DE102012210160A1 - Bulkakustikresonator, der eine nicht-piezoelektrische Schicht aufweist - Google Patents
Bulkakustikresonator, der eine nicht-piezoelektrische Schicht aufweist Download PDFInfo
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Abstract
Description
- Hintergrund
- Wandler wandeln im Allgemeinen elektrische Signale in mechanische Signale oder Vibrationen, und/oder mechanische Signale oder Vibrationen in elektrische Signale um. Akustische Wandler insbesondere wandeln elektrische Signale in akustische Wellen und akustische Wellen in elektrische Signale um, wobei inverse und direkte piezoelektrische Effekte verwendet werden. Akustische Wandler weisen im Allgemeinen akustische Resonatoren auf, wie Dünnschicht-Bulk-Akustikresonatoren (thin film bulk acoustic resonators, FBARs), Oberflächenakustikwellen(surface acoustic wave, SAW)-Resonatoren oder Bulk-Akustik-Wellen(bulk acoustic wave, BAW)-Resonatoren, und können in einer breiten Vielzahl von elektronischen Anwendungen verwendet werden, wie Mobiltelefone, persönliche digitale Assistenten (PDAs), elektronische Spielvorrichtungen, Laptop-Computer und andere tragbare Kommunikationsvorrichtungen. Beispielsweise können FBARs für elektrische Filter und Spannungstransformatoren verwendet werden. Im Allgemeinen hat ein akustischer Resonator eine Schicht von piezoelektrischem Material zwischen zwei leitenden Platten (Elektroden), die auf einer dünnen Membran gebildet sein können. FBAR-Vorrichtungen insbesondere erzeugen akustische Wellen, die sich in lateralen Richtungen ausbreiten können, wenn durch ein angelegtes zeitvariierendes elektrisches Feld angeregt, sowie harmonische Mischprodukte höherer Ordnung. Die sich lateral ausbreitenden Moden und die Mischprodukte höherer Ordnung können einen schädlichen Einfluss auf die Funktionalität haben.
- Was daher benötigt wird, ist eine Struktur, die hilfreich im Abschwächen von akustischen Verlusten an den Grenzen des BAW-Resonators ist, um Moden-Beschränkung (mode confinement) in dem Bereich der Überlappung bzw. der Überlagerung der oberen Elektrode, der piezoelektrischen Schicht und der unteren Elektrode eines BAW-Resonators (üblicherweise als der aktive Bereich bezeichnet) zu verbessern.
- Zusammenfassung
- In Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform weist eine Bulk-Akustikwellen(bulk acoustic wave, BAW)-Resonatorstruktur auf: eine erste Elektrode, die über einem Substrat angeordnet ist; eine piezoelektrische Schicht, die über der ersten Elektrode angeordnet ist; eine zweite Elektrode, die über der ersten piezoelektrischen Schicht angeordnet ist, wobei c-Achsenorientierungen von Kristallen der piezoelektrischen Schicht im Wesentlichen miteinander ausgerichtet sind; und eine nicht-piezoelektrische Schicht, die über der ersten Elektrode angeordnet ist und zu der piezoelektrischen Schicht benachbart ist bzw. an diese angrenzt, wobei eine Überlappung der nicht-piezoelektrischen Schicht mit der zweiten Elektrode eine Breite hat, die im Wesentlichen gleich zu einem ganzzahligen Vielfachen von einer Viertelwellenlänge einer ersten sich ausbreitenden Eigenwelle bzw. Eigenmode in der nicht-piezoelektrischen Schicht ist, oder größer als oder gleich einer Inversen einer Dämpfungskonstante (1/k) einer ersten evaneszenten Eigenwelle bzw. Eigenmode in der nicht-piezoelektrischen Schicht ist.
- In Übereinstimmung mit einer anderen repräsentativen Ausführungsform weist eine Bulk-Akustik-Wave(BAW)-Resonatorstruktur auf eine erste Elektrode, die über einem Substrat angeordnet ist; eine erste piezoelektrische Schicht, die über der ersten Elektrode angeordnet ist; eine zweite Elektrode, die über der ersten piezoelektrischen Schicht angeordnet ist, wobei c-Achsenorientierungen von Kristallen der ersten piezoelektrischen Schicht im Wesentlichen miteinander ausgerichtet sind; eine zweite piezoelektrische Schicht, die über der zweiten Elektrode angeordnet ist; eine nicht-piezoelektrische Schicht; und eine dritte Elektrode, die über der zweiten piezoelektrischen Schicht angeordnet ist.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
- Die veranschaulichenden Ausführungsformen werden am besten aus der folgenden detaillierten Beschreibung verstanden, wenn sie zusammen mit den begleitenden Zeichnungsfiguren gelesen wird. Es wird hervorgehoben, dass die verschiedenen Merkmale nicht notwendigerweise maßstäblich gezeichnet sind. In der Tat können die Dimensionen zur Klarheit der Beschreibung beliebig erhöht oder verringert sein. Wo immer anwendbar und praktikabel beziehen sich ähnliche Bezugszeichen auf ähnliche Elemente.
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1A zeigt eine Draufsicht eines FBAR in Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform. -
1B ~1C sind Querschnittsansichten des FBAR von1A , entlang der Linie 1B-1B. -
1D ist ein Graph, der die parallele Impedanz (Rp) (linke Achse) und den elektromechanischen Kopplungskoeffizienten (kt 2) (rechte Achse) versus der Breite einer Überlappung einer Elektrode und einer nicht-piezoelektrischen Schicht eines FBAR in Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform zeigt. -
2A ~2C sind Querschnittsansichten eines Doppel-Bulk-Akustikresonators (DBAR) in Übereinstimmung mit repräsentativen Ausführungsformen. -
2D ist ein Graph, der die parallele Impedanz (Rp) (linke Achse) und den elektromechanischen Kopplungskoeffizienten (kt 2) (rechte Achse) versus der Breite einer Überlappung einer Elektrode und einer nicht-piezoelektrischen Schicht eines DBAR in Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform zeigt. -
3A ~3C sind Querschnittsansichten von gekoppelten Resonatorfiltern (coupled resonator filters, CRFs) in Übereinstimmung mit repräsentativen Ausführungsformen. -
3D ist ein Graph eines Einfügungsverlustes (Einfügedämpfung) IL (linke Achse) und eines Q-Faktors (rechte Achse) einer ungeraden Mode (Qo) und einer geraden Mode (Qe) eines bekannten CRF und eines CRF in Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform. - Detaillierte Beschreibung
- Es muss verstanden werden, dass die hierin verwendete Terminologie nur zu Zwecken des Beschreibens bestimmter Ausführungsformen ist, und nicht als beschränkend gedacht ist. Die definierten Begriffe sind zusätzlich zu den technischen und wissenschaftlichen Bedeutungen der definierten Begriffe wie üblicherweise verstanden und in dem technischen Gebiet der vorliegenden Lehren akzeptiert wird.
- Wie in der Beschreibung und den angehängten Ansprüchen verwendet, weisen die Begriffe „ein”, „eine” und „der, die, das” sowohl Einzahl- als auch Mehrzahl-Beziehungen auf, außer es geht aus dem Zusammenhang eindeutig etwas Anderes hervor. Somit weist beispielsweise „eine Vorrichtung” eine Vorrichtung und Mehrfachvorrichtungen auf.
- Wie in der Beschreibung und den angehängten Ansprüchen verwendet und zusätzlich zu ihren gewöhnlichen Bedeutungen bedeuten die Begriffe „im Wesentlichen” oder „wesentlich” innerhalb akzeptabler Grenzen oder innerhalb eines akzeptablen Grads. Beispielsweise bedeutet „im Wesentlichen aufgehoben”, dass der Fachmann die Aufhebung als akzeptabel betrachten würde.
- Wie in der Beschreibung und den angehängten Ansprüchen und zusätzlich zu seiner üblichen Bedeutung bedeutet der Begriff „ungefähr” innerhalb eines akzeptablen Limits oder Menge für einen Fachmann. Beispielsweise bedeutet „ungefähr dasselbe”, dass ein Fachmann die Elemente, die verglichen werden, als dieselben betrachten würde.
- In der folgenden detaillierten Beschreibung werden aus Erklärungszwecken und nicht zur Einschränkung spezielle Details beschrieben, um ein Gesamtverständnis der veranschaulichenden Ausführungsformen gemäß den vorliegenden Lehren bereitzustellen. Jedoch wird es für den Fachmann ersichtlich sein, der den Nutzen der vorliegenden Beschreibung hat, dass andere Ausführungsformen gemäß den vorliegenden Lehren, die von den speziellen Details, die hierin offenbart sind, abweichen, innerhalb des Schutzumfangs der angehängten Ansprüche bleiben. Des Weiteren können Beschreibungen von gut bekannten Vorrichtungen und Verfahren weggelassen werden, um die Beschreibung der veranschaulichenden Ausführungsformen nicht zu verschleiern. Solche Verfahren und Vorrichtungen sind eindeutig innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Lehren.
- Im Allgemeinen wird verstanden, dass die Zeichnungen und die verschiedenen Elemente, die darin abgebildet sind, nicht maßstäblich gezeichnet sind. Des Weiteren werden relative Begriffe, wie „oberhalb”, „unterhalb”, „oben”, „unten”, „obere” und „untere”, verwendet, um die Beziehungen der verschiedenen Elemente zueinander zu beschreiben, wie in den begleitenden Zeichnungen dargestellt. Es wird verstanden, dass diese relativen Begriffe dazu gedacht sind, unterschiedliche Orientierungen der Vorrichtung und/oder Elemente zusätzlich zu der Orientierung, die in den Zeichnungen dargestellt ist, zu umfassen. Beispielsweise, wenn die Vorrichtung mit Bezug auf die Ansicht in den Zeichnungen invertiert würde, würde nun ein Element, das als „oberhalb” eines anderen Elements beschrieben wurde, beispielsweise nun unterhalb dieses Elements sein.
- Die vorliegenden Lehren beziehen sich im Allgemeinen auf Bulk-Akustik-Wave(bulk acoustic wave, BAW)-Resonatorstrukturen, die FBARs, Doppel-Bulk-Akustikresonatoren (double bulk acoustic resonator, DBARs) und gekoppelte Resonatorfilter (coupled resonator filter, CRFs) aufweisen. Wie vollständiger unten beschrieben wird, weisen die FBARs, DBARs und CRFs der repräsentativen Ausführungsformen eine Schicht von piezoelektrischem (p) Material, das zwischen Elektroden angeordnet ist, und eine Schicht von nicht-piezoelektrischem (np) Material auf, das benachbart zu der bzw. angrenzend an die Schicht von piezoelektrischem Material angeordnet ist. Die Kristalle der Schicht von piezoelektrischem Material wachsen in Spalten, die senkrecht zu der Ebene der Elektroden sind. Von daher sind die c-Achsenorientierungen der Kristalle der Schicht von piezoelektrischem Material im Wesentlichen miteinander ausgerichtet und die Schicht von piezoelektrischem Material kann als hochstrukturierte piezoelektrische c-Achsen-Schicht (highly-textured c-axis piezoelectric layer) bezeichnet werden. Eine solche Schicht von piezoelektrischem Material kann gemäß einer von einer Vielzahl von bekannten Verfahren hergestellt werden, wie in dem
US-Patent 6 060 818 von Ruby et al., offenbart, dessen Offenbarung ausdrücklich hierin mittels Bezugnahme aufgenommen wird. Die Schicht von nicht-piezoelektrischem Material wird üblicherweise aus derselben Substanz wie die Schicht von piezoelektrischem Material hergestellt, aber ist entweder amorph bzw. nichtkristallin (amorphous) oder polykristallin und weist kaum oder keine piezoelektrischen Effekte auf aufgrund von Kristallwachstum in einer Vielzahl von Richtungen. - Die Schicht von nicht-piezoelektrischem Material kann mittels Verfahren hergestellt werden, die unten oder in Übereinstimmung mit den Lehren des
US-Patents 7 795 781 von Barber et al., beschrieben sind, dessen Offenbarung hierin mittels Bezugnahme ausdrücklich aufgenommen wird. - Akustische Resonatoren, und insbesondere FBARs, können in einer Vielzahl von Konfigurationen für RF und Mikrowellenvorrichtungen eingesetzt werden, wie Filter und Oszillatoren, die in einer Vielzahl von Frequenzbändern arbeiten. Zur Verwendung in mobilen Kommunikationsvorrichtungen ist ein bestimmtes Beispiel eines Frequenzbandes, das von Interesse ist, das 850 MHz „zellulare Band” (cellular band). Im Allgemeinen erhöht sich die Größe eines BAW-Resonators mit dem Verringern der Frequenz, so dass ein FBAR für das 850 MHz-Band wesentlich größer sein wird als ein ähnlicher FBAR für das 2 GHz persönliche Kommunikationsdienste-(personal communication services, PCS)Band. Mittlerweile, im Hinblick auf anhaltende Trends, Komponenten von mobilen Kommunikationsvorrichtungen zu miniaturisieren, kann es konzeptuell vorgestellt werden, dass ein BAW-Resonator, der eine relativ große Größe hat, halbiert wird und die zwei Hälften, von denen jede als ein kleinerer akustischer Resonator betrachtet werden kann, aufeinander gestapelt werden können. Ein Beispiel eines solchen gestapelten BAW-Resonators ist ein DPAR. In bestimmten Anwendungen stellen die BAW-Resonatorstrukturen DBAR-basierte Filter (zum Beispiel Leiterfilter) bereit.
- Ein CRF weist eine Kopplungsstruktur auf, die zwischen zwei vertikal gestapelten FBARs angeordnet ist. Der CMF kombiniert die akustische Aktion der zwei FBARs und stellt eine Bandpassfilterübertragungsfunktion bereit. Für einen gegebenen akustischen Stapel hat der CRF zwei grundlegende Resonanzmoden, eine symmetrische Mode und eine antisymmetrische Mode, von unterschiedlichen Frequenzen. Der Grad an Unterschied in den Frequenzen der Moden hängt unter anderem von dem Grad oder der Stärke der Kopplung zwischen den zwei FBARs des CRF ab. Wenn der Grad an Kopplung zwischen den zwei FBARs zu groß ist (überkoppelt), ist der Durchlassbereich unakzeptabel breit, und eine unakzeptable „Beute” („swag”) oder „Senkung” („dip”) in der Mitte des Durchlassbereichs resultiert, wie es ein begleitender unakzeptabel hoher Einfügungsverlust bzw. Einfügedämpfung in der Mitte des Durchlassbereichs tut. Wenn der Grad an Kopplung zwischen den FBARs zu gering ist (unterkoppelt), ist der Durchlassbereich des CRFs zu schmal.
- Bestimmte Details von FBARs, DBARs, CRFs, Materialien davon und ihre Verfahren zur Herstellung können in einer oder mehreren der folgenden gemeinschaftlich besessenen US-Patente, Patentanmeldungsveröffentlichungen und Patentanmeldungen gefunden werden:
US-Patent Nr. 6 107 721 von Lakin;US-Patente 5 587 620 ,5 873 153 und6 507 983 von Ruby et al.;US-Patent Nr. 7 629 865 von Ruby et al.,US-Patent Nr. 7 280 007 von Feng et al.; US-Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2007/0205850 von Jamneala et al.;US-Patent Nr. 7 388 454 von Richard C. Ruby et al.; US-Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2010/0327697 von Choy et al. und US-Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2010/0327994 von Choy et al. Beispiele von DBARs und CRFs sowie deren Materialien und Verfahren zur Herstellung können in demUS-Patent Nr. 7 889 024 von Paul Bradley et al., US-Patentanmeldung Nr. 13/074 094 von Shirakawa et al. und eingereicht am 29. März 2011, US-Patentanmeldung Nr. 13/036 489 von Burak et al. und eingereicht am 28. Februar 2011, US-Patentanmeldung 13/074 262 von Burak et al., eingereicht am 29. März 2011, und US-Patentanmeldung Nr. 13/101 376 von Burak et al. und eingereicht am 5. Mai 2011 gefunden werden. Die Offenbarungen dieser Patente, Patentanmeldungsveröffentlichungen und Patentanmeldungen werden hierin mittels Bezugnahme ausdrücklich aufgenommen. Es wird hervorgehoben, dass die Komponenten, Materialien und Verfahren zur Herstellung, die in diesen Patenten und Patentanmeldungen beschrieben sind, repräsentativ sind und andere Verfahren der Herstellung und Materialien innerhalb der Reichweite eines Fachmanns vorgesehen sind. - Ausführungsformen, die einen FBAR aufweisen
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1A zeigt eine Draufsicht eines FBAR100 in Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform. Der FBAR100 weist eine obere Elektrode101 (unten als zweite Elektrode101 bezeichnet) auf, die erläuternd fünf (5) Seiten aufweist, mit einer Verbindungsseite102 , die eingerichtet ist, die elektrische Verbindung mit einem Verbinder102' bereitzustellen. Der Verbinder102' stellt elektrische Signale zu der oberen Elektrode101 bereit, um gewünschte akustische Wellen in piezoelektrischen Schichten (in1 nicht gezeigt) des DBARs100 anzuregen. -
1B zeigt eine Querschnittsansicht des FBAR100 dargestellt in1A und entlang der Linie 1B-1B genommen. Ein Substrat103 weist eine Kavität104 oder einen anderen akustischen Reflektor (zum Beispiel ein verteiltes Bragg-Gitter (distributed Bragg grating, DBR) (nicht gezeigt)) auf. Eine erste Elektrode105 ist über dem Substrat103 angeordnet und ist über der Kavität104 aufgehängt bzw. schwebend. Eine Planarisierungsschicht106 ist über dem Substrat103 bereitgestellt und kann nicht-ätzbares Borosilikatglas (non-etchable borosilicate glass, NEBSG) sein. Im Allgemeinen muss die Planarisierungsschicht106 nicht in der Struktur vorhanden sein (da sie die Gesamtverarbeitungskosten erhöht), aber wenn vorhanden kann sie dazu dienen, die Qualität des Wachsens von nachfolgenden Schichten (zum Beispiel hochstrukturiertes piezoelektrisches c-Achsen-Material) zu verbessern und deren Herstellung zu vereinfachen. Eine piezoelektrische Schicht107 ist über der ersten Elektrode105 bereitgestellt und weist hochstrukturiertes piezoelektrisches c-Achsen-Material wie Aluminiumnitrid (AlN) oder Zinkoxid (ZnO) auf. Benachbart zu der piezoelektrischen Schicht107 ist eine nicht-piezoelektrische (np) Schicht108 . Die np-Schicht108 wird üblicherweise aus derselben Substanz wie die piezoelektrische Schicht107 (zum Beispiel AlN oder ZnO) hergestellt, aber ist entweder amorph oder polykristallin und weist wenig oder keine piezoelektrischen Effekte auf. Die zweite Elektrode101 ist über der piezoelektrischen Schicht107 und über der np-Schicht108 angeordnet. - Die Überlappung der Kavität
104 , der ersten Elektrode105 , der piezoelektrischen Schicht107 und der zweiten Elektrode101 definiert einen aktiven Bereich109 des FBAR100 . In repräsentativen Ausführungsformen, die unten beschrieben sind, werden akustische Verluste an den Grenzen des FBAR100 abgeschwächt, um Modenbeschränkung bzw. Modenconfinement in dem aktiven Bereich109 zu verbessern. Insbesondere wird die Breite einer Überlappung110 der zweiten Elektrode101 und der np-Schicht108 ausgewählt, um akustische Verluste zu reduzieren, die vom Verstreuen von beiden kontinuierlichen Moden und einer sich ausbreitenden Eigenwelle bzw. Eigenmode niedrigster Ordnung in der np-Schicht an der Kante bzw. dem Rand111 der zweiten Elektrode101 resultieren. Wie unten detaillierter beschrieben, ist die Breite der Überlappung110 ausgewählt, größer als oder gleich der Inversen der Dämpfungskonstante (1/k) (wobei k die Dämpfungskonstante der evaneszenten Mode niedrigster Ordnung (e–kx) ist) in der np-Schicht108 zu sein, und nähert das Verhalten von kontinuierlichen Moden dicht an. Alternativ ist die Breite der Überlappung110 ausgewählt, ein ganzzahliges Mehrfaches (1, 2, 3, ...) einer Viertelwellenlänge (λ/4) der sich ausbreitenden Eigenwelle niedrigster Ordnung (lowest order propagating eigenmode) in der np-Schicht108 zu sein. - Bei einer Reihenresonanzfrequenz (FS) des FBAR
100 wird elektrische Energie in die akustische Energie übertragen und umgekehrt. Während das elektrische Feld (und somit die elektrische Energiedichte) auf den aktiven Bereich109 unter der zweiten Elektrode101 begrenzt bzw. beschränkt (confined) ist, kann das akustische Feld (und somit die akustische Energiedichte) sowohl auf den Bereich unter der Elektrode (in der Form kontinuierlichen Moden) beschränkt sein oder kann sich weg ausbreiten (in der Form einer sich ausbreitenden Eigenwelle). Das elektrische Feldprofil wird durch die laterale Form der zweiten Elektrode101 bestimmt, da sich die erste Elektrode105 üblicherweise über (in der x-z-Ebene in dem dargestellten Koordinatensystem) die zweite Elektrode101 hinauserstreckt. Mathematisch kann die laterale Form des elektrischen Felds in dem aktiven Bereich109 als eine Fourier-Überlagerung von ebenen Wellen dargestellt werden, die bei unterschiedlichen Winkeln mit Bezug auf obere oder untere Grenzflächen (interfaces) der piezoelektrischen Schicht107 in dem FBAR100 sich ausbreiten. Es sollte hervorgehoben werden, dass dies bloß ein mathematisches Konzept ist, da es keine physikalischen elektrischen Feldwellen gibt, die sich in der Struktur ausbreiten. In anderen Worten wird ein räumliches Spektrum des elektrischen Feldes mittels einer Fourier-Transformation auf einem elektrischen Feldprofil gegeben. Jede räumliche spektrale Komponente des elektrischen Feldes regt eine akustische ebene Welle an, die sich zu demselben Winkel mit Bezug auf obere oder untere Grenzflächen bzw. Schnittflächen der piezoelektrischen Schicht107 ausbreitet. Anders als das elektrische Feld, das vertikal durch die Anwesenheit von ersten und zweiten Elektroden105 ,101 begrenzt ist, können die angeregten akustischen Wellen sich vertikal durch alle Schichten des FBAR100 ausbreiten. Jedoch können im Allgemeinen elektrisch angeregte akustische ebene Wellen sich nicht frei über den aktiven Bereich109 des FBAR100 hinaus ausbreiten aufgrund von destruktiven Interferenzen dieser akustischen ebenen Wellen bei der Reflektion von den Grenzflächen. Diese sich nicht ausbreitenden Wellen bilden eine Menge von sogenannten kontinuierlichen Moden. Die kontinuierlichen Moden zerfallen exponentiell in der Richtung weg von dem Anregungsbereich. In diesem Fall ist der Anregungsbereich definiert durch eine Überlappung der zweiten Elektrode101 , die das elektrische Feld verstärkt, und der piezoelektrischen Schicht107 . Jedoch überlagern sich die angeregten akustischen Wellen für manche räumlichen spektralen Komponenten des elektrischen Feldes konstruktiv bei Reflektionen von den Grenzflächen des Schichtstapels, der den FBAR100 aufweist. Diese akustischen ebenen Wellen können frei in der lateralen Richtung (x-z-Ebene) weg von dem aktiven Bereich109 sich ausbreiten, und werden daher sich ausbreitende Eigenwellen bzw. Eigenmoden des FBAR100 genannt. Von daher, wenn diese sich ausbreitenden Moden nicht auf den aktiven Bereich109 begrenzt oder unterdrück werden, resultiert schädlicher Verlust der Energie. Dieser Energieverlust ist beispielsweise offensichtlich, aber reduziert auf einen Qualitätsfaktor (Q) in dem FBAR100 . - Die Fourier-Überlagerung von ebenen Wellen, die unter der zweiten Elektrode
101 angeregt sind, können mathematisch als eine Überlagerung von Beiträgen von komplexen Polen, die sich ausbreitenden und evaneszenten Eigenwellen für einen gegebenen Stapel entsprechen, dargestellt werden. Die evaneszenten Eigenwellen können sich im Allgemeinen in dem Stapel nicht ausbreiten und zerfallen exponentiell von dem Punkt der Anregung. Ein solcher Zerfall kann im Allgemeinen für jedes erzwungene System durchgeführt werden, wo Erzwingung (forcing) entweder durch elektrische Anregung (wie unter der zweiten Elektrode101 ) oder durch mechanische Anregung geschieht. Die mechanische Anregung tritt beispielsweise an einer Grenzfläche zwischen zwei Bereichen (zum Beispiel Grenzfläche zwischen piezoelektrischer Schicht107 und np-Schicht108 des FBAR100 ) auf, wo ein Bereich eine bekannte Erzwingungsbewegung aufweist, während der andere Bereich passiv ist und beide Bereiche durch die belastungskontinuität und Partikelgeschwindigkeiten an der Grenzfläche zwischen ihnen gekoppelt sind. - In dem FBAR
100 wird die Bewegung des aktiven Bereichs109 elektrisch angeregt, wohingegen Bewegung in der np-Schicht108 mechanisch angeregt wird und aus Grenzbedingungen an der Grenzfläche der piezoelektrischen Schicht107 und der np-Schicht108 resultiert. Die piezoelektrische Schicht und die np-Schicht108 sind aus derselben Substanz hergestellt, damit diese Schichten im Wesentlichen elastisch identisch sind. Dementsprechend werden ihre korrespondierenden Mengen an sich ausbreitenden Eigenwellen und evaneszenten Eigenwellen auch im Wesentlichen identisch sein. Als ein Ergebnis wird irgendeine sich ausbreitende Eigenwelle, die in der piezoelektrischen Schicht107 in dem aktiven Bereich109 angeregt wird, eine korrespondierende sich ausbreitende Eigenwelle von im Wesentlichen gleicher Amplitude in der np-Schicht108 anregen. In ähnlicher Weise wird irgendeine evaneszente Eigenwelle bzw. Eigenmode, die durch das elektrische Feld in der piezoelektrischen Schicht107 in dem aktiven Bereich109 angeregt wird, eine korrespondierende evaneszente Mode von im Wesentlichen gleicher Amplitude in der np-Schicht108 anregen. - Es gibt einen signifikanten Unterschied in Modalprofilen zwischen sich ausbreitenden und evaneszenten Eigenmoden in der lateralen Richtung (x-Richtung in dem Koordinatensystem gezeigt in
1B ). Das Modalprofil ist als eine komplexe Amplitude von Partikelverschiebung definiert gegeben als eine Funktion von lateralen (x-Richtungen) und vertikalen (y-Richtungen) in dem Koordinatensystem gezeigt in1B . Sich ausbreitende Moden haben eine Form von räumlich-periodischer Funktion, sowohl in dem aktiven Bereich109 als auch in der np-Schicht108 außerhalb des aktiven Bereichs109 . Im Gegensatz dazu haben evaneszente Moden ein konstantes Profil (das heißt die Verschiebungsamplitude hängt nicht von der x-Richtung ab) in dem aktiven Bereich109 und zerfallen exponentiell in der Richtung weg von der Grenzfläche der piezoelektrischen Schicht107 und der np-Schicht108 . Vielmehr weist für übliche elektrische Anregung die evaneszente Eigenwelle niedrigster Ordnung einen wesentlichen Teilbereich (beispielsweise ~50 %) der elastischen Energie auf verglichen mit der Energie begrenzt in anderen evaneszenten Eigenwellen höherer Ordnung und in den sich ausbreitenden Eigenwellen. Jedoch hängt diese Aufteilung von Energie zwischen den verschiedenen Eigenwellen von der Anregungsfrequenz und Dicken und Materialien verwendet in Schichten des FBAR100 ab. In Übereinstimmung mit bestimmten veranschaulichenden Ausführungsformen ist die Breite der Überlappung110 der np-Schicht108 und der zweiten Elektrode101 ausgewählt gleich oder größer als oder gleich zu der Inversen der Dämpfungskonstante (1/k) der evaneszenten Eigenwelle niedrigster Ordnung in der np-Schicht109 zu sein. Von daher wird bei der akustischen Impedanzdiskontinuität an einer Kante bzw. Rand111 der zweiten Elektrode 1 die evaneszente Mode niedrigster Ordnung sich ausreichend zerstreut haben, um Energieverlust zu verhindern aufgrund von Verstreuung an dieser Grenzfläche. - Sich ausbreitende Eigenwellen der np-Schicht
108 sind mechanisch an der Grenzfläche der piezoelektrischen Schicht107 und der np-Schicht108 angeregt und werden sich hinwärts zu der Kante111 der zweiten Elektrode101 ausbreiten. Die Kante111 der zweiten Elektrode101 stellt eine vergleichbar große akustische Impedanzdiskontinuität für die sich ausbreitende Eigenwelle dar, wodurch Verstreuung und Reflektion dieser Eigenwelle zurück hinwärts zu dem aktiven Bereich109 verursacht wird. Diese sich rückwärts ausbreitende Eigenwelle wird mit der sich ausbreitenden Mode interferieren, die an der Grenzfläche der piezoelektrischen Schicht107 und der np-Schicht angeregt wird. Abhängig von der Phase bei der Reflektion und von der Breite der Überlappung110 der np-Schicht und der zweiten Elektrode101 kann die Interferenz der sich ausbreitenden Eigenwelle, die an der Kante111 reflektiert wird, mit der sich ausbreitenden Eigenwelle, die an der Grenzfläche der piezoelektrischen Schicht107 und der np-Schicht108 angeregt wird, entweder konstruktiv oder destruktiv sein. Es ist vorteilhaft, die sich ausbreitende Modenamplitude zu unterdrücken, um den Betrag an Energie zu reduzieren, der möglicherweise aus der sich ausbreitenden Eigenwelle außerhalb der Kante111 verloren sein kann. - Es wird darauf hingewiesen, dass die obige Beschreibung eine einzelne Anregungspunkt (zum Beispiel an der Grenzfläche zwischen piezoelektrischer Schicht
107 und np-Schicht108 in dem FBAR100 )-Annäherung zu dem vollständigen Fall des Problems der Anregung sich ausbreitender Eigenmoden ist, und nur gegeben ist, um das Grundverständnis für die Effekte zu erleichtern, die aus der Wellennatur des hierin betrachteten Falls entstehen. Wie oben erwähnt, werden die sich ausbreitenden Eigenwellen kontinuierlich in dem gesamten aktiven Bereich109 angeregt und bilden von daher ein Defraktionsmuster in der np-Schicht108 . Des Weiteren ist dieses Defraktionsmuster weiter kompliziert durch die Anwesenheit von großer akustischer Impedanzdiskontinuität an der Kante111 . Üblicherweise wird eine numerische Analyse benötigt, um das Diffraktionsmuster, das in dem FBAR100 gebildet wird, der eine piezoelektrische Schicht107 , np-Schicht108 und Kante111 aufweist, zu berechnen und zu analysieren. Wie unten ausführlicher beschrieben, tritt eine verbesserte FBAR100 -Leistung, die aus dem Ausdrücken des Diffraktionsmusters in der np-Schicht108 resultiert, auf, wenn die Breite der Überlappung110 der zweiten Elektrode101 und der np-Schicht108 bei einem ganzzahligen Vielfachen (1, 2, 3, ...) einer Viertelwellenlänge (λ/4) der sich ausbreitenden Eigenwelle niedrigster Ordnung in der np-Schicht108 ist. Um diesen diffraktiven Effekt zu fördern, ist in bestimmten repräsentativen Ausführungsformen die Breite der Überlappung110 der zweiten Elektrode101 und der np-Schicht108 ausgewählt, ein ganzzahliges Vielfaches (1, 2, 3, ...) einer Viertelwellenlänge (λ/4) der sich ausbreitenden Eigenwelle niedrigster Ordnung in der np-Schicht108 zu sein. Da ein signifikanter Teilbereich der Energie sich ausbreitender Eigenmoden in der np-Schicht108 in der sich ausbreitenden Eigenmode erster Ordnung gefunden wird, kann der größte Betrag an Modalunterdrückung erreicht werden, indem die diffraktive Unterdrückung dieser Mode in der np-Schicht108 gefördert wird. In bestimmten Ausführungsformen wird die größte parallele Impedanz (RP) und der höchste Q erreicht, indem die Breite der Überlappung110 der zweiten Elektrode101 ausgewählt wird, und die np-Schicht108 ausgewählt ist, ein ganzzahliges Vielfaches (1, 2, 3, ...) einer Viertelwellenlänge (λ/4) der sich ausbreitenden Eigenwelle niedrigster Ordnung in der np-Schicht108 zu sein. - Veranschaulichend weist das Substrat
103 Silizium auf und die Kavität104 wird durch Ätzen der Kavität104 in das Substrat103 mittels eines bekannten Verfahrens hergestellt. Eine Opferschicht (nicht gezeigt) wird in der Kavität104 bereitgestellt. Als Nächstes wird die erste Elektrode105 über dem Substrat103 gebildet. Eine Planarisierungsschicht106 wird auch über dem Substrat103 bereitgestellt und dient dazu, die Qualität des Wachsens von nachfolgenden Schichten (zum Beispiel hochstrukturiertes piezoelektrisches c-Achsen-Material) zu verbessern und ihre Verarbeitung zu vereinfachen. - Nachdem die erste Elektrode
105 und die Planarisierungsschicht bereitgestellt werden, werden die piezoelektrische Schicht107 und die np-Schicht108 über dem Substrat103 gebildet. Eine Ätzstoppschicht (zum Beispiel AlN, nicht gezeigt) wird über der ersten Elektrode105 bereitgestellt und schützt die erste Elektrode105 . Als Nächstes wird gemäß einer Ausführungsform eine störende Keimschicht (disruptive seed layer) (nicht gezeigt) über der ersten Elektrode105 und der Planarisierungsschicht106 bereitgestellt. Für AlN kann die störende Keimschicht ein Oxid (zum Beispiel kohlenstoffdotiertes Oxid (CDO) oder Siliziumdioxid (SiO2) oder Siliziumcarbid (SiC)) sein. Die störende Keimschicht ist vergleichsweise dünn mit einem Dickenbereich zwischen ungefähr 50 Å und ungefähr 500 Å und dient wie unten beschrieben dazu, Herstellung der np-Schicht108 zu fördern, die amorphes oder polykristallines Material aufweist, das wenig oder keine piezoelektrischen Effekte aufweist, aufgrund von Kristallwachstum in einer Vielzahl von Richtungen. Für anderes piezoelektrisches Material (zum Beispiel ZnO) kann Entfernen der Keimschicht, die üblicherweise bereitgestellt wird, um die Qualität von nachfolgend gewachsenen piezoelektrischen Material zu verbessern, benötigt werden, um das desorientierte Wachstum zu fördern. - Die störende Keimschicht ist photogemustert (photo-patterned) und entfernt mit Ausnahme in Bereichen über der ersten Elektrode
105 , wo die np-Schicht108 wünschenswerterweise wächst. Als Nächstes wird die Ätzstoppschicht mittels eines bekannten Verfahrens entfernt. Als Nächstes wird ein Material, das nützlich für die piezoelektrische Schicht107 ist, über der freigelegten ersten Elektrode105 und der störenden Keimschicht gewachsen. In Bereichen über der ersten Elektrode resultiert das Wachstum in einem hochstrukturierten piezoelektrischen c-Achsen-Material wie AlN oder ZnO. Jedoch wird in Bereichen über der störenden Keimschicht Material derselben Substanz wie die piezoelektrische Schicht107 gebildet, aber das Kristallwachstum ist gezielt desorientiert und eine amorphe oder polykristalline Schicht bildet die np-Schicht108 . - Alternativ statt der Verwendung einer störenden Keimschicht kann ein „von oben nach unten“ (top-down)-Verfahren verwendet werden, um die np-Schicht
108 zu bilden. Beispielsweise wird, nachdem die erste Elektrode105 gebildet ist, die Herstellung von hochstrukturiertem piezoelektrischem c-Achsen-Material (zum Beispiel AnN oder ZnO) begonnen. Nach dem Bilden einer anfänglichen (initialen) piezoelektrischen Schicht, die eine Dicke hat, die ein Bruchteil der finalen Dicke der np-Schicht108 ist, wird das Wachstum unterbrochen und eine Maske über dem Bereich der piezoelektrischen Schicht, die bis dahin gewachsen ist, bereitgestellt, ausgenommen wo es gewünscht ist, die np-Schicht108 zu wachsen. Die anfängliche Schichtdicke wird üblicherweise ausgewählt in einem Bereich von 20 % bis 80 % der finalen Dicke der np-Schicht108 zu sein. Beachtenswert ist, dass, wenn die anfängliche Schicht zu dünn ist, die nachfolgende gewachsene Schicht piezoelektrische Eigenschaften haben kann, was nicht für die np-Schicht108 gewünscht ist. Im Gegensatz dazu, wenn die anfängliche Schicht zu dick ist, können die piezoelektrischen Eigenschaften des bereits gewachsenen Materials die Eigenschaften der np-Schicht108 dominieren. Von daher wird die optimale anfängliche Schichtdicke experimentell bestimmt. Als Nächstes wird ein Ionenimplantationsschritt durchgeführt, um die Kristallinität des Materials in dem unmaskierten Bereich (das heißt, wo die np-Schicht108 gebildet werden soll) zu reduzieren oder zu zerstören. In einer repräsentativen Ausführungsform können die Ionen, die zur Ionenimplantation verwendet werden, um das kristalline Wachstum zu unterbrechen, um die np-Schicht zu bilden, Sauerstoffionen, Argonionen, Borionen, Phosphorionen oder Wasserstoffionen sein. Das Ionenimplantat wird mittels bekannter Verfahren getätigt und kann mit einer einzelnen Energie und Dosis oder mehrfachen Energien und Dosen ausgeführt werden. Veranschaulichend ist die Energie der Ionenimplantation in dem Bereich von ungefähr150 keV bis ungefähr450 keV, und die Dosen sind zwischen ungefähr 1 × 1014/cm2 bis ungefähr 1 × 106/cm2. Nachdem die Ionenimplantation abgeschlossen ist, wird die Maske entfernt und die Ablagerung des Materials fährt fort. In den maskierten Bereichen wird die piezoelektrische Schicht107 gebildet und in unmaskierten Bereichen wird die np-Schicht108 gebildet. Bemerkenswert ist, da eine störende Keimschicht nicht bereitgestellt wird, dass die piezoelektrische Schicht107 und die np-Schicht108 im Wesentlichen dieselbe Dicke haben, und dass ihre oberen Oberflächen (über denen die zweite Elektrode101 gebildet wird) im Wesentlichen koplanar sind. - Die np-Schicht
108 hat eine Dicke (y-Richtung in dem Koordinatensystem von1B ), die im Wesentlichen identisch zu der piezoelektrischen Schicht ist, oder geringfügig größer in der Dicke aufgrund der hinzugefügten störenden Keimschicht. Wie oben erwähnt weist die np-Schicht108 wenig oder keine piezoelektrischen Effekte auf. In bestimmten Ausführungsformen hat die np-Schicht108 einen piezoelektrischen Kopplungskoeffizienten (e33np), der geringer als der piezoelektrische Kopplungskoeffizient (e33p) der piezoelektrischen Schicht ist. Veranschaulichend ist e33np in dem Bereich von ungefähr 0,01 e33p bis ungefähr 0,8 e33p. Wie oben beschrieben stellt ein vergleichsweise niedriges e33np eine schlechte Einkopplung der evaneszenten Eigenwelle in die np-Schicht108 , verbesserte Eingrenzung der sich ausbreitenden Eigenwelle in dem aktiven Bereich109 und verbesserte Leistung (zum Beispiel Q-Faktor) des FBAR100 sicher. - Nachdem die piezoelektrische Schicht
107 und die np-Schicht108 gebildet sind, wird die zweite Elektrode101 darüber gebildet, um den FBAR zu vervollständigen. -
1C zeigt eine Querschnittsansicht des FBAR112 in Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform. Viele Aspekte des FBAR112 und seiner Verfahren zur Herstellung sind gemeinsam zu denen des FBAR100 und werden nicht wiederholt. Der FBAR112 weist eine piezoelektrische Schicht107 und eine np-Schicht108 benachbart dazu auf. Anders als der FBAR100 , in dem die np-Schicht108 benachbart zu der piezoelektrischen Schicht107 auf zwei Seiten ist (das heißt, ist ein Ring von piezoelektrischem Material in einem piezoelektrischen Material), ist die np-Schicht108 des FBAR112 im Wesentlichen kontinuierlich und wird nicht von der piezoelektrischen Schicht107 umgeben. Bemerkenswert ist, dass der FBAR100 und der FBAR112 im Wesentlichen betrieblich derselbe sind, vorausgesetzt, dass die Interaktionen zwischen der np-Schicht108 und der Kante111 der zweite Elektrode101 für verbessertes Q optimiert sind. Jedoch bezieht sich ein Vorteil der Struktur des FBAR112 auf die Herstellung von mehreren FBARs, um beispielsweise einen Filter zu bilden. Bemerkenswert ist, dass das Bilden der np-Schicht108 mit endlicher Breite in dem FBAR100 die Trennung zwischen FBARs des Filters erhöhen kann und somit die Filtergröße und Gesamtkosten erhöhen kann. Auf der anderen Seite kann das Erzeugen der np-Schicht108 in FBAR112 Verarbeitungsprobleme mit nachfolgenden Schichten (zum Beispiel Delamination der zweiten Elektrode101 ) verursachen. Von daher kann es vorteilhaft sein, den Gesamtbereich der np-Schicht108 wie in dem FBAR100 zu minimieren. - In den oben beschriebenen veranschaulichenden Ausführungsformen wird die np-Schicht
108 entlang aller Seiten des FBARs108 und FBARs112 bereitgestellt (das heißt alle Seiten des veranschaulichenden fünf Seiten FBARs100 ,112 ). Es wird angemerkt, dass dies nicht wesentlich ist, und in anderen Ausführungsformen die np-Schicht108 nicht auf allen Seiten angeordnet wird (zum Beispiel kann die np-Schicht108 auf vier der fünf Seiten angeordnet sein). -
1D ist eine graphische Darstellung der parallelen Impedanz (RP) (linke Achse – Ohm) und des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten (kt 2) (rechte Achse – Prozent) versus der Breite (μm) der Überlappung110 der zweiten Elektrode101 und der np-Schicht108 für einen FBAR einer repräsentativen Ausführungsform. Die Kurve113 stellt RP versus der Überlappung110 dar, in der e33np 0,01 e33p ist. Kurve114 stellt RP versus der Überlappung110 dar, in der e33np gleich zu e33p ist (das heißt keine np-Schicht108 ist bereitgestellt) und dient als eine Grundlinie zum Vergleich von RP. Kurve115 stellt kt 2 versus die Überlappung110 dar, in der e33np 0,01 e33p ist. Kurve116 stellt kt 2 versus die Überlappung110 dar, wenn e33np gleich e33p ist (das heißt keine np-Schicht108 ist bereitgestellt) und dient als eine Grundlinie zum Vergleich von kt 2. Wenn die Breite der Überlappung110 ungefähr 2,0 µm ist, erreicht RP einen Maximalwert (Punkt117 der Kurve113 ) von ungefähr 7000. Der Qualitätsfaktor (Q), der bei paralleler Resonanzfrequenz (FP) evaluiert wird, erhöht sich von ungefähr 700 für einen bekannten FBAR (das heißt ohne np-Schicht108 ) auf ungefähr 3500 für einen FBAR einer repräsentativen Ausführungsform mit Überlappung110 von 2,0 µm. Mit Überlappung110 von ungefähr 2,0 µm ist kt 2 ungefähr 5,3 % (Punkt118 ), was eine Reduktion von ungefähr 0,6 % verglichen mit dem Grundlinienlevel ist, der in Kurve116 dargestellt ist. Bemerkenswert ist, dass die Überlappung110 von 2,0 µm ungefähr gleich zu λ/2 der sich ausbreitenden Eigenwelle erster Ordnung in der np-Schicht108 ist. Die nachfolgende Maxima in RP für die Überlappung110 von ungefähr 4,0 µm und Überlappung110 von ungefähr 6,0 µm scheinen ganzzahligen Mehrfachen (1, 2, 3, ...) von λ/2 für die erste sich ausbreitende Eigenwelle zu entsprechen. Es sollte wiederum hervorgehoben werden, dass aufgrund der Komplexität der Diffraktionsphänomene, die bei Kolben-Modebildung (piston mode formation) in FBAR100 beteiligt sind, eine einfache Vorhersage der größten optimalen Breite der np-Schicht108 üblicherweise nicht möglich ist und numerisch und letztendlich experimentell getan werden muss. - Kurve
119 stellt RP versus die Überlappung110 dar, in der e33np 0,5 e33p ist. Die parallele Impedanz RP des FBAR100 , der die np-Schicht108 aufweist, ist verglichen mit der Grundlinie der Kurve114 auf ein Maximum von ungefähr 3500 Ohm bei Punkt120 mit Überlappung110 von ungefähr 3,0 µm erhöht. Bemerkenswert ist, dass niedrigere Werte von RP, dargestellt in Kurve119 , im Vergleich zu Kurve113 durch die Tatsache verursacht werden, dass es wesentliche Anregung sowohl von kontinuierlichen als auch sich ausbreitenden Moden in der np-Schicht108 für einen Fall gibt, in dem e33np 0,5 e33p ist. Daher gibt es mehr Verstreuung von aktiv angeregten Moden an der Kante111 der zweiten Elektrode101 , was in einem niedrigeren RP resultiert. Auch tritt die Höhepunkt RP mit Überlappung110 von ungefähr 3,0 µm bei der Überlappung110 auf, was höchstwahrscheinlich aus einem unterschiedlichen Diffraktionsmuster in der np-Schicht108 resultiert. - Kurve
121 stellt den elektromechanischen Kopplungskoeffizienten kt 2 versus der Überlappung110 dar, in der e33np 0,5 e33p ist. Für die Überlappung von ungefähr 3,0 µm ist kt 2 ungefähr 5,5 %. Es sollte beachtet werden, dass eine Reduktion von kt 2 in dem FBAR100 mit der np-Schicht108 aufgrund von unterdrückter elektrischer Anregung von mechanischer Bewegung in der np-Schicht108 erwartet wird. Per Definition ist kt 2 ein Gradmaß von Überlappung eines elektrischen Feldes (begrenzt zwischen der ersten Elektrode105 und der zweiten Elektrode101 ) und der mechanischen Bewegung, die durch das elektrische Feld angeregt wird. In dem FBAR100 ist das elektrische Feld zwischen zwei Elektroden vorhanden, aber Anregung von mechanischer Bewegung wird aufgrund der np-Schicht108 unterdrückt. Vorteilhafter Weise resultiert dies in der gewünschten Erhöhung in RP, aber da der Grad von Überlappung des elektrischen Felds und der mechanischen Bewegung vermindert ist, wird kt 2 reduziert. Je größer die Unterdrückung der elektrischen Anregung der mechanischen Bewegung (größeres RP), desto größer ist die resultierende Degradierung in kt 2, die erwartet ist. Wie von einer Überprüfung von kt 2 versus dem piezoelektrischen Kopplungskoeffizienten (e33np) in1D gewürdigt werden kann, verringert sich kt 2 mit verringertem e33np der np-Schicht108 . - Wie gewürdigt werden kann, stellt der FBAR
100 , der die np-Schicht108 aufweist, eine Erhöhung in der parallelen Impedanz RP und eine Verbesserung in Q verglichen mit einem FBAR ohne eine np-Schicht bereit. Bemerkenswert ist, dass in einer Ausführungsform RP um ungefähr 6000 Ohm mit einer akzeptablen Reduktion in kt 2 (0,5 %) erhöht ist. - Ausführungsformen, die einen Doppel-Bulk-Akustikresonator (DBAR) aufweisen
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2A bis2C sind Querschnittsansichten eines Doppel-Bulk-Akustikresonators (DBAR) in Übereinstimmung mit repräsentativen Ausführungsformen. Viele Details der vorliegenden Ausführungsformen sind gemeinsam zu denen, die oben in Verbindung mit den repräsentativen Ausführungsformen von1A bis1C beschrieben wurden. Im Allgemeinen werden die gemeinsamen Details in der Beschreibung der Ausführungsformen, die einen DBAR aufweisen, nicht wiederholt. -
2A ist eine Querschnittsansicht eines DBAR200 in Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform. Ein Substrat203 weist eine Kavität204 oder einen anderen akustischen Reflektor (zum Beispiel ein verteiltes Bragg-Gitter (DBR) (nicht gezeigt)) auf. Eine erste Elektrode205 ist über dem Substrat203 angeordnet und ist über der Kavität204 aufgehängt. Eine erste Planarisierungsschicht206 ist über dem Substrat203 bereitgestellt und kann nicht ätzbares Borosilikatglas (NEBSG) sein. Im Allgemeinen muss die erste Planarisierungsschicht206 in der Struktur nicht vorhanden sein (da sie die gesamten Herstellungskosten erhöht), aber wenn vorhanden, kann sie dazu dienen, die Qualität des Wachstums von nachfolgenden Schichten (zum Beispiel hochstrukturiertes piezoelektrisches c-Achsen-Material) zu verbessern und deren Verarbeitung zu vereinfachen. Eine erste piezoelektrische Schicht207 ist über der ersten Elektrode205 bereitgestellt und weist hochstrukturiertes piezoelektrisches c-Achsen-Material wie Aluminiumnitrid (AlN) oder Zinkoxid (ZnO) auf. Benachbart zu der ersten piezoelektrischen Schicht207 ist eine erste nicht-piezoelektrische (np) Schicht208 . Die erste np-Schicht208 ist üblicherweise aus derselben Substanz wie die erste piezoelektrische Schicht207 hergestellt (zum Beispiel AlN oder ZnO), aber ist entweder amorph oder polykristallin und weist wenig oder keine piezoelektrischen Effekte auf. Die zweite Elektrode201 ist über der ersten piezoelektrischen Schicht207 und über der ersten np-Schicht208 angeordnet. - Eine zweite piezoelektrische Schicht
209 ist über der zweiten Elektrode201 angeordnet. Benachbart zu der zweiten piezoelektrischen Schicht ist eine zweite np-Schicht210 . Die zweite np-Schicht210 ist üblicherweise aus derselben Substanz wie die zweite piezoelektrische Schicht209 (zum Beispiel AlN oder ZnO) hergestellt, und ist ähnlich wie die erste np-Schicht108 entweder amorph oder polykristallin und weist wenig oder keine piezoelektrischen Effekte auf. Eine zweite Planarisierungsschicht211 ist über der ersten piezoelektrischen Schicht207 und der ersten np-Schicht208 wie dargestellt bereitgestellt. Ähnlich wie die erste Planarisierungsschicht206 ist die zweite Planarisierungsschicht211 veranschaulichend nicht ätzbares Borosilikatglas (NEBSG) und muss nicht in der Struktur vorhanden sein (da sie die Gesamtverarbeitungskosten erhöht). Jedoch kann die zweite Planarisierungsschicht dazu dienen, die Qualität des Wachstums von nachfolgenden Schichten (zum Beispiel hochstrukturiertes piezoelektrisches c-Achsen-Material) zu verbessern und deren Verarbeitung zu vereinfachen. - Eine dritte Elektrode
212 ist über der zweiten piezoelektrischen Schicht209 und der zweiten np-Schicht210 angeordnet. Auf einer Verbindungsseite202 erstreckt sich die dritte Elektrode212 über die zweite np-Schicht210 , und an allen anderen Seiten des DBAR200 überlappt die dritte Elektrode212 die erste und die zweite np-Schicht208 ,210 um eine vorbestimmte Breite, wie unten beschrieben. - Die Überlappung der Kavität
204 , der ersten Elektrode205 , der ersten piezoelektrischen Schicht207 , der zweiten Elektrode201 , der zweiten piezoelektrischen Schicht209 und der dritten Elektrode212 definiert einen aktiven Bereich213 des DBAR200 . In unten beschriebenen repräsentativen Ausführungsformen werden akustische Verluste an den Grenzen des DBAR200 abgeschwächt, um Modenbegrenzung in dem aktiven Bereich213 zu verbessern. Insbesondere ist die Breite einer Überlappung214 der zweiten Elektrode201 und der ersten und zweiten np-Schicht208 ,210 ausgewählt, akustische Verluste zu kontinuierlichen Moden oder zu einer Eigenwelle niedrigster Ordnung in der np-Schicht zu reduzieren. Wie unten ausführlicher beschrieben, ist in einer repräsentativen Ausführungsform die Breite der Überlappung214 ausgewählt entweder größer als oder gleich der Inversen der Dämpfungskonstante (1/k) der evaneszenten Mode niedrigster Ordnung in der ersten und zweiten np-Schicht208 ,210 oder ein ganzzahliges Vielfaches (1, 2, 3, ...) einer Viertelwellenlänge (λ/4) der sich ausbreitenden Eigenwelle niedrigster Ordnung in der ersten und zweiten np-Schicht208 ,210 zu sein. Im Allgemeinen ist die Breite der ersten und zweiten np-Schicht208 ,210 selektiv minimiert, um den Bereich des DBAR200 zu minimieren und um mögliche nachteilige Effekte der ersten und zweiten np-Schicht208 ,210 auf den DBAR200 zu minimieren (zum Beispiel Delamination von Schichten, die entweder über der ersten oder der zweiten np-Schicht208 ,210 angeordnet sind). Es sollte beachtet werden, dass aufgrund der Komplexität der Diffraktionsphänomene, die in der Kolben-Modebildung im DBAR200 involviert sind, eine Bestimmung einer optimalen Breite der Überlappung214 im Allgemeinen experimentell bestimmt wird. - In der Ausführungsform dargestellt in
2A ist die erste np-Schicht208 zwischen Schichten der ersten piezoelektrischen Schicht202 angeordnet, und die zweite np-Schicht210 ist zwischen Schichten der zweiten piezoelektrischen Schicht209 angeordnet. Es sollte beachtet werden, dass die erste np-Schicht208 sich von der Grenzfläche mit der ersten piezoelektrischen Schicht207 (das heißt an der Kante des aktiven Bereichs213 ) erstrecken kann und dass die zweite np-Schicht210 sich von der Grenzfläche mit der zweiten piezoelektrischen Schicht209 (das heißt an der Kante des aktiven Bereichs213 ) erstrecken kann. Von daher sind die erste piezoelektrische Schicht207 und die zweite piezoelektrische Schicht209 nur in dem aktiven Bereich213 bereitgestellt. -
2B ist eine Querschnittsansicht eines DBAR215 in Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform. Das Substrat203 weist eine Kavität204 oder einen anderen akustischen Reflektor (zum Beispiel ein verteiltes Bragg-Gitter (DBR) (nicht gezeigt)) auf. Die erste Elektrode205 ist über dem Substrat203 angeordnet und ist über der Kavität204 aufgehängt. Die erste Planarisierungsschicht206 ist über dem Substrat203 bereitgestellt und kann nicht ätzbares Borosilikatglas (NEBFG) sein. Die erste piezoelektrische Schicht207 ist über der ersten Elektrode205 bereitgestellt und weist hochstrukturiertes piezoelektrisches c-Achsen-Material wie Aluminiumnitrid (AlN) oder Zinkoxid (ZnO) auf. Benachbart zu der ersten piezoelektrischen Schicht207 ist die erste nicht-piezoelektrische (NP) Schicht208 . Die erste np-Schicht208 ist üblicherweise aus derselben Substanz wie die erste piezoelektrische Schicht207 (zum Beispiel AlN oder ZnO) hergestellt, aber ist entweder amorph oder polykristallin und weist wenig oder keine piezoelektrischen Effekte auf. - Die zweite Elektrode
201 ist über der ersten piezoelektrischen Schicht207 und über der ersten np-Schicht208 angeordnet. - Die zweite piezoelektrische Schicht
209 ist über der zweiten Elektrode201 angeordnet. Anders als die Ausführungsformen dargestellt in2A gibt es keine zweite np-Schicht210 in dem DBAR215 . Die dritte Elektrode212 ist über der zweiten piezoelektrischen Schicht209 angeordnet. Auf einer Verbindungsseite202 erstreckt sich die dritte Elektrode212 über der zweiten piezoelektrischen Schicht209 . An allen anderen Seiten des DBAR215 überlappt die dritte Elektrode212 die erste np-Schicht208 um eine unten beschriebene vorbestimmte Breite. - Die Überlappung der Kavität
204 , der ersten Elektrode205 , der ersten piezoelektrischen Schicht207 , der zweiten Elektrode201 , der zweiten piezoelektrischen Schicht209 und der dritten Elektrode212 definiert einen aktiven Bereich213 des DBAR215 . In unten beschriebenen repräsentativen Ausführungsformen werden akustische Verluste an den Grenzen des DBAR215 abgeschwächt, um Modenbegrenzung in dem aktiven Bereich213 zu verbessern. Insbesondere ist die Breite der Überlappung214 der zweiten Elektrode201 und der ersten np-Schicht208 ausgewählt, um akustische Verluste auf kontinuierliche Moden oder auf eine Eigenwelle niedrigster Ordnung in der np-Schicht zu reduzieren. Wie unten ausführlicher beschrieben ist in einer repräsentativen Ausführungsform die Breite der Überlappung214 ausgewählt, entweder größer als oder gleich der Inversen der Dämpfungskonstante (1/k) der evaneszenten Eigenwelle niedrigster Ordnung in der ersten np-Schicht208 oder ein ganzzaliges Vielfaches (1, 2, 3, ...) einer Viertelwellenlänge (λ/4) der sich ausbreitenden Eigenwelle niedrigster Ordnung in der ersten np-Schicht208 zu sein. Es wird angemerkt, dass aufgrund der Komplexität der Diffraktionsphänomene, die in die Kolben-Modenbildung in DBAR215 involviert sind, eine Bestimmung einer optimalen Breite der Überlappung214 im Allgemeinen experimentell bestimmt wird. - In der Ausführungsform dargestellt in
2B ist die erste np-Schicht208 zwischen Schichten der ersten piezoelektrischen Schicht207 angeordnet. Es wird angemerkt, dass die erste np-Schicht208 sich von der Grenzfläche mit der ersten piezoelektrischen Schicht207 (das heißt an der Kante des aktiven Bereichs213 ) erstrecken kann. Von daher wird die erste piezoelektrische Schicht207 nur in dem aktiven Bereich213 bereitgestellt. -
2C ist eine Querschnittsansicht eines DBAR216 in Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform. Das Substrat203 weist eine Kavität204 oder einen anderen akustischen Reflektor (zum Beispiel ein verteiltes Bragg-Gitter (DBR) (nicht gezeigt)) auf. Die erste Elektrode205 ist über dem Substrat203 angeordnet und über der Kavität204 aufgehängt. Die erste Planarisierungsschicht206 ist über dem Substrat203 bereitgestellt und kann nicht ätzbares Borosilikatglas (NEBSG) sein. Die erste piezoelektrische Schicht207 ist über der ersten Elektrode205 bereitgestellt und weist hochstrukturiertes piezoelektrisches c-Achsen-Material wie Aluminiumnitrid (AlN) oder Zinkoxid (ZnO) auf. Anders als die Ausführungsform dargestellt in2A und2B ist in dem DBAR216 keine np-Schicht benachbart zu der bzw. angrenzend an die erste piezoelektrische Schicht207 angeordnet. - Die zweite piezoelektrische Schicht
209 ist über der zweiten Elektrode201 angeordnet. Die dritte Elektrode212 ist über zweiten piezoelektrischen Schicht209 angeordnet. Die zweite np-Schicht210 ist benachbart zu der zweiten piezoelektrischen Schicht209 angeordnet. Auf einer Verbindungsseite202 erstreckt sich die dritte Elektrode212 über die zweite piezoelektrische Schicht209 . An allen anderen Seiten des DBAR215 überlappt die dritte Elektrode212 die erste np-Schicht208 um eine vorbestimmte Breite, wie unten beschrieben. - Die Überlappung der Kavität
204 , der ersten Elektrode205 , der ersten piezoelektrischen Schicht207 , der zweiten Elektrode201 , der zweiten piezoelektrischen Schicht209 und der dritten Elektrode212 definiert den aktiven Bereich213 des DBAR216 . In repräsentativen Ausführungsformen, die unten beschrieben sind, werden akustische Verluste an den Grenzen des DBAR216 abgeschwächt, um Modenbegrenzung in dem aktiven Bereich213 zu verbessern. Insbesondere ist die Breite der Überlappung214 der zweiten Elektrode201 und der zweiten np-Schicht210 ausgewählt, akustische Verluste auf kontinuierliche Moden oder eine sich ausbreitende Eigenwelle niedrigster Ordnung in der zweiten np-Schicht210 zu reduzieren. Wie unten ausführlicher beschrieben ist in einer repräsentativen Ausführungsform die Breite der Überlappung214 ausgewählt, größer als oder gleich der Inversen der Dämpfungskonstante (1/k) der evaneszenten Mode niedrigster Ordnung in der np-Schicht210 oder ein ganzzahliges Vielfaches (1, 2, 3, ...) einer Viertelwellenlänge (λ/4) der sich ausbreitenden Eigenwelle niedrigster Ordnung in der np-Schicht210 zu sein. Es wird angemerkt, dass aufgrund der Komplexität der Diffraktionsphänomene, die in der Kolben-Modebildung im DBAR216 involviert sind, die Bestimmung einer Optimalbreite der Überlappung214 im Allgemeinen experimentell bestimmt wird. - In der Ausführungsform dargestellt in
2C ist die zweite np-Schicht210 zwischen Schichten der zweiten piezoelektrischen Schicht209 angeordnet. Es wird angemerkt, dass die zweite np-Schicht210 sich von der Grenzfläche mit der zweiten piezoelektrischen Schicht209 (das heißt an der Kante des aktiven Bereichs213 ) erstrecken kann. Von daher ist die zweite piezoelektrische Schicht209 nur in dem aktiven Bereich213 bereitgestellt. - In den repräsentativen Ausführungsformen, die oben beschrieben wurden, sind die erste und zweite np-Schicht
208 ,210 im Wesentlichen ausgerichtet und haben im Wesentlichen identische Breiten (x-Richtung). Es wird hervorgehoben, dass die erste und zweite np-Schicht nicht notwendigerweise ausgerichtet sind, oder nicht von im Wesentlichen identischer Breite sind, oder beides. Es wird auch hervorgehoben, dass in den veranschaulichenden Ausführungsformen, die oben beschrieben wurden, die np-Schichten208 ,210 entlang aller Seiten des DBAR200 , DBAR215 und DBAR216 bereitgestellt sind (das heißt Seiten des veranschaulichenden fünfseitigen DBAR200 ,215 ,216 ). Es wird angemerkt, dass dies nicht wesentlich ist, und in anderen Ausführungsformen die np-Schichten208 ,210 nicht auf allen Seiten angeordnet sind (zum Beispiel kann jede der ersten oder zweiten np-Schicht208 ,210 entlang derselben oder entlang unterschiedlicher vier der fünf Seiten angeordnet sein). -
2D ist eine graphische Darstellung der Parallelimpedanz (RP) (linke Achse – Ohm) und des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten (kt 2) (rechte Achse – %) versus der Breite (μm) der Überlappung214 des DBAR200 dargestellt in2A . Kurve217 stellt RP versus der Überlappung110 dar, in der e33np 0,01 e33p ist. Kurve218 stellt RP versus der Überlappung214 dar, in der e33np gleich e33p ist (das heißt erste und zweite np-Schicht208 ,210 sind nicht bereitgestellt) und dient als eine Grundlinie zum Vergleich von RP. Kurve219 stellt kt 2 versus Überlappung214 dar, in der e33np 0,01 e33p ist. Kurve220 stellt kt 2 versus der Überlappung214 dar, wenn e33np gleich e33p ist (das heißt erste und zweite np-Schicht208 ,210 sind nicht bereitgestellt) und dient als eine Grundlinie zum Vergleich von kt 2. Wenn die Breite der Überlapppung214 ungefähr 11,0 µm ist, erreicht RP einen Maximalwert (Punkte221 von Kurve217 ) von ungefähr 6500 Ohm. Verbesserung des Qualitätsfaktors Q bei paralleler Resonanz FP von ungefähr zehn Mal ist im DBAR200 erwartet verglichen mit bekanntem DBAR ohne np-Schichten208 und210 . Mit Überlappung214 von ungefähr 11,0 µm ist kt 2 ungefähr 3,5 % (Punkt222 ). Während solch niedriges kt 2 DBAR200 davon ausschließt, in Frequenzbändern verwendet zu werden, die eine große Filterbandbreite benötigen, gibt es spezielle Frequenzbänder (zum Beispiel Band 13), das Resonatoren benötigt, die kt 2 in dem Bereich von ungefähr 3 % bis ungefähr 4 % haben. Des Weiteren, und wie von dem Fachmann gewürdigt werden sollte, ist für niedrige Frequenzbänder (zum Beispiel um 700 MHz) der Bereich, der für einen bekannten BAW-basierten Filter benötigt wird, vergleichsweise groß. Mittels der vorliegenden Lehren kann das Gesamtbereichsbedürfnis für Filter bei niedrigeren Frequenzbändern reduziert werden, indem DBAR200 statt bekannten FBARs oder anderen BAW-Resonatoren integriert wird. Für solche Frequenzbandanwendungen ist die Reduktion von kt 2 mit simultanen signifikanten Ansteigen von RP in DBAR200 aus Kosten- und Leistungsperspektive vorteilhaft. - In
2D ist bei Punkt221 die Überlappung214 für ein Maximal-RP ungefähr gleich 11,0 µm. Diese Überlappung214 ist gleich oder größer als die Inverse der Dämpfungskonstante (1/k) einer ersten evaneszenten Mode in der ersten und zweiten np-Schicht208 ,210 . Dies ist im Gegensatz zu dem Ergebnis gezeigt bei Punkt117 in1D für FBAR100 , wo das Maximal-RP-Design durch die Halbwellenlänge (λ/2)-Breite der ersten sich ausbreitenden Eigenwelle in der np-Schicht108 bestimmt zu sein erscheint. Jedoch kann DBAR200 als zwei stark gekoppelte FBARs aufweisend gesehen werden. Somit ist die Anzahl von erlaubten sich ausbreitenden Moden in DBAR ungefähr zwei Mal größer als in einem korrespondierenden FBAR. Es ist erwartet, dass, während Diffraktion der sich ausbreitenden Mode niedrigster Ordnung zu ihrer Unterdrückung in np-Schichten208 und210 für eine spezielle Überlappung214 führt (somit Unterdrückung von Verstreuungsverlusten an den Kanten der zweiten und dritten Elektrode201 und212 ), die Diffraktion der sich ausbreitenden Mode höherer Ordnung zu ihrer Verbesserung in np-Schichten208 und210 für dieselbe Überlappung214 führt. Von daher kann die Verbesserung von Verstreuungsverlusten an den Kanten der zweiten und dritten Elektrode201 und212 für sich ausbreitende Eigenwellen höherer Ordnung erwartet werden. Diese zwei Effekte können sich herausmitteln und daher ist der nächste dominante Effekt, der eine Erhöhung von RP ergibt, die Minimierung von Verstreuung der evaleszenten Mode niedrigster Ordnung. - Kurve
223 stellt RP versus Überlappung214 dar, in der e33np 0,5 e33p ist. Die parallele Impedanz RP des DBAR200 , der erste und zweite np-Schichten208 ,210 aufweist, ist erhöht verglichen mit der Grundlinie der Kurve216 auf ein Maximum bei Punkt224 mit Überlappung214 von ungefähr 6,0 µm. Kurve225 stellt kt 2 versus der Überlappung214 dar, in der e33np 0,5 e33p ist. Für eine Überlappung von ungefähr 6,0 µm ist kt 2 ungefähr 4,5 %. Insgesamt sind alle diese Ergebnisse konsistent mit den analogen Ergebnissen gezeigt in1D für FBAR100 , der die np-Schicht108 aufweist, was anzeigt, dass im Allgemeinen die zugrunde liegenden Mechanismen des Bestimmens der parallelen Impedanz RP und des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten kt 2 in sowohl FBAR100 als auch DBAR200 ähnlich sind und werden hierin zur Kürze der Darstellung nicht wiederholt. - Ausführungsformen, die einen gekoppelten Resonatorfilter (CRS) aufweisen
-
3A ~3C sind Querschnittsansichten eines gekoppelten Resonatorfilters (CRF) in Übereinstimmung mit repräsentativen Ausführungsformen. Viele Details der vorliegenden Ausführungsformen sind gemeinsam zu denen, die oben in Verbindung mit den repräsentativen Ausführungsformen von1A –2C beschrieben wurden. Im Allgemeinen werden die gemeinsamen Details in der Beschreibung von Ausführungsformen, die einen CRF aufweisen, nicht wiederholt. -
3A ist eine Querschnittsansicht eines CRF300 in Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform. Ein Substrat303 weist eine Kavität304 oder einen anderen akustischen Reflektor (zum Beispiel ein verteiltes Bragg-Gitter (DBR) (nicht gezeigt)) auf. Eine erste Elektrode305 ist über dem Substrat203 angeordnet und ist über der Kavität204 aufgehängt. Eine erste Planarisierungsschicht306 ist über dem Substrat303 bereitgestellt und kann nicht ätzbares Borosilikatglas (NEBSG) sein. Im Allgemeinen muss die erste Planarisierungsschicht306 in der Struktur nicht vorhanden sein (da sie die Gesamtverarbeitungskosten erhöht), aber wenn sie vorhanden ist, kann sie dazu dienen, die Qualität des Wachstums von nachfolgenden Schichten (zum Beispiel hochstrukturiertes piezoelektrisches c-Achsen-Material) zu verbessern und deren Verarbeitung zu vereinfachen. Eine erste piezoelektrische Schicht307 ist über der ersten Elektrode305 bereitgestellt und weist hochstrukturiertes piezoelektrisches c-Achsen-Material wie Aluminiumnitrid (AlN) oder Zinkoxid (ZnO) auf. Benachbart zu der ersten piezoelektrischen Schicht307 ist eine erste nicht-piezoelektrische Schicht (np)308 . Die erste np-Schicht308 ist üblicherweise aus derselben Substanz wie die erste piezoelektrische Schicht307 (zum Beispiel AlN oder ZnO) hergestellt, aber ist entweder amorph oder polykristallin und weist wenig oder keine piezoelektrischen Effekte auf. Eine zweite Elektrode201 ist über der ersten piezoelektrischen Schicht307 und über der ersten np-Schicht308 angeordnet. - Eine akustische Kopplungsschicht („Kopplungsschicht”)
309 ist über der zweiten Elektrode301 angeordnet, und einer zweiten Planarisierungsschicht310 . Die Kopplungsschicht weist kohlenstoffdotiertes Oxid (CDO) oder NEBSG, oder kohlenstoffdotiertes Siliziumoxid (SiOCH) auf, wie in der gemeinsam besessenen US-Patentanmeldung Nr. 12/710,640 mit dem Titel „Bulk acoustic resonators structures comprising a single material acoustic coupling layer comprising inhomogenous acoustic property“ von Elbrecht et al. und eingereicht am 23. Februar 2010, beschrieben. Die Offenbarung dieser Patentanmeldung wird hierin mittels Bezugnahme ausdrücklich aufgenommen. Bemerkenswerterweise gehören SiOCH-Schichten der repräsentativen Ausführungsform zu einer allgemeinen Klasse von dielektrischen Materialien mit vergleichsweise niedrigen dielektrischen Konstanten (low-k), die oft als kohlenstoffdotierte Oxide (CDO) bezeichnet werden. Alternativ kann die Kopplungsschicht309 andere dielektrische Materialien mit geeigneter akustischer Impedanz und akustischer Dämpfung aufweisen, einschließlich aber nicht beschränkt auf poröses Siliziumoxinitrid (SiON), poröses bordortiertes Silikatglas (BSG), oder poröses Phosphorsilikatglas (PSG). Im Allgemeinen ist das Material, das für die Kopplungsschicht112 verwendet wird, ausgewählt, vergleichsweise niedrige akustische Impedanz und Verlust bereitzustellen, um gewünschte Durchlassbereichscharakteristika bereitzustellen. - Eine dritte Elektrode
311 ist über der Kopplungsschicht309 und der zweiten Planarisierungsschicht310 angeordnet wie in3A dargestellt. Die zweite Planarisierungsschicht310 ist veranschaulichend nicht-ätzbares Borosilikatglas (NEBSG) und muss in der Struktur nicht vorhanden sein (da sie die Gesamtverarbeitungskosten erhöht). Jedoch kann die zweite Planarisierungsschicht310 dazu dienen, die Qualität des Wachstums von nachfolgenden Schichten (zum Beispiel von hochstrukturiertem piezoelektrischen c-Achsen-Material) zu verbessern und deren Verarbeitung zu vereinfachen. - Eine zweite piezoelektrische Schicht
312 ist über der dritten Elektrode311 angeordnet. Benachbart zu der zweiten piezoelektrischen Schicht312 ist eine zweite np-Schicht313 . Die zweite np-Schicht313 ist üblicherweise aus derselben Substanz wie die zweite piezoelektrische Schicht312 (zum Beispiel AlN oder ZnO) hergestellt, und ist wie die erste np-Schicht308 entweder amorph oder polykristallin und weist wenig oder keine piezoelektrischen Effekte auf. - Eine vierte Elektrode
314 ist über der zweiten piezoelektrischen Schicht312 und der zweiten np-Schicht313 angeordnet. Auf einer Verbindungsseite302 erstreckt sich die vierte Elektrode314 über die zweite np-Schicht313 . Auf allen anderen Seiten des CRF300 überlappt die vierte Elektrode314 die erste und zweite np-Schicht308 ,313 um eine vorbestimmte Breite, wie unten beschrieben. - Die Überlappung der Kavität
304 , der ersten Elektrode305 , der ersten piezoelektrischen Schicht307 , der zweiten Elektrode301 , der Kopplungsschicht309 , der dritten Elektrode311 , der zweiten piezoelektrischen Schicht312 und der vierten Elektrode314 definiert einen aktiven Bereich315 des CRF300 . In unten beschriebenen repräsentativen Ausführungsformen sind akustische Verluste an den Grenzen des CRF300 abgeschwächt, um Modenbegrenzung in dem aktiven Bereich315 zu verbessern. Insbesondere ist die Breite eine Überlappung316 der vierten Elektrode314 und der ersten und zweiten np-Schicht308 ,313 ausgewählt, um akustische Verluste auf kontinuierliche Moden oder eine Eigenwelle niedrigster Ordnung in der np-Schicht zu reduzieren. Wie unten ausführlicher beschrieben ist in einer repräsentativen Ausführungsform die Breite der Überlappung316 ausgewählt, größer als oder gleich der Inversen der Dämpfungskonstante (1/k) der evaneszenten Eigenwelle niedrigster Ordnung in der ersten und zweiten np-Schicht308 ,313 oder ein ganzzahliges Vielfaches (1, 2, 3, ...) eine Viertelwellenlänge (λ/4) der sich ausbreitenden Eigenwelle niedrigster Ordnung in der ersten und zweiten np-Schicht308 ,313 zu sein. Es wird angemerkt, dass aufgrund der Komplexität der Diffraktionsphänomene (diffraction phenomena), die in der Kolben-Modebildung im CRF300 involviert sind, eine Bestimmung einer Optimalbreite der Überlappung316 im Allgemeinen experimentell bestimmt wird. - Es sollte hervorgehoben werden, dass aufgrund der Komplexität der Diffraktionsphänomene, die bei der Kolben-Modebildung in CRF
300 involviert sind, eine einfache Vorhersage einer größten optimalen Breite der np-Schicht108 üblicherweise nicht möglich ist und numerisch und letztendlich experimentell getan werden muss. - In der Ausführungsform dargestellt in
3A ist die erste np-Schicht308 zwischen Schichten der ersten piezoelektrischen Schicht307 angeordnet, und die zweite np-Schicht313 ist zwischen Schichten der zweiten piezoelektrischen Schicht312 angeordnet. Es wird angemerkt, dass die erste np-Schicht308 sich von der Grenzfläche mit der ersten piezoelektrischen Schicht307 (das heißt an der Kante des aktiven Bereichs315 ) erstrecken bzw. ausdehnen kann und dass die zweite np-Schicht313 sich von der Grenzfläche mit der zweiten piezoelektrischen Schicht312 (das heißt an der Kante des aktiven Bereichs315 ) erstrecken bzw. ausdehnen kann. Von daher sind die erste piezoelektrische Schicht307 und die zweite piezoelektrische Schicht312 nur in dem aktiven Bereich315 bereitgestellt. -
3B ist eine Querschnittsansicht eines CRF317 in Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform. Das Substrat300 weist eine Kavität304 oder einen anderen akustischen Reflektor (zum Beispiel ein verteiltes Bragg-Gitter (DBR) (nicht gezeigt)) auf. Die erste Elektrode305 ist über dem Substrat303 angeordnet und ist über der Kavität304 aufgehängt. Eine erste Planarisierungsschicht306 ist über dem Substrat303 bereitgestellt und kann nicht ätzbares Borosilikatglas (NEBSG) sein. Im Allgemeinen muss die erste Planarisierungsschicht306 nicht in der Struktur vorhanden sein (da sie die Gesamtverarbeitungskosten erhöht), aber wenn vorhanden kann sie dazu dienen, die Qualität des Wachstums von nachfolgender Schichten (zum Beispiel von hochstrukturiertem piezoelektrischen c-Achsen-Material) zu verbessern und deren Verarbeitung zu vereinfachen. - Die erste piezoelektrische Schicht
307 ist über der ersten Elektrode305 bereitgestellt, und weist hochstrukturiertes piezoelektrisches c-Achsen-Material wie Aluminiumnitrid (AlN) oder Zinkoxid (ZnO) auf. Benachbart zu der ersten piezoelektrischen Schicht307 ist die erste nicht-piezoelektrische (np) Schicht308 . Die erste np-Schicht308 ist üblicherweise aus derselben Substanz wie die erste piezoelektrische Schicht307 (zum Beispiel AlN oder ZnO) hergestellt, aber kann entweder amorph oder polykristallin sein und weist wenig oder keine piezoelektrischen Effekte auf. Eine zweite Elektrode201 ist über der ersten piezoelektrischen Schicht307 und über der ersten np-Schicht308 angeordnet. - Die akustische Kopplungsschicht („Kopplungsschicht”)
309 ist über der zweiten Elektrode301 angeordnet, und der zweiten Planarisierungsschicht310 . Die dritte Elektrode311 ist über der Kopplungsschicht309 und der zweiten Planarisierungsschicht310 wie in3A dargestellt angeordnet. Die zweite Planarisierungsschicht310 ist veranschaulichend nicht-ätzbares Borosilikatglas (NEBSG) und muss in der Struktur nicht vorhanden sein (da sie die Gesamtverarbeitungskosten erhöht). Jedoch kann die zweite Planarisierungsschicht310 dazu dienen, die Qualität von Wachstum von nachfolgenden Schichten (zum Beispiel von hochstrukturiertem piezoelektrischen c-Achsen-Material) zu verbessern und deren Verarbeitung zu vereinfachen. - Die zweite piezoelektrische Schicht
312 ist über der dritten Elektrode311 angeordnet. Anders als CRF300 , in dem die zweite np-Schicht313 benachbart zu der zweiten piezoelektrischen Schicht312 auf zwei Seiten ist (das heißt ist ein Ring von nicht-piezoelektrischem Material in einem piezoelektrischen Material), ist die zweite np-Schicht313 vorangegangen (foregone). - Die vierte Elektrode
314 ist über der zweiten piezoelektrischen Schicht312 angeordnet. Auf einer Verbindungsseite302 erstreckt sich die vierte Elektrode314 über die zweite piezoelektrische Schicht312 . Auf allen anderen Seiten des CRF300 überlappt die vierte Elektrode314 die erste np-Schicht308 um eine vorbestimmte Breite, wie unten beschrieben. - Die Überlappung der Kavität
304 , der ersten Elektrode305 , der ersten piezoelektrischen Schicht307 , der zweiten Elektrode301 , der Kopplungsschicht309 , der dritten Elektrode311 , der zweiten piezoelektrischen Schicht312 und der vierten Elektrode314 definiert den aktiven Bereich315 des CRF317 . In repräsentativen Ausführungsformen, die unten beschrieben sind, werden akustische Verluste an den Grenzen des CRF317 abgeschwächt, um Modenbegrenzung in dem aktiven Bereich315 zu verbessern. Insbesondere ist die Breite eine Überlappung316 der vierten Elektrode314 und der ersten und zweiten np-Schichten308 ,313 ausgewählt, um akustische Verluste auf kontinuierliche Moden oder eine Eigenwelle niedrigster Ordnung in der np-Schicht zu reduzieren. Wie unten ausführlicher beschrieben ist in einer repräsentativen Ausführungsform die Breite der Überlappung316 ausgewählt, größer als oder gleich der Inversen der Dämpfungskonstante (1/k) der evaneszenten Eigenwelle niedrigster Ordnung, oder ein ganzzahliges Vielfaches (1, 2, 3, ...) einer Viertelwellenlänge (λ/4) der sich ausbreitenden Eigenwelle niedrigster Ordnung in der ersten np-Schicht308 zu sein. Es wird angemerkt, dass aufgrund der Komplexität der Diffraktionsphänomene, die in der Kolben-Modenbildung in CRF317 involviert sind, die Bestimmung einer optimalen Breite der Überlappung316 im Allgemeinen experimentell bestimmt wird. - In der Ausführungsform dargestellt in
3B ist die erste np-Schicht308 zwischen Schichten der ersten piezoelektrischen Schicht307 angeordnet. Es wird angemerkt, dass die erste np-Schicht308 sich von der Grenzfläche mit der ersten piezoelektrischen Schicht307 (das heißt an der Kante des aktiven Bereichs315 ) erstrecken kann. Von daher wird die erste piezoelektrische Schicht307 nur in dem aktiven Bereich315 bereitgestellt. -
3C ist eine Querschnittsansicht eines CRF318 in Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform. Das Substrat303 weist eine Kavität304 oder einen anderen akustischen Reflektor (zum Beispiel ein verteiltes Bragg-Gitter (DBR) (nicht gezeigt)) auf. Die erste Elektrode305 ist über dem Substrat303 angeordnet und ist über der Kavität304 aufgehängt. Eine erste Planarisierungsschicht306 ist über dem Substrat303 bereitgestellt und kann nicht-ätzbares Borosilikatglas (NEBSG) sein. Im Allgemeinen muss die erste Planarisierungsschicht306 in der Struktur nicht vorhanden sein (da sie die Gesamtverarbeitungskosten erhöht), aber wenn vorhanden kann sie dazu dienen, die Qualität des Wachstums von nachfolgenden Schichten (zum Beispiel von hochstrukturiertem piezoelektrischen c-Achsen-Material) zu verbessern und deren Verarbeitung zu vereinfachen. - Die erste piezoelektrische Schicht
307 ist über der ersten Elektrode305 bereitgestellt, und weist hochstrukturiertes piezoelektrisches c-Achsen-Material wie Aluminiumnitrid (AlN) oder Zinkoxid (ZnO) auf. Anders als der CRF300 , indem die erste np-Schicht308 benachbart zu der ersten piezoelektrischen Schicht307 auf zwei Seiten ist (das heißt ist ein Ring von nicht-piezoelektrischem Material in einem piezoelektrischem Material), ist die erste np-Schicht308 vorangegangen. Die zweite Elektrode301 ist über der ersten piezoelektrischen Schicht307 angeordnet. - Die akustische Kopplungsschicht („Kopplungsschicht”)
309 ist über der zweiten Elektrode301 angeordnet, und der zweiten Planarisierungsschicht310 . Die dritte Elektrode311 ist über der Kopplungsschicht309 und der zweiten Planarisierungsschicht310 wie in3C dargestellt angeordnet. Die zweite Planarisierungsschicht310 ist veranschaulichend nicht-ätzbares Borosilikatglas (NEBSG) und muss in der Struktur nicht vorhanden sein (da sie die Gesamtverarbeitungskosten erhöht). Jedoch kann die zweite Planarisierungsschicht310 dazu dienen, die Qualität des Wachstums von nachfolgenden Schichten (zum Beispiel von hochstrukturiertem piezoelektrischen c-Achsen-Material) zu verbessern und deren Verarbeitung zu vereinfachen. - Die zweite piezoelektrische Schicht
312 ist über der dritten Elektrode311 angeordnet. Die vierte Elektrode314 ist über der zweiten piezoelektrischen Schicht312 angeordnet. Auf einer Verbindungsseite302 erstreckt sich die vierte Elektrode314 über die zweite piezoelektrische Schicht312 . Auf allen anderen Seiten des CRF318 überlappt die vierte Elektrode314 die erste np-Schicht308 um eine vorbestimmte Breite, wie unten beschrieben wird. - Die Überlappung der Kavität
304 , der ersten Elektrode305 , der ersten piezoelektrischen Schicht307 , der zweiten Elektrode301 , der Kopplungsschicht309 , der dritten Elektrode311 , der zweiten piezoelektrischen Schicht312 und der vierten Elektrode314 definiert den aktiven Bereich315 des CRF318 . In repräsentativen Ausführungsformen, die unten beschrieben werden, werden akustische Verluste an den Grenzen des CRF318 abgeschwächt, um Modenbeschränkung in dem aktiven Bereich315 zu verbessern. Insbesondere ist die Breite eine Überlappung316 der vierten Elektrode314 und der zweiten np-Schicht313 ausgewählt, akustische Verluste auf kontinuierliche Moden oder auf eine Eigenwelle niedrigster Ordnung in der np-Schicht zu reduzieren. Wie unten ausführlicher beschrieben wird, ist in einer repräsentativen Ausführungsform die Breite der Überlappung316 ausgewählt, größer als oder gleich der Inversen der Dämpfungskonstante (1/k) der evaneszenten Eigenwelle niedrigster Ordnung oder ein ganzzahliges Vielfaches (1, 2, 3, ...) einer Viertelwellenlänge (λ/4) der sich ausbreitenden Eigenwelle niedrigster Ordnung in der np-Schicht313 zu sein. Es wird angemerkt, dass aufgrund der Komplexität der Diffraktionsphänomene, die in der Kolben-Modebildung im CRF300 involviert sind, Bestimmung einer optimalen Breite der Überlappung316 im Allgemeinen experimentell bestimmt wird. - In der Ausführungsform dargestellt in
3C ist die zweite np-Schicht313 zwischen Schichten der zweiten piezoelektrischen Schicht312 angeordnet. Es wird angemerkt, dass die zweite np-Schicht313 sich von der Grenzfläche mit der zweiten piezoelektrischen Schicht312 erstrecken kann (das heißt an der Kante des aktiven Bereichs315 ). Von daher wird die zweite piezoelektrische Schicht312 nur in dem aktiven Bereich315 bereitgestellt. - In den repräsentativen Ausführungsformen, die oben beschrieben wurden, sind die erste und zweite np-Schicht
308 ,313 im Wesentlichen ausgerichtet und haben im Wesentlichen identische Breite (x-Richtung). Es wird hervorgehoben, dass die erste und zweite np-Schicht nicht notwendigerweise ausgerichtet sind, oder nicht von im Wesentlichen identischer Breite sind, oder beides. Es wird auch hervorgehoben, dass in den veranschaulichenden Ausführungsformen, die oben beschrieben wurden, die erste und zweite np-Schicht308 ,313 entlang aller Seiten des CRF300 , CRF317 und CRF318 bereitgestellt werden (das heißt Seiten des veranschaulichenden fünfseitigen CRF300 ,317 ,318 ). Es wird angemerkt, dass dies nicht wesentlich ist, und in anderen Ausführungsformen die erste und zweite np-Schicht308 ,313 nicht auf allen Seiten angeordnet sind (zum Beispiel jede erste und zweite np-Schicht308 ,313 kann entlang derselben vier der fünf Seiten oder entlang unterschiedlicher vier der fünf Seiten angeordnet sein). -
3D ist eine graphische Darstellung der Einfügedämpfung bzw. des Einfügeverlustes (S21) (linke Achse – dB) und des Qualitätsfaktors für ungerade (Qo) und gerade (Qe) Ordnungsmoden (rechte Achse) versus der Frequenz (GHz) für den CRF300 dargestellt in3A . Die veranschaulichenden Ergebnisse entsprechen dem besten simulierten Fall, für den die Überlappung316 zwischen der ersten und zweiten np-Schicht308 ,313 und Kanten von zweiten, dritten und vierten Elektroden301 ,311 und314 auf 2 µm gesetzt ist. Man beachte, dass die optimale Überlappung für den CRF300 im Wesentlichen dieselbe wie optimale Überlappung110 für den FBAR100 ist. - Kurve
319 stellt die Einfügedämpfung für einen CRF dar, in dem e33np gleich e33p ist (das heißt erste und zweite np-Schichten308 ,313 sind nicht bereitgestellt) und als eine Grundlinie zum Vergleich von S21 dient. Kurve320 stellt die Einfügedämpfung für den CRF300 dar. Wie gewürdigt werden kann, ist eine signifikante Verbesserung in der Einfügedämpfung durch Reduktion von akustischen Verlusten in dem CRF300 verglichen mit einem bekannten CRF ohne erste und zweite np-Schichten308 ,313 realisiert. - Kurve
321 stellt Qo für einen bekannten CRF dar, indem e33np gleich e33p ist (das heißt erste und zweite np-Schichten308 ,313 sind nicht bereitgestellt) und dient als eine Grundlinie zum Vergleich von Qo. Kurve322 stellt Qo für CRF300 dar. Wie gewürdigt werden kann, ist eine signifikante Verbesserung in Qo durch Reduktion für einen akustischen Verlust in dem CRF300 verglichen mit einem bekannten CRF ohne erste und zweite np-Schichten308 ,313 realisiert. Abhängig von der Frequenz (zum Beispiel bei 1,93 GHz) ist eine Erhöhung von Qo von ungefähr 500 auf ungefähr 3000 vorhergesagt für CRF300 wie verglichen mit einem bekannten CRF ohne erste und zweite np-Schichten308 ,313 . - Kurve
323 stellt Qe für einen bekannten CRF dar, indem e33np gleich e33p ist (das heißt erste und zweite np-Schichten308 ,313 sind nicht bereitgestellt) und als eine Grundlinie zum Vergleich von Qe dient. Kurve324 stellt Qe für CRF300 dar. Die Verbesserung in Qo (dargestellt als325 ) und Qe (dargestellt als326 ) bei höheren Frequenzen ist leicht ersichtlich. Abhängig von der Frequenz (zum Beispiel bei 1,99 GHz) wird eine Erhöhung von Qe von ungefähr 500 auf ungefähr 2500 für CRF300 vorhergesagt im Vergleich zu einem bekannten CRF ohne erste und zweite np-Schichten308 ,313 . - In Übereinstimmung mit veranschaulichenden Ausführungsformen wurden BAW-Resonatorstrukturen, die eine nicht-piezoelektrische Schicht aufweisen, und ihre Verfahren zur Herstellung beschrieben. Der Fachmann wird anerkennen, dass viele Variationen, die in Übereinstimmung mit den vorliegenden Lehren sind, möglich sind und innerhalb des Schutzumfangs der angehängten Ansprüche bleiben. Diese und andere Variationen würden dem Fachmann nach Überprüfung der Beschreibung, Zeichnungen und Ansprüchen hierin klar werden. Die Erfindung ist daher nicht eingeschränkt, mit Ausnahme innerhalb des Sinns und des Schutzumfangs der angehängten Ansprüche.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Claims (16)
- Eine Bulk-Akustik-Wave(BAW)-Resonatorstruktur, aufweisend: eine erste Elektrode, die über einem Substrat angeordnet ist; eine piezoelektrische Schicht, die über der ersten Elektrode angeordnet ist; eine zweite Elektrode, die über der ersten piezoelektrischen Schicht angeordnet ist, wobei c-Achsen-Orientierungen von Kristallen der piezoelektrischen Schicht im Wesentlichen miteinander ausgerichtet sind; und eine nicht-piezoelektrische Schicht, die über der ersten Elektrode und benachbart zu der piezoelektrischen Schicht angeordnet ist, wobei eine Überlappung der nicht-piezoelektrischen Schicht mit der zweiten Elektrode eine Breite hat, die im Wesentlichen gleich einem ganzzahligen Vielfachen einer Viertelwellenlänge einer ersten sich ausbreitenden Eigenwelle in der nicht-piezoelektrische Schicht ist, oder größer als oder gleich einer Inversen einer Dämpfungskonstante (1/k) einer ersten evaneszenten Eigenwelle in der nicht-piezoelektrischen Schicht.
- Eine BAW-Resonatorstruktur gemäß Anspruch 1, wobei die nicht-piezoelektrische Schicht polykristallin ist.
- Eine BAW-Resonatorstruktur gemäß Anspruch 1, wobei die piezoelektrische Schicht ein Material aufweist, und die nicht-piezoelektrische Schicht eine nicht-kristalline Form des Materials ist, insbesondere wobei das Material Aluminiumnitrid ist.
- Eine BAW-Resonatorstruktur gemäß Anspruch 1, weiterhin aufweisend einen akustischen Reflektor, der unterhalb der ersten Elektrode angeordnet ist, insbesondere wobei der akustische Reflektor eine Aushöhlung aufweist.
- Eine BAW-Resonatorstruktur gemäß Anspruch 1, wobei die piezoelektrische Schicht einen piezoelektrischen Kopplungskoeffizienten (e33) hat und die nicht-piezoelektrische Schicht einen piezoelektrischen Kopplungskoeffizienten hat, der geringer oder gleich 80 % des ersten piezoelektrischen Kopplungskoeffizienten ist.
- Eine Bulk-Akustik-Wave(BAW)-Resonatorstruktur, aufweisend: eine erste Elektrode, die über einem Substrat angeordnet ist; eine erste piezoelektrische Schicht, die über der ersten Elektrode angeordnet ist; eine zweite Elektrode, die über der ersten piezoelektrischen Schicht angeordnet ist, wobei c-Achsen-Orientierungen von Kristallen der ersten piezoelektrischen Schicht im Wesentlichen miteinander ausgerichtet sind; eine zweite piezoelektrische Schicht, die über der zweiten Elektrode angeordnet ist; eine nicht-piezoelektrische Schicht; und eine dritte Elektrode, die über der zweiten piezoelektrischen Schicht angeordnet ist.
- Eine BAW-Resonatorstruktur gemäß Anspruch 5, wobei die nichtpiezoelektrische Schicht eine Breite hat, die im Wesentlichen gleich einem ganzzahligen Vielfachen einer Viertelwellenlänge einer ersten sich ausbreitenden Eigenwelle in der nicht-piezoelektrischen Schicht ist, oder größer als oder gleich einer Inversen einer Dämpfungskonstante (1/k) einer ersten evaneszenten Eigenwelle in der nicht-piezoelektrischen Schicht ist.
- Eine BAW-Resonatorstruktur gemäß Anspruch 5, wobei die nicht-piezoelektrische Schicht über der ersten Elektrode und benachbart zu der ersten piezoelektrischen Schicht angeordnet ist.
- Eine BAW-Resonatorstruktur gemäß Anspruch 5, wobei die nicht-piezoelektrische Schicht über der zweiten Elektrode und benachbart zu der zweiten piezoelektrischen Schicht angeordnet ist.
- Eine BAW-Resonatorstruktur gemäß Anspruch 8, weiterhin aufweisend eine zweite nicht-piezoelektrische Schicht, die über der zweiten Elektrode und benachbart zu der zweiten piezoelektrischen Schicht angeordnet ist.
- Eine BAW-Resonatorstruktur gemäß Anspruch 5, wobei die nicht-piezoelektrische Schicht polykristallin ist.
- Eine BAW-Resonatorstruktur gemäß Anspruch 5, wobei die erste piezoelektrische Schicht ein Material aufweist, und die nicht-piezoelektrische Schicht eine nicht-kristalline Form des Materials ist, insbesondere wobei das Material Aluminiumnitrid ist.
- Eine BAW-Resonatorstruktur gemäß Anspruch 5, wobei die erste piezoelektrische Schicht einen ersten piezoelektrischen Kopplungskoeffizienten (e33) hat und die nicht-piezoelektrische Schicht einen piezoelektrischen Kopplungskoeffizienten hat, der weniger oder gleich 80 % des ersten piezoelektrischen Kopplungskoeffizienten ist.
- Eine BAW-Resonatorstruktur gemäß Anspruch 10, wobei die zweite piezoelektrische Schicht ein Material aufweist, und die zweite nicht-piezoelektrische Schicht eine nicht-kristalline Form des Materials ist.
- Eine BAW-Resonatorstruktur gemäß Anspruch 10, wobei die zweite piezoelektrische Schicht einen zweiten piezoelektrischen Kopplungskoeffizienten (e33) hat und die zweite nicht-piezoelektrische Schicht einen piezoelektrischen Kopplungskoeffizienten hat, der weniger oder gleich 80 % von dem zweiten piezoelektrischen Kopplungskoeffizienten ist.
- Eine BAW-Resonatorstruktur gemäß Anspruch 5, weiterhin aufweisend: eine akustische Kopplungsschicht, die zwischen der zweiten Elektrode und der zweiten piezoelektrischen Schicht angeordnet ist; und eine vierte Elektrode, die über der akustischen Kopplungsschicht und unter der zweiten piezoelektrischen Schicht angeordnet ist.
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