DE102017108340A1

DE102017108340A1 - Bulk-Akustik-Wave (BAW) Resonatorstruktur

Info

Publication number: DE102017108340A1
Application number: DE102017108340.5A
Authority: DE
Inventors: Robert Thalhammer; Alexandre Shirakawa; Thomas Faust; Phil Nikkel
Original assignee: Avago Technologies General IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2016-04-21
Filing date: 2017-04-20
Publication date: 2017-10-26
Anticipated expiration: 2037-04-21
Also published as: US20170310303A1; DE102017108340B4; US10128813B2

Abstract

Ein Bulk-Akustik-Wave (BAW) Resonator umfasst: eine erste Elektrode; eine zweite Elektrode, die eine Vielzahl an Seiten hat, wobei mindestens eine der Seiten eine Verbindungsseite ist; eine piezoelektrische Schicht, die zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet ist, und ein akustisches reflektierendes Element, das unterhalb der ersten Elektrode, der zweiten Elektrode und der piezoelektrischen Schicht angeordnet ist, wobei eine Überlappung des reflektierenden Elements, der ersten Elektrode, der zweiten Elektrode und der piezoelektrischen Schicht einen aktiven Bereich des akustischen Resonators definiert; eine Brücke, angrenzend an einem Ende des aktiven Bereichs des BAW-Resonators; und eine Diskontinuität, die in der Brücke angeordnet ist.

Description

Hintergrund
Elektrische Resonatoren werden bei vielen Anwendungen verwendet. Zum Beispiel werden bei vielen Drahtlos- bzw. Funk-Kommunikationsgeräten Radiofrequenz (RF) und Mikrowellenfrequenz Resonatoren als Filter zur Verbesserung des Empfangs und der Übertragung von Signalen konfiguriert. Filter enthalten typischerweise Induktoren (bzw. Spulen) und Kondensatoren und in jüngerer Zeit Resonatoren.
Wie verstanden wird, ist es wünschenswert, die Größe von Komponenten von elektronischen Geräten zu reduzieren. Viele bekannte Filtertechnologien stellen ein Hindernis bei der Miniaturisierung des gesamten Systems dar. Mit der Notwendigkeit, die Komponentengröße zu reduzieren, ist eine Klasse an Resonatoren auf Basis des piezoelektrischen Effekts aufgekommen. Bei piezoelektrisch basierten Resonatoren werden akustische Resonanzmoden in dem piezoelektrischen Material erzeugt. Diese akustischen Wellen werden in elektrische Wellen zur Verwendung bei elektrischen Anwendungen umgewandelt.
Eine Art von piezoelektrischer Resonator ist ein Bulk-akustische Wellen oder Volumen-Akustikwellen bzw. Bulk-Akustik-Wave (bulk acoustic wave, BAW) Resonator. Typischerweise gibt es zwei Arten an BAW-Resonatoren: einen Film-Bulk-Akustik-Resonator (film bulk acoustic resonator, FBAR) und einen fest montierten Bulk-Akustik-Resonator (solidly mounted bulk acoustic resonator, SMR). Sowohl der FBAR als auch der SMR umfassen akustische Stapel, die über einem reflektierenden Element angeordnet sind. Das reflektierende Element eines FBAR ist ein Hohlraum bzw. eine Kavität, der bzw. die normalerweise in einem Substrat ist, über dem der akustische Stapel montiert ist. Das reflektierende Element eines SMR ist ein Bragg-Reflektor bzw. ein Bragg-Spiegel, der abwechselnde Schichten mit hoher akustischer Impedanz und mit niedriger akustischer Impedanz umfasst.
BAW-Resonatoren haben den Vorteil geringer Größe und bieten sich für integrierte Schaltkreis (IC) Herstellungswerkzeuge und -techniken an. Der FBAR beinhaltet einen akustischen Stapel, der unter anderem eine Schicht an piezoelektrischem Material umfasst, die zwischen zwei Elektroden angeordnet ist. Akustische Wellen erreichen eine Resonanz über bzw. quer durch den akustischen Stapel, wobei die Resonanzfrequenz der Wellen durch die Materialien in dem akustischen Stapel bestimmt wird.
Wünschenswerterweise regt der BAW-Resonator lediglich Dickenausdehnungs (thickness-extensional, TE) Moden an, die longitudinale mechanische Wellen mit Ausbreitungsvektoren (k) in Richtung der Ausbreitung darstellen. Die TE-Moden bewegen sich wünschenswerter Weise in Richtung der Dicke (z.B. in y-Richtung) der piezoelektrischen Schicht.
Leider kann akustische Energie an Regionen des BAW-Resonators verloren gehen, die sich außerhalb des aktiven Bereichs des BAW-Resonators befinden. Diese akustische Energie manifestiert sich in verschiedenen Arten an akustischen Moden, einschließlich zum Beispiel sogenannte laterale Moden, die Ausbreitungsvektoren in einer Richtung haben, die senkrecht zu der Richtung der TE-Moden, der gewünschten Betriebsmoden, sind. Neben anderen nachteiligen Effekten beeinflussen laterale Moden den Qualitätsfaktor (Q) eines FBAR-Geräts negativ. Insbesondere geht die Energie von Rayleigh-Lamb Moden an den Schnittstellen bzw. Grenzflächen des FBAR-Geräts verloren. Wie verstanden wird, ist dieser Energieverlust an Störmoden ein Verlust an Energie bei den erwünschten longitudinalen Moden und letztendlich eine Verschlechterung des Q-Faktors.
Es besteht daher ein Bedarf an einer BAW-Resonatorstruktur, die zumindest die Defizite von bekannten BAW-Resonatoren überwindet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die veranschaulichenden Ausführungsformen können aus der folgenden ausführlichen Beschreibung am besten verstanden werden, wenn sie mit den begleitenden Figuren gelesen wird. Es wird betont, dass die verschiedenen Merkmale nicht notwendiger Weise maßstabsgetreu dargestellt sind. Vielmehr können die Abmessungen beliebig vergrößert oder verkleinert sein, um Klarheit in der Diskussion zu haben. Wo immer anwendbar und zweckmäßig, beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente.
1A zeigt eine Querschnittsansicht eines Bulk-Akustik-Wave (BAW) Resonators in Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform.
1B zeigt eine Draufsicht eines Bulk-Akustik-Wave (BAW) Resonators in Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform.
2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Bulk-Akustik-Wave (BAW) Resonators in Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform.
3 zeigt eine Querschnittsansicht eines Bulk-Akustik-Wave (BAW) Resonators in Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform.
4 zeigt eine Querschnittsansicht eines Bulk-Akustik-Wave (BAW) Resonators in Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform.
5 zeigt ein vereinfachtes schematisches Blockdiagramm eines elektrischen Filters in Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform.
Definierte Terminologie
Es ist zu verstehen, dass die hierin verwendete Terminologie nur zum Zwecke der Beschreibung von besonderen Ausführungsformen ist, und nicht zur Beschränkung gedacht ist. Die definierten Begriffe sind zusätzlich zu den technischen und wissenschaftlichen Bedeutungen der definierten Begriffe, wie sie üblicherweise verstanden und akzeptiert werden in dem technischen Gebiet der vorliegenden Lehren.
Wie in der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen benutzt, beinhalten die Begriffe „ein“, „eine“, „eines“, „der“, „die“ und „das“ sowohl den Singular- als auch den Pluralbezug, sofern der Kontext nicht eindeutig anderes festlegt. Somit umfasst zum Beispiel „ein Gerät“ ein einziges Gerät und auch mehrere Geräte.
Wie in der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen benutzt und zusätzlich zu deren üblichen Bedeutungen, bedeuten die Begriffe „wesentlich“ oder „im Wesentlichen“ auch in annehmbaren Grenzen oder Ausmaß. Zum Beispiel bedeutet "im Wesentlichen abgebrochen", dass der Durchschnittsfachmann das Abbrechen als annehmbar erachten würde.
Wie in der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen benutzt und zusätzlich zu seiner gewöhnlichen Bedeutung, bedeutet der Begriff „ungefähr“ dies innerhalb annehmbarer Grenzen oder Ausmaß für den gewöhnlichen Durchschnittsfachmann. Zum Beispiel bedeutet „ungefähr das Gleiche“, dass ein gewöhnlicher Durchschnittsfachmann die verglichenen Gegenstände als gleich erachten würde.
Detaillierte Beschreibung
In der nachfolgenden detaillierten Beschreibung sind, zum Zwecke der Erklärung und nicht zur Beschränkung, repräsentative Ausführungsformen dargelegt, die spezifische Details offenbaren, um für ein gründliches Verständnis der vorliegenden Lehren zu sorgen. Jedoch wird dem gewöhnlichen Durchschnittsfachmann, der den Vorteil der vorliegenden Offenbarung hatte, ersichtlich, dass andere Ausführungsformen gemäß den vorliegenden Lehren, die von den speziellen hierin offenbarten Details abweichen, innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche verbleiben. Darüber hinaus können Beschreibungen von wohlbekannten Vorrichtungen und Verfahren weggelassen werden, um die Beschreibung der repräsentativen Ausführungsformen nicht zu verschleiern. Solche Verfahren und Vorrichtungen befinden sich eindeutig innerhalb des Umfangs der vorliegenden Lehren.
Es ist zu verstehen, dass die hierin verwendete Terminologie nur zum Zwecke der Beschreibung von besonderen Ausführungsformen ist, und nicht zur Beschränkung gedacht ist. Alle definierten Begriffe sind zusätzlich zu den technischen und wissenschaftlichen Bedeutungen der definierten Begriffe, wie sie üblicherweise verstanden und akzeptiert sind in dem technischen Gebiet der vorliegenden Lehren.
Wie in der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen benutzt, beinhalten die Begriffe „ein“, „eine“, „eines“, „der“, „die“ und „das“ sowohl den Singular- als auch den Pluralbezug, sofern der Kontext nicht eindeutig anderes festlegt. Somit umfasst zum Beispiel „ein Gerät“ ein einziges Gerät und auch mehrere Geräte.
Wie in der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen benutzt und zusätzlich zu deren üblichen Bedeutungen, bedeuten die Begriffe „wesentlich“ oder „im Wesentlichen“ auch in annehmbaren Grenzen oder Ausmaß. Zum Beispiel bedeutet "im Wesentlichen abgebrochen", dass der Durchschnittsfachmann das Abbrechen als annehmbar erachten würde.
Wie in der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen benutzt und zusätzlich zu seiner gewöhnlichen Bedeutung, bedeutet der Begriff „ungefähr“ dies innerhalb annehmbarer Grenzen oder Ausmaß für den gewöhnlichen Durchschnittsfachmann. Zum Beispiel bedeutet „ungefähr das Gleiche“, dass ein gewöhnlicher Durchschnittsfachmann die verglichenen Gegenstände als gleich erachten würde.
Relative Begriffe, wie zum Beispiel „oberhalb“, „unterhalb“, „obere“, „untere“, „oben“, „unten“, „über“ und „unter“, können verwendet werden, um die Beziehung der verschiedenen Elemente zueinander zu beschreiben, wie in den begleitenden Zeichnungen veranschaulicht. Diese relativen Begriffe sollen dazu dienen, verschiedene Orientierungen des Geräts und/oder von Elementen zu umfassen, zusätzlich zu den in den Zeichnungen dargestellten Orientierungen. Zum Beispiel, wenn das Gerät in Bezug auf die Ansicht in den Zeichnungen umgedreht würde, würde ein Element das als „oberhalb“ eines anderen Elements beschrieben wird, sich nun beispielsweise „unterhalb“ dieses Elements befinden. In ähnlicher Weise, wenn das Gerät um 90° in Bezug auf die Ansicht in den Zeichnungen gedreht würde, würde ein Element das als „oberhalb“ oder „unterhalb“ eines anderen Elements beschrieben wird, sich nun beispielsweise „angrenzend“ zu dem anderen Element befinden, wobei „angrenzend“ bedeutet, dass es entweder an dem anderen Element anstößt (bzw. direkt aneinandergrenzt) oder dass eine oder mehrere Schichten, Materialien, Strukturen, etc. zwischen den Elementen sind.
Die vorliegenden Lehren betreffen im Allgemeinen Bulk-Akustik-Wave (BAW) Resonatoren, einschließlich FBARs, SMRs, Doppel-Bulk-Akustik Resonatoren (double bulk acoustic resonator, DBARs) und gekoppelte Resonatorfilter (coupled resonator filter, CRFs), BAW-Resonatorstrukturen, die solche Geräte umfassen und elektronische Komponenten (z.B. elektrische (bzw. elektronische) Filter), die solche BAW-Resonatorstrukturen umfassen. Bei Anschluss in einer ausgewählten Topologie kann eine Vielzahl an Resonatoren als elektrischer bzw. elektronischer Filter fungieren. Zum Beispiel können FBARs und SMRs in einer Abzweigfilter (ladder-filter) oder Brückenfilter (lattice-filter) Anordnung angeordnet werden, wie zum Beispiel in U.S. Patent US 5,910,756 von Ella und U.S. Patent US 6,262,637 von Bradley et al., beschrieben, deren Offenbarungen hierin unter Bezugnahme ausdrücklich aufgenommen werden. Die elektrischen Filter können in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, wie zum Beispiel in Duplexern (Diplexer, Triplexer, Quadplexer, Quintplexer, etc.).
Eine Vielzahl an Geräten, Strukturen davon, Materialien und Herstellungsverfahren werden für die BAW-Resonatoren der Apparate der vorliegenden Lehren in Betracht gezogen. Diverse Details von solchen Geräten und entsprechende Herstellungsverfahren können zum Beispiel in einem oder mehreren der folgenden U.S. Patente gefunden werden: U.S. Patent US 6,107,721 von Lakin; U.S. Patente US 5,587,620 , US 5,873,153 , US 6,507,983 , US 7,388,454 , US 7,629,865 , US 7,714,684 und US 8,436,516 von Ruby et al.; U.S. Patente US 7,369,013 , US 7,791,434 und US 8,230,562 von Fazzio et al.; U.S. Patente US 7,280,007 und US 8,188,810 von Feng et al.; U.S. Patente US 8,248,185 und US 8,902,023 von Choy et al.; U.S. Patent US 7,345,410 von Grannen et al.; U.S. Patent US 6,828,713 von Bradley et al.; U.S. Patente US 7,561,009 und US 7,358,831 von Larson, III et al.; U.S. Patent US 9,197,185 von Zou et al.; U.S. Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer US 2012/0326807 von Choy et al.; U.S. Patentanmeldungen mit den Veröffentlichungsnummern US 2011/0180391 und US 2012/0177816 von Larson, III et al.; U.S. Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer US 2007/0205850 von Jamneala et al.; U.S. Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer US 2011/0266925 von Ruby et al.; U.S. Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer US 2013/0015747 von Ruby et al.; U.S. Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer US 2013/0049545 von Zou et al.; U.S. Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer US 2014/0225682 von Burak et al.; U.S. Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer US 2014/0132117 von John L. Larson III; U.S. Patentanmeldungen mit den Veröffentlichungsnummern US 2014/0118090 und US 2014/0354109 von Grannen et al.; U.S. Patentanmeldungen mit den Veröffentlichungsnummern US 2014/0292150 und US 2014/0175950 von Zou et al.; U.S. Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer US 2015/0244347 von Feng et al. Die gesamte Offenbarung von jedem der Patente und Patentanmeldungen, die oben aufgeführt sind, werden hiermit ausdrücklich unter Bezugnahme hierin aufgenommen. Es wird betont, dass die Komponenten, Materialien und Herstellungsverfahren, die in diesen Patenten und Patentanmeldungen beschrieben sind, repräsentativ sind und andere Herstellungsverfahren und Materialien werden innerhalb des Bereichs von einem Durchschnittsfachmann auch in Betracht gezogen.
In Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform umfasst ein Bulk-Akustik-Wave (BAW) Resonator: eine untere Elektrode; eine obere Elektrode, die eine Vielzahl an Seiten hat, wobei mindestens eine der Seiten eine Verbindungsseite ist; eine piezoelektrische Schicht, die zwischen der unteren und der oberen Elektrode angeordnet ist, und ein akustisches reflektierendes (zurückstrahlendes, spiegelndes) Element (bzw. ein reflektierendes Akustik-Element), das unterhalb der unteren Elektrode, der oberen Elektrode und der piezoelektrischen Schicht angeordnet ist, wobei eine Überlappung (Überschneidung, Überdeckung, Überlagerung, Overlap) des reflektierenden Elements, der unteren Elektrode, der oberen Elektrode und der piezoelektrischen Schicht einen aktiven Bereich (eine aktive Fläche) des akustischen Resonators definiert; eine Brücke, angrenzend an einem Ende (einem Abschluss, einer Termination, einer Terminierung) des aktiven Bereichs des BAW-Resonators; und eine Diskontinuität (Unstetigkeit, Unterbrechung), die in der Brücke angeordnet ist. Wie unten noch ausführlicher beschrieben, dient die Diskontinuität (oder Vielzahl an Diskontinuitäten) als Reflexionspunkte für akustische Moden, die sich in der Brücke bewegen. Folglich werden die akustischen Moden teilweise in den aktiven Bereich des BAW-Resonators zurück reflektiert, wodurch das Ausmaß an verlorener akustischer Energie reduziert wird. In vorteilhafter Weise wird eine Reduktion des Verlusts an akustischer Energie von Diskontinuitäten verwirklicht, was zu einer Verbesserung des Q und der parallelen Impedanz (Rp) des BAW-Resonators führt.
1A ist eine Querschnittsansicht eines BAW-Resonators 100 in Übereinstimmung mit einer veranschaulichenden Ausführungsform. Der BAW-Resonator 100 umfasst ein Substrat 101, das zum Beispiel Silicium (Si) oder ein anderes geeignetes Material umfasst. Eine erste Elektrode 102 (untere Elektrode) ist über dem Substrat 101 angeordnet und erstreckt sich über einen akustischen Reflektor 105, der in dem Substrat 101 angeordnet ist, und ist über einem Rand bzw. einer Kante des akustischen Reflektor 105 angeordnet, wie gezeigt. Eine piezoelektrische Schicht 103 ist über der ersten Elektrode 102 angeordnet und eine zweite Elektrode 104 (obere Elektrode) ist über der piezoelektrischen Schicht 103 angeordnet. Folglich hat die piezoelektrische Schicht 103 eine erste Oberfläche, die in Kontakt mit einer ersten Elektrode 102 ist, und zweite Oberfläche, die in Kontakt mit der zweiten Elektrode 104 ist.
Der BAW-Resonator umfasst auch eine Passivierungsschicht 106, die über der zweiten Elektrode 104 angeordnet ist. Die Passivierungsschicht 106 kann zum Beispiel aus AlN, Siliciumcarbid (SiC), BSG, SiO₂, SiN oder Polysilicium sein. Veranschaulichend kann die Passivierungsschicht sein, wie von Miller et al., U.S. Patent mit der Nummer US 8,330,556 (erteilt am 11. Dezember 2012), beschrieben, das hiermit unter Bezugnahme vollständig aufgenommen wird. Im Allgemeinen muss die Dicke der Passivierungsschicht 106 ausreichend sein, um alle Schichten des akustischen Stapels von der Umgebung zu isolieren, einschließlich dem Schutz vor Feuchtigkeit, Korrosionsmittel, Verunreinigungen, Ablagerungen und dergleichen. Als ein Beispiel hat die Passivierungsschicht 106 eine Dicke von ungefähr 100 nm bis ungefähr 600 nm.
Die erste und die zweite Elektrode 102, 104 beinhalten ein elektrisch leitfähiges Material (z.B. Molybdän oder Wolfram) und jede kann eine oder mehrere Schichten umfassen. Die erste und die zweite Elektrode sorgen für ein oszillierendes elektrisches Feld in der y-Richtung, welches die Richtung der Dicke der piezoelektrischen Schicht 103 ist. In der vorliegenden veranschaulichenden Ausführungsform ist die y-Achse (des in 1A abgebildeten Koordinatensystems) die Achse der gewünschten TE (longitudinalen) Mode(n) für den Resonator.
Im Allgemeinen umfasst die piezoelektrische Schicht 103 ein hochgradig strukturiertes piezoelektrisches Material. In bestimmten Ausführungsformen kann die piezoelektrische Schicht 103 von repräsentativen Ausführungsformen auch eine oder mehrere mit Selten Erden (z.B. Scandium (Sc)) dotierten Schichten an piezoelektrischem Material (z.B. Aluminiumnitrid (AlN)) umfassen, wie in bestimmten Patentanmeldungen beschrieben, die oben unter Bezugnahme aufgenommen wurden (z.B. U.S. Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer US 2014/0132117; und U.S. Patentanmeldung mit der Anmeldenummer US 14/191,771 von Feng et al.). Es sei darauf hingewiesen, dass ein Dotieren der piezoelektrischen Schicht 103 mit bestimmten Seltenerd-Dotierungsmitteln zu einem verbesserten (erweiterten) piezoelektrischen Koeffizienten d₃₃ in der piezoelektrischen Schicht 103 und zu einem verbesserten (erweiterten) elektromechanischen Kopplungskoeffizienten kt² durch Einbau von einem oder mehreren Seltenerdelementen in das Kristallgitter eines Teilbereichs der piezoelektrischen Schicht führt. Zur Veranschaulichung liegt die Dotierkonzentration von Scandium im Allgemeinen im Bereich von ungefähr 0,5 % bis weniger als ungefähr 10 %. In bestimmten Ausführungsformen liegt die Dotierkonzentration von Scandium im Bereich von ungefähr 3,0 % bis ungefähr 30,0 %. Zur Klarstellung: Die atomare Konsistenz einer piezoelektrischen Schicht aus AlN, dotiert mit 3,0 % Sc, kann als Al_0,47N_0,50Sc_0,03 wiedergegeben werden.
Der akustische Reflektor 105 kann ein Hohlraum bzw. eine Kavität sein, der bzw. die mit Luft gefüllt ist, oder ein verteilter Bragg-Reflektor bzw. Bragg-Spiegel (distributed Bragg reflector, DBR), der mehrere Schichten mit akustischer Impedanz umfasst.
Der BAW-Resonator 100 umfasst auch eine Schicht 107, die ein Rahmenelement 108 (auch als „outie“ bezeichnet, wenn es in dem aktiven Bereich (unten beschrieben) des BAW-Resonators 100 angeordnet ist) mit einer Breite „S“ umfasst, wie in 1A dargestellt. Die Schicht 107 ist veranschaulichend über der piezoelektrischen Schicht 103 und unterhalb der zweiten Elektrode 104 angeordnet und folglich ist das Rahmenelement 108 identisch angeordnet. Dies ist lediglich veranschaulichend, da Rahmenelemente (nicht gezeigt) bei anderen Schichten, die den akustischen Stapel des BAW-Resonators bilden, angeordnet sein können. Es sei darauf hingewiesen, dass die Schicht 107 mehr als ein Rahmenelement umfassen kann. Alternativ kann die Schicht 107 eine Aussparung (oftmals als „innie“ bezeichnet, wenn es in dem aktiven Bereich (unten beschrieben) des BAW-Resonators angeordnet ist) oder eine Kombination von „outies“ und „innies“ umfassen. Darüber hinaus können „innies“ und „outies“ an einer oder mehreren Seiten des BAW-Resonators 100 bereitgestellt sein. Wie bekannt ist, sorgen „innies“ und „outies“ für eine akustische Impedanz Fehlanpassung (Versatz, mismatch) an dem Perimeter (Umfang, Umriss) des aktiven Bereichs (unten beschrieben) des BAW-Resonators 100, unterbinden unerwünschte laterale Moden und verbessern Reflexionen von akustischen Wellen an dem Perimeter des aktiven Bereichs. Folglich dienen die „innies“ und „outies“ dazu, akustische Verluste in dem BAW-Resonator 100 zu verringern. Weitere Details der Benutzung, Bildung und Vorteile von „innies“ und „outies“ werden zum Beispiel in einer oder mehrerer der oben aufgenommen U.S. Patente US 7,164,448 und US 7,388,454 von Ruby, et al.; US 7,280,007 von Feng, et al.; US 7,369,013 von Fazzio, et al.; US 7,714,684 von Ruby, et al.; und die oben aufgenommene U.S. Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer US 2007/0205850 gefunden.
Der BAW-Resonator 100 umfasst auch eine Brücke 109, die auf einer Verbindungsseite 110 des BAW-Resonators 100 angeordnet ist. Die Verbindungsseite 110 ist mit einer Signalleitung (signal line, nicht gezeigt) und elektronischen Komponenten (nicht gezeigt) verbunden, die für die bestimmte Anwendung des BAW-Resonators 100 ausgewählt sind.
Die Brücke 109 umfasst eine Lücke (Spalte, gap) 111, die unterhalb eines Teilbereichs der zweiten Elektrode 104 gebildet ist. Veranschaulichend umfasst die Lücke 111 Luft. Die Lücke 111 kann jedoch andere Materialien umfassen, einschließlich Materialien mit niedriger akustischer Impedanz, wie zum Beispiel mit SiO₂ dotierter Kohlenstoff (C), das auch als schwarzer Diamant (Black-diamond) bezeichnet wird; oder ein dielektrisches Harz, das kommerziell als SiLK bekannt ist; oder Benzocyclobuten (BCB). Solche Materialien mit niedriger akustischer Impedanz können in der Lücke 111 mittels bekannter Methoden bereitgestellt werden. Das Material mit niedriger akustischer Impedanz kann nach dem Entfernen von Opfermaterial, das zur Bildung der Lücke 111 benutzt wurde (wie unten beschrieben), bereitgestellt werden oder es kann anstelle des Opfermaterials in der Lücke 111 benutzt werden und nicht entfernt werden.
Die Lücke 111 entkoppelt mechanisch die erste Elektrode 102 und die piezoelektrische Schicht 103 von der zweiten Elektrode 104 und markiert die Grenze zwischen dem aktiven Bereich und dem inaktiven Bereich des BAW-Resonators 100. Zu diesem Zweck wird der Bereich der Überlappung der ersten und der zweiten Elektrode 102, 104, der piezoelektrischen Schicht 103 und des akustischen Reflektors 105 als ein aktiver Bereich (eine aktive Fläche) des BAW-Resonators 100 bezeichnet. Im Gegensatz dazu umfasst ein inaktiver Bereich des BAW-Resonators 100 einen Bereich der Überlappung zwischen der ersten Elektrode 102 oder der zweiten Elektrode 104 oder beiden und der piezoelektrischen Schicht 103, der nicht über dem akustischen Reflektor 105 liegt bzw. angeordnet ist. Veranschaulichend umfasst in der in 1A abgebildeten repräsentativen Ausführungsform der inaktive Bereich einen Bereich der Überlappung zwischen der ersten Elektrode 102, der piezoelektrischen Schicht 103 und der zweiten Elektrode 104, der nicht über dem akustischen Reflektor 105 liegt bzw. angeordnet ist. Wie es bekannt ist, ist es vorteilhaft für die Leistungsfähigkeit des Resonators, die Fläche des inaktiven Bereichs des BAW-Resonators 100 zu reduzieren soweit praktisch möglich.
Die Brücke 109 verringert somit die Fläche eines inaktiven Bereichs des BAW-Resonators 100. Der inaktive Bereich des BAW-Resonators 100 erzeugt eine Parasitärkapazität (parasitic capacitance), die in einem Ersatzschaltbild (equivalent circuit) elektrisch parallel zu der intrinsischen Kapazität (intrinsic capacitance) des aktiven Bereichs des BAW-Resonators 100 ist. Diese Parasitärkapazität vermindert den effektiven Kopplungskoeffizienten (kt²) und es ist daher vorteilhaft, die Parasitärkapazität zu reduzieren. Eine Verringerung der Fläche des inaktiven Bereichs verbessert in vorteilhafter Weise den effektiven Kopplungskoeffizienten (kt²).
Darüber hinaus führt die akustische Impedanz Fehlanpassung, die durch die Lücke 111 bereitgestellt wird, zur Reflexion von akustischen Wellen an der Grenze, die sich ansonsten aus dem aktiven Bereich 114 heraus ausgebreitet hätten und verloren gegangen wären, was zu einem Energieverlust geführt hätte. Durch die Vermeidung dieser Verluste führt die Brücke 109 zu einem erhöhten Q-Faktor in dem BAW-Resonator 100. Darüber hinaus beendet die Terminierung bzw. das Ende der zweiten Elektrode 110 an der Position 110 den aktiven Bereich 114 des BAW-Resonators 100 und verringert Verluste durch Erzeugen einer akustischen Impedanz Fehlanpassung. Dies sorgt auch für eine Verbesserung des Q-Faktors.
Wie in 1A dargestellt, umfasst die Brücke 109 Teilbereiche der Schicht 107, der oberen Elektrode 104 und der Passivierungsschicht 106, die über der Lücke 111 angeordnet sind. Die Brücke hat eine Breite „AL“, wie in 1a gezeigt, und bildet einen akustischen Wellenleiter (acoustic waveguide). Folglich können stehende Wellen in der Brücke 109 existieren und umfassen sich ausbreitende Wellen und reflektierte Wellen, die in dem aktiven Bereich des BAW-Resonators 100 generiert wurden. Diese stehenden Wellen bewegen sich lateral bzw. seitlich (x-Richtung des in 1A dargestellten Koordinatensystems) und können eine Vielzahl an Moden umfassen, die unterschiedliche Wellenlängen haben können. Als ein Beispiel gibt es (laterale oder unechte bzw. störende (spurious)) Rayleigh-Lamb Moden in den x, z-Dimensionen der piezoelektrischen Schicht 103. Diese lateralen Moden gibt es auf Grund von Grenzflächen Mode Konversionen der longitudinalen Mode, die sich in der z-Richtung bewegt; und auf Grund der Erzeugung von Nicht-Null Ausbreitungsvektoren, k_x und k_y, für sowohl die TE Mode als auch die verschiedenen lateralen Moden (z.B. die S0 Mode und die nullten und ersten Biegemoden (flexure modes), A0 und A1), die sich auf Grund der Differenz der effektiven Geschwindigkeiten zwischen den Bereichen, wo Elektroden angeordnet sind, und den umgebenden Bereichen des Resonators, wo keine Elektroden sind, ergeben. Wie verstanden werden kann, führen diese Moden, falls ungehindert, Energie weg von dem aktiven Bereich des BAW-Resonators 100, was zu einer Verringerung des Q-Faktors und einer Verminderung bzw. einem Abbau von R_p führt. In vorteilhafter Weise stellen die vorliegenden Lehren eine oder mehrere Diskontinuitäten in einer oder mehrerer der Schichten, die die Brücke 109 umfasst, bereit und reflektieren teilweise die akustischen Wellen, die durch die Schichten der Brücke 109 getragen werden.
Ein quantitatives und qualitatives Verständnis des Q eines Resonators kann erhalten werden, indem in einem Smith Chart das Verhältnis der reflektierten Energie zu der zugeführten Energie (d.h. der S₁₁ Parameter) aufgetragen wird, während die Frequenz variiert wird, für den Fall, dass eine Elektrode an Masse und die andere an das Signal verbunden ist, für einen Resonator mit einer Impedanz gleich der der Systemimpedanz bei der Resonanzfrequenz. Während die Frequenz der angelegten Energie (z.B. RF-Signal) erhöht wird, zeichnet (sweeps out) die Magnitude/Phase des Resonators einen Kreis im Uhrzeigersinn auf dem Smith Chart. Dies wird als der Q-Kreis bezeichnet. Dort wo der Q-Kreis das erste Mal die reelle Achse kreuzt (horizontale Achse), korrespondiert dies mit der Serienresonanzfrequenz f_s. Die reelle Impedanz (in Ohm gemessen) ist R_s. Während der Q-Kreis um den Perimeter des Smith Charts fortfährt, kreuzt er wieder die reelle Achse. Der zweite Punkt, an dem der Q-Kreis die reelle Achse kreuzt, wird mit f_p bezeichnet, die parallel- oder anti-Resonanzfrequenz des BAW-Resonators. Die reelle Impedanz bei f_p ist R_p.
Oft ist es wünschenswert R_s zu minimieren, während R_p maximiert wird. Qualitativ gilt, je enger sich der Q-Kreis dem äußeren Rand des Smith Charts "anschmiegt", desto höher ist der Q-Faktor des Geräts. Der Q-Kreis eines ideal verlustlosen Resonators hätte einen Radius von Eins und würde am Rand des Smith Charts sein. Jedoch, wie weiter oben erwähnt, gibt es Energieverluste, die Auswirkungen auf das Q des Gerätes haben. Beispielsweise und zusätzlich zu den Quellen der oben erwähnten akustischen Verluste, liegen Rayleigh-Lamb (laterale oder störende (spurious)) Moden in den x, z-Dimensionen der piezoelektrischen Schicht 103. Diese lateralen Moden gibt es auf Grund von Grenzflächen Mode Konversionen der longitudinalen Mode, die sich in der z-Richtung bewegt; und auf Grund der Erzeugung von Nicht-Null Ausbreitungsvektoren, k_x und k_y, für sowohl die TE Mode als auch die verschiedenen lateralen Moden (z.B. die S0 Mode und die nullten und ersten Biegemoden (flexure modes), A0 und A1), die sich auf Grund der Differenz der effektiven Geschwindigkeiten zwischen den Bereichen, wo Elektroden angeordnet sind, und den umgebenden Bereichen des Resonators, wo keine Elektroden sind, ergeben.
Unabhängig von deren Quellen sind die lateralen Moden bei vielen Resonatoranwendungen parasitär. Zum Beispiel koppeln die parasitären lateralen Moden an den Schnittstellen bzw. Grenzflächen (z.B. in dem Wellenleiter, der aus dem Schichtenstapel der Brücke 109 besteht) des Resonators und entfernen für die longitudinalen Moden verfügbare Energie und reduzieren dadurch den Q-Faktor des Resonatorgeräts. Es sei darauf hingewiesen, dass als ein Ergebnis von parasitären lateralen Moden und anderen akustischen Verlusten, erhebliche Reduktionen in Q auf einem Q-Kreis des Smith Charts des S₁₁ Parameters beobachtet werden können. Diese erheblichen Reduktionen im Q-Faktor sind als "Klirren" ("rattles") oder "loop-de-loops" bekannt, die in der Stammanmeldung gezeigt und beschrieben sind.
In der in 1A abgebildeten repräsentativen Ausführungsform sind erste bis fünfte Diskontinuitäten 112–116 in der Passivierungsschicht 106 bereitgestellt. Die ersten bis fünften Diskontinuitäten 112–116 haben jeweilige Breiten x₁–x₅ entlang der Länge AL der Brücke 109. Es sei darauf hingewiesen, dass die zweite und die vierte Diskontinuität 113, 115 Aussparungen bzw. Vertiefungen in der Passivierungsschicht 106 und somit eine Änderung der Dicke des Schichtenstapels, der den Wellenleiter der Brücke 109 umfasst, erzeugen. Diese Aussparungen bzw. Vertiefungen haben jeweils zwei vertikale (y-Richtung) Seiten (gegenüberliegend durch vertikale gestrichelte Linien in 1A), wo sich die Dicke der Passivierungsschicht 106 und somit die Dicke des Schichtenstapels, der den Wellenleiter der Brücke 109 umfasst, ändert.
Die ersten bis fünften Diskontinuitäten 112–116 sind Diskontinuitäten der akustischen Impedanz bzw. Akustik-Impedanz-Diskontinuitäten. Zu diesem Zweck können Aussparungen bzw. Vertiefungen der zweiten und der vierten Diskontinuität 113, 115 Luft umfassen oder mit einem Material gefüllt sein, das eine akustische Impedanz hat, die verschieden ist von dem Material der Passivierungsschicht 106 zur Förderung von Reflexionen. Wenn eine akustische Welle, die sich in dem Wellenleiter, der den Schichtenstapel der Brücke 109 umfasst, bewegt, auf die Diskontinuität der akustischen Impedanz, die durch die zweite und die vierte Diskontinuität 113, 115 erzeugt wird, einfällt, tritt eine Reflexion auf und eine Welle, die sich lateral bewegt, wird zurück in Richtung des aktiven Bereichs des BAW-Resonators 100 reflektiert. Dementsprechend verursachen die ersten bis fünften Diskontinuitäten 112–116 Reflexionen der akustischen Wellen, die durch den Wellenleiter der Brücke 109 getragen werden, und Teile dieser akustischen Wellen werden zurück zu dem aktiven Bereich des BAW-Resonators 100 reflektiert. Folglich können durch Reflexionen an den ersten bis fünften Diskontinuitäten 112–116 Energieverluste bei den akustischen Moden in den Schichten der Brücke 109 abgeschwächt werden mit dem zumindest einen Teil der reflektierten lateralen Moden, die durch Mode Konversion zu longitudinalen Moden konvertiert werden. Letztendlich führt dies zu einer Gesamtverbesserung des Q-Faktors.
In bestimmten Ausführungsformen können die Breiten x₁–x₅ der ersten bis fünften Diskontinuitäten 112–116 ein Viertel der Wellenlänge (λ/4) einer ausgewählten Mode sein. Folglich können die ersten bis fünften Diskontinuitäten 112–116 abwechselnd hohe akustische Impedanz / niedrige akustische Impedanz sein mit Dicken (d.h. Breiten) von λ/4 einer ausgewählten Mode und dadurch einen lateralen akustischen Spiegel bereitstellen. Wie unten bemerkt, gibt es jedoch oft eine Anzahl an akustischen Wellen von unterschiedlichen Wellenlängen, die durch den Wellenleiter des Schichtenstapels der Brücke 109 getragen werden, so dass die Auswahl der Breiten x₁–x₅ der ersten bis fünften Diskontinuitäten 112–116 von einem Viertel der Wellenlänge (λ/4) einer ausgewählten (z.B. dominanten) Mode lediglich veranschaulichend ist. Dementsprechend sind in anderen repräsentativen Ausführungsformen mindestens eine, wenn nicht gar alle der Breiten x₁–x₅ der ersten bis fünften Diskontinuitäten 112–116 nicht identisch oder sie sind nicht alle gleich dem λ/4 einer ausgewählten Mode oder beides.
1B zeigt eine Draufsicht eines BAW-Resonators 100, der in einer Querschnittsansicht in 1A entlang der Linie 1B-1B gezeigt ist und in Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform ist. Die Merkmale des in 1B abgebildeten BAW-Resonators 100 sind die gleichen wie diejenigen des BAW-Resonators 100, der in Verbindung mit der repräsentativen Ausführungsform von 1A beschrieben wurde. Die Details von gemeinsamen Merkmalen, Eigenschaften und Vorteilen davon werden oft nicht wiederholt, um die Beschreibung der vorliegend beschriebenen Ausführungsformen nicht zu verschleiern. Darüber hinaus sind verschiedene Aspekte des BAW-Resonators 100 in dem oben aufgenommenen U.S. Patent US 8,902,023 und der oben aufgenommenen U.S. Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer US 2015/0244347 beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, dass die Passivierungsschicht 106 nicht gezeigt ist, um die Veranschaulichung der anderen Merkmale in 1B zu ermöglichen.
In einer repräsentativen Ausführungsform sind freitragende bzw. auskragende (cantilevered) Teilbereiche 120 entlang jeder Nicht-Verbindungsseite 121 bereitgestellt und sie haben dieselbe Breite. Dies ist lediglich veranschaulichend und es wird auch in Erwägung gezogen, dass mindestens eine, aber nicht alle Nicht-Verbindungsseiten 121, einen freitragenden Teilbereich 120 aufweisen. Es sei ferner bemerkt, dass elektrische Verbindungen an mehr als einer Seite (z.B. mehr als nur die Verbindungsseite 110) gemacht werden können, wobei die verbleibenden Ränder Nicht-Verbindungsseiten sind und freitragende Teilbereiche 120 aufweisen, da bei vielen Anwendungen elektrische Verbindungen an zwei oder mehr Seiten des BAW-Resonators 100 gemacht werden. Darüber hinaus wird in Erwägung gezogen, dass die zweite Elektrode 104 mehr oder weniger als vier Seiten, wie gezeigt, aufweist. Zum Beispiel wird eine fünfeckig geformte (nicht gezeigt) zweite Elektrode in Erwägung gezogen, die vier Seiten mit freitragenden Teilbereichen (z.B. freitragenden Teilbereichen 120) auf einer oder mehr der Seiten und eine oder mehr der Seiten eine Verbindungsseite(n) bereitstellt. In einer repräsentativen Ausführungsform ist die Form der ersten Elektrode 102 im Wesentlichen identisch zu der Form der zweiten Elektrode 104. Es sei darauf hingewiesen, dass die erste Elektrode 102 eine größere Fläche als die zweite Elektrode 104 aufweisen kann und die Form der ersten Elektrode 102 verschieden von der Form der zweiten Elektrode 104 sein kann. Schließlich sei darauf hingewiesen, dass die freitragenden Teilbereiche 120 dieselbe Breite haben können, auch wenn dies nicht notwendig ist, und die freitragenden Teilbereiche 120 können unterschiedliche Breiten haben.
Der freitragende Teilbereich bzw. die freitragenden Teilbereiche 120 der repräsentativen Ausführungsformen sorgen für eine Änderung bei der akustischen Impedanz an der Grenze des aktiven Bereichs des Bulk-Akustik-Wave (BAW) Resonators 100. Als ein Ergebnis werden Reflexionen von lateralen Moden ab der Grenze begünstigt. In einer repräsentativen Ausführungsform ist die Grenze des aktiven Bereichs des Bulk-Akustik-Wave (BAW) Resonators und des freitragenden Teilbereichs 120 fest bzw. ein festes Material (Elektroden und piezoelektrische Schicht) und Luft, was eine vergleichsweise große Impedanz Fehlanpassung und einen vergleichsweise hohen Reflexionskoeffizienten darstellt. Als ein Ergebnis werden laterale Moden vergleichsweise stark reflektiert, was den Q-Faktor durch zwei Mechanismen verbessert. Erstens, da die reflektierten lateralen Moden nicht durchgelassen bzw. transmittiert werden, geht ihre Energie nicht verloren. Ein Verbessern der Verluste durch Verringern der Transmission von lateralen Moden aus den aktiven Bereich des Bulk-Akustik-Wave (BAW) Resonators 100 heraus kann den Q-Faktor des Bulk-Akustik-Wave (BAW) Resonators 100 erhöhen. Zweitens wird ein Teil der reflektierten lateralen Moden in erwünschte longitudinale Moden konvertiert. Je größer die Wellenenergie in den longitudinalen Moden ist, desto höher ist der Q-Faktor. Als ein Ergebnis können der freitragende Teilbereich bzw. die freitragenden Teilbereiche 120 des Bulk-Akustik-Wave (BAW) Resonators 100 den Q-Faktor von sowohl der Parallel- als auch der Serienresonanz (d.h. Q_p und Q_s) verbessern. In vorteilhafter Weise sorgt die Kombination des freitragenden Teilbereichs 120 und der Brücke 109 für eine weitere Verbesserung des Q-Faktors des Bulk-Akustik-Wave (BAW) Resonators 100. Folglich führt die Aufnahme der Brücke 109 mit dem bzw. den freitragenden Teilbereich(en) 120 in den BAW-Resonator 100 zu einer Verbesserung des Q-Faktors bei der Parallelresonanz (Qp) und etwas Auswirkung auf den Q-Faktor bei der Serienresonanz (Qs).
2 ist eine Querschnittsansicht eines BAW-Resonators 200 in Übereinstimmung mit einer veranschaulichenden Ausführungsform. Viele Aspekte des BAW-Resonators 200 sind die gleichen wie bei dem BAW-Resonator 100, der oben in Verbindung mit 1A beschrieben wurde. Die Details dieser gemeinsamen Merkmale mag nicht wiederholt werden, um die Beschreibung dieser Ausführungsformen nicht zu verschleiern.
Der BAW-Resonator 200 umfasst ein Substrat 201, das zum Beispiel Silicium (Si) oder ein anderes geeignetes Material umfasst. Eine erste Elektrode 202 ist über dem Substrat 201 angeordnet und erstreckt sich über einen akustischen Reflektor 205, der in dem Substrat 201 angeordnet ist, und ist über einem Rand bzw. einer Kante des akustischen Reflektor 205 angeordnet, wie gezeigt. Eine piezoelektrische Schicht 203 ist über der ersten Elektrode 202 angeordnet. Eine zweite Elektrode 204, die eine erste Elektrodenschicht 204´ und eine zweite Elektrodenschicht 204´´ umfasst, ist über der piezoelektrischen Schicht 203 angeordnet. Die erste und die zweite Elektrodenschichten 204´, 204´´ können zwei Schichten aus dem gleichen Material (z.B. Molybdän) oder zwei Schichten aus unterschiedlichen Materialien (z.B. Molybdän und Wolfram) umfassen, wie es bekannt ist. Der BAW-Resonator 200 umfasst auch eine Passivierungsschicht 206, die über der zweiten Elektrode 204 angeordnet ist.
In der repräsentativen Ausführungsform hat die erste Elektrodenschicht 204´ eine reduzierte Dicke im Bereich 212 der Brücke 209, beginnend am Punkt 213. Dieser Verringerung bei der Dicke erzeugt erste bis dritte Diskontinuitäten 214–216 in der Höhe (y-Richtung) in der ersten und der zweiten Elektrodenschicht 204´, 204´´ und in der Höhe der Passivierungsschicht 206. Die ersten bis dritten Diskontinuitäten 214–216, die eine Breite „x“ haben, werden durch eine diskontinuierliche Dicke erzeugt, die durch ein Dünnen der ersten Elektrodenschicht 204´ hervorgerufen wird. Es sei darauf hingewiesen, dass diese „vertikalen“ (y-Richtung) Diskontinuitäten singulär (einmalig) sind an jeder Schicht. Mehr allgemeiner ist die Breite „x“ einer Diskontinuität nicht eine Eigenschaft der Schicht, in der sie angeordnet ist, sondern vielmehr eine Eigenschaft des Schichtenstapels in jedem Abschnitt der Brücke. Folglich kann die Breite „x“ einer Diskontinuität eine Viertel Wellenlänge von einer Mode sein oder nicht-äquidistante Breiten im Fall, dass es mehrere Diskontinuitäten gibt.
Die vorliegenden Lehren ziehen auch mehrere Diskontinuitäten in der horizontalen Richtung in Erwägung, wie zum Beispiel in Verbindung mit 1A beschrieben. Zu diesem Zweck können mehr als eine Diskontinuität in der Dicke und entlang der x-Achse der ersten Elektrodenschicht 204´ gemacht werden, wodurch eine Vielzahl an Diskontinuitäten in der horizontalen Richtung erzeugt wird. Folglich würde bei jeder Diskontinuität in der ersten Elektrodenschicht 204´ eine Diskontinuität in der Höhe der Schichten, die darüber angeordnet sind, hervorgerufen werden.
Schließlich wird hervorgehoben, dass das Bereitstellen von Diskontinuitäten in der Dicke eines Schichtenstapels der Brücke 209 nicht auf die erste Elektrodenschicht 204´ beschränkt ist. Vielmehr können auch die Schicht 207 und die zweite Elektrodenschicht 204´´ des Schichtenstapels der Brücke selektiv verdünnt werden.
Es sei darauf hingewiesen, dass die ersten bis dritten Diskontinuitäten 214–216 Diskontinuitäten der akustischen Impedanz bzw. Akustik-Impedanz-Diskontinuitäten sind. Zu diesem Zweck tritt beginnend am Punkt 213 und gleichfalls an den Punkten 217, 218 in der zweiten Elektrodenschicht 204´´ und der Passivierungsschicht 206 eine abrupte Änderung in dem Medium auf. Zum Beispiel, beginnend am Punkt 218 ändert sich das Medium im Bereich 212 von dem Material der Passivierungsschicht 206 zu Luft. In ähnlicher Weise, beginnend an den Punkten 217 und 218 treten Änderungen bei dem Medium auf. Folglich trifft eine akustischen Welle, die sich in dem Wellenleiter, der den Schichtenstapel der Brücke 209 umfasst, bewegt, auf die Diskontinuität der akustischen Impedanz, die durch die ersten bis dritten Diskontinuitäten 214–216 erzeugt wird, tritt Reflexion auf und eine Welle, die sich lateral bewegt, wird zurück in Richtung des aktiven Bereichs des BAW-Resonators 200 reflektiert. Wie die oben besprochenen Diskontinuitäten bewirken die ersten bis dritten Diskontinuitäten 214–216 Reflexionen der akustischen Wellen, die durch den Wellenleiter der Brücke 209 getragen werden, und Teile dieser akustischen Wellen werden zurück in Richtung des aktiven Bereichs des BAW-Resonators 200 reflektiert. Folglich können Energieverluste bei den Moden in der Brücke 209 abgeschwächt werden mit dem zumindest einen Teil der reflektierten lateralen Moden, die durch Mode Konversion zu longitudinalen Moden konvertiert werden. Letztendlich führt dies zu einer Gesamtverbesserung des Q-Faktors.
3 ist eine Querschnittsansicht eines BAW-Resonators 300 in Übereinstimmung mit einer veranschaulichenden Ausführungsform. Viele Aspekte des BAW-Resonators 300 sind die gleichen wie bei den BAW-Resonatoren 100, 200, die oben in Verbindung mit 1A bis 2 beschrieben wurden. Die Details dieser gemeinsamen Merkmale ´mögen nicht wiederholt werden, um die Beschreibung dieser Ausführungsformen nicht zu verschleiern.
Der BAW-Resonator 300 umfasst ein Substrat 301, das zum Beispiel Silicium (Si) oder ein anderes geeignetes Material umfasst. Eine erste Elektrode 302 ist über dem Substrat 301 angeordnet und erstreckt sich über einen akustischen Reflektor 305, der in dem Substrat 301 angeordnet ist, und ist über einem Rand bzw. einer Kante des akustischen Reflektor 305 angeordnet, wie gezeigt. Eine piezoelektrische Schicht 303 ist über der ersten Elektrode 302 angeordnet. Eine Interposer-Schicht 321 ist über der piezoelektrischen Schicht 303 angeordnet und eine Temperaturkompensationsschicht 322 ist über der Interposer-Schicht 321 angeordnet. Eine zweite Elektrode 304 ist über der Temperaturkompensationsschicht 322 angeordnet. Die Interposer-Schicht 321 ist aus einem elektrisch leitfähigen Material (z.B. das gleiche Material wie die zweite Elektrode 304) gemacht und die Temperaturkompensationsschicht 322 ist typischerweise ein Oxid oder ein ähnliches dielektrisches Material. Folglich sind die Interposer-Schicht 321 und die zweite Elektrode 304 an dem Punkt 323 elektrisch verbunden, um eine etwaige Parasitärkapazität durch die zwischen zwei elektrisch leitfähigen Schichten angeordnete Temperaturkompensationsschicht 322 kurzzuschließen. Weitere Details zu Temperaturkompensationsstrukturen in BAW-Resonatoren, wie zum Beispiel in 3 dargestellt, können in den oben aufgenommenen U.S. Patenten US 8,436,516 und US 9,197,185 ; und in den oben aufgenommenen U.S. Patentanmeldungen mit den Veröffentlichungsnummern US 2014/0292150 und US 2014/0175950 gefunden werden.
In der repräsentativen Ausführungsform endet die Temperaturkompensationsschicht 322 an dem Punkt 313. Dieses Ende erzeugt erste bis dritte Diskontinuitäten 314–316 in der Höhe (y-Richtung) der zweiten Elektrode 304 und in der Höhe der Passivierungsschicht 306. Die ersten bis dritten Diskontinuitäten 314–316, die eine Breite „x“ haben, werden durch eine diskontinuierliche Dicke erzeugt, die durch ein Entfernen der Temperaturkompensationsschicht 322, beginnend an dem Punkt 313, hervorgerufen wird. Es sei darauf hingewiesen, dass diese „vertikalen“ (y-Richtung) Diskontinuitäten singulär (einmalig) sind an jeder Schicht.
Schließlich wird hervorgehoben, dass das Bereitstellen von Diskontinuitäten durch Beenden eines Schichtenstapels der Brücke 309 nicht auf die Temperaturkompensationsschicht 322 beschränkt ist. Vielmehr können auch die Schicht 307 oder die Passivierungsschicht 306 des Schichtenstapels der Brücke 309 selektiv beendet werden. Da jedoch elektrische Verbindungen zu der Verbindungsseite gemacht werden, darf mindestens eine von der Schicht 307 und der zweiten Elektrode 304 nicht enden vor dem Punkt der elektrischen Verbindung.
Es sei darauf hingewiesen, dass die ersten bis dritten Diskontinuitäten 314–316 Diskontinuitäten der akustischen Impedanz bzw. Akustik-Impedanz-Diskontinuitäten sind. Zu diesem Zweck tritt beginnend am Punkt 313 und gleichfalls an den Punkten 317, 318 in der Temperaturkompensationsschicht 322, der zweiten Elektrode 304 und der Passivierungsschicht 306 eine abrupte Änderung in dem Medium auf. Zum Beispiel, beginnend am Punkt 318 ändert sich das Medium im Bereich 312 von dem Material der Passivierungsschicht 306 zu Luft. In ähnlicher Weise, beginnend an den Punkten 317 und 318 treten Änderungen bei den jeweiligen Medien auf. Wie die oben besprochenen Diskontinuitäten bewirken die ersten bis dritten Diskontinuitäten 314–316 Reflexionen der akustischen Wellen, die durch den Wellenleiter der Brücke 309 getragen werden, und Teile dieser akustischen Wellen werden zurück in Richtung des aktiven Bereichs des BAW-Resonators 300 reflektiert. Folglich können Energieverluste bei den Moden in der Brücke 309 abgeschwächt werden mit dem zumindest einen Teil der reflektierten lateralen Moden, die durch Mode Konversion zu longitudinalen Moden konvertiert werden. Letztendlich führt dies zu einer Gesamtverbesserung des Q-Faktors.
4 ist eine Querschnittsansicht eines BAW-Resonators 400 in Übereinstimmung mit einer veranschaulichenden Ausführungsform. Viele Aspekte des BAW-Resonators 400 sind die gleichen wie bei dem BAW-Resonator 100, der oben in Verbindung mit 1A bis 3 beschrieben wurde. Die Details dieser gemeinsamen Merkmale mögen nicht wiederholt werden, um die Beschreibung dieser Ausführungsformen nicht zu verschleiern.
Der BAW-Resonator 400 umfasst ein Substrat 401, das zum Beispiel Silicium (Si) oder ein anderes geeignetes Material umfasst. Eine erste Elektrode 402 ist über dem Substrat 401 angeordnet und erstreckt sich über einen akustischen Reflektor 405, der in dem Substrat 401 angeordnet ist, und ist über einem Rand bzw. einer Kante des akustischen Reflektor 405 angeordnet, wie gezeigt. Eine piezoelektrische Schicht 403 ist über der ersten Elektrode 402 angeordnet. Eine zweite Elektrode 404 ist über der piezoelektrischen Schicht 403 angeordnet. Der BAW-Resonator 400 umfasst auch eine Passivierungsschicht 406, die über der zweiten Elektrode 404 angeordnet ist.
In der repräsentativen Ausführungsform hat die Schicht 407 eine reduzierte Dicke im Bereich 412, beginnend am Punkt 413. Dieser Verringerung bei der Dicke erzeugt erste bis dritte Diskontinuitäten 414–416 in der Höhe (y-Richtung) in der Schicht 407 und in der Höhe der zweiten Elektrode 404 und der Passivierungsschicht 406. Die ersten bis dritten Diskontinuitäten 414–416, die eine Breite „x“ haben, werden durch eine diskontinuierliche Dicke erzeugt, die durch ein Dünnen der Schicht 407 hervorgerufen wird. Es sei darauf hingewiesen, dass diese „vertikalen“ (y-Richtung) Diskontinuitäten singulär (einmalig) sind an jeder Schicht.
Die vorliegenden Lehren ziehen auch mehrere Diskontinuitäten in der horizontalen Richtung in Erwägung, wie zum Beispiel in Verbindung mit 1A beschrieben. Zu diesem Zweck können mehr als eine Diskontinuität in der Dicke und entlang der x-Achse der Schicht 407 gemacht werden, wodurch eine Vielzahl an Diskontinuitäten in der horizontalen Richtung erzeugt wird. Folglich würde bei jeder Diskontinuität in der Schicht 407 eine Diskontinuität in der Höhe der Schichten, die darüber angeordnet sind, hervorgerufen werden.
Schließlich und wie bemerkt wird hervorgehoben, dass das Bereitstellen von Diskontinuitäten in der Dicke eines Schichtenstapels der Brücke 409 nicht auf die Schicht 407 beschränkt ist. Vielmehr kann auch die zweite Elektrode 404 des Schichtenstapels der Brücke selektiv verdünnt werden.
Es sei darauf hingewiesen, dass die ersten bis dritten Diskontinuitäten 414–416 Diskontinuitäten der akustischen Impedanz bzw. Akustik-Impedanz-Diskontinuitäten sind. Zu diesem Zweck tritt beginnend am Punkt 413 und gleichfalls an den Punkten 417, 418 in der zweiten Elektrode 404 und der Passivierungsschicht 406 eine abrupte Änderung in dem Medium auf. Zum Beispiel, beginnend am Punkt 418 ändert sich das Medium im Bereich 412 von dem Material der Passivierungsschicht 406 zu Luft. In ähnlicher Weise, beginnend an den Punkten 417 und 418 treten Änderungen bei dem Medium auf. Folglich trifft eine akustischen Welle, die sich in dem Wellenleiter, der den Schichtenstapel der Brücke 409 umfasst, bewegt, auf die Diskontinuität der akustischen Impedanz, die durch die ersten bis dritten Diskontinuitäten 414–416 erzeugt wird, tritt Reflexion auf und eine Welle, die sich lateral bewegt, wird zurück in Richtung des aktiven Bereichs des BAW-Resonators 400 reflektiert. Wie die oben besprochenen Diskontinuitäten bewirken die ersten bis dritten Diskontinuitäten 414–416 Reflexionen der akustischen Wellen, die durch den Wellenleiter der Brücke 409 getragen werden, und Teile dieser akustischen Wellen werden zurück in Richtung des aktiven Bereichs des BAW-Resonators 400 reflektiert. Folglich können Energieverluste bei den Moden in der Brücke 409 abgeschwächt werden mit dem zumindest einen Teil der reflektierten lateralen Moden, die durch Mode Konversion zu longitudinalen Moden konvertiert werden. Letztendlich führt dies zu einer Gesamtverbesserung des Q-Faktors.
Bei Anschluss in einer ausgewählten Topologie können eine Vielzahl an Bulk-Akustik-Wave (BAW) Resonatoren 100, 200, 300 und 400 als elektrischer bzw. elektronischer Filter fungieren. 5 zeigt ein vereinfachtes schematisches Blockdiagramm eines elektrischen bzw. elektronischen Filters 500 in Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform. Der elektrische bzw. elektronische Filter 500 umfasst Serien Bulk-Akustik-Wave (BAW) Resonatoren 501 und Shunt (Nebenschluss bzw. Abzweig) Bulk-Akustik-Wave (BAW) Resonatoren 502. Die Serien Resonatoren 501 und die Shunt Resonatoren 502 können die Bulk-Akustik-Wave (BAW) Resonatoren 100, 200, 300 und 400, die in Verbindung mit den repräsentativen Ausführungsformen von 1A–4 beschrieben wurden, umfassen. Die elektrischen bzw. elektronischen Filter 500 werden im Allgemeinen als ein Abzweigfilter (ladder filter) bezeichnet und können zum Beispiel in Duplexeranwendungen benutzt werden. Weitere Details einer Abzweigfilter Anordnung können sein, wie zum Beispiel in U.S. Patent US 5,910,756 von Ella und U.S. Patent US 6,262,637 von Bradley et al., beschrieben. Die Offenbarungen dieser Patente werden ausdrücklich unter Bezugnahme aufgenommen. Es sei hervorgehoben, dass die Topologie des elektrischen bzw. elektronischen Filters 500 lediglich veranschaulichend ist und andere Topologien in Erwägung gezogen werden können. Darüber hinaus können die Bulk-Akustik-Wave (BAW) Resonatoren der repräsentativen Ausführungsform in einer Vielzahl an Anwendungen neben Duplexern in Erwägung gezogen werden können.
In alternativen Ausführungsformen können piezoelektrische Schichten, die mit einem oder mehreren Seltenerdelementen dotiert sind, in Resonatorstapeln von verschiedenen anderen Arten an Resonatorgeräten gebildet werden, ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen. Zum Beispiel kann eine piezoelektrische Schicht in Resonatorstapeln eines gestapelten Bulk-Akustik Resonator (stacked bulk acoustic resonator, SBAR) Geräts, eines Doppel-Bulk-Akustik Resonator (double bulk acoustic resonator, DBAR) Geräts und eines gekoppelten Resonatorfilter (coupled resonator filter, CRFs) Geräts gebildet werden.
In Übereinstimmung mit veranschaulichenden Ausführungsformen sind Bulk-Akustik-Wave (BAW) Resonatoren für verschiedene Anwendungen, wie zum Beispiel in elektrischen bzw. elektronischen Filtern, beschrieben, die eine Elektrode mit einem freitragenden bzw. auskragenden Teilbereich aufweisen. Zusätzlich sind Bulk-Akustik-Wave (BAW) Resonatoren für verschiedene Anwendungen, wie zum Beispiel in elektrischen bzw. elektronischen Filtern, beschrieben, die eine Elektrode mit einem freitragenden bzw. auskragenden Teilbereich und einer Brücke aufweisen. Ein gewöhnlicher Durchschnittsfachmann weiß es zu würdigen, dass viele Variationen, die in Übereinstimmung mit den vorliegenden Lehren sind, möglich sind und innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche bleiben. Diese und weitere Variationen werden einem gewöhnlichen Durchschnittsfachmann bewusst nach Durchsicht der vorliegenden Beschreibung, Zeichnungen und Ansprüche. Die Erfindung soll daher nicht beschränkt sein, außer innerhalb des Geistes und Umfangs der beigefügten Ansprüche.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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US 7164448 [0033]

Claims

Ein Bulk-Akustik-Wave (BAW) Resonator, umfassend: eine erste Elektrode; eine zweite Elektrode, die eine Vielzahl an Seiten hat, wobei mindestens eine der Seiten eine Verbindungsseite ist; eine piezoelektrische Schicht, die zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet ist, und ein akustisches reflektierendes Element, das unterhalb der ersten Elektrode, der zweiten Elektrode und der piezoelektrischen Schicht angeordnet ist, wobei eine Überlappung des reflektierenden Elements, der ersten Elektrode, der zweiten Elektrode und der piezoelektrischen Schicht einen aktiven Bereich des akustischen Resonators definiert; eine Brücke, angrenzend an einem Ende des aktiven Bereichs des BAW-Resonators; und eine Diskontinuität, die in der Brücke angeordnet ist.
Der BAW-Resonator nach Anspruch 1, wobei die Brücke eine Vielzahl an Schichten umfasst und die Diskontinuität in der Brücke sich in einer der Schichten in der Brücke befindet.
Der BAW-Resonator nach Anspruch 2, wobei die eine Schicht eine Passivierungsschicht ist, die über der zweiten Elektrode angeordnet ist.
Der BAW-Resonator nach Anspruch 2, wobei die eine Schicht ein Teil der zweiten Elektrode ist.
Der BAW-Resonator nach Anspruch 2, wobei die Diskontinuität eine Aussparung in der Brücke umfasst.
Der BAW-Resonator nach Anspruch 5, wobei ein Material mit einer anderen akustischen Impedanz als eine akustische Impedanz der Schicht in der Schicht angeordnet ist.
Der BAW-Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Diskontinuität eine erste Diskontinuität ist und die Brücke ferner eine zweite Diskontinuität umfasst.
Der BAW-Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Diskontinuität eine Breite aufweist, die im Wesentlichen gleich groß ist wie eine Teilzahl einer Wellenlänge einer Mode des BAW-Resonators.
Der BAW-Resonator nach Anspruch 8, wobei die Breite im Wesentlichen gleich groß ist wie Ein-Viertel Wellenlänge (λ/4) der Mode des BAW-Resonators.
Der BAW-Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, ferner umfassend eine Temperaturkompensationsschicht.
Der BAW-Resonator nach Anspruch 10, ferner umfassend eine Interposer-Schicht, die über der piezoelektrischen Schicht angeordnet ist, wobei die Temperaturkompensationsschicht zwischen der Interposer-Schicht und der zweiten Elektrode angeordnet ist.
Der BAW-Resonator nach Anspruch 2, wobei die zweite Elektrode eine erste Schicht und eine zweite Schicht umfasst und die Schicht eine von der ersten und der zweiten Schicht ist.
Der BAW-Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, ferner umfassend eine weitere Schicht, die zwischen der zweiten Elektrode und der piezoelektrischen Schicht angeordnet ist.
Der BAW-Resonator nach Anspruch 13, wobei die Schicht die weitere Schicht ist.
Der BAW-Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 14, ferner umfassend einen freitragenden bzw. auskragenden Teilbereich auf mindestens einer der Vielzahl an Seiten, die nicht die Verbindungsseite ist.
Der BAW-Resonator nach Anspruch 15, wobei der freitragende Teilbereich der zweiten Elektrode sich über ein Ende des aktiven Bereichs hinaus erstreckt.
Der BAW-Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die piezoelektrische Schicht mit einem Seltenerdelement dotiert ist, das einen akustischen Kopplungskoeffizienten verbessert.
Der BAW-Resonator nach Anspruch 17, wobei das Seltenerdelement Scandium (Sc) ist.
Ein elektrischer Filter, umfassend eine Vielzahl an Bulk-Akustik-Wave (BAW) Resonatoren, wobei jeder von der Vielzahl an BAW-Resonatoren Folgendes umfasst: eine erste Elektrode; eine zweite Elektrode, die eine Vielzahl an Seiten hat, wobei mindestens eine der Seiten eine Verbindungsseite ist; eine piezoelektrische Schicht, die zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet ist, und ein akustisches reflektierendes Element, das unterhalb der ersten Elektrode, der zweiten Elektrode und der piezoelektrischen Schicht angeordnet ist, wobei eine Überlappung des reflektierenden Elements, der ersten Elektrode, der zweiten Elektrode und der piezoelektrischen Schicht einen aktiven Bereich des akustischen Resonators definiert; eine Brücke, angrenzend an einem Ende des aktiven Bereichs des BAW-Resonators; und eine Diskontinuität, die in der Brücke angeordnet ist.
Der elektrische Filter nach Anspruch 19, wobei die Brücke eine Vielzahl an Schichten umfasst und die Diskontinuität in der Brücke sich in einer der Schichten in der Brücke befindet.
Der elektrische Filter nach Anspruch 20, wobei die eine Schicht eine Passivierungsschicht ist, die über der zweiten Elektrode angeordnet ist.
Der elektrische Filter nach Anspruch 20, wobei die eine Schicht ein Teil der zweiten Elektrode ist.
Der elektrische Filter nach Anspruch 20, wobei die Diskontinuität eine Aussparung in der Brücke umfasst.
Der elektrische Filter nach Anspruch 23, wobei ein Material mit einer anderen akustischen Impedanz als eine akustische Impedanz der Schicht in der Schicht angeordnet ist.
Der elektrische Filter nach einem der Ansprüche 19 bis 24, wobei die Diskontinuität eine erste Diskontinuität ist und die Brücke eine zweite Diskontinuität umfasst.
Der elektrische Filter nach einem der Ansprüche 19 bis 25, wobei die Diskontinuität eine Breite aufweist, die im Wesentlichen gleich groß ist wie eine Teilzahl einer Wellenlänge einer Mode von einem oder mehreren der Vielzahl an BAW-Resonatoren.
Der elektrische Filter nach Anspruch 26, wobei die Teilzahl im Wesentlichen gleich groß ist wie ein Viertel.
Der elektrische Filter nach einem der Ansprüche 19 bis 27, wobei die Diskontinuität eine erste Diskontinuität ist und der BAW-Resonator ferner zumindest eine zweite Diskontinuität umfasst.
Der elektrische Filter nach einem der Ansprüche 19 bis 28, wobei jeder der BAW-Resonatoren ferner eine Interposer-Schicht umfasst, die über der piezoelektrischen Schicht angeordnet ist, wobei eine Temperaturkompensationsschicht zwischen der Interposer-Schicht und der zweiten Elektrode angeordnet ist.
Der elektrische Filter nach Anspruch 20, wobei die zweite Elektrode eine erste Schicht und eine zweite Schicht umfasst und die Schicht eine von der ersten und der zweiten Schicht ist.
Der elektrische Filter nach einem der Ansprüche 19 bis 30, wobei jeder der BAW-Resonatoren ferner eine weitere Schicht umfasst, die zwischen der zweiten Elektrode und der piezoelektrischen Schicht angeordnet ist.
Der elektrische Filter nach einem der Ansprüche 19 bis 31, wobei jeder der BAW-Resonatoren ferner einen freitragenden bzw. auskragenden Teilbereich auf mindestens einer der Vielzahl an Seiten, die nicht die Verbindungsseite ist, umfasst.
Der elektrische Filter nach einem der Ansprüche 19 bis 32, wobei die piezoelektrische Schicht mit einem Seltenerdelement dotiert ist, das einen akustischen Kopplungskoeffizienten verbessert.
Der elektrische Filter nach Anspruch 33, wobei das Seltenerdelement Scandium (Sc) ist.