CN114244311A - 一种声表面波谐振器及滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种声表面波谐振器及滤波器，该谐振器包括：依次层叠设置的支撑层、能量陷阱层、温度补偿层、压电层和叉指换能器层；叉指换能器层包括多个叉指换能器，压电层的材料包括X‑40Y铌酸锂，支撑层的声体波传播速度大于压电层的声表面波传播速度，能量陷阱层用于捕获支撑层表面的寄生电荷以提高声表面波谐振器的Q值。本发明实施例对谐振器压电层和支撑层进行改进，X‑40Y铌酸锂传播声波的速度较高，使得谐振器工作频率大幅提升，达到5G及5G以上频率；支撑层声体波传播速度大于压电层声表面波传播速度，能量被限制在表面，不会产生体波泄漏，从而减小器件损耗；能量陷阱层可以提高Q值来增强声表面波谐振器的稳定性。
Description
技术领域
本发明实施例涉及声表面波技术领域，尤其涉及一种声表面波谐振器及滤波器。
背景技术
随着通信技术从2G发展至5G，通信频段数目逐步增加(从2G的4个频段上升到5G的50余个频段)。为了提高智能手机对不同通信制式的兼容能力，5G智能手机所需要的滤波器用量将显著上升，推动滤波器市场大规模增长。目前无线通信终端中广泛应用的射频滤波器是声表面波滤波器，负责接收和发射通道的射频信号，将输入的多种射频信号中特定频率的信号输出。由于5G通信的到来，声表面波滤波器被要求工作在更高的频率。
目前，声表面波器件的工作频率一般在3GHz以下，即使利用超级高性能(Incredible High Performance，IHP)声表面波结构，频率也最多达到3.5GHz左右，无法在更高的频率(比如5GHz)下工作。因此，如何提高声表面波滤波器的工作频率和带宽成为了目前必须要解决的问题。
发明内容
本发明提供一种声表面波谐振器及滤波器，以实现提高声表面波谐振器的工作频率和带宽，从而提高声表面波滤波器的工作频率和带宽。
第一方面，本发明实施例提供了一种声表面波谐振器，该声表面波谐振器包括：
依次层叠设置的支撑层、能量陷阱层、温度补偿层、压电层和叉指换能器层；
其中，所述叉指换能器层包括多个叉指换能器，所述压电层的材料包括X-40Y铌酸锂，所述支撑层的声体波传播速度大于所述压电层的声表面波传播速度，所述能量陷阱层用于捕获支撑层表面的寄生电荷以提高所述声表面波谐振器的Q值。
可选地，所述能量陷阱层的材料包括多晶硅材料。
可选地，所述能量陷阱层的厚度包括500纳米-1000纳米。
可选地，所述支撑层的材料包括金刚石或碳化硅。
可选地，所述温度补偿层的材料包括二氧化硅、二氧化锗或氟氧化硅。
可选地，所述温度补偿层和所述压电层的厚度和小于或等于0.4λ，其中，λ为声表面波波长。
可选地，所述叉指换能器的厚度包括0.02λ-0.07λ，其中，λ为声表面波波长。
可选地，所述叉指换能器的材料包括钛、铬、铜、银和铝中的至少一种。
可选地，所述支撑层的厚度包括200微米-300微米。
第二方面，本发明实施例还提供了一种声表面波滤波器，该滤波器包括至少两个本发明任意实施例所提供的声表面波谐振器。
本发明实施例主要对声表面波谐振器的压电层以及支撑层进行改进，由于X-40Y铌酸锂的传播声波的速度较高，使得谐振器的工作频率可以大幅提升，达到5G甚至5G以上频率；支撑层的声表面波传播速度大于压电层的声表面波传播速度，能量可以被限制在表面，不会产生体波泄漏，从而减小器件损耗；温度补偿层能够降低温度变化对谐振器谐振频率的影响，从而提高谐振器的稳定性；本发明实施例还增加了能量陷阱层，通过利用能量陷阱层捕获支撑层表面的寄生电荷，以提高声表面波谐振器的Q值与稳定性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种声表面波谐振器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种膜层过厚出现杂波的示意图；
图3是本发明实施例提供的支撑层采用硅、温度补偿层采用二氧化硅组合的仿真导纳曲线图；
图4是本发明实施例提供的支撑层为碳化硅时的仿真导纳曲线；
图5是本发明实施例提供的支撑层为金刚石时的仿真导纳曲线；
图6是本发明实施例提供的另一种声表面波谐振器的结构示意图；
图7是本发明实施例提供的两种不同结构的声表面波谐振器的仿真导纳曲线对比图。
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。
图1是本发明实施例提供的一种声表面波谐振器的结构示意图，本发明实施例可应用于制作高频大带宽(5GHz)声表面波器件，参考图1，该声表面波谐振器包括：依次层叠设置的支撑层101、能量陷阱层102、温度补偿层103、压电层104和叉指换能器层105；其中，叉指换能器层105包括多个叉指换能器1051，压电层104的材料包括X-40Y铌酸锂，支撑层101的声体波传播速度大于压电层104的声表面波传播速度，能量陷阱层102用于捕获支撑层101表面的寄生电荷，以提高声表面波谐振器的Q值。
目前，声表面波滤波器一般工作在3GHz以下，出现这种问题的原因在于压电层声速有限，频率再往上提升时，一方面，电极电阻增大导致器件损耗增大，另一方面，高频器件对光刻工艺要求更高，甚至光刻工艺无法满足需求。考虑到上述两方面的问题，若想得到高频声表面波器件，必须提高压电层的声表面波速。采用X-40Y铌酸锂制作压电层104，该切角下的铌酸锂激发的波为A1型兰姆波，声速能达到6000m/s，可以很好的解决上述问题，使器件的工作频率达到5GHz。
并且经激光探针研究证实，X-40Y铌酸锂具有优良的漏声表面波特性，其漏声表面波机电耦合系数大且传播损耗较低。X-40Y铌酸锂切割加工更方便可靠，有效满足表面波谐振器的制作要求。
支撑层101若继续采用传统硅作，由于硅的体波速度与X-40Y铌酸锂的声表面波速度相当，则会产生大量的体声波泄漏，无法利用该结构制作高频器件。所以采用体波声速较高的材料作为支撑层101。由于支撑层101的声体波传播速度大于压电层104的声表面波传播速度，能量可以很好的被限制在表面。
品质因素Q值是周期存储能量与周期损失能量的比值，在声表面波谐振器中，Q值越大其高频状态下的稳定度就越高。在声表面波谐振器的表面施加电压后，支撑层101的表面会形成大量寄生电荷，导致支撑层101的有效电阻率不断降低，从而影响谐振器的Q值。因此，本实施例通过在支撑层101的表面制备一层能量陷阱层102，能量陷阱层102可以捕获这些寄生电荷，从而抑制了有效电阻率的下降，能量可以更好的被抑制在支撑层101里面，提高谐振器的Q值。
声表面波谐振器的谐振频率会受到外界环境温度的影响而产生漂移，对于声表面波谐振器而言，这种温度-频率漂移特性会导致其中心频率、插入损耗、带内纹波等性能发生变化，降低其在电学应用中的可靠性。
在能量陷阱层102的表面通过等离子体增强化学气相沉积法的方式或者采用热氧化方式生长一层温度补偿材料形成温度补偿层103，最后采用化学机械平坦化处理温度补偿层103。在声表面波谐振器的能量陷阱层102和压电层104之间增设温度补偿层103，温度补偿层103能够避免温度变化对谐振器的谐振频率的影响，使得谐振器的稳定性得以显著改善。
在温度补偿层103表面形成压电层104，压电层104通过键合的方式形成，压电层104材料可以是LiNbO3(铌酸锂)，其中LiNbO3切角是X-40Y。在压电层104表面通过电子束蒸发、等离子体、磁控溅射等方式在其表面沉积金属膜用于形成叉指换能器1051。
本发明实施例通过对声表面波谐振器的压电层以及支撑层进行改进，由于X-40Y铌酸锂的传播声波的速度较高，使得谐振器的工作频率可以大幅提升，达到5G甚至5G以上频率；支撑层的声体波传播速度大于压电层的声表面波传播速度，能量可以被限制在表面，不会产生体波泄漏，从而减小器件损耗；通过设置温度补偿层，可以降低温度变化对谐振器谐振频率的影响，从而提高谐振器的稳定性；并且本发明实施例还增加了能量陷阱层，通过利用能量陷阱层捕获支撑层表面的寄生电荷，以提高声表面波谐振器的Q值。
继续参考图1，可选地，能量陷阱层102的材料包括多晶硅材料。
其中，能量陷阱层102的材料可以为多晶硅材料，在高温熔融状态下，多晶硅材料具有较大的化学活泼性，几乎能与任何材料相互作用，具有半导体性质，是极为重要的优良半导体材料。能量陷阱层102采用多晶硅材料，由于多晶硅的缺陷非常多，可以更好的捕获寄生电荷，从而更好的抑制有效电阻的下降，能量更好的被抑制在支撑层101表面。
继续参考图1，可选地，能量陷阱层102的厚度包括500纳米-1000纳米。
其中，能量陷阱层102的厚度为500纳米-1000纳米可以更好的捕获寄生电荷。
继续参考图1，可选地，支撑层101的材料包括金刚石或碳化硅。
其中，支撑层101的材料可以为金刚石或碳化硅，第一方面，金刚石和碳化硅具有化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、具有优良的导热性能，高温时能抗氧化等优点。第二方面，金刚石和碳化硅取材方便，成本较低，加工工艺成熟，便于批量生产。
继续参考图1，可选地，温度补偿层103和压电层104的厚度和小于或等于0.4λ，其中，λ为声表面波波长。
具体的，图2是本发明实施例提供的一种膜层过厚出现杂波的示意图，参考图1和图2，发明人通过研究发现温度补偿层103和压电层104的厚度和大于0.4λ时会出现杂波，影响谐振器的性能。本实施例通过设置温度补偿层103和压电层104的厚度和小于或等于0.4λ，避免出现杂波，提升了谐振器的性能。
压电层104的厚度主要影响谐振器的带宽，当压电层104厚度从0.1λ增加至0.3λ时，谐振器的带宽从8.2％增加到12％。温度补偿层103的厚度主要对谐振器频率产生影响，当温度补偿层103越厚时，频率会越低。温度补偿层103厚度变化对声谐振器的带宽影响较小，但会影响谐振器的传动损耗值。因此，可以根据对谐振器的频率和带宽需求选择压电层104和温度补偿层103的具体厚度。
继续参考图1，可选地，温度补偿层103的材料包括二氧化硅、二氧化锗或氟氧化硅。
其中，温度补偿层103的材料可以是二氧化硅、二氧化锗或氟氧化硅。二氧化硅、二氧化锗、氟氧化硅的物理性质和化学性质均十分稳定，并且来源广泛、投入成本低、制造工艺比较成熟、适合批量生产。
示例性的，下面对谐振器的支撑层采用硅、温度补偿层采用二氧化硅、压电层采用X-40Y铌酸锂的组合结构进行仿真。具体结构参数：波长λ为1um，叉指换能器层厚度为0.05λ，压电层厚度为0.2λ，温度补偿层厚度为0.15λ。图3是本发明实施例提供的支撑层采用硅、温度补偿层采用二氧化硅组合的仿真导纳曲线图，参考图3，图3的横轴表示频率，纵轴表示dB，深线表示导纳曲线，浅线表示导纳实部曲线，从图3中可以看出，该结构用作高频器件时，体波泄漏非常严重，谐振器相对带宽也不够，大约为3％。
上述谐振器支撑层采用硅，而硅的声体波速度太低导致声波泄漏严重，现将支撑层的材料硅更换为声体波速度更高的金刚石或碳化硅，其他结构参数保持一致。图4是本发明实施例提供的支撑层为碳化硅时的仿真导纳曲线，图5是本发明实施例提供的支撑层为金刚石时的仿真导纳曲线，参考图4和图5，图4和图5的横轴表示频率，纵轴表示dB，深线表示导纳曲线，浅线表示导纳实部曲线，从图中可以看出谐振器频率可达6GHz，谐振器相对带宽也超过10％，所以可以利用支撑层为金刚石或碳化硅制作高频大带宽器件。
图6是本发明实施例提供的另一种声表面波谐振器的结构示意图，参考图6，图6中的支撑层101采用碳化硅、能量陷阱层102采用多晶硅、压电层104采用X-40Y铌酸锂，该结构参数：波长λ为1um，叉指换能器层105厚度为0.05λ，压电层104厚度为0.35λ。将上述结构进行仿真，将得到的导纳曲线与图1中压电层104采用X-40Y铌酸锂、温度补偿层103采用二氧化硅、能量陷阱层102采用多晶硅、支撑层101采用碳化硅构成的结构进行对比，得到仿真导纳曲线图。
图7是本发明实施例提供的两种不同结构的声表面波谐振器的仿真导纳曲线对比图，参考图7，图7中的横轴表示频率，纵轴表示dB，实线表示支撑层采用碳化硅、能量陷阱层采用多晶硅、温度补偿层采用二氧化硅、压电层采用X-40Y铌酸锂构成的结构，虚线表示支撑层采用碳化硅、能量陷阱层采用多晶硅、压电层采用X-40Y铌酸锂构成的结构。从图7可以看出：当没有温度补偿层时，体波峰离通带太近，在制作滤波器时有可能影响通带性能；而增加温度补偿层后，体波峰离通带较远，落到通带外，不会影响器件的通带性能。
再对比两者的相对带宽，具体计算公式为：
其中，fr表示谐振点的频率，fa表示反谐振点的频率。经计算可知，没有温度补偿层的结构相对带宽为10.5％，有温度补偿层的结构相对带宽为11.4％；可见压电层采用X-40Y铌酸锂、温度补偿层采用二氧化硅、支撑层采用碳化硅制作的器件带宽更宽，同时高端杂波也得到有效的改善，由于温度补偿层的引入，器件的温度系数也表现出更佳优越的性能。
继续参考图1，可选地，叉指换能器1051的厚度包括0.02λ-0.07λ，其中，λ为声表面波波长。
继续参考图1，可选地，叉指换能器1051的材料包括钛、铬、铜、银和铝中的至少一种。
其中，叉指换能器1051就是在压电基片表面上形成形状像两只手的手指交叉状的金属图案，它的作用是实现声-电换能。叉指换能器1051的材料可以是钛、铬、铜、银、铝中的一种或者它们的组合。本发明实施例对叉指换能器的材料的具体种数并不进行限制。
继续参考图1，可选地，支撑层101的厚度包括200微米-300微米。
其中，支撑层101的厚度小于200微米时，容易破裂；厚度大于300微米时，导致器件体积太厚；支撑层101的厚度太薄或太厚均影响器件性能。当支撑层101的厚度为200微米-300微米时，既不容易破裂，又不影响器件性能。
本发明实施例还提供了一种滤波器，该滤波器包括至少两个上述实施例中任一项的声表面波谐振器。
其中，该滤波器可以由上述实施例中两个或者两个以上的声表面波谐振器串联和/或并联形成。
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)
1.一种声表面波谐振器，其特征在于，包括：
依次层叠设置的支撑层、能量陷阱层、温度补偿层、压电层和叉指换能器层；
其中，所述叉指换能器层包括多个叉指换能器，所述压电层的材料包括X-40Y铌酸锂，所述支撑层的声体波传播速度大于所述压电层的声表面波传播速度，所述能量陷阱层用于捕获支撑层表面的寄生电荷以提高所述声表面波谐振器的Q值。
2.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，所述能量陷阱层的材料包括多晶硅材料。
3.根据权利要求2所述的谐振器，其特征在于，所述能量陷阱层的厚度包括500纳米-1000纳米。
4.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，所述支撑层的材料包括金刚石或碳化硅。
5.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在，所述温度补偿层的材料包括二氧化硅、二氧化锗或氟氧化硅。
6.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，所述温度补偿层和所述压电层的厚度和小于或等于0.4λ，其中，λ为声表面波波长。
7.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，所述叉指换能器的厚度包括0.02λ-0.07λ，其中，λ为声表面波波长。
8.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，所述叉指换能器的材料包括钛、铬、铜、银和铝中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，所述支撑层的厚度包括200微米-300微米。
10.一种滤波器，其特征在于，包括至少两个权利要求1-9任一项所述的声表面波谐振器。
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