DE102018107674B4 - Akustischer Resonator mit erweitertem Hohlraum - Google Patents

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Abstract

Ein Bulk-Akustik-Wave (BAW) Resonator (500), der Folgendes aufweist:ein Substrat (110), das optional einen Hohlraum (515) definiert, wobei das Substrat (110) aus einem nichtlinearen Material gebildet ist;eine Interposer-Schicht (517) über dem Substrat (110), wobei die Interposer-Schicht (517) einen Hohlraum (515) definiert und aus einem linearen Material (518) gebildet ist;einen akustischen Stapel (550) über der Interposer-Schicht (517) und dem Hohlraum (515), wobei der akustische Stapel (550) Folgendes aufweist:eine untere Elektrode (120);eine piezoelektrische Schicht (130) über der unteren Elektrode (120); undeine obere Elektrode (140) über der piezoelektrischen Schicht (130), wobei ein aktiver Bereich (555) des akustischen Stapels (550) überlappende Teilbereiche des Hohlraums (515), der unteren Elektrode (120), der piezoelektrischen Schicht (130) und der oberen Elektrode (140) aufweist; undeinen Verbindungsstreifen (140'), der sich aus einem Teilbereich der oberen Elektrode (140) erstreckt zum Bereitstellen von elektrischer Anregung des akustischen Stapels (550), wobei ein elektrisches Feld (E-Feld) in dem BAW-Resonator erzeugt wird, wobei das E-Feld an der oberen Elektrode (140) beginnt und an der unteren Elektrode (120) endet, als Antwort auf die elektrische Anregung, wobei ein Teil des E-Felds außerhalb des aktiven Bereichs (555) des akustischen Stapels (550) ein parasitäres E-Feld (163) ist,wobei eine Dicke der Interposer-Schicht (517) zwischen der unteren Elektrode (120) und dem Substrat (110) ausreichend groß ist auf einer Seite des akustischen Stapels (550), aus der sich der Verbindungsstreifen (140') aus der oberen Elektrode (140) erstreckt, um zu verhindern, dass das parasitäre E-Feld (163) durch das Substrat (110) hindurchgeht, was zu einer vernachlässigbaren Menge des parasitären E-Felds (163), das durch das Substrat (110) hindurchgeht, führt, dergestalt dass eine nichtlineare Antwort auf das parasitäre E-Feld (163) durch das Substrat (110) verbessert wird und ein in dem Substrat (110) erzeugter elektrischer Verlust verringert wird.

Description

  • Hintergrund
  • Akustische Transducer wandeln im Allgemeinen elektrische Signale in akustische Signale (akustische Wellen bzw. Schallwellen) um und wandeln empfangene akustische Wellen in elektrische Signale um über inverse und direkte piezoelektrische Effekte. Es gibt eine Anzahl von Typen an akustischen Transducern einschließlich akustischer Resonatoren, wie zum Beispiel Bulkakustische Wellen bzw. Bulk-Akustik-Wave (bulk acoustic wave, BAW) Resonatoren und akustische Oberflächenwellen (surface acoustic wave, SAW) Resonatoren. BAW-Resonatoren beinhalten insbesondere Dünnschicht-Bulk-Akustik-Resonatoren (thin film bulk acoustic resonators, FBARs), die im Allgemeinen akustische Stapel aufweisen, die über einem Substrathohlraum gebildet sind, und fest montierte Resonatoren (solidly mounted resonators, SMRs), die im Allgemeinen akustische Stapel aufweisen, die über einem akustischen Spiegel (z.B. einem verteilten Bragg-Reflektor bzw. einem Bragg-Spiegel (distributed Bragg reflector, DBR)) gebildet sind. BAW-Resonatoren können zum Beispiel für elektrische Filter und Spannungstransformatoren in einer breiten Vielfalt an elektronischen Anwendungen, wie zum Beispiel Mobiltelefone, persönliche digitale Assistenten (PDAs), elektronische Spielegeräte, Laptop-Computer und andere tragbare Kommunikationsgeräte, verwendet werden.
  • Ein BAW-Resonator weist einen akustischen Stapel auf, der eine Schicht eines piezoelektrischen Materials zwischen zwei leitfähigen Platten (z.B. untere und obere Elektroden), umfasst. Als Antwort auf eine elektrische Anregung vibriert der akustische Stapel und ein elektrisches Feld (E-Feld) wird innerhalb des BAW-Resonators erzeugt, das an der oberen Elektrode beginnt und an der unteren Elektrode endet. Die E-Feldverteilung ist abhängig von der Frequenz der elektrischen Anregung (und der Resonanzfrequenz des BAW-Resonators). Zum Beispiel, falls die elektrische Anregung bei der Resonanzfrequenz des BAW-Resonators angelegt wird, ist das Integral des E-Felds über die obere und untere Elektrode ungefähr Null und daher gibt es keinen signifikanten Spannungsabfall von der oberen zu der unteren Elektrode. Da es wenig oder keinen Spannungsabfall über die obere und untere Elektrode gibt, wird wenig bis kein E-Feld außerhalb der piezoelektrischen Schicht erzeugt (d.h. wenig bis kein parasitäres E-Feld, wie unten besprochen). Falls jedoch die elektrische Anregung nahe der Antiresonanzfrequenz angelegt wird, ist das Integral des E-Felds über die Elektroden signifikant, was einen großen Spannungsabfall über die obere und untere Elektrode erzeugt und somit ein signifikantes E-Feld außerhalb der piezoelektrischen Schicht erzeugt (d.h. ein signifikantes parasitäres E-Feld) erzeugt, wie einem Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich ist.
  • BAW-Resonatoren zeigen eine elektrische Antwort, die im Wesentlichen linear ist. Das heißt, wenn sie durch einen Stimulus angeregt werden, der einen oder mehrere Töne umfasst, erzeugen die BAW-Resonatoren eine elektrische (und eine mechanische) Antwort, die im Wesentlichen denselben Satz an Frequenzen umfasst, bei dem der Stimulus angelegt wurde. Jedoch, wie weiter unten erklärt wird, zeigen die BAW-Resonatoren auch eine schwach nichtlineare Antwort, die eine schwache Erzeugung von Tönen bei harmonischen Frequenzen der angelegten Töne (Oberwellenerzeugung) und eine schwache Erzeugung von Tönen bei Summen und Differenzen der harmonischen Frequenzen der angelegten Töne (Intermodulations-Verzerrung) umfasst. Ein Teil des E-Felds, der außerhalb eines aktiven Bereichs des akustischen Stapels des BAW-Resonators erzeugt wird, wird als ein parasitäres E-Feld bezeichnet. Wenn die elektrische Anregung ein einzelner Ton ist, induziert sie ein parasitäres E-Feld, das durch ein Material des BAW-Resonators hindurchgeht, das eine schwache Nichtlinearität des elektrischen Felds („nichtlineares Material“) aufweist, wie zum Beispiel das Substrat (z.B. typischerweise aus Silicium (Si) gebildet), und eine elektrische Antwort, die typischerweise um Zehnerpotenzen schwächer als der angelegte Ton ist, wird bei harmonischen Frequenzen erzeugt. Es sei darauf hingewiesen, dass die Dichte der elektrischen Kraftlinien - bezeichnend für die Stärke des E-Felds in dem nichtlinearen Material (unten besprochen) - von der Frequenz und der Signalleistung des Tons abhängen. Typischerweise führt eine Verringerung der Stärke des E-Felds zu einer Verringerung bei dieser nichtlinearen elektrischen Antwort. Wenn die elektrische Anregung eine Überlagerung von zwei oder mehr Tönen ist, jeder bei einer unterschiedlichen Frequenz, induziert sie eine Überlagerung von E-Feldverteilungen in dem nichtlinearen Material als Antwort auf jeden der Töne, wobei die E-Felder intermodulieren oder „sich mischen“ miteinander, wobei eine elektrische Antwort erzeugt wird, die typischerweise um Zehnerpotenzen schwächer als jeder der angelegten Töne ist, bei Summen- und Differenz-Frequenzen von Harmonischen der angelegten Töne („Intermodulations-Verzerrung (intermodulation distortion, IMD) Frequenzen“). Es sei darauf hingewiesen, dass die Dichte der elektrischen Kraftlinien für jeden Ton - bezeichnend für die Stärke der jedem Ton entsprechenden E-Felder in dem nichtlinearen Material (unten besprochen) - von der Frequenz und der Signalleistung von jedem der Töne abhängen. Typischerweise führt eine Verringerung der Stärke des E-Felds bei irgendeinem der Töne zu einer Verringerung bei dieser nichtlinearen Antwort.
  • Die oben genannten elektrischen Antworten, die bei den harmonischen und Intermodulations-Frequenzen erzeugt werden, sind „nichtlineare Antworten“, die „nichtlineare Ströme“ induzieren, die durch das nichtlineare Material und/oder entlang der Oberfläche des nichtlinearen Materials (z.B. an einer Grenzfläche des Substrats und des akustischen Stapels des BAW-Resonators) und in die elektrischen Anschlüsse des BAW-Resonators fließen und groß genug sind, um beim normalen Betrieb des Geräts, das den BAW-Resonator enthält, zu interferieren („interferierende nichtlineare Ströme“). Zum Beispiel wenn der BAW-Resonator Teil eines Hochfrequenz (Radiofrequenz, RF) akustischen Filters ist, führt das parasitäre E-Feld bzw. führen die parasitären E-Felder zu ungewollten nichtlinearen Strömen, die in dem RF akustischen Filter erzeugt werden. In anderen Worten können sich ungewollte Harmonische und/oder Mischprodukte (von Tönen bei zwei oder mehr Frequenzen), wie zum Beispiel Harmonische zweiter und dritter Ordnung und/oder IMDs, aus parasitären E-Feldern in dem nichtlinearen Material ergeben.
  • Wie oben beschrieben, um die nichtlineare Antwort auf Grund der Anwesenheit von elektrischen Kraftlinien zu verringern, gibt es einen Bedarf an akustischen Resonatoren, die konfiguriert sind zum Minimieren oder Eliminieren von E-Feldern, die durch nichtlineare Materialien innerhalb der Geräte hindurchgehen, dergestalt dass nichtlineare Antworten von den akustischen Resonatorgeräten und/oder von Geräten (z.B. akustische Filter), die solche akustischen Resonatorgeräte beinhalten, minimiert oder eliminiert werden. Es gibt auch einen Bedarf für das Minimieren oder Eliminieren der E-Felder, die durch solche nichtlineare Materialien hindurchgehen, ohne andere Leistungscharakteristika, wie zum Beispiel Wärmetransfer und/oder strukturelle Integrität, der akustischen Resonatoren und entsprechender Geräte negativ zu beeinflussen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die veranschaulichenden Ausführungsformen können aus der folgenden ausführlichen Beschreibung am besten verstanden werden, wenn sie mit den begleitenden Figuren gelesen werden. 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 und 1B sind vereinfachte Querschnittsansichten und Draufsichten eines herkömmlichen BAW-Resonators.
    • 2A und 2B sind vereinfachte Querschnittsansichten und Draufsichten eines BAW-Resonators, der einen erweiterten Hohlraum beinhaltet, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.
    • 3A und 3B sind vereinfachte Querschnittsansichten und Draufsichten eines BAW-Resonators, der einen erweiterten Hohlraum beinhaltet, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.
    • 4A und 4B sind vereinfachte Querschnittsansichten und Draufsichten eines BAW-Resonators, der einen erweiterten Hohlraum beinhaltet, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.
    • 5A und 5B sind vereinfachte Querschnittsansichten und Draufsichten eines BAW-Resonators, der einen Hohlraum in einer Interposer-Schicht beinhaltet, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.
    • 6A, 6B und 6c sind vereinfachte Querschnittsansichten und Draufsichten eines BAW-Resonators, der mehrere (z.B. zwei) erweiterte Hohlräume beinhaltet, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.
    • 7 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht eines BAW-Resonators, der einen Hohlraum und eine Luftbrücke beinhaltet, und eines entsprechenden Schaltkreises.
    • 8 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht eines BAW-Resonators, der einen erweiterten Hohlraum und eine Luftbrücke beinhaltet, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.
    • 9 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht eines BAW-Resonators, der einen erweiterten Hohlraum und eine Luftbrücke beinhaltet, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.
    • 10 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht eines BAW-Resonators, der einen erweiterten Hohlraum und eine Luftbrücke beinhaltet, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.
    • 11 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht von zwei BAW-Resonatoren mit einer gemeinsamen oberen Elektrodenverbindung, die einen gemeinsamen Hohlraum und Luftbrücken beinhalten, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.
    • 12 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht eines BAW-Resonators, der einen erweiterten Hohlraum beinhaltet, wie in 2 gezeigt, mit einer Auffangschicht auf dem Substrat, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.
    • 13 ist ein Schaubild, das Verbesserungen bei der Messung der Intermodulations-Verzerrung dritter Ordnung (IMD3) der BAW-Resonatoren gemäß Ausführungsformen gegenüber einem herkömmlichen BAW-Resonator zeigt.
    • 14 ist ein Schaubild, das Verbesserungen bei der Messung des Parallelwiderstands (Rp) der BAW-Resonatoren gemäß Ausführungsformen gegenüber einem herkömmlichen BAW-Resonator zeigt.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Eine Vielfalt an Geräten, Strukturen davon, Materialien und Herstellungsverfahren werden in Betracht gezogen für die BAW-Resonatoren der Apparate der vorliegenden Lehren. Verschiedenartige Details über solche Geräte und entsprechende Herstellungsverfahren können zum Beispiel in einer oder mehreren der folgenden US-Patentanmeldungen gefunden werden: US-Patent US 6,107,721 von Lakin; US-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.; US-Patente US 7,369,013 , US 7,791,434 , US 8,188,810 und US 8,230,562 von Fazzio, et al.; US-Patent US 7,280,007 von Feng et al.; US-Patente US 8,248,185 und US 8,902,023 von Choy, et al.; US-Patent US 7,345, 410 von Grannen, et al.; US-Patent US 6,828,713 von Bradley, et al.; US-Patente US 7,561,009 and US 7,358,831 von Larson, III et al.; US-Patent US 9,197,185 von Zou, et al., US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer US 2012/0326807 von Choy, et al.; US-Patentanmeldungen mit den Veröffentlichungsnummern US 2011/0180391 und US 2012/0177816 von Larson III, et al.; US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer US 2007/0205850 von Jamneala et al.; US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer US 2011/0266925 von Ruby, et al.; US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer US 2013/0015747 von Ruby, et al.; US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer US 2013/0049545 von Zou, et al.; US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer US 2014/0225682 von Burak, et al.; US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer US 2014/0132117 von John L. Larson III; US-Patentanmeldungen mit den Veröffentlichungsnummern US 2014/0118090 und US 2014/0354109 John L. Larson III, et al.; US-Patentanmeldungen mit den Veröffentlichungsnummern US 2014/0292150 und US 2014/0175950 von Zou, et al. und US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer US 2015/0244347 von Feng, et al. Es wird betont, dass die Komponenten, Materialien und Herstellungsverfahren, die in diesen Patenten und Patentanmeldungen offenbart sind, repräsentativ sind und andere Herstellungsverfahren und Materialien werden innerhalb des Bereichs von einem Durchschnittsfachmann in Betracht gezogen.
  • 1A und 1B sind vereinfachte Querschnittsansichten und Draufsichten eines herkömmlichen BAW-Resonators, wobei 1A der Querschnitt entlang der Linie A-A' von 1B ist.
  • Unter Bezugnahme auf 1A ist der BAW-Resonator 100 ein Dünnschicht-Bulk-Akustik-Resonator (thin film bulk acoustic resonator, FBAR). Der BAW-Resonator 100 beinhaltet ein Substrat 110 und einen Hohlraum (Kavität) 115, der als ein akustischer Reflektor in einer oberen Oberfläche des Substrats 110 gebildet ist. Eine erste (untere) Elektrode 120 ist über dem Substrat 110 und dem Hohlraum 115 angeordnet, eine piezoelektrische Schicht 130 ist über der unteren Elektrode 120 angeordnet und eine zweite (obere) Elektrode 140 ist über der piezoelektrischen Schicht 130 angeordnet, die einen akustischen Stapel 150 bilden. Ein aktiver Bereich 155 des akustischen Stapels 150 beinhaltet überlappende Teilbereiche des Hohlraums 115, der unteren Elektrode 120, der piezoelektrischen Schicht 130 und der oberen Elektrode 140. Ein äußerer Umfang des aktiven Bereichs 155 ist durch ein Paar (vertikaler) gestrichelter Linien angezeigt. Der BAW-Resonator 100 beinhaltet auch einen Verbindungsstreifen (connecting strip) 140', der sich aus einem Teilbereich der oberen Elektrode 140 erstreckt, wie unten noch detaillierter besprochen. Eine Passivierungsschicht (nicht gezeigt) kann über der oberen Elektrode 140 und in diversen Konfigurationen ebenfalls über den gesamten oder einen Teilbereich des Verbindungsstreifens 140' gebildet sein. Die Passivierungsschicht isoliert im Allgemeinen den akustischen Stapel von der Umgebung, einschließlich einem Schutz vor Feuchtigkeit, Korrosionsmitteln, Verunreinigungen, Bruchstücken und dergleichen.
  • Unter Bezugnahme auf 1B zeigt die Draufsicht des BAW-Resonators 100 die obere Elektrode 140, die über der piezoelektrischen Schicht (aus Gründen der Einfachheit nicht gezeigt) gestapelt ist, die untere Elektrode 120 und den Hohlraum 115. Die äußeren Ränder des Hohlraums 115 sind gestrichelte Linien, die anzeigen, dass der Hohlraum 115 unterhalb von zumindest einem von der oberen Elektrode 140, der unteren Elektrode 120 und der piezoelektrischen Schicht 130 gelegen ist und daher ansonsten nicht sichtbar wäre in der Perspektive von 1B. Das Substrat 110 ist ebenfalls nicht gezeigt in 1B aus Gründen der Einfachheit.
  • Wie oben erwähnt, beinhaltet der BAW-Resonator 100 auch den Verbindungsstreifen 140', der sich aus einem Teilbereich der oberen Elektrode 140 erstreckt. Der Verbindungsstreifen 140' sorgt für (bzw. stellt) eine elektrische Anregung des akustischen Stapels 150 durch die obere Elektrode 140 (bereit). Die elektrische Anregung wird durch einen elektrischen Kontakt mit einer Komponente (nicht gezeigt) bereitgestellt, wie zum Beispiel einem Kontaktpad oder eine Durchkontaktierung (Via), die zum Übermitteln von elektrischen Signalen konfiguriert ist.
  • Ein elektrisches Feld (E-Feld) 160 wird in dem BAW-Resonator 100 erzeugt als Antwort auf die elektrische Anregung, angezeigt durch elektrische Kraftlinien („E-Feldlinien“), wie oben erwähnt, die an der oberen Elektrode 140 beginnen und an der unteren Elektrode 120 enden. Wenn die elektrische Anregung bei oder in der Nähe der Resonanzfrequenz des BAW-Resonators 100 ist, zeigt der BAW-Resonator 100 eine akustische Resonanz (Vibration). Ein Teil des E-Felds 160, der von der oberen Elektrode 140 durch die piezoelektrische Schicht 130 zu der unteren Elektrode innerhalb des aktiven Bereichs 155 des akustischen Stapels 150 erzeugt wird, kann als ein in Betrieb befindliches (operatives) E-Feld 161 bezeichnet werden. Wie in 1A gezeigt, liegt das in Betrieb befindliche (operative) E-Feld 161 innerhalb des aktiven Bereichs 155. Zu Zwecken der Veranschaulichung ist die piezoelektrische Schicht 130 aus einem im Wesentlichen linearen Material (z.B. AIN) gebildet, das eine im Wesentlichen lineare elektrische Antwort auf das in Betrieb befindliche (operative) E-Feld 161 zeigt, das aber auch eine nichtlineare elektrische Antwort zeigt, wenn eine oder mehrere Töne auf es auftreffen bzw. einfallen.
  • Ein anderer Teil des E-Felds 160, der an der oberen Elektrode 140 beginnt, außerhalb des aktiven Bereichs 155 des akustischen Stapels 150 verläuft und an der unteren Elektrode 120 endet, kann als ein parasitäres (parasitic) E-Feld 163 bezeichnet werden und wird erzeugt, immer wenn die elektrische Anregung nicht spezifisch bei der Resonanzfrequenz appliziert wird. Wie in 1A gezeigt, liegt das parasitäre E-Feld 163 außerhalb des aktiven Bereichs 155. Zum Beispiel, wie in 1A gezeigt, geht zumindest ein Teil des parasitären E-Felds 163 durch das Substrat 110 (und möglicherweise durch einen Teilbereich des Hohlraums 115) hindurch, um an der unteren Elektrode 120 (auf deren unterer Oberfläche) zu enden. Aus Gründen der Einfachheit und Klarheit ist nicht das gesamte parasitäre E-Feld 163 in 1A gezeigt. Ebenso ist zum Zwecke der Veranschaulichung das Substrat 110 aus einem nichtlinearen Material (z.B. Si) gebildet. Die Verwendung eines auf einem nichtlinearen Material basierenden Substrats hat bestimmte Nachteile. Da ein akustischer Filter zum Beispiel elektrisch verbundene BAW-Resonatoren (z.B. FBARs) aufweisen kann, die sich auf dem auf einem nichtlinearen Material basierenden Substrat befinden, wird bei einem Einfall bzw. Auftreffen von (Mikrowellen) RF-Signalen bei unterschiedlichen Frequenzen auf den akustischen Filter ein Teil der Signalleistung in das Substrat, auf dem sich die Resonatoren befinden, (ab)strahlen. Da sich das Substrat nichtlinear verhält, werden diese Signale innerhalb des Volumens des Substrats „gemischt“, was zu einer nichtlinearen Antwort des BAW-Resonators 100 auf das parasitäre E-Feld 163 führt. Wie oben besprochen, führt die nichtlineare Antwort zu interferierenden nichtlinearen Ströme, die erzeugt werden und durch Anschlüsse des BAW-Resonators 100 fließen. Wenn der BAW-Resonator 100 zum Beispiel Teil eines RF akustischen Filters ist, führt das parasitäre E-Feld 163 daher zu ungewollten interferierenden nichtlinearen Ströme, die in dem RF akustischen Filter erzeugt werden. Die nichtlineare Antwort auf das parasitäre E-Feld wird unten noch näher unter Bezugnahme auf 7 besprochen.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass das parasitäre E-Feld 163, das den BAW-Resonator 100 umgibt und das in das Substrat 110 eintritt, die höchste Größe durch den (bzw. bei dem) Verbindungsstreifen 140' (d.h. den Verbindungsrand des BAW-Resonators 100) hat. Nirgendwo sonst in dem BAW-Resonator 100 ist das parasitäre E-Feld 163 so hoch. Zum Beispiel kann der Höchstwert der Größe des parasitären E-Felds 163 auf der Oberfläche des (Si) Substrats 110 direkt unterhalb des Verbindungsrands etwa zehn Mal höher sein als irgendwo sonst in dem Substrat 110.
  • Zum Beispiel können zwei eindeutig getrennte Stücke der unteren Elektrode 120, die sich auf dem (Si) Substrat 110 befinden, durch einen Mindestmetallabstand von zum Beispiel etwa 10 Mikrometern lateral getrennt sein. Der engste vertikale Abstand (d.h. in der Richtung der gestapelten Sichten des akustischen Stapels 150) in einem BAW-Resonator zwischen zwei Metallschichten ist jedoch zwischen der oberen und der unteren Elektrode 140 und 120, die typischerweise um etwa ein Mikrometer voneinander beabstandet sind. Dieser Abstand zwischen der oberen und der unteren Elektrode 140 und 120, die der akustische Stapel 150 aufweist, ist typischerweise der kleinste Abstand im Vergleich zu jedem anderen Teil des Schaltkreises. Die stärksten E-Felder in einem Schaltkreis (circuit), der BAW-Resonatoren aufweist, befinden sich typischerweise in der Nähe, wo beliebige zwei individuelle Metallelektroden sich am nächsten sind, wie zum Beispiel über bzw. quer zu den oberen und unteren Metallelektroden, die die BAW-Resonatoren aufweisen, aber auch in der Nähe von und unterhalb der jeweiligen Verbindungsränder der BAW-Resonatoren. Ein Verbindungsrand eines BAW-Resonators ist ein Metallteilbereich am Ende (Rand) einer Metallschicht, typischerweise der oberen Elektrode (z.B. der oberen Elektrode 140), der mit einem Schaltkreis von außen verbunden ist zum Empfangen von elektrischer Anregung, die zur Erzeugung des E-Felds (z.B. des E-Felds 160) führt.
  • Insbesondere endet die untere Elektrode 120 an dem Verbindungsrand. Es sei darauf hingewiesen, dass auf Grund wie die untere Elektrode 120 durch ein Prozessätzen definiert ist, das Ende an dem Verbindungsrand in der Praxis im Wesentlichen auf einen Punkt hinauslaufen kann (und nicht in einem 90 Grad Winkel, wie in 1A gezeigt, beispielsweise endet). Somit werden die höchsten E-Felder in dem Bereich des Verbindungsrands innerhalb von einigen Zehn Angstrom des Punktendes erzeugt. Das heißt, dass das E-Feld in der Nähe des Verbindungsrands am höchsten wird in einem Abstand, der vergleichbar ist mit dem Radius der Krümmung (bzw. des Bogenlaufs) des Punkts. Auch wenn die unerwünschten und/oder parasitären E-Felder am Allerhöchsten am Punkt des Verbindungsrands der unteren Elektrode 120 vorhanden sind, sind hohe parasitäre E-Felder in der gesamten Nähe von und unterhalb des Verbindungsrands vorhanden.
  • 2A und 2B sind vereinfachte Querschnittsansichten und Draufsichten eines BAW-Resonators, der einen erweiterten Hohlraum beinhaltet, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform, wobei 2A der Querschnitt entlang der Linie A-A' von 2B ist.
  • Unter Bezugnahme auf 2A ist der BAW-Resonator 200 ein FBAR und beinhaltet das Substrat 110 mit einem Hohlraum (Kavität) 215, der in einer oberen Oberfläche des Substrats 110 gebildet ist. Wie der oben besprochene BAW-Resonator 100 beinhaltet der BAW-Resonator 200 eine untere Elektrode 120, die über dem Substrat 110 und dem Hohlraum 215 angeordnet ist, eine piezoelektrische Schicht 130, die über der unteren Elektrode 120 angeordnet ist, und eine obere Elektrode 140 ist über der piezoelektrischen Schicht 130 angeordnet, die einen akustischen Stapel 250 bilden. Ein aktiver Bereich 255 des akustischen Stapels 250 beinhaltet überlappende Teilbereiche des Hohlraums 215, der unteren Elektrode 120, der piezoelektrischen Schicht 130 und der oberen Elektrode 140. Ein äußerer Umfang des aktiven Bereichs 255 ist durch ein Paar (vertikaler) gestrichelter Linien angezeigt. Der aktive Bereich 255 des akustischen Stapels 250 weist im Wesentlichen flache (ebene) Teilbereiche der oberen Elektrode 140 und der unteren Elektrode 120 auf. Wie unter Bezugnahme auf 1A erklärt, beginnt das E-Feld 160 an der oberen Elektrode 140 und endet an der unteren Elektrode 120. Das in Betrieb befindliche (operative) E-Feld 161 ist innerhalb des aktiven Bereichs 255 gelegen, in dem Teilbereich der oberen Elektrode 140 und der unteren Elektrode 120, der im Wesentlichen flach bzw. eben ist. Das parasitäre E-Feld 163 ist ein Teil des E-Felds 160, der außerhalb des aktiven Bereichs 255 liegt. Zum Beispiel, wie in 2A gezeigt, beginnt ein erster Teil des parasitären E-Felds 163 an Teilbereichen der oberen Elektrode 140, die den Verbindungsstreifen 140' beinhalten, verläuft außerhalb des aktiven Bereichs 255 und endet an der unteren Oberfläche an einem Endbereich der unteren Elektrode 120. Ein zweiter Teil des parasitären E-Felds (nicht gezeigt) beginnt an einem anderen Ende der oberen Elektrode 140 und endet an Teilbereichen der unteren Elektrode 120, die im Wesentlichen flach bzw. eben ist. Der zweite Teil des parasitären E-Felds endet an der oberen Oberfläche der unteren Elektrode (dich sich typischerweise über die obere Elektrode hinaus erstreckt) und somit erstrecken sich die E-Feldlinien nicht in das nichtlineare Substrat und können daher bei der Diskussion weggelassen werden. Der BAW-Resonator 200 beinhaltet auch einen Verbindungsstreifen (connecting strip) 140', der sich aus einem Teilbereich der oberen Elektrode 140 erstreckt. Eine Passivierungsschicht (nicht gezeigt) kann über der oberen Elektrode 140 und in diversen Konfigurationen ebenfalls über den gesamten oder einen Teilbereich des Verbindungsstreifens 140' gebildet sein. Es wird verstanden, dass eine Passivierungsschicht über der oberen Elektrode 140 und über den gesamten oder einen Teilbereich des Verbindungsstreifens 140' in jeder der hierin besprochen Ausführungsformen gebildet sein kann und daher nicht mehr wiederholt wird.
  • Der Verbindungsstreifen 140' kann einstückig (integral) mit der oberen Elektrode 140 gebildet sein, wobei in diesem Fall der Verbindungsstreifen 140' und die obere Elektrode 140 gemeinsam eine obere Elektrodenschicht bilden und der Verbindungsstreifen 140' als der Teilbereich der oberen Elektrodenschicht angesehen werden kann, der sich aus dem akustischen Stapel 250 heraus erstreckt. Alternativ kann der Verbindungsstreifen 140' auch eine getrennte Komponente sein, die mit der oberen Elektrode 140 verbunden oder anderweitig in elektrischem Kontakt ist.
  • Das Substrat 110 kann aus verschiedenartigen Materialien gebildet sein, die kompatibel mit Halbleiterprozessen sind, wie zum Beispiel Silicium (Si), Galliumarsenid (GaAs), Indiumphosphid (InP) oder dergleichen. Verschiedenartige veranschaulichende Herstellungstechniken zur Bildung eines Lufthohlraums in einem Substrat sind beschrieben durch Grannen et al., US-Patent US 7,345,410 (erteilt am 18. März 2008), das hierdurch in seiner Gesamtheit unter Bezugnahme aufgenommen wird. Die untere und die obere Elektrode 120 und 140 sind aus einem oder mehreren elektrisch leitfähigen Materialien gebildet, wie zum Beispiel Molybdän (Mo) oder Wolfram (W), und die Passivierungsschicht kann zum Beispiel aus einem Passivierungsmaterial gebildet sein, wie zum Beispiel Siliciumdioxid (SiO2) oder Siliciumnitrid (Si3N4), auch wenn andere Materialien, die zur Verwendung mit Elektroden und Passivierung von BAW-Resonatoren kompatibel sind, eingebaut sein können, ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen. Auch kann in der dargestellten Ausführungsform die piezoelektrische Schicht 130 zum Beispiel aus Aluminiumnitrid (AIN), Blei-zirkonat-titanat (PZT) oder Zinkoxid (ZnO) gebildet sein. Zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit sollte das Material, das die piezoelektrische Schicht 130 bildet, eine hohe Linearität aufweisen.
  • In der dargestellten Ausführungsform beinhaltet der Hohlraum 215 einen inneren Teilbereich 216 innerhalb des aktiven Bereichs 255 des akustischen Stapels 250 und einen erweiterten (verlängerten, extended) Teilbereich 217, der sich von einem äußeren Umfang des aktiven Bereichs 255 unterhalb des Verbindungsstreifens 140' erstreckt. Eine Länge des erweiterten Teilbereichs 217 des Hohlraums 215 ist ausreichend lang und eine Tiefe des erweiterten Teilbereichs 217 ist ausreichend tief, um im Wesentlichen zu verhindern, dass das parasitäre E-Feld 163 durch das Substrat 110 hindurchgeht, wie gezeigt. In anderen Worten geht eine vernachlässigbare (geringfügige, unbedeutende) Menge des parasitären E-Felds 163 durch das Substrat 110 hindurch, dergestalt dass eine nichtlineare Antwort durch das Substrat 110 verbessert wird (d.h. die Antwort wird mehr linear bzw. linearer gemacht) und ein in dem Substrat 110 erzeugter elektrischer Verlust verringert wird. Eine vernachlässigbare Menge des parasitären E-Felds 163 wird angesehen als kein bisschen oder ein Teil, der so klein ist, dass die nichtlineare Antwort durch das Substrat 110 den Betrieb von einem beliebigen Gerät (z.B. einem RF akustischen Filter), in dem der BAW-Resonator 200 eingebaut ist, nicht negativ beeinflusst. Anders ausgedrückt wird die nichtlineare Antwort um eine Menge verbessert, die ausreichend ist, die Bildung von Harmonischen (Oberschwingungen) und/oder Intermodulations-Verzerrungen (IMDs) zu verhindern, dergestalt dass das Substrat 110 kein Faktor mehr ist bei der Bestimmung der nichtlinearen Leistungsfähigkeit des BAW-Resonators 200 und/oder des Geräts, das den BAW-Resonator 200 enthält. Diese Verbesserung der nichtlinearen Antwort gilt für das parasitäre E-Feld, das in Bezug auf jede der verschiedenartigen hierin offenbarten Ausführungsformen besprochen.
  • Durch Erweitern des Hohlraums 215 unterhalb des Verbindungsstreifens 140' werden auch nichtlineare Ströme eliminiert, die durch schwächere E-Felder induziert werden als die, die in 2A gezeigt sind. Diese schwächeren E-Felder haben entsprechende elektrische Kraftlinien, die an der oberen Elektrode 140 beginnen und an unteren Elektroden in anderen Teilen des BAW-Schaltkreises enden (nicht gezeigt in 2A, weil sie entweder außerhalb der Ebene von 2A sind oder auf der Seite des Verbindungsrands sind, die dem in 2A gezeigten akustischen Stapel gegenüber liegt).
  • Wie oben erwähnt, endet die untere Elektrode 120 an dem Verbindungsrand (der im Wesentlichen auf einen Punkt hinauslaufen kann oder auch nicht). Die höchsten E-Felder werden in dem Bereich des Verbindungsrands innerhalb von einigen Zehn Angstrom des Verbindungsrands erzeugt. Indem eine Lücke (der erweiterte Teilbereich 217) direkt unterhalb des Verbindungsrands, einschließlich des gesamten Verbindungsrandbereichs, platziert wird, kann der Bereich des hohen E-Felds nicht auf das Substrat 110 in der Nähe des Verbindungsrands der unteren Elektrode 120 auftreffen und kann somit nicht nichtlineare Ströme und Widerstandsverluste (resistive bzw. ohmsche Verluste) induzieren, die ansonsten in dem Teilbereich des Substrats 110 fließen.
  • Wenn ein Fachmann die Auswirkung eines E-Felds auf zwei Leiter analysiert, werden elektrische Kraftlinien zwischen den beiden Leitern gezeichnet, wie in 2A durch die Linien, die dem in Betrieb befindlichen (operativen) E-Feld 161 und dem parasitären E-Feld 163 entsprechen, veranschaulicht ist. Wenn das E-Feld schwach ist, werden keine Linien gezeichnet. Wenn ein Simulationstool verwendet würde, würde ein E-Feld, das stark genug ist, Materialveränderungen vorzunehmen, mit bestimmten Farben zur Berücksichtigung markiert werden und ein E-Feld, das zu schwach ist, um Materialveränderungen zu bewirken, würde nicht berücksichtigt werden. Als ein Beispiel wird die Länge des erweiterten Teilbereichs 217 des Hohlraums 215 als ausreichend lang und/oder die Tiefe des erweiterten Teilbereichs 217 als ausreichend tief angesehen, wenn die elektrischen Kraftlinien nicht durch das Substrat 110 hindurchgehen. Wenn ein Simulationstool verwendet würde, wird in ähnlicher Weise die Länge des erweiterten Teilbereichs 217 des Hohlraums 215 als ausreichend lang und/oder die Tiefe des erweiterten Teilbereichs 217 als ausreichend tief angesehen, wenn Farbmarkierungen durch das Simulationstool, die ein starkes E-Feld anzeigen, auf dem Substrat 110 nicht vorhanden sind während der Analyse.
  • In der in 2A gezeigten Ausführungsform kann die Dicke des akustischen Stapels etwa 1,5 µm betragen, die Tiefe des erweiterten Teilbereichs 217 des Hohlraums 215 kann etwa 2 µm betragen und die Länge des erweiterten Teilbereichs des Hohlraums kann etwa 5 µm betragen zum Beispiel. In Abhängigkeit von der der Größe des BAW-Resonators kann die gesamte Länge des Hohlraums 215 irgendwo zwischen etwa 50 µm und etwa 500 µm liegen. Die obigen Werte können selbstverständlich variieren, um einzigartige Vorteile für jede bestimmte Situation bereitzustellen oder um anwendungsspezifische Anforderungen an das Design von verschiedenartigen Implementation zu erfüllen, wie es für einen Fachmann ersichtlich wäre.
  • Eine Verbesserung der nichtlinearen Antwort eines einzelnen Resonators auf das parasitäre E-Feld 163 durch das Substrat 110 und/oder eine Verringerung des in dem Substrat 110 erzeugten elektrischen Verlusts kann beobachten werden, indem zum Beispiel Messungen des Signal-Rausch-Verhältnisses (signal-to-noise ratio, SNR), der Intermodulations-Verzerrungsprodukte dritter Ordnung (third order intermodulation distortion product, IMD3) und des Parallelwiderstands (parallel resistance, Rp) betrachtet werden, wie unten unter Bezugnahme auf 13 und 14 diskutiert wird. Die Diskussion in den vorangehenden drei Absätzen ebenso wie die weitere Diskussion kann auch für all die hierin nachfolgend besprochenen Ausführungsformen in Bezug auf elektrischen Verlust gelten.
  • Unter Bezugnahme auf 2B zeigt die Draufsicht des BAW-Resonators 200 die obere Elektrode 140, die über der piezoelektrischen Schicht (aus Gründen der Einfachheit nicht gezeigt) gestapelt ist, die untere Elektrode 120 und den Hohlraum 215. Die äußeren Ränder des Hohlraums 215 sind gestrichelte Linien, die anzeigen, dass der Hohlraum 215 unterhalb von zumindest einem von der oberen Elektrode 140, der unteren Elektrode 120 und der piezoelektrischen Schicht 130 gelegen ist und daher ansonsten nicht sichtbar wäre in der Perspektive von 2B. Der erweiterte Teilbereich 217 des Hohlraums 215 ist gezeigt, dass er sich über den Verbindungsstreifen 140' hinaus erstreckt. In alternativen Konfigurationen kann der erweiterte Teilbereich 217 entfernt von bzw. kurz vor dem Verbindungsstreifen 140' enden oder bündig bzw. in Ausrichtung mit dem Verbindungsstreifen 140' sein, ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen. Das Substrat 110 ist ebenfalls nicht gezeigt in 2B aus Gründen der Einfachheit.
  • Das E-Feld 160, das in dem BAW-Resonator 200 als Antwort auf die elektrische Anregung, die über den Verbindungsstreifen 140' bereitgestellt wird, erzeugt wird, ist angezeigt durch E-Feldlinien, die an der unteren Oberfläche der oberen Elektrode 140 beginnen und an der unteren Elektrode 120 enden. Es sei darauf hingewiesen, dass das parasitäre E-Feld 163, wie in 2A gezeigt, durch den Hohlraum 215 (überwiegend durch den erweiterten Teilbereich 217) im Gegensatz zum Substrat 110 hindurchgeht und an der unteren Elektrode 120 (an deren unterer Oberfläche) endet. Zu Zwecken der Veranschaulichung ist der Hohlraum 215 mit Gas gefüllt, wie zum Beispiel Luft, die ein hochlineares Medium ist, insbesondere im Vergleich zu dem nichtlinearen Material des Substrats 110, wie zum Beispiel Silicium (Si). Alternativ kann der Hohlraum 215 (ebenso wie die Hohlräume in den anderen hierin diskutierten Ausführungsformen des BAW-Resonators) zum Beispiel mit einem anderen Gas als Luft gefüllt sein, wie zum Beispiel Helium, Argon, Stickstoff, Kohlenstoffdioxid oder verschiedenartige Kombinationen an Gasen, ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen. Oder der Hohlraum 215 (ebenso wie die Hohlräume in den anderen hierin diskutierten Ausführungsformen des BAW-Resonators) kann ein Vakuum sein, ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen.
  • Idealerweise ist der Hohlraum 215 tief genug in dem Substrat 110 und erstreckt sich weit genug unter dem Verbindungsstreifen 140', dass kein parasitäres E-Feld 163 durch das Substrat 110 hindurchgeht, wie in 2A gezeigt. Dies würde effektiv keine nichtlineare Antwort in dem BAW-Resonator 200 auf Grund des parasitären E-Felds 163 in dem Substrat 110 erzeugen. Dies führt zu einer verbesserten (d.h. lineareren bzw. mehr linearen) gesamten nichtlinearen Antwort und zu einem verbesserten (d.h. geringeren) elektrischen Verlust des BAW-Resonators 200. In einer alternativen Konfiguration kann der Hohlraum 215 ein Vakuum sein, was im Wesentlichen die gleichen Ergebnisse wie der gasgefüllte Hohlraum 215 zur Verfügung stellt.
  • In der Praxis kann ein kleiner Teil des parasitären E-Felds 163 durch das Substrat 110 hindurchgehen. Auch kann sich eine geringe nichtlineare Antwort aus Teilen des parasitären E-Felds 163, das durch den Hohlraum 215 oder anderen Komponenten des BAW-Resonators 200, wie zum Beispiel der piezoelektrischen Schicht 130, hindurchgeht, ergeben. Jedoch würden solche nichtlinearen Antworten minimal sein und würden wenig bis keinen nichtlinearen Strom erzeugen, der die Leistungsfähigkeit des BAW-Resonators 200 oder eines Geräts (z.B. eines akustischen Filters), in dem der BAW-Resonator 200 enthalten ist, wesentlich beeinflusst. Im Allgemeinen ist es wünschenswert, dass der erweiterte Teilbereich 217 (ebenso wie die erweiterten Teilbereiche in den anderen unten diskutierten Ausführungsformen) die nichtlineare Antwort des Substrats 110 um eine Menge verringert, die die nichtlineare Antwort des Substrats 110 geringer macht als die kleine nichtlineare Antwort, die durch die piezoelektrische Schicht 130 erzeugt wird (und/oder durch andere Komponenten des BAW-Resonators 200 erzeugt wird).
  • Darüber hinaus kann der erweiterte Teilbereich 217 des Hohlraums 215 auch die akustische Antwort des BAW-Resonators 200 verbessern. Im Allgemeinen ergibt sich eine verbesserte akustische Antwort dadurch, dass die durch den akustischen Stapel 250 erzeugten Schallwellen (akustische Wellen), nicht durch die Luft (oder ein anderes Gas) oder das Vakuum des erweiterten Teilbereichs 217 übertragen werden können. Deshalb fungiert der erweiterte Teilbereich 217 als ein Energieeinschlussmerkmal (Energiebeschränkungsmerkmal, energy confinement feature), das akustische Energie, die ansonsten durch das Substrat 110 abgeleitet worden wäre, innerhalb des akustischen Stapels 250 einsperrt. Energieeinschlussmerkmale verbessern zum Beispiel verschiedenartige Leistungsparameter des BAW-Resonators 200, wie zum Beispiel den Gütefaktor bzw. Qualitätsfaktor (Q-Faktor), den Parallelwiderstand (Rp) und den Kopplungskoeffizienten kt2. Die Funktionalität eines erweiterten Teilbereichs eines Substrathohlraums als ein Energieeinschlussmerkmal gilt für jede Ausführungsform hierin mit einem oder mehreren erweiterten Teilbereichen, die mit Luft (oder einem anderen Gas) gefüllt sind oder ein Vakuum sind.
  • 3A und 3B sind vereinfachte Querschnittsansichten und Draufsichten eines BAW-Resonators, der einen erweiterten Hohlraum beinhaltet, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform, wobei 3A der Querschnitt entlang der Linie A-A' von 3B ist.
  • Unter Bezugnahme auf 3A ist der BAW-Resonator 300 ein FBAR und beinhaltet das Substrat 110 mit einem Hohlraum (Kavität) 315, der in einer oberen Oberfläche des Substrats 110 gebildet ist. In der dargestellten Ausführungsform ist eine Auffangschicht (Einfangschicht, trap layer) 111 an oberen Oberflächen des Substrats 110, einschließlich einer oberen Oberfläche des Substrats 110 und Oberflächen des Substrats 110, die Seiten und Boden des Hohlraums 315 bilden, gebildet. Ähnlich zu dem oben besprochenen BAW-Resonator 100 beinhaltet der BAW-Resonator 300 eine untere Elektrode 120, die über dem Substrat 110, der Auffangschicht 111 und dem Hohlraum 315 angeordnet ist, eine piezoelektrische Schicht 130, die über der unteren Elektrode 120 angeordnet ist, und eine obere Elektrode 140 ist über der piezoelektrischen Schicht 130 angeordnet, die einen akustischen Stapel 350 bilden. Ein aktiver Bereich 355 des akustischen Stapels 350 beinhaltet überlappende Teilbereiche eines inneren Teilbereichs 316 des Hohlraums 315 (unten besprochen), der unteren Elektrode 120, der piezoelektrischen Schicht 130 und der oberen Elektrode 140. Ein äußerer Umfang des aktiven Bereichs 355 ist durch ein Paar (vertikaler) gestrichelter Linien angezeigt. Der BAW-Resonator 300 beinhaltet auch den Verbindungsstreifen 140', der sich aus einem Teilbereich der oberen Elektrode 140 erstreckt.
  • In der dargestellten Ausführungsform beinhaltet der Hohlraum 315 den inneren Teilbereich 316 innerhalb des aktiven Bereichs 355, wie oben erwähnt, und einen erweiterten Teilbereich 317, der sich von dem äußeren Umfang des aktiven Bereichs 355 unterhalb des Verbindungsstreifens 140' erstreckt. Der innere Teilbereich 316 ist mit Gas gefüllt (oder ist ein Vakuum) und der erweiterte Teilbereich 317 ist mit einem elektrisch isolierenden Material 318 gefüllt, das hochlinear ist, wie zum Beispiel nicht-ätzbarem Borsilikatglas (nonetchable borosilicate glass, NEBSG), dotiertem oder undotiertem Siliciumdioxid (SiO2), Aluminiumnitrid (AIN) oder Siliciumcarbid (SiC), auch wenn andere lineare elektrisch isolierende Materialien eingebaut sein können, ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen.
  • Das elektrisch isolierende Material 318, das ein dielektrisches Material sein kann, sorgt für bzw. stellt eine mehr lineare (bzw. eine linearere) Antwort für jeden Teil des parasitären E-Felds 163, das an der oberen Elektrode 140 beginnt und durch das elektrisch isolierende Material 318 hindurchgeht und an der unteren Elektrode 120 endet, als für jeden Teil des parasitären E-Felds 163, das an der oberen Elektrode 140 beginnt und durch das Substrat 110 hindurchgeht und an der unteren Elektrode 120 endet, bereit. Anders ausgedrückt ist das elektrisch isolierende Material mehr linear (linearer) als das im Wesentlichen nichtlineare Material des Substrats 110.
  • Wie oben festgestellt, befindet sich in der gezeigten Ausführungsform die Auffangschicht 111 an den oberen Oberflächen des Substrats 110, einschließlich der Oberflächen, die die Seiten und den Boden des Hohlraums 315 bilden. Insbesondere weist das Substrat 110 des BAW-Resonators 300 einen Oberflächenbereich auf, der hierin aus Gründen der Veranschaulichung als die Auffangschicht 111 bezeichnet wird, und einen Massenbereich bzw. Volumenbereich (bulk region) (d.h. im Wesentlichen der Rest des Substrats 110). Die Auffangschicht 111 weist eine erhöhte Bandlücke (band gap), eine hohe Auffangdichte (trap density, d.h. eine hohe Wahrscheinlichkeit, freie Ladungsträger einzufangen) und/oder eine verringerte Trägermobilität verglichen mit dem Massenbereich bzw. Volumenbereich des Substrats 110 auf. Die Auffangschicht 111 ist in der Lage, einige Nichtlinearitäten des Substrats 110 zu verringern. Daher, auch wenn die Auffangschicht 111 das E-Feldmuster innerhalb des Substrats 110 nicht wesentlich stört, verringert sie die Stärke der nichtlinearen Ströme, die in dem BAW-Resonator 300 induziert werden durch das Vorhandensein des nichtlinearen Substrats 110 als Antwort auf das parasitäre E-Feld 163, das an der oberen Elektrode 140 beginnt und durch das Substrat 110 hindurchgeht und an der unteren Elektrode 120 endet, in Verbindung mit dem elektrisch isolierenden Material 318 in dem erweiterten Teilbereich 317 des Hohlraums 315.
  • Im Allgemeinen wird die Auffangschicht 111 durch Umwandeln einer monokristallinen Struktur in einem Oberflächenbereich des Substrats 110 in eine amorphe oder polykristalline Struktur gebildet, wodurch die Bandlücke erhöht wird, die Auffangdichte erhöht wird und die Trägermobilität verringert wird (z.B. um mindestens das 100-fache). Zum Beispiel kann die Auffangschicht 111 das gleiche Material (z.B. Si) sein, wobei die Gitterstruktur des Substrats 110 innerhalb des Oberflächenbereichs (Auffangschicht 111) verändert ist (z.B. beschädigt oder zerstört). Dies kann zum Beispiel erreicht werden, indem ein polykristallines oder amorphes Material aus dem Material des Substrats 110 gebildet wird, wie oben erwähnt. Beschreibungen von Auffangschichten (Oberflächenbereiche mit hoher Auffangdichte) werden durch Handtmann et al., US-Patent US 7,728,485 (erteilt am 1. Juni 2010) bereitgestellt.
  • Die Aufnahme der Auffangschicht 111 erhöht den Widerstand an der Oberfläche des Substrats 110 sowie an der Grenzfläche zwischen dem Substrat 110 und der Schicht darüber (z.B. die untere Elektrode 120 und/oder die piezoelektrische Schicht 130), wodurch verringert wird, dass eine Widerstandszerstreuung bzw. -ableitung (resistive dissipation) und nichtlineare Ströme in die Oberfläche des Substrats 110 fließen. Die Auffangschicht 111 verringert auch die parasitäre Nichtlinearität (angezeigt durch das nichtlineare Element 780-2 in 7) insgesamt, indem die Spannungsabhängigkeit R(V) und C(V) darin verringert wird.
  • Durch Entfernen eines Teilbereichs des Substrats 110 unter dem Verbindungsstreifen 140' (erweiterter Teilbereich 317 in der in 3A dargestellten Ausführungsform) wird im Wesentlichen vollkommen verhindert, dass nichtlineare Ströme in das Substrat 110 fließen. Das parasitäre E-Feld 163 breitet sich aus, wenn es durch den erweiterten Teilbereich 317 hindurchgeht und ist somit abgeschwächt, wenn es die Oberfläche des Substrats 110 an dem Boden des Hohlraums 315 erreicht. Es kann jedoch immer noch ausreichend parasitäres E-Feld 163 vorhanden sein und in der Lage sein, durch das Substrat 110 an dem Boden des Hohlraums 315 hindurchzugehen. Die Auffangschicht 111 schwächt jedoch die nichtlineare Antwort in dem Substrat 110 in Gegenwart des parasitären E-Felds 163 ab. Das heißt, der Boden des Hohlraums 315, einschließlich des erweiterten Teilbereichs 317, wurde „passiviert“ unter Verwendung der Auffangschicht 111. Die Auffangschicht 111 verringert auch den Fluss von nichtlinearen Strömen, die an der Grenzfläche zwischen dem isolierenden Material 318 und dem (Halbleiter) Substrat 110 strömen würden. Es sei darauf hingewiesen, dass je tiefer der Hohlraum 315 ist, desto schwächer wird das parasitäre E-Feld 163 an dem Boden des Hohlraums 315 sein und somit desto kleiner die nichtlinearen Ströme (und Verlust), die durch das parasitäre E-Feld 163 induziert werden. Dies ist insbesondere der Fall in 3A bis 3B, sowie in 4A bis 4B, 5A bis 5B, 6A bis 6C, 9, 10 und 11, die unten diskutiert werden, wo der erweiterte Teilbereich bzw. die erweiterten Teilbereiche mit einem elektrisch isolierenden Material (318, 418, 518, 918, 1018, 1118) gefüllt sind, das weniger effektiv dabei ist zu vermeiden, dass das parasitäre E-Feld (163, 763) durch das Substrat (110, 710, 1110) hindurchgeht, als Gas oder ein Vakuum, wie zum Beispiel in 2A bis 2B und 8 gezeigt. Auch wenn in alternativen Ausführungsformen jeder der veranschaulichenden BAW-Resonatoren in 3A bis 3B, 4A bis 4B, 5A bis 5B, 6A bis 6C, 9, 10 und 11, die Auffangschicht 111 nicht beinhalten kann, ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen.
  • Selbst bei Verwendung der Auffangschicht an der Oberfläche des Substrats können ungewollte nichtlineare Ströme und Widerstandsverluste entlang der Grenzfläche zwischen der Auffangschicht und dem akustischen Stapel oder einer (Resonator-) Membran, die das Metall und die piezoelektrischen Schichten des BAW-Resonators aufweist, fließen. Durch Platzieren eine Lücke oder eines Hohlraums (z.B. gasgefüllt oder Vakuum) oder eines Isolators direkt unterhalb der Membran anstelle des Substrats (mit der Auffangschicht) können solche Ströme und Verluste im Wesentlichen eliminiert werden, selbst wenn der Hohlraum sehr dünn ist (z.B. einige Zehn Angstrom). Darüber hinaus, wenn der Hohlraum oder Isolator tiefer oder dicker ist (z.B. einige Mikrometer oder mehr), ist die Stärke des E-Felds, das auf das Substrat (mit der Auffangschicht) an dem Boden des Hohlraums auftrifft, verringert, weil die E-Feldlinien sich an der Oberfläche, wo sie auf die Oberfläche des Substrats auftreffen, ausgebreitet haben. Dementsprechend werden nichtlineare Strome (und damit zusammenhängende Verluste) an der neu erzeugten Grenzfläche auch abgeschwächt.
  • Hohlräume und/oder erweiterte Teilbereiche, die mit Gas oder einem Vakuum gefüllt sind, können jedoch auch von der Auffangschicht 111 profitieren, ein Beispiel hierfür ist durch den Querschnitt von BAW-Resonator 1200 in 12 gezeigt. Dies ist insbesondere der Fall, wo die Hohlräume und/oder erweiterten Teilbereiche relativ flach (untief) sind, so dass ein größerer Teil des parasitären E-Felds (163, 763) ansonsten in das Substrat (110, 710, 1110) eindringen können.
  • Unter Bezugnahme auf 3B zeigt die Draufsicht des BAW-Resonators 300 die obere Elektrode 140, die über der piezoelektrischen Schicht (aus Gründen der Einfachheit nicht gezeigt) gestapelt ist, die untere Elektrode 120 und den Hohlraum 315. Die äußeren Ränder des Hohlraums 315 sind gestrichelte Linien, die anzeigen, dass der Hohlraum 315 unterhalb von zumindest einem von der oberen Elektrode 140, der unteren Elektrode 120 und der piezoelektrischen Schicht 130 gelegen ist und daher ansonsten nicht sichtbar wäre in der Perspektive von 3B. Der erweiterte Teilbereich 317 des Hohlraums 315, der mit dem elektrisch isolierenden Material 318 gefüllt ist, ist gezeigt, dass er sich über den Verbindungsstreifen 140' hinaus erstreckt. In alternativen Konfigurationen kann der erweiterte Teilbereich 317 entfernt von bzw. kurz vor dem Verbindungsstreifen 140' enden oder bündig bzw. in Ausrichtung mit dem Verbindungsstreifen 140' sein, ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen. Das Substrat 110 ist ebenfalls nicht gezeigt in 3B aus Gründen der Einfachheit.
  • Das E-Feld 160, das in dem BAW-Resonator 300 als Antwort auf die elektrische Anregung, die über den Verbindungsstreifen 140' bereitgestellt wird, erzeugt wird, ist angezeigt durch E-Feldlinien, die an der unteren Oberfläche der oberen Elektrode 140 beginnen und an der unteren Elektrode 120 enden. Es sei darauf hingewiesen, dass das parasitäre E-Feld 163, wie in 3A gezeigt, durch das elektrisch isolierende Material 318 und den inneren Teilbereich 316 des Hohlraums 315 im Gegensatz zum Substrat 110 hindurchgeht zum Erreichen der unteren Elektrode 120. Idealerweise ist der Hohlraum 315 tief genug in dem Substrat 110 und erstreckt sich weit genug unter dem Verbindungsstreifen 140', dass kein parasitäres E-Feld 163 durch das Substrat 110 hindurchgeht, wie in 3A gezeigt. Das heißt, dass eine Länge des erweiterten Teilbereichs 317 ausreichend lang und ausreichend tief ist, um im Wesentlichen zu verhindern, dass das parasitäre E-Feld 163 durch das Substrat 110 hindurchgeht, wie gezeigt. In anderen Worten geht eine vernachlässigbare (geringfügige, unbedeutende) Menge des parasitären E-Felds 163 durch das Substrat 110 hindurch, dergestalt dass eine nichtlineare Antwort durch das Substrat 110 verbessert wird und ein in dem Substrat 110 erzeugter elektrischer Verlust verringert wird.
  • Darüber hinaus sitzt ein Teilbereich der unteren Elektrode 120 auf dem elektrisch isolierenden Material 318 des erweiterten Teilbereichs 317. Dementsprechend sorgt das elektrisch isolierende Material 318 für eine erweiterte strukturelle Unterstützung für die untere Elektrode 120 (und somit den akustischen Stapel 350) sowie für eine Haftung des akustischen Stapels 350 an dem Substrat 110. Da das elektrisch isolierende Material 318 mit der unteren Elektrode 120 in Kontakt ist, stellt es auch eine thermische Leitfähigkeit bereit, indem Hitze von dem akustischen Stapel 350 weg geleitet wird. Dies verbessert die Belastbarkeit (power handling) des BAW-Resonators 300 (verglichen mit zum Beispiel dem BAW-Resonator 200, der kein elektrisch isolierendes Material in dem Hohlraum 215 hat). Eine verbesserte Belastbarkeit beinhaltet zum Beispiel eine Zunahme der Menge an Leistung (power), die der BAW-Resonator 300 handhaben bzw. bewältigen kann, ohne dass der Betrieb negativ beeinflusst wird, und eine Zunahme des maximalen Leistungsgrenzwerts (power threshold), über dem der BAW-Resonator 300 beschädigt oder zerstört werden würde. In anderen Worten kann durch Verbesserung der Belastbarkeit eine höhere Leistung an den BAW-Resonator angelegt werden, ohne dass er überhitzt oder ausfällt. Wenn somit das elektrisch isolierende Material 318 aus einem Material (z.B. AIN oder SiC) gebildet wird, das ein guter Wärmeleiter ist und linearer als das Material des Substrats 110 ist, dann werden sowohl die Belastbarkeit als auch die nichtlineare Antwort auf das parasitäre E-Feld 163 durch das Substrat als auch der in dem Substrat 110 erzeugte elektrische Verlust verbessert. Es sei darauf hingewiesen, dass das elektrisch isolierende Material 318 in dem erweiterten Teilbereich 317 auch als ein Energieeinschlussmerkmal (Energiebeschränkungsmerkmal, energy confinement feature) fungieren kann, wie oben besprochen in Bezug auf den erweiterten Teilbereich 217 in 2A und 2B. Das Ausmaß, in dem der erweiterte Teilbereich 317 akustische Energie innerhalb des akustischen Stapels 350 einsperrt (falls überhaupt), hängt von dem Material ab, das für das elektrisch isolierende Material 318 benutzt wird, und die Dicke des Materials (Tiefe des erweiterten Teilbereichs 317), wie von einem Fachmann verstanden wird.
  • Die jeweiligen Eigenschaften von thermischer Leitfähigkeit und Linearität des elektrisch isolierenden Materials 318 können selbstverständlich variieren, um einzigartige Vorteile für jede bestimmte Situation bereitzustellen oder um anwendungsspezifische Anforderungen an das Design von verschiedenartigen Implementation zu erfüllen, wie es für einen Fachmann ersichtlich wäre. Zum Beispiel kann das elektrisch isolierende Material 318 eine gute thermische Leitfähigkeit bereitstellen, hat aber eine relativ hohe Nichtlinearität, so dass in diesem Fall die Verbesserung bei der Belastbarkeit ausgeprägter wäre als die Verbesserung bei der Nichtlinearität und dem elektrischen Verlust. In ähnlicher Weise kann das elektrisch isolierende Material 318 eine schlechte thermische Leitfähigkeit bereitstellen, hat aber eine relativ hohe Linearität, so dass in diesem Fall die Verbesserung bei der Nichtlinearität und dem elektrischen Verlust ausgeprägter wäre als die Verbesserung bei der Belastbarkeit. Im Allgemeinen ist es wünschenswert, ein isolierendes Material einzubauen, das eine hohe elektrische Linearität (um nicht die Linearität des Resonators zu herabzusetzen), niedrige elektrische und mechanische Verlusteigenschaften (um nicht den Q-Faktor Linearität des Resonators zu herabzusetzen) und eine hohe thermische Leitfähigkeit (zur Unterstützung bei der Herstellung eines BAW-Resonators, bei dem Wärme von dem akustischen Stapel durch das Isolatormaterial und in das Substrat an dem Verbindungsrand des Resonators fließen wird), die alle sicherstellen, dass der BAW-Resonator eine gute Belastbarkeitsfähigkeit haben wird, dessen Wichtigkeit von einem Fachmann gewürdigt würde.
  • 4A und 4B sind vereinfachte Querschnittsansichten und Draufsichten eines BAW-Resonators, der einen erweiterten Hohlraum beinhaltet, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform, wobei 4A der Querschnitt entlang der Linie A-A' von 4B ist.
  • Unter Bezugnahme auf 4A ist der BAW-Resonator 400 ein FBAR und beinhaltet das Substrat 110 mit einem Hohlraum (Kavität) 415, der in einer oberen Oberfläche des Substrats 110 gebildet ist, und einer Auffangschicht (Einfangschicht, trap layer) 111, die an oberen Oberflächen des Substrats 110, einschließlich Oberflächen, die Seiten und Boden des Hohlraums 415 bilden, gebildet ist. Ähnlich zu dem oben besprochenen BAW-Resonator 300 beinhaltet der BAW-Resonator 400 eine untere Elektrode 120, die über dem Substrat 110 und dem Hohlraum 415 angeordnet ist, eine piezoelektrische Schicht 130, die über der unteren Elektrode 120 angeordnet ist, und eine obere Elektrode 140 ist über der piezoelektrischen Schicht 130 angeordnet, die einen akustischen Stapel 450 bilden. Ein aktiver Bereich 455 des akustischen Stapels 450 beinhaltet überlappende Teilbereiche eines inneren Teilbereichs 416 des Hohlraums 415 (unten besprochen), der unteren Elektrode 120, der piezoelektrischen Schicht 130 und der oberen Elektrode 140. Ein äußerer Umfang des aktiven Bereichs 455 ist durch ein Paar (vertikaler) gestrichelter Linien angezeigt. Der BAW-Resonator 400 beinhaltet auch einen Verbindungsstreifen 140', der sich aus einem Teilbereich der oberen Elektrode 140 erstreckt.
  • In der dargestellten Ausführungsform beinhaltet der Hohlraum 415 den inneren Teilbereich 416 innerhalb des aktiven Bereichs 455 und erweiterte Teilbereiche 417, 417', die sich von dem äußeren Umfang des aktiven Bereichs 455 in unterschiedlichen Richtungen erstrecken. Der erweiterte Teilbereich 417 erstreckt sich unterhalb des Verbindungsstreifens 140', wie der erweiterte Teilbereich 317, der oben unter Bezugnahme auf 3A und 3B besprochen wurde. Der erweiterte Teilbereich 417' erstreckt sich in mindestens eine Richtung, die nicht unterhalb des Verbindungsstreifens 140' ist. In der dargestellten Ausführungsform erstreckt sich der erweiterte Teilbereich 417' in eine Richtung weg von (gegenüberliegend zu) dem Verbindungsstreifens 140' (in der Querschnittsansicht), auch wenn, wie in 4B ersichtlich ist, sich der erweiterte Teilbereich 417' über den äußeren Umfang des aktiven Bereichs auf allen Seiten hinaus erstreckt. Der Hohlraum 415 beinhaltet ferner einen unteren Teilbereich 419 entlang der unteren Oberfläche des Hohlraums 415, der den Boden des inneren Teilbereichs 416 definiert. Der untere Teilbereich 419 ist einstückig (integral) mit den erweiterten Teilbereiche 417, 417'.
  • Der innere Teilbereich 416 ist mit Gas gefüllt (oder ist ein Vakuum) und die erweiterten Teilbereiche 417, 417' und der untere Teilbereich 419 weisen ein elektrisch isolierendes Material 418 auf, das hochlinear ist, wie zum Beispiel NEBSG, dotiertes oder undotiertes SiO2, AIN oder SiC, auch wenn andere lineare elektrisch isolierende Materialien eingebaut sein können, ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen. Das elektrisch isolierende Material 418 hat die gleichen Eigenschaften (z.B. linearere elektrisch isolierende Materialien) und stellt die gleichen Funktionen bereit, wie das elektrisch isolierende Material 318 in 3A und 3B, die daher nicht im Einzelnen wiederholt werden. Solche Funktionen beinhalten ein Bereitstellen eines Pfads für das parasitäre E-Feld 163 von der oberen Elektrode 140 zu der unteren Elektrode 120, der nicht durch das Substrat 110 hindurchgeht oder durch einen sehr kleinen (vernachlässigbaren) Teilbereich des Substrats hindurchgeht, so dass eine nichtlineare Antwort auf das parasitäre E-Feld 163 durch das Substrat 110 verbessert wird und ein in dem Substrat 110 erzeugter elektrischer Verlust verringert wird. Auch stellt das elektrisch isolierende Material 418 eine strukturelle Unterstützung für die untere Elektrode 120 bereit und einen thermisch leitfähigen Pfad von dem akustischen Stapel 450, so dass die Belastbarkeit des BAW-Resonators 400 verbessert ist, zum Beispiel gegenüber der Ausführungsform in 2A und 2B.
  • In der dargestellten Ausführungsform ist der untere Teilbereich 419 einstückig (integral) mit den erweiterten Teilbereichen 417, 417', was von dem bestimmten Ätz-/Herstellungsverfahren herrührt. Das heißt, 4A zeigt das Ergebnis eines Verfahrens, bei dem der Hohlraum 415 mit dem elektrisch isolierenden Material 418 gefüllt wird und dann der innere Teilbereich 416 (z.B. unter Verwendung einer Ätzmaske) partiell durch das isolierende Material 418 zu dem Boden des Hohlraums 415 hin (weg-)geätzt wird. In anderen Ausführungsformen gibt es keinen unteren Teilbereich 419; in diesem Fall erstreckt sich der innere Teilbereich 416 bis zu dem Boden des Hohlraums 415 (endend an dem Substrat 110). Dies würde sich zum Beispiel durch ein Verfahren ergeben, bei dem der Hohlraum 415 mit dem elektrisch isolierenden Material 418 gefüllt wird und dann der innere Teilbereich vollständig durch das isolierende Material 418 (weg-)geätzt wird. Alternativ kann das entsprechende Verfahren ein Zugeben des elektrisch isolierenden Materials 418 nur in den erweiterten Teilbereichen 417 und 417' zum Beispiel aufweisen, indem der innere Teilbereich 416 zunächst mit einem Opfermaterial (z.B. PSG) gefüllt wird, das entfernt wird, nachdem das elektrisch isolierende Material 418 die erweiterten Teilbereiche 417 und 417' gefüllt hat.
  • Unter Bezugnahme auf 4B zeigt die Draufsicht des BAW-Resonators 400 die obere Elektrode 140, die über der piezoelektrischen Schicht (aus Gründen der Einfachheit nicht gezeigt) gestapelt ist, die untere Elektrode 120, einen inneren Teilbereich 416 des Hohlraums 415 und die erweiterten Teilbereiche 417, 417' des Hohlraums 415. Die äußeren Ränder des inneren Teilbereichs 416 und der erweiterten Teilbereiche 417, 417' sind gestrichelte Linien, die anzeigen, dass sie unterhalb von zumindest einem von der oberen Elektrode 140, der unteren Elektrode 120 und der piezoelektrischen Schicht 130 gelegen sind und daher ansonsten nicht sichtbar wären in der Perspektive von 4B. Die erweiterten Teilbereiche 417, 417' des Hohlraums 415, die mit dem elektrisch isolierenden Material 418 gefüllt sind, sind gezeigt, dass sie sich über die obere Elektrode 140 und die untere Elektrode 120 auf allen Seiten hinaus erstrecken und auch über den Verbindungsstreifen 140' hinaus erstrecken. In alternativen Konfigurationen kann es sein, dass sich der Hohlraum 415 nicht über die untere Elektrode 120 auf einer oder mehreren Seiten (oder Rändern) der unteren Elektrode 120 hinaus erstreckt, ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen. Auch kann der erweiterte Teilbereich 417 entfernt von bzw. kurz vor dem Verbindungsstreifen 140' enden oder bündig bzw. in Ausrichtung mit dem Verbindungsstreifen 140' sein, ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen. Das Substrat 110 ist ebenfalls nicht gezeigt in 4B aus Gründen der Einfachheit.
  • Wie oben besprochen, wird das E-Feld 160, das in dem BAW-Resonator 400 als Antwort auf die elektrische Anregung, die über den Verbindungsstreifen 140' bereitgestellt wird, erzeugt wird, durch E-Feldlinien angezeigt. Wie in 4A gezeigt, geht das parasitäre E-Feld 163 durch das elektrisch isolierende Material 418 im Gegensatz zum Substrat 110 hindurch zum Erreichen der unteren Elektrode 120. Idealerweise ist der Hohlraum 415 tief genug in dem Substrat 110 und erstreckt sich weit genug unter dem Verbindungsstreifen 140', dass kein parasitäres E-Feld 163 durch das Substrat 110 hindurchgeht, wie in 4A gezeigt, dergestalt dass eine nichtlineare Antwort durch das Substrat 110 verbessert wird und ein in dem Substrat 110 erzeugter elektrischer Verlust verringert wird, wie oben unter Bezugnahme auf 3A und 3B besprochen wurde. In der Praxis kann so eine kleine Menge des parasitären E-Felds 163 durch das Substrat 110 hindurchgehen, dass es keine wesentliche Auswirkung auf die Nichtlinearität des BAW-Resonators 400 hätte, ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen.
  • In den vorstehenden Ausführungsformen, beinhaltet jeder der BAW-Resonatoren 200, 300 und 400 zumindest einen erweiterten Teilbereich 217, 317 und 417, der sich unterhalb des Verbindungsstreifens 140' erstreckt. Die in 4A und 4B gezeigte Ausführungsform beinhaltet ferner einen zusätzlichen erweiterten Teilbereich 417', der sich in einer Richtung weg von dem Verbindungsstreifens 140' erstreckt (in der Querschnittsansicht). Es wird verstanden, dass sich zusätzliche erweiterte Teilbereiche der Hohlräume 215, 315 und 415 in jede beliebige Richtung(en) erstrecken können mit Ausnahme unterhalb des Verbindungsstreifens 140', ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen. Des Weiterem kann es sein, dass verschiedenartige Ausführungsformen keinen Teilbereich der Hohlräume 215, 315 und 415, der sich unterhalb des Verbindungsstreifens 140' erstreckt, beinhalten. Vielmehr erstreckt sich jeder erweiterte Teilbereich bzw. alle erweiterten Teilbereiche in eine andere Richtung bzw. in anderen Richtungen als der Verbindungsstreifen 140' (z.B. weg davon).
  • 5A und 5B sind vereinfachte Querschnittsansichten und Draufsichten eines BAW-Resonators, der einen erweiterten Hohlraum beinhaltet, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform, wobei 5A der Querschnitt entlang der Linie A-A' von 5B ist.
  • Unter Bezugnahme auf 5A ist der BAW-Resonator 500 ein FBAR und beinhaltet ein Substrat 110 und eine Interposer-Schicht 517, die über dem Substrat 110 und einer Auffangschicht (Einfangschicht, trap layer) 111, die an oberen Oberflächen des Substrats 110 (z.B. der oberen Oberfläche in 5A) gebildet ist, angeordnet ist. Die Interposer-Schicht 517 ist aus einem elektrisch isolierenden Material 518 gebildet, das hochlinear ist, wie zum Beispiel NEBSG, dotiertes oder undotiertes SiO2, AIN oder SiC, auch wenn andere lineare elektrisch isolierende Materialien eingebaut sein können, ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen. Das elektrisch isolierende Material 518 hat die gleichen Eigenschaften (z.B. linearere elektrisch isolierende Materialien) und stellt die gleichen Funktionen bereit, wie das elektrisch isolierende Material 318, das oben unter Bezugnahme auf 3A und 3B beschrieben wurde, die daher nicht im Einzelnen wiederholt werden. Ein Hohlraum 515 ist in einer oberen Oberfläche der Interposer-Schicht 517 gebildet im Gegensatz zu in einer oberen Oberfläche des Substrats 110.
  • Ähnlich zu dem oben besprochenen BAW-Resonator 300 beinhaltet der BAW-Resonator 500 ferner eine untere Elektrode 120, die über dem Substrat 110 und dem Hohlraum 515 angeordnet ist, eine piezoelektrische Schicht 130, die über der unteren Elektrode 120 angeordnet ist, und eine obere Elektrode 140, die über der piezoelektrischen Schicht 130 angeordnet ist, die einen akustischen Stapel 550 bilden. Ein aktiver Bereich 555 des akustischen Stapels 550 beinhaltet überlappende Teilbereiche des Hohlraums 515, der unteren Elektrode 120, der piezoelektrischen Schicht 130 und der oberen Elektrode 140. Ein äußerer Umfang des aktiven Bereichs 555 ist durch ein Paar (vertikaler) gestrichelter Linien angezeigt. Der BAW-Resonator 500 beinhaltet auch einen Verbindungsstreifen 140', der sich aus einem Teilbereich der oberen Elektrode 140 erstreckt.
  • Der Hohlraum 515 ist mit Gas gefüllt (oder ist ein Vakuum). Da der Hohlraum 515 in der Interposer-Schicht 517 gebildet ist im Gegensatz zu dem Substrat 110, beinhaltet es keinen erweiterten Teilbereich bzw. keine erweiterten Teilbereiche, die sich unterhalb des Verbindungssteifens 140' erstrecken. Vielmehr sorgt die Interposer-Schicht 517 für einen Pfad für das parasitäre E-Feld 163 von der oberen Elektrode 140 zu der unteren Elektrode 120, der nicht durch das Substrat 110 hindurchgeht, oder eine vernachlässigbare Menge des parasitären E-Felds 163 geht durch einen Teilbereich des Substrats 110 hindurch, dergestalt dass eine nichtlineare Antwort auf das parasitäre E-Feld durch das Substrat 110 verbessert wird und ein in dem Substrat 110 erzeugter elektrischer Verlust verringert wird. Auch stellt das elektrisch isolierende Material 518 der Interposer-Schicht 517 eine strukturelle Unterstützung für die untere Elektrode 120 bereit und einen thermisch leitfähigen Pfad von dem akustischen Stapel 550, so dass die Belastbarkeit des BAW-Resonators 500 verbessert ist.
  • Unter Bezugnahme auf 5B zeigt die Draufsicht des BAW-Resonators 500 die obere Elektrode 140, die über der piezoelektrischen Schicht (aus Gründen der Einfachheit nicht gezeigt) gestapelt ist, die untere Elektrode 120, den Hohlraum 515 und die Interposer-Schicht 517. Die äußeren Ränder des Hohlraums 515 sind gestrichelte Linien, die anzeigen, dass sie unterhalb von zumindest einem von der oberen Elektrode 140, der unteren Elektrode 120 und der piezoelektrischen Schicht 130 gelegen sind und daher ansonsten nicht sichtbar wären in der Perspektive von 5B. Die Interposer-Schicht 517, die aus dem elektrisch isolierenden Material 518 gebildet ist, ist gezeigt, dass sie sich über die obere Elektrode 140 und die untere Elektrode 120 auf allen Seiten hinaus erstreckt und auch über den Verbindungsstreifen 140' hinaus erstreckt. In alternativen Konfigurationen kann es sein, dass sich die Interposer-Schicht 517 nicht über die untere Elektrode 120 auf einer oder mehreren Seiten (oder Rändern) der unteren Elektrode 120 hinaus erstreckt, ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen. Auch kann die Interposer-Schicht 517 entfernt von bzw. kurz vor dem Verbindungsstreifen 140' enden oder bündig bzw. in Ausrichtung mit dem Verbindungsstreifen 140' sein, ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen. Das Substrat 110 ist ebenfalls nicht gezeigt in 5B aus Gründen der Einfachheit.
  • Wie oben besprochen, wird das E-Feld 160, das in dem BAW-Resonator 500 als Antwort auf die elektrische Anregung, die über den Verbindungsstreifen 140' bereitgestellt wird, erzeugt wird, durch E-Feldlinien angezeigt. Wie in 5A gezeigt, geht das parasitäre E-Feld 163 durch das elektrisch isolierende Material 518 der Interposer-Schicht 517 im Gegensatz zum Substrat 110 hindurch zum Erreichen der unteren Elektrode 120. Idealerweise ist die Interposer-Schicht 517 dick genug, dass kein parasitäres E-Feld 163 durch das Substrat 110 hindurchgeht, wie in 5A gezeigt, dergestalt dass eine nichtlineare Antwort durch das Substrat 110 verbessert wird und ein in dem Substrat 110 erzeugter elektrischer Verlust verringert wird, wie oben unter Bezugnahme auf 3A und 3B besprochen wurde. In der Praxis kann solch eine kleine Menge des parasitären E-Felds 163 durch das Substrat 110 hindurchgehen, dass es keine wesentliche Auswirkung auf die Nichtlinearität des BAW-Resonators 500 hätte, ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen. Wie in 5A gezeigt, geht das parasitäre E-Feld 163 durch das elektrisch isolierende Material 518 im Gegensatz zum Substrat 110 hindurch und endet an der unteren Elektrode 120. In alternativen Ausführungsformen (nicht gezeigt) kann der Hohlraum 515 sich durch die gesamte Dicke der Interposer-Schicht 517 und zum Teil in das Substrat 110 hinein erstrecken, ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen. In diesem Fall wird immer noch verstanden, dass die Interposer-Schicht 517 dick genug ist und/oder der Hohlraum tief genug in dem Substrat 110 ist, dass wieder die Stärke des E-Felds an der Grenzfläche (zwischen der Interposer-Schicht 517 und dem Substrat 110) schwächer ist, weil die Grenzfläche von dem Bereich getrennt ist, wo das parasitäre E-Feld 163 am Größten ist (wo die Metallelektroden nahe davon beabstandet sind), durch die Dicke der Interposer-Schicht 517.
  • Durch Zufügen der Interposer-Schicht 517 werden auch nichtlineare Ströme, die durch schwächere E-Felder induziert werden, als die in 5A gezeigten, eliminiert. Diese schwächeren E-Felder haben entsprechende elektrische Kraftlinien, die an der oberen Elektrode 140 beginnen und an unteren Elektroden in anderen Teilen des BAW-Schaltkreises enden (nicht gezeigt in 5A, weil sie entweder außerhalb der Ebene von 5A sind oder auf der Seite des Verbindungsrands sind, die dem in 5A gezeigten akustischen Stapel gegenüber liegt).
  • in der in 5A und 5B dargestellten Ausführungsform ist die Stärke von allen E-Feldern, die in das Substrat 110 eindringen, durch den Einbau der Interposer-Schicht 517 reduziert im Vergleich zu den anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen. In anderen Ausführungsformen ist das parasitäre E-Feld 163 typischerweise das Stärkste in dem Gebiet des Substrats 110 direkt unterhalb des Verbindungsrands. In der vorliegenden Ausführungsform jedoch befindet sich nun das parasitäre E-Feld 163, das in dem Substrat 110 direkt unterhalb des Verbindungsrands aufgetreten wäre, im Wesentlichen innerhalb des linearen Materials der Interposer-Schicht 517. Die Größe des parasitären E-Felds 163, das in das Substrat 110 unter der Interposer-Schicht 517 (insbesondere direkt unterhalb des Verbindungsrands) eindringt, wird stark reduziert, so dass die nichtlinearen Ströme, die in dem BAW-Resonator durch das parasitäre E-Feld 163 induziert werden, verringert werden.
  • Jeder der BAW-Resonatoren 200, 300, 400 und 500, die oben in den 3A bis 5B dargestellt sind, beinhaltet einen Verbindungsstreifen 140', der sich aus einem Teilbereich der jeweiligen oberen Elektrode 140 erstreckt. In alternativen Ausführungsformen jedoch kann ein BAW-Resonator mehrere Verbindungsstreifen aufweisen, die sich von verschiedenen (unterschiedlichen) Teilbereichen (z.B. verschiedenen Rändern) der oberen Elektrode erstrecken, ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen. Auch insbesondere in Bezug auf die BAW-Resonatoren 200, 300 und 400 können sie ferner zusätzliche erweiterte Teilbereiche der Hohlräume beinhalten, wobei sich jeder erweiterte Teilbereich von dem äußeren Umfang des aktiven Bereichs unter einem entsprechenden zusätzlichen Verbindungsstreifen erstreckt, ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen.
  • 6A, 6B und 6C sind vereinfachte Querschnittsansichten und Draufsichten eines BAW-Resonators, der mehrere (z.B. zwei) erweiterte Hohlräume und Verbindungsstreifen beinhaltet, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform, wobei 6A und 6B Querschnitte entlang der Linien A-A' bzw. B-B' von 6C bereitstellen.
  • Unter Bezugnahme auf 6A ist der BAW-Resonator 600 ein FBAR und beinhaltet ein Substrat 110 mit einem Hohlraum (Kavität) 315, der in einer oberen Oberfläche des Substrats 110 gebildet ist, und einer Auffangschicht (Einfangschicht, trap layer) 111, die an oberen Oberflächen des Substrats 110, einschließlich Oberflächen, die Seiten und Boden des Hohlraums 315 bilden, gebildet ist. Der Querschnitt des BAW-Resonators 600 in 6A ist im Wesentlichen der gleiche wie der Querschnitt des BAW-Resonators 300, der in 3A gezeigt ist, so dass eine Beschreibung der relevanten Merkmale nicht wiederholt wird. Unter Bezugnahme auf 6B beinhaltet der BAW-Resonator 600 eine untere Elektrode 120, die über dem Substrat 110, dem Hohlraum 315 und der Auffangschicht 111 angeordnet ist, eine piezoelektrische Schicht 130, die über der unteren Elektrode 120 angeordnet ist, und eine obere Elektrode 140 ist über der piezoelektrischen Schicht 130 angeordnet, die einen akustischen Stapel 350 bilden. Ein aktiver Bereich 355 des akustischen Stapels 350 beinhaltet überlappende Teilbereiche eines inneren Teilbereichs 316 des Hohlraums 315, der unteren Elektrode 120, der piezoelektrischen Schicht 130 und der oberen Elektrode 140. Ein äußerer Umfang des aktiven Bereichs 355 ist durch ein Paar (vertikaler) gestrichelter Linien angezeigt. Der BAW-Resonator 600 beinhaltet auch einen zusätzlichen Verbindungsstreifen 140" sowie den Verbindungsstreifen 140', der sich aus einem anderen Teilbereich der oberen Elektrode 140 erstreckt als der Teilbereich der oberen Elektrode 140, aus dem sich der Verbindungsstreifen 140' erstreckt.
  • In der dargestellten Ausführungsform beinhaltet somit der Hohlraum 315 den inneren Teilbereich 316 innerhalb des aktiven Bereichs 355, den erweiterten Teilbereich 317 und einen zusätzlichen erweiterten Teilbereich 319, der sich von dem äußeren Umfang (bzw. einem anderen Abschnitt des äußeren Umfangs) des aktiven Bereichs 355 unterhalb des zusätzlichen Verbindungsstreifens 140" erstreckt. Der innere Teilbereich 316 ist mit Gas gefüllt (oder ist ein Vakuum) und jeder von dem erweiterten Teilbereich 317 und dem zusätzlichen erweiterten Teilbereich 319 ist mit einem elektrisch isolierenden Material 318 gefüllt, das hochlinear ist, wie zum Beispiel NEBSG, dotiertes oder undotiertes SiO2, AIN oder SiC, auch wenn andere lineare elektrisch isolierende Materialien eingebaut sein können, ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen.
  • Unter Bezugnahme auf 6C zeigt die Draufsicht des BAW-Resonators 600 die obere Elektrode 140, die über der piezoelektrischen Schicht (aus Gründen der Einfachheit nicht gezeigt) gestapelt ist, die untere Elektrode 120 und den Hohlraum 315. Die äußeren Ränder des Hohlraums 315 sind gestrichelte Linien, die anzeigen, dass der Hohlraum 315 unterhalb von zumindest einem von der oberen Elektrode 140, der unteren Elektrode 120 und der piezoelektrischen Schicht 130 gelegen ist und daher ansonsten nicht sichtbar wäre in der Perspektive von 6C. Der erweiterte Teilbereich 317 und der zusätzliche erweiterte Teilbereich 319 des Hohlraums 315, die mit dem elektrisch isolierenden Material 318 gefüllt sind, sind gezeigt, dass sie sich über den Verbindungsstreifen 140' bzw. den zusätzlichen Verbindungsstreifen 140" hinaus erstrecken. In alternativen Konfigurationen können der erweiterte Teilbereich 317 und/oder der zusätzliche erweiterte Teilbereich 319 entfernt von bzw. kurz vor den Verbindungsstreifen 140' enden und/oder 140" oder bündig bzw. in Ausrichtung mit den Verbindungsstreifen 140' und/oder 140" sein, ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen. Das Substrat 110 ist ebenfalls nicht gezeigt in 6C aus Gründen der Einfachheit.
  • Das E-Feld 160, das in dem BAW-Resonator 600 als Antwort auf die elektrische Anregung, die über den Verbindungsstreifen 140' und den zusätzlichen Verbindungsstreifen 140" bereitgestellt wird, erzeugt wird, ist angezeigt durch E-Feldlinien, die sich von der unteren Oberfläche der oberen Elektrode 140 zu der unteren Elektrode 120 erstrecken. Es sei darauf hingewiesen, dass das parasitäre E-Feld 163, wie in 6A und 6B gezeigt, durch das elektrisch isolierende Material 318 in jedem von dem erweiterten Teilbereich 317 und dem zusätzlichen erweiterten Teilbereich 319 sowie den inneren Teilbereich 316 des Hohlraums 315 hindurchgeht und an der unteren Elektrode 120 endet. Somit geht, wie oben besprochen, eine vernachlässigbare Menge des parasitären E-Felds 163 durch das Substrat 110 hindurch, dergestalt dass eine nichtlineare Antwort durch das Substrat 110 verbessert wird und ein in dem Substrat 110 erzeugter elektrischer Verlust verringert wird.
  • Des Weiteren, weil sowohl der erweiterte Teilbereich 317 als auch der zusätzliche erweiterte Teilbereich 319 mit dem elektrisch isolierenden Material 318 im Gegensatz zu Gas (oder Vakuum) gefüllt sind, sitzen zum Beispiel mehrere Teilbereiche der unteren Elektrode 120 auf dem elektrisch isolierenden Material 318. Dementsprechend sorgt das elektrisch isolierende Material 318 für eine stärker erweiterte strukturelle Unterstützung für die untere Elektrode 120 (und somit den akustischen Stapel 350). Da das elektrisch isolierende Material 318 mit der unteren Elektrode 120 in Kontakt ist, stellt es auch eine zusätzliche thermische Leitfähigkeit bereit, indem Hitze von dem akustischen Stapel 350 weg durch das elektrisch isolierende Material in sowohl dem erweiterten Teilbereich 317 als auch dem zusätzlichen erweiterten Teilbereich 319 geleitet wird. Dies verbessert die Belastbarkeit (power handling) des BAW-Resonators 300.
  • Auch wenn die 6A bis 6C einen akustischen BAW-Resonator mit einer Konfiguration ähnlich zu 3A und 3B in Bezug auf die Struktur des Hohlraums und des erweiterten Teilbereichs bzw. der erweiterten Teilbereiche des Hohlraums in dem Substrat (und dem elektrisch isolierenden Material darin) darstellen, wird verstanden, dass die akustischen BAW-Resonatoren 200 und 400 von 2A, 2B und 4A, 4B in ähnlicher Weise Hohlräume mit mehreren erweiterten Teilbereichen aufweisen können, wie in 6A bis 6C gezeigt, mit oder ohne elektrisch isolierendes Material. Des Weiteren kann es für jede dieser Konfigurationen mehr als einen zusätzlichen erweiterten Teilbereich des Hohlraums geben, der sich von dem äußeren Umfang (bzw. anderen Abschnitten des äußeren Umfangs) des aktiven Bereichs erstreckt, ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass BAW-Resonatoren, einschließlich FBARs, Energieeinschlussmerkmale (Energiebeschränkungsmerkmale, energy confinement features) zur Verbesserung verschiedenartiger Leistungsparameter, wie zum Beispiel den Q-Faktor, den Parallelwiderstand (Rp) und den Kopplungskoeffizienten kt2 beinhalten können. Solche Merkmale beinhalten Luftbrücken, Luftflügel, innere und äußere Rahmen, Kragen und dergleichen, die im Allgemeinen einen elektrisch angeregten Kolbenmodus (piston mode) in dem Rahmenbereich unterdrücken, und sich ausbreitende (propagierende) Eigenmodi in lateralen Richtungen reflektieren oder anderweitig resonant unterdrücken, die den Betrieb des akustischen Resonatorgeräts verbessern. Beispiele für solche Merkmale sind durch BURAK et al., US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer US 2012/0218060 (veröffentlicht am 30. August 2012) und BURAK et al., US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer US 2015/0280687 (veröffentlicht am 1. Oktober 2015) beschrieben. Beispiele für Luftbrücken und/oder Luftflügen sind insbesondere durch BURAK et al., US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer US 2012/0218057 (veröffentlicht am 30. August 2012), CHOY et al., US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer US 2010/0327697 (veröffentlicht am 30. Dezember 2010), und CHOY et al., US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer US 2010/0327994 (veröffentlicht am 30. Dezember 2010) beschrieben. Die BAW-Resonatoren 200, 300, 400 und 500, die konfiguriert sind zum Verringern oder Eliminieren jeweiliger parasitärer E-Felder 163, dass sie nicht durch das Substrat 110 hindurchgehen, wie oben besprochen, können eines oder mehrere solcher Merkmale enthalten, ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen. Zum Beispiel ist 7 eine vereinfachte Querschnittsansicht eines BAW-Resonators ohne einen erweiterten Teilbereich des Hohlraums. Der BAW-Resonator, wie er in 7 gezeigt ist, beinhaltet eine Luftbrücke als ein veranschaulichendes Energieeinschlussmerkmal und 8 bis 10 sind vereinfachte Querschnittsansichten von BAW-Resonatoren, die erweiterte Hohlräume und Luftbrücken enthalten, gemäß repräsentativer Ausführungsformen.
  • Zusätzlich zu der vereinfachten Querschnittsansicht des BAW-Resonators beinhaltet 7 auch ein Schaltkreisdiagramm bzw. ein Schaltbild, das die Verschaltung entsprechend verschiedenartiger Merkmale des in der Querschnittsansicht dargestellten BAW-Resonators anzeigt. Eine entsprechende Draufsicht ist aus Gründen der Einfachheit nicht enthalten, auch wenn solch eine Draufsicht ähnlich zu 1B wäre mit dem Zusatz der Luftbrücke und einem Kontaktpad, das zum Weiterleiten von elektrischen Signalen konfiguriert ist, wie unten besprochen.
  • Unter Bezugnahme auf 7 ist der BAW-Resonator 700 ein FBAR mit einer Luftbrücke 775. Der BAW-Resonator 700 beinhaltet ein Substrat 710 und einen Hohlraum (Kavität) 715, der in einer oberen Oberfläche des Substrats 710 als ein akustischer Reflektor gebildet ist. Eine erste (untere) Elektrode 720 ist über dem Substrat 710 und dem Hohlraum 715 angeordnet, einschließlich eines entfernten Teilbereichs 720' der unteren Elektrode 720, der unterhalb eines Metallkontaktpads 770, das zum Weiterleiten von elektrischen Signalen konfiguriert ist, positioniert ist. Eine piezoelektrische Schicht 730 ist über der unteren Elektrode 720 angeordnet und eine zweite (obere) Elektrode 740 ist über der piezoelektrischen Schicht 730 angeordnet. Die untere Elektrode 720, die piezoelektrische Schicht 730 und die obere Elektrode 740 bilden einen akustischen Stapel 750. Ein aktiver Bereich 755 des akustischen Stapels 750 beinhaltet überlappende Teilbereiche des Hohlraums 715, der unteren Elektrode 720, der piezoelektrischen Schicht 730 und der oberen Elektrode 740 und ist an mindestens einer Seite durch einen inneren Rand der Luftbrücke 775 begrenzt. Ein äußerer Umfang des aktiven Bereichs 755 ist durch ein Paar (vertikaler) gestrichelter Linien angezeigt. Der BAW-Resonator 700 beinhaltet auch einen Verbindungsstreifen (connecting strip) 740', der sich aus einem Teilbereich der oberen Elektrode 740 erstreckt, wie unten noch detaillierter besprochen. Es wird verstanden, dass die jeweiligen Materialien, die das Substrat 710, die untere Elektrode 720, die piezoelektrische Schicht 730 bzw. die obere Elektrode 740 (und die Passivierungsschicht) bilden, die gleichen sind wie oben unter Bezugnahme auf das Substrat 110, die untere Elektrode 120, die piezoelektrische Schicht 130 und die obere Elektrode 140 besprochen wurden und werden daher nicht wiederholt.
  • Der Verbindungsstreifen 740' sorgt für (bzw. stellt) eine elektrische Anregung des akustischen Stapels 750 durch die obere Elektrode 740 (bereit). Insbesondere kontaktiert der Verbindungsstreifen 740' das Metallkontaktpad 770, das elektrische Signale empfängt, z.B. über eine Durchkontaktierung (Via) oder einen anderen Leiter, die mit dem Metallkontaktpad 770 elektrisch verbunden sind. Das Metallkontaktpad kann zum Beispiel aus Gold (Au) gebildet sein.
  • Ein E-Feld 760 wird in dem BAW-Resonator 700 erzeugt als Antwort auf die elektrische Anregung, angezeigt durch E-Feldlinien. Ein Teil des E-Felds 760, der von der oberen Elektrode 740 durch die piezoelektrische Schicht 730 erzeugt wird und an der unteren Elektrode innerhalb des aktiven Bereichs 755 des akustischen Stapels 750 endet, kann als ein in Betrieb befindliches (operatives) E-Feld 761 bezeichnet werden. Ein anderer Teil des E-Felds 760, der an der oberen Elektrode 740 außerhalb des aktiven Bereichs 755 beginnt und an der unteren Elektrode 720 endet, kann als ein parasitäres E-Feld 763 bezeichnet werden. Zumindest ein Teil des parasitären E-Felds 763 geht durch das Substrat 710 (und möglicherweise durch einen Teilbereich des Hohlraums 715) hindurch, um an der unteren Elektrode 720 (auf deren unterer Oberfläche) zu enden. Zum Zwecke der Veranschaulichung ist das Substrat 710 aus einem nichtlinearen Material (z.B. Si) gebildet, was zu einer nichtlinearen Antwort des BAW-Resonators 700 auf das parasitäre E-Feld 763 führt.
  • Wie oben erwähnt, beinhaltet 7 auch ein Schaltkreisdiagramm bzw. ein Schaltbild, das die Verschaltung entsprechend verschiedenartiger Merkmale des BAW-Resonators 700 anzeigt. Der aktive Bereich 755 entspricht dem aktiven Resonator 755-1 (angezeigt durch einen gestrichelten Kasten), das in dem Schaltbild eine untere Elektrode 720-1 und eine obere Elektrode 740-1 beinhaltet. Die E-Feldlinien, die das parasitäre E-Feld 763 anzeigen, entsprechen den parallelen Nebenschlussschaltelementen (parallel shunt circuit elements) parallel zu dem aktiven Resonator 755-1 und verbunden zwischen den Geräteanschlüssen 701 und 702. Insbesondere ein parasitärer E-Feldbereich 780, in dem die Luftbrücke 760, ein Teilbereich der oberen Elektrode 740, ein Teilbereich der piezoelektrischen Schicht 730 überlappen und einen Teilbereich des Substrats 710 (neben dem Hohlraum 715) kontaktieren. Der parasitäre E-Feldbereich 780 ist durch einen gestrichelten Kasten angezeigt und beinhaltet lineare und nichtlineare Charakteristika.
  • Unter Bezugnahme auf das Schaltbild ist der parasitäre E-Feldbereich 780 dargestellt durch ein Shunt-Element (angezeigt durch einen gestrichelten Kasten) parallel zu dem aktiven Resonator 755-1. Das Shunt-Element beinhaltet einen linearen Parallelkondensator 780-1, der parallel mit einer nichtlinearen Shunt-Komponente 780-2 verbunden ist, wovon ein Teil das Substrat 710, in dem das parasitäre E-Feld 763 vorhanden ist, repräsentiert. Das heißt, die nichtlineare Shunt-Komponente 780-2 repräsentiert nichtlineare Charakteristika von jeder der Komponenten, die in dem parasitären E-Feldbereich 780 enthalten sind, durch die das parasitäre E-Feld 763 hindurchgeht (z.B. die Luftbrücke 775, die piezoelektrische Schicht 730 und das Substrat 710), auch wenn die Luftbrücke 775 und die piezoelektrische Schicht 730 lineare Materialien sind mit minimalen nichtlinearen Charakteristika.
  • Wenn der BAW-Resonator 700 angeregt wird durch einen angelegten Spannungsstimulus über die obere und die untere Elektrode 740 und 720 durch das Metallkontaktpad 770 und den Verbindungsstreifen 740', geht das parasitäre E-Feld 763, beginnend an der oberen Elektrode 740 und endend an der unteren Elektrode 720, durch die Luftbrücke 775 und die piezoelektrische Schicht 730, die aus einem linearen Material (z.B. AIN) gebildet ist, sowie das Substrat 710, das aus einem nichtlinearen Material (z.B. Si) gebildet ist, hindurch, angezeigt durch den parasitären E-Feldbereich 780. Wie oben erwähnt, repräsentiert der lineare Parallelkondensator 780-1 in dem Schaltbild die linearen Charakteristika des parasitären E-Feldbereichs 780 und das nichtlineare Shunt-Element 780-2 repräsentiert in dem Schaltbild die nichtlinearen Charakteristika des parasitären E-Feldbereichs 780. Es sei darauf hingewiesen, dass der aktive Resonator 755-1 modelliert werden kann, zum Beispiel unter Verwendung eines Butterworth Van Dyke, Mason oder eines anderen traditionellen Schaltkreismodells eines Resonators.
  • Durch Entfernen eines Teilbereichs des Substrats 710 innerhalb des parasitären E-Feldbereichs 780 und ihn (den Teilbereich) Ersetzen mit einem linearen elektrisch isolierenden Material oder ihn (den Teilbereich) Füllen mit einem Gas, wie zum Beispiel Luft, oder einem Vakuum gemäß verschiedenartigen hierin beschriebenen Ausführungsformen, wird das nichtlineare Shunt-Element 780-2 deutlich verringert (da die einzigen verbleibenden nichtlinearen Charakteristika durch die Luftbrücke 775 und die piezoelektrische Schicht 730 induziert werden). Die Zugabe des linearen Materials (oder Vakuum) lässt im Wesentlichen den linearen Parallelkondensator 780-1 zurück, der parallel mit dem aktiven Resonator 755-1 verbunden ist (bei wesentlich verringertem Einfluss durch das nichtlineare Shunt-Element 780-2), wodurch der Beitrag der nichtlinearen Ströme, die erzeugt werden und durch die Anschlüsse 701 und 702 des resultierenden BAW-Resonators fließen, wesentlich verringert wird. Dies wiederum verringert die Größe der ungewollten nichtlinearen Ströme, die in der Komponente (z.B. einem akustischen Filter), in dem der BAW-Resonator enthalten ist, erzeugt werden. Auch gibt es weniger Verlust an elektrischer Leistung (Dissipation), der durch dissipative Elemente in dem nichtlinearen Shunt-Element 780-2 verursacht wird, wodurch der Qualitätsfaktor des BAW-Resonators verbessert wird.
  • 8 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht eines BAW-Resonators, der eine Luftbrücke als ein veranschaulichendes Energieeinschlussmerkmal (Energiebeschränkungsmerkmal, energy confinement feature) beinhaltet, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.
  • Unter Bezugnahme auf 8 ist der BAW-Resonator 800 ein FBAR mit einer Luftbrücke 775 und beinhaltet ein Substrat 710 mit einem Hohlraum (Kavität) 815, der in einer oberen Oberfläche des Substrats 710 gebildet ist. Wie der oben besprochene BAW-Resonator 700 beinhaltet der BAW-Resonator 800 ferner eine untere Elektrode 720, die über dem Substrat 710 und dem Hohlraum 815 angeordnet ist, eine piezoelektrische Schicht 730, die über der unteren Elektrode 720 angeordnet ist, und eine obere Elektrode 740, die über der piezoelektrischen Schicht 730 angeordnet ist, die einen akustischen Stapel 850 bilden. Die untere Elektrode 720 beinhaltet einen entfernten Teilbereich 720', der unterhalb eines Metallkontaktpads 770, das zum Weiterleiten von elektrischen Signalen konfiguriert ist, positioniert ist. Ein aktiver Bereich 855 des akustischen Stapels 850 beinhaltet überlappende Teilbereiche des Hohlraums 815, der unteren Elektrode 720, der piezoelektrischen Schicht 730 und der oberen Elektrode 740 und ist an mindestens einer Seite durch einen inneren Rand der Luftbrücke 775 begrenzt. Ein äußerer Umfang des aktiven Bereichs 855 ist durch ein Paar (vertikaler) gestrichelter Linien angezeigt.
  • Der BAW-Resonator 800 beinhaltet auch einen Verbindungsstreifen (connecting strip) 740', der sich aus einem Teilbereich der oberen Elektrode 740 bis zu dem Metallkontaktpad 770 erstreckt. Der Verbindungsstreifen 740' kann einstückig (integral) mit der oberen Elektrode 740 gebildet sein oder kann eine getrennte Komponente sein, die mit der oberen Elektrode 740 verbunden oder anderweitig in elektrischem Kontakt ist, wie oben unter Bezugnahme auf den Verbindungsstreifen 140' und die obere Elektrode 140 in 1A und 1B diskutiert wurde. Der Verbindungsstreifen 740' ist konfiguriert zum Bilden der Luftbrücke 775 über einem äußeren Rand der unteren Elektrode 720. In der dargestellten Ausführungsform ist der äußere Umfang des aktiven Bereichs 855, der an den Verbindungsstreifen 740' angrenzt, im Wesentlichen der gleiche wie der aktive Bereich 755 in dem BAW-Resonator 700 (auch wenn der Hohlraum 815 größer als der Hohlraum 715 ist), da der äußere Umfang durch die Position der Luftbrücke 775 begrenzt wird. Eine Passivierungsschicht (nicht gezeigt) kann über der oberen Elektrode 740 und in diversen Konfigurationen ebenfalls über den gesamten oder einen Teilbereich des Verbindungsstreifens 740' gebildet sein. Es wird verstanden, dass eine Passivierungsschicht über der oberen Elektrode 740 und über den gesamten oder einen Teilbereich des Verbindungsstreifens 740 ' in jeder der hierin besprochen Ausführungsformen gebildet sein kann und daher nicht mehr wiederholt wird.
  • In der dargestellten Ausführungsform beinhaltet der Hohlraum 815 einen inneren Teilbereich 816 innerhalb des aktiven Bereichs 855 des akustischen Stapels 850 und einen erweiterten (verlängerten, extended) Teilbereich 817, der sich von einem äußeren Umfang des aktiven Bereichs 855 unterhalb des Verbindungsstreifens 740' erstreckt. Eine Länge des erweiterten Teilbereichs 817 des Hohlraums 815 ist ausreichend lang und eine Tiefe des erweiterten Teilbereichs 817 ist ausreichend tief, um im Wesentlichen zu verhindern, dass das parasitäre E-Feld 763 durch das Substrat 710 hindurchgeht, wie gezeigt. In anderen Worten geht eine vernachlässigbare (geringfügige, unbedeutende) Menge des parasitären E-Felds 763 durch das Substrat 710 hindurch, dergestalt dass eine nichtlineare Antwort durch das Substrat 710 verbessert wird (d.h. die Antwort wird mehr linear bzw. linearer gemacht) und ein in dem Substrat 710 erzeugter elektrischer Verlust verringert wird, wie oben diskutiert.
  • Das E-Feld 760, das in dem BAW-Resonator 800 als Antwort auf die elektrische Anregung, die über den Verbindungsstreifen 740' bereitgestellt wird, erzeugt wird, ist angezeigt durch E-Feldlinien, die sich von der unteren Oberfläche der oberen Elektrode 740 bis zu der unteren Elektrode 720 erstrecken. Das parasitäre E-Feld 763 geht durch den erweiterten Teilbereich 817 des Hohlraums 815 im Gegensatz zum Substrat 710 hindurch und endet an der unteren Elektrode 720 (an deren unterer Oberfläche). Zu Zwecken der Veranschaulichung ist der Hohlraum 815 mit Gas gefüllt, wie zum Beispiel Luft, die ein hochlineares Medium ist, insbesondere im Vergleich zu dem nichtlinearen Substratmaterial, wie zum Beispiel Silicium (Si). Wie oben unter Bezugnahme auf den Hohlraum 215 diskutiert wurde, kann der Hohlraum 815 (ebenso wie die Hohlräume in den anderen hierin diskutierten Ausführungsformen des BAW-Resonators) zum Beispiel mit einem anderen Gas als Luft gefüllt sein, wie zum Beispiel Helium, Argon, Stickstoff, Kohlenstoffdioxid oder verschiedenartige Kombinationen an Gasen, oder kann ein Vakuum sein, ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen.
  • Idealerweise ist der Hohlraum 815 und/oder der erweiterte Teilbereich 817 tief genug in dem Substrat 710 und erstreckt sich weit genug unter dem Verbindungsstreifen 740', dass kein parasitäres E-Feld 763 durch das Substrat 710 hindurchgeht, wie in 8 gezeigt. Dies würde effektiv dazu führen, dass keine nichtlineare Antwort in dem BAW-Resonator 800 auf Grund des parasitären E-Felds 763 in dem Substrat 710 erzeugt wird. Dies führt zu einer verbesserten gesamten nichtlinearen Antwort und zu einem verbesserten elektrischen Verlust des BAW-Resonators 800. In der Praxis kann ein kleiner Teil des parasitären E-Felds 763 durch das Substrat 710 hindurchgehen. Auch kann sich eine geringe nichtlineare Antwort aus Teilen des parasitären E-Felds 763, die durch den Hohlraum 815 oder anderen Komponenten des BAW-Resonators 800, wie zum Beispiel der piezoelektrischen Schicht 730, hindurchgehen, ergeben. Jedoch würden solche nichtlinearen Antworten minimal sein und würden wenig bis keinen nichtlinearen Strom erzeugen, der die Leistungsfähigkeit des BAW-Resonators 800 oder des Geräts (z.B. eines akustischen Filters), in dem der BAW-Resonator 800 enthalten ist, wesentlich beeinflusst.
  • 9 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht eines BAW-Resonators, der eine Luftbrücke als eine veranschaulichendes Energieeinschlussmerkmal (Energiebeschränkungsmerkmal, energy confinement feature) beinhaltet, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.
  • Unter Bezugnahme auf 9 ist der BAW-Resonator 900 ein FBAR mit einer Luftbrücke 775 und beinhaltet ein Substrat 710 mit einem Hohlraum (Kavität) 915, der in einer oberen Oberfläche des Substrats 710 gebildet ist, und eine Auffangschicht (Einfangschicht, trap layer) 111 an oberen Oberflächen des Substrats 710, die die Seiten und den Boden des Hohlraums 915 bilden. Auch wenn es nicht in 9 gezeigt ist, kann die Auffangschicht 111 auch an der oberen Oberfläche des Substrats 710 außerhalb des Hohlraums 915 gebildet sein, ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen. Wie der BAW-Resonator 800, beinhaltet der BAW-Resonator 900 ferner eine untere Elektrode 720, eine piezoelektrische Schicht 730 und eine obere Elektrode 740, die einen akustischen Stapel 850 bilden. Die untere Elektrode 720 beinhaltet einen entfernten Teilbereich 720', der unterhalb eines Metallkontaktpads 770 positioniert ist. Ein aktiver Bereich 855 des akustischen Stapels 850 beinhaltet überlappende Teilbereiche des Hohlraums 915, der unteren Elektrode 720, der piezoelektrischen Schicht 730 und der oberen Elektrode 740 und ist an mindestens einer Seite durch einen inneren Rand der Luftbrücke 775 begrenzt.
  • In der dargestellten Ausführungsform beinhaltet der Hohlraum 915 einen inneren Teilbereich 916 innerhalb des aktiven Bereichs 855, wie oben erwähnt, und einen erweiterten Teilbereich 917, der sich von dem äußeren Umfang des aktiven Bereichs 855 unterhalb des Verbindungsstreifens 740' erstreckt. Der BAW-Resonator 900 unterscheidet sich von dem BAW-Resonator 800, dadurch dass der innere Teilbereich 916 mit Gas gefüllt ist (oder ein Vakuum ist) und der erweiterte Teilbereich 917 zumindest teilweise mit einem elektrisch isolierenden Material 918 gefüllt ist, das hochlinear ist, wie zum Beispiel NEBSG, dotiertem oder undotiertem Siliciumdioxid SiO2, AIN oder SiC, wie oben unter Bezugnahme auf die elektrisch isolierenden Materialien 318, 418 und 518 diskutiert wurde. Selbstverständlich können auch andere lineare elektrisch isolierende Materialien eingebaut sein, ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen. Zumindest jedoch ist das elektrisch isolierende Material 918 linearer als das im Wesentlichen nichtlineare Material des Substrats 110.
  • In der dargestellten Ausführungsform ist der erweiterte Teilbereich 917 mit dem elektrisch isolierenden Material 918 von dem äußeren Umfang des aktiven Bereichs 855 bis zu dem äußeren Rand des erweiterten Teilbereichs 917 gefüllt. Jedoch kann es in anderen Ausführungsformen sein, dass das elektrisch isolierende Material 918 nicht vollständig bis zum äußeren Umfang des aktiven Bereichs 855 gefüllt ist (wodurch ein größerer innerer Teilbereich 916 belassen wird). Das heißt, das elektrisch isolierende Material 918 kann entfernt von bzw. kurz vor dem aktiven Bereich 855 enden, aber sich immer noch unterhalb des Verbindungsstreifens 740' bis zu dem äußeren Rand des Hohlraums 915 erstrecken und somit einen gefüllten Teilbereich erzeugen, der kleiner als der erweiterte Teilbereich 917 ist. Zum Beispiel kann der erweiterte Teilbereich 917 mit dem elektrisch isolierenden Material 918 gefüllt sein von unterhalb einen äußeren Randbereich der unteren Elektrode 720 unter der Luftbrücke 775 bis zu dem äußeren Rand des erweiterten Teilbereichs 917. In jeder Konfiguration sorgt jedoch das elektrisch isolierende Material 918 für eine erweiterte strukturelle Unterstützung für die untere Elektrode 720 (und somit den akustischen Stapel 850). Da das elektrisch isolierende Material 918 mit der unteren Elektrode 720 in Kontakt ist, stellt es auch eine thermische Leitfähigkeit bereit, indem Hitze von dem akustischen Stapel 850 weg geleitet wird. Dies verbessert die Belastbarkeit (power handling) des BAW-Resonators 900 (verglichen mit zum Beispiel dem BAW-Resonator 800, der kein elektrisch isolierendes Material in dem Hohlraum 815 hat).
  • Das E-Feld 760, das in dem BAW-Resonator 900 als Antwort auf die elektrische Anregung, die über den Verbindungsstreifen 740' (und das Metallkontaktpad 770) bereitgestellt wird, erzeugt wird, ist angezeigt durch E-Feldlinien, die an der unteren Oberfläche der oberen Elektrode 740 beginnen und an der unteren Elektrode 720 enden. Wie gezeigt, geht das parasitäre E-Feld 763 durch das elektrisch isolierende Material 918 (auch wenn ein Teil des parasitären E-Felds 763 auch durch den inneren Teilbereich 916 hindurchgehen kann) im Gegensatz zum Substrat 710 hindurch und endet an der unteren Elektrode 720. Eine Länge des erweiterten Teilbereichs 917 des Hohlraums 915 ist ausreichend lang und eine Tiefe des erweiterten Teilbereichs 917 ist ausreichend tief, um im Wesentlichen zu verhindern, dass das parasitäre E-Feld 763 durch das Substrat 710 hindurchgeht, wie gezeigt. In anderen Worten geht eine vernachlässigbare (geringfügige, unbedeutende) Menge des parasitären E-Felds 763 durch das Substrat 710 hindurch, dergestalt dass eine nichtlineare Antwort durch das Substrat 710 verbessert wird (d.h. das die Antwort linearer gemacht wird) und ein in dem Substrat 710 erzeugter elektrischer Verlust verringert wird, wie oben besprochen.
  • Da der erweiterte Teilbereich 917 im Wesentlichen mit dem elektrisch isolierenden Material 918 im Gegensatz zu Gas zum Beispiel gefüllt ist, würde die nichtlineare Antwort des BAW-Resonators 900 etwas zunehmen im Vergleich zu dem BAW-Resonator 800. Aber die nichtlineare Antwort wäre immer noch wesentlich geringer, als wenn das E-Feld 763 hauptsächlich durch das Substrat 710 hindurchgeht, wie in 7 gezeigt, da der Einbau des elektrisch isolierenden Materials 918 den Teil des parasitären E-Felds 763, der durch das Substrat 710 hindurchgeht, effektiv eliminieren oder wesentlich reduzieren würde. Die führt zu einer verbesserten gesamten nichtlinearen Antwort und einem verbesserten elektrischen Verlust des BAW-Resonators 900.
  • 10 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht eines BAW-Resonators, der eine Luftbrücke als eine veranschaulichendes Energieeinschlussmerkmal (Energiebeschränkungsmerkmal, energy confinement feature) beinhaltet, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.
  • Unter Bezugnahme auf 10 ist der BAW-Resonator 1000 ein FBAR mit einer Luftbrücke 775 und beinhaltet ein Substrat 710 mit einem Hohlraum (Kavität) 1015, der in einer oberen Oberfläche des Substrats 710 gebildet ist, und eine Auffangschicht (Einfangschicht, trap layer) 111 an oberen Oberflächen des Substrats 710, die die Seiten und den Boden des Hohlraums 1015 bilden. Wie der BAW-Resonator 800, beinhaltet der BAW-Resonator 1000 ferner eine untere Elektrode 720, eine piezoelektrische Schicht 730 und eine obere Elektrode 740, die einen akustischen Stapel 850 bilden. Die untere Elektrode 720 beinhaltet einen entfernten Teilbereich 720', der unterhalb eines Metallkontaktpads 770 positioniert ist. Ein aktiver Bereich 855 des akustischen Stapels 850 beinhaltet überlappende Teilbereiche des Hohlraums 1015, der unteren Elektrode 720, der piezoelektrischen Schicht 730 und der oberen Elektrode 740 und ist an mindestens einer Seite durch einen inneren Rand der Luftbrücke 775 begrenzt.
  • In der dargestellten Ausführungsform beinhaltet der Hohlraum 1015 einen inneren Teilbereich 1016 innerhalb des aktiven Bereichs 855, wie oben erwähnt, und erweiterte Teilbereiche 1017, 1017', die sich von dem äußeren Umfang des aktiven Bereichs 855 in entgegengesetzten Richtungen erstrecken. Der erweiterte Teilbereich 1017 erstreckt sich unterhalb des Verbindungsstreifens 740', wie der erweiterte Teilbereich 817, der oben unter Bezugnahme auf 8 besprochen wurde, während der erweiterte Teilbereich 1017' sich in eine Richtung weg von dem Verbindungsstreifens 740' erstreckt (in der Querschnittsansicht), auch wenn der erweiterte Teilbereich 1017' sich auch über den äußeren Umfang des aktiven Bereichs 855 hinaus an anderen Seiten erstrecken kann. Der Hohlraum 1015 beinhaltet ferner einen unteren Teilbereich 1019 entlang der unteren Oberfläche des Hohlraums 1015, der den Boden des inneren Teilbereichs 1016 bereitstellt. Der untere Teilbereich 1019 ist einstückig (integral) mit den erweiterten Teilbereiche 1017, 1017'.
  • Der innere Teilbereich 1016 ist mit Gas gefüllt (oder ist ein Vakuum) und die erweiterten Teilbereiche 1017, 1017' und der untere Teilbereich 1019 sind mit einem elektrisch isolierendes Material 1018 gefüllt, das hochlinear ist, wie zum Beispiel NEBSG, dotiertes oder undotiertes SiO2, AIN oder SiC, auch wenn andere lineare elektrisch isolierende Materialien eingebaut sein können, ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen. Wie oben in Bezug auf das elektrisch isolierende Material 918 diskutiert wurde, kann es in anderen Ausführungsformen sein, dass das elektrisch isolierende Material 1018 in den erweiterten Teilbereichen 1017 und/oder 1017' nicht vollständig bis zu dem äußeren Umfang des aktiven Bereichs 855 gefüllt ist (wodurch ein größerer innerer Teilbereich 1016 belassen wird). Das heißt, das elektrisch isolierende Material 1018 kann entfernt von bzw. kurz vor dem aktiven Bereich 855 enden, aber sich immer noch unterhalb des Verbindungsstreifens 740' bis zu dem äußeren Rand des Hohlraums 1015 erstrecken. Zum Beispiel kann der erweiterte Teilbereich 1017 mit dem elektrisch isolierenden Material 1018 gefüllt sein von unterhalb einen äußeren Randbereich der unteren Elektrode 720 unter der Luftbrücke 775 bis zu dem äußeren Rand des erweiterten Teilbereichs 1017.
  • Das elektrisch isolierende Material 1018 hat die gleichen Eigenschaften (z.B. linearere elektrisch isolierende Materialien) und stellt die gleichen Funktionen bereit, wie das elektrisch isolierende Material 918 in 9. Solche Funktionen beinhalten ein Bereitstellen eines Pfads für das parasitäre E-Feld 763, das an der oberen Elektrode 740 beginnt und an der unteren Elektrode 720 endet, ohne durch das Substrat 710 hindurchzugehen oder durch einen kleinen Teilbereich des Substrats 710 hindurchgeht, so dass eine nichtlineare Antwort auf das parasitäre E-Feld durch das Substrat 710 verbessert wird und ein in dem Substrat 710 erzeugter elektrischer Verlust verringert wird. Auch stellt das elektrisch isolierende Material 1018 eine strukturelle Unterstützung für die untere Elektrode 720 bereit und einen thermisch leitfähigen Pfad von dem akustischen Stapel 850, so dass die Belastbarkeit des BAW-Resonators 1000 verbessert ist.
  • Unter Bezugnahme auf 8, 9 und 10 wird verstanden, dass in alternativen Ausführungsformen andere Energieeinschlussmerkmale, wie zum Beispiel Luftflügel, innere Rahmen und/oder äußere Rahmen, anstelle oder zusätzlich zu der Luftbrücke 775 enthalten sein können, ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen. Diese Energieeinschlussmerkmale können die Funktionalität des jeweiligen BAW-Resonators beeinflussen, wie oben erwähnt, und können die Größe und den Ort der entsprechenden aktiven Bereiche beeinflussen. Ansonsten ist die allgemeine Auswirkung der erweiterten Hohlräume und des elektrisch isolierenden Materials (falls vorhanden) im Wesentlichen die gleiche. Es wird ferner verstanden, dass das Energieeinschlussmerkmal bzw. die Energieeinschlussmerkmale in Ausführungsformen eines BAW-Resonators, der eine Interposer-Schicht über dem Substrat angeordnet hat, wie oben unter Bezugnahme auf 5A und 5B besprochen, enthalten sein können, ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen. Das heißt, die Interposer-Schicht wird aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet, das hochlinear ist, ein Hohlraum wird in einer oberen Oberfläche der Interposer-Schicht im Gegensatz zu in einer oberen Oberfläche des Substrats gebildet.
  • Auch kann jede der Variationen der erweiterten Hohlräume und/oder der Füllung mit elektrisch isolierendem Material implementiert werden als mehrere BAW-Resonatoren mit einer gemeinsamen (geteilten, shared) oberen Elektrodenverbindung. 11 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht einer Resonatorgeräts, das zwei BAW-Resonatoren mit einer gemeinsamen oberen Elektrodenverbindung, einschließlich eines gemeinsamen erweitertem Hohlraums und Luftbrücken als veranschaulichende Energieeinschlussmerkmale, aufweist, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform. Zu Zwecken der Veranschaulichung beinhaltet 11 einen gemeinsamen (shared) Hohlraum, der einen erweiterten Teilbereich aufweist, der mit elektrisch isolierendem Material gefüllt ist an einer Verbindungsseite (unterhalb des Verbindungsstreifens der oberen Elektrode) von jedem der BAW-Resonatoren, ähnlich wie der BAW-Resonator 900 in 9. Die gemeinsame obere Elektrodenverbindung und der gemeinsame Hohlraum können jedoch bei jeder hierin beschriebenen Ausführungsform angewendet werden.
  • Unter Bezugnahme auf 11 beinhaltet das Resonatorgerät 1100 die BAW-Resonatoren 1200 und 1300, die FBARs mit Luftbrücken 1275 bzw. 1375 sind, und ein Substrat 1110 mit einem gemeinsamen Hohlraum 1115, der in einer oberen Oberfläche des Substrats 1110 gebildet ist, mit einer Auffangschicht (Einfangschicht, trap layer) 111 an oberen Oberflächen des Substrats 1110, die die Seiten und den Boden des gemeinsamen Hohlraums 1115 bilden. Das Resonatorgerät 1100 beinhaltet ferner eine untere Metallschicht 1120, eine gemeinsame piezoelektrische Schicht 1130 und eine obere Metallschicht 1140, die über dem Substrat 1110 und dem gemeinsamen Hohlraum 1115 gestapelt sind. Der gemeinsame Hohlraum 1115 ist in einem zentralen Teilbereich (umfassend die erweiterten Teilbereiche 1217 und 1317 der BAW-Resonatoren 1200 und 1300) mit einem elektrisch isolierenden Material 1118 gefüllt, das hochlinear ist, wie zum Beispiel NEBSG, dotiertem oder undotiertem Siliciumdioxid SiO2, AIN oder SiC, wie oben unter Bezugnahme auf die elektrisch isolierenden Materialien 318, 418 und 518 diskutiert wurde. Selbstverständlich können auch andere lineare elektrisch isolierende Materialien eingebaut sein, ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen. Zumindest jedoch ist das elektrisch isolierende Material 1118 linearer als das im Wesentlichen nichtlineare Material des Substrats 1110.
  • Der BAW-Resonator 1200 beinhaltet insbesondere einen inneren Teilbereich 1216 und einen erweiterten Teilbereich 1217 des Hohlraums 1115, die in der oberen Oberfläche des Substrats 1110 gebildet sind. Der BAW-Resonator 1200 beinhaltet ferner eine untere Elektrode 1220 aus bzw. von der unteren Metallschicht 1120, eine piezoelektrische Schicht 1230 aus bzw. von der gemeinsamen piezoelektrischen Schicht 1130 und eine obere Elektrode 1240 aus bzw. von der oberen Metallschicht 1140, die zusammen einen akustischen Stapel 1250 bilden. Ein aktiver Bereich 1255 des akustischen Stapels 1250 beinhaltet überlappende Teilbereiche des inneren Hohlraums 1216, der unteren Elektrode 1220, der piezoelektrischen Schicht 1230 und der oberen Elektrode 1240 und ist an mindestens einer Seite durch einen inneren Rand der Luftbrücke 1275 begrenzt. In ähnlicher Weise beinhaltet der BAW-Resonator 1300, der gewissermaßen ein Spiegelbild des BAW-Resonators 1200 ist, einen inneren Teilbereich 1316 und einen erweiterten Teilbereich 1317 des Hohlraums 1115. Der BAW-Resonator 1300 beinhaltet ferner eine untere Elektrode 1320 aus bzw. von der unteren Metallschicht 1120, eine piezoelektrische Schicht 1330 aus bzw. von der gemeinsamen piezoelektrischen Schicht 1130 und eine obere Elektrode 1340 aus bzw. von der oberen Metallschicht 1140, die zusammen einen akustischen Stapel 135050 bilden. Ein aktiver Bereich 1355 des akustischen Stapels 1350 beinhaltet überlappende Teilbereiche des inneren Hohlraums 1316, der unteren Elektrode 1320, der piezoelektrischen Schicht 1330 und der oberen Elektrode 1340 und ist an mindestens einer Seite durch einen inneren Rand der Luftbrücke 1375 begrenzt.
  • In der dargestellten Ausführungsform erstreckt sich der erweiterte Teilbereich 1217 von dem äußeren Umfang des aktiven Bereichs 1255 unterhalb des Verbindungsstreifens 1240' und der erweiterte Teilbereich 1317 erstreckt sich in einer entgegengesetzten Richtung von dem äußeren Umfang des aktiven Bereichs 1355 unterhalb des Verbindungsstreifens 1340'. Wie oben erwähnt, sind die erweiterten Teilbereiche 1217 und 1317 gemeinsam mit dem elektrisch isolierenden Material 1118 gefüllt und die inneren Teilbereiche 1216 und 1316 sind mit Gas gefüllt (oder sind Vakua). Das elektrisch isolierende Material 1118 sorgt für eine erweiterte strukturelle Unterstützung für sowohl die untere Elektrode 1220 als auch die untere Elektrode 1320 (und somit die akustischen Stapel 1250 und 1350). Da das elektrisch isolierende Material 1118 mit den unteren Elektroden 1220 und 1320 in Kontakt ist, stellt es auch eine thermische Leitfähigkeit bereit, indem Hitze von dem akustischen Stapeln 1250 bzw. 1350 weg geleitet wird. Dies verbessert die Belastbarkeit (power handling) der BAW-Resonatoren 1200 und 1300.
  • Wie oben in Bezug auf das elektrisch isolierende Material 918 diskutiert wurde, kann es sein, dass das elektrisch isolierende Material 1118 in den erweiterten Teilbereichen 1217 und/oder 1317 nicht vollständig bis zum äußeren Umfang der jeweiligen aktiven Bereiche 1255 und 1355 gefüllt ist (wodurch größere innere Teilbereiche 1216 bzw. 1316 belassen werden). Das heißt, das elektrisch isolierende Material 1118 kann entfernt von bzw. kurz vor den aktiven Bereichen 1255 und/oder 1355 enden, aber sich immer noch unterhalb der Verbindungsstreifens 1240' bzw. 1340' bis zu den äußeren Rändern des Hohlraums 1115 erstrecken. Zum Beispiel kann der erweiterte Teilbereich 1217 mit dem elektrisch isolierenden Material 1118 gefüllt sein von unterhalb einen äußeren Randbereich der unteren Elektrode 1220 unter der Luftbrücke 1275 bis zu dem Mittelpunkt des Hohlraums 1115 (durch eine vertikale gestrichelte Linie angezeigt). Ebenso kann der erweiterte Teilbereich 1317 mit dem elektrisch isolierenden Material 1118 gefüllt sein von unterhalb einen äußeren Randbereich der unteren Elektrode 1320 unter der Luftbrücke 1375 bis zu dem Mittelpunkt des Hohlraums 1115.
  • E-Felder (nicht gezeigt) werden in dem BAW-Resonatoren 1200 und 1300 erzeugt als Antwort auf die elektrische Anregung, die über die Verbindungsstreifen 1240' und 1340' bereitgestellt wird, die an der unteren Oberfläche der oberen Elektroden 1240 bzw. 1340 beginnen und an den unteren Elektroden 1220 bzw. 1320 enden. Wie oben zumindest unter Bezugnahme auf 9 diskutiert, gehen die parasitären E-Felder (nicht gezeigt) von bzw. aus den jeweiligen E-Feldern durch das elektrisch isolierende Material 1118 hindurch (auch wenn ein Teil von einem oder beiden parasitären E-Felder auch durch die inneren Teilbereiche 1217 und/oder 1317 hindurchgehen kann) im Gegensatz zum Substrat 710 zum Erreichen der unteren Elektroden 1220 und 1230, dergestalt dass eine nichtlineare Antwort durch das Substrat 1110 verbessert wird und ein in dem Substrat 1110 erzeugter elektrischer Verlust verringert wird.
  • 13 ist ein Schaubild, das Verbesserungen bei der Messung der IMD3 der BAW-Resonatoren gemäß einer Ausführungsform gegenüber einem herkömmlichen BAW-Resonator zeigt und 14 ist ein Schaubild, das Verbesserungen bei der Messung des Rp der BAW-Resonatoren gemäß einer Ausführungsform gegenüber einem herkömmlichen BAW-Resonator zeigt.
  • Für die Messungen in beiden 13 und 14 wurde die Ausführungsform eines BAW-Resonators gemäß den 3A und 3B benutzt, wobei „Struktur 1“ und „Struktur 2“ sich auf die gleiche Ausführungsform beziehen, aber mit unterschiedlichen Abmessungen. Zu Zwecken der Veranschaulichung haben sowohl die Struktur 1 als auch die Struktur 2 eine untere Elektrode mit eine Dicke von etwa 0,29 µm, eine piezoelektrische Schicht mit eine Dicke von etwa 0,60 µm, eine obere Elektrode mit eine Dicke von etwa 0,26 µm und einen Hohlraum 315 mit einer Tiefe von etwa 3,00 µm. In Struktur 1 erstreckt sich der Verbindungsstreifen 140' jedoch von dem äußeren Umfang des aktiven Bereichs 355 um etwa 17,0 µm und in Struktur 2 erstreckt sich der Verbindungsstreifen 140' von dem äußeren Umfang des aktiven Bereichs 355 um etwa 38,0 µm. Im Allgemeinen können die unteren Elektroden in der Dicke in einem Bereich von etwa 0,2 µm bis etwa 0,5 µm liegen, die oberen Elektroden können in der Dicke in einem Bereich von etwa 0,3 µm bis etwa 0,6 µm liegen, die piezoelektrischen Schichten können in der Dicke in einem Bereich von etwa 1,5 µm bis etwa 3,0 µm liegen und die Hohlräume können in der Tiefe in einem Bereich von etwa 2,0 µm bis etwa 3,5 µm und in der Länge in einem Bereich von etwa 50,0 µm bis etwa 500 µm liegen, zum Beispiel.
  • Unter Bezugnahme auf 13 zeigt die Messung der Intermodulations-Verzerrung dritter Ordnung (third order intermodulation distortion, IMD3) von Struktur 1 eine Verbesserung um etwa 12 dB und die IMD3-Messung von Struktur 2 zeigt eine Verbesserung um etwa 15 dB gegenüber der IMD3-Messung des herkömmlichen BAW-Resonators. In ähnlicher Weise, unter Bezugnahme auf 14, zeigt die Messung des Parallelwiderstands (Rp) von Struktur 1 eine Verbesserung um etwa 9 Prozent und die Rp-Messung von Struktur 2 zeigt eine Verbesserung um etwa 13 Prozent gegenüber der Rp-Messung des herkömmlichen BAW-Resonators.

Claims (5)

  1. Ein Bulk-Akustik-Wave (BAW) Resonator (500), der Folgendes aufweist: ein Substrat (110), das optional einen Hohlraum (515) definiert, wobei das Substrat (110) aus einem nichtlinearen Material gebildet ist; eine Interposer-Schicht (517) über dem Substrat (110), wobei die Interposer-Schicht (517) einen Hohlraum (515) definiert und aus einem linearen Material (518) gebildet ist; einen akustischen Stapel (550) über der Interposer-Schicht (517) und dem Hohlraum (515), wobei der akustische Stapel (550) Folgendes aufweist: eine untere Elektrode (120); eine piezoelektrische Schicht (130) über der unteren Elektrode (120); und eine obere Elektrode (140) über der piezoelektrischen Schicht (130), wobei ein aktiver Bereich (555) des akustischen Stapels (550) überlappende Teilbereiche des Hohlraums (515), der unteren Elektrode (120), der piezoelektrischen Schicht (130) und der oberen Elektrode (140) aufweist; und einen Verbindungsstreifen (140'), der sich aus einem Teilbereich der oberen Elektrode (140) erstreckt zum Bereitstellen von elektrischer Anregung des akustischen Stapels (550), wobei ein elektrisches Feld (E-Feld) in dem BAW-Resonator erzeugt wird, wobei das E-Feld an der oberen Elektrode (140) beginnt und an der unteren Elektrode (120) endet, als Antwort auf die elektrische Anregung, wobei ein Teil des E-Felds außerhalb des aktiven Bereichs (555) des akustischen Stapels (550) ein parasitäres E-Feld (163) ist, wobei eine Dicke der Interposer-Schicht (517) zwischen der unteren Elektrode (120) und dem Substrat (110) ausreichend groß ist auf einer Seite des akustischen Stapels (550), aus der sich der Verbindungsstreifen (140') aus der oberen Elektrode (140) erstreckt, um zu verhindern, dass das parasitäre E-Feld (163) durch das Substrat (110) hindurchgeht, was zu einer vernachlässigbaren Menge des parasitären E-Felds (163), das durch das Substrat (110) hindurchgeht, führt, dergestalt dass eine nichtlineare Antwort auf das parasitäre E-Feld (163) durch das Substrat (110) verbessert wird und ein in dem Substrat (110) erzeugter elektrischer Verlust verringert wird.
  2. Der BAW-Resonator nach Anspruch 1, wobei das lineare Material (518) der Interposer-Schicht (517) aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet ist und der Hohlraum (515) Gas enthält oder ein Vakuum ist.
  3. Der BAW-Resonator nach Anspruch 1 oder 2, wobei die nichtlineare Antwort um eine Menge verbessert wird, die ausreichend ist, die Bildung von Harmonischen und/oder Intermodulations-Verzerrungen (IMDs) zu verhindern, die anderenfalls in der Lage wären, die Leistungsfähigkeit des BAW-Resonators und/oder die Leistungsfähigkeit eines Geräts, das den BAW-Resonator enthält, zu stören.
  4. Der BAW-Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, der ferner Folgendes aufweist: eine Auffangschicht (111), die an einer oberen Oberfläche des Substrats (110) zwischen der Interposer-Schicht (517) und dem Substrat (110) gebildet ist.
  5. Ein Bulk-Akustik-Wave (BAW) Resonatorgerät (1100), das eine Mehrzahl an BAW-Resonatoren (1200, 1300) mit einer gemeinsamen oberen Elektrodenverbindung beinhaltet, wobei das BAW-Resonatorgerät Folgendes aufweist: ein Substrat (1110), das einen Hohlraum (1115) definiert, wobei das Substrat (1110) aus einem nichtlinearen Material gebildet ist; und eine Mehrzahl an akustischen Stapeln (1250, 1350) über dem Substrat (1110) und dem Hohlraum (1115), wobei die Mehrzahl an akustischen Stapeln (1250, 1350) Folgendes aufweisen: eine Mehrzahl an unteren Elektroden (1320, 1220) entsprechend der Mehrzahl an akustischen Stapeln; eine piezoelektrische Schicht (1230, 1330) über der Mehrzahl an unteren Elektroden (1220, 1320); und eine obere Elektrodenschicht (1240, 1340) über der piezoelektrischen Schicht (1230, 1330), wobei aktive Bereiche (1255, 1355) der akustischen Stapeln (1250, 1350) jeweils überlappende Teilbereiche des Hohlraums (1115), der unteren Elektroden (1320, 1220), der piezoelektrischen Schicht (1230, 1330) und der oberen Elektrodenschicht (1240, 1340) aufweisen, und die obere Elektrodenschicht (1240, 1340) eine Mehrzahl an Verbindungsstreifen (1240', 1340') beinhaltet, die sich jeweils aus zumindest einem Teilbereich der oberen Elektrodenschicht (1240, 1340) in die aktiven Bereiche (1255, 1355) erstrecken, wobei die Verbindungsstreifen (1240', 1340') entsprechende elektrische Anregungen des jeweiligen akustischen Stapels (1250, 1350) bereitstellen, wobei elektrische Felder (E-Felder) in den BAW-Resonatoren als Antwort auf die entsprechenden elektrischen Anregungen erzeugt werden, wobei die E-Felder an der oberen Elektrodenschicht (1240, 1340) beginnen und an einer entsprechenden der unteren Elektroden (1220, 1320) enden als Antwort auf die jeweiligen elektrischen Anregungen, wobei Teile der E-Felder außerhalb der aktiven Bereiche (1255, 1355) der akustischen Stapeln parasitäre E-Felder sind, wobei der Hohlraum (1115) jeweils innere Teilbereiche (1216, 1316) in den aktiven Bereichen (1255, 1355) der akustischen Stapel und einen gemeinsamen erweiterten Teilbereich (1217, 1317) zwischen äußeren Umfängen der aktiven Bereiche unterhalb der Verbindungsstreifen (1240', 1340') beinhaltet, wobei der gemeinsame erweiterte Teilbereich (1217, 1317) ein elektrisch isolierendes Material (1118) enthält, wobei das elektrisch isolierende Material eine mehr lineare Antwort auf alle Teile der parasitären E-Felder, die durch das elektrisch isolierende Material hindurchgehen, als alle Teile der parasitären E-Felder, die durch das Substrat (1110) hindurchgehen, bereitstellt, und wobei eine Länge des gemeinsamen erweiterten Teilbereichs (1217, 1317) des Hohlraums ausreichend ist, um zu verhindern, dass die parasitären E-Felder durch das Substrat (1110) hindurchgehen.
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