CN115940868A - 一种声表面波谐振器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种声表面波谐振器，通过在衬底与压电薄膜之间引入由n层参数渐变的介质层构成的渐变复合层，使得高阶杂散模式的能量能逐步向下传导，从而可有效抑制高阶杂散模式，以在实现温度补偿提升谐振器Q值的同时，还可避免对谐振器性能的影响。
Description
技术领域
本发明属于微电子器件技术领域，涉及一种声表面波谐振器。
背景技术
随着材料制备工艺的进步，基于压电薄膜-支撑衬底结构的声表面波(SurfaceAcoustic Wave，SAW)谐振器能够利用压电薄板中具有较高声速和较大机电耦合系数的板波模式，可制备高频大带宽的声学滤波器，因此受到了广泛关注。
在现有技术中，常在压电薄膜与高声速支撑衬底之间设置SiO2等介质层用于温度补偿，以进一步提升谐振器Q值，但介质层的引入会由于寄生表面传导(PSC)效应而引起额外的射频损耗，同时会抑制高阶杂散模式能量向下传导，导致高阶杂散模式过强，影响谐振器性能。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种声表面波谐振器，用于解决现有技术中声表面波谐振器因介质层的引入影响谐振器性能的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种声表面波谐振器，所述声表面波谐振器包括：
衬底；
渐变复合层，所述渐变复合层位于所述衬底上，所述渐变复合层为由n层参数渐变的介质层构成，所述参数的变化遵循自上而下呈m倍增加，其中1.02<m<2.1；
压电薄膜，所述压电薄膜位于所述渐变复合层上；
电极阵列，所述电极阵列位于所述压电薄膜上。
可选地，所述参数包括密度、电阻率及介电常数中的一种或组合。
可选地，所述渐变复合层的材料包括氧化硅、氧化铪、氮化硅、氧化铝、氮化铝、氮化硼及氮化镓中的一种或组合。
可选地，n的取值范围为2≤n≤10。
可选地，所述渐变复合层的厚度与声表面波谐振器的波长的比值范围为0.1～0.85。
可选地，所述压电薄膜的材料为LiNbO3或LiTaO3；所述压电薄膜的厚度范围为150nm～1.5μm。
可选地，所述压电薄膜的晶体切型为X切，对应的欧拉角为(90°,90°,γ)，其中150°<γ<180°或20°<γ<60°；或旋转Y切，对应的欧拉角为(0,β,0)，其中β的范围为30°到90°；或Z切，对应欧拉角为(α,0,0)，其中α为任意角度。
可选地，所述衬底包括Si衬底、石英衬底及蓝宝石衬底中的一种。
可选地，所述电极阵列中电极的材料包括铝、钨、铬、钛、铜、银及金中的一种或组合。
可选地，所述声表面波谐振器包括应用于声表面波滤波器、双工器、多工器中的声表面波谐振器。
如上所述，本发明的声表面波谐振器，通过在衬底与压电薄膜之间引入由n层参数渐变的介质层构成的渐变复合层，使得高阶杂散模式的能量能逐步向下传导，从而可有效抑制高阶杂散模式，以在实现温度补偿提升谐振器Q值的同时，还可避免对谐振器性能的影响。
附图说明
图1显示为本发明实施例中的声表面波谐振器的结构示意图。
图2显示为图1中声表面波谐振器的电极阵列的俯视结构示意图。
图3a显示为对比例1中的声表面波谐振器的结构示意图。
图3b显示为图3a中的声表面波谐振器的响应曲线图。
图4a显示为本发明实施例中的声表面波谐振器的结构示意图。
图4b显示为图4a中的声表面波谐振器的响应曲线图。
图5a显示为对比例2中的声表面波谐振器的结构示意图。
图5b显示为图5a中的声表面波谐振器的响应曲线图。
图6a显示为对比例3中的声表面波谐振器的结构示意图。
图6b显示为图6a中的声表面波谐振器的响应曲线图。
元件标号说明
100 衬底
200 渐变复合层
300 压电薄膜
410 叉指电极阵列
420 反射栅电极阵列
201、202、203、204 SiO2层
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。其中，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
此处可能使用诸如“介于……之间”，该表达表示包括两端点值，以及可能使用诸如“多个”，该表达表示两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1及图2所示，本实施例提供一种声表面波谐振器，所述声表面波谐振器包括衬底100、渐变复合层200、压电薄膜300及电极阵列，其中，所述渐变复合层200位于所述衬底100上，所述渐变复合层200为由n层参数渐变的介质层构成，所述参数的变化遵循自上而下呈m倍增加，其中1.02<m<2.1，相邻层之间的m可相同也可不相同，但均要处在限定范围内，所述压电薄膜300位于所述渐变复合层200上，所述电极阵列位于所述压电薄膜300上，定义电极阵列的法线方向为所述声表面波谐振器的面内传播方向，所述电极阵列可沿着与法线方向成θ夹角的方向倾斜排布，其中，倾斜角θ∈[0°,40°]，如0°、10°、20°、40°等。
具体的，通过在所述衬底100与所述压电薄膜300之间引入介质层后，可实现温度补偿，有效提升谐振器Q值，当在所述衬底100与所述压电薄膜300之间引入由n层参数渐变的介质层构成的所述渐变复合层200时，则可使得高阶杂散模式的能量能逐步向下传导，从而可有效抑制高阶杂散模式，以在实现温度补偿提升谐振器Q值的同时，避免对谐振器性能造成影响。
作为示例，所述参数可包括密度、电阻率及介电常数中的一种或组合，具体可根据需要进行设置。
作为示例，所述渐变复合层200的材料可包括氧化硅、氧化铪、氮化硅、氧化铝、氮化铝、氮化硼及氮化镓中的一种或组合。
具体的，所述渐变复合层200中，n层参数渐变的介质层可为同质层或为异质层，如n层介质层可均为氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化铝、氮化硼或氮化镓中的一种，或n层介质层为由氧化硅、氧化铪、氮化硅、氧化铝、氮化铝、氮化硼及氮化镓中的两种及以上组合构成，具体可根据需要选择，此处不作限定。
作为示例，n的取值范围可为2≤n≤10，其中，n的取值可为如2、3、5、8、10等，具体可根据需要进行调整。
作为示例，所述渐变复合层200的厚度与声表面波谐振器的波长的比值范围可为0.1～0.85，如0.1、0.2、0.3、0.5、0.6、0.85等。
作为示例，优选n层介质层具有相同厚度，以便于工艺的控制，但并非局限于此，n层介质层也可具有不同的厚度。
作为示例，所述压电薄膜300的材料可为LiNbO3或LiTaO3；所述压电薄膜300的晶体切型为X切，对应的欧拉角为(90°,90°,γ)，其中150°<γ<180°或20°<γ<60°；或旋转Y切，对应的欧拉角为(0,β,0)，其中β的范围为30°到90°；或Z切，对应欧拉角为(α,0,0)，其中α为任意角度；所述压电薄膜300的厚度范围可为150nm～1.5μm，如150nm、500nm、1.0μm、1.5μm等。
作为示例，所述衬底100可包括Si衬底、石英衬底及蓝宝石衬底中的一种，以提供高声速的支撑衬底，关于所述衬底100的种类可根据需要进行选择。
作为示例，所述电极阵列中电极的材料可包括铝、钨、铬、钛、铜、银及金中的一种或组合，具体可根据需进行选择。
作为示例，所述电极阵列可包括叉指电极阵列410和反射栅电极阵列420，且所述反射栅电极阵列420可对称设置于所述叉指电极阵列410的两侧。
具体的，所述叉指电极阵列410中的多个叉指电极的长度可以相同或不同，通过改变所述叉指电极的长度可以优化提高器件的Q值；所述叉指电极阵列410与所述反射栅电极阵列420可具有相同或不同的中心间距，通过减小所述反射栅电极阵列420中反射栅电极的间距，可以提高所述反射栅电极阵列420的反射频率区间，从而可以抑制纵向泄漏波的杂散模式，提高谐振器的性能。
参阅图3a～图6b，下面通过三个对比例及一具体实施例，对本申请中的声表面波谐振器的性能进行说明。
其中，图3b、图4b、图5b及图6b的仿真结果均是基于120nm Al电极/600nm Y42°LiTaO3薄膜/240nm SiO2/Si衬底作为示例，但并非局限于此。所激发的声波模式可以为SH模式，也可以为LL模式。
不同的是参阅图3a，对比例1中，240nm厚的SiO2层201为单层；而参阅图4a，实施例中240nm厚的SiO2层202则采用n＝6的密度渐变复合层，即240nm厚的SiO2层202由6层SiO2介质层构成，且该6层介质层自上而下密度分别为1800kg/m3、1900kg/m3、2000kg/m3、2100kg/m3、2200kg/m3、2300kg/m3；而参阅图5a，对比例2中，240nm厚的SiO2层203采用n＝6的高低声学阻抗交替排布(声学阻抗Z＝ρc，与材料密度和声速成正比)，该对比例中，该6层介质层均为SiO2介质层，且自上而下密度分别为2300kg/m3、1800kg/m3、2300kg/m3、1800kg/m3、2300kg/m3、1800kg/m3；而参阅图6a，对比例3中，与实施例的区别在于，240nm厚的SiO2层204由6层SiO2介质层自上而下密度递减，分别为2300kg/m3、2200kg/m3、2100kg/m3、2000kg/m3、1900kg/m3、1800kg/m3。
参阅图3b、图4b、图5b及图6b，获得对比例及实施例中的声表面波谐振器的响应曲线，图3b与图4b进行对比可以看出，图4b中本实施例的声表面波谐振器的响应曲线相较于图3b中对比例的声表面波谐振器的响应曲线，在2.71GHz附近的高阶杂模得到抑制，同时目标模式的损耗也在一定程度上降低。由此可知，本实施例的声表面波谐振器，在保证温度补偿的情况下，抑制了高阶杂散模式，提高了谐振器性能。图4b与图5b、图6b进行对比可以看出，虽然两种对比例相对于单层SiO2也可以达到一定的抑制效果，但不明显，且目标模式的损耗比实施例要高。
综上所述，本发明的声表面波谐振器，通过在衬底与压电薄膜之间引入由n层参数渐变的介质层构成的渐变复合层，使得高阶杂散模式的能量能逐步向下传导，从而可有效抑制高阶杂散模式，以在实现温度补偿提升谐振器Q值的同时，还可避免对谐振器性能的影响。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种声表面波谐振器，其特征在于，所述声表面波谐振器包括：
衬底；
渐变复合层，所述渐变复合层位于所述衬底上，所述渐变复合层为由n层参数渐变的介质层构成，所述参数的变化遵循自上而下呈m倍增加，其中1.02<m<2.1；
压电薄膜，所述压电薄膜位于所述渐变复合层上；
电极阵列，所述电极阵列位于所述压电薄膜上。
2.根据权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于：所述参数包括密度、电阻率及介电常数中的一种或组合。
3.根据权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于：所述渐变复合层的材料包括氧化硅、氧化铪、氮化硅、氧化铝、氮化铝、氮化硼及氮化镓中的一种或组合。
4.根据权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于：n的取值范围为2≤n≤10。
5.根据权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于：所述渐变复合层的厚度与声表面波谐振器的波长的比值范围为0.1～0.85。
6.根据权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于：所述压电薄膜的材料为LiNbO3或LiTaO3；所述压电薄膜的厚度范围为150nm～1.5μm。
7.根据利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于：所述压电薄膜的晶体切型为X切，对应的欧拉角为(90°,90°,γ)，其中150°<γ<180°或20°<γ<60°；或旋转Y切，对应的欧拉角为(0,β,0)，其中β的范围为30°到90°；或Z切，对应欧拉角为(α,0,0)，其中α为任意角度。
8.根据权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于：所述衬底包括Si衬底、石英衬底及蓝宝石衬底中的一种。
9.根据权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于：所述电极阵列中电极的材料包括铝、钨、铬、钛、铜、银及金中的一种或组合。
10.根据权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于：所述声表面波谐振器包括应用于声表面波滤波器、双工器、多工器中的声表面波谐振器。
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