DE102014105952A1

DE102014105952A1 - Akustikwellen-Resonatoren mit dotiertem piezoelektrischem Material und Rahmenelementen

Info

Publication number: DE102014105952A1
Application number: DE102014105952.2A
Authority: DE
Inventors: Chris Feng; Kevin J. Grannen; John Choy; Phil Nikkel; Tina L. Lamers
Original assignee: Avago Technologies General IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2014-02-26
Filing date: 2014-04-28
Publication date: 2015-08-27
Anticipated expiration: 2034-04-29
Also published as: CN104868871A; US9520855B2; US20150244346A1; DE102014105952B4

Abstract

Ein akustischer Oberflächenwellen(BAW)-Resonator umfasst eine erste Elektrode (101), eine zweite Elektrode (104) und eine piezoelektrische Schicht (103), die zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (102, 104) angeordnet ist. Die piezoelektrische Schicht (103) enthält ein piezoelektrisches Material, das mit mindestens einem Seltenerd-Element dotiert ist. In einer Ausführungsform umfasst der BAW-Resonator (100) ein zurückgesetztes Rahmenelement (109), das über einer Oberfläche von mindestens einer von der ersten und der zweiten Elektrode (102, 104) angeordnet ist. In einer anderen Ausführungsform umfasst der BAW-Resonator (100) ein erhöhtes Rahmenelement (209), das über einer Oberfläche von zumindest einer von der ersten und der zweiten Elektrode (102, 104) angeordnet ist. In noch anderen Ausführungsformen umfasst der BAW-Resonator (100) sowohl das erhöhte als auch das zurückgesetzte Rahmenelement.

Description

TECHNISCHER HINTERGRUND
Akustische Resonatoren können verwendet werden, um Signalverarbeitungsfunktionen in verschiedenen elektronischen Anwendungen zu implementieren. Beispielsweise verwenden einige Mobiltelefone und andere Kommunikationseinrichtungen akustische Resonatoren, um Frequenzfilter für übertragene und/oder empfangene Signale zu implementieren. Gemäß verschiedener Anwendungen können einige unterschiedliche Arten von akustischen Resonatoren verwendet werden. Beispiele umfassen folgendes: akustische Oberflächenwellen(BAW, bulk acoustic wave)-Resonatoren, wie etwa akustische Dünnschicht-Volumenresonatoren (FBARs, film bulk acoustic resonators), festmontierte Resonatoren (SMRs, solidly mounted resonators), gekoppelte Resonatorfilter (CRFs, coupled resonator filters), gestapelte akustische Volumenresonatoren (SBARs, stacked bulk acoustic resonators) und akustische Doppelvolumen-Resonatoren (DBARs, double bulk acoustic resonators).
Ein typischer akustischer Resonator umfasst eine Schicht aus piezoelektrischem Material, das zwischen zwei Plattenelektroden eingelegt ist in einem Aufbau, der als ein akustischer Stapel bezeichnet wird. Wenn ein elektrisches Eingangssignal zwischen den Elektroden beaufschlagt wird, bewirkt der reziproke oder inverse piezoelektrische Effekt, dass der akustische Stapel sich mechanisch ausdehnt oder zusammenzieht, abhängig von der Polarisation des piezoelektrischen Materials. Wenn das elektrische Eingangssignal sich mit der Zeit verändert, erzeugen die Ausdehnung und das Zusammenziehen des akustischen Stapels akustische Wellen, die sich durch den akustischen Resonator in verschiedenen Richtungen ausbreiten und die durch den piezoelektrischen Effekt in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt werden. Einige der akustischen Wellen erzielen eine Resonanz über dem akustischen Stapel, wobei die Resonanzfrequenz durch Faktoren wie etwa die Materialien, Abmessungen und Betriebsbedingungen des akustischen Stapels bestimmt ist. Diese und andere mechanische Eigenschaften des akustischen Resonators bestimmen seine Frequenzantwort.
Eine Metrik, die verwendet wird, um die Performanz (oder Leistungsfähigkeit) eines akustischen Resonators zu beurteilen, ist sein elektromechanischer Kopplungskoeffizient (kt²), der die Effizienz der Energieübertragung zwischen den Elektroden und dem piezoelektrischen Material angibt. Wenn andere Dinge gleich sind, wird ein akustischer Resonator mit einem höheren kt² allgemein so angesehen, dass er eine bessere Performanz aufweist als ein akustischer Resonator mit einem niedrigeren kt². Demgemäß ist es allgemein wünschenswert, akustische Resonatoren mit höheren Niveaus von kt² in Hochleistungs-Drahtlosanwendungen, wie etwa 4G und LTE-Anwendungen, zu verwenden.
Das kt² eines akustischen Resonators wird durch mehrere Faktoren beeinflusst, wie etwa die Abmessungen, die Zusammensetzung und strukturelle Eigenschaften des piezoelektrischen Materials und der Elektroden. Diese Faktoren wiederum werden durch die Materialien und Herstellungsprozesse beeinflusst, die verwendet werden, um den akustischen Resonator herzustellen. Folglich suchen Forscher in einer permanenten Bemühung, akustische Resonatoren mit höheren Niveaus von kt² zu erzeugen, verbesserte Ansätze für den Entwurf (oder das Design) und die Herstellung von akustischen Resonatoren.
Ein Verfahren, das beim Verbessern des kt² von piezoelektrischen Materialien nützlich ist, ist das Dotieren des piezoelektrischen Materials mit einer ausgewählten Dotiersubstanz, wie etwa einem Seltenerd-Element (oder Lanthanoid). Während das Dotieren des piezoelektrischen Materials eine Verbesserung des kt² bereitstellen kann, können in Anwendungen von BAW-Resonatoren andere Parameter verschlechtert sein als im Vergleich zu BAW-Resonatoren, die dotierte piezoelektrische Materialien nicht umfassen.
Was folglich benötigt wird, ist ein BAW-Resonator, der zumindest die Nachteile der bekannten BAW-Resonatoren, die oben beschrieben sind, überwindet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die beispielhaften Ausführungsformen werden am besten aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung verstanden, wenn diese zusammen mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird. Es wird betont, dass die verschiedenen Merkmale nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet sind. Tatsächlich können die Abmessungen beliebig vergrößert oder verkleinert werden zur Klarheit der Darstellung. Wo immer dies anwendbar und praktikabel ist, bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente.
1 ist eine Querschnittsansicht eines BAW-Resonators gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.
2 ist eine Querschnittsansicht eines BAW-Resonators gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.
3A ist eine Querschnittsansicht eines BAW-Resonators gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.
3B ist eine Querschnittsansicht eines BAW-Resonators gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.
4A ist ein Schaubild, das den elektromechanischen Kopplungskoeffizienten (kt²) eines BAW-Resonators, der keine Dotiersubstanzen in einer piezoelektrischen Schicht umfasst, und den kt² eines BAW-Resonators, der Dotiersubstanzen in einer piezoelektrischen Schicht umfasst, zeigt.
4B ist ein Schaubild, das den Gütefaktor (Q) eines BAW-Resonators, der keine Dotiersubstanzen in einer piezoelektrischen Schicht umfasst, und das Q von einem BAW-Resonator, der Dotiersubstanzen in der piezoelektrischen Schicht umfasst, zeigt.
5 ist ein Schaubild, das den Einfluss von einem erhöhten Rahmenelement und von einem zurückgesetzten Rahmenelement auf einem BAW-Resonator, der keine Dotierstoffe in einer piezoelektrischen Schicht umfasst, und einem BAW-Resonator, der Dotiersubstanzen in der piezoelektrischen Schicht umfasst, zeigt.
6A ist ein Schaubild, das den Einfluss eines erhöhten Rahmenelements und eines zurückgesetzten Rahmenelements auf die Parallelresonanz-Impedanz (R_p) und auf die Reihenresonanz-Impedanz (R_s) in einem BAW-Resonator, der Dotiersubstanzen in der piezoelektrischen Schicht umfasst, zeigt.
6B ist ein Smith-Diagramm, das den Einfluss eines erhöhten Rahmenelements und eines zurückgesetzten Rahmenelements auf das Q in dem südwestlichen Quadranten (Q_SW) und auf die unechten Moden in dem südwestlichen Quadranten des Smith-Diagramms in einem BAW-Resonator, der Dotiersubstanzen in der piezoelektrischen Schicht umfasst, zeigt.
7 ist ein Schaubild, das den Einfluss eines erhöhten Rahmenelements und eines zurückgesetzten Rahmenelements auf das Q von einem BAW-Resonator, der Dotiersubstanzen in der piezoelektrischen Schicht umfasst, zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
In der folgenden ausführlichen Beschreibung werden für Zwecke der Erläuterung und nicht der Beschränkung beispielhafte Ausführungsformen dargelegt, die spezifische Einzelheiten offenbaren, um ein gründliches Verständnis der vorliegenden Lehren bereitzustellen. Es wird jedoch für einen Fachmann, der den Vorteil der vorliegenden Offenbarung hat, offensichtlich werden, das andere Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Lehren, die von den hierin offenbarten spezifischen Einzelheiten abweichen, innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Patentansprüche bleiben. Des Weiteren können Beschreibungen von wohl bekannten Vorrichtungen und Verfahren ausgelassen werden, um die Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen nicht zu verschleiern. Derartige Verfahren und Vorrichtungen sind klarerweise innerhalb des Umfangs der vorliegenden Lehren.
Die hierin verwendete Terminologie ist lediglich für Zwecke der Beschreibung von bestimmten Ausführungsformen, und ist nicht dazu gedacht, beschränkend zu sein. Die definierten Ausdrücke sind zusätzlich zu den technischen, wissenschaftlichen oder gewöhnlichen Bedeutungen der definierten Ausdrücke, so wie diese allgemein in dem relevanten Kontext verstanden werden und akzeptiert sind.
Die Ausdrücke „ein”, „eine” und „der/die/das” umfassen sowohl einzelne als auch mehrere Bezugnahmen, außer wenn der Zusammenhang (oder Kontext) dies anderweitig vorschreibt. Demgemäß umfasst beispielsweise „eine Vorrichtung” eine Vorrichtung und mehrere Vorrichtungen. Die Ausdrücke „wesentlich” oder „im Wesentlichen” bedeuten, innerhalb akzeptabler Begrenzungen oder bis zu einem akzeptablen Grad zu sein. Der Ausdruck „näherungsweise” bedeutet, innerhalb einer akzeptablen Begrenzung oder bis zu einem akzeptablen Grad für einen Fachmann zu sein. Relative Ausdrücke, wie etwa „über”, „unter”, „obere”, „untere”, „über” und „unter” können verwendet werden, um die Beziehungen der verschiedenen Elemente zueinander zu beschreiben, so wie das durch die beigefügten Zeichnungen veranschaulicht ist. Diese relativen Ausdrücke sind dazu gedacht, unterschiedliche Orientierungen der Vorrichtung und/oder von Elementen zusätzlich zu den in den Zeichnungen gezeigten Orientierungen zu umfassen. Wenn beispielsweise die Vorrichtung in Bezug auf die Ansicht in den Zeichnungen invertiert wäre, würde ein Element, das beispielsweise in Bezug auf ein anderes Element als „über” beschrieben ist, nun unterhalb dieses Elements sein. Andere relative Ausdrücke können ebenfalls verwendet werden, um die relativen Positionen von bestimmten Merkmalen entlang eines Pfades, wie etwa eines Signalpfades, anzugeben. Beispielsweise kann ein zweites Merkmal als auf ein erstes Merkmal entlang eines Signalpfades „folgend” angesehen werden, wenn ein Signal, das auf dem Pfad übertragen wird, das erste Merkmal vor dem zweiten Merkmal erreicht.
Aspekte der vorliegenden Lehren sind für Komponenten von BAW-Resonator-Vorrichtungen und Filtern, ihre Materialien und ihre Verfahren zur Herstellung relevant. Verschiedene Einzelheiten von derartigen Vorrichtungen und entsprechenden Herstellungsverfahren können beispielsweise in einer oder mehreren der folgenden U.S. Patent-Veröffentlichungen gefunden werden:: U.S. Patent Nr. 6,107,721 an Lakin; U.S. Patente Nrn. 5,587,620 , 5,873,153 , 6,507,983 , 7,388,454 , 7,629,865 , 7,714,684 an Ruby et al.; U.S. Patente Nrn. 7,791,434 und 8,188,810 an Fazzio et al.; U.S. Patent Nr. 7,280,007 an Feng et al.; U.S. Patent 8,248,185 an Choy, et al.; U.S. Patent 7,345,410 an Grannen, et al.; U.S. Patent 6,828,713 an Bradley et al.; U.S. Patentanmeldungsveröffentlichung 2012/0326807 an Choy, et al.; U.S. Patentanmeldungsveröffentlichung 2010/0327994 an Choy et al.; U.S. Patentanmeldungsveröffentlichungen 2011/0180391 und 2012/0177816 an Larson III et al.; U.S. Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2007/0205850 an Jamneala et al.; U.S. Patentanmeldung Nr. 14/161,564 mit dem Titel: „Verfahren zum Herstellen von mit Seltenerd-Elementen dotierten piezoelektrischen Materialien mit unterschiedlichen Mengen von Dotiersubstanzen und einer ausgewählten C-Achsen-Orientierung”, eingereicht am 22. Januar 2014 an John L. Larson III; U.S. Patentanmeldung Nr.: 13/662,460 mit dem Titel ”Akustischer Volumenwellen-Resonator mit piezoelektrischer Schicht mit mehreren Dotierstoffen”, eingereicht am 27. Oktober 2012 an Choy, et al.; und U.S. Patentanmeldung Nr. 13/906,873 mit dem Titel ”Akustischer Oberflächen-Wellenresonator mit piezoelektrischer Schicht mit verschiedenen Mengen von Dotierstoffen” an John Choy et al. und eingereicht am 31. Mai 2013. Die gesamte Offenbarung von jedem dieser Patente, veröffentlichten Patentanmeldungen und Patentanmeldungen, die oben angeführt sind, werden hiermit durch Verweis spezifisch aufgenommen. Es wird betont, dass die Komponenten, Materialien und Verfahren zur Herstellung, die in diesen Patenten und Patentanmeldungen beschrieben sind, repräsentativ sind und dass andere Herstellungsverfahren und Materialien innerhalb des Fachgebiets bzw. Bereichs eines Fachmanns ebenfalls umfasst sind.
Die beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich allgemein auf akustische Volumenwellen(BAW, bulk acoustic wave)-Resonatoren. Allgemein umfassen die BAW-Resonatoren eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und eine piezoelektrische Schicht, die zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet ist. Die piezoelektrische Schicht umfasst ein piezoelektrisches Material, das mit mindestens einem Seltenerd-Element (oder Lanthanoid) dotiert ist. In bestimmten Ausführungsformen umfasst die piezoelektrische Schicht Aluminiumnitrid (AlN), das mit Scandium (Sc) dotiert ist. Der Atomprozentsatz von Scandium in einer Aluminiumnitrid-Schicht ist näherungsweise 0,5% bis weniger als näherungsweise 10,0%. Allgemeiner gesprochen ist in bestimmten Ausführungsformen der Atomprozentsatz von Scandium in einer Aluminiumnitrid-Schicht näherungsweise 0,5% bis näherungsweise 44%. In noch anderen repräsentativen Ausführungsformen ist der Prozentsatz von Scandium in einer Aluminiumnitrid-Schicht näherungsweise 2,0% bis weniger als näherungsweise 5,0%. Wenn hierin Prozentsätze von Dotierelementen in einer piezoelektrischen Schicht besprochen werden, ist dies ein Verweis auf die gesamten Atome der piezoelektrischen Schicht. Insbesondere wenn hierin die Prozentsätze von Dotierelementen (z. B. Sc) in einer dotierten AlN-Schicht besprochen werden, ist dies ein Verweis auf die gesamten Atome (nicht Stickstoff einschließend) der AlN piezoelektrischen Schicht 103. Somit gilt, wenn beispielsweise und wie das beispielsweise in der U.S. Patentanmeldung Nr. 14/161,564 beschrieben ist, dass wenn Al in der piezoelektrischen Schicht von einer repräsentativen Ausführungsform einen atomaren Prozentsatz von näherungsweise 95,0% aufweist und das Sc einen atomaren Prozentsatz von näherungsweise 5,0% aufweist, dann kann die atomare Zusammensetzung der piezoelektrischen Schicht 104 dargestellt werden als Al_0,95Sc_0,05N.
In bestimmten repräsentativen Ausführungsformen umfassen die BAW-Resonatoren der vorliegenden Lehren ein zurückgesetztes (oder vertieftes) Rahmenelement, das über einer Oberfläche von zumindest einem von der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet ist. Die Fläche des BAW-Resonators innerhalb des zurückgesetzten Rahmenelements hat eine erste akustische Impedanz, das zurückgesetzte Rahmenelement hat eine zweite akustische Impedanz, und das Gebiet extern von dem (d. h. „außerhalb” des) zurückgesetzten Rahmenelement(s) hat eine dritte akustische Impedanz.
In anderen repräsentativen Ausführungsformen umfassen die BAW-Resonatoren der vorliegenden Lehren ein erhöhtes Rahmenelement, das über einer Oberfläche von mindestens einer von der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet ist. Die Fläche innerhalb des erhöhten Rahmenelements hat eine erste akustische Impedanz, das erhöhte Rahmenelement hat eine vierte akustische Impedanz, und das Gebiet extern zu dem (d. h. „außerhalb” des) erhöhten Rahmenelement(s) hat eine dritte akustische Impedanz.
In noch anderen repräsentativen Ausführungsformen umfassen die BAW-Resonatoren der vorliegenden Lehren ein zurückgesetztes Rahmenelement, das über einer Oberfläche von zumindest einer der ersten und der zweiten Elektroden angeordnet ist, und ein erhöhtes Rahmenelement, das über einer Oberfläche von mindestens einer der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet ist. Die Fläche des BAW-Resonators innerhalb des zurückgesetzten Rahmenelements hat eine erste akustische Impedanz, das zurückgesetzte Rahmenelement hat eine zweite akustische Impedanz, und das Gebiet extern zu dem (d. h. „außerhalb” des) zurückgesetzten Rahmenelement(s) hat eine dritte akustische Impedanz. Des Weiteren hat die Fläche innerhalb des erhöhten Rahmenelements die erste akustische Impedanz, das Gebiet extern zu dem erhöhten Rahmenelement hat die dritte akustische Impedanz, und das erhöhte Rahmenelement hat die vierte akustische Impedanz.
1 ist eine Querschnittsansicht eines BAW-Resonators 100 gemäß einer repräsentativen Ausführungsform. Der BAW-Resonator 100 umfasst ein Substrat 101, eine erste Elektrode 102, die über dem Substrat 101 angeordnet ist, eine piezoelektrische Schicht 103, die über der ersten Elektrode 101 angeordnet ist, und eine zweite Elektrode 104, die über der piezoelektrischen Schicht 103 angeordnet ist. Die erste Elektrode 101 ist über einem reflektierenden Element 105 angeordnet, das in der vorliegenden repräsentativen Ausführungsform eine in dem Substrat 101 bereitgestellte Vertiefung ist.
Wie dies in bestimmten Patenten und Patentanmeldungsveröffentlichungen, die oben durch Verweis eingefügt sind, beschrieben ist, umfasst eine Überdeckung (oder Überlappung) des reflektierenden Elements 105, der ersten Elektrode 102, der zweiten Elektrode 104 und der piezoelektrischen Schicht 103 eine aktive Fläche des BAW-Resonators 100. Des Weiteren, wenn das reflektierende Element 105 eine Vertiefung oder ein freies Volumen unterhalb der ersten Elektrode ist, wird der BAW-Resonator 100 häufig als FBAR bezeichnet. Im Gegensatz dazu und wie unten beschrieben, kann das reflektierende Element 105 einen Bragg-Reflektor umfassen, der abwechselnde Schichten von Material mit hoher akustischer Impedanz und Material mit niedriger akustischer Impedanz umfasst. Wenn das reflektierende Element 105 einen Bragg-Reflektor umfasst, wird der BAW-Resonator 100 häufig als ein SMR bezeichnet.
Gemäß repräsentativer Ausführungsformen umfasst die piezoelektrische Schicht 103 ein dotiertes piezoelektrisches Material. Zur Veranschaulichung, das piezoelektrische Material ist mit AlN dotiert, wobei eine Anzahl von Al Atomen innerhalb des AlN-Kristallgitters durch ein ausgewähltes Material, wie etwa ein Seltenerd-Element mit einem vorbestimmten Prozentsatz, ersetzt wird. Das ausgewählte Material, das häufig als ein „Dotierelement” bezeichnet wird, kann beispielsweise Scandium (Sc) sein. In alternativen Konfigurationen kann eine Anzahl von Al Atomen innerhalb des AlN-Kristallgitters durch mehr als eine Art von Seltenerd-Elementen mit vorbestimmten Prozentsätzen, respektive, ersetzt sein. Weil die Dotierelemente nur Al Atome (z. B. von einem Al-Target) ersetzen, bleibt der Prozentsatz der Stickstoffatome in dem piezoelektrischen Material im Wesentlichen der gleiche, unabhängige von dem Grad (der Menge) der Dotierung. Wenn hierin Prozentsätze von Dotierelementen besprochen werden, ist dies mit Verweis auf die gesamten Atome (nicht Stickstoff einschließend) des AlN piezoelektrischen Materials. Die Seltenerd-Elemente umfassen Scandium (Sc), Yttrium (Y), Lanthan (La), Cer (Ce), Praseodym (Pr), Neodym (Nd), Promethium (Pm), Samarium (Sm), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Terbium (Tb), Dysprosium (Dy), Holmium (Ho), Erbium (Er), Thulium (Tm), Ytterbium (Yb) und Lutetium (Lu), wie dies einem Fachmann bekannt ist. Die verschiedenen Ausführungsformen umfassen den Einbau von irgendeinem oder mehreren Seltenerd-Elementen, obwohl hierin spezifische Beispiele besprochen werden.
Verschiedene Ausführungsformen beziehen sich auf das Bereitstellen eines dünnen Films (oder einer dünnen Schicht) von piezoelektrischem Material (piezoelektrische Schicht 103), wie etwa AlN, mit einem erhöhten piezoelektrischen Koeffizienten d₃₃ und einem erhöhten elektromechanischen Kopplungskoeffizienten kt², durch Einbau von einem oder mehreren Seltenerd-Elementen in das Kristallgitter von einem Teil der piezoelektrischen Schicht. Zur Veranschaulichung kann die piezoelektrische Schicht eine einzelne Schicht sein, die ein im Wesentlichen konstantes Dotierniveau durch die Dicke der piezoelektrischen Schicht 103 aufweist. Alternativ kann die piezoelektrische Schicht eine einzelne Schicht sein, die verschiedene (z. B. abgestufte) Niveaus von Dotierungen durch die Dicke der piezoelektrischen Schicht 103 umfasst. Beispielsweise kann die piezoelektrische Schicht undotiertes AlN-Material an der Unterseite mit einem graduell zunehmenden Atomprozentsatz eines Seltenerd-Elements, das über der Dicke der piezoelektrischen Schicht 103 hinzugefügt wird, umfassen. Noch alternativ dazu kann die piezoelektrische Schicht 103 mehrere Teilschichten (nicht gezeigt) umfassen, wobei mindestens eine Teilschicht aus stöchiometrischem AlN-Material (d. h. eine undotierte AlN-Teilschicht) ausgebildet ist und mindestens eine andere Teilschicht aus AlN-Material, das mit einem Seltenerd-Element dotiert ist (d. h. dotierte AlN-Teilschicht) ausgebildet ist. Durch Einbauen von bestimmten Atomprozentsätzen von mehreren Seltenerd-Elementen werden die piezoelektrischen Eigenschaften des AlN, einschließlich des piezoelektrischen Koeffizienten d₃₃ und des erhöhten elektromechanischen effektiven Kopplungskoeffizienten kt² verbessert im Vergleich zu vollständig stöchiometrischem (undotiertem) AlN. Auch stellt das Vorhandensein des undotierten Abschnitts der piezoelektrischen Schicht eine mechanische Stabilität bereit, wobei beispielsweise eine Wölbung (oder Verkrümmung) verhindert wird.
Wie oben erwähnt, kann AlN-Material beispielsweise mit Scandium (Sc) dotiert sein, was einen AlScN-Stoff mit einem vorbestimmten Atomprozentsatz von Sc erzeugt. Das Sc-Atom hat einen Atomradius, der größer ist als der Atomradius des Al-Atoms, was zu einer Bindungslänge von Sc-N (2,25 Å) führt, die größer ist als die Bindungslänge von Al-N (1,90 Å). Dieser Unterschied in den Bindungslängen bewirkt eine Spannung in dem resultierenden AlScN-Material. Als solche werden elektrische Dipole des piezoelektrischen Materials der piezoelektrischen Schicht 103 in einer solchen Weise abgewechselt, dass das elektrische Feld eine vergleichsweise starke mechanische Antwort der Dipole erzeugt, was zu einem höheren kt² führt.
Zur Veranschaulichung ist der Atomprozentsatz von Scandium in einer Aluminiumnitrid-Schicht (d. h. der Atomprozentsatz von Sc in Sc-Al innerhalb des Al-Sc-N-Materials) näherungsweise 0,5% bis weniger als näherungsweise 10,0%. Allgemeiner gesprochen ist in bestimmten Ausführungsformen der Atomprozentsatz von Scandium in einer Aluminiumnitrid-Schicht näherungsweise 0,5% bis näherungsweise 44%. In noch anderen repräsentativen Ausführungsformen ist der Atomprozentsatz von Scandium in einer Aluminiumnitrid-Schicht näherungsweise 2,5% bis weniger als näherungsweise 5,0%.
Der BAW-Resonator 100 umfasst optional eine Passivierungsschicht 106, die über der zweiten Elektrode 104 angeordnet ist, so wie das in dem oben aufgenommenen U.S. Patent 8,188,810 beschrieben ist. Des Weiteren umfasst der BAW-Resonator 100 einen ersten und einen zweiten elektrischen Kontakt 107, 108, die eine elektrische Verbindung mit der ersten und der zweiten Elektrode 102, 104, respektive, bereitstellen.
Der BAW-Resonator 100 umfasst ferner ein zurückgesetztes Rahmenelement 109, das in der zweite Elektrode 104 bereitgestellt ist. Insbesondere ist die Anordnung des zurückgesetzten Rahmenelements 109 in der zweiten Elektrode 104 lediglich veranschaulichend, und es wird betont, dass das zurückgesetzte Rahmenelement 109 irgendwo auf dem akustischen Stapel, der die erste Elektrode 102, die piezoelektrische Schicht 103 und die zweite Elektrode 104 umfasst, angeordnet werden kann. Beispielsweise kann das zurückgesetzte Rahmenelement 109 in der ersten Elektrode 102 bereitgestellt sein. Noch allgemeiner ist das zurückgesetzte Rahmenelement 109 über einer Oberfläche von mindestens einer von der ersten und der zweiten Elektrode 102, 104 angeordnet. Des Weiteren kann das zurückgesetzte Rahmenelement 109 ein „Füllmaterial” (nicht gezeigt), das darin bereitgestellt ist, umfassen.
Durch Auswählen des Ortes, der Breite, der Tiefe, und wenn dies implementiert ist, der Zusammensetzung des Füllmaterials, kann die Diskontinuität (oder Unstetigkeit) der akustischen Impedanz, die durch das zurückgesetzte Rahmenelement 109 bereitgestellt wird, ausgewählt werden. Als solche hat die Fläche des BAW-Resonators „innerhalb” des zurückgesetzten Rahmenelements 109 eine erste akustische Impedanz, das zurückgesetzte Rahmenelement 109 hat eine zweite akustische Impedanz, und das Gebiet extern zu dem (d. h. „außerhalb” des) zurückgesetzten Rahmenelements) 109 hat eine dritte akustische Impedanz. Wie beispielsweise in den oben aufgenommenen U.S. Patenten 7,280,007 , 7,388,454 , und 7,714,684 beschrieben, verbessert die durch das zurückgesetzte Rahmenelement 109 bereitgestellte Fehlanpassung (mismatch) der akustischen Impedanz in vorteilhafter Weise die Performanz des BAW-Resonators 100. Beispielsweise und wie dies unten vollständiger beschrieben wird, verbessert die Aufnahme des zurückgesetzten Rahmenelements 109 in dem BAW-Resonator 100 in vorteilhafter Weise den Gütefaktor (Q) in dem südwestlichen Quadranten eines Smith-Diagramms (was häufig als Q_SW bezeichnet wird) und verringert einen Verlust aufgrund von parasitären unechten Moden am Umkreis der aktiven Fläche des BAW-Resonators 100 im Vergleich zu BAW-Resonatoren, die kein zurückgesetztes Rahmenelement umfassen. Des Weiteren stellt die Aufnahme des zurückgesetzten Rahmenelements 109 einen gewissen Grad an Verbesserung in kt² bereit, ebenso wie eine Verringerung in Q in der Nähe der Reihenresonanz (Q_S nahe F_s). Im Gegensatz dazu, während das Dotieren der piezoelektrischen Schicht 103 die Größe kt² in vorteilhafter Weise verbessert, geht diese Verbesserung häufig auf Kosten eines anderen Performanz-Parameters (z. B. Q_SW). Beispielsweise und wie dies unten ausführlicher beschrieben wird, kann das zurückgesetzte Rahmenelement 109 unter anderem Abnahmen von bestimmten Performanz-Parametern des BAW-Resonators 100 kompensieren, die von der Aufnahme von Dotierstoffen in der piezoelektrischen Schicht 103 in dem BAW-Resonator 100 herrühren. Des Weiteren werden der Ort, die Breite, die Tiefe und falls implementiert, die Zusammensetzung des Füllmaterials des zurückgesetzten Rahmenelements 109 maßgeschneidert, um einen gewünschten Grad der Kompensierung von einem oder mehreren der Performanz-Parameter bereitzustellen, die durch das Dotieren der piezoelektrischen Schicht 103 nachteilig beeinflusst werden. Allgemein hat das zurückgesetzte Rahmenelement 109 der repräsentativen Ausführungsformen eine Breite im Bereich von näherungsweise 0,1 μm bis näherungsweise 5,0 μm und eine Tiefe im Bereich von näherungsweise 50 Å bis näherungsweise 500 Å. Des Weiteren und falls implementiert, kann die Zusammensetzung des Füllmaterials für das zurückgesetzte Rahmenelement 109 eines von einem ausgewählten Metall (z. B. Mo, W, Al, Ru) oder eines von ausgewählten dielektrischen Materialien (z. B. AlN, SiO₂, Si₃N₄) sein.
2 ist eine Querschnittsansicht eines BAW-Resonators 200 gemäß einer repräsentativen Ausführungsform. Bestimmte Einzelheiten des BAW-Resonators 200 sind gemeinsam mit denjenigen, die oben in Verbindung mit der Beschreibung eines BAW-Resonators 100 bereitgestellt sind, und werden nicht stets wiederholt, um ein Verschleiern der Beschreibung der aktuell beschriebenen repräsentativen Ausführungsform zu vermeiden.
Der BAW-Resonator 200 umfasst ein Substrat 201, eine erste Elektrode 202, die über dem Substrat 201 angeordnet ist, eine piezoelektrische Schicht 203, die über der ersten Elektrode 202 angeordnet ist, und eine zweite Elektrode 204, die über der piezoelektrischen Schicht 203 angeordnet ist. Die erste Elektrode 202 ist über einem reflektierenden Element 205 bereitgestellt, das in der vorliegenden repräsentativen Ausführungsform eine in dem Substrat 201 bereitgestellte Vertiefung ist.
Eine Überdeckung (oder Überlappung) des reflektierenden Elements 205, der ersten Elektrode 202, der zweiten Elektrode 204 und der piezoelektrischen Schicht 203 umfasst eine aktive Fläche des BAW-Resonators 200. Des Weiteren, wenn das reflektierende Element 205 eine Vertiefung (oder eine leeres Volumen) unterhalb der ersten Elektrode ist, dann wird der BAW-Resonator 200 häufig als ein FBAR bezeichnet. Im Gegensatz dazu und wie dies unten beschrieben ist, kann das reflektierende Element 205 einen Bragg-Reflektor umfassen, der abwechselnde Schichten von einem Material mit einer hohen akustischen Impedanz und einem Material mit einer niedrigen akustischen Impedanz aufweist.
Gemäß repräsentativer Ausführungsformen umfasst die piezoelektrische Schicht 203 ein dotiertes piezoelektrisches Material. Zur Veranschaulichung, das piezoelektrische Material ist dotiertes AlN, wobei eine Anzahl der Al-Atome innerhalb des AlN-Kristallgitters durch ein ausgewähltes Material, wie etwa ein Seltenerd-Element mit einem vorbestimmten Prozentsatz, ersetzt ist. Das ausgewählte Material, das häufig als ein „Dotierelement” bezeichnet wird, kann beispielsweise Scandium (Sc) sein. In alternativen Konfigurationen kann eine Anzahl von Al-Atomen innerhalb des AlN-Kristallgitters durch mehr als eine Art eines Seltenerd-Elements mit einem vorbestimmten Prozentsatz, respektive, ersetzt werden. Weil die Dotierelemente nur Al-Atome ersetzen, z. B. von einem Al-Target (oder Al-Ziel), bleibt der Prozentsatz der Stickstoffatome in dem piezoelektrischen Material im Wesentlichen derselbe, unabhängig von dem Grad (oder der Menge) der Dotierung. Wenn hierin Prozentsätze von Dotierelementen besprochen werden, ist dies ein Verweis auf die gesamten Atome (nicht Stickstoff einschließend) des AlN piezoelektrischen Materials. Die Seltenerd-Elemente umfassen Scandium (Sc), Yttrium (Y), Lanthan (La), Cer (Ce), Praseodym (Pr), Neodym (Nd), Promethium (Pm), Samarium (Sm), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Terbium (Tb), Dysprosium (Dy), Holmium (Ho), Erbium (Er), Thulium (Tm), Ytterbium (Yb) und Lutetium (Lu), so wie das einem Fachmann bekannt ist. Die verschiedenen Ausführungsformen sehen das Aufnehmen von einem oder mehreren Seltenerd-Elementen vor, obwohl bestimmte Beispiele hierin besprochen werden.
Verschiedene Ausführungsformen beziehen sich auf das Bereitstellen eines dünnen Films (oder einer dünnen Schicht) von piezoelektrischen Material (piezoelektrische Schicht 203), wie etwa AlN, mit einem erhöhten piezoelektrischen Koeffizienten d₃₃ und einem erhöhten elektromechanischen Kopplungskoeffizienten kt², durch Aufnehmen von einem oder mehreren Seltenerd-Elementen in dem Kristallgitter von einem Abschnitt der piezoelektrischen Schicht. Zur Veranschaulichung kann die piezoelektrische Schicht eine einzelne Schicht sein, die ein im Wesentlichen konstantes Dotierniveau über der Dicke der piezoelektrischen Schicht 203 aufweist. Alternativ kann die piezoelektrische Schicht eine einzelne Schicht sein, die verschiedene (z. B. abgestufte) Niveaus von Dotierung durch die Dicke der piezoelektrischen Schicht 203 aufweist. Beispielsweise kann die piezoelektrische Schicht undotiertes AlN-Material an der Unterseite mit einem schrittweise zunehmenden Atomprozentsatz von einem Seltenerd-Element, das über der Dicke der piezoelektrischen Schicht 203 hinzugefügt wird, umfassen. Noch alternativ dazu kann die piezoelektrische Schicht 203 mehrere Teilschichten (nicht gezeigt) umfassen, wobei mindestens eine Teilschicht aus stöchiometrischem AlN-Material (d. h. undotiertes AlN-Teilschicht) ausgebildet sein und mindestens eine andere Teilschicht kann aus AlN-Material, das mit einem Seltenerd-Element dotiert ist (d. h. dotierte AlN-Teilschicht) ausgebildet sein kann. Durch Aufnehmen von bestimmten Atomprozentsätzen der mehreren Seltenerd-Elemente werden die piezoelektrischen Eigenschaften des AlN, einschließlich des piezoelektrischen Koeffizienten d₃₃ und der erhöhte elektromechanische effektive Kopplungskoeffizient kt² verbessert im Vergleich zu vollständig stöchiometrischem (undotiertem) AlN. Auch stellt das Vorhandensein des nicht-dotierten Abschnitts der piezoelektrischen Schicht eine mechanische Stabilität bereit, was beispielsweise ein Durchbiegen verhindert.
Wie oben erwähnt, kann das AlN-Material beispielsweise mit Scandium (Sc) dotiert sein, was einen AlScN-Stoff mit einem vorbestimmten Atomprozentsatz von Sc erzeugt. Das Sc-Atom hat einen Atomradius, der größer ist als der Atomradius des Al-Atoms, was zu einer Bindungslänge von Sc-N (2,25 Å) führt, die größer ist als die Bindungslänge von Al-N (1,90 Å). Dieser Unterschied in der Bindungslänge bewirkt eine Spannung in dem resultierenden AlScN-Material.
Zur Veranschaulichung ist der Atomprozentsatz von Scandium in einer Aluminiumnitrid-Schicht näherungsweise 0,5% bis weniger als näherungsweise 10,0%. Allgemeiner ist in bestimmten Ausführungsformen der Atomprozentsatz von Scandium in einer Aluminiumnitrid-Schicht näherungsweise 0,5% bis näherungsweise 44%. In noch anderen repräsentativen Ausführungsformen ist der Atomprozentsatz von Scandium in einer Aluminiumnitrid-Schicht näherungsweise 2,5% bis weniger als näherungsweise 5,0%.
Der BAW-Resonator 200 umfasst optional eine Passivierungsschicht 206, die über der zweiten Elektrode 204 angeordnet ist, wie das in dem oben aufgenommenen US-Patent 8,188,810 beschrieben ist. Des Weiteren umfasst der BAW-Resonator 200 einen ersten und einen zweiten elektrischen Kontakt 207, 208, die eine elektrische Verbindung mit der ersten und der zweiten Elektrode 202, 204 respektive, bereitstellen.
Der BAW-Resonator 200 umfasst ferner ein erhöhtes Rahmenelement 209, das über der zweiten Elektrode 204 bereitgestellt ist. Insbesondere ist die Anordnung des erhöhten Rahmenelements 209 über der zweiten Elektrode 204 lediglich veranschaulichend, und es wird betont, dass das erhöhte Rahmenelement 209 irgendwo anders auf dem akustischen Stapel, der die erste Elektrode 202, das piezoelektrische Element 203 und die zweite Elektrode 204 umfasst, angeordnet sein kann. Beispielsweise kann das erhöhte Rahmenelement über der ersten Elektrode 202 angeordnet sein. Allgemeiner ist das erhöhte Rahmenelement 209 über einer Oberfläche von mindestens einem von der ersten und der zweiten Elektrode 202, 204 angeordnet.
Durch Auswählen des Ortes, der Breite und der Höhe des erhöhten Rahmenelements 209 kann die Diskontinuität (Unstetigkeit) der akustischen Impedanz, die durch das erhöhte Rahmenelement 209 bereitgestellt wird, ausgewählt werden. Als solches hat die Fläche innerhalb des erhöhten Rahmenelements die erste akustische Impedanz, das erhöhte Rahmenelement hat eine vierte akustische Impedanz, und das Gebiet extern zu dem (d. h. „außerhalb” des) erhöhten Rahmenelements) hat die dritte akustische Impedanz. Wie dies beispielsweise in den oben aufgenommenen U.S. Patenten 7,280,007 , 7,388,454 und 7,714,684 beschrieben ist, verbessert die Fehlanpassung der akustischen Impedanz, die durch das erhöhte Rahmenelement 209 bereitgestellt wird, die Performanz des BAW-Resonators 200 in vorteilhafter Weise. Beispielsweise und wie dies unten vollständiger beschrieben wird, verbessert die Aufnahme des erhöhten Rahmenelements 209 in dem BAW-Resonator 200 in vorteilhafter Weise den Gütefaktor bei Parallelresonanz (Q_P) und erhöht in gewünschter Weise den Realteil der Impedanz der Parallelresonanz (R_P) im Vergleich zu BAW-Resonatoren, die kein erhöhtes Rahmenelement umfassen. Jedoch gehen diese Verbesserungen in Q_P und R_P häufig auf Kosten von anderen Performanz-Parametern (z. B. Q_SW), und dem Auftreten von parasitären unechten Moden in dem südwestlichen Quadranten des Smith-Diagramms, die darauf als „Geknatter” manifestiert sind. So wie das unten vollständiger beschrieben wird, sind die Position, die Breite, die Höhe und die Zusammensetzung des Materials des erhöhten Rahmenelements 209 maßgeschneidert, um einen gewünschten Grad der Verbesserung von Q_P und R_P bereitzustellen, und bestimmte Abnahmen in der Performanz in dem südwestlichen Quadranten des Smith-Diagramms aufgrund des erhöhten Rahmenelements 209 können durch andere Techniken gemäß der repräsentativen Ausführungsformen kompensiert werden. Allgemein gesprochen, hat das erhöhte Rahmenelement 209 der repräsentativen Ausführungsformen eine Breite im Bereich von näherungsweise 0,1 μm bis näherungsweise 10,0 μm und eine Höhe im Bereich von näherungsweise 100 Å bis näherungsweise 3000 Å. Des Weiteren hat das Material, das für das erhöhte Rahmenelement 209 ausgewählt worden ist, nicht notwendigerweise dieselbe Zusammensetzung wie das der zweiten Elektrode 204. Zur Veranschaulichung kann die Zusammensetzung des für das erhöhte Rahmenelement 209 verwendeten Materials eines von einem ausgewählten Metall (z. B. Mo, W, Al, Ru) oder eines von einem ausgewählten dielektrischen Material (z. B: AlN, SiO₂, Si₃N₄) sein.
3A ist eine Querschnittsansicht von einem BAW-Resonator 300 gemäß einer repräsentativen Ausführungsform. Bestimmte Einzelheiten des BAW-Resonators 300 sind gemeinsam wie die oben im Zusammenhang mit der Beschreibung der BAW-Resonatoren 100, 200 beschriebenen, und werden nicht immer wiederholt, um ein Verschleiern der Beschreibung der vorliegenden zu beschreibenden repräsentativen Ausführungsformen zu vermeiden.
Der BAW-Resonator 300 umfasst ein Substrat 301, eine erste Elektrode 302, die über dem Substrat 301 angeordnet ist, eine piezoelektrische Schicht 303, die über der ersten Elektrode 302 angeordnet ist, und eine zweite Elektrode 304, die über der piezoelektrischen Schicht 303 angeordnet ist. Die erste Elektrode 302 ist über einem reflektierenden Element 305 bereitgestellt, das in der vorliegenden repräsentativen Ausführungsform eine in dem Substrat 301 bereitgestellte Vertiefung ist.
Eine Überdeckung des reflektierenden Elements 305, der ersten Elektrode 302, der zweiten Elektrode 304 und der piezoelektrischen Schicht 303 umfasst eine aktive Fläche des BAW-Resonators 300. Des Weiteren, wenn das reflektierende Element 305 eine Vertiefung oder ein Leervolumen unterhalb der ersten Elektrode ist, wird der BAW-Resonator 300 häufig als ein FBAR bezeichnet. Im Gegensatz dazu und wie unten beschrieben, kann das reflektierende Element 305 einen Bragg-Reflektor umfassen, der abwechselnde Schichten von einem Material mit einer hohen akustischen Impedanz und einem Material mit einer niedrigen akustischen Impedanz umfasst.
Gemäß repräsentativer Ausführungsformen umfasst die piezoelektrische Schicht 303 ein dotiertes piezoelektrisches Material. Zur Veranschaulichung ist das piezoelektrische Material dotiertes AlN, wobei eine Anzahl von Al-Atomen innerhalb des AlN-Kristallgitters durch ein ausgewähltes Material, wie etwa ein Seltenerd-Element mit einem vorbestimmten Prozentsatz, ersetzt ist. Das ausgewählte Material, das häufig als ein „Dotierelement” bezeichnet wird, kann beispielsweise Scandium (Sc) sein. In alternativen Konfigurationen kann eine Anzahl von Al-Atomen innerhalb des AlN-Kristallgitters durch mehr als eine Art eines Seltenerd-Elements mit einem vorbestimmten Prozentsatz, respektive, ersetzt sein. Weil die Dotierelemente nur Al-Atome ersetzen (z. B. von einem Al-Target (oder Ziel)), bleibt der Prozentsatz der Stickstoffatome in dem piezoelektrischen Material im Wesentlichen derselbe, unabhängig von dem Grad (oder der Menge) der Dotierung. Wenn hierin Prozentsätze von Dotierungselementen besprochen werden, ist dies mit Verweis auf die gesamten Atome (nicht Stickstoff einschließend) des AlN piezoelektrischen Materials. Die Seltenerd-Elemente umfassen Scandium (Sc), Yttrium (Y), Lanthan (La), Cer (Ce), Praseodym (Pr), Neodym (Nd), Promethium (Pm), Samarium (Sm), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Terbium (Tb), Dysprosium (Dy), Holmium (Ho), Erbium (Er), Thulium (Tm), Ytterbium (Yb) und Lutetium (Lu), wie dies einem Fachmann bekannt ist. Die verschiedenen Ausführungsformen sehen den Einbau von irgendeinem oder mehreren Seltenerd-Elementen vor, obwohl hierin spezifische Beispiele besprochen werden.
Verschiedene Ausführungsformen beziehen sich auf das Bereitstellen eines dünnen Films (oder einer dünnen Schicht) von piezoelektrischem Material (piezoelektrische Schicht 303), wie etwa AlN, mit einem vergrößerten piezoelektrischen Koeffizienten d₃₃ und einem erhöhten elektromechanischen Kopplungskoeffizienten kt² durch Einbau von einem oder mehreren Seltenerd-Elementen in das Kristallgitter von einem Abschnitt der piezoelektrischen Schicht. Zur Veranschaulichung kann die piezoelektrische Schicht eine einzelne Schicht sein, die ein im Wesentlichen konstantes Dotierniveau durch die Dicke der piezoelektrischen Schicht 303 umfasst. Alternativ kann die piezoelektrische Schicht eine einzelne Schicht sein, die verschiedene (z. B. abgestufte) Niveaus einer Dotierung über der Dicke der piezoelektrischen Schicht 303 umfasst. Beispielsweise kann die piezoelektrische Schicht undotiertes AlN-Material an der Unterseite mit schrittweise erhöhten Atomprozentsätzen eines Seltenerd-Elements umfassen, das über der Dicke der piezoelektrischen Schicht 303 hinzugefügt wird. Noch alternativ kann die piezoelektrische Schicht 303 mehrere Teilschichten (nicht gezeigt) umfassen, wobei mindestens eine Teilschicht aus stöchiometrischem AlN-Material (d. h. undotierte AlN-Teilschicht) ausgebildet ist, und mindestens eine andere Teilschicht aus AlN-Material, das mit einem Seltenerd-Element (z. B. dotierte AlN-Teilschicht) ausgebildet ist. Durch Einbauen (oder Aufnehmen) von spezifischen Atomprozentsätzen der mehreren Seltenerd-Elemente werden die piezoelektrischen Eigenschaften des AlN, einschließlich des piezoelektrischen Koeffizienten d₃₃ und des erhöhten elektromechanischen effektiven Kopplungskoeffizienten kt², verbessert im Vergleich zu vollständig stöchiometrischem (undotiertem) AlN. Auch stellt das Vorhandensein des undotierten Abschnitts der piezoelektrischen Schicht eine mechanische Stabilität bereit, was beispielsweise eine Verbiegung verhindert.
Wie oben erwähnt, kann das AlN-Material beispielsweise mit Scandium (Sc) dotiert sein, was einen AlScN-Stoff mit einem vorbestimmten Atomprozentsatz von Sc erzeugt. Das Sc-Atom hat einen Atomradius, der größer ist als der Atomradius des Al-Atoms, was zu einer Bindungslänge (2,25 Å) von Sc-N führt, die größer ist als die Bindungslänge von Al-N (1,90 Å). Dieser Unterschied in den Bindungslängen bewirkt eine Spannung in dem resultierenden AlScN-Material.
Zur Veranschaulichung ist der Atomprozentsatz von Scandium in einer Aluminiumnitrid-Schicht näherungsweise 0,5% bis weniger als näherungsweise 10,0%. Allgemeiner ist in bestimmten Ausführungsformen der Atomprozentsatz von Scandium in einer Aluminiumnitrid-Schicht näherungsweise 0,5% bis näherungsweise 44%. In noch anderen repräsentativen Ausführungsformen ist der Atomprozentsatz von Scandium in einer Aluminiumnitrid-Schicht näherungsweise 2,5% bis weniger als näherungsweise 5,0%.
Der BAW-Resonator 300 umfasst optional eine Passivierungsschicht 306, die über der zweiten Elektrode 304 angeordnet ist, so wie das in dem oben aufgenommenen U.S. Patent 8,188,810 beschrieben ist. Des Weiteren umfasst der BAW-Resonator 300 einen ersten und einen zweiten elektrischen Kontakt 307, 308, die eine elektrische Verbindung mit der ersten und der zweiten Elektrode 302, 304, respektive, bereitstellen.
Der BAW-Resonator 300 umfasst ferner ein zurückgesetztes Rahmenelement 309, das in der zweiten Elektrode 304 bereitgestellt ist. Insbesondere ist die Anordnung des zurückgesetzten Rahmenelements 309 in der zweiten Elektrode 304 lediglich veranschaulichend, und es wird betont, dass das zurückgesetzte Rahmenelement 309 irgendwo anders in dem akustischen Stapel, der die erste Elektrode 302, die piezoelektrische Schicht 303 und die zweite Elektrode 304 umfasst, angeordnet sein kann. Beispielsweise kann das zurückgesetzte Rahmenelement 309 in der ersten Elektrode 302 angeordnet sein. Allgemeiner gesagt ist das zurückgesetzte Rahmenelement 309 über einer Oberfläche von mindestens einer der ersten und der zweiten Elektrode 302, 304 angeordnet. Des Weiteren kann das zurückgesetzte Rahmenelement 309 „Füllmaterial” (nicht gezeigt), das darin bereitgestellt ist, umfassen.
So wie das oben angemerkt ist, kann durch Auswählen der Position, der Breite, der Tiefe und, falls implementiert, der Zusammensetzung des Füllmaterials, die Diskontinuität (Unstetigkeit), die durch das zurückgesetzte Rahmenelement 309 bereitgestellt ist, ausgewählt werden. Als solche hat die Fläche des BAW-Resonators „innerhalb” des zurückgesetzten Rahmenelements 309 die erste akustische Impedanz, das zurückgesetzte Rahmenelement 309 hat die zweite akustische Impedanz, und das Gebiet extern zu dem (d. h. „außerhalb” des) zurückgesetzten Rahmenelement(s) 309 hat die dritte akustische Impedanz. Wie oben angemerkt, verbessert die Fehlanpassung der akustischen Impedanz, die durch das zurückgesetzte Rahmenelement 309 bereitgestellt wird, in vorteilhafter Weise die Performanz des BAW-Resonators 300. Beispielsweise und wie dies unten ausführlicher beschrieben wird, verbessert der Einbau des zurückgesetzten Rahmenelements 309 in dem BAW-Resonator 300 in vorteilhafter Weise den Gütefaktor (Q) in dem südwestlichen Quadranten eines Smith-Diagramms (häufig als Q_SW bezeichnet), und verringert das Auftreten von parasitären unechten Moden am Umkreis des Resonators der aktiven Fläche des BAW-Resonators 300, im Vergleich zu BAW-Resonatoren, die kein zurückgesetztes Rahmenelement umfassen. Des Weiteren stellt die Aufnahme des zurückgesetzten Rahmenelements 309 einen gewissen Grad einer Verbesserung in kt² bereit, ebenso wie eine Reduktion in Q in der Nähe der Reihenresonanz (Q_S nahe bei F_S). Im Gegensatz dazu, während das Dotieren der piezoelektrischen Schicht die Größe kt² in vorteilhafter Weise verbessert, geht diese Verbesserung häufig auf Kosten von anderen Performanz-Parametern (z. B. Q_SW). Beispielsweise und wie dies unten vollständiger erklärt wird, kann das zurückgesetzte Rahmenelement 309 bereitgestellt werden, um unter anderem Abnahmen in bestimmten Performanz-Parametern des BAW-Resonators 300 zu kompensieren, die von der Aufnahme von Dotierstoffen in der piezoelektrischen Schicht 303 in dem BAW-Resonator 300 herrühren. Des Weiteren sind der Ort, die Position, die Breite, die Tiefe und falls implementiert, die Zusammensetzung des Füllmaterials des zurückgesetzten Rahmenelements 309 maßgeschneidert, um einen gewünschten Grad der Kompensation von einem oder mehreren Performanz-Parametern bereitzustellen, die durch die Dotierung der piezoelektrischen Schicht 303 nachteilig beeinflusst werden.
Der BAW-Resonator 300 umfasst ferner ein erhöhtes Rahmenelement 310, das über der zweiten Elektrode 304 bereitgestellt wird. Insbesondere ist die Anordnung des erhöhten Rahmenelements 310 über der zweiten Elektrode 304 lediglich veranschaulichend, und es wird betont, dass das erhöhte Rahmenelement 310 irgendwo auf dem akustischen Stapel, der die erste Elektrode 302, die piezoelektrische Schicht 303 und die zweite Elektrode 304 umfasst, angeordnet sein kann. Beispielsweise kann das erhöhte Rahmenelement 310 über der ersten Elektrode angeordnet sein. Allgemeiner gesprochen ist das erhöhte Rahmenelement 310 über einer Oberfläche von mindestens einer der ersten und der zweiten Elektrode 302, 304 angeordnet.
Durch Auswählen der Position, der Breite und der Höhe des erhöhten Rahmenelements 310 kann die Diskontinuität der akustischen Impedanz, die durch das erhöhte Rahmenelement 310 bereitgestellt wird, ausgewählt werden. Als solche hat die Fläche innerhalb des erhöhten Rahmenelements die erste akustische Impedanz, das erhöhte Rahmenelement hat eine vierte akustische Impedanz, und das Gebiet extern zu dem (d. h. „außerhalb” des) erhöhten Rahmenelements) hat die dritte akustische Impedanz. Wie oben beschrieben, verbessert die Fehlanpassung der akustischen Impedanz, die durch das erhöhte Rahmenelement 310 bereitgestellt wird, in vorteilhafter Weise die Performanz des BAW-Resonators 300. Beispielsweise und wie dies unten ausführlicher beschrieben ist, verbessert die Aufnahme des erhöhten Rahmenelements 310 in dem BAW-Resonator 300 in vorteilhafter Weise den Gütefaktor bei der Parallelresonanz (Q_P), und vergrößert in gewünschter Weise den Realteil der Impedanz bei der Parallelresonanz (R_P) im Vergleich zu BAW-Resonatoren, die kein erhöhtes Rahmenelement umfassen. Jedoch gehen diese Verbesserungen in Q_P und R_P häufig auf Kosten von anderen Performanz-Parametern (z. B. Q_SW), und dem Auftreten von parasitären unechten Moden in dem südwestlichen Quadranten des Smith-Diagramms, die sich als „Geknatter” darauf manifestieren. Wie dies unten vollständiger beschrieben wird, sind die Position, die Breite, die Höhe und die Zusammensetzung des Materials des erhöhten Rahmenelements 310 maßgeschneidert, um einen gewünschten Grad der Verbesserung von Q_P und R_P bereitzustellen, und bestimmte Abnahmen in der Performanz in dem südwestlichen Quadranten des Smith-Diagramms aufgrund des erhöhten Rahmenelements 310 kann durch andere Techniken gemäß repräsentativen Ausführungsformen kompensiert werden.
Wie oben erwähnt, ist es vorteilhaft, Seltenerd-Dotierstoffe (z. B. Sc) in dem piezoelektrischen Material (z. B. AlN) der piezoelektrischen Schicht 303 aufzunehmen, um den Parameter kt² des BAW-Resonators 300 zu verbessern. Jedoch wird diese Verbesserung von kt² auf Kosten der Abnahme in Q_SW, die umgekehrt proportional zu kt² ist, realisiert. Als solche führt eine inkrementelle Verbesserung in kt² zu einer proportionalen Verringerung von Q_SW. Jedoch führt die Aufnahme des zurückgesetzten Rahmenelements 309 zu einer Verbesserung in Q_SW und einer Verringerung von Verlusten aufgrund von parasitären unechten Moden am Umkreis der aktiven Fläche des BAW-Resonators. Des Weiteren und wie oben erwähnt, führt das Aufnehmen des zurückgesetzten Rahmenelements 309 zu einer zusätzlichen Erhöhung in kt², auch wenn dies nur eine kleine Erhöhung im Vergleich zu der Verbesserung von kt², die aus dem Dotieren der piezoelektrischen Schicht 303 herrührt, ist. Des Weiteren und wie oben angemerkt, stellt die Aufnahme des erhöhten Rahmenelements 310 eine gewünschte Verbesserung in Q_P und R_P bereit, auch wenn diese auf Kosten einer Abnahme von kt² gehen, auch wenn dies auf Kosten einer Verschlechterung von Q_SW, vergrößerten Verlusten ist aufgrund von parasitären unechten Moden in dem südwestlichen Quadranten des Smith-Diagramms. In vorteilhafter Weise jedoch, und wie oben erwähnt, führt das Aufnehmen des zurückgesetzten Rahmenelements 309 zu einer Verbesserung in Q_SW und einer Verringerung in Verlusten aufgrund von parasitären unechten Moden im südwestlichen Quadranten des Smith-Diagramms. Dementsprechend gibt es durch Aufnehmen von sowohl dem zurückgesetzten Rahmenelement 309 als auch von dem erhöhten Rahmenelement 310 in dem BAW-Resonator 300, der eine dotierte piezoelektrische Schicht 303 umfasst, eine insgesamte Verbesserung in Q_P und R_P (aufgrund des erhöhten Rahmenelements 310), eine insgesamte Verbesserung in Q_SW und eine Verringerung in Verlusten aufgrund von parasitären unechten Moden in dem südwestlichen Quadranten des Smith-Diagramms (aufgrund des zurückgesetzten Rahmenelements 309), und eine insgesamte Verbesserung in kt² (aufgrund der dotierten piezoelektrischen Schicht 303 und dem zurückgesetzten Rahmenelement) im Vergleich zu einem bekannten BAW-Resonator, der eines oder mehrere dieser Komponenten nicht aufweist.
3B ist eine Querschnittsansicht eines BAW-Resonators 311 gemäß einer repräsentativen Ausführungsform. Bestimmte Einzelheiten des BAW-Resonators 311 sind gemeinsam mit denjenigen, die oben im Zusammenhang mit der Beschreibung der BAW-Resonatoren 100, 200, 300 bereitgestellt sind, und sie werden nicht immer wiederholt, um ein Verschleiern der Beschreibung der vorliegend beschriebenen repräsentativen Ausführungsform zu vermeiden. Am stärksten anzumerken ist, dass der BAW-Resonator 311 ein reflektierendes Element 305 umfasst, das ein sogenannter Bragg-Reflektor oder Bragg-Spiegel ist, und eine Mehrzahl von abwechselnden Schichten mit einer niedrigen akustischen Impedanz und einer hohen akustischen Impedanz umfasst. In anderen Hinsichten ist der BAW-Resonator 311 im Wesentlichen identisch zu dem im Zusammenhang mit 3A beschriebenen BAW-Resonator 300, und seine Beschreibung wird nicht wiederholt. Des Weiteren sind die Einzelheiten und die Herstellung des Bragg-Reflektors, der das reflektierende Element 305 der repräsentativen Ausführungsform der 3B ausbildet, bekannt und werden nicht wiederholt.
4A ist ein Schaubild, das den elektromechanischen Kopplungskoeffizienten (kt²) als Funktion der Frequenz eines BAW-Resonators, der keine Dotierstoffe in einer piezoelektrischen Schicht umfasst (Kurve 401 – gepunktete Linie), und dem Parameter kt² eines BAW-Resonators, der Dotierstoffe in der piezoelektrischen Schicht umfasst (Kurve 402 – durchgezogene Linie). Insbesondere ist der in 4A gezeigte elektromechanische Kopplungskoeffizient (kt²) für BAW-Resonatoren, die weder ein zurückgesetztes Rahmenelement noch ein erhöhtes Rahmenelement umfassen, wie dies oben im Zusammenhang mit den 1 bis 3B beschrieben sind. 4A zeigt die signifikante Verbesserung des Parameters kt² in einem bestimmten Frequenzbereich, welche Verbesserung durch das Aufnehmen von Seltenerd-Dotierstoffen (z. B. Sc) in einer piezoelektrischen Schicht (z. B. AlN) realisiert wird. Insbesondere zeigt 4A den Parameter kt² über einem bestimmten Frequenzbereich für eine mit Sc dotierte AlScN piezoelektrische Schicht, in der das Sc allgemein gleichförmig in der AlScN piezoelektrischen Schicht verteilt ist, und der Atomprozentsatz von Sc in dem Bereich von näherungsweise 1,5% bis näherungsweise 5,0% ist.
Wie oben erwähnt, wird eine Erhöhung in kt² erreicht, die obwohl sie vorteilhaft für die Performanz eines BAW-Resonators ist, auf Kosten einer Abnahme des Parameters Q des BAW-Resonators geht, insbesondere und wie dies unten vollständiger beschrieben wird, von Q_P und Q_SW. Als solches führt das Einführen von Dotierstoffen in der piezoelektrischen Schicht eines BAW-Resonators zu einer insgesamten Verringerung des Parameters Q des BAW-Resonators. 4B zeigt diese Abnahme des Parameters Q in einem Frequenzbereich von Interesse. Insbesondere zeigt 4B den Parameter Q als Funktion der Frequenz für einen BAW-Resonator, der keine Dotierstoffe in einer piezoelektrischen Schicht umfasst (Kurve 403 – gepunktete Linie) und den Parameter Q eines BAW-Resonators, der Dotierstoffe in der piezoelektrischen Schicht umfasst (Kurve 404 – durchgezogene Linie). Das in 4B gezeigte Q ist für die BAW-Resonatoren, für die kt² in 4A gezeigt ist. 4B zeigt die Abnahme des Parameters Q in einem bestimmten Frequenzbereich, welche Abnahme durch das Einschließen von Seltenerd-Dotierstoffen (z. B. Sc) in einer piezoelektrischen Schicht (z. B. AlN) realisiert wird.
Ein quantitatives und qualitatives Verständnis des Parameters Q eines Resonators kann erhalten werden durch Zeichnen des Verhältnisses der reflektierten Energie zu der beaufschlagten Energie (S₁₁) in einem Smith-Diagramm, wenn die Frequenz variiert wird, für den Fall, in dem eine Elektrode mit Masse verbunden ist und eine andere mit einem Signal, für einen BAW-Resonator mit einer Impedanz, die gleich der System-Impedanz bei der Resonanzfrequenz ist. Wenn die Frequenz der beaufschlagten Energie erhöht wird, überstreicht die Größe/Phase des BAW-Resonators einen Kreis in dem Smith-Diagramm. Dies wird als der Q-Kreis bezeichnet. Wo der Q-Kreis zuerst die reale Achse (horizontale Achse) kreuzt, entspricht dies der Reihenresonanz-Frequenz f_S. Die reale Impedanz (die in Ohm gemessen wird) ist R_S. Wenn der Q-Kreis um den Durchmesser des Smith-Diagramms fortgesetzt wird, kreuzt er die reale Achse erneut. Der zweite Punkt, bei dem der Q-Kreis die reale Achse kreuzt, wird als f_P bezeichnet, die Parallel- oder Antiresonanz-Frequenz des FBAR. Die reale Impedanz bei f_P ist R_P.
Häufig ist es wünschenswert, R_S zu minimieren, während R_P maximiert wird. Qualitativ gesprochen gilt, dass je näher der Q-Kreis den äußeren Rand des Smith-Diagramms „umarmt”, desto höher ist der Q-Faktor der Vorrichtung. Der Q-Kreis eines idealen verlustlosen Resonators würde einen Radius von 1 aufweisen, und würde an dem Rand des Smith-Diagramms sein. Jedoch gibt es, wie oben angemerkt, Energieverluste, die den Q-Faktor der Vorrichtung beeinflussen. Beispielsweise und zusätzlich zu den oben erwähnten Quellen von akustischen Verlusten, sind Rayleigh-Lamb-(laterale oder unechte)Moden in den x, y-Dimensionen (oder Koordinatenrichtungen). Diese lateralen Moden sind aufgrund einer durch Grenzflächen bedingten Modenumwandlung der longitudinalen Mode, die sich in der Z-Richtung ausbreitet, und aufgrund der Erzeugung von von Null verschiedenen Ausbreitungsvektoren, k_x und k_y, für beide TE-Moden sowie die verschiedenen lateralen Moden (z. B. die S0 (symmetrische) Mode und die nullten (asymmetrischen) Moden, A0 und A1), die aufgrund des Unterschieds der effektiven Geschwindigkeiten zwischen den Bereichen, wo Elektroden angeordnet sind, und den umgebenden Bereichen des Resonators, wo es keine Elektroden gibt, vorhanden sind.
Unabhängig von ihrer Quelle sind die lateralen Moden in vielen Resonator-Anwendungen parasitär. Beispielsweise koppeln parasitäre laterale Moden an den Umkreis (Perimeter) des Resonators an und entfernen Energie, die für die longitudinalen Moden verfügbar ist, und verringern dadurch den Q-Faktor der Resonator-Vorrichtung. Insbesondere können als ein Ergebnis der parasitären lateralen Moden und anderen akustischen Verlusten auf einem Q-Kreis des Smith-Diagramms für den S₁₁-Parameter scharfe Verringerungen des Parameters Q beobachtet werden. Diese scharfen Verringerungen im Q-Faktor sind als „Geknatter” (rattles) oder als „Schleife-von-Schleife” („loop-de-loops”), die unten gezeigt und beschrieben sind, bekannt.
5 ist ein Schaubild, das den Einfluss eines erhöhten Rahmenelements und eines zurückgesetzten Rahmenelements auf einem BAW-Resonator, der keine Dotierstoffe in einer piezoelektrischen Schicht umfasst, und einem BAW-Resonator, der Dotierstoffe in der piezoelektrischen Schicht umfasst, zeigt. Insbesondere zeigt 5 den Parameter S₁₁ als Funktion der Frequenz, und umfasst Korrelationen (oder Entsprechungen) mit einem Smith-Diagramm. Am bemerkenswertesten ist, dass die Linie 500 in vertikaler Richtung den horizontalen Bisektor (die reale Achse) eines Smith-Diagramms mit f_S an einem Ende und f_P an dem anderen Ende der horizontalen Linie zeigt.
Die Kurve 501 zeigt den Parameter S₁₁ für einen BAW-Resonator, der eine dotierte piezoelektrische Schicht und ein erhöhtes Rahmenelement umfasst. Somit, und als Beispiel, zeigt die Kurve 501 (durchgezogene Linie) den Parameter S₁₁ für den oben im Zusammenhang mit 2 beschriebenen BAW-Resonator 200. Die Kurve 502 (gepunktete Linie) zeigt den Parameter S₁₁ für einen BAW-Resonator, der dieselbe dotierte piezoelektrische Schicht aufweist wie die des BAW-Resonators, für den der Parameter S₁₁ mit der Kurve 501 gezeigt ist, jedoch ohne das erhöhte Rahmenelement. So wie das gewertschätzt werden kann, ist in dem Bereich an der rechten Seite der Linie 500 die Kurve 501 höher als die Kurve 502, und in einem bestimmten Frequenzbereich gibt es eine signifikante Erhöhung des Parameters S₁₁ für den BAW-Resonator, der ein erhöhtes Rahmenelement umfasst, im Vergleich zu dem BAW-Resonator der dies nicht hat. Diese Verbesserung des Parameters S₁₁ ist manifestiert in einem verbesserten O_P (und R_P) für den BAW-Resonator, der das erhöhte Rahmenelement umfasst, im Vergleich zu dem BAW-Resonator, der dies nicht hat.
Der Bereich an der linken Seite der Linie 500 zeigt S₁₁ über der Frequenz in dem südwestlichen Quadranten des Smith-Diagramms. Insbesondere in dem Gebiet an der linken Seite der Linie 500 gibt es eine Abnahme in dem Parameter Q_SW für den BAW-Resonator, der das erhöhte Rahmenelement umfasst, im Vergleich zu dem BAW-Resonator, der das erhöhte Rahmenelement nicht umfasst. Die Kurve 504 (durchgezogene Linie) zeigt den Parameter S₁₁ für den BAW-Resonator ohne das erhöhte Rahmenelement, wohingegen die Kurve 505 (gepunktete Linie) den Parameter S₁₁ für den BAW-Resonator, der das erhöhte Rahmenelement umfasst, zeigt. Wie aus einem Vergleich der Kurven 504 und 505 gewertschätzt werden kann, ist nicht nur die Größe von S₁₁ in dem südwestlichen Quadranten kleiner für den BAW-Resonator, der das erhöhte Rahmenelement umfasst, sondern sind auch die Fluktuationen in S₁₁ größer, was erhöhte Verluste aufgrund von unechten Moden andeutet (die als „Geknatter” („rattles”) oder „loop-de-loops” in einem Smith-Diagramm manifestiert sind).
Während somit der BAW-Resonator, der eine dotierte piezoelektrische Schicht und ein erhöhtes Rahmenelement aufweist, ein verbessertes Q_P und R_P realisiert, geht dies auf Kosten einer Abnahme in Q_SW und erhöhten Verlusten aufgrund von unechten Moden.
Die Kurve 505 zeigt den Parameter S₁₁ für einen BAW-Resonator, der eine dotierte piezoelektrische Schicht und ein zurückgesetztes Rahmenelement umfasst. So zeigt beispielsweise die Kurve 505 (durchgezogene Linie) den Parameter S₁₁ für einen BAW-Resonator, wie dem oben im Zusammenhang mit der 1 beschriebenen BAW-Resonator 100. Die Kurve 506 (gepunktete Linie) zeigt den Parameter S₁₁ für einen BAW-Resonator, der die gleiche dotierte piezoelektrische Schicht aufweist wie die des BAW-Resonators, für den der Parameter S₁₁ in der Kurve 501 gezeigt ist, jedoch ohne das zurückgesetzte Rahmenelement. Wie das gewertschätzt werden kann, ist in dem Bereich an der rechten Seite der Linie 500 die Kurve 505 niedriger als die Kurve 506. Als solches gibt es in einem bestimmten Frequenzbereich eine Abnahme in S₁₁ für den BAW-Resonator, der ein zurückgesetztes Rahmenelement umfasst, im Vergleich zu dem BAW-Resonator, der das zurückgesetzte Rahmenelement nicht umfasst.
Der Bereich an der linken Seite der Linie 500 stellt der Parameter S₁₁ als Funktion der Frequenz in dem südwestlichen Quadranten des Smith-Diagramms dar. Insbesondere in dem Bereich an der linken Seite der Linie 500 gibt es eine Verbesserung des Parameters Q_SW für den BAW-Resonator, der das erhöhte Rahmenelement umfasst, im Vergleich zu dem BAW-Resonator, der das erhöhte Rahmenelement nicht umfasst. Die Kurve 507 (durchgezogene Linie) zeigt S₁₁ für den BAW-Resonator mit dem zurückgesetzten Rahmenelement, wohingegen die Kurve 508 (gepunktete Linie) die Größe S₁₁ für den BAW-Resonator ohne das zurückgesetzte Rahmenelement zeigt. Wie dies aus einer Betrachtung der Kurven 507 und 508 gewertschätzt wird, ist der Wert des Parameters S₁₁ in dem südwestlichen Quadranten niedriger für den BAW-Resonator, der das zurückgesetzte Rahmenelement umfasst, im Vergleich zu dem Wert des Parameters S₁₁ für den BAW-Resonator, der das zurückgesetzte Rahmenelement nicht umfasst. Des Weiteren ist nicht nur die Größe von S₁₁ in dem südwestlichen Quadranten größer für den BAW-Resonator, der das zurückgesetzte Rahmenelement umfasst, sondern sind auch die Fluktuationen in S₁₁ weniger ausgeprägt, was niedrigere Verluste aufgrund von unechten Moden andeutet (die als „Rattles” oder „Loop-de-Loops” in einem Smith-Diagramm manifestiert sind).
Während also der BAW-Resonator, der eine dotierte piezoelektrische Schicht und ein zurückgesetztes Rahmenelement aufweist, etwas verschlechterte Parameter Q_P und R_P aufweist im Vergleich zu dem BAW-Resonator, der dies nicht hat, gibt es eine vorteilhafte Verbesserung in Q_SW und verringerte Verluste aufgrund von unechten Moden.
Gemäß einer repräsentativen Ausführungsform stellt ein BAW-Resonator, der eine dotierte piezoelektrische Schicht, ein erhöhtes Rahmenelement und ein zurückgesetztes Rahmenelement aufweist, eine insgesamte Verbesserung der Parameter Q_P und R_P und eine Verbesserung in Q_SW und eine Abnahme von Verlusten aufgrund von unechten Moden bereit. Insbesondere ist die Abnahme der Parameter Q_P und R_P, die von der Verwendung der dotierten Schicht und dem zurückgesetzten Rahmenelement herrühren kann, mehr als ausgeglichen durch die Verbesserungen der Parameter Q_P und R_P, die durch die Verwendung des erhöhten Rahmenelements realisiert werden. Des Weiteren sind die Abnahme des Parameters Q_SW und die erhöhten Verluste aufgrund von unechten Moden, die von der Verwendung der dotieren piezoelektrischen Schicht und dem erhöhten Rahmenelement herrühren können, mehr als ausgeglichen durch die Verbesserungen des Parameters Q_SW und die Verluste von unechten Moden, die durch die Aufnahme eines zurückgesetzten Rahmenelements realisiert werden können.
6A ist ein Schaubild, das den elektromechanischen Kopplungskoeffizienten (kt²) zeigt als Funktion der Frequenz für einen BAW-Resonator, der eine dotierte piezoelektrische Schicht, ein erhöhtes Rahmenelement und ein zurückgesetztes Rahmenelement umfasst (Kurve 601 – gepunktete Linie), und das kt² eines BAW-Resonators, der Dotierstoffe in der piezoelektrischen Schicht umfasst, jedoch weder ein erhöhtes Rahmenelement noch ein zurückgesetztes Rahmenelement umfasst (Kurve 602 – durchgezogene Linie). Als solche zeigt die Kurve 601 die Größe kt² als Funktion der Frequenz für einen BAW-Resonator, wie etwa den BAW-Resonator 300 oder den BAW-Resonator 311 mit ausgewählten Dotierstoffen, Dotierniveaus und einem erhöhten und einem zurückgesetzten Rahmenelement gemäß repräsentativer Ausführungsformen. Zur Veranschaulichung umfasst die piezoelektrische Schicht mit Sc dotiertes AlN. Insbesondere zeigt 6A die Größe kt² in einem bestimmten Frequenzbereich für eine mit Sc dotierte AlScN piezoelektrische Schicht, in der das Sc allgemein gleichförmig in der AlScN piezoelektrischen Schicht verteilt ist, und der Atomprozentsatz des Sc in dem Bereich von näherungsweise 1,5% bis näherungsweise 5,0% ist.
Wie oben besprochen, kann eine signifikante Erhöhung des Parameters kt² in einem bestimmten Frequenzbereich der Dotierung der piezoelektrischen Schicht zugeordnet werden und, zu einem niedrigeren Ausmaß, kann eine Erhöhung des Parameters kt² in einem bestimmten Frequenzbereich der Aufnahme eines zurückgesetzten Rahmenelements in dem Aufbau des BAW-Resonators zugeordnet werden. Allgemein kann die Verbesserung des Parameters kt², die dem zurückgesetzten Rahmenelement zugeordnet werden kann, näherungsweise 10% der Verbesserung in kt², die der Dotierung der piezoelektrischen Schicht des BAW-Resonators zugeordnet werden kann, sein.
6B ist ein Smith-Diagramm, das einen Q-Kreis (Kurve 603 – gestrichelte Linie) zeigt für einen BAW-Resonator, der eine dotierte piezoelektrische Schicht, ein erhöhtes Rahmenelement und ein zurückgesetztes Rahmenelement aufweist, und einen Q-Kreis eines BAW-Resonators, der Dotierstoffe in der piezoelektrischen Schicht umfasst, jedoch weder ein erhöhtes Rahmenelement noch ein zurückgesetztes Rahmenelement hat (Kurve 604 – durchgezogene Linie). Als solche zeigt die Kurve 603 den Q-Kreis für einen BAW-Resonator, wie etwa den BAW-Resonator 300 oder den BAW-Resonator 311, mit ausgewählten Dotierstoffen, Dotierniveaus und erhöhten und zurückgesetzten Rahmenelementen gemäß der repräsentativen Ausführungsform. Zur Veranschaulichung, umfasst die piezoelektrische Schicht mit Sc dotiertes AlN.
Wie aus einer Betrachtung der 6B gewertschätzt werden kann, „umarmt” die Kurve 603 den Einheits-Q-Kreis mehr als die Kurve 604, was andeutet, dass eine insgesamte Verbesserung des Parameters Q realisiert wird durch die Aufnahme von sowohl dem erhöhten Rahmenelement als auch dem zurückgesetzten Rahmenelement, wenn die piezoelektrische Schicht einen Dotierstoff umfasst.
Wie an dem Punkt 605 auf der Kurve 603 gezeigt, ist Q_P in vorteilhafter Weise verbessert. Wie oben erwähnt, kann diese insgesamte Verbesserung des Parameters Q_P (und folglich R_P) der Aufnahme des erhöhten Rahmenelements in dem BAW-Resonator, der eine dotierte piezoelektrische Schicht umfasst, zugeordnet werden. Insbesondere ist die Verschlechterung der Parameters Q_P und R_P, die durch die Verwendung der dotierten piezoelektrischen Schicht und des zurückgesetzten Rahmenelements erzielt werden kann, mehr als ausgeglichen (versetzt) durch die Verbesserungen der Parameter Q_P und R_P, die durch die Verwendung eines erhöhten Rahmenelements realisiert werden.
Des Weiteren gibt es in dem südwestlichen Quadranten nicht nur eine vergleichsweise Verbesserung in Q (Q_SW), sondern auch eine signifikante Verringerung in den „Rattles” und „Loop-de-Loops” in dem BAW-Resonator, der eine dotierte piezoelektrische Schicht, ein erhöhtes Rahmenelement und ein zurückgesetztes Rahmenelement umfasst. Insbesondere in dem Bereich 606 des Smith-Diagramms bleibt die Kurve 604 dichter an dem Einheitskreis, und hat weniger, wenn nicht gar keine, „Rattles” oder „Loop-de-Loops”. Als solcher zeigt der BAW-Resonator, der eine dotierte piezoelektrische Schicht, ein erhöhtes Rahmenelement und ein zurückgesetztes Rahmenelement umfasst, eine Verbesserung des Parameters Q_SW und eine Verringerung in Verluste aufgrund von unechten Moden, im Vergleich zu einem BAW-Resonator, der eine dotierte piezoelektrische Schicht umfasst, jedoch weder ein erhöhtes Rahmenelement noch ein zurückgesetztes Rahmenelement aufweist. Entsprechend sind die Verringerung des Parameters Q_SW und die erhöhten Verluste aufgrund von unechten Moden, die von der Verwendung der dotierten piezoelektrischen Schicht und dem erhöhten Rahmenelement in dem BAW-Resonator herrühren können, mehr als ausgeglichen durch die Verbesserungen des Parameters Q_SW und den Verlusten durch unechte Moden, die aus der Aufnahme eines zurückgesetzten Rahmenelements realisiert werden können.
7 ist ein Schaubild, das die Einflüsse zeigt von einem erhöhten Rahmenelement und einem zurückgesetzten Rahmenelement auf den Parameter Q von einem BAW-Resonator, der Dotierstoffe in der piezoelektrischen Schicht umfasst. Insbesondere zeigt 7 den Parameter Q als Funktion eines bestimmten Frequenzbereichs für einen BAW-Resonator, der eine mit Sc dotierte AlScN piezoelektrische Schicht umfasst, in der das Sc allgemein gleichförmig in der AlScN piezoelektrischen Schicht verteilt ist und in der der Atomprozentsatz von Sc in dem Bereich von näherungsweise 1,5% bis näherungsweise 5,0% (siehe die vorhergehenden Kommentare) ist. Insbesondere zeigt 7 den Parameter Q als Funktion der Frequenz (Kurve 701 – gepunktete Linie) für einen BAW-Resonator, der eine dotierte piezoelektrische Schicht, ein erhöhtes Rahmenelement und ein zurückgesetztes Rahmenelement aufweist, und den Parameter Q als Funktion der Frequenz (Kurve 702) für einen BAW-Resonator, der Dotierstoffe in der piezoelektrischen Schicht umfasst, jedoch weder ein erhöhtes Rahmenelement noch ein zurückgesetztes Rahmenelement aufweist (Kurve 702 – durchgezogene Linie). Als solche zeigt die Kurve 701 den Parameter Q als Funktion der Frequenz für einen BAW-Resonator, wie etwa den BAW-Resonator 300 oder den BAW-Resonator 311 mit ausgewählten Dotierstoffen, Dotierniveaus sowie einem erhöhten und einem zurückgesetzten Rahmenelement gemäß repräsentativer Ausführungsformen. Zur Veranschaulichung umfasst die piezoelektrische Schicht mit Sc dotiertes AlN. Wie aus einer Betrachtung der 7 gewertschätzt werden kann, erzielt der BAW-Resonator, der eine dotierte piezoelektrische Schicht, ein erhöhtes Rahmenelement und ein zurückgesetztes Rahmenelement umfasst, eine signifikante Verbesserung insgesamt des Parameters Q in einem ziemlich großen Frequenzbereich im Vergleich zu einem BAW-Resonator, der Dotierstoffe in der piezoelektrischen Schicht umfasst, jedoch weder ein erhöhtes Rahmenelement noch ein zurückgesetztes Rahmenelement aufweist.
Gemäß repräsentativer Ausführungsformen wurden BAW-Resonatoren beschrieben, die dotierte piezoelektrische Schichten, ein erhöhtes Rahmenelement oder ein zurückgesetztes Rahmenelement, oder beide, umfassen. Ein Fachmann wird wertschätzen, dass viele Variationen gemäß der vorliegenden Lehren möglich sind und innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Patentansprüche verbleiben. Diese und andere Variationen würden für einen Fachmann nach einer Durchsicht der Beschreibung der Zeichnungen und der Patentansprüche hierin deutlich werden. Die Erfindung ist daher nicht beschränkt, außer im Rahmen des Geists und des Schutzumfangs der beigefügten Patentansprüche.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6107721 [0021]
US 5587620 [0021]
US 5873153 [0021]
US 6507983 [0021]
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US 6828713 [0021]

Claims

Ein akustischer Volumenwellen(BAW)-Resonator aufweisend: eine erste Elektrode (101), eine zweite Elektrode (104), eine piezoelektrische Schicht (103), die zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (102, 104) angeordnet ist, wobei die piezoelektrische Schicht (103) ein piezoelektrisches Material umfasst, das mit mindestens einem Seltenerd-Element dotiert ist, und ein zurückgesetztes Rahmenelement (109), das über einer Oberfläche von zumindest einer von der ersten und der zweiten Elektrode (102, 104) angeordnet ist.
Ein BAW-Resonator (100) gemäß Anspruch 1, wobei das zurückgesetzte Element (109) entlang eines Umkreises der zweiten Elektrode (104) angeordnet ist.
Ein BAW-Resonator (100) gemäß Anspruch 1, wobei das zurückgesetzte Rahmenelement (109) innerhalb der ersten Elektrode (101) angeordnet ist und einem Umkreis der zweiten Elektrode (104) direkt gegenüberliegt.
Ein BAW-Resonator (100) gemäß Anspruch 1, wobei das zurückgesetzte Rahmenelement (109) in die eine von der ersten und zweiten Elektrode (102, 104) integriert ist.
Ein BAW-Resonator (100) gemäß Anspruch 1, ferner aufweisend ein reflektierendes Element (105), das unter der ersten Elektrode (101), der zweiten Elektrode (104) und der piezoelektrischen Schicht (103) angeordnet ist, wobei eine Überdeckung des reflektierenden Elements (105), der ersten Elektrode (101), der zweiten Elektrode (104) und der piezoelektrischen Schicht (103) eine aktive Fläche des akustischen Resonators definiert.
Ein BAW-Resonator (100) gemäß Anspruch 1, wobei das reflektierende Element (105) eine in einem Substrat (101) angeordnete Vertiefung umfasst, über der die erste Elektrode (101), die zweite Elektrode (104) und die piezoelektrische Schicht (103) angeordnet sind.
Ein BAW-Resonator (100) gemäß Anspruch 1, wobei das reflektierende Element (105) eine Mehrzahl von Schichten umfasst, die abwechselnd eine hohe akustische Impedanz und eine niedrige akustische Impedanz aufweisen.
Ein BAW-Resonator (100) gemäß Anspruch 1, wobei das piezoelektrische Material Aluminiumnitrid (AlN) umfasst.
Ein BAW-Resonator (100) gemäß Anspruch 8, wobei das mindestens eine Seltenerd-Element in ein Kristallgitter des AlN piezoelektrischen Materials eingebaut ist.
Ein BAW-Resonator (100) gemäß Anspruch 8, wobei das mindestens eine Seltenerd-Element Scandium (Sc) umfasst.
Ein BAW-Resonator (100) gemäß Anspruch 8, wobei das mindestens eine Seltenerd-Element zwei oder mehrere Seltenerd-Elemente umfasst, die in ein Kristallgitter des AlN piezoelektrischen Materials eingebaut sind.
Ein BAW-Resonator (100) gemäß Anspruch 11, wobei die mindestens zwei Seltenerd-Elemente Scandium (Sc) und Erbium (Er) umfassen.
Ein BAW-Resonator (100) gemäß Anspruch 12, wobei die mindestens zwei Seltenerd-Elemente ferner Yttrium (Y) umfassen.
Ein BAW-Resonator (100) gemäß Anspruch 1, ferner aufweisend ein erhöhtes Rahmenelement (209), das über der Oberfläche von zumindest einer von der ersten und der zweiten Elektrode (102, 104) angeordnet ist.
Ein BAW-Resonator (100) gemäß Anspruch 14, wobei das piezoelektrische Material Aluminiumnitrid (AlN) umfasst.
Ein BAW-Resonator (100) gemäß Anspruch 15, wobei das mindestens eine Seltenerd-Element in ein Kristallgitter des AlN piezoelektrischen Materials eingebaut ist.
Ein BAW-Resonator (100) gemäß Anspruch 15, wobei das mindestens eine Seltenerd-Element Scandium (Sc) umfasst.
Ein BAW-Resonator (100) gemäß Anspruch 15, wobei das mindestens eine Seltenerd-Element zwei oder mehrere Seltenerd-Elemente umfasst, die in ein Kristallgitter des AlN piezoelektrischen Materials eingebaut sind.
Ein BAW-Resonator (100) gemäß Anspruch 18, wobei die mindestens zwei Seltenerd-Elemente Scandium (Sc) und Erbium (Er) umfassen.
Ein BAW-Resonator (100) gemäß Anspruch 12, wobei die mindestens zwei Seltenerd-Elemente ferner Yttrium (Y) umfassen.
Ein akustischer Volumenwellen(BAW)-Resonator aufweisend: eine erste Elektrode (101), eine zweite Elektrode (104), eine piezoelektrische Schicht (103), die zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (102, 104) angeordnet ist, wobei die piezoelektrische Schicht (103) ein piezoelektrisches Material umfasst, das mit mindestens einem Seltenerd-Element dotiert ist, und ein erhöhtes Rahmenelement (209), das über einer Oberfläche von mindestens einer von der ersten und der zweiten Elektrode (102, 104) angeordnet ist.
Ein BAW-Resonator (100) gemäß Anspruch 21, wobei das erhöhte Rahmenelement (209) entlang eines Umkreises der zweiten Elektrode (104) angeordnet ist.
Ein BAW-Resonator (100) gemäß Anspruch 21, wobei das erhöhte Rahmenelement (209) innerhalb der ersten Elektrode (101) angeordnet ist und einem Umkreis der zweiten Elektrode (104) direkt gegenüberliegt.
Ein BAW-Resonator (100) gemäß Anspruch 21, wobei das erhöhte Rahmenelement (209) in die eine von der ersten und der zweiten Elektrode (104) integriert ist.
Ein BAW-Resonator (100) gemäß Anspruch 21, ferner aufweisend ein reflektierendes Element (105), das unterhalb der ersten Elektrode (101), der zweiten Elektrode (104) und dem piezoelektrischen Element (103) angeordnet ist, wobei eine Überdeckung des reflektierenden Elements (105), der ersten Elektrode (101), der zweiten Elektrode (104) und der piezoelektrischen Schicht (103) eine aktive Fläche des Akustikresonator definiert.
Ein BAW-Resonator (100) gemäß Anspruch 21, wobei das reflektierende Element (105) eine Vertiefung umfasst, die in einem Substrat (101) angeordnet ist, über dem die erste Elektrode (101), die zweite Elektrode (104) und die piezoelektrische Schicht (103) angeordnet sind.
Ein BAW-Resonator (100) gemäß Anspruch 21, wobei das reflektierende Element (105) eine Mehrzahl von Schichten umfasst, die abwechselnd eine hohe akustische Impedanz und eine niedrige akustische Impedanz aufweisen.
Ein BAW-Resonator (100) gemäß Anspruch 21, wobei das piezoelektrische Material Aluminiumnitrid (AlN) umfasst.
Ein BAW-Resonator (100) gemäß Anspruch 28, wobei das mindestens eine Seltenerd-Element in ein Kristallgitter des AlN piezoelektrischen Materials eingebaut ist.
Ein BAW-Resonator (100) gemäß Anspruch 28, wobei das mindestens eine Seltenerd-Element Scandium (Sc) umfasst.
Ein BAW-Resonator (100) gemäß Anspruch 28, wobei das mindestens eine Seltenerd-Element zwei oder mehrere Seltenerd-Elemente umfasst, die in ein Kristallgitter des AlN piezoelektrischen Materials eingebaut sind.
Ein BAW-Resonator (100) gemäß Anspruch 31, wobei die mindestens zwei Seltenerd-Elemente Scandium (Sc) und Erbium (Er) umfassen.
Ein BAW-Resonator (100) gemäß Anspruch 32, wobei die mindestens zwei Seltenerd-Elemente ferner Yttrium (Y) umfassen.