CN1981428B - 可调谐振器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有衬底层(140、260、360、560、660、960)的可调谐振器(100、200、300、500、60、700、900)，该衬底层支持具有第一电极(130、240、350、550、650)的结构。接合该第一电极布置有可被引致谐振的材料层(120、230、330、530、630、930)。谐振器还包括接合可被引致谐振的所述材料布置的第二电极(110、210、310、510、610、710、910)，并且可被引致谐振的材料为铁电材料。通过在第一与第二电极之间施加电场(DC，AC)，可引起铁电材料谐振，所述调谐可通过改变电场而实现。

Description

可调谐振器

技术领域

本发明涉及包括衬底层的可调谐振器，该衬底层支持具有第一电极的结构。接合第一电极布置有可被引致谐振的材料层，并且谐振器还包括接合可被引致谐振的所述材料布置的第二电极。

背景技术

可调谐振器在许多电子器件应用中使用，例如，滤波器和压控振荡器。

目前，使用的常见种类的可调谐振器是所谓的LC谐振器，该谐振器通常包括半导体变容二极管。LC谐振器的缺陷是其Q因数通常受其感应电线圈中损失的限制。

另一种目前也普遍使用的谐振器是所谓的薄膜块体声波谐振器(TFBAR)，该谐振器提供了高得多的Q因数。然而，TFBAR:s通常利用压电材料，这使得TFBAR:s不可调，例如，因为压电材料不具有DC电压相关的声学参数。

发明内容

因此，如上所述，本发明的目的是获得具有高Q因数的可调谐振器。

本发明实现了此目的，表现在它公开一种包括衬底层的可调谐振器，而该衬底层支持具有第一电极的结构，接合该第一电极布置有可被引致谐振的材料层。该谐振器还包括接合可被引致谐振的所述材料布置的第二电极，并且可被引致谐振的所述材料是非极性(顺电)相的晶体铁电材料(crystalline ferroelectric material)。

晶体铁电材料适宜但不一定要具有(110)或(111)取向。

通过在第一与第二电极之间施加DC和AC场，可使本发明的器件产生谐振，可通过改变AC场而实现调谐。

迄今尚未考虑在谐振器应用中使用非极性或顺电相的铁电材料，但通过本发明可产生谐振，并为用户提供高Q值。

本发明也公开了一种可调谐振器的制造方法。

附图说明

本发明将参照附图进行更详细描述，其中

图1显示根据本发明的主要器件的横截面；以及

图2a显示根据本发明的器件的第二示例的横截面，以及图2b显示图a器件的顶视图；以及

图3显示本发明另一实施例的横截面，以及

图4是流程图，显示在本发明器件的生成过程中的一些主要步骤；以及

图5-7显示本发明不同实施例的顶视图；以及

图8显示本发明器件的DC场相关性；以及

图9是本发明一个不同实施例的横截面；以及

图10显示根据本发明的器件的不同的谐振频率。

实施例

图1显示根据本发明的基本电压可调薄膜块体声波谐振器(TFBAR)谐振器100的横截面。此基本TFBAR 100包括由例如硅等非传导或高阻抗材料形成的衬底层140。在衬底层140顶部布置了做为第一电极的传导层130，并且在此第一电极130顶部布置了能以本说明中后面所示方式被引致谐振的材料层120。

根据本发明，层120的谐振材料是非极性相、也称为顺电相的晶体铁电材料。晶体铁电材料最好(但不一定)具有所谓的(110)或(111)取向。

谐振材料可从多种铁电材料中选择，但可提及的特别优选的材料示例有SrT_iO₃、Ba_xSr_1-x、T_iO₃、K_xNa_1-xNbO₃、KTaO₃、Ca_xSr_1-xTiO₃和K_xLi_1-xTaO₃。

如图1所示，布置了用于将DC和AC电压均施加到器件100的连接150，由此将引起器件谐振。详情将在本文后面提供，但简要地说，这可通过以下方式描述：施加的DC场将在铁电材料中诱导压电效应，并且AC场将促使铁电材料中生成声波。

在图2a中，显示了本发明实施例200更详细的横截面视图。器件位于(最好但不一定)由硅组成的非传导或高阻抗衬底260上。此层适合厚度的一个示例为0.5mm，但此厚度及本文中给出的其它测量值应只视为适合的示例，而决不是限制本发明的范围。

在衬底260上，可布置隔声材料层250，例如，SiO₂。此类层的适合厚度在几微米内，例如，0.43μm。

通常，结构250可以为多层结构，具有选定的层厚度和声阻抗，以便在TFBAR的声谐振频率它们充当布拉格反射镜。

第一或底部电极240布置在隔离层250顶部，所述第一电极由具有良好传导性的材料组成，例如铂、铂/金等。底部电极适合为薄层，最好但不一定具有纳米厚度，例如200nm。

在底部电极240顶部布置了铁电材料层230。该铁电材料最好应是顺电、即非极性相。适合的材料示例已在上面指出，例如包括SrTiO₃、KTaO₃、BA_xSr_1-xTiO₃或类似的高于居里温度的钙钛矿铁电体。下面将提供如何制造铁电材料并且实际上是如何制造器件100、200的详情。

在铁电材料层的顶部布置了同样由具有良好传导属性的材料形成的第二或顶部电极210。如图2a和2b中所示，顶部电极分成两部分，即，具有环形开口的外部部分210和内部小块210′，内部小块最好为圆形。

图3显示根据本发明的TFBAR的另一版本300。实施例300基本上与图2的实施例200相同，但稍有不同：实施例300中未使用底部电极350与衬底360之间的隔离层，并且顶部和底部电极310、350的厚度更薄，最好小于100nm。

然而，图3实施例300与实施例200共同具有的一个特性是顶部电极310的形状：顶部电极具有环形开口的外部部分310，在内部有圆形小块310′。

或者，可去除310和330部分以便接触到底部电极350。

图4是显示根据本发明的TFBAR制造的适合方法的流程图。更详细的制造的主要步骤如下所示：

流程图方框410：为衬底层选择质量良好的材料。此类材料的示例有玻璃、石英、半导体和氧化物。衬底材料最好具有光学或外延级抛光表面(具有小于50nm的粗糙度，最好为SiO₂/Si)，以确保低成本和与具成本效益的硅技术结合的可能性。

流程图方框420：通过诸如蒸发、溅射或激光消除等薄膜淀积过程来淀积具有大约厚达200nm的适合厚度、由诸如铂、镍铬、钛、二氧化钛等标准粘合材料组成的粘合层。优选的淀积温度为小于900摄氏度。

在粘合层顶部形成由如铂、金、银、铜等高传导性金属组成的较薄(例如，小于0.1μm)底部电极。

可能地，如上所述，通过蚀刻衬底或使用布拉格反射镜可提供隔声。

方框430：在底部电极上形成扩散阻挡层、最好是薄膜(小于200nm)，以便防止扩散向上进入阻挡层顶部淀积的层，方框430。

在扩散阻挡层上，形成薄膜(例如，小于200nm)晶体模板，方框430，以便确保铁电薄膜(例如SrTiO₃、Ba_xSr_1-xTiO₃、K_xNa_{1- x}NbO₃、KTaO₃、Ca_xSr_1-xTiO₃、K_xLi_1-xTaO₃等)的晶体生长。

用于模板的材料最好是氧化金属，如SrRuO₃或类似金属。如果是从SrTiO₃、Ba_xSr_1-xTiO₃组成的组中选择铁电材料，则模板最好是具有取向(111)的铂，但(110)取向也是可能的。

方框430：如上所述，后面的步骤之一是底部电极、包括在其顶部形成的层的预制图(离子研磨，反应式离子研磨等)。此步骤是可选步骤，取决于器件预期的应用。

此外，可继续蚀刻以便蚀刻掉底部电极楔形边缘，从而确保微波损失减少。另外，通过例如蚀刻可去除部分衬底，以便在衬底中形成槽沟或其它所需形状，例如，通过干法或湿法蚀刻或表面或体显微机械加工。

方框440：在至此已形成的层的顶部，适宜通过例如SrTiO₃、Ba_xSr_1-xTiO₃、K_xNa_1-xNbO₃、KTaO₃、Ca_xSr_1-xTiO₃、K_xLi_1-xTaO₃等的晶体铁电薄膜的生成来形成铁电材料层。

铁电材料薄膜能以多种方式形成，但适宜通过溅射、激光消除、MOCVD或类似方法形成。铁电材料选择的一个更好的选择是(111)或(110)定向的SrTiO₃或Ba_xSr_1-xTiO₃。

方框450：随后通过例如诸如铂、金、银、铜、铝等典型电极材料的厚(例如，大于200nm，最好是大于0.5μm)薄膜的淀积来制造顶部电极。

如有必要，可使用标准干法或/和湿法蚀刻技术为顶部电极提供图案。此过程可包括顶部电极中光刻胶层和窗口开口的旋涂，方框460。

图5显示本发明的另一实施例500：虽然实施例500与本文前面所示那些实施例遵循相同原理，但此实施例具有为拉长矩形的顶部510和底部550电极，这两个电极在实施例的此示例中的布置使得在两个矩形延伸的主要方向之间有一个大于零度的角。在所示示例中，角为90度，但在本发明范围内可设想到其它角。

类似于所示的其它实施例，实施例500也包括衬底层560和电铁材料层530。

在此处可指出的是，在本发明范围内，可在遵循本说明中概述的原理的同时，制造叠加的两个或两个以上TFBAR:s。

此外，本发明的可调TFBAR:s能以已知方式布置，通过在它们之间提供声和/或电耦合以形成多极和双端口或多端口可调带通和带阻滤波器。

然而，也能以二维和三维阵列形式布置TFBAR:s以形成可调频率选择表面、自由空间二维和三维电磁带隙结构(自由空间滤波器)。

图6显示了可调2D TFBAR阵列的一个示例，图中阵列中的每个TFBAR可具有其自己的电极和铁电材料。如图6所示，器件600是网格或阵列布置，顶部电极610以相互平行布置的拉长条带形式，它们之间无机械性接触。

底部电极650也为相互平行布置的拉长条带，它们之间无机械性接触。然而，顶部和底部电极布置为在其延伸的主要方向之间呈90度角，以便形成网格图案。在一些应用中，角可小于90度。如前面的实施例一样，实施例600包括衬底层660和铁电材料层630。

图7所示实施例700显示根据本发明的TFBAR阵列可以是二维阵列形状，该形状例如可具有圆形图案。在实施例700中，顶部电极710布置为具有可变直径的同心圆，并且底部电极750布置为轮的辐条，轮的中心与圆的中心相同。

现在转为论述使本发明的器件谐振的问题：发明人发现，通过将AC和DC场都施加到本发明器件的电极，本发明的TFBAR将以与所述电场成比例且也取决于所选的电铁材料及其晶体结构的频率谐振。

参照图1，它显示了施加AC和DC场的基本原理：顶部和底部电极110、130提供有用于外部信号的连接工具。通过使用所述连接工具，在顶部与底部电极之间施加DC场。支持本发明的原理是施加的DC场引起铁电材料的介电和声属性均发生更改，从而导致TFBAR的谐振频率的电场相关性。

现在参照图8，做为铁电材料上DC场的效应的一个示例，所示图显示了在DC场影响下基于300nm厚SrTiO₃薄膜的TFBAR的谐振频率的相关性。x轴显示以kV/cm为单位施加的DC场，并且y轴显示以GHz为单位的谐振频率。

如上所述，并且如图1所示，还与DC场同时施加了AC场。DC场包括顺电(非极性)相铁电材料中的压电，它可实现由AC场引起的声电转换。

谐振频率f_n主要由选择的材料和DC场的强度确定： $f_n=\frac{v_{\mathrm{ac}}}{2t}n,$ 其中，n＝1、2、3...、t是铁电薄膜的厚度，并且v是电场相关声速。图8中显示了场相关谐振频率。

AC场适宜地施加到其间施加了DC场的终端之一，通过使用滤波器(如图1所示)在AC与DC连接之间隔离。

铁电薄膜的适合厚度范围为10nm到2.0mm，并且施加的DC电压强度范围为在50-500V内，100V是通常使用的值的一个良好示例。AC场适宜与DC场处于相同的大小级。

现在可了解采用图2和图3所示实施例中顶部电极形状的原因：在一些应用中，图1所示实施例会难以接触底部电极，无法施加所需的AC和DC场。

为此，可为顶部电极提供图2和图3所示的形状，即，大的外部部分210、310及小得多的内部部分210′、310′、例如一个小块，两个部分之间如图2所示例如通过“间隙”彼此电隔绝。

顶部电极大的外部部分210、310与更小部分210′、310′相比，具有到底部电极250、350相当大的电容耦合，而更小部分由于小块大小的原因，实际上不存在到底部电极的耦合。这使得在顶部电极两个部分之间施加电场成为可能，结果如同在顶部与底部电极之间施加了电场一样。

此处应提及的是图2和图3所示顶部电极的外部和内部部分的形状只是示例，只要两个部分之间的隔离及两个部分之间的比例得以保持，形状可或多或少随意选择。所述比例应使得与内部部分和底部电极的电容耦合相比，外部部分具有到底部电极的良好电容耦合。当然，比例可以相反，使得内部部分大于外部部分，或者可设想到两个顶部“岛”，其中一个大，另一个小。

图9显示另一实施例900，该实施例显示根据本发明的顶部和底部电极的原理实际上可扩展到第一和第二电极的原理中。这在图9中显示，图中显示的器件包括衬底960和直接布置在所述衬底上的铁电材料层930，并可能如本文前面所概述的一样具有一定的隔离。

两个电极910和950与电铁层930一起布置，其中一个电极910布置在铁电材料930顶部，另一电极950布置在铁电材料的一侧。在本发明范围内，明显可设想到此原理的许多实施例。

现在转到本发明的理论方面，可得到以下观察：

例如SrTiO₃的材料在相对较低电场具有相当大的电致伸缩效应。另外，在强电场下，中心对称晶体变为压电，具有场相关声学常数(声速、弹性顺度、压电系数等)。

在外部电场下，电致伸缩效应(所有材料固有的，但在它们大多数中均弱)与电场诱导压电效应一起，产生如下的场相关有效压电系数：

d^＊ ₃₃＝d₃₃+g₃₃E₃           (6)

其中，d₃₃是场无关压电系数，并且g₃₃是电致伸缩系数。由于场相关压电系数d^* ₃₃的原因，电机械耦合系数也变为电场相关，表示为：

$K^2=\frac{k_{33}^2}{1+k_{33}^2}---\left(7\right)$

其中

$k_{33}^2\≈\frac{{\left(d_{33}^{*}\right)}^2{s}_{33}}{{\mathrm{\ϵ}}_o{\mathrm{\ϵ}}_{33}}---\left(8\right)$

其中，ε₃₃是垂直于谐振器板方向上铁电薄膜的电场相关介电常数，并且ε₀＝8.85·10^-12F/m是自由空间的介电常数。

不但压电、电致伸缩系数和介电常数，而且弹性顺度S₃₃均为电场相关。后者可约计为

S₃₃＝2.3＊10^{-13[1-1.11410＊E2]}

(9)

S33的场相关性产生了场相关声速：

V_ac＝1/(ρS₃₃)^1/2

(10)

和谐振器的谐振频率：

$f_n=\frac{v_{\mathrm{ac}}}{2t}n=\frac{n}{2t}\sqrt{\frac{1}{\mathrm{\ρ}{s}_{33}}},n=\mathrm{1,2}...---\left(11\right)$

其中，t是薄膜厚度，并且ρ是材料密度。

图10显示根据本发明的器件可在不同的“谐振峰值”谐振的情况，每个峰值对应于等式[11]中变量n的一个整数值。正如可看到的一样，视以本文上面所述方式施加到器件的DC电压而定的谐振函数将产生不同的曲线。图10中不同曲线的DC电压按量级顺序分别为20、10和0伏。

如本文所述也施加的AC电压在5伏范围内。例如，通过使用实验，可以且也应为每个特定应用的材料和材料厚度的每个组合确定AC和DC电压的近似量级。

Claims (8)

1.一种包括衬底层(140、260、360、560、660、960)的可调谐振器(100、200、300、500、600、700、900)，所述衬底层支持具有第一电极(130、240、350、550、650)的结构，接合该第一电极布置有可被引致谐振的材料的层(120、230、330、530、630、930)，所述谐振器还包括接合可被引致谐振的所述材料布置的第二电极(110、210、310、510、610、710、910)，其特征在于可被引致谐振的所述材料是非极性相的晶体铁电材料，其中，通过在所述第一电极与所述第二电极之间施加DC场以便在所述材料中诱导压电效应以及在相同电极之间施加AC场以便在所述材料中生成声波，从而引起所述晶体铁电材料谐振。

2.如权利要求1所述的可调谐振器，其中，所述晶体铁电材料具有(110)或(111)取向。

3.如权利要求1-2中任一项所述的可调谐振器，其中，所述第一电极和第二电极及所述材料以夹层结构布置，所述第一电极布置为离所述衬底层最近，并且所述材料的层布置在所述第一电极顶部，所述第二电极布置在所述材料顶部。

4.如权利要求1-2中任一项所述的可调谐振器，其中，可被引致谐振的所述材料包括以下组中的一种或多种材料：SrTiO₃、Ba_xSr_1-xTiO₃、K_xNa_1-xNbO₃、KTaO₃、Ca_xSr_1-xTiO₃、K_xLi_1-xTaO₃。

5.如权利要求1-2中任一项所述的可调谐振器，其中，所述第一电极和所述第二电极基本上为矩形，并且布置为使得在两个矩形的两对长边的延伸方向之间有大于零度的角。

6.一种制造可调谐振器的方法，包括以下步骤：

·在非传导衬底顶部制造第一电极；

·在所述第一电极顶部制造可被引致谐振的材料的层，在所述材料的所述层顶部制造第二电极，

所述方法的特征在于可被引致谐振的所述材料是非极性相的晶体铁电材料，其中，通过在所述第一电极与所述第二电极之间施加DC场以便在所述材料中诱导压电效应以及在相同电极之间施加AC场以便在所述材料中生成声波，从而引起所述晶体铁电材料谐振。

7.如权利要求6所述的方法，其中，所述晶体铁电材料具有(110)或(111)取向。

8.如权利要求6或7所述的方法，根据所述方法，从以下组中选择用于所述晶体铁电层的材料：SrTiO₃、KTaO₃、BA_xSr_1-xTiO₃。

Images