CN117526897B - 双模声表面波器件及其制备方法 - Google Patents

双模声表面波器件及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双模声表面波器件及其制备方法。所述双模声表面波器件包括沿选定方向依次层叠设置的衬底、压电层和叉指电极,所述叉指电极的厚度为10nm~5μm,以激发一阶水平剪切波模态,从而使得所述双模声表面波器件具有基态水平剪切波和一阶水平剪切波两种声波模态。采用本发明提供的方案,可以制备出具有基态水平剪切波和一阶水平剪切波两种声波模态的双模声表面波器件,从而使本发明提供的双模声表面波器件可以在5G通讯中支撑更多频段的滤波作用,符合声表面波滤波器小型化,宽带化的发展趋势。

Description

双模声表面波器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及电子信息技术领域,具体涉及一种双模声表面波器件及其制备方法。
背景技术
以智能手机为代表的各种移动终端设备,在移动通讯技术的不断升级中,实现了更加丰富的功能,极大便利了人们的生活。然而,随着移动终端设备的数量不断增加,数据传输量呈现爆发式增长,为了保证数据传输速率不受影响,新一代移动通讯技术中滤波器的数量也必须相应增加。同时,移动终端设备(比如:手机)也有便携性的要求,滤波器数量的增加必然会造成体积增大,因此滤波器小型化是射频领域的技术难题之一。
手机的射频前端模块中的滤波器大部分是声表面波滤波器,由压电材料和金属叉指换能器电极材料构成。在射频前端模块中,滤波器需要完成多个分立频段的信号分离和选择功能,传统滤波器一般具有一个通带,即特定的通带频率响应特性,增大这个通带的带宽可以使其支撑更多的频段,从而减小滤波器的用量;此外,基于多模谐振器的多通带滤波器能用一个滤波器实现需要多个单通带滤波器完成的滤波任务。因此,集合多个通带的滤波器是减小射频前端模块中电子器件尺寸和数量的有效方法。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种双模声表面波器件及其制备方法,从而克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的,本发明采用的技术方案包括:
本发明一方面提供了一种双模声表面波器件,包括沿选定方向依次层叠设置的衬底、压电层和叉指电极,其中,叉指电极的厚度为10nm~5μm,优选为0.1μm ~4μm,以激发一阶水平剪切波模态,从而使得双模声表面波器件具有基态水平剪切波和一阶水平剪切波两种声波模态。例如叉指电极的厚度可以是10nm、30nm、50nm、0.1μm、0.6μm 、1μm、2μm、3μm、4μm、5μm等。
进一步的,叉指电极的波长为0.4μm~20μm,优选为0.8μm ~8μm,例如可以是0.4μm、0.5μm 、0.8μm 、1μm、1.5μm、2μm、2.2μm、3μm、3.8μm、4μm、5μm、6μm、8μm、10μm、13μm、15μm、19μm、20μm等。
进一步的,叉指电极的宽度为0.1μm~5μm,优选为0.2μm ~2μm,例如可以是0.1μm、0.2μm 、0.6μm 、1μm、1.5μm、2μm、2.2μm、3μm、3.8μm、4μm、5μm等。
进一步的,叉指电极的厚度波长比为0.09~0.4。
进一步的,叉指电极的材质为密度在2700 kg/m3以上的金属。
进一步的,叉指电极的材质为铝,叉指电极的厚度波长比为0.17~0.4,或者,叉指电极的材质为铜,叉指电极的厚度波长比为0.12~0.3;或者,叉指电极的材质为钼,叉指电极的厚度波长比为0.2~0.3;或者,叉指电极的材质为钨,叉指电极的厚度波长比为0.15~0.3;或者,叉指电极的材质为铂,叉指电极的厚度波长比为0.09~0.28。
在一些较为具体的实施方案中,双模声表面波器件还包括至少一层功能层,功能层设置在压电层与衬底之间。
进一步的,功能层的材质包括氧化硅、氧化铝、氮化铝、氮化硅、氧化铪、氧化锆、氧化钛、多晶硅中的至少一种,但不限于此。
进一步的,功能层的厚度为0.1μm~10μm,优选为0.1μm ~1μm。
在一些较为具体的实施方案中,双模声表面波器件包括至少两层功能层,至少两层功能层依次层叠设置,且至少两层功能层的材质不同。
进一步的,压电层包括旋转Y切LiTaO3单晶薄膜或旋转Y切LiNbO3单晶薄膜。
进一步的,压电层的厚度为0.2μm ~5μm。
进一步的,压电层的表面粗糙度小于1nm。
进一步的,衬底的横波声速大于4200m/s。
进一步的,衬底为单晶支撑衬底,具体的,衬底可以是石英基片、硅基片、蓝宝石基片、金刚石基片、碳化硅基片中的任意一种,但不限于此。
进一步的,衬底的厚度为200μm ~1000μm,优选为250μm ~500μm。
进一步的,叉指电极与压电层之间还设置有缓冲层,缓冲层的材质包括钛、镍、铬和锆中的至少一种,但不限于此。
进一步的,缓冲层的厚度为1nm~20nm。
进一步的,双模声表面波器件的基态水平剪切波的机电耦合系数在15%以上,一阶水平剪切波的机电耦合系数在10%以上。
进一步的,双模声表面波器件可以为双模声表面波谐振器。
本发明还提供了一种双模声表面波器件的制备方法,包括:
提供一衬底;
在衬底上制备压电层;
在压电层上制备叉指电极;
其中,叉指电极的厚度为10nm~5μm,优选为0.1μm ~4μm,以激发一阶水平剪切波模态,从而使得双模声表面波器件具有基态水平剪切波和一阶水平剪切波两种声波模态。例如叉指电极的厚度可以是10nm、30nm、50nm、0.1μm、0.6μm 、1μm、2μm、3μm、4μm、5μm等。
进一步的,叉指电极的宽度为0.1μm ~5μm,优选为0.2μm ~2μm,例如可以是0.1μm、0.2μm 、0.6μm 、1μm、1.5μm、2μm、2.2μm、3μm、3.8μm、4μm、5μm等。
进一步的,叉指电极的波长为0.4μm ~20μm,优选为0.8μm ~8μm,例如可以是0.4μm、0.5μm 、0.8μm 、1μm、1.5μm、2μm、2.2μm、3μm、3.8μm、4μm、5μm、6μm、8μm、10μm、13μm、15μm、19μm、20μm等。
进一步的,叉指电极的厚度波长比为0.09~0.4。
进一步的,叉指电极的材质为密度在2700 kg/m3以上的金属。
进一步的,叉指电极的材质为铝,叉指电极的厚度波长比为0.17~0.4,或者,叉指电极的材质为铜,叉指电极的厚度波长比为0.12~0.3;或者,叉指电极的材质为钼,叉指电极的厚度波长比为0.2~0.3;或者,叉指电极的材质为钨,叉指电极的厚度波长比为0.15~0.3;或者,叉指电极的材质为铂,叉指电极的厚度波长比为0.09~0.28。
一些较为具体的实施方案中,制备方法可以具体包括:
先对压电层的一抛光面进行离子注入,以在压电层内形成离子注入层;将衬底与压电层的抛光面相贴合;之后将贴合的衬底与压电层键合形成复合基片;
对复合基片进行退火处理,且使压电层沿着离子注入层剥离,再采用抛光方法(比如:化学机械抛光)对剥离后的压电层远离衬底的表面进行研磨抛光,并减薄至所需厚度;
最后在复合基片的压电层远离衬底的表面上形成叉指电极。
进一步的,离子注入的温度为50~100℃,离子注入的能量为1~2500keV,注入剂量为1×1015~9×1017 cm-1
进一步的,在将贴合的衬底与压电层键合形成复合基片时所采用的键合温度为20~250℃,键合压力为100~1000kg。
进一步的,上述制备方法具体包括:在50~900℃条件下对复合基片进行退火处理,退火时间为10分钟至100小时,以使压电层沿着离子注入层剥离。
在另一些较为具体的实施方案中,上述制备方法还可以具体包括:先采用直接键合的方式对衬底与压电层进行键合形成复合基片,复合基片具有基态水平剪切波和一阶水平剪切波两种声波模态,之后在压电层上制作叉指电极。
进一步的,上述制备方法具体包括:在真空度小于10-4Pa、压力为600~1000N的条件下直接对衬底与压电层进行键合形成复合基片;于200℃~300℃的条件下对复合基片进行退火5~10小时,以增强键合力;以及,在退火前或退火后将压电层的厚度打磨至所需厚度。
进一步的,上述制备方法具体包括:先采用电子束蒸镀法或磁控溅射法等方法在压电层上制备电极薄膜,之后再采用光刻剥离法、刻蚀法或掩膜镀膜法等方法对电极薄膜进行图案化处理,从而形成叉指电极。
进一步的,在制作形成复合基片之前,上述制备方法还包括:对压电层和衬底进行清洗,清洗的步骤可以是:按照丙酮、酒精、去离子水的顺序分别超声清洗4~8分钟,然后用氮气吹干。
进一步的,双模声表面波器件还可以包括功能层,上述制备方法可以具体包括:先对压电层的抛光面进行离子注入,并将压电层与功能层以及衬底依次层叠设置,使功能层位于压电层与衬底之间,功能层与压电层的抛光面相贴合;之后将贴合的压电层、功能层、衬底键合形成复合基片。
进一步的,上述制备方法可以具体包括:采用化学气相沉积、物理气相沉积或溶胶凝胶法等薄膜制备方法在压电层上制作形成功能层。
与现有技术相比,本发明的优点包括:
1)本发明提供的双模声表面波器件采用增大电极厚度的方式增强激发SH1模态,与SH0模态共同构成了双模声表面波谐振器和滤波器,并且两种声波模态的机电耦合系数均较大,SH0模态的机电耦合系数可达15%以上,SH1模态的机电耦合系数可达10%以上,从而使本发明提供的双模声表面波器件可以在5G通讯中支撑更多频段的滤波作用,符合声表面波滤波器小型化、宽带化的发展趋势。
2)本发明提供的双模声表面波器件通过在压电层和衬底之间设置功能层,提升了器件的温度稳定性,减小温漂,增加了衬底的有效电阻,提高了器件的Q值;此外,功能层的材料可以为二氧化硅以及氮化铝,二氧化硅的低声速和氮化铝的高声速的特性可以构成波导结构,从而进一步提升了器件的声波能量限制作用,减小了器件能量损耗。
3)本发明提供的双模声表面波器件的制备方法利用键合工艺将旋转Y切LiTaO3或旋转Y切LiNbO3单晶薄膜与衬底结合形成复合压电基片,抑制了漏声表面波(Leakagesurface acoustic wave,LSAW)的泄露,提升了衬底的声波能量限制作用,使主谐振转化为非漏的SH0模态,机电耦合系数可达15%以上。
附图说明
图1是本发明提供的双模声表面波器件的结构示意图;
图2是本发明提供的双模声表面波滤波器的另一结构示意图;
图3是本发明实施例1中提供的一种大带宽双模声表面波滤波器的模拟导纳图;
图4是本发明实施例1中提供的一种大带宽双模声表面波滤波器的SH0模态的振型图;
图5是本发明实施例1中提供的一种大带宽双模声表面波滤波器的SH1模态的振型图;
图6是本发明实施例1中SH1模态的声速vp随Cu电极厚度波长比的变化趋势;
图7是本发明实施例1中SH1模态的机电耦合系数K2随Cu电极厚度波长比的变化趋势;
图8是本发明实施例1中SH1模态的声速vp随Al电极厚度波长比的变化趋势;
图9是本发明实施例1中SH1模态的机电耦合系数K2随Al电极厚度波长比的变化趋势;
图10是当叉指电极的材质为Al,厚度为200nm,叉指电极的波长为1μm和1.1μm时,大带宽双模声表面波滤波器的导纳曲线测试结果;
图11是当叉指电极的材质为Al,厚度为200nm时,大带宽双模声表面波滤波器的S21曲线测试结果;
图12是本发明提供的另一种双模声表面波器件的结构示意图。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足,本案发明人经长期研究和大量实践,得以提出本发明的技术方案。如下将通过具体实施例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明,但实施例仅用于解释本发明,但本发明不局限于此,除非特别说明的之外,本发明所采用的薄膜制备工艺、图形化工艺、退火工艺、键合及其相应的设备等均是本领域技术人员已知的,以及,下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明,均为常规方法,下述实施例中所使用的材料、试剂等,如无特殊说明,均可从商业途径中获得。
本案发明人研究发现,声学滤波器的带宽大小正比于相应谐振器的机电耦合系数,旋转Y切铌酸锂(LiNbO3)中的漏波模态具有超过大机电耦合系数的特征,而基于压电单晶薄膜钽酸锂(LiTaO3)、LiNbO3与高声速衬底复合基片的研究发现了高声速衬底有利于减少漏波的泄漏,使其成为不漏的水平剪切波(SH0)模态,机电耦合系数能超过15%;同时,该结构中存在一阶水平剪切波(SH1)模态,该模态可以通过增加电极厚度被增强激发,使其机电耦合系数超过10%,因此该结构可用于制备双模谐振器,满足5G时代滤波器大带宽、小型化的需求。
特别说明的,如下实施例中的机电耦合系数K2的计算公式如下所示:
K2=(π/2)×(fs/fp)/tan[(π/2)×(fs/fp)] (1)
其中,fs为谐振频率,fp为反谐振频率,二者分别为谐振器的导纳曲线中所关注谐振信号的最高点和最低点对应的频率。
相速度vp的计算公式如下所示:
vp=(fs+fp)×λ/2 (2)
需要说明的是,相速度是谐振器中声波模态的声速描述,声速范围较大,包括材料的本征的属性。
请参阅图1,图1是本发明提供的双模声表面波器件的结构示意图,该双模声表面波器件同时具有两种大机电耦合系数的声波模态,该双模声表面波器件包括沿选定方向依次层叠设置的衬底5、压电层2和叉指电极1,叉指电极1的厚度波长比(h/λ)为0.09~0.4;选定方向为双模声表面波器件的纵向方向或厚度方向;该双模声表面波器件可以为双模声表面波谐振器,利用该双模声表面波谐振器可以制备双模声表面波滤波器,双模声表面波滤波器包括至少一个双模声表面波谐振器。
叉指电极1包括多个间隔设置的指部11,多个指部11的形状和尺寸均是相同的,每一指部11的厚度h即为叉指电极的厚度,叉指电极的波长λ=2a+2b,其中,a为每一指部11的宽度,b为相邻两个指部11的间距;可以理解的,指部11的宽度、相邻两个指部11的间距均是沿指部11径向的尺寸,指部11的径向与选定方向垂直。
在以水平剪切波(SH波)为主模态的叉指电极1/压电层2/衬底5这一结构中,一般同时存在基态水平剪切波模态和一阶水平剪切波模态,但是,通常一阶水平剪切波模态由于不能被充分激发一般被认为是杂散模态。本发明通过直接调控叉指电极1的材质和厚度,使叉指电极1的厚度波长比达到一个特定范围,改变一阶水平剪切波模态的声速和机电耦合系数,实现两种模态的同时有效激发,进而获得双模声表面波器件。
叉指电极1的材质为密度在2700 kg/m3以上的金属,例如,叉指电极1的材质可以是铝(Al)、铜(Cu)、钼(Mo)、钨(W)或铂(Pt)等,其中,铝的密度为2700kg/m3、水平剪切模量为26GPa、剪切波声阻抗为8.4Pa6·s/m3;铜的密度为8960kg/m3、水平剪切模量为45GPa、剪切波声阻抗为20Pa6·s/m3;钼的密度为10200kg/m3、水平剪切模量为119GPa、剪切波声阻抗为34.9 Pa6·s/m3;铂的密度为21450kg/m3、水平剪切模量为61GPa、剪切波声阻抗为36.2Pa6·s/m3;钨的密度为19350kg/m3、水平剪切模量为161GPa、剪切波声阻抗为55.7Pa6·s/m3
在一具体的实施方案中,叉指电极1的材质为铝,叉指电极1的厚度波长比为0.17~0.4;或者,叉指电极1的材质为铜,叉指电极1的厚度波长比为0.12~0.3,例如可以是0.12、0.13、0.15、0.18、0.2、0.21、0.25、0.27、0.29、0.3等;或者,叉指电极1的材质为钼,叉指电极1的厚度波长比为0.2~0.3,例如可以是0.21、0.22、0.23、0.25、0.26、0.28、0.3等;或者,叉指电极1的材质为钨,叉指电极1的厚度波长比为0.15~0.3,例如可以是0.15、0.16、0.17、0.19、0.2、0.21、0.23、0.25、0.27、0.29、0.3等;或者,叉指电极1的材质为铂,叉指电极1的厚度波长比为0.09~0.28,例如可以是0.09、0.1、0.11、0.12、0.13、0.14、0.15、0.18、0.2、0.21、0.22、0.25、0.27、0.28等。
举例来说,当叉指电极1的材质为铝,叉指电极1的厚度波长比超过0.17时,双模声表面波器件的一阶水平剪切波模态的机电耦合系数超过10%,则一阶水平剪切波模态被有效激发;当叉指电极1的材质为铜,叉指电极1的厚度波长比超过0.12时,一阶水平剪切波模态的机电耦合系数超过10%,则认为一阶水平剪切波模态被有效激发。但叉指电极1也不能无限增厚,过厚的叉指电极1将导致损耗增大,举例来说,当叉指电极1的材质为铝,且叉指电极1的厚度波长比超过0.28时,一阶水平剪切波模态反谐振响应变差,不适合做滤波器。
具体的,叉指电极1的厚度h为10nm~5μm,优选为0.1μm~4μm,例如可以是10nm、30nm、50nm、0.1μm、0.6μm、1μm、2μm、3μm、4μm、5μm等;叉指电极1的宽度a为0.1μm~5μm,优选为0.2μm~2μm,例如可以是0.1μm、0.2μm、0.6μm、1μm、1.5μm、2μm、2.2μm、3μm、3.8μm、4μm、5μm等;叉指电极1的波长λ为0.4μm~20μm,优选为0.8μm~8μm,例如可以是0.4μm、0.5μm、0.8μm、1μm、1.5μm、2μm、2.2μm、3μm、3.8μm、4μm、5μm、6μm、8μm、10μm、13μm、15μm、19μm、20μm等。
具体的,压电层2包括旋转Y切LiTaO3单晶薄膜或旋转Y切LiNbO3单晶薄膜,压电层2的厚度为0.2μm~5μm,表面粗糙度小于1nm。
具体的,衬底5为单晶支撑衬底,具体为高声速非压电支撑衬底,衬底5的横波声速大于4200m/s;示例性的,单晶支撑衬底包括石英基片、硅基片、蓝宝石基片、金刚石基片、碳化硅基片中的任意一种,衬底5的厚度为200μm~1000μm。
在一具体的实施方式中,叉指电极1与压电层2之间还可以设置有缓冲层,缓冲层的材质包括钛、镍、铬和锆中的至少一种,但不限于此,缓冲层的厚度为1nm~20nm。
在另一具体的实施方式中,双模声表面波器件还可以包括至少一层功能层,功能层设置在压电层2与衬底5之间,功能层的材质包括氧化硅、氧化铝、氮化铝、氮化硅、氧化铪、氧化锆、氧化钛、多晶硅中的至少一种,但不限于此;功能层的厚度为0.1μm~10μm,优选为0.1μm ~1μm。作为一种典型的实施方案,双模声表面波器件包括至少两层功能层,至少两层功能层依次层叠设置,且至少两层功能层的材质不同。
实施例1
请参阅图2,图2为一种基于32°YX-LiNbO3/SiO2/SiC结构的大带宽双模声表面波滤波器的截面示意图(图中仅包含部分叉指电极),该大带宽双模声表面波滤波器包括沿选定方向依次设置的衬底5、第一功能层3、压电层2和叉指电极1。
如图2所示,压电层2为32°YX-LiNbO3薄膜,压电层2的厚度为300nm,第一功能层3为SiO2薄膜,第一功能层3的厚度为200nm;衬底5为SiC衬底。
对本实施例提供的双模声表面波器件进行测试,可以得到如下所示的结果:
当叉指电极1的材料为Al,叉指电极1的厚度h=180nm,波长λ=1μm时,本实施例模拟获得的单端谐振器的导纳曲线如图3所示,由图3可以看出双模声表面波器件可以激发两种声波模态,且两个谐振的谐振频率fs分别为3010MHz与4930MHz;两种声波模态分别为SH0模态和SH1模态,其振动模态图分别如图4和图5所示。
2)当叉指电极1的材料为Cu,波长λ=1μm时,测试SH1模态在同一电极的不同厚度波长比h/λ下的vp(相速度)和K2(机电耦合系数)曲线,如图6与图7所示,从中可以看出,随着Cu电极的厚度增加,SH1模态的vp逐渐降低, K2则先增大后减小,在厚度波长比h/λ=0.22时K2达到最大值17.53%。
3)当叉指电极1的材料为Al,波长λ=1μm时,测试SH1模态在不同电极的不同厚度波长比h/λ下的vp(相速度)和K2(机电耦合系数)曲线,如图8与图9所示,从中可以看出,随着Al的厚度增加,SH1模态的vp逐渐降低,K2则先增大后减小,在厚度波长比h/λ=0.34时K2达到最大值22.76%。
4)当叉指电极的材料为Al,厚度为200nm时;当叉指电极1的波长为1μm和1.1μm时,测量得到如图10所示的导纳曲线示意图,其描述了两条无杂散模态的双模谐振器信号,红色线条为叉指电极1的波长为1μm对应的导纳曲线示意图,黑色线条为叉指电极1的波长为1.1μm对应的导纳曲线示意图。
5)当叉指电极的材料为Al,厚度为200nm时;图11为双模滤波器的S21曲线图,低频通带的中心频率fc为3065.0MHz,插入损耗为3.46dB,3-dB带宽为5.1%;高频通带的中心频率fc为4808.4MHz,插入损耗为2.92dB,3-dB带宽为5.9%。
现有双通道声表滤波器一般为两种滤波器并联结构,本实施例提供的双模声表面波器件在梯形滤波器中实现了双通道信号,有利于减小使用面积。
基于上述实施例中的32°YX-LiNbO3/SiO2/SiC结构的大带宽双模声表面波器件,本发明还提供了该双模声表面波器件的制备过程,具体如下:
1)对压电层和SiC衬底进行标准清洗。
压电层可以为4英寸32°Y切LiNbO3压电晶片,LiNbO3压电晶片的厚度为300μm;SiC衬底的厚度为500μm。
2)采用射频磁控溅射法在SiC衬底上制备厚度为200nm的二氧化硅薄膜作为第一功能层。
在背底真空度低于9×10-5Pa、室温条件下采用二氧化硅靶溅射以沉积二氧化硅薄模,控制Ar和O2的流量分别为18sccm和6sccm,镀膜气压为0.5Pa,功率为300w,时间为40分钟。
3)对清洗后的4英寸32°Y切LiNbO3压电晶片进行离子注入处理,在32°Y切LiNbO3压电晶片内部形成离子注入层,离子注入的温度为200℃,离子注入的能量为75keV,注入剂量为9×1016 cm-1
4)将生长有二氧化硅薄膜的SiC衬底与LiNbO3压电晶片的离子注入面键合形成复合基片,键合的温度为200℃,键合的压力为500kg。
5)对复合基片进行退火处理,退火处理的温度为170℃,退火处理的时间为3小时,使LiNbO3沿离子注入层剥离,然后采用化学机械抛光法对剥离后的复合基片中的LiNbO3压电晶片进行减薄和磨平,直至将LiNbO3压电晶片减薄至300nm。
6)采用光刻法在磨平后的LiNbO3压电晶片表面制备叉指电极掩膜图案,利用离子束蒸镀法基于叉指电极掩膜图案制备厚度为200nm的Al膜,然后剥离叉指电极掩膜图案得到Al叉指电极。
本发明提供的双模声表面波器件的制备方法的工艺难度小,利用键合工艺将旋转Y切LiTaO3或LiNbO3单晶薄膜与衬底(可以称之为高声速非压电支撑衬底)结合形成复合基片,抑制了漏声表面波的泄露,提升了衬底的声波能量限制作用,使主谐振转化为非漏的SH0模态,机电耦合系数可达15%以上。
实施例2
请参阅图12,本实施例中的一种基于32°YX-LiNbO3/SiO2/SiC结构的大带宽双模声表面波滤波器与实施例1中的结构基本一致,不同作出在于,本实施中的大带宽双模声表面波滤波器还包括第二功能层4。
第一功能层3为二氧化硅薄膜,二氧化硅薄膜可以提升器件的温度稳定性,减小温漂;第二功能层4为多晶硅薄膜,多晶硅薄膜可以增加衬底的有效电阻,提高器件的Q值,或者,第一功能层3为二氧化硅薄膜,第二功能层4为氮化铝薄膜,二氧化硅低声速和氮化铝高声速的特性使第一功能层与第二功能层构成波导结构,可以进一步提升器件的声波能量限制作用,减小器件能量损耗;而且,功能层不会损害器件的滤波功能,可以提升声表面波器件综合表现,实现减小温漂,提高Q值和降低插损等作用。
本发明提供了一种双模声表面波器件,利用旋转Y切LiTaO3或LiNbO3单晶薄膜中丰富的切向及包含的声波模态,采用增大叉指电极厚度的方式调节厚度波长比,以增强激发SH1模态,与SH0模态共同构成了双模声表面波谐振器和滤波器,并且两种声波模态的机电耦合系数均较大,SH0模态的机电耦合系数可达15%以上,SH1模态的机电耦合系数可达10%以上,从而使本发明提供的双模声表面波器件可以在5G通讯中支撑更多频段的滤波作用,符合声表面波滤波器小型化,宽带化的发展趋势。
传统声表面波谐振器电极相对膜厚一般在8%左右,本发明通过增大叉指电极相对膜厚,使SH1模态的激发被增强,其机电耦合系数和阻抗比大幅提升,且此时主谐振SH0模态的性能仍保持较高水平,两种声波模态可以构成双模滤波器。
此外,本发明提供的双模声表面波器件还可以在压电层和衬底之间还可以设置1~2种功能层,如单独增加二氧化硅功能层可以提升器件的温度稳定性,减小温漂;单独增加多晶硅功能层可以增加衬底的有效电阻,提高器件的Q值;同时增加二氧化硅功能层和氮化铝功能层时,二氧化硅的低声速和氮化铝的高声速的特性可以构成波导结构,从而进一步提升器件的声波能量限制作用,减小器件能量损耗;并且,功能层不仅不会损害器件的滤波功能,而且可以提升声表面波器件综合表现,实现减小温漂,提高Q值和降低插损等作用。
应当理解,上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点,其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施,并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (19)

1.一种双模声表面波器件,包括沿选定方向依次层叠设置的衬底、压电层和叉指电极,其特征在于,所述叉指电极的厚度为10nm~5μm,所述叉指电极的厚度波长比为0.09~0.4,以激发一阶水平剪切波模态,从而使得所述双模声表面波器件具有基态水平剪切波和一阶水平剪切波两种声波模态,以及,所述双模声表面波器件还包括至少一层功能层,所述功能层设置在所述压电层与所述衬底之间,所述双模声表面波器件的基态水平剪切波的机电耦合系数在15%以上,所述双模声表面波器件的一阶水平剪切波的机电耦合系数在10%以上。
2.根据权利要求1所述的双模声表面波器件,其特征在于:所述叉指电极的波长为0.4μm~20μm。
3.根据权利要求1所述的双模声表面波器件,其特征在于:所述叉指电极的宽度为0.1μm~5μm。
4. 根据权利要求1或2所述的双模声表面波器件,其特征在于:所述叉指电极的材质为密度在2700 kg/m3以上的金属。
5.根据权利要求4所述的双模声表面波器件,其特征在于:所述叉指电极的材质为铝,所述叉指电极的厚度波长比为0.17~0.4;或者,所述叉指电极的材质为铜,所述叉指电极的厚度波长比为0.12~0.3;或者,所述叉指电极的材质为钼,所述叉指电极的厚度波长比为0.2~0.3;或者,所述叉指电极的材质为钨,所述叉指电极的厚度波长比为0.15~0.3;或者,所述叉指电极的材质为铂,所述叉指电极的厚度波长比为0.09~0.28。
6.根据权利要求1所述的双模声表面波器件,其特征在于:所述功能层的材质包括氧化硅、氧化铝、氮化铝、氮化硅、氧化铪、氧化锆、氧化钛、多晶硅中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的双模声表面波器件,其特征在于:所述功能层的厚度为0.1μm~10μm。
8.根据权利要求6所述的双模声表面波器件,其特征在于:所述双模声表面波器件包括至少两层所述功能层,至少两层所述功能层依次层叠设置,且至少两层所述功能层的材质不同。
9.根据权利要求1所述的双模声表面波器件,其特征在于:所述压电层包括旋转Y切LiTaO3单晶薄膜或旋转Y切LiNbO3单晶薄膜。
10.根据权利要求9所述的双模声表面波器件,其特征在于:所述压电层的厚度为0.2μm~5μm。
11.根据权利要求9所述的双模声表面波器件,其特征在于:所述压电层的表面粗糙度小于1nm。
12.根据权利要求1所述的双模声表面波器件,其特征在于,所述衬底为单晶支撑衬底。
13.根据权利要求1所述的双模声表面波器件,其特征在于:所述衬底的横波声速大于4200m/s。
14.根据权利要求1所述的双模声表面波器件,其特征在于:所述衬底包括石英基片、硅基片、蓝宝石基片、金刚石基片或碳化硅基片中的任意一种。
15.根据权利要求1所述的双模声表面波器件,其特征在于:所述衬底的厚度为200μm~1000μm。
16.根据权利要求1所述的双模声表面波器件,其特征在于:所述叉指电极与所述压电层之间还设置有缓冲层,所述缓冲层的材质包括钛、镍、铬和锆中的至少一种。
17.根据权利要求16所述的双模声表面波器件,其特征在于:所述缓冲层的厚度为1nm~20nm。
18.一种双模声表面波器件的制备方法,其特征在于,包括:
提供一衬底;
在所述衬底上依次制备功能层和压电层;
在所述压电层上制备叉指电极;
其中,所述叉指电极的厚度为10nm~5μm,所述叉指电极的厚度波长比为0.09~0.4,以激发一阶水平剪切波模态,从而使得双模声表面波器件具有基态水平剪切波和一阶水平剪切波两种声波模态,所述双模声表面波器件的基态水平剪切波的机电耦合系数在15%以上,所述双模声表面波器件的一阶水平剪切波的机电耦合系数在10%以上。
19.根据权利要求18所述的双模声表面波器件的制备方法,其特征在于:所述叉指电极的波长为0.4μm~20μm。
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