CN219659683U - 一种谐振器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种谐振器，包括：衬底，所述衬底中或衬底上形成有声反射结构；下电极，所述下电极形成在所述衬底上；压电层，所述压电层形成在所述下电极上，所述压电层包括第一压电子层、第二压电子层和第三压电子层；所述第一、第二和第三压电子层堆叠设置；上电极层，所述上电极层形成在所述压电层上。

Description

一种谐振器

技术领域

本实用新型涉及一种电子设备，更具体而言，涉及一种谐振器。

背景技术

随着5G移动终端的不断普及和放量，市场对于智能终端内部芯片和元器件的数量和质量要求也与日俱增。特别是射频前端模组，作为实现移动终端通信功能的核心元器件，其在智能终端中的作用更是举足轻重。射频前端模组包括功率放大器(PA)、双工器(Duplexer)、射频开关(Switch)、射频滤波器(RF Filter)、低噪放大器(LNA)等部件。其中，射频滤波器无论是从市场价值量，还是从器件制备难度方面来看，都是射频前端模组中最高的，因此射频滤波器的相关技术也在不断的更新发展中。

谐振器作为滤波器的重要组成部件，其压电层的质量对滤波器的性能举足轻重。目前常用的压电材料是氮化铝(ALN)，为了提高压电材料的机电耦合系数，通常会掺一些微量元素，比如钪等。掺钪氮化铝掺钪氮化铝(AlScN)作为一种高端压电材料，具有优良的压电性能以及完美的半导体工艺兼容特性，已经在各种谐振器的压电层中获得广泛应用。掺钪氮化铝薄膜构成的压电层可以提高谐振器的机电耦合系数和压电系数，实现更有效的机械能-电能转换，进而提高射频滤波器的工作效率。

然而由掺钪氮化铝薄膜制成的压电层容易导致压电层的晶粒不均匀、应力过大、晶向差等问题，进而造成射频滤波器的品质因数(Q值)低。

为解决上述技术问题，现有技术中存在通过改变掺钪氮化铝薄膜的形成工艺条件来释放薄膜中的应力，或者对掺钪氮化铝薄膜中钪的前驱体的种类进行改变来提高掺钪氮化铝薄膜的质量。

然而掺钪氮化铝薄膜的生长过程中容易出现从纤锌矿结构到立方晶系盐石结构的相变，薄膜晶相的稳定性难以控制。特别对制备稳定的高掺杂钪的掺钪氮化铝薄膜而言，通过工艺条件的改变来提高掺钪氮化铝薄膜的质量仍是本领域具有挑战性的任务之一。

实用新型内容

本实用新型针对上述技术问题，设计出了一种新的压电层结构，以期望通过对包含掺钪氮化铝薄膜的压电结构上面的优化改进，来达到既能利用既有的工艺条件制备得到的掺钪氮化铝薄膜作为压电层的优点，又能尽可能克服既有的工艺条件制备得到的掺钪氮化铝薄膜对射频滤波器特性的影响。

在下文中将给出关于本实用新型的简要概述，以便提供关于本实用新型某些方面的基本理解。应当理解，此概述并不是关于本实用新型的穷举性概述。它并不是意图确定本实用新型的关键或重要部分，也不是意图限定本实用新型的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

根据本实用新型的一方面提供一种谐振器，包括：衬底，所述衬底中或衬底上形成有声反射结构；下电极，所述下电极形成在所述衬底上；压电层，所述压电层形成在所述下电极上，所述压电层包括第一压电子层、第二压电子层和第三压电子层；所述第一、第二和第三压电子层堆叠设置；上电极层，所述上电极层形成在所述压电层上。

进一步的，所述第一压电子层和所述第三压电子层的厚度为5-500埃。

进一步的，所述第一和第二压电子层之间进一步具有第四压电子层；所述第二和第三压电子层之间进一步具有第五压电子层。

进一步的，所述第一和第二压电子层之间进一步具有第六和第七压电子层；或者所述第二和第三压电子层之间进一步具有第六和第七压电子层；所述第六压电子层比第七压电子层更靠近所述第二压电子层。

进一步的，所述压电子层中至少具有以下结构中的一种：空气翼结构、空气桥结构、空腔结构以及所述空腔结构中进一步填充有声反射材料。

进一步的，所述第二、第四、第五和第七压电子层为掺杂压电子层，所述第一、第三和第六压电子层为非掺杂压电子层。

进一步的，所述掺杂压电子层的掺杂元素为稀土元素。

进一步的，所述第二和第七压电子层中掺杂的稀土元素不相同。

进一步的，所述稀土元素为钪。

进一步的，所述第四压电子层和所述第五压电子层的厚度为5-500埃，所述第四压电子层和所述第五压电子层中钪的掺杂浓度小于所述第二压电子层中钪的掺杂浓度。

本实用新型的方案至少能有助于实现如下效果之一：通过对滤波器中包含掺钪氮化铝薄膜的压电结构进行优化，实现具有高机电耦合系数和压电系数，更有效的机械能-电能转换效率，和高品质因数的滤波器，满足滤波器与日俱增的质量要求。

附图说明

参照附图下面说明本实用新型的具体内容，这将有助于更加容易地理解本实用新型的以上和其他目的、特点和优点。附图只是为了示出本实用新型的原理。在附图中不必依照比例绘制出单元的尺寸和相对位置。

图1示出本实用新型中谐振器结构的第一具体实施方案；

图2示出本实用新型中谐振器结构的第二具体实施方案；

图3示出本实用新型中谐振器结构的第三具体实施方案；

图4-5示出本实用新型中谐振器结构的第四具体实施方案；

图6示出本实用新型中谐振器结构的第五具体实施方案。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本实用新型的示例性公开内容进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实现本实用新型的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实现本实用新型的过程中可以做出很多特定于本实用新型的决定，以便实现开发人员的具体目标，并且这些决定可能会随着本实用新型的不同而有所改变。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本实用新型，在附图中仅仅示出了与根据本实用新型的方案密切相关的器件结构，而省略了与本实用新型关系不大的其他细节。

应理解的是，本实用新型并不会由于如下参照附图的描述而只限于所描述的实施形式。本文中，在可行的情况下，不同实施方案之间的特征可替换或借用、以及在一个实施方案中可省略一个或多个特征。应理解的是，本实用新型的制造步骤在实施例中为示例性的，其顺序步骤可调。

参见图1，图1示出本实用新型中谐振器结构的第一具体实施方案，其中相同的附图标记表示相同的部件。

本实用新型提供的第一具体实施方案中，薄膜体声波谐振器至少包括衬底100，声波反射区域110、下电极200、压电层300和上电极400。

具体的，衬底100可以是例如硅(Si)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、玻璃、蓝宝石、氧化铝_、SiC等与半导体工艺兼容的材料形成。

声波反射区域110可由在衬底100中形成的空气腔或布拉格反射层之类结构构成。具体的，空气腔可以通过刻蚀后而形成，空气腔在所述衬底表面上的投影轮廓可以是不规则图形、或者三角形、矩形、五边形、六边形、八边形等规则多边形。布拉格反射层可以由不同声阻抗薄膜堆叠而成。更优选的，布拉格反射层是由不同声阻抗薄膜且薄膜控制在1/4波长厚度堆叠而成。

在本实用新型的一变形方式中，在衬底100上可进一步形成支撑层，声波反射区域110可由通过刻蚀支撑层形成的空气腔构成。

下电极200可完全覆盖衬底100上的声波反射区域110。下电极200可以为单层或多层，下电极200可以由一种或多种导电材料形成，导电材料可选自包括钨(W)、钼(Mo)、铱(Ir)、铝(Al)、铂(Pt)、钌(Ru)、铌(Nb)或铪(Hf)等与半导体工艺兼容的一种或多种金属。下电极200的形状在衬底100表面上的投影轮廓可以是不规则图形、或者三角形、矩形、五边形、六边形、八边形等规则多边形。

压电层300形成在下电极200上。以及上电极400设置在压电层上。上电极400可以为单层或多层。上电极400可以由一种或多种导电材料形成，例如与包括钨(W)、钼(Mo)、铱(Ir)、铝(Al)、铂(Pt)、钌(Ru)、铌(Nb)或铪(Hf)等半导体工艺兼容的各种金属。上电极300与下电极的材料可以相同或不同。上电极400在衬底100表面上的投影轮廓优选落在声波反射区域在衬底100表面上的投影轮廓内。

本实用新型提供的第一具体实施方式中，主要通过对压电层300的结构进行进一步的优化，以解决背景技术中提及的技术问题。下面将对压电层300的结构做进一步阐述。

第一具体实施方式中的压电层300设置为复合结构。具体的，压电层300包括第一压电子层301、第二压电子层302和第三压电子层303。第一压电子层301、第二压电子层302和第三压电子层303依次在衬底100上层叠设置。

其中第一压电子层301和第三压电子层303可以为氮化铝薄膜构成的氮化铝压电子层，第二压电子层302可以为掺钪氮化铝薄膜构成的掺钪氮化铝压电子层，第二压电子层302也可称为第一掺钪氮化铝子层。

进一步的，第一、第二和第三压电子层的总厚度及厚度比例由谐振器设定的机电耦合系数Kt、频率、品质因数Q值共同决定。。机电耦合系数Kt表示机械域和电学域之间的准静态能量转换效率，其能决定由谐振器构成的滤波器的带宽。谐振器具有越高的机电耦合系数Kt意味着由其组成的滤波器具有更高的带宽。谐振器的品质因数Q值对振荡器的频率稳定性有密切关系，品质因数Q值越高，则频率稳定性越好。

本实用新型的第一具体实施方式中，第一压电子层301和第三压电子层303的厚度设定为5-500埃，更优的第一压电子层和第三压电子层的厚度设定为50-300埃。

本实用新型中通过构建层叠设置的第一至第三压电子层，优化了压电层300的结构，可有效提高谐振器机电耦合系数、压电系数、有效的机械能-电能转换效率和品质因数。特别的，本实用新型通过对第一压电子层301和第三压电子层303厚度的精心设计，能够适配任意厚度的第二压电子层302的生长，克服单独由掺钪氮化铝薄膜制成的第二压电层容易导致压电层的晶粒不均匀、应力过大、晶向差异进而造成射频滤波器的品质因数(Q值)低的技术问题。

参见图2，图2示出本实用新型中谐振器结构的第二具体实施方案，其中相同的附图标记表示相同的部件。

本实用新型提供的第二具体实施方式中，其与第一具体实施方式的区别仅在于：第一压电子层301和第二压电子层302(之间进一步具有第四压电子层304；所述第二压电子层302和第三压电子层303之间进一步具有第五压电子层305。

本实用新型提供的第二具体实施方式中，第一压电子层301、第四压电子层304、第五压电子层305和第三压电子层303的厚度可设定为5-500埃，更优的，第一压电子层301、第四压电子层304、第五压电子层305和第三压电子层303的厚度设定为50-300埃。

进一步的，第二压电子层302、第四压电子层304和第五压电子层305为掺钪氮化铝层。其中，第四压电子层304和第五压电子层305中钪元素的掺杂浓度低于第二压电子层302中钪元素的掺杂浓度，通过第四和第五压电子层的设置，进一步提高第二压电子层中钪元素的掺杂浓度的同时，可以避免第二压电子层与其他薄膜层的晶格失配，提高第二压电子层的薄膜生长质量。

第二具体实施方式的其它特征可以与第一具体实施方式中对应的特征相同或相类似，在此不再赘述。

参见图3，图3示出本实用新型中谐振器结构的第三具体实施方案，其中相同的附图标记表示相同的部件。

本实用新型提供的第三具体实施方式中，其与第一具体实施方式的区别仅在于：第一压电子层301和第二压电子层302之间进一步具有层叠的第六压电子层306和第七压电子层307；或者第二压电子层302和第三压电子层303之间进一步具有层叠的第六压电子层306和第七压电子层307。第六压电子层306比第七压电子层307更靠近第二压电子层302。第六压电子层306可由氮化铝薄膜构成，其厚度设定为5-500埃，更优的第六压电子层的厚度设定为50-300埃。

其中第二压电子层302可为掺杂有第一稀土元素的氮化铝层、其中第七压电子层307可为掺杂有第二稀土元素的氮化铝层。第一和第二稀土元素可以选自钪(Sc)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)等。优选的，第二压电子层302中掺杂的第一稀土元素与第七压电子层307中掺杂的第二稀土元素可以选择比起掺杂钪元素能将机电耦合系统Kt提升更高的元素。更优的，第二压电子层302中掺杂的第一稀土元素与第七压电子层307中掺杂的第二稀土元素为不同的稀土元素。

各压电子层的总厚度及厚度比例由谐振器设定的机电耦合系数Kt、频率、品质因数Q值共同决定。第三具体实施方式的其它特征可以与第一具体实施方式中对应的特征相同或相类似，在此不再赘述。

参见图4-5，图4-5示出本实用新型中谐振器结构的第四具体实施方案，其中相同的附图标记表示相同的部件。本领域技术人员应理解的是，图4-5中省略了谐振器结构中的衬底和声反射结构。

本实用新型提供的第四具体实施方式中，其与第一-第三具体实施方式的区别仅在于：在压电层300的任一压电子层中进一步设置有如图4中所示的空气翼结构3001，或者在压电层300的任一压电子层中进一步设置有如图5中所述的空气桥结构3002。通过在压电层300中进一步设置的空气桥结构3002或空气翼结构3001，可进一步提升谐振器的品质因数。

参见图6，图6示出本实用新型中谐振器结构的第五具体实施方案，其中相同的附图标记表示相同的部件。本领域技术人员应理解的是，图6中省略了谐振器结构中的衬底和声反射结构。

本实用新型提供的第五具体实施方式中，其与第一-第四具体实施方式的区别仅在于：在压电层300的任一压电子层中进一步设置有如图6中所示的空腔结构3003，或者在压电层300的任一压电子层中设置有如图6中所示的空腔结构且同时在空腔结构中填充有反射材料。通过在压电层300中进一步设置的空腔结构或者压电层300中进一步设置的空腔结构中填充反射材料，可进一步提升谐振器的品质因数。

进一步的，本实用新型还提供一种电子设备，该电子设备示例性的，可以是用于手机、个人数字助理、电子游戏设备等便携式通信设备领域。该电子设备中包括具有上述实施方式中的薄膜体声波谐振器中的任一种。

以上结合具体的实施方案对本实用新型进行了描述，但本领域技术人员应该清楚，这些描述都是示例性的，并不是对本实用新型的保护范围的限制。本领域技术人员可以根据本实用新型的精神和原理对本实用新型做出各种变型和修改，这些变型和修改也在本实用新型的范围内。

Claims (10)

1.一种谐振器，其特征在于，包括：

衬底，所述衬底中或衬底上形成有声反射结构；

下电极，所述下电极形成在所述衬底上；

压电层，所述压电层形成在所述下电极上，所述压电层包括第一压电子层、第二压电子层和第三压电子层；所述第一压电子层、第二压电子层和第三压电子层堆叠设置；

上电极层，所述上电极层形成在所述压电层上。

2.如权利要求1所述的谐振器，其特征在于：所述第一压电子层和所述第三压电子层的厚度为5-500埃。

3.如权利要求2所述的谐振器，其特征在于：所述第一压电子层和第二压电子层之间进一步具有第四压电子层；所述第二压电子层和第三压电子层之间进一步具有第五压电子层。

4.如权利要求2所述的谐振器，其特征在于：所述第一压电子层和第二压电子层之间进一步具有第六压电子层和第七压电子层；或者所述第二压电子层和第三压电子层之间进一步具有第六压电子层和第七压电子层；所述第六压电子层比第七压电子层更靠近所述第二压电子层。

5.如权利要求3-4中任一项所述的谐振器，其特征在于：所述压电子层中至少具有以下结构中的一种：空气翼结构、空气桥结构、空腔结构以及所述空腔结构中进一步填充有声反射材料。

6.如权利要求3-4中任一项所述的谐振器，其特征在于：所述第二压电子层、第四压电子层、第五压电子层和第七压电子层为掺杂压电子层，所述第一压电子层、第三压电子层和第六压电子层为非掺杂压电子层。

7.如权利要求6所述的谐振器，其特征在于：所述掺杂压电子层的掺杂元素为稀土元素。

8.如权利要求7所述的谐振器，其特征在于：所述第二压电子层和第七压电子层中掺杂的稀土元素不相同。

9.如权利要求7所述的谐振器，其特征在于：所述稀土元素为钪。

10.如权利要求6所述的谐振器，其特征在于：所述第四压电子层和所述第五压电子层的厚度为5-500埃，所述第四压电子层和所述第五压电子层中钪的掺杂浓度小于所述第二压电子层中钪的掺杂浓度。