CN113497593A - 单晶体声波谐振器、滤波器及电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及体声波谐振器，包括：基底；声学镜；底电极；顶电极；和单晶压电层，设置在底电极与顶电极之间，其中：压电层的下表面与基底的上表面之间设置有支撑结构，压电层与基底大体平行布置；底电极的非电极连接端埋设在支撑层中，埋设在支撑层中的底电极在平行于谐振器的厚度方向的上下方向上分别与压电层与支撑层面接触。本发明还涉及一种滤波器以及一种电子设备。

Description

单晶体声波谐振器、滤波器及电子设备
技术领域
本发明的实施例涉及半导体领域，尤其涉及一种单晶体声波谐振器，一种具有该谐振器的滤波器，以及一种电子设备。
背景技术
电子器件作为电子设备的基本元素，已经被广泛应用，其应用范围包括移动电话、汽车、家电设备等。此外，未来即将改变世界的人工智能、物联网、5G通讯等技术仍然需要依靠电子器件作为基础。
薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，简称FBAR，又称为体声波谐振器，也称BAW)作为压电器件的重要成员正在通信领域发挥着重要作用，特别是FBAR滤波器在射频滤波器领域市场占有份额越来越大，FBAR具有尺寸小、谐振频率高、品质因数高、功率容量大、滚降效应好等优良特性，其滤波器正在逐步取代传统的声表面波(SAW)滤波器和陶瓷滤波器，在无线通信射频领域发挥巨大作用，其高灵敏度的优势也能应用到生物、物理、医学等传感领域。
薄膜体声波谐振器的结构主体为由底电极-压电薄膜或压电层-顶电极组成的“三明治”结构，即两层金属电极层之间夹一层压电材料。通过在两电极间输入正弦信号，FBAR利用逆压电效应将输入电信号转换为机械谐振，并且再利用压电效应将机械谐振转换为电信号输出。
基于制造工艺的限制，例如底电极的非电极连接端的存在，会使得体声波谐振器的压电层并非平坦结构，这不利于提高谐振器的性能。
基于支撑结构的单晶体声波谐振器可以克服压电层存在台阶的问题。然而，当声学镜为空腔时，由于空气的导热系数很差，热量往往只能够通过谐振器的基底耗散，谐振器上从距离基底最远处(即有效谐振区域的中心位置)到基底边缘形成一个自高向低的温度梯度，热量不能及时导出将造成谐振器过热失效。谐振器散热能力与谐振器的功率容量直接相关。支撑结构位于谐振器三明治结构与基底之间，谐振器的产生的热量能否迅速传导至基底中很大程度上由支撑结构的材料决定，因此基于支撑结构的单晶体声波谐振器的功率容量受到支撑结构的影响。因此，现实中存在提高该谐振器的散热性能从而提高谐振器的功率容量的需求。
发明内容
为缓解或解决现有技术中的上述问题的至少一个方面，提出本发明。
根据本发明的实施例的一个方面，提出了一种体声波谐振器，包括：
基底；
声学镜；
底电极；
顶电极；和
单晶压电层，设置在底电极与顶电极之间，
其中：
压电层的下表面与基底的上表面之间设置有支撑结构，压电层与基底大体平行布置；
底电极的非电极连接端埋设在支撑层中，埋设在支撑层中的底电极在平行于谐振器的厚度方向的上下方向上分别与压电层与支撑层面接触。
本发明的实施例还涉及一种体声波谐振器，其包括：
基底；
声学镜；
底电极；
顶电极；和
单晶压电层，设置在底电极与顶电极之间，
其中：
压电层的下表面与基底的上表面之间设置有支撑结构，压电层与基底大体平行布置；
所述底电极的非电极连接端与所述压电层面接触的底电极接触边界，在水平方向上处于声学镜边界的内侧，且与声学镜边界之间在水平方向上的距离不大于20μm。
本发明的实施例还涉及一种滤波器，包括上述的体声波谐振器。
本发明的实施例也涉及一种电子设备，包括上述的滤波器或者上述的谐振器。
附图说明
以下描述与附图可以更好地帮助理解本发明所公布的各种实施例中的这些和其他特点、优点，图中相同的附图标记始终表示相同的部件，其中：
图1A-1C分别为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的俯视示意图、沿图1A中的AA’线的示意性截面图以及沿图1A中的BB’线的示意性截面图；
图2A-2C为根据本发明的另一示例性实施例的体声波谐振器的俯视示意图、沿图2A中的AA’线的示意性截面图以及沿图2A中的BB’线的示意性截面图；
图3A-3C为根据本发明的再一示例性实施例的体声波谐振器的俯视示意图、沿图3A中的AA’线的示意性截面图以及沿图3A中的BB’线的示意性截面图；
图4A-4C为根据本发明的还一示例性实施例的体声波谐振器的俯视示意图、沿图4A中的AA’线的示意性截面图以及沿图4A中的BB’线的示意性截面图；
图5A-5C为根据本发明的还一示例性实施例的体声波谐振器的俯视示意图、沿图5A中的AA’线的示意性截面图以及沿图5A中的BB’线的示意性截面图，其中示出了绝缘层。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。发明的一部分实施例，而并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出一种体声波谐振器的结构，该结构有利于在谐振器工作时将产生的热量能够及时导出，从而提高谐振器的功率容量。更具体的，本发明通过优化顶电极、底电极的非电极连接端与声学镜空腔的边缘或边界的位置关系，来增强谐振器的有效区域向支撑层的热传导，以有利于谐振器有效区域的冷却，提高谐振器的功率容量。
下面参照图1A-1C直至图4A-4C具体说明本发明的实施例。
本发明的附图中的附图标记示例性说明如下：
100：基底，具体材料可选为硅、碳化硅、蓝宝石、二氧化硅，或其他硅基材料。
110：支撑层，材料可以为氮化铝、氮化硅、碳化硅、多晶硅、单晶硅、二氧化硅、无定形硅、掺杂二氧化硅等，或者所述支撑层材料的导热系数不小于0.2W/cm·K。
112：声学镜，可为空腔，也可采用布拉格反射层及其他等效形式。本发明所示的实施例中采用的是空腔。
120：单晶压电层，可选单晶氮化铝、单晶氮化镓、单晶铌酸锂、单晶锆钛酸铅、单晶铌酸钾、单晶石英薄膜、或者单晶钽酸锂等材料，还可包含上述材料的一定原子比的稀土元素掺杂材料，例如可以是掺杂氮化铝，掺杂氮化铝至少含一种稀土元素，如钪(Sc)、钇(Y)、镁(Mg)、钛(Ti)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)等。
122：释放孔，用于释放声学镜空腔中的牺牲层材料。
130：底电极，材料可选钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金等。
140：顶电极，材料可选钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金等。顶电极的材料可以与底电极的材料相同或不同。
150：绝缘层，起到电绝缘的作用，例如二氧化硅、氮化硅、碳化硅、蓝宝石中的一种，或者所述绝缘层的材料的导热系数不小于0.2W/cm·K。
电极材料的导热性能通常较好，谐振器产生的热量主要通过底电极130传至支撑层110，然后传至基底100耗散掉。当热量传输效率较高时，谐振器能承受的功率容量也较高。因此，在本发明中，通过安排顶电极与底电极的位置，来优化热传导。
图1A-1C分别为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的俯视示意图、沿图1A中的AA’线的示意性截面图以及沿图1A中的BB’线的示意性截面图。
底电极130与空腔112的位置关系，如图1A-1C所示，底电极130的电极连接端延伸到空腔112之外，其非电极连接端如图1B所示延伸至空腔112之外，使底电极130的尺寸大于空腔112，且底电极130与支撑层110的接触。换言之，在图1A-1C所示的实施例中，底电极130的非电极连接端埋设在支撑层110中，埋设在支撑层中的底电极在平行于谐振器的厚度方向的上下方向上分别与压电层120与支撑层110面接触。采用图1A-1C的结构，可以使谐振器上产生的热量能够高效的传至支撑层110及基底100，以提高谐振器的功率容量。
如图1B所述，顶电极140的非电极连接端与声学镜边界在水平方向上存在距离w1，w1的值可以依据需要选定，在本发明的一个实施例中，w1不大于20μm，进一步的，不大于10μm。
图2A-2C分别为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的俯视示意图、沿图2A中的AA’线的示意性截面图以及沿图2A中的BB’线的示意性截面图。
图2A-2C所示结构与图1A-1C的区别在于，在图2A-2C中，顶电极140的非电极连接端也可以在水平方向上处于声学镜边界的外侧。
图3A-3C分别为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的俯视示意图、沿图3A中的AA’线的示意性截面图以及沿图3A中的BB’线的示意性截面图。
如图3A-3C所示，底电极130的非电极连接端的边缘与空腔边界在水平方向上存在一个空气间隙，该间隙的宽度为w2。此时，热量需要穿过空气间隙传至基底，为实现高效的热量传递，w2不大于20μm，进一步的，不大于10μm。换言之，在图3A-3C所示的实施例中，底电极130的非电极连接端在水平方向上处于声学镜112边界的内侧(在本发明中，包含了底电极的非电极连接端与声学镜边界齐平的情况)，且与声学镜112边界之间在水平方向上的距离不大于20μm，进一步的，不大于10μm。
如图3B所示，顶电极的电极非连接端在水平方向上也处于声学镜边界的外侧。但是，本发明不限于此。
图4A-4C分别为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的俯视示意图、沿图4A中的AA’线的示意性截面图以及沿图4A中的BB’线的示意性截面图。图4A-4C所示结构与图3A-3C所示结构的区别在于，在图4A-4C中，顶电极的非电极连接端在水平方向上处于声学镜边界的内侧且两者之间间隔开一个距离w1。
在本发明中，基于POI(Piezoelectrics on Insulator，绝缘体上的单晶压电层)衬底制作体声波谐振器。POI衬底包括辅助衬底、单晶压电层以及设置在单晶压电层与辅助衬底之间的绝缘层。
在谐振器转移加工过程中，绝缘层能够更好的保护单晶压电薄膜(即单晶压电层)，从而可以减小甚至避免后续去除辅助衬底的过程中对单晶压电薄膜的损伤，减小甚至避免对压电薄膜的表面损伤，以得到性能优异的体声波谐振器。另外，绝缘层的存在，也有利于辅助衬底去除方案的多样化，简化器件加工工艺。
图5A-5C为根据本发明的示例性实施例的体声波谐振器的俯视示意图、沿图5A中的AA’线的示意性截面图以及沿图5A中的BB’线的示意性截面图，其中示出了压电层的上表面的至少一部分设置有绝缘层150(其为POI中的绝缘层的一部分)。如图5A-5C所示，在更具体的实施例中，在顶电极140的处于有效区域之外的部分对应的区域，绝缘层150至少设置在顶电极140与压电层120之间。
为便于导热，所述绝缘层150的材料选自二氧化硅、氮化硅、碳化硅、蓝宝石中的一种，或者所述绝缘层的材料的导热系数不小于0.2W/cm·K。
在本发明的一个具体的实施例中，压电层为单晶铌酸锂压电层或单晶钽酸锂压电层。
在本发明的一个更具体的实施例中，基底为硅基底，支撑层为氮化硅层，压电层为铌酸锂单晶压电层，顶电极和底电极为钼电极。这样的材料组合，基于本发明的技术方案，可以获得更好的散热效果。
需要指出的是，在本发明中，各个数值范围，除了明确指出不包含端点值之外，除了可以为端点值，还可以为各个数值范围的中值，这些均在本发明的保护范围之内。
在本发明中，上和下是相对于谐振器的基底的底面而言的，对于一个部件，其靠近该底面的一侧为下侧，远离该底面的一侧为上侧。
在本发明中，内和外是相对于谐振器的有效区域(压电层、顶电极、底电极和声学镜在谐振器的厚度方向上的重叠区域构成有效区域)的中心(即有效区域中心)在横向方向或者径向方向上而言的，一个部件的靠近有效区域中心的一侧或一端为内侧或内端，而该部件的远离有效区域中心的一侧或一端为外侧或外端。对于一个参照位置而言，位于该位置的内侧表示在横向方向或径向方向上处于该位置与有效区域中心之间，位于该位置的外侧表示在横向方向或径向方向上比该位置更远离有效区域中心。
如本领域技术人员能够理解的，根据本发明的体声波谐振器可以用于形成滤波器或电子设备。
基于以上，本发明提出了如下技术方案：
1、一种体声波谐振器，包括：
基底；
声学镜；
底电极；
顶电极；和
单晶压电层，设置在底电极与顶电极之间，
其中：
压电层的下表面与基底的上表面之间设置有支撑结构，压电层与基底大体平行布置；
底电极的非电极连接端埋设在支撑层中，埋设在支撑层中的底电极在平行于谐振器的厚度方向的上下方向上分别与压电层与支撑层面接触。
2、根据1所述的谐振器，其中：
所述顶电极的非电极连接端与所述压电层面接触的顶电极接触边界在水平方向上处于声学镜边界的内侧，且与声学镜边界在水平方向上的距离不大于20μm。
3、根据2所述的谐振器，其中：
所述顶电极接触边界与声学镜边界在水平方向上的距离不大于10μm。
4、根据1所述的谐振器，其中：
所述顶电极的非电极连接端与所述压电层面接触的顶电极接触边界在水平方向上处于声学镜边界的外侧。
5、根据1所述的谐振器，其中：
所述声学镜为声学镜空腔。
6、根据1所述的谐振器，其中：
顶电极和/或底电极为平直电极；或者
顶电极和/或底电极非电极连接端设置有悬翼结构或桥结构。
7、一种体声波谐振器，包括：
基底；
声学镜；
底电极；
顶电极；和
单晶压电层，设置在底电极与顶电极之间，
其中：
压电层的下表面与基底的上表面之间设置有支撑结构，压电层与基底大体平行布置；
所述底电极的非电极连接端与所述压电层面接触的底电极接触边界，在水平方向上处于声学镜边界的内侧，且与声学镜边界之间在水平方向上的距离不大于20μm。
8、根据7所述的谐振器，其中：
所述底电极接触边界与声学镜边界之间在水平方向上的距离不大于10μm。
9、根据7所述的谐振器，其中：
所述顶电极的非电极连接端与所述压电层面接触的顶电极接触边界在水平方向上处于声学镜边界的内侧，且与声学镜边界在水平方向上的距离不大于20μm。
10、根据9所述的谐振器，其中：
所述顶电极接触边界与声学镜边界在水平方向上的距离不大于10μm。
11、根据7所述的谐振器，其中：
所述顶电极的非电极连接端与所述压电层面接触的顶电极接触边界在水平方向上处于声学镜边界的外侧。
12、根据7所述的谐振器，其中：
所述声学镜为声学镜空腔。
13、根据12所述的谐振器，其中：
所述声学镜空腔为凹入到支撑层内的形状，且声学镜空腔的下边界由所述支撑层限定。
14、根据7所述的谐振器，其中：
顶电极和/或底电极为平直电极；或者
顶电极和/或底电极非电极连接端设置有悬翼结构或桥结构。
15、根据1-14中任一项所述的谐振器，其中：
声学镜、底电极、压电层和顶电极在谐振器的厚度方向上的重合区域构成谐振器的有效区域；
在有效区域之外，所述压电层的上表面的至少一部分设置有绝缘层。
16、根据15所述的谐振器，其中：
在顶电极的处于有效区域之外的部分对应的区域，所述绝缘层至少设置在顶电极的下表面与压电层的上表面之间；
所述绝缘层的材料选自二氧化硅、氮化硅、碳化硅、蓝宝石中的一种，或者所述绝缘层的材料的导热系数不小于0.2W/cm·K。
17、根据1-14中任一项所述的谐振器，其中：
压电层为单晶铌酸锂压电层或单晶钽酸锂压电层。
18、根据1-14中任一项所述的谐振器，其中：
所述支撑结构的材料选自氮化铝、氮化硅、碳化硅、多晶硅、单晶硅、二氧化硅、无定形硅、掺杂二氧化硅中的一种，或者所述支撑结构的材料的导热系数不小于0.2W/cm·K
19、一种滤波器，包括根据1-18中任一项所述的体声波谐振器。
20、一种电子设备，包括根据19所述的滤波器，或者根据1-18中任一项所述的体声波谐振器。
这里的电子设备，包括但不限于射频前端、滤波放大模块等中间产品，以及手机、WIFI、无人机等终端产品。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (20)

1.一种体声波谐振器，包括：
基底；
声学镜；
底电极；
顶电极；和
单晶压电层，设置在底电极与顶电极之间，
其中：
压电层的下表面与基底的上表面之间设置有支撑结构，压电层与基底大体平行布置；
底电极的非电极连接端埋设在支撑层中，埋设在支撑层中的底电极在平行于谐振器的厚度方向的上下方向上分别与压电层与支撑层面接触。
2.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
所述顶电极的非电极连接端与所述压电层面接触的顶电极接触边界在水平方向上处于声学镜边界的内侧，且与声学镜边界在水平方向上的距离不大于20μm。
3.根据权利要求2所述的谐振器，其中：
所述顶电极接触边界与声学镜边界在水平方向上的距离不大于10μm。
4.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
所述顶电极的非电极连接端与所述压电层面接触的顶电极接触边界在水平方向上处于声学镜边界的外侧。
5.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
所述声学镜为声学镜空腔。
6.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
顶电极和/或底电极为平直电极；或者
顶电极和/或底电极非电极连接端设置有悬翼结构或桥结构。
7.一种体声波谐振器，包括：
基底；
声学镜；
底电极；
顶电极；和
单晶压电层，设置在底电极与顶电极之间，
其中：
压电层的下表面与基底的上表面之间设置有支撑结构，压电层与基底大体平行布置；
所述底电极的非电极连接端与所述压电层面接触的底电极接触边界，在水平方向上处于声学镜边界的内侧，且与声学镜边界之间在水平方向上的距离不大于20μm。
8.根据权利要求7所述的谐振器，其中：
所述底电极接触边界与声学镜边界之间在水平方向上的距离不大于10μm。
9.根据权利要求7所述的谐振器，其中：
所述顶电极的非电极连接端与所述压电层面接触的顶电极接触边界在水平方向上处于声学镜边界的内侧，且与声学镜边界在水平方向上的距离不大于20μm。
10.根据权利要求9所述的谐振器，其中：
所述顶电极接触边界与声学镜边界在水平方向上的距离不大于10μm。
11.根据权利要求7所述的谐振器，其中：
所述顶电极的非电极连接端与所述压电层面接触的顶电极接触边界在水平方向上处于声学镜边界的外侧。
12.根据权利要求7所述的谐振器，其中：
所述声学镜为声学镜空腔。
13.根据权利要求12所述的谐振器，其中：
所述声学镜空腔为凹入到支撑层内的形状，且声学镜空腔的下边界由所述支撑层限定。
14.根据权利要求7所述的谐振器，其中：
顶电极和/或底电极为平直电极；或者
顶电极和/或底电极非电极连接端设置有悬翼结构或桥结构。
15.根据权利要求1-14中任一项所述的谐振器，其中：
声学镜、底电极、压电层和顶电极在谐振器的厚度方向上的重合区域构成谐振器的有效区域；
在有效区域之外，所述压电层的上表面的至少一部分设置有绝缘层。
16.根据权利要求15所述的谐振器，其中：
在顶电极的处于有效区域之外的部分对应的区域，所述绝缘层至少设置在顶电极的下表面与压电层的上表面之间；
所述绝缘层的材料选自二氧化硅、氮化硅、碳化硅、蓝宝石中的一种，或者所述绝缘层的材料的导热系数不小于0.2W/cm·K。
17.根据权利要求1-14中任一项所述的谐振器，其中：
压电层为单晶铌酸锂压电层或单晶钽酸锂压电层。
18.根据权利要求1-14中任一项所述的谐振器，其中：
所述支撑结构的材料选自氮化铝、氮化硅、碳化硅、多晶硅、单晶硅、二氧化硅、无定形硅、掺杂二氧化硅中的一种，或者所述支撑结构的材料的导热系数不小于0.2W/cm·K。
19.一种滤波器，包括根据权利要求1-18中任一项所述的体声波谐振器。
20.一种电子设备，包括根据权利要求19所述的滤波器，或者根据权利要求1-18中任一项所述的体声波谐振器。
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