CN112821878B - 伪模态抑制型射频谐振器结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种伪模态抑制型射频谐振器结构。包括下电极层、压电层、上电极层、凹陷上电极层、凸起压电层、凹陷压电层。其中，凹陷上电极层位于交叠区域处；凸起压电层位于外部区域处，且比有效区域高；凹陷压电层位于外部区域处，位于所述凸起压电层之间。本发明申请通过调整凹陷上电极层、凸起压电层、凹陷压电层的深度、宽度和位置关系，能够使谐振器满足谐振频率关系为：f外部区域＜f有效区域＜f交叠区域，进而可以有效抑制阻抗曲线上的伪模态和高阶模态，提高谐振器的机电耦合系数和品质因子，进而提升谐振器的整体性能。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS谐振器技术领域，具体涉及一种伪模态抑制型射频谐振器结构。
背景技术
基于压电氮化铝(AlN)薄膜的MEMS射频器件在移动通信领域发挥着极其重要的作用。其中，以体声波谐振器(BulkAcousticWave Resonator:FBAR)为代表，由于其具有高品质因子(Quality factor)，高机电耦合系数
低介电损耗和CMOS兼容等特性，采用FABR作为基础元件搭建的射频器件诸如滤波器、双工器等，被广泛应用于雷达通信、射频前端、无损检测、柔性传感等军用、民用领域。随着5G、6G时代的加速到来，通讯领域对射频前端器件(尤其是滤波器)提出了更高的要求，诸如：高频率、集成化、微型化、低功耗、高性能、低成本等。这就要求FBAR采用更小的尺寸实现更高的集成度、采用更薄的压电薄膜和电极层实现更高的频率等，这为FBAR的结构设计带来了严峻挑战。
基于AlN薄膜的FBAR通常为上电极层-压电层-下电极层的“三明治结构”，通过在上电极层和下电极层施加交流电压，利用薄膜的压电效应，在FBAR内部激发声波，进而产生射频信号。FBAR的工作模式主要利用的是纵向模态的体声波，然而，交流电压激发的声波中，既有纵向模态，也有横向模态、还有高阶谐响应模态。其中，横向模态和高阶谐响应模态会严重影响器件性能，主要表现为阻抗曲线上产生不光滑的纹波，也就是伪模态(spuriousmode)。伪模态的存在会降低FBAR的品质因子和机电耦合系数，进而降低由FBAR搭建而成的器件性能。以滤波器(Filter)为例，伪模态的存在会增大插入损耗(Insertion loss)，减小相对带宽(Relative Bandwidth)，降低带外抑制度(Out-of-band Rejection)等。因此，亟需一种可以有效抑制FBAR伪模态的手段。
基于AlN薄膜的FBAR结构属于Type II型色散类型，即其第一拉伸共振模式(TE1：The First Thickness Extensional Resonance Mode)的频率小于第二剪切共振模式(TS2：The Second Thickness Extensional Resonance Mode)。相反的，对于具有Type I色散类型的射频谐振器，其频率对应关系为：TE1>TS2。对于Type I型色散的射频谐振器，其伪模态抑制方法通常为在交叠区域附加一层额外的电极或非电极材料，以构成外部区域、有效区域、交叠区域的频率关系为：f外部区域＞f有效区域＞f交叠区域，附加材料造成了交叠区域处的阻抗失配，进而降低了声波能量的泄露，通过设计附加层的宽度和厚度，可以实现增强某一频率的共振反射并且抑制某一特征频率处的振动。然而，对于具有Type II型色散关系的器件，如基于AlN薄膜的FBAR，其外部区域、有效区域、交叠区域的频率关系应为：f外部区域＜f有效区域＜f交叠区域，上述方法已经不能满足于实现该条件，因此，亟需一种更好的抑制该类型射频谐振器伪模态的高效方法。
发明内容
为解决上述技术问题，实现一种能够有效抑制射频谐振器伪模态的方法，本发明提出一种伪模态抑制型射频谐振器结构。
为实现上述目的，本发明提供的伪模态抑制型射频谐振器结构，其特征在于：包括下电极层、压电层、上电极层、凹陷上电极层、凸起压电层、凹陷压电层。
所述凹陷上电极层位于交叠区域处，其深度与频率有关；所述交叠区域即凹陷上电极层宽度范围内覆盖的包含电极材料和压电材料的区域；
所述凸起压电层位于外部区域处，其高度与频率有关，且比有效区域高；所述外部区域即上电极材料范围覆盖以外的包含电极材料和压电材料的区域；
所述凹陷压电层位于外部区域处，其深度与频率有关，位于所述凸起压电层之间；
所述凹陷上电极层、凸起压电层、凹陷压电层完整围绕上电极层材料有效区域外侧一周或者只在围绕其一周的部分任意位置处。所述有效区域即上电极层材料范围内除去凹陷上电极层材料宽度范围后所覆盖的包含电极材料和压电材料的区域；所述凹陷压电层、凹陷上电极层中可以填充高声阻抗材料、电极材料、具有正温漂系数材料；
所述压电材料为铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)、氮化铝(AlN)、锆碳酸铅(PZT)或氧化锌(ZnO)中任一种或多种组合；
所述电极材料为钼、铝、铜、铂、金、钨、银或铬中任一种或多种组合；
所述电极形状为任意三角形、圆形、椭圆形、规则多边形或不规则多边形中的任一种或多种组合。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明通过在传统的谐振器结构上设置凹陷上电极层、凸起压电层、凹陷压电层结构，以构成谐振器外部区域、有效区域、交叠区域的频率关系应为：f外部区域＜f有效区域＜f交叠区域，针对Type II色散类型的射频谐振器伪模态进行了有效抑制。结合有限元仿真方法可以很明显发现优化后的谐振器结构阻抗曲线上的纹波减少。本发明提出的结构可以有效提高谐振器的机电耦合系数和品质因子，进而提升谐振器的整体性能。
附图说明
图1是本发明实施例的五边形电极结构薄膜体声波谐振器(FBAR)俯视图；
图2是本发明实施例的五边形电极结构薄膜体声波谐振器(FBAR)侧视图；
图3是Type I型色散类型对应的频率-波数曲线；
图4是Type II型色散类型对应的频率-波数曲线；
图5是本发明实施例的阻抗曲线和典型结构薄膜体声波谐振器(FBAR)阻抗曲线对比示意图；
图6是本发明实施例的五边形电极结构薄膜体声波谐振器(FBAR)第二种变例俯视图；
图7是本发明实施例的五边形电极结构薄膜体声波谐振器(FBAR)第三种变例俯视图；
图8是本发明实施例的五边形电极结构固态安装型谐振器(SMR：solidly mountedresonator)侧视图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
实施例1五边形电极结构薄膜体声波谐振器(FBAR)
图1是本实施例的五边形电极结构薄膜体声波谐振器(FBAR)俯视图。图2是本实施例的五边形电极结构薄膜体声波谐振器(FBAR)侧视图。
如图1-2所示，结构100为普通薄膜体声波谐振器(FBAR)的结构，包含上电极层101、压电层102(见图2)、下电极层103、空腔结构104(见图2)和衬底105(见图2)。上电极层101和下电极层102通过连接结构111分别引出到平板112上，通过在平板112上施加交流电压，电信号从外部连接结构110传输到上电极层101和下电极层102，进一步在压电层102内部激发包含纵向、横向的声波。不同类型的声波主要在压电层内部传播引起谐振。薄膜体声波谐振器主要利用的是纵向(平行于压电层厚度方向)传播的声波引发的谐振效应，横向传播的声波(垂直于压电层厚度方向)过多会耗散其系统内部的能量，并带来伪模态。因此，需要抑制横向声波的传播。针对Type II型色散类型的射频谐振器，本发明在上电极边缘的交叠区域(133，见图2)设置凹陷上电极层121，使该区域的厚度低于谐振器有效区域(132，见图2)。进而导致交叠区域(133，见图2)的纵波波长小于有效区域(132，见图2)。根据频率-波长公式：
f＝v/λ
其中v为声速，f为频率，λ为波长。
可知交叠区域(133，见图2)的频率大于有效区域(132，见图2)。与此同时，在外部区域(131，见图2)设置凸起压电层122，使得外部区域(131，见图2)的高度高于有效区域(132，见图2)，从而导致外部区域(131，见图2)的纵波波长高于有效区域(132，见图2)，进一步可知外部区域(131，见图2)的频率低于有效区域(132，见图2)。综上，满足了f外部区域＜f有效区域＜f交叠区域的效果，进而可以有效抑制色散类型为Type II的射频谐振器伪模态。除此之外，在外部区域(131，见图2)设置凹陷压电层123，可以有效抑制横向传播的声波(垂直于压电层厚度方向)的传播，减少声波的侧向泄露，进而提高谐振器品质因子。
图2为图1中的A-A’截面剖视图。如图所示，结构100为普通薄膜体声波谐振器(FBAR)的结构：在硅衬底105上，形成上电极层101、压电层102、下电极层103的三明治结构，在下电极103的下方形成空腔104，利用空气和固体的边界层将声波反射到谐振器的内部。与图1所描述的一致，本发明在交叠区域133设置凹陷上电极层121，在外部区域131设置突起压电层122和凹陷压电层123。其中，凹陷上电极层121和凸起压电层122的设置使Type II型射频谐振器满足f外部区域＜f有效区域＜f交叠区域特征，实现抑制伪模态的效果。凹陷压电层123可以有效抑制横向传播的声波(垂直于压电层厚度方向)的传播，减少声波的侧向泄露，进而提高谐振器品质因子。
图3是Type I型色散类型射频谐振器对应的频率-波数曲线。如图所示，对于TypeI型色散类型射频谐振器，要求其外部区域131、有效区域132、交叠区域133的频率关系为：f外部区域＞f有效区域＞f交叠区域。
图4是Type II型色散类型射频谐振器对应的频率-波数曲线。如图所示，对于TypeII型色散类型射频谐振器，要求其外部区域131、有效区域132、交叠区域133的频率关系为：f外部区域＜f有效区域＜f交叠区域。
图5是本发明实施例1的阻抗曲线和典型结构薄膜体声波谐振器(FBAR)阻抗曲线对比示意图。如图所示，阻抗曲线140(实线)对应典型结构薄膜体声波谐振器(FBAR)，其串联谐振频率141和并联谐振频率142之间存在纹波161，即伪模态。纹波的存在会影响谐振器的性能。阻抗曲线141(虚线)对应根据本发明实施例的薄膜体声波谐振器(FBAR)，其串联谐振频率151和并联谐振频率152之间的纹波基本被消除，伪模态得到了有效抑制。此外，并联谐振频率152相比于142得到了提升，谐振器的机电耦合系数增大。
实施例2圆形电极结构薄膜体声波谐振器(FBAR)
图6是本实施例的圆形电极结构薄膜体声波谐振器(FBAR)第二种变例俯视图。如图所示，上电极层101和下电极层103可以是圆形，凹陷上电极层121、突起压电层122和凹陷压电层123可以环绕谐振器四周分布、也可以部分分布。
实施例3五边形电极结构薄膜体声波谐振器(FBAR)
图7是本发明实施例1的五边形电极结构薄膜体声波谐振器(FBAR)第三种变例俯视图。如图所示，凹陷压电层123内可以填充高声阻抗材料、电极材料、具有正温漂系数材料。凸起压电层的宽度可以根据谐振频率调整，从而实现抑制不同频段伪模态的目的。
实施例4五边形电极结构固态安装型谐振器(SMR)
图8是本实施例的五边形电极结构固态安装型谐振器(SMR：solidly mountedresonator)侧视图。如图所示，固态安装型谐振器SMR下电极层103下方的空腔结构被替代为布拉格反射层：即衬底105上交替布置高声阻抗材料层106和低声阻抗材料层107形成布拉格反射层。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (5)
1.一种伪模态抑制型射频谐振器结构，其特征在于：包括下电极层、压电层、上电极层、凹陷上电极层、凸起压电层、凹陷压电层；
所述凹陷上电极层位于交叠区域处，其深度与频率有关；所述交叠区域即凹陷上电极层宽度范围内覆盖的包含电极材料和压电材料的区域；
所述凸起压电层位于外部区域处，其高度与频率有关，且比有效区域高；所述外部区域即上电极材料范围覆盖以外的包含电极材料和压电材料的区域；
所述凹陷压电层位于所述外部区域处，其深度与频率有关，位于所述凸起压电层之间；
所述凹陷上电极层、凸起压电层、凹陷压电层完整围绕上电极层材料有效区域外侧一周或者只在围绕其一周的部分任意位置处；所述有效区域即上电极层材料范围内除去凹陷上电极层材料宽度范围后所覆盖的包含电极材料和压电材料的区域。
2.根据权利要求1所述的伪模态抑制型射频谐振器结构，其特征在于：所述上电极层、下电极层的电极形状包括任意三角形、圆形、椭圆形、规则多边形和不规则多边形的任一种或多种组合。
3.根据权利要求1或2所述的伪模态抑制型射频谐振器结构，其特征在于：所述凹陷压电层和凹陷上电极层中填充高声阻抗材料、电极材料或具有正温漂系数材料中任一种。
4.根据权利要求3所述的伪模态抑制型射频谐振器结构，其特征在于：所述压电材料为铌酸锂、钽酸锂、氮化铝、锆碳酸铅或氧化锌中的任一种或多种组合。
5.根据权利要求1或2或4所述的伪模态抑制型射频谐振器结构，其特征在于：所述电极材料为钼、铝、铜、铂、金、钨、银或铬中的任一种或多种组合。
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