CN112803916A - 谐振器件和滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种谐振器件和滤波器。谐振器件包括晶圆衬底、压电层和叉指电极层；压电层包括压电单晶材料；晶圆衬底的主定位边位于第一方向，压电单晶材料包括第一晶轴、第二晶轴和第三晶轴；第一晶轴垂直于晶圆衬底，或者第一晶轴平行于晶圆衬底且第一晶轴与第一方向的夹角小于或等于30度，或者大于或等于60度且小于或等于120度；第二晶轴平行于晶圆衬底且第二晶轴与第一方向的夹角小于或等于60度，或者第二晶轴与垂直于晶圆衬底的方向的夹角大于或等于120度且小于或等于135度。本发明的技术方案，有利于在保证谐振器件低成本优势的同时，提高谐振器件的性能与工作频率，并提高包含该谐振器件的带通滤波器的性能，以满足5G通信标准的需求。
Description
技术领域
本发明实施例涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种谐振器件和滤波器。
背景技术
射频滤波器件作为无线通信前端的重要组成部分，具有频率选择及抑制干扰信号的功能。性能较好的射频滤波器件不但可以提高发射器的灵敏度，降低发射器的频谱占用空间，还能提高收发机的信号噪声比，并降低通信链路中移动设备的功耗。
射频滤波器件由谐振器件构成，谐振器件通常包括声表面波(Surface AcousticWave，SAW)谐振器件和体声波(Bulk Acoustic Wave，BAW)谐振器件，SAW谐振器件和BAW谐振器件分别具有不同频率范围内的技术和成本优势。目前，为符合移动宽带和高数据率无线应用的需求，现代通信标准不断向更高频率和更宽带宽发展，现有技术中的SAW谐振器件和BAW谐振器件已无法满足上述标准。
例如，SAW谐振器件具有低成本的优势，但SAW谐振器件的工作频率较低，若要提升SAW谐振器件的工作频率，则需调整谐振器件的电极宽度，使得SAW谐振器件的设计无法同时兼顾器件的功率阈值、插入损耗以及制造成本，进而导致工作频率较高的SAW谐振器件要么成本过高要么性能不足。尽管BAW谐振器件具有性能及高频方面的优势，但BAW谐振器件的制造工艺复杂，增加了BAW谐振器件的制造成本，难以满足消费电子市场的需求。
发明内容
本发明实施例提供一种谐振器件和滤波器，以提高谐振器件的性能与工作频率。
第一方面，本发明实施例提供了一种谐振器件，包括：
晶圆衬底；
压电层，位于所述晶圆衬底的一侧，所述压电层包括压电单晶材料；
叉指电极层，位于所述压电层远离所述衬底的一侧；
所述晶圆衬底的主定位边位于第一方向，所述压电单晶材料包括互相垂直的第一晶轴、第二晶轴和第三晶轴；其中，所述第一晶轴垂直于所述晶圆衬底，或者所述第一晶轴平行于所述晶圆衬底且所述第一晶轴与所述第一方向的夹角小于或等于30度，或者大于或等于60度且小于或等于120度；所述第二晶轴平行于所述晶圆衬底且所述第二晶轴与所述第一方向的夹角小于或等于60度，或者所述第二晶轴与垂直于所述晶圆衬底的方向的夹角大于或等于120度且小于或等于135度。
可选地，所述第一晶轴垂直于所述晶圆衬底，并且沿顺时针方向，所述第一方向至所述第二晶轴之间的夹角大于或等于0度且小于或等于60度。
可选地，所述第一晶轴平行于所述晶圆衬底，所述第二晶轴与垂直于所述晶圆衬底的方向的夹角大于或等于120度且小于或等于135度，并且沿顺时针方向，所述第一方向至所述第一晶轴之间的夹角大于或等于60度且小于或等于120度。
可选地，所述第一晶轴平行于所述晶圆衬底，所述第二晶轴与垂直于所述晶圆衬底的方向的夹角大于或等于30度且小于或等于50度，并且沿顺时针方向，所述第一方向至所述第一晶轴之间的夹角大于或等于-30度且小于或等于30度，或者大于或等于60度且小于或等于120度。
可选地，所述叉指电极层包括多个第一叉指电极和多个第二叉指电极；
多个所述第一叉指电极均连接至位于所述叉指电极层的第一侧的汇流条，并且所述第一叉指电极均由所述叉指电极层的第一侧沿第二方向向所述叉指电极层的第二侧延伸，所述第二侧位于所述第一侧的对侧；
多个所述第二叉指电极均连接至位于所述叉指电极层的第二侧的汇流条，并且所述第二叉指电极均由所述第二侧沿所述第二方向向所述第一侧延伸；
所述第一叉指电极和所述第二叉指电极在所述压电层上的垂直投影相交替，并且所述第一叉指电极和所述第二叉指电极互相绝缘。
可选地，所述第一方向与第三方向的夹角大于或等于-30度且小于或等于30度，所述第三方向平行于所述晶圆衬底，并垂直于所述第二方向。
可选地，所述叉指电极层还包括多个第一虚设叉指电极和多个第二虚设叉指电极；
所述第一虚设叉指电极位于相邻所述第一叉指电极之间并连接至所述第一侧的汇流条，所述第一虚设叉指电极由所述第一侧沿所述第二方向向所述第二侧延伸；
所述第二虚设叉指电极位于相邻所述第二叉指电极之间并连接至所述第二侧的汇流条，所述第二虚设叉指电极由所述第二侧沿所述第二方向向所述第一侧延伸；
所述第一虚设叉指电极、所述第二虚设叉指电极、所述第一叉指电极和所述第二叉指电极互相绝缘。
可选地，还包括声反射栅，所述声反射栅位于所述压电层远离所述晶圆衬底的一侧，所述声反射栅设置在所述叉指电极层沿所述第二方向的两侧，并与所述叉指电极层绝缘；
每个所述声反射栅均包括多个沿所述第二方向延伸的金属条，所述金属条在第三方向上的宽度大于所述第一叉指电极和所述第二叉指电极在所述第三方向的宽度的0.25倍，并小于所述第一叉指电极和所述第二叉指电极在所述第三方向的宽度的10倍；其中，所述第三方向平行于所述晶圆衬底，并垂直于所述第二方向；
所述叉指电极层与相邻的所述金属条的间距大于所述第一叉指电极和所述第二叉指电极在所述第三方向的宽度的0.2倍，并小于所述第一叉指电极和所述第二叉指电极在所述第三方向的宽度的10倍。
可选地，还包括金属层，所述金属层位于所述叉指电极层远离所述晶圆衬底的一侧，所述金属层覆盖所述叉指电极层第一侧的汇流条的至少部分区域，并覆盖所述叉指电极层第二侧的汇流条的至少部分区域。
第二方面，本发明实施例还提供了一种滤波器，包括第一方面所述的谐振器件。
本发明实施例提供的谐振器件包括晶圆衬底、压电层以及叉指电极层；压电层包括压电单晶材料；晶圆衬底的主定位边位于第一方向，压电单晶材料包括互相垂直的第一晶轴、第二晶轴和第三晶轴；第一晶轴垂直于晶圆衬底，或者第一晶轴平行于晶圆衬底且第一晶轴与第一方向的夹角小于或等于30度，或者大于或等于60度且小于或等于120度；第二晶轴平行于晶圆衬底且第二晶轴与第一方向的夹角小于或等于60度，或者第二晶轴与垂直于晶圆衬底的方向的夹角大于或等于120度且小于或等于135度。本发明实施例的技术方案，实现了通过谐振器件激发纵向极化声表面波，通过设置晶轴的特定方向，实现了设置压电层中的压电单晶材料的特定方向，以调整谐振器件内部的几何形状与结构，由于压电单晶材料具有各向异性的特点，将压电单晶材料以上述特定方向与晶圆衬底进行键合，有助于增强压电层产生的压电效应，从而提升谐振器件的机电耦合系数，并增强谐振器件的性能。本发明实施例的技术方案，缓解了现有技术中的声表面波谐振器件无法兼顾高性能与低成本的问题，有利于在保证谐振器件的低成本优势的同时，提高谐振器件的性能与工作频率，进而提高包含该谐振器件的带通滤波器的性能，以满足5G通信标准的需求。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种谐振器件的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种谐振器件的俯视图；
图3是本发明实施例提供的一种谐振器件的剖视图；
图4是本发明实施例提供的一种压电单晶材料的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的另一种谐振器件的剖视图；
图6是本发明实施例提供的另一种谐振器件的剖视图；
图7是本发明实施例提供的另一种谐振器件的结构示意图；
图8是本发明实施例提供的另一种谐振器件的剖视图；
图9是本发明实施例提供的另一种谐振器件的剖视图；
图10是本发明实施例提供的另一种谐振器件的结构示意图；
图11是本发明实施例提供的另一种谐振器件的结构示意图；
图12是本发明实施例提供的另一种谐振器件的结构示意图；
图13是本发明实施例提供的另一种谐振器件的俯视图；
图14是本发明实施例提供的另一种谐振器件的剖视图；
图15是本发明实施例提供的另一种谐振器件的剖视图；
图16是本发明实施例提供的另一种谐振器件的俯视图；
图17是本发明实施例提供的另一种谐振器件的剖视图；
图18是本发明实施例提供的谐振器件的应力分布示意图；
图19是本发明实施例提供的谐振器件的位移分布示意图；
图20是本发明实施例提供的谐振器件的导纳特性曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
本发明实施例提供了一种谐振器件，图1是本发明实施例提供的一种谐振器件的结构示意图，具体为一种晶圆级谐振器件的侧视图，其中图1仅示意性地示出了该晶圆级谐振器件的晶圆衬底10和压电层20，该晶圆级谐振器件可包括多个谐振器件，图1示出了其中的一个谐振器件100；图2是本发明实施例提供的一种谐振器件的俯视图，具体可为图1中的谐振器件100的俯视图；图3是本发明实施例提供的一种谐振器件的剖视图，具体可为图2所示谐振器件沿剖线AA’进行剖切得到的剖视图；图4是本发明实施例提供的一种压电单晶材料的结构示意图。
结合图1至图4，本发明实施例提供的谐振器件100包括：晶圆衬底10、压电层20以及叉指电极层30；压电层20位于晶圆衬底10的一侧，压电层20包括压电单晶材料；叉指电极层30，位于压电层20远离衬底的一侧；晶圆衬底10的主定位边11位于第一方向N1，压电单晶材料包括互相垂直的第一晶轴X、第二晶轴Y和第三晶轴Z；其中，第一晶轴X垂直于晶圆衬底10，或者第一晶轴X平行于晶圆衬底10且第一晶轴X与第一方向N1的夹角小于或等于30度，或者大于或等于60度且小于或等于120度；第二晶轴Y平行于晶圆衬底10且第二晶轴Y与第一方向N1的夹角小于或等于60度，或者第二晶轴Y与垂直于晶圆衬底10的方向的夹角大于或等于120度且小于或等于135度。
具体地，晶圆衬底10能够为谐振器件提供缓冲、保护或支撑等作用，晶圆衬底10的材料可以是蓝宝石。谐振器件中的各膜层可依次形成在晶圆衬底10之上，以形成包括多个谐振器件的晶圆级谐振器件，在形成晶圆级谐振器件之后，可通过对其进行切割来得到谐振器件100。压电层20可通过键合形成在晶圆衬底10上，压电层20可由多个按一定规则排布的压电单晶材料构成，该压电单晶材料是指具有压电效应的单晶材料，在电场的作用下，压电单晶材料中会产生机械应力并发生相应的形变。
叉指电极层30可包括两组沿第二方向N2延伸的叉指电极，该两组叉指电极在压电层20上形成类似于两只手的手指呈相互交叉状的金属电极图案。当谐振器件100中的两组叉指电极输入电信号，以向压电层20施加第三方向N3(第三方向N3是指平行于晶圆衬底10，并垂直于叉指电极的延伸方向的方向)的电场，使得压电层20的整个厚度方向(垂直于晶圆衬底10的方向)上均产生第三方向N3的电场时，叉指电极可在压电层20中激发沿第三方向N3传播的声表面波，即纵向极化声波，并将声表面波转换为相应的电信号输出，以实现滤波。
由于晶体结构具有空间排列上的三维周期性，每一类晶体结构均具有对应的包含三个晶轴的晶轴坐标系。本实施例中仅结合图4所示的三方晶系压电单晶材料的晶体结构为例进行示意性说明，而并非是对压电单晶材料的晶体结构种类进行限定。示例性地，图4所示压电单晶材料可以是铌酸锂和钽酸锂中的任一种，该压电单晶材料的晶体结构中，第三晶轴Z可位于晶体较长的体对角线上，体对角线的中点可以是坐标原点，做垂直于第三晶轴Z的平面，可得到第一晶轴X和第二晶轴Y所在的平面。当压电层20中的压电单晶材料的晶轴方向确定时，压电单晶材料相对于晶圆衬底10和叉指电极层30的设置方向也确定。
图1示意性地示出了第一晶轴X垂直于晶圆衬底10，即第二晶轴Y与第三晶轴Z构成的平面与晶圆衬底10平行，并且第二晶轴Y与晶圆衬底10的主定位边11的夹角a1小于或等于60度的情况。其中晶圆衬底10的主定位边11所在的第一方向N1也可以是器件方向。由于压电单晶材料具有各向异性的特点，本实施例中设置第一晶轴X垂直于晶圆衬底10，第二晶轴Y与第三晶轴Z构成的平面与晶圆衬底10平行，并且第二晶轴Y与晶圆衬底10的主定位边11的夹角a1小于或等于60度，使得谐振器件通过叉指电极向压电单晶材料施加电场时，能够增强压电层产生的压电效应，从而提升谐振器件的机电耦合系数，以增强谐振器件的性能并提高谐振器件的工作频率。
在本发明的其他实施方式中，第一晶轴X还可以与晶圆衬底10平行，并且第一晶轴X与晶圆衬底10的主定位边11的夹角可小于或等于30度，或者大于或等于60度且小于或等于120度。第二晶轴Y还可以与晶圆衬底10平行，并且第二晶轴Y与晶圆衬底10的主定位边11的夹角可小于或等于60度，或者第二晶轴Y与垂直于晶圆衬底10的方向的夹角大于或等于120度且小于或等于135度。本实施例通过设置晶轴的特定方向，实现了设置压电层中的压电单晶材料的特定方向，由于压电单晶材料具有各向异性的特点，将压电层以上述特定方向与晶圆衬底进行键合，同样有助于增强压电层产生的压电效应，从而提升谐振器件的机电耦合系数，以增强谐振器件的性能并提高谐振器件的工作频率。
本发明实施例的技术方案，实现了通过谐振器件激发纵向极化声表面波，通过设置晶轴的特定方向，实现了设置压电层中的压电单晶材料的特定方向，以调整谐振器件内部的几何形状与结构，由于压电单晶材料具有各向异性的特点，将压电单晶材料以上述特定方向与晶圆衬底进行键合，有助于增强压电层产生的压电效应，从而提升谐振器件的机电耦合系数，并增强谐振器件的性能。本发明实施例的技术方案，缓解了现有技术中的声表面波谐振器件无法兼顾高性能与低成本的问题，有利于在保证谐振器件的低成本优势的同时，提高谐振器件的性能与工作频率，进而提高包含该谐振器件的带通滤波器的性能，以满足5G通信标准的需求。
结合图1至图4，在上述实施例的基础上，可选地，设置第一晶轴X垂直于晶圆衬底10，并且沿顺时针方向，第一方向N1至第二晶轴Y之间的夹角a1大于或等于0度且小于或等于60度。
示例性地，第一晶轴X垂直于晶圆衬底10，且第一晶轴X的正半轴指向压电层20远离晶圆衬底10的方向，第一晶轴X的负半轴(-X)指向压电层20靠近晶圆衬底10的方向，或者第一晶轴X的正半轴指向压电层20靠近晶圆衬底10的方向，第一晶轴X的负半轴指向压电层20远离晶圆衬底10的方向。沿顺时针方向，第一方向N1至第二晶轴Y之间的夹角大于或等于0度且小于或等于60度，是指第二晶轴Y的正半轴或负半轴(-Y)可由晶圆衬底10的定位边11顺时针旋转至0度至60度之间的任意位置上。本实施例通过设置晶轴的特定方向，实现了设置压电层中的压电单晶材料的特定方向，由于压电单晶材料具有各向异性的特点，将压电层以上述特定方向与晶圆衬底进行键合，有助于增强压电层产生的压电效应，从而提升谐振器件的机电耦合系数，以增强谐振器件的性能并提高谐振器件的工作频率。经实验验证，本实施例提供的谐振器件的机电耦合系数高达15％左右。
图5是本发明实施例提供的另一种谐振器件的剖视图，具体可为图2所示谐振器件沿剖线AA’进行剖切得到的另一种剖视图，其中图5仅示出了谐振器件的晶圆衬底10和压电层20；图6是本发明实施例提供的另一种谐振器件的剖视图，具体可为图2所示谐振器件沿剖线AA’进行剖切得到的另一种剖视图，其中图6仅示出了谐振器件的晶圆衬底10和压电层20；图7是本发明实施例提供的另一种谐振器件的结构示意图，具体为另一种晶圆级谐振器件的侧视图，其中图7仅示出了该晶圆级谐振器件的晶圆衬底10和压电层20。
结合图4至图7，可选地，设置第一晶轴X平行于晶圆衬底10，第二晶轴Y与垂直于晶圆衬底10的方向的夹角a2大于或等于120度且小于或等于135度，并且沿顺时针方向，第一方向N1至第一晶轴X之间的夹角a3大于或等于60度且小于或等于120度。
示例性地，沿顺时针方向，第一方向N1至第一晶轴X之间的夹角大于或等于60度且小于或等于120度，是指第一晶轴X可位于由晶圆衬底10的定位边11顺时针旋转至60度至120度之间的任意位置上。垂直于晶圆衬底10的方向可以是图5和图6所示的虚线L所在的方向，相应地，第二晶轴Y与垂直于晶圆衬底10的方向的夹角a2大于或等于120度且小于或等于135度，是指第二晶轴Y可位于由虚线L顺时针旋转至120度至135度之间的任意位置上，并且第二晶轴Y的正半轴指向压电层20靠近晶圆衬底10的一侧(如图5所示)，或者第二晶轴Y的正半轴指向压电层20远离晶圆衬底10的一侧(如图6所示)。本实施例通过设置晶轴的特定方向，实现了设置压电层中的压电单晶材料的特定方向，由于压电单晶材料具有各向异性的特点，将压电层以上述特定方向与晶圆衬底进行键合，有助于增强压电层产生的压电效应，从而提升谐振器件的机电耦合系数，以增强谐振器件的性能并提高谐振器件的工作频率。经实验验证，本实施例提供的谐振器件的机电耦合系数高达10％左右。
图8是本发明实施例提供的另一种谐振器件的剖视图，具体可为图2所示谐振器件沿剖线AA’进行剖切得到的另一种剖视图，其中图8仅示出了谐振器件的晶圆衬底10和压电层20；图9是本发明实施例提供的另一种谐振器件的剖视图，具体可为图2所示谐振器件沿剖线AA’进行剖切得到的另一种剖视图，其中图9仅示出了谐振器件的晶圆衬底10和压电层20；图10是本发明实施例提供的另一种谐振器件的结构示意图，具体为另一种晶圆级谐振器件的侧视图，其中图10仅示出了该晶圆级谐振器件的晶圆衬底10和压电层20。
结合图4以及图8至图10，可选地，设置第一晶轴X平行于晶圆衬底10，第二晶轴Y与垂直于晶圆衬底10的方向的夹角a4大于或等于30度且小于或等于50度，并且沿顺时针方向，第一方向N1至第一晶轴X之间的夹角a5大于或等于-30度且小于或等于30度，或者大于或等于60度且小于或等于120度。
示例性地，沿顺时针方向，第一方向N1至第一晶轴X之间的夹角a5大于或等于-30度且小于或等于30度，或者大于或等于60度且小于或等于120度，是指第一晶轴X可位于由晶圆衬底10的定位边11顺时针旋转至-30度至120度之间的任意位置上，或者位于由晶圆衬底10的定位边11顺时针旋转至60度至120度之间的任意位置上。垂直于晶圆衬底10的方向可以是图8和图9所示的虚线L所在的方向，相应地，第二晶轴Y与垂直于晶圆衬底10的方向的夹角a4大于或等于30度且小于或等于50度，是指第二晶轴Y可位于由虚线L顺时针旋转至30度至50度之间的任意位置上，并且第二晶轴Y的正半轴指向压电层20远离晶圆衬底10的一侧(如图8所示)，或者第二晶轴Y的正半轴指向压电层20靠近晶圆衬底10的一侧(如图9所示)。本实施例通过设置晶轴的特定方向，实现了设置压电层中的压电单晶材料的特定方向，由于压电单晶材料具有各向异性的特点，将压电层以上述特定方向与晶圆衬底进行键合，有助于增强压电层产生的压电效应，从而提升谐振器件的机电耦合系数，以增强谐振器件的性能并提高谐振器件的工作频率。经实验验证，本实施例提供的谐振器件的机电耦合系数高达10％左右。
参见图2和图3，可选地，设置叉指电极层30包括多个第一叉指电极310和多个第二叉指电极320；多个第一叉指电极310均连接至位于叉指电极层30的第一侧的汇流条311，并且第一叉指电极310均由叉指电极层30的第一侧沿第二方向N2向叉指电极层30的第二侧延伸，第二侧位于第一侧的对侧；多个第二叉指电极320均连接至位于叉指电极层30的第二侧的汇流条321，并且第二叉指电极320均由第二侧沿第二方向N2向第一侧延伸；第一叉指电极310和第二叉指电极320在压电层20上的垂直投影相交替，并且第一叉指电极310和第二叉指电极320互相绝缘。
具体地，第一叉指电极310和第二叉指电极320均为金属电极，第一叉指电极310和第二叉指电极320的材料可包括钛(Ti)、银(Ag)、铝(Al)、铜(Cu)、铜铝合金(AlCu)、铬(Cr)、钌(Ru)、钼(Moly)和钨(W)中的任一种，或者第一叉指电极310和第二叉指电极320的材质也可以是上述材料的组合。每个第一叉指电极310均连接至公共电极，即汇流条311；每个第二叉指电极320均连接至公共电极，即汇流条321。各个第一叉指电极310的宽度可能相同或不同，各个第二叉指电极320的宽度也可能相同或不同。谐振器件工作时，第一叉指电极310通过汇流条311输入电源信号Vin，第二叉指电极320通过汇流条321输入接地信号GND，以使叉指电极层30能够在压电层20中施加垂直于第一叉指电极310和第二叉指电极320的方向上的电场，即第三方向N3的电场，使得压电层20的整个厚度方向上均产生第三方向N3的电场，进而激发沿第三方向N3传播的声表面波，即纵向极化声波，并将声表面波转换为相应的电信号输出，以实现滤波。
图11是本发明实施例提供的另一种谐振器件的结构示意图，具体为另一种晶圆级谐振器件的侧视图，其中图11仅示出了该晶圆级谐振器件的晶圆衬底10和压电层20；图12是本发明实施例提供的另一种谐振器件的结构示意图，具体为另一种晶圆级谐振器件的侧视图，其中图12仅示出了该晶圆级谐振器件的晶圆衬底10和压电层20。结合图1至图4以及图11和图12，可选地，设置第一方向N1与第三方向N3的夹角a1大于或等于-30度且小于或等于30度，第三方向N3平行于晶圆衬底10，并垂直于第二方向N2。
示例性地，第一方向N1与第三方向N3的夹角大于或等于-30度且小于或等于30度，是指垂直于第一叉指电极310和第二叉指电极320的延伸方向(即第二方向N2)的方向(即第三方向N3)与晶圆衬底10的主定位边11的夹角-30°≤a1≤30°，换言之，也即谐振器件100激发的声表面波的传播方向(第三方向N3)与晶圆衬底10的主定位边11的夹角-30°≤a1≤30°。其中，图1示意性地示出了第一方向N1与第三方向N3的夹角a1＝0°的情况，图11示意性地示出了第一方向N1与第三方向N3的夹角a1＝30°的情况，图12示意性地示出了第一方向N1与第三方向N3的夹角a1＝-30°的情况。由于压电层20在叉指电极施加的电场作用下会产生机械应力并发生相应的形变，进而在压电层20中激发沿第三方向N3传播的声表面波，考虑到压电层20中的压电单晶材料具有各向异性的特点，本实施例通过设置第一方向N1与第三方向N3的夹角-30°≤a1≤30°，实现了调整叉指电极的方向与压电单晶材料的晶体结构朝向之间的相对位置关系，有利于在激发沿第三方向N3传播的声表面波的同时，增强压电层产生的压电效应，从而提升谐振器件的机电耦合系数，以增强谐振器件的性能并提高谐振器件的工作频率。
图13是本发明实施例提供的另一种谐振器件的俯视图，具体可为图1中的谐振器件100的另一种俯视图。如图13所示，可选地，设置叉指电极层30还包括多个第一虚设叉指电极312和多个第二虚设叉指电极322；第一虚设叉指电极312位于相邻第一叉指电极310之间并连接至第一侧的汇流条311，第一虚设叉指电极312由第一侧沿第二方向N2向第二侧延伸；第二虚设叉指电极322位于相邻第二叉指电极320之间并连接至第二侧的汇流条321，第二虚设叉指电极322由第二侧沿第二方向N2向第一侧延伸；第一虚设叉指电极312、第二虚设叉指电极322、第一叉指电极310和第二叉指电极320互相绝缘。第一虚设叉指电极312和第二虚设叉指电极322的材质可以与第一叉指电极310和第二叉指电极320的材质相同，本实施例通过设置第一虚设叉指电极312和第二虚设叉指电极322，形成与叉指电极断开的虚短跟指(例如第一虚设叉指电极312形成与对应的第二叉指电极320断开的虚短跟指，第二虚设叉指电极322形成与对应的第一叉指电极310断开的虚短跟指)，以使谐振器件激发的声表面波传播至第一虚设叉指电极312和第二虚设叉指电极322时发生反射，从而将声表面波限制在谐振器件沿第二方向N2的内部，进而提高谐振器件的能量反射率并抑制不需要的杂散响应。
图14是本发明实施例提供的另一种谐振器件的剖视图，具体可为图13所示谐振器件沿剖线bb’进行剖切得到的剖视图。结合图2、图13和图14，可选地，谐振器件100还包括声反射栅330，声反射栅330位于压电层20远离晶圆衬底10的一侧，声反射栅330设置在叉指电极层30沿第二方向N2的两侧，并与叉指电极层30绝缘；每个声反射栅330均包括多个沿第二方向N2延伸的金属条331，金属条331在第三方向N3上的宽度Wr大于第一叉指电极310和第二叉指电极320在第三方向N3的宽度We的0.2倍，并小于第一叉指电极310和第二叉指电极320在第三方向N3的宽度We的10倍；其中，第三方向N3平行于晶圆衬底10，并垂直于第二方向N2；叉指电极层30与相邻的金属条331的间距Wg大于第一叉指电极310和第二叉指电极320在第三方向N3的宽度We的0.2倍，并小于第一叉指电极310和第二叉指电极320在第三方向N3的宽度We的10倍。
具体地，声反射栅330的材质可以与第一叉指电极310和第二叉指电极320的材质相同或者不同。声反射栅330中的金属条331的两端分别连接总线，即总线332和总线333。连接第一叉指电极310和第二叉指电极320的汇流条，可以与声反射栅330中金属条331连接的总线相连，也可以不连接，图2和图13均示出了连接叉指电极的汇流条不与声反射栅中金属条连接的总线相连的情况。本实施例通过在叉指电极层的两侧设置声反射栅330，能够基于声波的衍射原理，减少向谐振器件向两侧的声反射栅330外部传播的声表面波，有助于将声表面波限制在谐振器件沿第三方向N3的内部，进而提高谐振器件的电能与机械能之间的能量转换效率。
叉指电极层30与相邻的金属条331的间距Wg，是指声反射栅中距离叉指电极最近的金属条331，与叉指电极层中最接近声反射栅的第一叉指电极310或第二叉指电极320之间的间距。图14示意性地示出了第一叉指电极310和第二叉指电极320在第三方向N3的宽度均为We的情况，本实施例通过设置金属条331在第三方向N3上的宽度0.25We＜Wr＜10We，且叉指电极层30与相邻的金属条331的间距0.2We＜Wg＜10We，有助于减弱谐振器件通过声反射栅产生的声波衍射，从而进一步减少谐振器件向两侧的声反射栅330外部传播的声表面波，有助于将声表面波限制在谐振器件沿第三方向N3的内部，进而提高谐振器件的电能与机械能之间的能量转换效率。
图15是本发明实施例提供的另一种谐振器件的剖视图，具体可为图13所示谐振器件沿剖线bb’进行剖切得到的另一种剖视图。如图3、图14和图15所示，可选地，谐振器件还包括位于叉指电极层30远离晶圆衬底10一侧的钝化层50，且钝化层50覆盖叉指电极层30。
具体地，钝化层50的材质可以是二氧化硅(SiO2)或者氮化硅(SiNx)，本实施例通过设置钝化层50覆盖叉指电极层30，以隔绝水氧，实现对叉指电极层30的保护。在叉指电极层30远离晶圆衬底10的一侧形成钝化层50时，可使钝化层50远离晶圆衬底10一侧的上表面形成平面，或者也可以使钝化层50上表面的起伏与叉指电极层上表面的形貌一致。
图16是本发明实施例提供的另一种谐振器件的俯视图，具体可为图1中的谐振器件100的另一种俯视图；图17是本发明实施例提供的另一种谐振器件的剖视图，具体可为图16所示谐振器件沿剖线CC’进行剖切得到的另一种剖视图。结合图16和图17，可选地，谐振器件还包括金属层60，金属层60位于叉指电极层30远离晶圆衬底10的一侧，金属层60覆盖叉指电极层30第一侧的汇流条311的至少部分区域，并覆盖叉指电极层30第二侧的汇流条321的至少部分区域。
具体地，金属层60的材料可包括钛(Ti)、银(Ag)、铝(Al)、铜(Cu)、铜铝合金(AlCu)、铬(Cr)、钌(Ru)、钼(Moly)和钨(W)中的任一种，或者也可以是上述材料的组合。本实施例通过设置金属层60覆盖汇流条311的至少部分区域，以及覆盖汇流条321的至少部分区域，有助于使谐振器件激发的声表面波传播至金属层60时发生反射，从而将声表面波限制在谐振器件沿第二方向N2的内部，同时，金属层60还可以暴露在完成封装的谐振器件100的表面，以使叉指电极通过金属层及其覆盖的汇流条接入电信号。
在上述各实施例的基础上，可选地，还可以在压电层与晶圆衬底之间设置一层或多层介电层，以调节谐振器件的机电耦合系数，进而改善谐振器件的性能。
结合图13和图14，在上述各实施例的基础上，可选地，设置第一叉指电极310和第二叉指电极320在第三方向N3的宽度250nm＜We＜1μm，以通过调节叉指电极的宽度来调节谐振器件的机电耦合系数，进而增强谐振器件的性能并提高谐振器件的工作频率。
结合图13和图14，可选地，设置第一叉指电极310和第二叉指电极320的总个数大于50，以通过调节叉指电极的个数来调节谐振器件的机电耦合系数，进而增强谐振器件的性能并提高谐振器件的工作频率。可选地，设置声反射栅330中的金属条331的总个数大于50，以减少谐振器件向两侧的声反射栅330外部传播的声表面波，有助于将声表面波限制在谐振器件沿第三方向N3的内部，进而提高谐振器件的电能与机械能之间的能量转换效率。
结合图13和图14，可选地，设置第一叉指电极310和第二叉指电极320沿第二方向N2相交叠的长度15μm＜La＜200μm，第二叉指电极320与汇流条311之间的距离(即第一叉指电极310与汇流条321之间的距离)250μm＜Lg＜5μm，以调节谐振器件的机电耦合系数，进而增强谐振器件的性能并提高谐振器件的工作频率。
结合图13和图14，可选地，设置叉指电极30中相邻的第一叉指电极310和第二叉指电极320之间的间距500nm＜Wpi＜2μm，相邻的第一叉指电极310和第二叉指电极320之间的间距具体可以是第一叉指电极310沿第三方向N3的中心与相邻的第二叉指电极320沿第三方向N3的中心之间的距离。由于f＝v/(2*Wpi)，其中f为谐振器件的工作频率，v为谐振器件中的声表面波传播的波速，因此，在波速不变的情况下，第一叉指电极310和第二叉指电极320之间的间距Wpi越小，谐振器件的工作频率，本实施例通过对第一叉指电极310和第二叉指电极320之间的间距进行设置，以提高谐振器件的工作频率。
结合图13和图14，可选地，设置第一叉指电极310和第二叉指电极320沿垂直于晶圆衬底10的方向上的厚度500nm＜Te＜200nm，压电层20远离晶圆衬底10一侧的表面与钝化层50靠近压电层20一侧的表面之间的钝化层50的厚度100nm＜Tp1＜600nm，压电层20沿垂直于晶圆衬底10的方向上的厚度300nm＜Tp2＜1μm，以通过调节叉指电极的厚度、钝化层的厚度和压电层的厚度来调节谐振器件的机电耦合系数，进而增强谐振器件的性能并提高谐振器件的工作频率。
图18是本发明实施例提供的谐振器件的应力分布示意图，图18示意性地示出了在电场的作用下，图14所示谐振器件各膜层的应力分布情况。结合图14和图18，在电场的作用下，谐振器件产生的机械应力主要存在于压电层20、叉指电极层和钝化层50中，晶圆衬底10中仅存在少量应力。并且由于第一叉指电极310输入电源信号Vin，第二叉指电极320输入接地信号GND，因此第二叉指电极320可分别与两侧的第一叉指电极310在压电层20的整个厚度方向上产生反向的电场E1和E2，相应地，在压电层20中谐振器件产生的应力达到极值，例如第二叉指电极320与左侧的第一叉指电极310在压电层20中施加的电场E1使得压电层20相应位置产生的应力达到极大值(接近Max)，第二叉指电极320与右侧的第一叉指电极310在压电层20中施加的电场E2使得压电层20相应位置产生的应力达到极小值(接近-Max)。
图19是本发明实施例提供的谐振器件的位移分布示意图，图19示意性地示出了在电场的作用下，图14所示谐振器件各膜层的位移分布情况。结合图14和图19，谐振器件中的声波传播中产生的驻波引起的位移主要在压电层20、叉指电极层和钝化层50中，晶圆衬底10中仅存在少量位移。
图20是本发明实施例提供的谐振器件的导纳特性曲线，具体可以是对图13和图14所示谐振器件进行模拟实验得到的导纳特性曲线。如图20所示，本发明实施例提供的谐振器件的共振频率为2.62GHz，机电耦合系数Kt 2可达到12％，由此可见，本实施例的方案有助于提升谐振器件的机电耦合系数和频率，并有助于根据该方案对应的谐振器件各膜层的厚度、宽度、叉指电极的尺寸和位置以及声反射栅相对于叉指电极的尺寸和位置确定谐振器件的优选结构和尺寸。
本发明实施例还提供了一种滤波器，该滤波器包括本发明上述任意实施例中的谐振器件。本发明实施例所提供的滤波器包括本发明上述任意实施例所提供的谐振器件，因此具备谐振器件相应的功能模块和有益效果，不再赘述。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种谐振器件，其特征在于，包括：
晶圆衬底；
压电层，位于所述晶圆衬底的一侧，所述压电层包括压电单晶材料；
叉指电极层，位于所述压电层远离所述衬底的一侧；
所述晶圆衬底的主定位边位于第一方向，所述压电单晶材料包括互相垂直的第一晶轴、第二晶轴和第三晶轴；其中，所述第一晶轴垂直于所述晶圆衬底，或者所述第一晶轴平行于所述晶圆衬底且所述第一晶轴与所述第一方向的夹角小于或等于30度，或者大于或等于60度且小于或等于120度；所述第二晶轴平行于所述晶圆衬底且所述第二晶轴与所述第一方向的夹角小于或等于60度，或者所述第二晶轴与垂直于所述晶圆衬底的方向的夹角大于或等于120度且小于或等于135度。
2.根据权利要求1所述的谐振器件，其特征在于，所述第一晶轴垂直于所述晶圆衬底，并且沿顺时针方向，所述第一方向至所述第二晶轴之间的夹角大于或等于0度且小于或等于60度。
3.根据权利要求1所述的谐振器件，其特征在于，所述第一晶轴平行于所述晶圆衬底，所述第二晶轴与垂直于所述晶圆衬底的方向的夹角大于或等于120度且小于或等于135度，并且沿顺时针方向，所述第一方向至所述第一晶轴之间的夹角大于或等于60度且小于或等于120度。
4.根据权利要求1所述的谐振器件，其特征在于，所述第一晶轴平行于所述晶圆衬底，所述第二晶轴与垂直于所述晶圆衬底的方向的夹角大于或等于30度且小于或等于50度，并且沿顺时针方向，所述第一方向至所述第一晶轴之间的夹角大于或等于-30度且小于或等于30度，或者大于或等于60度且小于或等于120度。
5.根据权利要求1所述的谐振器件，其特征在于，所述叉指电极层包括多个第一叉指电极和多个第二叉指电极；
多个所述第一叉指电极均连接至位于所述叉指电极层的第一侧的汇流条，并且所述第一叉指电极均由所述叉指电极层的第一侧沿第二方向向所述叉指电极层的第二侧延伸，所述第二侧位于所述第一侧的对侧；
多个所述第二叉指电极均连接至位于所述叉指电极层的第二侧的汇流条，并且所述第二叉指电极均由所述第二侧沿所述第二方向向所述第一侧延伸；
所述第一叉指电极和所述第二叉指电极在所述压电层上的垂直投影相交替，并且所述第一叉指电极和所述第二叉指电极互相绝缘。
6.根据权利要求5所述的谐振器件，其特征在于，所述第一方向与第三方向的夹角大于或等于-30度且小于或等于30度，所述第三方向平行于所述晶圆衬底，并垂直于所述第二方向。
7.根据权利要求5所述的谐振器件，其特征在于，所述叉指电极层还包括多个第一虚设叉指电极和多个第二虚设叉指电极；
所述第一虚设叉指电极位于相邻所述第一叉指电极之间并连接至所述第一侧的汇流条，所述第一虚设叉指电极由所述第一侧沿所述第二方向向所述第二侧延伸；
所述第二虚设叉指电极位于相邻所述第二叉指电极之间并连接至所述第二侧的汇流条，所述第二虚设叉指电极由所述第二侧沿所述第二方向向所述第一侧延伸；
所述第一虚设叉指电极、所述第二虚设叉指电极、所述第一叉指电极和所述第二叉指电极互相绝缘。
8.根据权利要求5所述的谐振器件，其特征在于，还包括声反射栅，所述声反射栅位于所述压电层远离所述晶圆衬底的一侧，所述声反射栅设置在所述叉指电极层沿所述第二方向的两侧，并与所述叉指电极层绝缘；
每个所述声反射栅均包括多个沿所述第二方向延伸的金属条，所述金属条在第三方向上的宽度大于所述第一叉指电极和所述第二叉指电极在所述第三方向的宽度的0.25倍，并小于所述第一叉指电极和所述第二叉指电极在所述第三方向的宽度的10倍；其中，所述第三方向平行于所述晶圆衬底，并垂直于所述第二方向；
所述叉指电极层与相邻的所述金属条的间距大于所述第一叉指电极和所述第二叉指电极在所述第三方向的宽度的0.2倍，并小于所述第一叉指电极和所述第二叉指电极在所述第三方向的宽度的10倍。
9.根据权利要求5所述的谐振器件，其特征在于，还包括金属层，所述金属层位于所述叉指电极层远离所述晶圆衬底的一侧，所述金属层覆盖所述叉指电极层第一侧的汇流条的至少部分区域，并覆盖所述叉指电极层第二侧的汇流条的至少部分区域。
10.一种滤波器，其特征在于，包括权利要求1-9中任一所述的谐振器件。
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110194412.3A CN112803916A (zh) | 2021-02-20 | 2021-02-20 | 谐振器件和滤波器 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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Country Status (1)
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|---|---|
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116054775B (zh) * | 2022-11-09 | 2023-08-04 | 天通瑞宏科技有限公司 | 一种声波器件的制备方法及声波器件 |
-
2021
- 2021-02-20 CN CN202110194412.3A patent/CN112803916A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Legal Events
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