CN112468109A - 一种适用于高频、宽带声表面波器件的异质层状压电基底 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于高频、宽带声表面波器件的异质层状压电基底，利用水平剪切型漏声表面波，其包括依次排列的叉指换能器、压电薄膜层、至少一层布拉格反射层以及衬底层；布拉格反射层是由低声阻抗层覆盖在高声阻抗层上形成的，压电薄膜层为掺钪氮化铝薄膜，掺钪氮化铝薄膜的欧拉角设置为(0°±5°、θ、ψ)时，θ和ψ分别满足以下条件：50°≤θ≤90°，40°≤ψ≤80°。本发明的异质层状压电基底，能够抑制能量向衬底的泄露，将能量集中在有效压电层内，提高压电转换效率；利用旋转欧拉角优化压电薄膜取向，能够调节声场分布，得到具有优良声表面波性能的漏声表面波，特别适用于高频、宽带声表面波器件，极具应用前景。
Description
技术领域
本发明属于声表面波技术领域，涉及一种适用于高频、宽带声表面波器件的异质层状压电基底。
背景技术
声表面波(Surface Acoustics Wave，简称SAW)器件由于其高性能、低损耗、小型化以及低成本等优点，基于SAW谐振器的双工器和滤波器被大量的生产并应用于移动通信系统。随着现代移动无线通信的飞速发展，新兴的长期演进(Long Term Evolution:LTE)标准的频率范围从几百MHz提高到3GHz，频带宽度从10MHz提高到90MHz，使得无线电通信频带成为一个有限而宝贵的自然资源。尤其是，随着5G时代的到来，对SAW器件的高机电耦合系数提出了更高的要求，急需高频、大带宽以及高品质因数(Q)的声表面波滤波器，而声表面波器件的频率和带宽主要取决于其压电基底的声速(V)和机电耦合系数(K2)。
目前，压电单晶材料(例如铌酸锂(LN)和钽酸锂(LT))是商业SAW器件最常用的压电材料，但它们的声速较低，均低于4000m/s，限制了其在高频应用。近年来，氮化铝(AlN)薄膜具有较高的相速度，并且可以通过掺杂钪(Sc)来显著增强其压电性，使其成为SAW/BAW器件领域的研究热点。结果表明，掺钪氮化铝(ScAlN)压电薄膜与高声速衬底(例如金刚石、碳化硅等)结合构成的层状结构不仅可以提供较大的相速度，还可以提供较高的机电耦合系数，这对于高频和宽带应用而言是非常有益的，有望成为的能够满足移动通讯需求的压电基底替代方案。然而，由于此类结构的制备成本高且难以大尺寸制造，因此限制了它们在工业应用中的批量生产。
硅(Si)具有成本效益高且成熟的微加工技术等优点，在硅衬底上溅射ScAlN薄膜制备基于ScAlN薄膜/Si层状结构的SAW器件是一种可批量生产的方案。然而，ScAlN薄膜/Si结构中具有较高机电耦合系数的SAW模式(西沙瓦波)只能在一定ScAlN薄膜厚度下激发，且其机电耦合系数值与使用高声速衬底的情况相比并不高，这是SAW能量向低声速的硅衬底泄露导致的。
因此，如何解决掺钪氮化铝层状结构上声表面波的能量泄露问题，优化器件结构和材料配置以获得具有高V和K2的SAW模式，从而制备出高频、宽带声表面波器件，是该类层状结构声表面波器件实用化迫切需要攻克的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于高频、宽带声表面波器件的异质层状压电基底，为了克服现有技术掺钪氮化铝层状结构上声表面波的能量泄露和西沙瓦波模式机电耦合系数不高的缺陷，在掺钪氮化铝压电薄膜层和衬底层之间交替叠放高、低声阻抗层形成异质层状压电基底结构，并且旋转掺钪氮化铝压电薄膜的欧拉角，不仅能够在保证较高频率的情况下，有效地抑制能量的泄露，而且能够调节声场分布，提高机电耦合系数，得到具有优良特性的SAW模式，特别适用于高频、宽带声表面波器件，极具应用前景。
为实现上述目的，本发明具体提供如下技术方案：
一种适用于高频、宽带声表面波器件的异质层状压电基底，利用水平剪切型漏声表面波(SH-type LSAW)，包括依次排列的叉指换能器(IDT)、压电薄膜层、布拉格反射层以及衬底层；
所述压电薄膜层为掺钪氮化铝薄膜，所述掺钪氮化铝薄膜的欧拉角设置为(0°±5°、θ、ψ)时，θ和ψ分别满足以下条件：
50°≤θ≤90°，40°≤ψ≤80°。
θ和ψ满足以上条件能够保证掺钪氮化铝薄膜具有优良SAW特性的漏声表面波。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种适用于高频、宽带声表面波器件的异质层状压电基底，所述掺钪氮化铝(ScAlN)薄膜中钪的掺杂摩尔百分比为0～40％，这能保证ScAlN薄膜具有较好的c轴取向性与压电性能；
所述掺钪氮化铝(ScAlN)薄膜的厚度范围为0.1λ～λ，λ为声表面波波长，掺钪氮化铝薄膜的厚度优选为0.1λ～0.4λ。
如上所述的一种适用于高频、宽带声表面波器件的异质层状压电基底，所述压电薄膜层与衬底层之间层叠有n层布拉格反射层，n≥1；
所述布拉格反射层是由低声阻抗层覆盖在高声阻抗层上形成的，所述低声阻抗层的声速小于高声阻抗层的声速，同一布拉格反射层中低声阻抗层相比于高声阻抗层更靠近压电薄膜层。本发明设置的布拉格反射层(高低声阻抗层)主要解决能量泄露的技术问题，能够提高机电耦合系数。同时，设有布拉格反射层与无布拉格反射层(n＝0)的情况相比，添加布拉格反射层能够将能量逐渐集中在压电薄膜层表面附近，限制声表面波的能量向衬底泄露，获得更高的品质因数Q，提升SAW特性，降低损耗。由于高声阻抗层与相邻的低声阻抗层的深度方向波导效应导致添加多层与一层布拉格反射层的结果相差不大，所以本发明以至少一层布拉格反射层为实施例。
如上所述的一种适用于高频、宽带声表面波器件的异质层状压电基底，低声阻抗层的材料包括SiO2、SiON、Ta2O5等，高声阻抗层的材料包括AlN、Sapphire、SiN、Mo、Pt等。本发明的保护范围并不仅限于此，此处仅列举部分可行的技术方案而已，本领域技术人员可根据实际需求选择合适的材料。
如上所述的一种适用于高频、宽带声表面波器件的异质层状压电基底，所述低声阻抗层的材料为SiO2膜，根据本发明所利用的SH-type LSAW的传播特性，将SiO2膜的厚度设置在0.1λ～λ(λ为声表面波波长)的范围内，以保证得到的K2高于7％，SiO2膜的厚度过厚或过薄会导致K2下降，其中SiO2膜的优选厚度为0.1λ～0.5λ，在此厚度范围内SAW传播特性更佳。
如上所述的一种适用于高频、宽带声表面波器件的异质层状压电基底，所述高声阻抗层的材料为AlN膜，所述AlN膜的厚度为0.1λ～λ，λ为声表面波波长。因为AlN层对SAW能量传播具有微小的调谐作用，因此AlN膜的厚度本领域技术人员可根据实际需求在一定范围内调整但调整幅度不宜过大。
如上所述的一种适用于高频、宽带声表面波器件的异质层状压电基底，所述衬底层具体为硅(Si)衬底。本发明仅给出一种可行的技术方案而已，本发明的保护范围并不仅限于此，本领域技术人员可根据实际需求选择合适的材料。
本发明的适用于高频、宽带声表面波器件的异质层状压电基底的水平剪切型漏声表面波的机电耦合系数K2为10～14％。
有益效果：
(1)本发明的适用于高频、宽带声表面波器件的异质层状压电基底，采用硅衬底作为衬底层，成本低廉，方便加工，大大降低了生产成本，提高了产品的良率；
(2)本发明的适用于高频、宽带声表面波器件的异质层状压电基底，能够抑制能量向衬底的泄露，将能量集中在有效压电层内，提高压电转换效率；
(3)本发明的适用于高频、宽带声表面波器件的异质层状压电基底，能够利用旋转欧拉角优化压电薄膜取向，能够调节声场分布，得到具有优良声表面波性能的漏声表面波，优选具有高机电耦合系数和高频的水平剪切型漏声表面波非常适用于高频、宽带声表面波器件，极具应用前景。
附图说明
图1为本发明的适用于高频、宽带声表面波器件的异质层状压电基底的3D结构模型示意图；
图2为本发明的异质层状压电基底的横截面图；
图3为欧拉角分别设置为(0°、0°、0°)和(0°、90°、60°)时，在本发明的异质层状压电基底上的SAW谐振器在特征频率下典型输入导纳随频率的变化曲线；
图4为欧拉角设置为(0°、90°、50°)时，在本发明的异质层状压电基底上传播的漏声表面波(LSAW)的机电耦合系数随掺钪氮化铝薄膜厚度变化曲线图；
图5为欧拉角设置为(0°、90°、50°)时，在本发明的异质层状压电基底上传播的水平剪切型漏声表面波(SH-type LSAW)的机电耦合系数K2随二氧化硅薄膜厚度变化曲线图；
图6为欧拉角设置为(0°、90°、50°)时，在本发明的异质层状压电基底上传播的水平剪切型漏声表面波(SH-type LSAW)的机电耦合系数K2随氮化铝薄膜厚度变化曲线图；
图7为欧拉角设置为(0°、90°、ψ)时，在异质层状压电基底上漏声表面波的机电耦合系数K2随ψ变化的变化曲线图；
图8为欧拉角设置为(0°、θ、90°)时，在异质层状压电基底上瑞利型漏声表面波的机电耦合系数K2随θ变化的变化曲线图；
图9为欧拉角设置为(0°、θ、ψ)时，在异质层状压电基底上水平剪切漏声表面波(SH-type LSAW)K2的变化曲线图；
其中，1-叉指换能器，2-压电薄膜层，3-布拉格反射层，31-低声阻抗层，32-高声阻抗层，4-衬底层。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式做进一步阐述。
一种用于高频、宽带声表面波器件的异质层状压电基底，利用水平剪切型漏声表面波，如图1和图2所示，包括依次排列的叉指换能器1、压电薄膜层2、布拉格反射层3以及衬底层4.
叉指换能器1的电极的金属化比为0.5，金属电极厚度设置为0。
压电薄膜层2为掺钪氮化铝薄膜，其中钪的掺杂摩尔百分比为40％，其厚度为0.1λ～λ，掺钪氮化铝薄膜的欧拉角为(0°±5°、θ、ψ)时，θ和ψ分别满足以下条件：50°≤θ≤90°，40°≤ψ≤80°。
布拉格反射层3为一层(当然其层数本领域技术人员可根据实际需求进行调整，此处仅做示例)，其是由低声阻抗层31覆盖在高声阻抗层32上形成的，低声阻抗层为厚度为0.1λ～λ的SiO2膜，高声阻抗层为厚度为0.1λ～λ的AlN膜；
衬底层4具体为硅衬底。
如图3所示，在使欧拉角分别设置为(0°、0°、0°)和(0°、90°、60°)的情况下，在异质层状压电基底上的SAW谐振器在特征频率下典型输入导纳随频率的变化曲线；从图3中可看出，当掺钪氮化铝薄膜欧拉角为(0°、0°、0°)时，基于掺钪氮化铝薄膜的异质层状结构上会激发出包括瑞利波及其高阶西沙瓦波在内的多种SAW模式。此外，通过旋转掺钪氮化铝薄膜欧拉角(0°、θ、ψ)，抑制异质层状压电基底中的高阶西沙瓦波，同时激发这种结构可以集中泄漏的声表面波能量并获得更高的机电耦合系数的水平剪切型漏声表面波(SH-typeLSAW)。与掺钪氮化铝薄膜欧拉角为(0、°0°、0°)相比，水平剪切漏声表面波表现出相对优良的SAW特性。
如图4所示，将掺钪氮化铝薄膜欧拉角设置为(0°、90°、50°)，并且将二氧化硅薄膜和氮化铝薄膜的膜厚分别设置为0.2λ和λ，在异质层状压电基底上传播的漏声表面波(LSAW)的机电耦合系数K2的随掺钪氮化铝薄膜厚度变化曲线图；从图4可知，旋转欧拉角的情况下，在异质层状压电基底上激励出瑞利型漏声表面波(Rayleigh-type LSAW)和水平剪切型漏声表面波(SH-type LSAW)，而水平剪切型漏声表面波表现出相对优良的SAW特性。此外，由图4可知在掺钪氮化铝膜厚为0.1λ～0.4λ范围内水平剪切型漏声表面波(SH-typeLSAW)的机电耦合系数K2相对较高(＞6％)，在掺钪氮化铝膜厚为0.2λ时，K2达到最大值10％。
如图5所示，将掺钪氮化铝薄膜和氮化铝薄膜的膜厚分别设置为0.2λ和λ，在异质层状压电基底上传播的水平剪切型漏声表面波(SH-type LSAW)的机电耦合系数K2随二氧化硅薄膜厚度变化曲线图；从图5可知，欧拉角设置为(0°、90°、50°)的情况下，随着二氧化硅膜厚变厚，水平剪切型漏声表面波(SH-type LSAW)的机电耦合系数K2呈现先增高后变小的变化情况。由图5可知在二氧化硅膜厚为0.1λ～0.5λ范围内水平剪切型漏声表面波(SH-type LSAW)的机电耦合系数K2相对较高(＞7％)，在二氧化硅膜厚为0.2λ时，K2达到最大值10.3％。
如图6所示，在异质层状压电基底上传播的水平剪切型漏声表面波(SH-typeLSAW)的机电耦合系数K2随氮化铝薄膜厚度变化曲线图；从图6可知，在欧拉角设置为(0°、90°、50°)，并将掺钪氮化铝薄膜和二氧化硅薄膜的膜厚分别设置为0.2λ和0.2λ的情况下，氮化铝膜厚在0.1λ～λ的范围内变化时，水平剪切型漏声表面波(SH-type LSAW)的机电耦合系数K2呈现显著变化，氮化铝膜厚为λ以上时，K2基本维持不变，对SAW能量传播具有微小的调谐作用。优选在图6中，氮化铝薄膜的膜厚等于λ。
接着，为了确认欧拉角对与水平剪切型漏声表面波的关系，将掺钪氮化铝薄膜厚度、二氧化硅薄膜厚度以及氮化铝薄膜厚度依次设置为0.2λ，0.2λ和λ时，从图7可知，欧拉角(0°、90°、ψ)的ψ变化的情况下，在异质层状压电基底上两种类型的漏声表面波的机电耦合系数K2的变化明显。此外，可知两种类型的漏声表面波在欧拉角ψ为40°～80°的范围内增高。特别是水平剪切型漏声表面波在55°～65°附近显著增高。
图8为本发明实施方式中，欧拉角(0°、θ、90°)的θ变化的情况下，在异质层状压电基底上瑞利型漏声表面波的机电耦合系数K2的变化曲线图；从图8可知，当欧拉角ψ为90°时，欧拉角θ变化的情况下，水平剪切型漏声表面波不被激励。
如图9所示，掺钪氮化铝薄膜欧拉角(0°、θ、ψ)的θ和ψ与水平剪切漏声表面波(SH-type LSAW)的机电耦合系数K2的关系变化图；从图9可知，水平剪切漏声表面波机电耦合系数K2在欧拉角θ为50°～90°和欧拉角ψ为40°～80°的范围内增高。特别在当欧拉角为(0°、90°、60°+3°)水平剪切漏声表面波的机电耦合系数K2取值最大，约为10～14％，且频率保持在2～3GHz的高频范围内。此外，当欧拉角为(0°、0°、0°)时，水平剪切漏声表面波不被激励。
即，通过调谐异质层结构的厚度以及控制掺钪氮化铝薄膜的欧拉角，可以扩展机电耦合系数的范围，从而有效地提高了滤波器的带宽。
经验证，本发明的适用于高频、宽带声表面波器件的异质层状压电基底，能够抑制能量向衬底的泄露，将能量集中在有效压电层内，提高压电转换效率；利用旋转欧拉角优化压电薄膜取向，能够调节声场分布，得到具有优良声表面波性能的漏声表面波，优选具有高机电耦合系数和高频的水平剪切型漏声表面波非常适用于高频、宽带声表面波器件，极具应用前景。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应该理解，这些仅是举例说明，在不违背本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改。
Claims (9)
1.一种适用于高频、宽带声表面波器件的异质层状压电基底，其特征在于，利用水平剪切型漏声表面波，其包括依次排列的叉指换能器、压电薄膜层、布拉格反射层以及衬底层；
所述压电薄膜层为掺钪氮化铝薄膜，所述掺钪氮化铝薄膜的欧拉角设置为(0°±5°、θ、ψ)时，θ和ψ分别满足以下条件：
50°≤θ≤90°，40°≤ψ≤80°。
2.根据权利要求1所述的一种适用于高频、宽带声表面波器件的异质层状压电基底，其特征在于，所述掺钪氮化铝薄膜中钪的掺杂摩尔百分比为0～40％；
所述掺钪氮化铝薄膜的厚度范围为0.1λ～λ，λ为声表面波波长。
3.根据权利要求2所述的一种适用于高频、宽带声表面波器件的异质层状压电基底，其特征在于，所述掺钪氮化铝薄膜的厚度为0.1λ～0.4λ。
4.根据权利要求1所述的一种适用于高频、宽带声表面波器件的异质层状压电基底，其特征在于，所述压电薄膜层与衬底层之间层叠有n层布拉格反射层，n≥1；
所述布拉格反射层是由低声阻抗层覆盖在高声阻抗层上形成的，所述低声阻抗层的声速小于高声阻抗层的声速，同一布拉格反射层中低声阻抗层相比于高声阻抗层更靠近压电薄膜层。
5.根据权利要求4所述的一种适用于高频、宽带声表面波器件的异质层状压电基底，其特征在于，所述低声阻抗层为SiO2膜、SiON膜或Ta2O5膜；所述高声阻抗层为AlN膜、Sapphire膜、SiN膜、Mo膜或Pt膜。
6.根据权利要求5所述的一种适用于高频、宽带声表面波器件的异质层状压电基底，其特征在于，所述低声阻抗层为SiO2膜，所述SiO2膜的厚度范围为0.1λ～λ，λ为声表面波波长。
7.根据权利要求6所述的一种适用于高频、宽带声表面波器件的异质层状压电基底，其特征在于，所述SiO2膜的厚度为0.1λ～0.5λ。
8.根据权利要求5所述的一种适用于高频、宽带声表面波器件的异质层状压电基底，其特征在于，所述高声阻抗层为AlN膜，所述AlN膜的厚度范围为0.1λ～λ，λ为声表面波波长。
9.根据权利要求1所述的一种适用于高频、宽带声表面波器件的异质层状压电基底，其特征在于，所述衬底层为硅衬底。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114124014A (zh) * | 2022-01-25 | 2022-03-01 | 深圳新声半导体有限公司 | 一种薄膜体声波谐振器及其制备方法 |
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2020
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