DE102019109031A1

DE102019109031A1 - SAW-Vorrichtung

Info

Publication number: DE102019109031A1
Application number: DE102019109031.8A
Authority: DE
Inventors: Matthias Knapp; Michael Smirnow
Original assignee: RF360 Europe GmbH
Current assignee: RF360 Singapore Pte Ltd
Priority date: 2019-04-05
Filing date: 2019-04-05
Publication date: 2020-10-08
Also published as: CN113692705A; US20220173713A1; WO2020201222A1

Abstract

In mindestens einer Ausführungsform umfasst die SAW-Vorrichtung ein Trägersubstrat (1), eine piezoelektrische Dünnschicht (2) auf dem Trägersubstrat, eine interdigitale Elektrodenstruktur (3) auf der piezoelektrischen Dünnschicht und einen Schichtstapel (4) von Wellenleiterschichten. Der Schichtstapel ist zwischen dem Trägersubstrat und der piezoelektrischen Dünnschicht angeordnet. Der Schichtstapel umfasst eine erste Wellenleiterschicht (41) und eine zweite Wellenleiterschicht (42), wobei eine Schallgeschwindigkeit in der ersten Wellenleiterschicht mindestens 1,5 mal so groß ist wie in der zweiten Wellenleiterschicht.

Description

Es wird eine SAW-Vorrichtung angegeben.
Ein Ziel ist es, eine SAW-Vorrichtung (SAW = Surface Acoustic Wave, zu Deutsch akustische Oberflächenwelle) zu spezifizieren, die im Ultrahochfrequenzbereich eingesetzt werden kann.
Dieses Ziel wird unter anderem mit der SAW-Vorrichtung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die SAW-Vorrichtung ein Trägersubstrat. Das Trägersubstrat ist vorzugsweise selbsttragend. Das Trägersubstrat kann integral, d.h. einteilig ausgebildet sein. Das Trägersubstrat kann Silizium, Saphir, Siliziumcarbid, Diamant oder Aluminiumnitrid umfassen oder aus diesem bestehen. Das Trägersubstrat kann eine mittlere Dicke von mindestens 10 µm oder mindestens 50 µm oder mindestens 100 µm aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann die mittlere Dicke des Trägersubstrats höchstens 1 mm oder höchstens 500 µm betragen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die SAW-Vorrichtung eine piezoelektrische Dünnschicht auf dem Trägersubstrat. Die piezoelektrische Dünnschicht kann integral ausgebildet sein.
Die piezoelektrische Dünnschicht bildet ein piezoelektrisches Material der SAW-Vorrichtung. Während des bestimmungsgemäßen Betriebs der SAW-Vorrichtung breiten sich akustische Oberflächenwellen entlang oder in der piezoelektrischen Dünnschicht aus. Eine Dünnschicht ist dadurch gekennzeichnet, dass Wafer-Bonden mit Dünnschichtverarbeitung oder Dünnschichtabscheidetechnik verwendet wird, um ein Material auf dem Trägersubstrat anzuordnen. Die Dünnschichtverarbeitung kann z.B. mechanisches Schleifen oder das so genannte „Smart Cut“ sein. Eine Dünnschichtabscheidetechnik kann z.B. eine physikalische Dampfphasenabscheidetechnik oder eine chemische Dampfphasenabscheidetechnik sein. Für die Bereitstellung der Dünnschicht können Molekularstrahlepitaxietechniken eingesetzt werden. Auch Sputtern ist möglich.
Die piezoelektrische Dünnschicht kann LiTaO₃ oder LiNbO₃ oder Quarz oder AlN oder ein weiteres piezoelektrisches Material umfassen oder daraus bestehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die SAW-Vorrichtung eine interdigitale Elektrodenstruktur auf der piezoelektrischen Dünnschicht. Insbesondere befindet sich die interdigitale Elektrodenstruktur auf einer Seite der piezoelektrischen Dünnschicht, die vom Trägersubstrat abgewandt ist.
Die interdigitale Elektrodenstruktur umfasst zwei Elektroden, jede mit einer Vielzahl von Fingern. Die Finger der beiden Elektroden greifen ineinander, sind aber elektrisch voneinander isoliert. Die Finger einer Elektrode sind über eine Sammelschiene elektrisch verbunden. Jede Elektrode kann mindestens 10 Finger oder mindestens 50 Finger oder mindestens 100 Finger umfassen. Die interdigitale Elektrodenstruktur auf der piezoelektrischen Dünnschicht bildet vorzugsweise einen Interdigitalwandler (IDT).
Die Elektroden der interdigitalen Elektrodenstruktur bestehen jeweils vorzugsweise aus einem Metall, wie Cu oder Al oder Pt oder Ag oder Au oder Ti oder Cr, oder aus einer Verbindung oder einer Metalllegierung daraus. Die Elektroden können integral ausgebildet sein oder einen Schichtaufbau aufweisen. Die Elektroden können jeweils in direktem Kontakt mit der piezoelektrischen Dünnschicht stehen. Die interdigitale Elektrodenstruktur kann durch ein dielektrisches Material, z.B. SiO₂ oder Si₃N₄, passiviert sein, um eine Kontamination zu vermeiden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die SAW-Vorrichtung einen Schichtstapel aus Wellenleiterschichten, wobei der Schichtstapel zwischen dem Trägersubstrat und der piezoelektrischen Dünnschicht angeordnet ist. Der Schichtstapel kann in direktem Kontakt mit der piezoelektrischen Dünnschicht und/oder dem Trägersubstrat stehen. Der Schichtstapel kann mindestens zwei oder mindestens vier oder mindestens sechs oder mindestens sechs oder mindestens acht oder mindestens zehn oder mindestens 20 oder mindestens 50 Wellenleiterschichten umfassen. Jede der Wellenleiterschichten ist vorzugsweise integral ausgebildet. Die Wellenleiterschichten sind vorzugsweise jeweils aus einem dielektrischen Material gebildet. Die Wellenleiterschichten können Dünnschichten sein. Je zwei benachbarte Wellenleiterschichten umfassen oder bestehen aus unterschiedlichen Materialien. Insbesondere ist zwischen je zwei Wellenleiterschichten eine Grenzfläche gebildet.
Die Wellenleiterschichten des Schichtstapels sind in einer Richtung vom Trägersubstrat zur piezoelektrischen Dünnschicht übereinander gestapelt. In einer Draufsicht betrachtet überlappt jede der Wellenleiterschichten vorzugsweise vollständig mit der interdigitalen Elektrodenstruktur.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Schichtstapel eine erste Wellenleiterschicht und eine zweite Wellenleiterschicht. Die erste Wellenleiterschicht und die zweite Wellenleiterschicht sind vorzugsweise benachbarte Schichten, die in direktem Kontakt zueinander stehen. Der Schichtstapel kann aus der ersten Wellenleiterschicht und der zweiten Wellenleiterschicht bestehen. Vorzugsweise besteht der Schichtstapel jedoch aus mehr als zwei Wellenleiterschichten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine Schallgeschwindigkeit in der ersten Wellenleiterschicht mindestens 1,5 mal so groß oder mindestens 2 mal so groß oder mindestens 2,5 mal so groß oder mindestens 3 mal so groß wie eine Schallgeschwindigkeit in der zweiten Wellenleiterschicht.
Hier und im Folgenden werden bevorzugt Schallgeschwindigkeiten von Schallwellen, die die gleiche Ausbreitungsrichtung und/oder die gleiche Mode haben, z.B. Transversal- oder Longitudinalmode oder ein Gemisch davon, verglichen. Insbesondere ist die interdigitale Elektrodenstruktur Teil eines SAW-Resonators. Während des bestimmungsgemäßen Betriebs des SAW-Resonators wird im Resonator eine Hauptschallwelle / akustische Hauptwelle erzeugt. Die Hauptschallwelle ist die gewünschte Schallwelle des Resonators. Die Hauptschallwelle breitet sich entlang einer Längsrichtung aus. Ein Vergleich zwischen Schallgeschwindigkeiten bezieht sich vorzugsweise auf Schallgeschwindigkeiten entlang dieser Längsrichtung. Die Längsrichtung ist insbesondere eine Richtung senkrecht zu den Haupterstreckungsrichtungen der Finger der Elektroden und parallel zu einer der Elektrodenstruktur zugewandten Oberfläche der piezoelektrischen Dünnschicht.
Es ist auch möglich, die Schallgeschwindigkeit in einem Medium als v=(C_ij/ρ)^1/2 zu definieren, wobei C_ij eine Komponente des Elastizitätstensors ist und ρ die Dichte in dem Medium ist, in dem sich die Schallwelle ausbreitet. Beim Vergleich von Schallgeschwindigkeiten können die Schallgeschwindigkeiten v=(C₁₁/ρ)^1/2 verglichen werden.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst die SAW-Vorrichtung ein Trägersubstrat, eine piezoelektrische Dünnschicht auf dem Trägersubstrat, eine interdigitale Elektrodenstruktur auf der piezoelektrischen Dünnschicht und einen Schichtstapel aus Wellenleiterschichten. Der Schichtstapel ist zwischen dem Trägersubstrat und der piezoelektrischen Dünnschicht angeordnet. Der Schichtstapel umfasst eine erste Wellenleiterschicht und eine zweite Wellenleiterschicht, wobei eine Schallgeschwindigkeit in der ersten Wellenleiterschicht mindestens 1,5 mal so groß ist wie in der zweiten Wellenleiterschicht.
Die vorliegende Erfindung basiert unter anderem auf der Erkenntnis, dass die Entwicklung mobiler Kommunikationssysteme der nächsten Generation Vorrichtungen mit einer hervorragenden Kombination verschiedener Leistungskriterien erfordert, wie beispielsweise Hochfrequenz, hoher Qualitätsfaktor (Q), große elektromechanische Kopplung (k²) und niedriger Temperaturkoeffizient der Frequenz (TCF). Für Nieder- und Midband-LTE-Anwendungen, z.B. im Bereich von 1 GHz bis 2,5 GHz, sind herkömmliche SAW-Vorrichtungen ausreichend. Zukünftige Anwendungen erfordern jedoch Vorrichtungen mit bis zu 6 GHz, was von herkömmlichen SAW-Vorrichtungen bisher nicht unterstützt werden kann.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung hatten die Idee, eine Dünnschicht-SAW (TF-SAW)-Vorrichtung mit einer piezoelektrischen Dünnschicht auf einem Trägersubstrat zu verwenden. Zwischen dem Trägersubstrat und der piezoelektrischen Dünnschicht ist ein Stapel von Wellenleiterschichten angeordnet. Der Stapel von Wellenleiterschichten besteht aus Schichten mit unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten. Dies hat einen Wellenleiter-Effekt auf die Schallwellen in der piezoelektrischen Dünnschicht und verhindert, dass die Ausbreitung dieser Schallwellen Energie an das Trägersubstrat abgibt. Dadurch ist die Effizienz der SAW-Vorrichtung erhöht. Eine hohe Effizienz ist sehr wichtig für SAW-Vorrichtungen, die im Hochfrequenzbereich arbeiten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Schichtstapel mehrere der ersten Wellenleiterschichten und mehrere der zweiten Wellenleiterschichten, wobei die ersten Wellenleiterschichten und die zweiten Wellenleiterschichten abwechselnd angeordnet sind. Alle zuvor und im Folgenden für eine erste Wellenleiterschicht offenbarten Merkmale können für alle ersten Wellenleiterschichten gelten. Ebenso können alle zuvor und im Folgenden für eine zweite Wellenleiterschicht offenbarten Merkmale für alle zweiten Wellenleiterschichten gelten. Insbesondere sind die Schallgeschwindigkeiten in den ersten Wellenleiterschichten mindestens 1,5 mal oder mindestens 2 mal oder mindestens 2,5 mal oder mindestens 3 mal so groß wie in den zweiten Wellenleiterschichten.
Zum Beispiel hat der Schichtstapel die gleiche Anzahl von ersten Wellenleiterschichten und zweiten Wellenleiterschichten. Beispielsweise umfasst der Schichtstapel mindestens zwei oder mindestens vier oder mindestens sechs oder mindestens acht oder mindestens zehn oder mindestens 20 oder mindestens 50 erste Wellenleiterschichten. Für die zweiten Wellenleiterschichten können die gleichen Zahlen gelten. Vorzugsweise befindet sich zwischen je zwei zweiten Wellenleiterschichten eine erste Wellenleiterschicht und zwischen je zwei ersten Wellenleiterschichten eine zweite Wellenleiterschicht.
Jede erste Wellenleiterschicht steht vorzugsweise in direktem Kontakt mit zwei zweiten Wellenleiterschichten und jede zweite Wellenleiterschicht steht vorzugsweise in direktem Kontakt mit zwei ersten Wellenleiterschichten. Alle ersten Wellenleiterschichten können innerhalb der Fertigungstoleranz identisch aufgebaut sein. Ebenso können alle zweiten Wellenleiterschichten innerhalb der Fertigungstoleranz identisch aufgebaut sein. Beispielsweise bestehen alle ersten Wellenleiterschichten aus dem gleichen Material oder der gleichen Materialzusammensetzung und/oder haben die gleiche mittlere Dicke. Ebenso können die zweiten Wellenleiterschichten alle aus dem gleichen Material oder der gleichen Materialzusammensetzung bestehen und/oder die gleiche mittlere Dicke aufweisen.
Durch die Erhöhung der Anzahl der ersten Wellenleiterschichten und der zweiten Wellenleiterschichten kann das Reflexionsvermögen des Schichtstapels erhöht und das Einfangen der Schallwelle in der piezoelektrischen Dünnschicht weiter verbessert werden.
Die piezoelektrische Dünnschicht kann in direktem Kontakt mit einer ersten Wellenleiterschicht oder einer zweiten Wellenleiterschicht des Schichtstapels stehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Schallgeschwindigkeit in der ersten Wellenleiterschicht größer als eine Schallgeschwindigkeit in der piezoelektrischen Dünnschicht. Vorzugsweise werden, wie bereits erläutert, Schallgeschwindigkeiten ähnlicher Schallwellen verglichen, d.h. von Schallwellen, die die gleiche Ausbreitungsrichtung haben und/oder die die gleiche Mode haben. So ist beispielsweise die Schallgeschwindigkeit in der ersten Wellenleiterschicht mindestens 1,2 mal so groß oder mindestens 1,5 mal so groß oder mindestens 2 mal so groß wie in der piezoelektrischen Dünnschicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Schallgeschwindigkeit in der zweiten Wellenleiterschicht kleiner als die Schallgeschwindigkeit in der piezoelektrischen Dünnschicht. So ist beispielsweise die Schallgeschwindigkeit in der zweiten Wellenleiterschicht höchstens 0,85 mal so groß oder höchstens 0,75 mal so groß oder höchstens 0,5 mal so groß wie in der piezoelektrischen Dünnschicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine mittlere Dicke der ersten und/oder zweiten Wellenleiterschicht höchstens A/4 oder höchstens λ/8 oder höchstens λ/16. Vorzugsweise beträgt die mittlere Dicke der ersten und/oder zweiten Wellenleiterschicht mindestens 5 nm oder mindestens 10 nm. Dabei bezeichnet A die Wellenlänge einer Hauptschallwelle während des Betriebs der SAW-Vorrichtung. Vorzugsweise ist A die Wellenlänge der Hauptschallwelle eines SAW-Resonators der SAW-Vorrichtung, wobei die interdigitale Elektrodenstruktur auf der piezoelektrischen Dünnschicht einen IDT des SAW-Resonators bildet. Insbesondere ist A durch den Abstand zwischen zwei Fingern einer Elektrode der interdigitalen Elektrodenstruktur definiert.
Absolute Werte der mittleren Dicke der ersten und/oder zweiten Wellenleiterschicht können zwischen einschließlich 5 nm und 500 nm, vorzugsweise zwischen einschließlich 10 nm und 300 nm, liegen.
Hier und im Folgenden wird eine Schicht oder Folie vorzugsweise so verstanden, dass sie innerhalb der Fertigungstoleranz über ihre gesamte Ausdehnung eine konstante Dicke aufweist. Beispielsweise ist eine maximale Abweichung der Dicke einer Schicht oder einer Folie von ihrer mittleren Dicke höchstens 10 % oder höchstens 5 %.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt eine mittlere Dicke der piezoelektrischen Dünnschicht höchstens 0,6·λ oder höchstens 0,5·λ oder höchstens 0,4·λ. Zusätzlich oder alternativ kann eine mittlere Dicke der piezoelektrischen Dünnschicht mindestens 0,1·λ oder mindestens 0,15·λ oder mindestens 0,2·λ betragen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst oder besteht die erste Wellenleiterschicht aus einem oder mehreren der folgenden Materialien: AlN, SiC, Al₂O₃, diamantähnlicher Kohlenstoff, TiN.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst oder besteht die zweite Wellenleiterschicht aus einem oder mehreren der folgenden Materialien: SiO₂, Si₃N₄, dotiertes SiO₂, GeO₂.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die SAW-Vorrichtung eine TCF-Kompensationsschicht mit einem positiven Temperaturkoeffizienten der Frequenz. Die TCF-Kompensationsschicht ist zwischen dem Schichtstapel und dem Trägersubstrat angeordnet. Die TCF-Kompensationsschicht kann eine Dicke zwischen einschließlich 0,1·λ und 0,5·λ, vorzugsweise zwischen einschließlich 0,2.λ und 0,4·λ, aufweisen. Die TCF-Kompensationsschicht ist vorzugsweise dielektrisch. Die TCF-Kompensationsschicht kann eines oder mehrere der folgenden Materialien umfassen oder aus ihnen bestehen: SiO₂, dotiertes SiO₂, GeO₂, ScYF, ZrW₂O₈, ZrMo₂Og, HfMo₂O₈, ScW₃O₁₂, AlW₃O₁₂, Zr(WO₄) (PO₄)₂, Zeolithe, B₂O₃ oder andere Materialien mit einem positiven TCF (TCF = Temperaturkoeffizient der Frequenz). Wie die Wellenleiterschichten kann auch die TCF-Kompensationsschicht in Draufsicht mit der gesamten interdigitalen Elektrodenstruktur überlappen. Die TCF-Kompensationsschicht kann in direktem Kontakt mit dem Schichtstapel aus Wellenleiterschichten stehen.
Eine TCF-Kompensationsschicht mit einem positiven Temperaturkoeffizienten der Frequenz kann einem negativen TCF der piezoelektrischen Dünnschicht oder des Schichtstapels aus Wellenleiterschichten entgegenwirken. Darüber hinaus weisen TCF-Kompensationsschichten meist einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, was insbesondere für Materialien gilt, die aus Übergangsmetallverbindungen und Verbindungen von Seltenerdmetallen ausgewählt wurden. Diese Materialien weisen auch einen hohen positiven Temperaturkoeffizienten ihres E-Moduls auf, d.h. eine erhöhte Steifigkeit bei höheren Temperaturen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist zwischen dem Schichtstapel und dem Trägersubstrat eine dielektrische Ionenblockierschicht angeordnet. Vorzugsweise wird die Ionenblockierschicht zwischen der TCF-Kompensationsschicht und dem Trägersubstrat angeordnet. Die Ionenblockierschicht kann polykristallines Silizium oder implantiertes Silizium umfassen oder aus daraus bestehen. Die Ionenblockierschicht kann vorhandene Ionen in der SAW-Vorrichtung einfangen und so Verluste durch diese freien Ladungen reduzieren. Eine mittlere Dicke der Ionenblockierschicht kann im Bereich zwischen einschließlich 200 nm bis 1,5 µm liegen.
Eine mittlere Dicke der interdigitalen Elektrodenstruktur, insbesondere eine mittlere Dicke der Finger der Elektroden, liegt vorzugsweise zwischen einschließlich 10 nm und 1 µm. Die Dicke der Elektrodenstruktur wird als die Ausdehnung senkrecht zu der Oberfläche der piezoelektrischen Dünnschicht gemessen, auf die die interdigitale Elektrodenstruktur aufgebracht ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die SAW-Vorrichtung einen SAW-Resonator. Die interdigitale Elektrodenstruktur auf der piezoelektrischen Dünnschicht bildet vorzugsweise einen interdigitalen Wandler, kurz IDT, des SAW-Resonators. Der SAW-Resonator kann ferner zwei auf der piezoelektrischen Dünnschicht angeordnete Reflektoren umfassen, zwischen denen sich die interdigitale Elektrodenstruktur befindet. Die Reflektoren können das gleiche Material wie die interdigitale Elektrodenstruktur umfassen oder aus diesem bestehen.
Die SAW-Vorrichtung kann einen oder mehrere SAW-Resonatoren umfassen. Jeder der SAW-Resonatoren umfasst vorzugsweise eine interdigitale Elektrodenstruktur, die einen IDT bildet. Die interdigitalen Elektrodenstrukturen sind vorzugsweise alle auf derselben piezoelektrischen Dünnschicht gebildet. In einer Draufsicht können die oben genannten Schichten, insbesondere die Wellenleiterschichten des Schichtstapels, vollständig mit allen interdigitalen Elektrodenstrukturen der SAW-Resonatoren überlappen. Insbesondere umfasst die SAW-Vorrichtung ein SAW-Filter mit mehreren SAW-Resonatoren oder ist ein solches SAW-Filter. Die SAW-Vorrichtung kann Teil einer Filterschaltung sein, z.B. eines Duplexers oder eines Multiplexers.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der SAW-Resonator eine Resonanzfrequenz von mindestens 2,5 GHz oder mindestens 3 GHz oder mindestens 5 GHz auf. Zusätzlich oder alternativ beträgt die Resonanzfrequenz maximal 10 GHz oder maximal 8 GHz oder maximal 6 GHz. Die Resonanzfrequenz ist die gewünschte Resonanzfrequenz, bei der der SAW-Resonator betrieben werden soll.
Im Folgenden wird eine hier beschriebene SAW-Vorrichtung unter Bezugnahme auf Zeichnungen anhand Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Gleiche Bezugszeichen geben gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer SAW-Vorrichtung in Querschnittsansicht.
Die 2 und 3 zeigen Simulationen der Admittanz eines Ausführungsbeispiels eines SAW-Resonators und eines SAW-Resonators ohne Schichtstapel aus Wellenleiterschichten.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der SAW-Vorrichtung in einer Querschnittsansicht. Die SAW-Vorrichtung umfasst ein Trägersubstrat 1, auf dem die piezoelektrische Dünnschicht 2 aufgebracht ist. Auf die piezoelektrische Dünnschicht 1 ist eine interdigitale Elektrodenstruktur 3 aufgebracht, die zwei Elektroden 31, 32 mit jeweils einer Vielzahl von ineinandergreifenden Fingern umfasst. Zwischen der piezoelektrischen Dünnschicht 2 und dem Trägersubstrat 1 befindet sich ein Schichtstapel 4 aus Wellenleiterschichten. Der Schichtstapel 4 besteht aus vier Wellenleiterschichten 41, 42. Zwei der Wellenleiterschichten sind erste Wellenleiterschichten 41 und die anderen beiden Wellenleiterschichten sind zweite Wellenleiterschichten 42. Die ersten 41 und zweiten 42 Wellenleiterschichten sind alternierend gestapelt. Die ersten Wellenleiterschichten 41 sind innerhalb der Fertigungstoleranz identisch. Ebenso sind die zweiten Wellenleiterschichten 42 innerhalb der Fertigungstoleranz identisch.
Zwischen dem Schichtstapel 4 und dem Trägersubstrat 1 ist eine TCF-Kompensationsschicht 5 mit einem positiven Temperaturkoeffizienten der Frequenz angeordnet. Darüber hinaus ist zwischen der TCF-Kompensationsschicht 5 und dem Trägersubstrat 1 eine dielektrische Ionenblockierschicht 6 angeordnet.
Die SAW-Vorrichtung in 1 kann ein SAW-Resonator sein. Reflektoren des SAW-Resonators sind nicht dargestellt. Eine Schallgeschwindigkeit in den ersten Wellenleiterschichten 41 ist mindestens 1,5 mal so groß wie eine Schallgeschwindigkeit in den zweiten Wellenleiterschichten 42. Es werden beispielsweise die Schallgeschwindigkeiten jeweils für Schallwellen gemessen, die sich in die gleiche Richtung ausbreiten wie die Hauptschallwelle des SAW-Resonators, die in 1 eine Richtung von links nach rechts oder umgekehrt sein kann.
In der exemplarischen Ausführungsform von 1 ist das Trägersubstrat 1 ein Si-Substrat mit Schnittwinkeln von (0°, 0°, 45°) und einer Dicke von mindestens 20 µm. Die Ionenblockierschicht 6 besteht aus polykristallinem Si mit einer mittleren Dicke von 250 nm. Die TCF-Kompensationsschicht 5 ist eine SiO₂-Schicht mit einer mittleren Dicke von 200 nm. Die ersten Wellenleiterschichten 41 sind AlN-Schichten mit einer mittleren Dicke von jeweils 190 nm. Die zweiten Wellenleiterschichten 42 sind SiO₂-Schichten mit einer mittleren Dicke von jeweils 105 nm. Die piezoelektrische Dünnschicht 2 ist eine LiNbO₃-Dünnschicht mit einem Schnittwinkel von (0°, 170°, 0°) und einer mittleren Dicke von 100 nm. Die Elektrodenstruktur 3, 31, 32 basiert auf Al und hat eine mittlere Dicke von 80 nm. Die angegebenen Materialien, Schnittwinkel und Dicken sind jedoch nur als Beispiel zu verstehen. Je nach Verwendungszweck der SAW-Vorrichtung können die Materialien, Dicken und Schnittwinkel sowie die Anzahl der Wellenleiterschichten variieren. Besonders bevorzugt umfasst der Schichtstapel 4 mehr als zwei erste Wellenleiterschichten 41 und mehr als zwei zweite Wellenleiterschichten 42.
Die Schnittwinkel (λ', µ, θ) sind die Euler-Winkel, die die Ausrichtung einer Oberseite eines Substrats oder Trägers oder einer Schicht in Bezug auf die kristallographischen Achsen des Substrats oder Trägers oder der Schicht definieren. Die Definition entspricht der Internationalen Norm IEC 62276:2016.
Die 2 und 3 zeigen eine Simulation der Admittanz eines simulierten SAW-Resonators gemäß der vorliegenden Erfindung (durchgezogene Linie) im Vergleich zu einem simulierten SAW-Resonator, der nicht den Schichtstapel von Wellenleiterschichten umfasst (gestrichelte Linie). Zum Beispiel ist der simulierte SAW-Resonator gemäß der vorliegenden Erfindung der SAW-Resonator gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1.
In 2 ist der Realteil der Admittanz und in 3 der Absolutwert der Admittanz dargestellt. Die y-Achsen zeigen jeweils die Größe in dB, während die x-Achsen jeweils die Frequenz in MHz anzeigen.
Die Einführung des Schichtstapels aus Wellenleiterschichten mit unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten verbessert die Wellenleitung deutlich, was sich in 2 durch die niedrigeren Werte der durchgezogenen Linie im Vergleich zur gestrichelten Linie zeigt. Zusätzlich erhöht der Schichtstapel aus Wellenleiterschichten den k²-Wert deutlich, wie in 3 zu sehen ist. Die durch den Schichtstapel aus Wellenleiterschichten bedingten Verbesserungen im k²-Wert und im Verlust machen die SAW-Vorrichtung geeignet für Anwendungen bei 5 GHz, die hohe k²- und Q-Werte erfordern.
Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, insbesondere auch jede Kombination von Merkmalen aus den Patentansprüchen, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination nicht ausdrücklich in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen offenbart ist.
Bezugszeichenliste

1: Trägersubstrat
2: piezoelektrische Dünnschicht
3: interdigitale Elektrodenstruktur
4: Schichtstapel aus Wellenleiterschichten
5: TCF-Kompensationsschicht
6: Ionenblockierschicht
31: erste Elektrode
32: zweite Elektrode
41: erste Wellenleiterschicht
42: zweite Wellenleiterschicht

Claims

SAW-Vorrichtung, umfassend - ein Trägersubstrat (1), - eine piezoelektrische Dünnschicht (2) auf dem Trägersubstrat (1), - eine interdigitale Elektrodenstruktur (3) auf der piezoelektrischen Dünnschicht (2), und - einen Schichtstapel (4) aus Wellenleiterschichten, wobei der Schichtstapel (4) zwischen dem Trägersubstrat (1) und der piezoelektrischen Dünnschicht (2) angeordnet ist, wobei - der Schichtstapel (4) eine erste Wellenleiterschicht (41) und eine zweite Wellenleiterschicht (42) umfasst, - eine Schallgeschwindigkeit in der ersten Wellenleiterschicht (41) mindestens 1,5 mal so groß ist wie eine Schallgeschwindigkeit in der zweiten Wellenleiterschicht (42) .
SAW-Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Schichtstapel (4) mehrere der ersten Wellenleiterschichten (41) und mehrere der zweiten Wellenleiterschichten (42) umfasst, wobei die ersten Wellenleiterschichten (41) und die zweiten Wellenleiterschichten (42) abwechselnd angeordnet sind.
SAW-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei - die Schallgeschwindigkeit in der ersten Wellenleiterschicht (41) größer ist als eine Schallgeschwindigkeit in der piezoelektrischen Dünnschicht (2), - die Schallgeschwindigkeit in der zweiten Wellenleiterschicht (42) kleiner ist als die Schallgeschwindigkeit in der piezoelektrischen Dünnschicht (2) .
SAW-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine mittlere Dicke der ersten (41) und/oder zweiten (42) Wellenleiterschicht höchstens λ/4 ist, wobei λ die Wellenlänge einer Hauptschallwelle während des Betriebs der SAW-Vorrichtung ist.
SAW-Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei eine mittlere Dicke der piezoelektrischen Dünnschicht (2) höchstens 0,6·λ beträgt.
SAW-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die erste Wellenleiterschicht (41) eines oder mehrere der folgenden Materialien umfasst oder aus ihnen besteht: AlN, SiC, Al₂O₃, diamantähnlicher Kohlenstoff, TiN, - die zweite Wellenleiterschicht (42) eines oder mehrere der folgenden Materialien umfasst oder aus ihnen besteht: SiO₂, Si₃N₄, dotiertes SiO₂, GeO₂.
SAW-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine TCF-Kompensationsschicht (5) mit einem positiven Temperaturkoeffizienten der Frequenz zwischen dem Schichtstapel (4) und dem Trägersubstrat (1) angeordnet ist.
SAW-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine dielektrische Ionenblockierschicht (6) zwischen dem Schichtstapel (4) und dem Trägersubstrat (1) angeordnet ist.
SAW-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die SAW-Vorrichtung einen SAW-Resonator umfasst, wobei die interdigitale Elektrodenstruktur (3) auf der piezoelektrischen Dünnschicht (2) einen interdigitalen Wandler des SAW-Resonators bildet.
SAW-Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der SAW-Resonator eine Resonanzfrequenz von mindestens 2,5 GHz aufweist.