CN216959824U - 一种高带宽空腔型薄膜体声波谐振器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种高带宽空腔型薄膜体声波谐振器。该谐振器按照从下向上的顺序依次包括衬底、键合层、底电极、复合压电薄膜和顶电极；其中，所述顶电极、所述复合压电薄膜和所述底电极形成三明治结构；所述复合压电薄膜为若干层压电层叠加组成；所述衬底、所述键合层、所述底电极包围形成有空气腔。本实用新型的谐振器在给顶电极通电后，复合压电薄膜产生形变并激励出体声波，并且当所述体声波传输到复合压电薄膜与底电极之间时，由于空气腔的存在，所述体声波在底电极的表面发生全反射，并被限制在顶电极与底电极之间，形成了谐振。且由于复合压电薄膜的机电耦合系数较高，进一步提高薄膜声波谐振器的带宽。

Description

一种高带宽空腔型薄膜体声波谐振器

技术领域

本实用新型涉及一种薄膜体声波谐振器，具体涉及一种高带宽空腔型薄膜体声波谐振器。

背景技术

随着现代无线通信技术向着高频、高速的方向发展，对射频通信常用的前端滤波器提高了更高的要求。在工作频率不断提高的同时，对器件体积、使用性能、稳定性和集成性也有了更高的要求，过去使用的声表面波滤波器(Surface Acoustic Wave，SAW)由于其体积偏大、工艺兼容和工作频段等的问题，已经不能够满足高频通信的需求。

而薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，FBAR)是一种新型滤波器，相对于声表面滤波器不仅体积小、功率容量大、可继承、工作频段高等特点，还拥有更好的带外抑制和插入损耗，在目前的5G通信中有很广的使用。

一般来说，薄膜体声波谐振器的结构主要包括横膈膜型、空气隙型和固态装配型三种，均为“电极-压电薄膜-电极”的三明治结构，其原理是利用压电薄膜的压电特性，当在电极施加交流电压时，压电效应使电能转换为机械能，使压电薄膜发生机械形变，从而在压电薄膜体内激励出体声波；当体声波传输到压电薄膜与电极的表面时，由于电极外普通声学层的作用，声波会被反射回来，因而将体声波限制在两电极之间。传统的FBAR器件结构上一般采用AlN薄膜作为压电薄膜，但是AlN薄膜的机电耦合系数仅为6.5％，因此导致FBAR器件带宽较低，ZnO是一种压电耦合系数更高的压电材料，但是仅采用ZnO薄膜制备而成的FBAR器件损耗较大，很难获得适用于高频段高带宽的体声波滤波器。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供一种高带宽空腔型薄膜体声波谐振器，解决了现有技术中薄膜体声波谐振器结构复杂、不稳定等问题。本实用新型的技术方案为：

一种高带宽空腔型薄膜体声波谐振器，按照从下向上的顺序依次包括衬底、双层键合层、底电极、复合压电薄膜和顶电极；其中，所述顶电极、所述复合压电薄膜和所述底电极形成三明治结构；所述复合压电薄膜为若干层压电层叠加组成；所述衬底、所述键合层、所述底电极包围形成有空气腔。

进一步地，所述衬底材料为单晶高阻硅。

进一步地，所述双层键合层的总厚度为800nm～10um。

可选地，所述双层键合层为相同材质，选自SiO₂、Si、Au、Sn中的一种。

可选地，所述双层键合层为不同材质，选自Au/Sn、Si/SiO₂中的一种。

进一步地，所述复合压电薄膜为2～8层压电层叠加组成，每层所述压电层材质为AlN或ZnO，每层所述压电层的厚度为100nm～3μm。

优选地，所述复合压电薄膜由AlN压电层和ZnO压电层交替叠加组成。

进一步地，所述空气腔的深度为800nm～10um。

进一步地，所述底电极和所述顶电极均为金属电极，材料为Al、Pt、Mo、W、Ti和Au中的一种。

进一步地，所述顶电极和所述底电极的厚度为50nm～500nm。

相比现有技术，本实用新型的有益效果在于：

本实用新型的谐振器在给顶电极通电后，复合压电薄膜产生形变并激励出体声波，并且当所述体声波传输到复合压电薄膜与底电极之间时，由于空气腔的存在，所述体声波在底电极的表面发生全反射，并被限制在顶电极与底电极之间，形成了谐振。且由于复合压电薄膜的机电耦合系数较高，进一步提高薄膜声波谐振器的带宽。

附图说明

图1为本实用新型实施例1制备谐振器过程中在第一外延衬底上生长并处理完复合压电薄膜与底电极的结构示意图。

图2为本实用新型实施例1制备谐振器过程中形成的第一晶圆结构示意图。

图3为本实用新型实施例1制备谐振器过程中形成的第二晶圆结构示意图。

图4为本实用新型实施例制备的高带宽空腔型薄膜体声波谐振器的结构示意图。

图5为图4的俯视图。

图6为本实用新型对比例1的空腔型薄膜体声波谐振器的结构示意图。

图1～6中：外延衬底101、第四压电薄膜102、第三压电薄膜103、第二压电薄膜104、第一压电薄膜105、底电极一106、键合层一107、转移衬底一201、键合层二202、顶电极一301、转移衬底二401、键合层三402、底电极二403、压电层404、顶电极二405。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本实用新型的实用新型构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，本实用新型的保护范围包括但不限于以下实施例，在不偏离本申请的精神和范围的前提下任何对本实用新型的技术方案的细节和形式所做出的修改均落入本实用新型的保护范围内。

实施例1

本实施例提供了一种宽带薄膜体声波谐振器，结构如图4和5所示，所述谐振器按照从下向上的顺序依次包括转移衬底一201、键合层二202、键合层一107、底电极一106、复合压电薄膜、顶电极一301；键合层二202、键合层一107形成一体的键合层；所述复合压电薄膜包括4层结构：第一压电薄膜105、第二压电薄膜104、第三压电薄膜103、第四压电薄膜102。底电极一106、键合层、转移衬底一201形成一空气腔。顶电极一108、复合压电薄膜和底电极一103构成三明治结构。

转移衬底一101为单晶高阻硅；底电极一106为150nm厚的金属Al；顶电极一301为150nm厚的金属Al；第一压电薄膜105为150nm厚的AlN薄膜；第二压电薄膜104为200nm厚的ZnO薄膜；第三压电薄膜103为150nm厚的AlN薄膜；第四压电薄膜102为200nm厚的ZnO薄膜；键合层一和键合层二都是二氧化硅材质，键合层一107的厚度为2μm；键合层二202厚度为2μm，故空气腔的深度为4μm。

该谐振器的制备方法为：

步骤(1)选用一单晶硅片作为外延衬底，并在所述外延衬底上交替生长AlN、ZnO压电材料，形成复合压电薄膜。如图1所示。

步骤(2)在所述复合压电薄膜上生长底电极，并通过蚀刻法获取底电极的形状。

步骤(3)在所述底电极上生长一层二氧化硅，作为键合层一，并采用蚀刻法进行图形化处理，同时在所述键合层的表面做活化处理，生成第一晶圆。如图2所示。

步骤(4)选另一转移衬底并在所述转移衬底上生长一层二氧化硅作为键合层二，通过光刻刻蚀获得相应图案，同时在所述键合层的表面做活化处理，生成第二晶圆。如图3所示。

步骤(5)将第二晶圆的键合层和第一晶圆的填平层对准进行键合，使得第一晶圆固定于第二晶圆的上方固定，并使得所述复合压电薄膜实现转移，使得键合层、底电极、转移衬底之间形成空气腔。

步骤(6)将所述外延衬底与所述复合压电薄膜分离，并在复合压电薄膜上生长顶电极，形成完整的器件结构。

所获得的谐振器的串联谐振频率为3934MHz、并联谐振频率为4068MHz，带宽为134MHz。

实施例2

本实施例提供了一种宽带薄膜体声波谐振器，结构如图4和5所示，与实施例1的谐振器结构大体相同，细节区别在于：底电极一106为100nm厚的金属Al；顶电极一301为100nm厚的金属Al；第一压电薄膜105为150nm厚的AlN薄膜；第二压电薄膜104为250nm厚的ZnO薄膜；第三压电薄膜103为150nm厚的AlN薄膜；第四压电薄膜为102为250nm厚的ZnO薄膜。制备方法同实施例1。

所获得的谐振器的串联谐振频率为3930MHz，并联谐振频率为4071MHz，带宽为141MHz。

实施例3

本实施例提供了一种宽带薄膜体声波谐振器，结构与实施例2的谐振器结构大体相同，细节区别在于：采用7层压电薄膜组成，前4层压电薄膜同实施例2，5～7层压电薄膜为：第五层AlN薄膜；第六层ZnO薄膜；第七层AlN薄膜，ZnO与AlN的厚度分别为170nm、80nm。

所获得的谐振器的串联谐振频率为3887MHz，并联谐振频率为4028MHz，带宽为141MHz。

实施例4

本实施例提供了一种宽带薄膜体声波谐振器，结构与实施例2的谐振器结构大体相同，细节区别在于：采用9层压电薄膜组成，前4层压电薄膜同实施例2，5～9层压电薄膜为：第五层AlN薄膜、第六层ZnO薄膜、第七层AlN薄膜、第八层ZnO薄膜、第九层AlN薄膜，ZnO与AlN的厚度分别为150nm、50nm。

所获得的谐振器的串联谐振频率为3846MHz，并联谐振频率为3986MHz，带宽为140MHz。

对比例1

本实施例提供了一种通用薄膜体声波谐振器，结构如图6所示，所述谐振器包括从下到上依次分布的转移衬底二401、键合层三402、底电极二403、压电层404，顶电极二405。底电极二403、键合层三402、转移衬底二401也包围形成一空气腔，在压电层404上表面和下表面分别相对连接有顶电极二403和底电极二405，顶电极二405、压电层404和底电极二403构成三明治结构。

转移衬底二401为单晶高阻硅；底电极二403为200nm厚的金属Al；顶电极二405为200nm厚的金属Al；压电层为404为1μm厚的AlN薄膜；键合层402的厚度为4μm。该谐振器的串联谐振频率为3938MHz，并联谐振频率为4048MHz，带宽为110MHz。

综上，通过实施例与对比例的对比，可见实施例1的串联谐振频率为3934MHz、并联谐振频率为4068MHz，带宽为134MHz；实施例2的串联谐振频率为3930MHz，并联谐振频率为4071MHz，带宽为141MHz；实施例3的串联谐振频率为3887MHz，并联谐振频率为4028MHz，带宽为141MHz；实施例4的串联谐振频率为3846MHz，并联谐振频率为3986MHz，带宽为140MHz；对比例1的串联谐振频率为3938MHz，并联谐振频率为4048MHz，带宽为110MHz。因此，本实用新型通过控制ZnO/AlN的比例，可以调整带宽，在相同的谐振频率下，实施例1的带宽相对对比例1提升了21.8％，实施例2的带宽相对对比例1提升了28.2％，实施例3的带宽相对对比例1提升了28.9％，实施例4的带宽相对对比例1提升了29.4％。实施例1～4的效果均优于对比例1，说明本实用新型获得了一种高带宽空腔型薄膜体声波谐振器。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种高带宽空腔型薄膜体声波谐振器，其特征在于：按照从下向上的顺序依次包括衬底、双层键合层、底电极、复合压电薄膜和顶电极；其中，所述顶电极、所述复合压电薄膜和所述底电极形成三明治结构；所述复合压电薄膜为若干层压电层叠加组成；所述衬底、所述键合层、所述底电极包围形成有空气腔。

2.根据权利要求1所述的一种高带宽空腔型薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述衬底材料为单晶高阻硅。

3.根据权利要求1所述的一种高带宽空腔型薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述双层键合层的总厚度为800nm～10um。

4.根据权利要求1所述的一种高带宽空腔型薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述双层键合层为相同材质，选自SiO₂、Si、Au、Sn中的一种。

5.根据权利要求1所述的一种高带宽空腔型薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述双层键合层为不同材质，选自Au/Sn、Si/SiO₂中的一种。

6.根据权利要求1所述的一种高带宽空腔型薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述复合压电薄膜为2～8层压电层叠加组成，所述压电层材质为AlN或ZnO，每层压电层的厚度为100nm～3μm。

7.根据权利要求6所述的一种高带宽空腔型薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述复合压电薄膜由AlN压电层和ZnO压电层交替叠加组成。

8.根据权利要求1所述的一种高带宽空腔型薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述空气腔的深度为800nm～10um。

9.根据权利要求1所述的一种高带宽空腔型薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述底电极和所述顶电极均为金属电极，材料为Al、Pt、Mo、W、Ti和Au中的一种。

10.根据权利要求9所述的一种高带宽空腔型薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述顶电极和所述底电极的厚度为50nm～500nm。

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