CN114520637A - 一种基于弛豫铁电单晶的声表面波谐振器及制备方法 - Google Patents

一种基于弛豫铁电单晶的声表面波谐振器及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于弛豫铁电单晶的声表面波谐振器及制备方法，属于声表面波技术领域。本技术方案声表面波谐振器由叉指电极层和压电基底层依次叠放构成。所述压电基底层的材料为掺杂铌铟酸铅‑铌镁酸铅‑钛酸铅的弛豫铁电单晶，简称Mn‑PIMNT，0.5mol％Mn‑xPb(In1/ 2Nb1/2)O3‑(1‑x‑y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3‑yPbTiO3。本发明提出的弛豫铁电单晶的声表面波谐振器结构获得的瑞利波具有高的机电耦合系数，高达24％。而且通过旋转欧拉角优化不同极化方向的Mn‑PIMNT弛豫铁电单晶的取向，优选出具有高性能的声表面波，非常适用于大宽带声表面波器件。

Description

一种基于弛豫铁电单晶的声表面波谐振器及制备方法
技术领域
本发明涉及声表面波技术领域，具体涉及一种基于弛豫铁电单晶的声表面波谐振器及制备方法。
背景技术
声表面波(Surface Acoustics Wave，简称SAW)器件由于其高性能、低损耗、小型化以及低成本等特点，被广泛应用于通信设备射频前端的滤波器中。在智能手机射频前端领域，主要用的是声学滤波器，包括SAW(声表面波)滤波器和BAW(体声波)滤波器。巨大的应用需求也将对SAW器件提出更高的要求，具有更大的机电耦合系数(K2)的压电基底材料是器件设计的关键。因此，为了开发能够满足发展趋势和应用需求的SAW器件，国内外专家一直不断探寻新声表面波压电基底，去优化提升SAW器件的性能。目前，传统的压电单晶材料(例如铌酸锂(LiNbO3，LN)和钽酸锂(LiTaO3,LT)是作为商业SAW器件最常用的压电基底材料，它们存在一定的局限性，所使用的典型的切型机电耦合系数均不高，如42°Y-X钽酸锂的机电耦合系数为7.2％，Y-Z切型的机电耦合系数仅为0.6％。考虑到上述因素，一个良好的SAW器件压电基底应该需要有较大的K2，同时材料的不同切型会对其性能有很大的影响。因此，发掘更多新型的高压电性能与高机电耦合性能的压电材料，能够显著提升滤波器件的可调谐范围，从而满足新一代无线通讯系统中的信号过滤需求具有重要意义。近年来，弛豫铁电单晶的高压电系数、高介电常数、高机电耦合系数也为SAW谐振器的研发提供了最大可能。经过现有技术的文献检索和对比，Mn-PIMNT单晶具有均匀稳定的畴结构，使其在高温器件中的应用成为可能。Mn-PIMNT单晶由于其较高Qm、较低损耗以及优异的耐疲劳特性等优点使其在宽带、高灵敏度以及微小型化的SAW器件中具有潜在应用。
因此，为了实现具备良好SAW特性的Mn-PIMNT压电基底，优化设计模型结构的材料与配置是不可或缺的。以满足未来潜在应用作为出发点，对沿着不同方向极化的Mn-PIMNT单晶声表面波激发和传播特性进行了系统的理论研究，主要围绕如何选择合适的IDT厚度、基底极化方向、切型以及谐振器配置等参数来优化SAW特性。之后对极化方向与性能之间的关系进行了总结，为制备兼具高机电耦合系数以及低损耗的SAW器件提供基础，试图探索该单晶在高性能SAW器件上应用的可能性，是该类层状结构声表面波器件实用化迫切需要攻克的难题。
发明内容
针对所要解决的技术问题，本发明的目的是提供一种基于弛豫铁电单晶Mn-PIMNT的声表面波谐振器及制备方法，能够实现大带宽、高性能SAW谐振器，满足在宽带、高灵敏度以及微小型化的SAW器件中具有潜在应用需求。
本发明技术方案为：一种基于弛豫铁电单晶的声表面波谐振器，其特征在于，包括叉指电极层和压电基底层，所述叉指电极层和所述压电基底层依次叠放；所述压电基底层的材料为掺杂铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅的弛豫铁电单晶，简称为Mn-PIMNT。
进一步的，所述弛豫铁电单晶Mn-PIMNT的材料为0.5mol％Mn-xPb(In1/2Nb1/2)O3-(1-x-y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbTiO3，其中x＝y＝0.3，极化方向为[001]、[011]和[111]。
进一步的，所述叉指电极层的电极材料为Au、Pt、Ti、Al、Cu、Ag、Pd、Ni金属任意一种或其合金。
进一步的，所述叉指电极层的金属化比为0.5，厚度为1％λ～20％λ，所述压电基底层厚度为hMn-PIMNT≥5λ，λ为声表面波波长。
进一步的，所述弛豫铁电单晶Mn-PIMNT的欧拉角α、β和γ分别满足下述范围：
0°≤{α}≤90°；
0°≤{β}≤90°；
0°≤{γ}≤180°。
进一步的，所述弛豫铁电单晶Mn-PIMNT的切型选自下述任意一种：
X切：(α＝90°,β＝90°,0°≤{γ}≤180°)；或者
Y切：(α＝0°,β＝90°,0°≤{γ}≤180°)；或者
Z切：(α＝0°,β＝0°,0°≤{γ}≤180°)。
本发明还提供了一种基于弛豫铁电单晶的声表面波谐振器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A：基片预处理：选择弛豫铁电单晶Mn-PIMNT，定出三个面指数X，Y，Z；切割出晶片；
B：单晶晶片清洗工艺：分别用丙酮、酒精和去离子水依次对晶片进行超声清洗；自动精密研磨抛光机对晶片加工到需要的厚度并进行抛光，抛光后清洗晶片；
C：用管式炉对晶片进行退火处理，尽可能消除晶片内应力和缺陷，退火完成；
D：用小型离子溅射仪或者磁控溅射仪镀上一层金电极，然后用直流极化仪，把晶片放入硅油中，极化完成后，去除晶片表面金电极；
E：在抛光表面通过沉积金属层，用旋涂法在金属层上旋涂光刻胶，用曝光系统按照预设的图案对光刻胶曝光显影获得光刻胶图案；
F：用干法刻蚀，把金属层刻蚀成预设的电极图案，去除光刻胶；
G：切片得到分离的原型器件。
进一步的，所述步骤A中，所述晶片切割尺寸为1mm～1.5mm的薄片。
进一步的，所述步骤C中，退火温度在600℃～800℃，保温600分钟以上。
进一步的，所述步骤D中，极化条件温度60℃～180℃，极化电压1Kv～5Kv，极化时间30～300分钟。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1)本发明提出的基于弛豫铁电单晶的声表面波谐振器采用的弛豫铁电单晶Mn-PIMNT具有均匀稳定的畴结构单晶，其杰出的压电性能、良好的温度稳定性以及优异的耐疲劳特性使其在高温器件中的应用成为可能。有利于设计出高机电耦合系数以及低损耗的SAW器件。
2)本发明提出的基于弛豫铁电单晶的声表面波谐振器，结构简单、制备工艺成熟，有利于批量化生产。
附图说明
图1为本发明基于弛豫铁电单晶的声表面波谐振器的横截面图。
图2为本发明基于弛豫铁电单晶的声表面波谐振器压电基底的切型示意图。
图3为本发明基于弛豫铁电单晶的声表面波谐振器的制备流程框图。
图4为本发明实施方式中，在使欧拉角分别设置为(0°、0°、0°)和(0°、90°、60°)的情况下,弛豫铁电单晶的声表面波谐振器在不同电极厚度下的典型输入导纳随频率的变化曲线。
图5为本发明实施方式中，弛豫铁电单晶的声表面波谐振器上传播的主模的机电耦合系数的随电极厚度变化曲线图。
图6为本发明实施方式中，在欧拉角(0°、β、0°)的β变化的情况下,弛豫铁电单晶的声表面波谐振器上传播的主模的机电耦合系数的变化曲线图。
图7为本发明实施方式中，在欧拉角(0°、β、γ)的β和γ变化的情况下,弛豫铁电单晶的声表面波谐振器上传播的主模的机电耦合系数的变化曲线图。
其中：1、叉指电极层；2、压电基底层。
具体实施方式
下面，通过参照附图对本发明的具体实施方式进行说明。
如图1所示，本发明提供的基于弛豫铁电单晶的声表面波谐振器及制备，该谐振器包括叉指电极层1、压电基底层2依次叠放构成，其标准化厚度分别为he、hMn-PIMNT，声表面波波长λ。
其中，叉指电极层1的材料为Au。所述电极的金属化比为0.5，标准化厚度为1％λ≤he≤20％λ，λ为声表面波波长。
压电基底层2材料为掺杂铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅弛豫铁电单晶，0.5mol％Mn-xPb(In1/2Nb1/2)O3-(1-x-y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbTiO3，简称Mn-PIMNT。其中，Pb(In1/2Nb1/2)O3和PbTiO3掺杂浓度为x＝y＝0.3，极化方向为[001]、[011]和[111]。选取压电基底层2标准化厚度hMn-PIMNT＝5λ，λ为声表面波波长。弛豫铁电单晶Mn-PIMNT的欧拉角(α、β、γ)，α、β和γ分别满足下述范围：
0°≤{α}≤90°；
0°≤{β}≤90°；
0°≤{γ}≤180°。
弛豫铁电单晶Mn-PIMNT的切型选自下述任意一种(如图2所示)：
X切：(α＝90°，β＝90°，0°≤{γ}≤180°)；或者
Y切：(α＝0°，β＝90°，0°≤{γ}≤180°)；或者
Z切：(α＝0°，β＝0°，0°≤{γ}≤180°)。
具体地，用欧拉角(α，β，γ)来表示基底切型。
本发明基于弛豫铁电单晶的声表面波谐振器的制备(如附图3所示)，包括以下步骤：
A：基片预处理：选择弛豫铁电单晶Mn-PIMNT，定出三个面指数X，Y，Z；切割出晶片尺寸为1mm～1.5mm的薄片；
B：单晶晶片清洗工艺：分别用丙酮、酒精和去离子水依次对晶片进行超声清洗；自动精密研磨抛光机对晶片加工到需要的厚度并进行抛光，抛光后清洗晶片；
C：用管式炉对晶片进行退火处理，退火温度在600℃～800℃，保温600分钟以上，尽可能消除晶片内应力和缺陷，退火完成；
D：用小型离子溅射仪或者磁控溅射仪镀上一层金电极，然后用直流极化仪，把晶片放入硅油中，60℃～180℃，1Kv～5Kv，极化30～300分钟，极化完成后，去除晶片表面金电极；
E：在抛光表面通过沉积金属层，用旋涂法在金属层上旋涂光刻胶，用曝光系统按照预设的图案对光刻胶曝光显影获得光刻胶图案；
F：用干法刻蚀，把金属层刻蚀成预设的电极图案，去除光刻胶；
G：切片得到分离的原型器件。
本实施例具体以沿[111]方向极化的Mn-PMNT弛豫铁电单晶为例，如图4所示，展示了弛豫铁电单晶的声表面波谐振器在不同电极厚度下的典型输入导纳随频率的变化曲线；从导纳图看出，该谐振器上会激发两种模态分别为主模(瑞利声表面波)和漏声表面波。同时可通过调节电极厚度来抑制寄生响应，使得获得的主模不存在其他杂波干扰。这一特性对实现无杂波干扰的宽带SAW器件是非常有吸引力的。
如图5所示，弛豫铁电单晶的声表面波谐振器上传播的主模的机电耦合系数的随电极厚度变化曲线图；从图5可知，K2随h/λ增大整体呈上升趋势，当h/λ足够大时，K2趋于稳定。当hAu＝10％λ时，K2取得较大值22％，与零电极厚度相比提高了约2.3倍，如此高的K2对研制宽带SAW器件而言是非常有益的。
如图6所示，将电极厚度设置为10％λ，在欧拉角(0°、β、0°)的β变化的情况下,弛豫铁电单晶的声表面波谐振器上传播的主模的机电耦合系数的变化曲线图。从图6可知，在β从0°旋转到90°过程中，K2的整体变化趋势为先增大后减小，且当β＝25°时，谐振器将获得最大的K2＝24％。
如图7所示，保持β(分别选用0°、25°、90°)不变，在欧拉角(0°、β、γ)的和γ变化的情况下,弛豫铁电单晶的声表面波谐振器上传播的主模的机电耦合系数的变化曲线图。从图7可知，β＝0°(即Z-切)时，γ从0°变化到180°过程中，K2基本保持不变，保持在23％左右；β＝25°(即25°Z-切)时，K2随γ变化先减小后增大，最大值在γ＝0°取得(～24％)；β＝90°(即Y-切)时，在γ＝0°～30°，150°～180°时K2近似为0，因此不具备实际应用价值；而在γ＝90°时虽然能获得纯净的模态，取得的K2值约为7.6％，于是优化后的切型为25°Z-X Mn-PIMNT。即，通过弛豫铁电单晶的声表面波谐振器结构的电极厚度以及控制弛豫铁电单晶Mn-PMNT的欧拉角，可以扩展机电耦合系数的范围，从而有效地提高了滤波器的带宽。
结合上述实施例公开的基于弛豫铁电单晶的声表面波谐振器可用于大宽带、低损耗的声表面波器件，采用的弛豫铁电单晶Mn-PIMNT由于其较高Qm、较低损耗以及优异的耐疲劳特性等优点使其在宽带、高灵敏度以及微小型化的SAW器件中具有潜在应用，有利于它们在工业应用中的批量生产。同时，利用旋转欧拉角优化单晶取向，得到具有高机电耦合系数的优良性能的声表面波，同时顺应现在的工艺条件能够进一步减小叉指电极周期，有望在保证声表面波器件的机电耦合系数约达24％，进一步提升器件工作频率3GHz以上，非常适用于高频、宽带声表面波器件。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (10)

1.一种基于弛豫铁电单晶的声表面波谐振器，其特征在于，包括叉指电极层和压电基底层，所述叉指电极层和所述压电基底层依次叠放；
所述压电基底层的材料为掺杂铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅的弛豫铁电单晶，简称为Mn-PIMNT。
2.根据权利要求1所述的一种基于弛豫铁电单晶的声表面波谐振器，其特征在于：所述弛豫铁电单晶Mn-PIMNT的材料为0.5mol％Mn-xPb(In1/2Nb1/2)O3-(1-x-y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbTiO3，其中x＝y＝0.3，极化方向为[001]、[011]和[111]。
3.根据权利要求1所述的一种基于弛豫铁电单晶的声表面波谐振器，其特征在于：所述叉指电极层的电极材料为Au、Pt、Ti、Al、Cu、Ag、Pd、Ni金属任意一种或其合金。
4.根据权利要求1所述的一种基于弛豫铁电单晶的声表面波谐振器，其特征在于：所述叉指电极层的金属化比为0.5，厚度为1％λ～20％λ，所述压电基底层厚度为hMn-PIMNT≥5λ，λ为声表面波波长。
5.根据权利要求1所述的一种基于弛豫铁电单晶的声表面波谐振器，其特征在于，所述弛豫铁电单晶Mn-PIMNT的欧拉角α、β和γ分别满足下述范围：
0°≤{α}≤90°；
0°≤{β}≤90°；
0°≤{γ}≤180°。
6.根据权利要求5所述的一种基于弛豫铁电单晶的声表面波谐振器，其特征在于，所述弛豫铁电单晶Mn-PIMNT的切型选自下述任意一种：
X切：(α＝90°,β＝90°,0°≤{γ}≤180°)；或者
Y切：(α＝0°,β＝90°,0°≤{γ}≤180°)；或者
Z切：(α＝0°,β＝0°,0°≤{γ}≤180°)。
7.一种基于弛豫铁电单晶的声表面波谐振器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A：基片预处理：选择弛豫铁电单晶Mn-PIMNT，定出三个面指数X，Y，Z；切割出晶片；
B：单晶晶片清洗工艺：分别用丙酮、酒精和去离子水依次对晶片进行超声清洗；自动精密研磨抛光机对晶片加工到需要的厚度并进行抛光，抛光后清洗晶片；
C：用管式炉对晶片进行退火处理，尽可能消除晶片内应力和缺陷，退火完成；
D：用小型离子溅射仪或者磁控溅射仪镀上一层金电极，然后用直流极化仪，把晶片放入硅油中，极化完成后，去除晶片表面金电极；
E：在抛光表面通过沉积金属层，用旋涂法在金属层上旋涂光刻胶，用曝光系统按照预设的图案对光刻胶曝光显影获得光刻胶图案；
F：用干法刻蚀，把金属层刻蚀成预设的电极图案，去除光刻胶；
G：切片得到分离的原型器件。
8.根据权利要求7所述一种基于弛豫铁电单晶的声表面波谐振器的制备方法的制备方法，其特征在于，所述步骤A中，所述晶片切割尺寸为1mm～1.5mm的薄片。
9.根据权利要求7所述一种基于弛豫铁电单晶的声表面波谐振器的制备方法的制备方法，其特征在于，所述步骤C中，退火温度在600℃～800℃，保温600分钟以上。
10.根据权利要求7所述一种基于弛豫铁电单晶的声表面波谐振器的制备方法的制备方法，其特征在于，所述步骤D中，极化条件温度60℃～180℃，极化电压1Kv～5Kv，极化时间30～300分钟。
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