CN113196508A

CN113196508A - 压电材料和压电器件

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Publication number: CN113196508A
Application number: CN201980083316.2A
Authority: CN
Inventors: I·考特萨鲁夫; C·H·杭特加斯
Original assignee: RF360 Europe GmbH
Current assignee: RF360 Singapore Pte Ltd
Priority date: 2018-12-21
Filing date: 2019-12-18
Publication date: 2021-07-30
Anticipated expiration: 2039-12-18
Also published as: DE102018133377A1; JP2022513852A; WO2020127514A1; US20220037583A1

Abstract

提供了具有改进属性的压电氮化物复合材料。压电材料包括铝、氮以及二元和三元掺杂剂，该二元和三元掺杂剂可以选自银、铌和/或钪或者选自银和/或铌。

Description

压电材料和压电器件

本发明涉及一种压电材料和包括该压电材料的压电器件。

由于压电效应，压电材料可以用于将机械能转换为电能以及将电能转换为机械能。压电材料可以用于多种器件。例如，包括电声谐振器的电声RF器件可以具有其中结合了电极结构和压电材料的谐振结构。压电材料的性能由一组弹性、介电和压电参数决定。例如，弹性参数是杨氏模量、C₃₃(材料的刚度张量的一个组成部分)、晶格密度等。机电耦合系数κ²(其是决定声波激励效率的另一重要参数)在机械和电气性能之间起到桥梁作用。另一参数是压电常数e₃₃，它是材料的压电张量的一个组成部分。其他参数是纵向刚度C₃₃和介电常数ε₃₃。

例如，对于电声应用，优选地，压电材料具有高机电耦合系数κ²。一种已知的压电材料是纤锌矿型AlN(氮化铝)，其可以用于电声谐振器，例如，在BAW谐振器中(BAW＝体声波)。BAW谐振器具有底部电极、在底部电极上方的顶部电极、以及夹在底部电极与顶部电极之间的压电材料。优选地，BAW谐振器的压电材料可以经由薄膜沉积技术来提供。

另一种已知的压电材料是Sc掺杂的AlN(钪掺杂的AlN)。与纯氮化铝相比，Sc掺杂的AlN有可能提供更高的机电耦合系数κ²。

然而，存在对适用于压电器件的替代材料的需求。此外，发现，由于AlScN晶格软化，Sc掺杂会降低对应器件的机械属性，表现为纵向刚度系数C₃₃的降低。

所需要的是一种可以用于多种压电器件的压电材料，该压电材料具有改进的压电属性，特别是增加的机电耦合系数κ²，并且同时具有良好的机械属性，特别是高纵向刚度系数C₃₃，即，不需要使这些性能参数必须具有权衡效果。

为此，提供了根据独立权利要求的压电材料和压电器件。从属权利要求提供优选实施例。

下面，提供用于压电材料的组合物。组合物可以被视为等效的原子数量的公差水平可以是±1原子％或±2原子％。

压电材料包括Al_1-x[(Ag_a,Nb_b,Sc_c)_y]_xN作为其主要成分。a大于或等于0.055并且小于或等于1.33。b大于或等于0.055并且小于或等于1.33。

c大于或等于0。x大于或等于0.03并且小于或等于0.75。

0.001≤a≤0.124和0.001≤b≤0.124也是可能的。

因此，压电材料包括Al(铝)、Ag(银)、Nb(铌)和N(氮)。

此外，该材料可以包括Sc(钪)。

Ag和Nb(以及Sc，如果存在)建立可以替代Al的掺杂剂。y的值被选择以使得掺杂剂可以被视为一个组，在该组中，掺杂剂组的每个原子可以部分替代Al_1-x[(Ag_a,Nb_b,Sc_c)_y]_xN的纤锌矿晶格中的Al。因此，x表示Al原子的掺杂/替换水平。

发现，这种压电材料具有良好的压电属性，诸如良好的机电耦合系数κ²。此外，与具有可比的机电耦合系数κ²的纯AlN或Sc掺杂的AlN相比，具有上述主要成分的压电材料还可以具有更高的刚度，特别是更高的刚度参数C₃₃。

此外，发现，与基于纯AlN或Sc掺杂的AlN的电声谐振器相比，如上所述的压电材料可以允许具有增加的品质因数Q的压电谐振器。因此，具有改进性能的对应RF滤波器或其他压电组件是可能的。

0.03≤x≤0.372是可能的。

掺杂水平x可以选自0.03、0.06、0.0625、0.09、0.12、0.15、0.18、0.21、0.24、0.27、0.30、0.33、0.36、0.39、0.42、0.45、0.48、0.51、0.54、0.57、0.60、0.63、0.66、0.69、0.72和0.75。

主要成分可以是Al_0.875Ag_0.0625Nb_0.0625N。因此，掺杂剂是Ag和Nb。

主要成分可以是Al_0.814Ag_0.062Nb_0.062Sc_0.062N。因此，掺杂剂是Ag、Nb和Sc。

至少25.6(原子％)、31.8(原子％)、38.0％(原子％)、44.2(原子％)、50.4(原子％)、56.6(原子％)、62.8(原子％)、69.0(原子％)、75.2(原子％)、81.4(原子％)、87.6(原子％)、90.8(原子％)、93.8(原子％)、95.8(原子％)、98.0(原子％)可以是Al，而剩余的可以是包含Ag(银)和Nb(铌)的二元掺杂AlN压电材料的组合。

至少25.6(原子％)、30.25(原子％)、34.9％(原子％)、44.2(原子％)、53.5(原子％)、62.8(原子％)、72.1(原子％)、75.4(原子％)、81.4(原子％)、87.4(原子％)、90.7(原子％)、93.8(原子％)、95.35(原子％)、96.28(原子％)、96.9(原子％)可以是Al，而剩余的可以是包含Ag(银)、Nb(铌)和Sc(钪)的二元掺杂AlN压电材料的组合。

上述四元或五元氮化物的组合物提供了良好的机电属性和良好的机械属性，如下表(表1和表2)所示。从头计算(Ab initio)的属性源自密度泛函微扰理论计算。计算与实验之间的比较证明，所提供的计算值可以被视为接近预期实验值，因为已经针对每个组合物示例获取了足够数目的准随机结构(SQS)和中值统计值。

表1

表2

残余成分可以包括由于必要的制造步骤等而可能不可避免的其他原子。

压电器件可以包括如上所述的材料。

这样的器件可以选自

-电声谐振器、SAW谐振器、SAW滤波器、固定安装的反射器，

SMR、BAW谐振器、(SMR-)BAW滤波器、引导BAW(GBAW)谐振器、GBAW滤波器、薄膜体声波(FBAR)谐振器、FBAR滤波器、

-使用兰姆波、声板波(APW)、瑞利SAW(R-SAW)、西沙瓦模式波、横切SAW(SH-SAW)、洛夫模式波、伪表面声波(PSAW)或漏SAW(LSAW)进行工作的器件，

-多路复用器、双工器、四工器、六工器、基于上述类型谐振器中的任何一种的多路复用器、压电发生器、压电传感器、质量传感器、微流体传感器、压电换能器、能量收集器、超声器件、换能器或发射器、压电(MEMS)麦克风、或者利用薄的膜或体陶瓷形式的直接或反向压电效应的类似器件。

SAW滤波器是一种具有至少一个SAW谐振器的RF滤波器。SAW谐振器具有压电材料和叉指电极结构，该叉指电极结构包括在压电材料上并排布置的电极指。每个电极指电连接到两个汇流条之一。当RF信号被施加到汇流条时，由于压电效应，然后电极结构会在RF信号与声波之间进行转换。声波的波长基本上由相同极性的相邻电极指之间的距离决定。建立在压电材料表面处传播的表面波。频率取决于波长和波速。利用这种谐振器，例如作为梯型结构中的串联谐振器和并联谐振器或作为格型结构中的谐振器允许创建例如用于无线通信设备的带通滤波器或带阻滤波器。

在BAW谐振器中，压电材料夹在底部电极与顶部电极之间。SAW谐振器中的声波沿平行于压电材料的表面的方向传播，而在BAW谐振器中，声波沿竖直方向传播。为了将声能限制到谐振器结构，谐振器结构必须在声学上与其环境解耦。相应地，BAW谐振器可以是SMR型谐振器(SMR＝固体安装谐振器)或FBAR型谐振器(FBAR＝薄膜体声波谐振器)。在SMR型谐振器中，谐振器结构布置在由两层或更多层高和低声阻抗组成的声镜上，以用作声学布拉格镜以限制声能。在FBAR型谐振器中，底部电极可以布置在腔体上方以在声学上隔离谐振器结构。

在GBAW滤波器中，电极结构类似于SAW滤波器中的谐振器的结构。然而，声波在压电材料与覆盖层之间的接口处沿纵向方向传播，从而获取波导结构。

带通滤波器可以结合使用(可能与附加阻抗匹配电路结合使用)以建立多路复用器。例如，在双工器中，发射滤波器和接收滤波器组合，以使得待发送的RF信号和待接收的RF信号可以共享公共天线端口，但是分别在分离的信号路径中(即，在发射信号路径和接收信号路径中)传播。相应地，更高级别的多路复用器(例如，四工器)包括附加带通滤波器和附加信号路径。

在能量收集器中，压电材料可以用于将机械能转换为电能，例如以利用从相应器件的环境中获取的机械能来加载电池或电容器。

因此，提供了一种改进的压电材料，其实现了改进的压电器件，尤其是具有改进的品质因数的谐振器器件。

压电器件不限于上述器件。其他器件也是可能的。

在附图中：

图1示出了SAW谐振器的叉指结构的布置。

图2示出了SMR-BAW谐振器的布置；

图3示出了用于建立双工器的电声谐振器的组合；

图4示出了机电耦合系数κ²的计算值与来自实际SMR-BAW谐振器的测量值之间的比较，该SMR-BAW谐振器的压电层由AlN中的不同Sc掺杂水平制成；

图5示出了从SMR-BAW测量的外推机械品质因数(Q_m)与从从头计算获取的值之间的比较，并且示出了Q_m随AlN中Sc的不同掺杂水平变化的速度；

图6示出了对于一系列耦合系数κ²对于具有较高C₃₃的Al_1-xSc_xN(0.0625≤x≤0.31)材料的替代品，C₃₃相对于耦合系数κ²行为的相关性；

图7示出了对于一系列耦合系数κ²对于具有略高C₃₃的Al_1-xSc_xN(0.0625≤x≤0.31)材料的替代品，C₃₃相对于耦合系数κ²行为的相关性。

图1示出了压电材料PM上的电极结构的基本布置，该压电材料PM可以作为单晶压电衬底来提供，或者通过作为薄层而提供的压电材料来提供。电极结构具有叉指结构IDS，该叉指结构IDS包括并排布置的电极指EFI。每个电极指EFI电连接到两个汇流条之一。在图1所示的布置中，声波在压电材料的表面处沿与电极指正交的方向传播。

图2示出了BAW谐振器BAWR的基本结构。BAW谐振器BAWR的压电材料PM夹在底部电极BE与顶部电极TE之间。图2还示出了SMR型谐振器，在该SMR型谐振器中，包括两个电极和压电材料的谐振器结构布置在声镜上。声镜具有镜层ML。相邻镜层ML具有不同声阻抗。在具有不同声阻抗的不同镜层ML之间的接口处，一部分声能被反射使得镜层ML的组合建立布拉格镜以限制声能。

图3示出了组合发射滤波器TXF和接收滤波器RXF以建立双工器的可能性。发射滤波器TXF和接收滤波器RXF包括信号路径，在该信号路径中，串联谐振器SR串联电连接。并联谐振器PR电连接在信号路径与地之间的分流路径中。阻抗匹配电路可以布置在发射滤波器TXF与接收滤波器RXF之间，以在可以连接天线AN的公共端口处提供匹配的频率相关阻抗。

图4示出了测量数据与计算数据之间的比较。曲线(1)示出了耦合因子κ²对不同掺杂水平x的Sc掺杂的AlN(Al_1-xSc_xN)的Sc掺杂水平的实验测量的依赖性。曲线(2)示出了在用于确定Sc掺杂的AlN的理论模型的仿真中进行的计算结果。可以看出，实验基本上验证了从头计算的结果。

类似地，图5示出了测量数据与计算数据之间的比较。曲线(3)示出了源自实验制造的谐振器的阻抗响应的机械品质因数Q_m对Sc掺杂的AlN(Al_1-xSc_xN)的Sc掺杂水平的测量的依赖性。曲线(4)示出了仿真中的计算结果。同样，实验得出的值基本上验证了计算结果。

因此，本组合物所基于的计算是可靠的。

图6示出了Sc掺杂的AlN和Al_0.875Ag_0.0625Nb_0.0625N(对应于表的成分A))的多个参数之间的比较。如曲线(5)所示，不同Sc掺杂的AlN组合物的Sc掺杂水平基本上确定了C₃₃。曲线(6)示出了计算数据点的多项式插值，该多项式插值指示了对于Al_0.875Ag_0.0625Nb_0.0625N的不同准随机结构，C₃₃对κ²的依赖性。Al_0.875Ag_0.0625Nb_0.0625N的不同准随机结构的不同之处在于取代铝原子的每种掺杂剂的确切位置。计算表明，在实际组成中，提供了这些准随机结构的混合物，从而获取了大约0.11的κ²和293.1GPa的C₃₃。因此，与Sc掺杂的AlN基线系统相比，Al_0.875Ag_0.0625Nb_0.0625N的C₃₃大了约7.0GPa，其中κ²非常相似(接近0.10)，而与具有非常相似κ²(接近0.101)的Sc掺杂的AlN基线系统相比，Al_0.875Ag_0.0625Nb_0.0625N的中值的C₃₃小了约1.25GPa(在误差范围内)。

图7示出了Sc掺杂的AlN和Al_0.814Ag_0.062Nb_0.062Sc_0.062N(对应于表的成分B))的多个参数之间的比较。如曲线(7)所示，不同Sc掺杂的AlN组合物的Sc掺杂水平基本上确定了C₃₃。曲线(8)示出了计算数据点的多项式插值，该多项式插值指示了对于Al_0.814Ag_0.062Nb_0.062Sc_0.062N的不同准随机结构，C₃₃对κ²的依赖性。Al_0.814Ag_0.062Nb_0.062Sc_0.062N的不同准随机结构的不同之处在于取代铝原子的每种掺杂剂的确切位置。计算表明，在实际组成中，提供了这些准随机结构的混合物，从而获取了大约0.115的κ²和268.4GPa的C₃₃。因此，Al_0.876Ca_0.062Ru_0.062B_0.124N的C₃₃约为3.8GPa，其中κ²非常相似(接近0.12)。

附图标记列表

AN：天线

BAWR：BAW谐振器

BE：底部电极

DU：双工器

EFI：电极指

IDS：指叉电极结构

ML：声镜层

PM：压电材料

PR：并联谐振器

RXF：接收滤波器

SAWR：SAW谐振器

SR：串联谐振器

TE：顶部电极

TXF：发射滤波器

Claims

1.一种压电材料，包括：

Al_1-x[(Ag_a,Nb_b,Sc_c)_y]_xN作为其主要成分，

其中

0.055≤a≤1.33或0.001≤a≤0.124，

0.055≤b≤1.33或0.001≤b≤0.124，

0≤c，

y＝1/(a+b+c)，

0.03≤x≤0.75。

2.根据前述权利要求所述的压电材料，其中

0.001≤a≤0.124，

0.001≤b≤0.124，

0.03≤x≤0.372。

3.根据前述权利要求之一所述的压电材料，

其中x选自0.03、0.06、0.0625、0.09、0.12、0.15、0.18、0.21、0.24、0.27、0.30、0.33、0.36、0.39、0.42、0.45、0.48、0.51、0.54、0.57、0.60、0.63、0.66、0.69、0.72和0.75。

4.根据权利要求1所述的压电材料，

其中所述主要成分是Al_0.875Ag_0.0625Nb_0.0625N。

5.根据权利要求1所述的压电材料，

其中所述主要成分是Al_0.814Ag_0.062Nb_0.062Sc_0.062N。

6.根据前述权利要求中任一项所述的压电材料，其中在所述主要成分中，至少25.6(原子％)、31.8(原子％)、38.0％(原子％)、44.2(原子％)、50.4(原子％)、56.6(原子％)、62.8(原子％)、69.0(原子％)、75.2(原子％)、81.4(原子％)、87.6(原子％)、90.8(原子％)、93.8(原子％)、95.8(原子％)、98.0(原子％)是Al，而剩下的是包含Ag(银)和Nb(铌)的二元掺杂AlN压电材料的组合。

7.根据前述权利要求中任一项所述的压电材料，其中在所述主要成分中，至少25.6(原子％)、30.25(原子％)、34.9％(原子％)、44.2(原子％)、53.5(原子％)、62.8(原子％)、72.1(原子％)、75.4(原子％)、81.4(原子％)、87.4(原子％)、90.7(原子％)、93.8(原子％)、95.35(原子％)、96.28(原子％)、96.9(原子％)是Al，而剩下的是包含Ag(银)、Nb(铌)和Sc(钪)的二元掺杂AlN压电材料的组合。

8.一种压电器件，包括根据前述权利要求之一所述的材料。

9.根据前述权利要求所述的压电器件，所述器件选自：

-电声谐振器、SAW谐振器、SAW滤波器、固定安装的反射器，

SMR、BAW谐振器、(SMR-)BAW滤波器、引导BAW(GBAW)谐振器、GBAW滤波器、薄膜体声波(FBAR)谐振器、FBAR滤波器，

-多路复用器、双工器、四工器、六工器、基于以上类型谐振器中的任何一种的多路复用器、压电发生器、压电传感器、质量传感器、微流体传感器、压电换能器、能量收集器、超声器件、换能器或发射器、压电(MEMS)麦克风、或者利用薄的膜或体陶瓷形式的直接或反向压电效应的类似器件。