CN116208120B - 声表面波谐振器、声表面波滤波器和双工器 - Google Patents

声表面波谐振器、声表面波滤波器和双工器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种声表面波谐振器、声表面波滤波器和双工器，包括层叠设置的半导体支撑衬底和压电基片，以及设置在所述压电基片上的叉指换能器和短路反射栅；所述短路反射栅设置在叉指换能器两端；所述叉指换能器包括汇流条、设置在所述汇流条上的多对叉指电极和电极假指；所述叉指电极和电极假指相互间隔交替设置，且所述叉指电极和电极假指的间隙下方的半导体支撑衬底中设置凹槽，以抑制叉指电极和电极假指在间隙处产生电场通过半导体衬底产生的非线性响应。本发明通过在叉指电极和电极假指的间隙下方的半导体支撑衬底中设置凹槽，能够实现抑制非线性信号的产生以及声波器件性能的恶化。

Description

声表面波谐振器、声表面波滤波器和双工器
技术领域
本发明涉及通信用器件领域，具体涉及一种声表面波谐振器、声表面波滤波器和双工器。
背景技术
声表面波(Surface Acoustic Wave, SAW)滤波器拥有较为出色的频带选择性、高Q值、低插入损耗等特点，被广泛应用于现代通信设备领域。而随着无线通讯设备支持的频段的增加，使得无线通讯设备使用的频段越来越密集，为了提高通信质量，减少各频段之间的干扰，提高通信质量，势必对SAW滤波器性能以及尺寸提出更高的要求。SAW滤波器通常是由多个的SAW谐振器级联而成。SAW谐振器利用叉指电极中多根电极指周期性地配置，使得沿着弹性波传播方向相邻的电极指的电位不同，通过在电极指之间施加交流电场，从而激励弹性波。因此，在SAW谐振器中，连接于不同电位的电极指交替配置，有时由于高次谐波失真、IMD(互调失真)等非线性特性而引起线性度的降低，从而导致物理上的失真产生，导致其特性恶化，进而导致多个SAW谐振器级联而成的SAW滤波器性能的恶化。SAW双工器包括压电衬底以及构建于所述压电衬底表面的发送滤波器和接收滤波器，发送滤波器连接在天线端子与发送端子之间，接收滤波器连接在天线端子与接收端子之间。在发送滤波器中，若最靠近天线端的声表面波谐振器非线性特性导致的失真大，则有时会对接收滤波器等其他滤波器的特性造成不良影响。
以往，在设计声表面波滤波器的时候，会选择将声表面波谐振器中IDT电极进行串联分割，之后为了获得与不分割的情况相同的阻抗，会将串联分割后的IDT电极的面积设大，这样降低了该IDT电极内的能量密度，并降低了非线性信号所引起的失真。但是，在实现该效果的同时，往往也会增大IDT的面积，不利于小型化的实现。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种声表面波谐振器、声表面波滤波器和双工器。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
第一方面，本发明提出了一种声表面波谐振器，包括：
层叠设置的半导体支撑衬底和压电基片，以及设置在所述压电基片上的叉指换能器和短路反射栅；
所述短路反射栅设置在叉指换能器两端；
所述叉指换能器包括汇流条、设置在所述汇流条上的多对叉指电极和电极假指；所述叉指电极和电极假指相互间隔交替设置，且所述叉指电极和电极假指的间隙下方的半导体支撑衬底中设置凹槽，以抑制叉指电极和电极假指在间隙处产生电场通过半导体衬底产生的非线性响应。
作为选择地，所述凹槽的宽度参数满足条件：
a＞ｇ
其中，a为凹槽的宽度，ｇ为叉指电极和电极假指的间隙宽度。
作为选择地，所述凹槽的深度参数满足条件：
ｄ＞ｇ－Ｈ
其中，d为凹槽的深度，ｇ为叉指电极和电极假指的间隙宽度，H为压电基片的厚度。
作为选择地，所述凹槽中设置为空腔。
作为选择地，所述凹槽中填充绝缘材料。
作为选择地，所述绝缘材料采用氧化硅、氮化硅或碳化硅。
第二方面，本发明提出了一种声表面波滤波器，包括如上述的声表面波谐振器。
第三方面，本发明提出了一种双工器，包括：
发送滤波器以及接收滤波器；
所述发送滤波器和接收滤波器中的至少一方是如上述的声表面波滤波器。
本发明具有以下有益效果：
本发明采用在汇流条上的多对叉指电极和电极假指的间隙下方的半导体支撑衬底中设置凹槽，减少由于插指电极和电极假指不同电位差在间隙处产生的电场在通过半导体衬底时引起半导体衬底产生非线性响应而导致声波器件线性特性恶化的现象，从而实现抑制非线性信号的产生以及声波器件性能的恶化。
附图说明
图1为实施例1中声表面波谐振器I-I截面示意图；
图2为实施例1中电极层示意图；
图3为实施例1中原始声表面波谐振器Ⅱ-Ⅱ截面示意图；
图4为实施例1中原始声表面波谐振器Ⅱ-Ⅱ截面的第一间隙产生电场示意图；
图5为实施例1中改进后的声表面波谐振器Ⅱ-Ⅱ截面示意图；
图6为实施例1中改进后的声表面波谐振器Ⅱ-Ⅱ截面的第一间隙产生电场示意图；
图7(a)为支撑衬底的工艺流程示意图，图7(b)为在支撑衬底上形成空腔的工艺流程示意图，图7(c)为长压电层的工艺流程示意图，图7(d)为长电极层的工艺流程示意图，图7(e)为图形化电极层的工艺流程示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例1
如图1至图6所示，本发明实施例提供了一种声表面波谐振器，包括：
层叠设置的半导体支撑衬底和压电基片，以及设置在所述压电基片上的叉指换能器和短路反射栅；
所述短路反射栅设置在叉指换能器两端；
所述叉指换能器包括汇流条、设置在所述汇流条上的多对叉指电极和电极假指；所述叉指电极和电极假指相互间隔交替设置，且所述叉指电极和电极假指的间隙下方的半导体支撑衬底中设置凹槽，以抑制叉指电极和电极假指在间隙处产生电场通过半导体衬底产生的非线性响应。
本实施例采用在汇流条上的多对叉指电极和电极假指的间隙下方的半导体支撑衬底中设置凹槽，减少由于插指电极和电极假指不同电位差在间隙处产生的电场在通过半导体衬底时引起半导体衬底产生非线性响应而导致声波器件线性特性恶化的现象，从而实现抑制非线性信号的产生以及声波器件性能的恶化。
如图1所示，本实施例中的声表面波谐振器包括半导体支撑衬底，设置在衬底之上的压电基片以及设置在压电基片上的电极层。其中电极层的材料是铝铜合金、钛、钼等金属材料；压电层的材料是钽酸锂、铌酸锂、氮化铝、氧化锌等；支撑衬底的材料是硅、锗、砷化镓等半导体材料；在本实施例中，所采用的衬底为硅衬底、压电材料为Y-X-42°钽酸锂、电极材料为AlCu (2% Cu)合金。
如图2所示，本实施例中的电极层包含叉指换能器1和短路反射栅3a及3b，且短路反射栅对称的设置在叉指换能器两端；其中叉指换能器包括对称设置的第一梳齿状电极和第二梳齿状电极，第一梳齿状电极包括第一汇流条2a以及设置在第一汇流条2a上的多个上叉指电极5a和多个上电极假指4a；第二梳齿状电极包括第二汇流条2b以及设置在第二汇流条2b上的多个下叉指电极5b和多个下电极假指4b；上叉指电极5a与下叉指电极5b交错排列；上电极假指4a与下电极假指4b也交错排列；多个上电极假指4a和下叉指电极5b正对设置；多个下电极假指4b和上叉指电极5a正对设置。
谐振器的波长由构成图3所示的IDT电极的多个上叉指电极5a及多个下叉指电极5b的重复周期即波长λ规定。另外，一对梳齿状电极的交叉宽度L是指电极指从弹性波传播方向观察时的重复的电极指长度。另外，电极指间距是波长λ的1/2，在将电极指的线宽设为W、将相邻的电极指之间的空间宽度设为S的情况下，由(W+S)定义。另外，各谐振器的电极占空比是多个电极指的线宽占有率，是多个电极指的线宽相对于该线宽与空间宽度的相加值的比例，由W/(W+S)定义。另外，电极指的高度即膜厚设为h。将上述的波长λ、交叉宽度L、电极占空比、IDT电极的膜厚h等决定谐振器的IDT电极的形状及大小的参数称为电极参数。
沿着图1中线II-II所取横截后，如图3所示，其中7为硅衬底层，6为42°YX-LiTaO3（钽酸锂）压电材料，5为AlCu(2%Cu)合金电极层（5_M2为Cu示意图，5_M1为Al示意图）。叉指电极(电极层右侧图形)和Busbar(电极层左侧图形)，由于插指电极和Busbar之间存在电位差，于是在其间隙Ｇ处将产生电场E，如图4所示，电场E不仅到达压电层，还到达半导体支撑衬底层，而通过半导体支撑衬底的电场引起来自衬底的非线性响应，导致器件线性特性恶化，从而导致器件性能恶化。
图5是本发明所示实施例示意图，通过在间隙下方的半导体支撑衬底中挖凹槽，减少甚至消除通过半导体支撑衬底的电场E的电场线数，防止引起半导体支撑衬底的非线性响应，从而防止器件的非线性特性恶化。图1所示的插指电极示意图中，虚线框中的两列间隙，分别是G1和G2，其中在G1和G2下方需挖设如图6所示的凹槽A和B，其中，压电层的厚度为H，间隙的宽度为ｇ，通常在设置凹槽的时候，凹槽宽度a＞ｇ，这样即使电场E的位置发生变化，也可以很好的降低甚至防止电场E到底半导体衬底层，从而降低声波装置线性特性的恶化。凹槽的深度ｄ＞ｇ－Ｈ，保证间隙产生的电场不能到达凹槽的底部。其中凹槽可以设置为空腔，也可以在其中填充绝缘材料，比如氧化硅、氮化硅、碳化硅等，当IDT电极的第一间隙G１和第二间隙G２产生的电场通过绝缘子时，电场E不易引起其非线性响应。但是，在插指电极交叠的区域，不设置凹槽，这样可以保证支撑衬底可以有效的支撑其上的压电层以及电极层，保证器件的可靠性，有效防止器件机械强度的恶化。
图7(a)至图7(e)为本发明的工艺流程示意图。其中，图7 (a)准备半导体支撑衬底；图7 (b)在支撑衬底中挖设空腔，可以向其中填充二氧化硅、多晶硅或非晶硅等牺牲材料。图7 (c)在处理好的半导体支撑衬底上继续长压电层。图7 (d)继续长AlCu(2%Cu)合金电极层。图7 (e)图形化电极层形成插指电极，并释放空腔中的牺牲材料。
实施例2
本实施例提出了一种声表面波滤波器，包括如实施例1所描述的声表面波谐振器，并且具备与实施例1相同的效果。
实施例3
本实施例提出了一种双工器，包括发送滤波器以及接收滤波器；所述发送滤波器和接收滤波器中的至少一方是如实施例2所描述的声表面波滤波器，并且具备与实施例2相同的效果。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种声表面波谐振器，其特征在于，包括：
层叠设置的半导体支撑衬底和压电基片，以及设置在所述压电基片上的叉指换能器和短路反射栅；
所述短路反射栅设置在叉指换能器两端；
所述叉指换能器包括汇流条、设置在所述汇流条上的多对叉指电极和电极假指；所述叉指电极和电极假指相互间隔交替设置，且所述叉指电极和电极假指的间隙下方的半导体支撑衬底中设置凹槽，以抑制叉指电极和电极假指在间隙处产生电场通过半导体衬底产生的非线性响应。
2.根据权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于，所述凹槽的宽度参数满足条件：
a＞ｇ
其中，a为凹槽的宽度，ｇ为叉指电极和电极假指的间隙宽度。
3.根据权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于，所述凹槽的深度参数满足条件：
ｄ＞ｇ－Ｈ
其中，d为凹槽的深度，ｇ为叉指电极和电极假指的间隙宽度，H为压电基片的厚度。
4.根据权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于，所述凹槽中设置为空腔。
5.根据权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于，所述凹槽中填充绝缘材料。
6.根据权利要求5所述的声表面波谐振器，其特征在于，所述绝缘材料采用氧化硅、氮化硅或碳化硅。
7.一种声表面波滤波器，其特征在于，包括如权利要求1-6任一所述的声表面波谐振器。
8.一种双工器，其特征在于，包括：
发送滤波器以及接收滤波器；
所述发送滤波器和接收滤波器中的至少一方是如权利要求7所述的声表面波滤波器。
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