2500MHz的频率处被获得。
上述考虑的结果被示出在图9中。用于最佳品质因数的两个依赖于频率的品质因数被示出。对于具有较厚压电层的层构造，最佳品质因数在较低频率处被获得。对于基于较薄压电层的层构造，频率范围被移位至较高频率。然而，如果仅是用于确定品质因数的常规手段将被应用，则用于最佳品质因数的频率范围将几乎与压电层厚度无关，因为来自声轨外部的环境的电磁伪像主导了品质因数，并且声轨本身的真实品质因数被模糊化。特别是对于具有压电层的较小厚度的层构造，用于最佳品质因数的频率将在区间之外并且将不被考虑。
图10示出了针对厚压电层的多个测量的品质因数。具有较高品质因数的曲线对应于利用去嵌入的结果，而具有较低品质因数的曲线对应于没有去嵌入的结果。多个品质因数测量对应于不同的金属化率η。
类似地，图11示出了与图10相对应的所测量的品质因数，而图11中示出的结果基于具有较薄压电层的层构造。
在这两种情况下，可以看出，品质因数可以通过优化金属化率来最大化。
因此，图7至图9示出了真实品质因数具有强的节距依赖性。图10和图11示出了品质因数具有η依赖性。图7至图11示出了用于确定品质因数的常规方法未提供实际的品质因数，并且仅当借助于去嵌入来用于确定品质因数的优选措施被执行时，则真实的品质因数可以被确定，并且对应地改进的谐振器和RF滤波器可以被获得。
谐振器、滤波器和方法不限于上文示出和解释的技术细节。谐振器可以包括另外的结构。另外的手段也是可能的，例如用于建立横向声波导的另外的手段中的切趾、倾斜或构造，例如FINEA(指端加厚)活塞模式。
参考符号列表
BB： 母线
CS： 载体衬底
EF： 电极指
IDT： 叉指式换能器结构
IL： 中间层
Qopt： 最佳品质因数
PL： 压电层
P： 节距
REF： 反射器
T： 压电层的厚度
TFSAWR： 薄膜SAW谐振器
W： 电极指的宽度
Claims (11)
1.一种具有改进的品质因数的TF-SAW谐振器，包括：
-载体衬底，
-压电层，在所述载体衬底上或上方，所述压电层具有厚度T，
-电极结构，包括IDT结构，所述电极结构在所述压电层上，所述IDT结构具有节距P和金属化率η，
其中：
-所述压电层是包括压电材料的薄膜，
-所述节距P和所述金属化率η被选取以使所述品质因数Q最大化。
2.根据前一权利要求所述的TF-SAW谐振器，其中P和η取决于所述压电层的所述厚度T。
3.根据前述权利要求之一所述的TF-SAW谐振器，其中所述压电材料包括LiNbO3或LiTaO3。
4.根据前述权利要求之一所述的TF-SAW谐振器，还包括在所述载体衬底与所述压电层之间的中间层，
其中所述中间层中的声速小于所述压电层中的声速。
5.根据前述权利要求之一所述的TF-SAW谐振器，还包括在所述载体衬底与所述压电层之间的TCF层。
6.根据前述权利要求之一所述的TF-SAW谐振器，还包括电荷减少层。
7.根据前述权利要求之一所述的TF-SAW谐振器，其中P和η取决于T，但是与所述谐振器的外部电环境无关。
8.一种RF滤波器，包括两个或更多根据前述权利要求之一所述的TF-SAW谐振器，其中P和η针对每个谐振器单独地被选取。
9.一种制造TF-SAW谐振器的方法，包括步骤：
-提供载体衬底，
-利用晶片键合与薄膜处理或者薄膜层沉积技术，在所述载体衬底上或上方沉积包括压电材料的压电层，
-在所述压电层上构造包括IDT结构的电极结构，所述IDT结构具有被选取以使品质因数Q最大化的节距P和金属化率η。
10.根据前一权利要求所述的方法，其中P和η考虑所述压电层的厚度T而被选取，但是与所述谐振器的外部电环境无关。
11.根据两项前述权利要求之一所述的方法，包括：局部修整所述压电层的厚度T。
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