DE102018107602B4 - BAW Resonator, HF-Filter, Multiplexer und Verfahren zur Herstellung eines BAW-Resonators - Google Patents

BAW Resonator, HF-Filter, Multiplexer und Verfahren zur Herstellung eines BAW-Resonators Download PDF

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Abstract

Es wird ein BAW-Resonator mit einer verbesserten lateralen Energieeingrenzung bereitgestellt. Der Resonator besitzt eine untere Elektrode in einer unteren Elektrodenschicht, eine obere Elektrode in einer oberen Elektrodenschicht und eine piezoelektrische Schicht zwischen der unteren Elektrodenschicht und der oberen Elektrodenschicht. Die piezoelektrische Schicht umfasst piezoelektrische Materialien verschiedener piezoelektrischer Polaritäten.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft BAW-Resonatoren mit verbesserten elektroakustischen Eigenschaften, z.B. zur Verwendung in HF-Filtern für Mobilkommunikationsvorrichtungen.
  • HF-Filter in Mobilkommunikationsvorrichtungen werden benötigt, um erwünschte HF-Signale von unerwünschten HF-Signalen zu trennen. HF-Filter können als Bandpassfilter oder als Bandsperrfilter realisiert werden. Um HF-Filter mit guter Leistungsfähigkeit, z.B. einem geringen Einfügungsverlust in einem Durchlassband und einem hohen Sperrpegel außerhalb eines Durchlassbands, zu erlauben, sollten die entsprechenden Resonatoren hohe Gütefaktoren und gute Unterdrückung von Störmoden aufweisen. Ferner sollten die Resonatoren auf kosteneffektive Weise herstellbar sein und sollten mechanisch und elektrisch robust sein, um eine hohe Leistungsfähigkeit bereitzustellen.
  • Elektroakustische Resonatoren können als BAW-Resonatoren eingerichtet werden. In BAW-Resonatoren wird ein piezoelektrisches Material zwischen einer unteren Elektrode und einer oberen Elektrode geschichtet. Um zu verhindern, dass akustische Energie in einem Trägersubstrat dissipiert wird, kann ein akustischer Spiegel zwischen der unteren Elektrode und dem Trägersubstrat angeordnet werden (Resonator des SMR-Typs, SMR = fest angebrachter Resonator), oder es kann ein Hohlraum unter der unteren Elektrode des Resonators angeordnet werden (Resonator des FBAR-Typs, FBAR = Film Bulk Acoustic Resonator). Zur Unterdrückung von lateralen Moden ist es möglich, eine Rahmenstruktur auf der oberen Elektrode des Schichtstapels anzuordnen.
  • Aus der DE 102015107569 A1 und der US 2013/0106248 A1 sind BAW Resonatoren bekannt.
  • Bei bekannten BAW-Resonatoren vergrößern die Mittel zur Verringerung von Störmoden jedoch die Herstellungskosten und die Komplexität der Herstellungsschritte.
  • Es wird also ein BAW-Resonator gewünscht, der mit verringerten Herstellungskosten unter Verwendung von weniger komplexen Herstellungsschritten hergestellt werden kann und der eine Verringerung von Störmoden, einen vergrößerten Gütefaktor und vergrößerte mechanische und elektrische Robustheit bereitstellt.
  • Zu diesem Zweck werden gemäß den unabhängigen Ansprüchen ein BAW-Resonator, ein HF-Filter, ein Multiplexer und ein Verfahren zur Herstellung eines BAW-Resonators bereitgestellt. Abhängige Ansprüche stellen bevorzugte Ausführungsformen bereit.
  • Der BAW-Resonator umfasst eine untere Elektrodenschicht mit einer unteren Elektrode und eine obere Elektrodenschicht mit einer oberen Elektrode. Die obere Elektrodenschicht ist über der unteren Elektrodenschicht angeordnet. Ferner umfasst der BAW-Resonator eine piezoelektrische Schicht mit einem ersten piezoelektrischen Material und einem zweiten piezoelektrischen Material. Das erste piezoelektrische Material und das zweite piezoelektrische Material weisen verschiedene piezoelektrische Polaritäten auf. Ein erstes Segment des ersten piezoelektrischen Materials ist zwischen einem ersten Segment des zweiten piezoelektrischen Materials und einem zweiten Segment des zweiten piezoelektrischen Materials angeordnet.
  • Bei einer solchen Schichtkonstruktion sind die untere Elektrode in der unteren Elektrodenschicht strukturiert und die obere Elektrode in der oberen Elektrodenschicht strukturiert. Als das piezoelektrische Material in der piezoelektrischen Schicht zwischen der unteren Elektrodenschicht und der oberen Elektrodenschicht werden zwei piezoelektrische Materialien verwendet.
  • Die Anordnung des ersten Segments des ersten piezoelektrischen Materials zwischen dem ersten und dem zweiten Segment des zweiten piezoelektrischen Materials stellt eine laterale Energieeingrenzung her, so dass Lecken akustischer Energie in einer lateralen Richtung verringert oder verhindert wird.
  • Ein verringertes laterales Energielecken vergrößert den Gütefaktor des entsprechenden Resonators. Als Folge davon weisen entsprechende HF-Filter verbesserte elektrische Eigenschaften auf und stellen eine verbesserte Leistungsfähigkeit bereit. Insbesondere wird der Einfügungsverlust in einem Durchlassband verringert.
  • Es ist möglich, dass der aktive Bereich des BAW-Resonators hauptsächlich mit piezoelektrischem Material gefüllt ist. Das zweite piezoelektrische Material kann in der Randregion angeordnet sein, die das erste piezoelektrische Material in dem aktiven Bereich des Resonators umgibt. Somit wird das erste piezoelektrische Material hauptsächlich verwendet, um zwischen HF-Signalen und akustischen Wellen umzusetzen. Das zweite piezoelektrische Material stellt in Kombination mit dem ersten piezoelektrischen Material die laterale Energieeingrenzung oder eine akustische Wellenbarriere her.
  • Zu diesem Zweck ist es möglich, dass mindestens ein Teil des ersten Segments des zweiten piezoelektrischen Materials oder ein Teil des zweiten Segments des zweiten piezoelektrischen Materials in der Umgebung der oberen Elektrode und in der Umgebung der unteren Elektrode angeordnet ist.
  • Die verschiedenen Polaritäten des ersten piezoelektrischen Materials und des zweiten piezoelektrischen Materials bewirken, dass das piezoelektrische Material - wenn ein HF-Signal an den BAW-Resonator angelegt wird - mit einer Phasendifferenz zueinander oszilliert. Dementsprechend erhält man eine Phasenverschiebung in der Auslenkung des ersten piezoelektrischen Materials mit Bezug auf das zweite piezoelektrische Material, und Interferenz findet statt, so dass Lecken akustischer Energie aus dem aktiven Bereich des Resonators in seine Umgebung verhindert oder verringert wird.
  • In diesem Kontext bedeutet der Ausdruck „aktiver Bereich“ des BAW-Resonators hauptsächlich das Volumen des Resonators, in dem die erwünschte Hauptmode des Resonators propagiert. Die Hauptmode des BAW-Resonators ist eine in der vertikalen Richtung propagierende Longitudinalwelle.
  • Somit ist es möglich, dass das zweite piezoelektrische Material eine laterale Energiebarriere ist.
  • Ferner ist es möglich, dass das zweite piezoelektrische Material vorgesehen wird, um ein Interferenzsignal zu erzeugen. Das Interferenzsignal kann ein akustisches Interferenzsignal sein, das mit akustischen Wellenmoden interferiert, die einen Wellenvektor in einer lateralen Richtung aufweisen. Die lateralen Richtungen sind dadurch gekennzeichnet, dass sie zu der vertikalen Richtung senkrecht sind, in der die Wellenmoden der erwünschten akustischen Wellen propagieren.
  • Insbesondere ist es möglich, dass das erste piezoelektrische Material und das zweite piezoelektrische Material entgegengesetzte Polaritäten aufweisen.
  • Das erste piezoelektrische Material und das zweite piezoelektrische Material können dieselbe stöchiometrische Zusammensetzung aufweisen. Verschiedene oder entgegengesetzte Polaritäten lassen sich durch Umklappen der Gitterstruktur des ersten piezoelektrischen Materials mit Bezug auf das zweite piezoelektrische Material erhalten.
  • Es ist möglich, dass das zweite piezoelektrische Material den aktiven Bereich des Resonators terminiert.
  • Die Grundfläche des aktiven Bereichs des Resonators kann hauptsächlich durch die Grundfläche der unteren Elektrode oder der oberen Elektrode oder des Bereichs, in dem sich die obere Elektrode und die untere Elektrode überlappen, bestimmt werden. Es ist möglich, dass sich entweder die untere Elektrode oder die obere Elektrode mindestens in einigen Abschnitten über den aktiven Bereich des Resonators hinaus erstrecken. Die Terminierung des aktiven Bereichs durch das zweite piezoelektrische Material kann somit durch Umgeben des ersten piezoelektrischen Materials mit dem zweiten piezoelektrischen Material erhalten werden. Das Umgeben kann ein vollständiges Umgeben oder ein teilweises Umgeben sein. Ein vollständiges Umgeben wird bevorzugt, um „Leckfenster“ zu verhindern, über die akustische Energie die Resonatorstruktur verlassen kann. Die Terminierung ist somit eine laterale Terminierung.
  • Material des zweiten piezoelektrischen Materials stellt eine laterale Terminierung her, um laterales Lecken zu verhindern. Vertikales Lecken kann verhindert werden, indem man auf einer Seite kein weiteres Material auf oder über der oberen Elektrode hat und einen Hohlraum (Resonator des FBAR-Typs) oder einen akustischen Spiegel (Resonator des SMR-Typs) unter der unteren Elektrode bereitstellt.
  • Es ist möglich, dass das erste piezoelektrische Material Segmente eines einzelnen Rahmens oder Segmente von zwei oder mehr Rahmen, von denen einer in einem anderen verschachtelt ist, umfasst.
  • Rahmenstrukturen mit Material des zweiten piezoelektrischen Materials können verwendet werden, um eine voll eingeschlossene Umgebung im Randbereich des aktiven Bereichs des Resonators bereitzustellen. Die Rahmen können kaskadiert werden, d.h. ein Rahmen kann sich in einem anderen Rahmen befinden.
  • Der Rahmen oder die mehreren Rahmen können eine polygonale Grundfläche mit drei, vier, fünf, sieben, ... Seiten und Ecken aufweisen. Verschachtelte Rahmen, die Material des zweiten piezoelektrischen Materials umfassen, können über Luft und/oder über Material des ersten piezoelektrischen Materials voneinander getrennt sein. Indem man einander alternierende Rahmen des ersten und des zweiten piezoelektrischen Materials hat, lässt sich eine eindimensionale Bragg-Spiegelstruktur erhalten. Diese laterale Bragg-Spiegelstruktur kann durch einen Rasterabstand (Pitch) und ein Breitenverhältnis gekennzeichnet werden. Der Rasterabstand kann als der Abstand zwischen den nächsten Kanten desselben piezoelektrischen Materials, die einer selben Richtung zugewandt sind, definiert werden. Dementsprechend kann das Verhältnis durch die Breite eines Rahmens, dividiert durch die Summe der Breite angrenzender Rahmen, gekennzeichnet werden.
  • Der Rasterabstand und das Rahmenverhältnis können in Übereinstimmung mit dem Wellenvektor störender lateraler Moden, die unterdrückt werden sollten, ausgewählt werden.
  • Die Anzahl alternierender Rahmen wirkt sich auf die Spektralbreite der entsprechenden störenden Lateralmoden aus. Die Anzahl alternierender Rahmen kann somit gemäß der Spektralbreite, in der laterale Moden unterdrückt werden sollten, ausgewählt werden.
  • Es ist möglich, dass der Resonator Segmente des ersten oder des zweiten piezoelektrischen Materials umfasst, wobei die Höhe (in der vertikalen Richtung) des piezoelektrischen Materials von der Dicke der piezoelektrischen Schicht, z.B. von der Dicke der piezoelektrischen Schicht in der aktiven Region des Resonators, verschieden ist.
  • Die Dicke der piezoelektrischen Schicht wird hauptsächlich durch den Abstand zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode bestimmt, der hauptsächlich die Resonanzfrequenz des Resonators bestimmt.
  • In den Segmenten kann die Höhe des piezoelektrischen Materials zum Beispiel als 50% der Dicke der piezoelektrischen Schicht oder kleiner oder größer gewählt werden. Insbesondere ist eine Höhe von null möglich, was bedeutet, dass in dem entsprechenden Segment kein piezoelektrisches Material in der piezoelektrischen Schicht anwesend ist.
  • Es ist möglich, dass der BAW-Resonator eine Wachstumsschicht zwischen der unteren Elektrodenschicht und der piezoelektrischen Schicht aufweist.
  • Die Wachstumsschicht kann vorgesehen werden, um das Wachstum des piezoelektrischen Materials in der piezoelektrischen Schicht zu verbessern. Insbesondere kann man mit der Wachstumsschicht die Polarität des entsprechenden ersten piezoelektrischen Materials und zweiten piezoelektrischen Materials bestimmen.
  • Es ist möglich, dass die Grenzfläche zwischen der Wachstumsschicht und der piezoelektrischen Schicht einen ersten Abschnitt unter dem ersten piezoelektrischen Material und einen zweiten Abschnitt unter dem zweiten piezoelektrischen Material aufweist.
  • Somit kann man mit Material der Wachstumsschicht in dem ersten Abschnitt die Polarität des piezoelektrischen Materials in dem ersten Segment bestimmen und mit dem Material der Wachstumsschicht in dem zweiten Abschnitt die Polarität des entsprechenden zweiten piezoelektrischen Materials in dem zweiten Segment bestimmen.
  • Um in den verschiedenen Segmenten verschiedene Polaritäten zu erhalten, kann die Grenzflächenstruktur der Wachstumsschicht in den verschiedenen Abschnitten verschieden sein. Zu diesem Zweck ist es möglich, dass die Wachstumsschicht in dem ersten Abschnitt ein erstes Material und in dem zweiten Abschnitt ein zweites Material umfasst.
  • Aus den Beiträgen „Effect of substrate composition on the piezoelectric response of a reactively sputtered AlN thin films“ (J.A. Ruffner et al., Thin solid films 354 (1999), Seiten 256 bis 261) und aus dem Beitrag „Sputtering of (001) A1N thin films: Control of polarity by a seed layer“ (E. Milyutin et al., Journal of Vacuum Science & Technology B28, L61 (2010)) sind verschiedene Materialien bekannt, die ein piezoelektrisches Material mit verschiedenen Polaritäten erlauben.
  • Es ist möglich, dass die Wachstumsschicht in dem ersten Abschnitt ein Material umfasst, das aus einem Oxid, einem Nitrid, Ru (Ruthenium), RuOx (Rutheniumoxid), MOPVE-AlN (MOPVE = Metal organic phase vapor epitaxy = metallorganische Phasendampfepitaxie), SiO2 ausgewählt ist.
  • MOPVE-A1N ist ein Aluminiumnitrid, das unter Verwendung einer Technik der metallorganischen Phasendampfepitaxie abgeschieden wurde.
  • Dementsprechend ist es möglich, dass die Wachstumsschicht in dem zweiten Abschnitt Material umfasst, das aus einem Oxid, einem Nitrid, Ru, RuOx, MOPVE, SiO2 ausgewählt ist.
  • Es ist möglich, dass das erste piezoelektrische Material und/oder das zweite piezoelektrische Material AlN umfassen oder daraus bestehen.
  • Es ist möglich, dass das erste piezoelektrische Material und/oder das zweite piezoelektrische Material ein Material umfassen oder daraus bestehen, das aus mit Sc (Scandium) dotiertem AlN und Al1-xScxN mit 0 ≤ x ≤ 30 ausgewählt ist.
  • Anstelle dieser Materialien sind ferner auch Materialien wie etwa andere Metalle oder andere Metalloxide oder Nitride möglich.
  • Im Allgemeinen sind Materialien möglich, die eine Oberfläche mit selektiver Präferenz gegenüber der Haftung von Al im Gegensatz zu N als erste Schicht des ersten und des zweiten piezoelektrischen Materials im Fall einer auf A1N basierenden piezoelektrischen Schicht bereitstellen.
  • Es ist möglich, dass der BAW-Resonator einen Ausschnitt oder einen Graben in der piezoelektrischen Schicht umfasst. Ausschnitte oder Gräben, insbesondere Gräben, die den aktiven Bereich in einer rahmenartigen Struktur umgeben, stellen effektive akustische Energiebarrieren her, weil sie eine große Differenz der akustischen Impedanz an der Grenzfläche zwischen dem piezoelektrischen Material und Vakuum oder Gas im Graben bereitstellen.
  • Ferner kann während Herstellungsschritten die Anwesenheit von piezoelektrischem Material mit verschiedenen Polaritäten benutzt werden, um leicht entsprechende Ausschnitte oder Gräben herzustellen. Somit ist es möglich, dass der BAW-Resonator einen Graben in der piezoelektrischen Schicht umfasst, der den aktiven Bereich des Resonators (teilweise oder vollständig) einschließt.
  • Es ist möglich, dass ein HF-Filter einen BAW-Resonator wie oben beschrieben umfasst.
  • Es ist möglich, dass ein Multiplexer, z.B. ein Duplexer, ein Triplexer, ein Quadplexer, ein Quintplexer oder ein Multiplexer eines höheren Grads, ein solches HF-Filter umfasst.
  • BAW-Resonatoren wie oben beschrieben können elektrisch in einer Konfiguration des Leitertyps verbunden werden, wobei Reihenresonatoren elektrisch in einem Signalpfad in Reihe geschaltet sind und parallele Resonatoren elektrisch in parallelen Pfaden geschaltet sind, die den Signalpfad elektrisch mit Masse verbinden. Ein Multiplexer, z.B. ein Duplexer, kann ein solches Filter als ein Übertragungsfilter und/oder als ein Empfangsfilter umfassen.
  • Ein Verfahren zur Herstellung eines BAW-Resonators kann die folgenden Schritte umfassen:
    • - Bereitstellen einer unteren Elektrodenschicht,
    • - Strukturieren der unteren Elektrode in der unteren Elektrodenschicht,
    • - Abscheiden eines ersten piezoelektrischen Materials und eines zweiten piezoelektrischen Materials in einer piezoelektrischen Schicht auf oder über der unteren Elektrodenschicht, wobei das erste piezoelektrische Material und das zweite piezoelektrische Material verschiedene Polaritäten aufweisen,
    • - Abscheiden einer oberen Elektrodenschicht auf oder über der piezoelektrischen Schicht.
  • Es ist möglich, dass eine Wachstumsschicht mit einem ersten Abschnitt und einem zweiten Abschnitt während des Herstellungsverfahrens abgeschieden wird. Insbesondere ist es möglich, dass die Wachstumsschicht auf der unteren Elektrodenschicht abgeschieden wird und dass die piezoelektrische Schicht mit dem ersten und dem zweiten piezoelektrischen Material auf der Wachstumsschicht abgeschieden wird.
  • Ferner ist es möglich, dass das Verfahren den Schritt des selektiven Entfernens von aus dem ersten piezoelektrischen Material und dem zweiten piezoelektrischen Material ausgewähltem Material umfasst.
  • Ein solcher Entfernungsschritt kann benutzt werden, um einen Graben oder einen Ausschnitt in der piezoelektrischen Schicht herzustellen.
  • Es ist möglich, dass die selektive Entfernung die volle Entfernung des ersten oder zweiten Materials umfasst.
  • Das erste piezoelektrische Material und das zweite piezoelektrische Material können für ausgewählte Ätzmittel verschiedene Ätzraten aufweisen. Zum Beispiel weist Aluminiumnitrid verschiedener Polaritäten für Kaliumhydroxid (KOH) eine verschiedene Ätzrate auf. Unter Verwendung eines solchen Ätzmittels kann somit das eine aus dem ersten und aus dem zweiten piezoelektrischen Material ausgewählte piezoelektrische Material selektiv geätzt und zumindest teilweise oder vollständig entfernt werden.
  • Natürlich sind Rahmenstrukturen auf der oberen Elektrode zusätzlich zu dem Segment oder Segmenten auf dem zweiten piezoelektrischen Material möglich. Die Struktur der piezoelektrischen Schicht wie oben beschrieben kann jedoch ausreichen, um den Gütefaktor zu vergrößern, um Verluste zu verringern und um unerwünschte laterale Moden zu unterdrücken. Durch Weglassen der Rahmenstruktur werden somit die mechanische Robustheit und elektrische Robustheit vergrößert.
  • Grundkonzepte und Einzelheiten bevorzugter Ausführungsformen werden in den schematischen beigefügten Figuren gezeigt.
  • Es zeigen:
    • 1 einen BAW-Resonator mit einer einfachen Konstruktion;
    • 2 die Verwendung einer Wachstumsschicht;
    • 3 die Verwendung eines akustischen Spiegels;
    • 4 die Verwendung eines Grabens in der piezoelektrischen Schicht;
    • 5 und entsprechend 6 rahmenartige Strukturen, die das zweite piezoelektrische Material umfassen;
    • 7 die Verwendung einer Bragg-spiegelartigen Rahmenstruktur, die den aktiven Resonatorbereich umgibt;
    • 8 eine simulierte Auslenkung eines entsprechend verbesserten Resonators; und
    • 9 das Ersatzschaltbild einer einfachen Duplexerschaltung;
    • 10 die Verwendung eines Grabens in der piezoelektrischen Schicht.
  • 1 zeigt einen Querschnitt durch eine einfache Schichtkonstruktion, die einen BAW-Resonator BAWR herstellt. Der Resonator besitzt eine untere Elektrodenschicht BEL, eine obere Elektrodenschicht TEL, die über der unteren Elektrodenschicht BEL angeordnet ist. Ferner besitzt der Resonator eine zwischen der unteren Elektrodenschicht und der oberen Elektrodenschicht angeordnete piezoelektrische Schicht PEL. Die untere Elektrodenschicht überschreitet den Überlappungsbereich der unteren Elektrode BE in der unteren Elektrodenschicht und der oberen Elektrode TE in der oberen Elektrodenschicht TEL. Die obere Elektrode TE definiert hauptsächlich den aktiven Bereich des Resonators. Die piezoelektrische Schicht PEL umfasst ein erstes Segment S1 des ersten piezoelektrischen Materials PM1. Ferner umfasst die piezoelektrische Schicht PEL ein erstes Segment S1 und ein zweites Segment S2 des zweiten piezoelektrischen Materials PM2 in der piezoelektrischen Schicht PEL. Der erste Abschnitt S1 des ersten piezoelektrischen Materials PM1 ist zwischen dem ersten Abschnitt S1 und dem zweiten Abschnitt S2 des zweiten piezoelektrischen Materials PM2 angeordnet. Das erste piezoelektrische Material PM1 und das zweite piezoelektrische Material PM2 weisen verschiedene Polaritäten auf. Wenn ein HF-Signal an die untere Elektrode BE und an die obere Elektrode TE angelegt wird, weisen somit dann das erste piezoelektrische Material PM1 und das zweite piezoelektrische Material PM2 in ihrer Oszillation eine Phasenverschiebung auf. Die Phasenverschiebung bewirkt negative Interferenz, so dass verhindert wird, dass akustische Wellen den aktiven Bereich des Resonators verlassen. Folglich werden Energieverluste verringert und der Gütefaktor des Resonators BAWR vergrößert.
  • Der Abstand zwischen der unteren Elektrode BE in der unteren Elektrodenschicht BEL und der oberen Elektrode TE in der oberen Elektrodenschicht TEL bestimmt hauptsächlich die Resonanzfrequenz und die Dicke der piezoelektrischen Schicht.
  • Es wird bevorzugt, dass das zweite piezoelektrische Material PM2 in der Umgebung der Randregion des aktiven Bereichs angeordnet wird, in der die Energiebarriere die größte Auswirkung auf Eingrenzung von Energie aufweist.
  • 2 zeigt die Verwendung einer zwischen der unteren Elektrodenschicht BEL und der piezoelektrischen Schicht PEL angeordneten Wachstumsschicht GL. Die Wachstumsschicht kann verschiedene Materialien umfassen. Insbesondere kann unter dem ersten piezoelektrischen Material PM1 ein erstes Wachstumsmaterial GM1 angeordnet werden und unter dem zweiten piezoelektrischen Material PM2 ein zweites Wachstumsmaterial GM2 angeordnet werden. Hinsichtlich der entsprechenden Grundflächen entspricht somit die Grundfläche des ersten Abschnitts der Wachstumsschicht der Grundfläche des ersten Segments und des ersten piezoelektrischen Materials, und die Grundfläche des zweiten Abschnitts der Wachstumsschicht entspricht der Grundfläche des zweiten Segments und des zweiten piezoelektrischen Materials.
  • Das erste Material der Wachstumsschicht und das zweite Material der Wachstumsschicht können so gewählt werden, dass die entsprechenden Polaritäten des ersten piezoelektrischen Materials PM1 und des zweiten piezoelektrischen Materials PM2 erhalten werden.
  • Die Dicke der Wachstumsschicht kann zwischen 1 nm und 50 nm, z.B. 5 nm, liegen.
  • Das Material der Wachstumsschicht kann abgeschieden werden, nachdem das Material der unteren Elektrodenschicht abgeschieden wurde und bevor das Material der piezoelektrischen Schicht abgeschieden wird.
  • 3 zeigt die Möglichkeit des Bereitstellens eines akustischen Spiegels AM unter der unteren Elektrode BE. Der akustische Spiegel kann eine oder mehrere erste Schichten L1 und eine oder mehrere zweiten Schichten L2 aufweisen. Die ersten Schichten L1 und die zweiten Schichten L2 weisen verschiedene akustische Impedanzen auf, so dass eine Bragg-Spiegelstruktur für akustische Wellen mit einem vertikalen Wellenvektor erhalten wird.
  • 4 zeigt die Möglichkeit des Bereitstellens eines Grabens TR in der piezoelektrischen Schicht, der den aktiven Bereich des Resonators BAWR umgibt. In dem Graben kann ein übriger Teil des ersten piezoelektrischen Materials oder des zweiten piezoelektrischen Materials angeordnet werden. Der Graben kann dadurch gekennzeichnet werden, dass er zwischen piezoelektrischen Materialien desselben piezoelektrischen Materials auf beiden Seiten angeordnet ist. Insbesondere ist es möglich, dass ein übriger Teil eines piezoelektrischen Materials an den Flanken des Grabens von dem piezoelektrischen Material verschieden ist. Solche Gräben können leicht durch Benutzung einer verschiedenen Ätzrate für die zwei verschiedenen piezoelektrischen Materialien hergestellt werden. Ein Graben stellt eine große Differenz der akustischen Impedanz bereit und stellt somit eine gute laterale Energiebarriere für laterale Wellenmoden bereit.
  • 5 zeigt einen Querschnitt durch einen BAW-Resonator BAWR, und 6 zeigt einen horizontalen Schnitt durch die piezoelektrische Schicht. 5 und 6 zeigen entsprechende Beziehungen zwischen Segmenten und Rahmenstrukturen und die entsprechende Energiebarrierenfunktionalität der verschiedenen piezoelektrischen Materialien.
  • In der piezoelektrischen Schicht werden zwei Rahmen, die aus dem zweiten piezoelektrischen Material PM2 bestehen, in dem ersten piezoelektrischen Material PM1 eingebettet. Somit wird ein Rahmen, der aus dem ersten piezoelektrischen Material besteht, zwischen den zwei Rahmen, die aus dem zweiten piezoelektrischen Material bestehen, angeordnet. Man erhält eine eindimensionale Bragg-Spiegelstruktur, wie eine Energiebarriere, weil mindestens in der Umgebung der Randregion der oberen Elektrode TE das erste piezoelektrische Material und das zweite piezoelektrische Material in ihrer Oszillation eine Phasenverschiebung aufweisen. Durch Anordnen des ersten Segments S1 des ersten piezoelektrischen Materials zwischen dem ersten Abschnitt S1 und dem zweiten Abschnitt S2 des zweiten piezoelektrischen Materials wird eine Energiebarriere für laterale Wellenmoden LM erhalten und laterales Energielecken verringert oder verhindert.
  • Die Position des ersten und des ersten und des zweiten Segments des ersten und des zweiten piezoelektrischen Materials sind in 6 zur Erläuterung des Funktionsprinzips gewählt. Natürlich können andere Abschnitte des ersten und des zweiten piezoelektrischen Materials entsprechend als das erste und als das zweite Segment arbeiten.
  • Die Breite des Rahmens und das Verhältnis der Breite angrenzender Rahmen bestimmen die Effektivität der Energiebarriere mit Bezug auf verschiedene Wellenvektoren. Mit der Anzahl der Rahmenstrukturen kann somit die Breite der Rahmenstrukturen und das Verhältnis der Breite angrenzender Rahmenstrukturen gemäß einer gewünschten Auswirkung auf eine bestimmte Spektralbreite gewählt werden.
  • Zum Beispiel kann für eine Resonanzfrequenz von ungefähr 2,5 GHz eine Breite einer Rahmenstruktur in einem Bereich zwischen 1 µm und 10 µm liegen. Eine bevorzugte Breite kann für eine Resonanzfrequenz von 2,5 GHz 2 µm sein, wenn Aluminiumnitrid als piezoelektrisches Material verwendet wird.
  • 7 zeigt eine Bragg-artige Spiegelstruktur, die den aktiven Bereich des Resonators umgibt. Die Bragg-artige Struktur umfasst mehrere (vier oder mehr) Rahmen, die das zweite piezoelektrische Material umfassen, und Gräben zwischen den Rahmen mit einer Tiefe von ungefähr 50% der Dicke der piezoelektrischen Schicht.
  • Die übrigen 50%, d.h. das Material unter dem Graben, werden mit dem ersten piezoelektrischen Material gefüllt.
  • 8 zeigt eine Simulation der Auslenkung in dem aktiven Bereich eines Resonators mit der in 3 gezeigten Struktur. Der aktive Bereich wird durch einen Rahmen umgeben, der N-polarisiertes Aluminiumnitrid umfasst, während der aktive Bereich Al-polarisiertes Aluminiumnitrid umfasst. Es ist deutlich zu sehen, dass Oszillationen außerhalb des aktiven Bereichs praktisch eliminiert werden. Somit wird eine effektive Energieeingrenzung erhalten. Der Parameter X bedeutet die laterale Position.
  • 9 zeigt, wie entsprechende BAW-Resonatoren in Filtern und Multiplexern verwendet werden können. Somit zeigt 9 eine einfache Schaltungstopologie eines Duplexers DU mit einem Übertragungsfilter DXF und einem Empfangsfilter RXF. Das Übertragungsfilter TXF und das Empfangsfilter RXF weisen eine dem Leitertyp ähnliche Schaltungstopologie auf, mit Reihenresonatoren SR, die elektrisch in einem Signalpfad in Reihe geschaltet sind, und mit parallelen Resonatoren PR, die elektrisch in parallelen Pfaden geschaltet sind, die den Signalpfad elektrisch mit Masse verbinden. Zwischen dem Übertragungsfilter TXF und dem Empfangsfilter RXF kann eine Impedanzanpassungsschaltung, eine Phasenverschiebungsschaltung und/oder eine Antennenverbindung AN vorgesehen werden. Die Antennenverbindung AN stellt einen gemeinsamen Port her, über den Übertragungssignale gesendet werden können und über den Empfangssignale empfangen werden können. Die Impedanzanpassungsschaltung oder Phasenverschiebungsschaltung isoliert das Übertragungsfilter TXF elektrisch von dem Empfangsfilter RXF und stellt eine offene Impedanz und eine Kurzschlussimpedanz für die entsprechenden Frequenzbereiche bereit.
  • 10 zeigt das Ergebnis von Verarbeitungsschritten, bei dem das selektive Entfernen das volle Entfernen des zweiten piezoelektrischen Materials in der Umgebung der aktiven Region umfasst, z.B. um einen Graben am Umriss der aktiven Region herzustellen.
  • Der Resonator, das Filter, der Duplexer und das Verfahren sind nicht auf die oben beschriebenen und in den schematischen Figuren gezeigten Merkmale beschränkt. Resonatoren können weitere Strukturen umfassen, wie etwa herkömmliche Rahmenstrukturen auf der oberen Elektrode, und ferner Spiegelstrukturen unter der unteren Elektrode. Filterschaltungen können weitere Resonatoren umfassen und Multiplexer können weitere Filter umfassen.
  • Ferner können Herstellungsverfahren weitere Herstellungsschritte zum Bereitstellen und Verarbeiten der notwendigen Elemente umfassen.
  • Bezugszeichenliste
    • AM:
    akustischer Spiegel
    AN:
    Antennenverbindung
    BAWR:
    BAW-Resonator
    BE:
    untere Elektrode
    BEL:
    untere Elektrodenschicht
    d:
    Auslenkung
    DU:
    Duplexer
    GM1:
    erstes Wachstumsschichtmaterial
    PM1:
    erstes piezoelektrisches Material
    L1, L2:
    erste, zweite Schicht des akustischen Spiegels
    S1, S2:
    erstes, zweites Segment
    FR:
    Rahmen
    GL:
    Wachstumsschicht
    LM:
    laterale akustische Mode
    x:
    laterale Position
    MUL:
    Multiplexer
    PR:
    Parallel-Resonator
    PEL:
    piezoelektrische Schicht
    RXF:
    Empfangsfilter
    GM2:
    zweites Wachstumsschichtmaterial
    PM2:
    zweites piezoelektrisches Material
    SR:
    Reihenresonator
    TE:
    obere Elektrode
    TEL:
    obere Elektrodenschicht
    TXF:
    Übertragungsfilter
    TR:
    Graben

Claims (20)

  1. BAW-Resonator (BAWR), umfassend - eine untere Elektrodenschicht (BEL) mit einer unteren Elektrode - eine obere Elektrodenschicht (TEL) mit einer oberen Elektrode über der unteren Elektrodenschicht (BEL), - eine piezoelektrische Schicht (PEL) mit einem ersten piezoelektrischen Material (PM1) und einem zweiten piezoelektrischen Material (PM2), wobei - das erste piezoelektrische Material (PM1) und das zweite piezoelektrische Material (PM2) verschiedene piezoelektrische Polaritäten aufweisen, - ein erstes Segment (S1) des ersten piezoelektrischen Materials (PM1) zwischen einem ersten Segment (S1) des zweiten piezoelektrischen Materials (PM2) und einem zweiten Segment (S2) des zweiten piezoelektrischen Materials (PM2) angeordnet ist, - das erste piezoelektrische Material (PM1) Segmente (S1, S2) eines einzelnen Rahmens oder Segmente von zwei oder mehr Rahmen umfasst, von denen einer in einem anderen verschachtelt ist.
  2. BAW-Resonator nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das zweite piezoelektrische Material (PM2) eine laterale Energiebarriere ist.
  3. BAW-Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite piezoelektrische Material (PM2) vorgesehen wird, um ein Interferenzsignal zu erzeugen.
  4. BAW-Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste piezoelektrische Material (PM1) und das zweite piezoelektrische Material (PM2) entgegengesetzte Polaritäten aufweisen.
  5. BAW-Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite piezoelektrische Material (PM2) den aktiven Bereich des Resonators (BAWR) terminiert.
  6. BAW-Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der Segmente (S1, S2) des ersten (PM1) oder des zweiten (PM2) piezoelektrischen Materials umfasst, wobei die Höhe des piezoelektrischen Materials von der Dicke der piezoelektrischen Schicht (PEL) in der aktiven Region verschieden ist.
  7. BAW-Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner eine Wachstumsschicht (GL) zwischen der unteren Elektrodenschicht (BEL) und der piezoelektrischen Schicht (PEL) umfasst.
  8. BAW-Resonator nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Grenzfläche zwischen der Wachstumsschicht (GL) und der piezoelektrischen Schicht (PEL) einen ersten Abschnitt (S1) unter dem ersten piezoelektrischen Material (PM1) und einen zweiten Abschnitt (S2) unter dem zweiten piezoelektrischen Material (PM2) aufweist.
  9. BAW-Resonator nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Wachstumsschicht (GL) in dem ersten Abschnitt (S1) Material umfasst, das aus einem Oxid, einem Nitrid, Ru, RuOx, MOPVE-AlN, SiO2 ausgewählt ist.
  10. BAW-Resonator nach einem der vorhergehenden zwei Ansprüche, wobei die Wachstumsschicht (GL) in dem zweiten Abschnitt (S2) Material umfasst, das aus einem Oxid, einem Nitrid, Ru, RuOx, MOPVE-AlN, SiO2 ausgewählt ist.
  11. BAW-Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste piezoelektrische Material (PM1) und/oder das zweite piezoelektrische Material (PM2) AlN umfassen oder daraus bestehen.
  12. BAW-Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste piezoelektrische Material und/oder das zweite piezoelektrische Material ein Material umfassen oder daraus bestehen, das aus Sc-dotiertem AlN und Al1-xScxN mit 0 ≤ x ≤ 30 ausgewählt ist.
  13. BAW-Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner einen Ausschnitt oder einen Graben in der piezoelektrischen Schicht (PEL) umfasst.
  14. BAW-Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner einen Graben in der piezoelektrischen Schicht (PEL) umfasst, der den aktiven Bereich des Resonators (BAWR) einschließt.
  15. HF-Filter, das einen BAW-Resonator (BAWR) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
  16. Multiplexer, der ein HF-Filter nach dem vorhergehenden Anspruch umfasst.
  17. Verfahren zur Herstellung eines BAW-Resonators (BAWR), das die folgenden Schritte umfasst: - Bereitstellen einer unteren Elektrodenschicht (BEL), - Strukturieren einer unteren Elektrode in der unteren Elektrodenschicht (BEL), - Abscheiden eines ersten piezoelektrischen Materials (PM1) und eines zweiten piezoelektrischen Materials (PM2) in einer piezoelektrischen Schicht (PEL) auf oder über der unteren Elektrodenschicht (BEL), wobei das erste piezoelektrische Material (PM1) und das zweite piezoelektrische Material (PM2) verschiedene Polaritäten aufweisen, - Abscheiden einer oberen Elektrodenschicht (TEL) auf oder über der piezoelektrischen Schicht (PEL), wobei - das erste piezoelektrische Material (PM1) und das zweite piezoelektrische Material (PM2) so abgeschieden und strukturiert werden, dass das erste piezoelektrische Material (PM1) Segmente (S1) eines einzelnen Rahmens oder Segmente (S1, S2) von zwei oder mehr Rahmen umfasst, von denen einer in einem anderen verschachtelt ist.
  18. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, das ferner den folgenden Schritt umfasst: - Abscheiden einer Wachstumsschicht (GL) mit einem ersten Abschnitt (S1) und einem zweiten Abschnitt (S2).
  19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, das ferner den folgenden Schritt umfasst: - selektives Entfernen von Material, das aus dem ersten piezoelektrischen Material (PM1) und dem zweiten piezoelektrischen Material (PM2) ausgewählt ist.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei das selektive Entfernen die volle Entfernung des ersten (PM1) oder zweiten (PM2) Materials umfasst.
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