DE102019113797A1 - BAW resonator with reduced losses, RF filter, multiplexer and method for manufacturing a BAW resonator - Google Patents

BAW resonator with reduced losses, RF filter, multiplexer and method for manufacturing a BAW resonator Download PDF

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Abstract

Ein BAW-Resonator mit reduzierten Verlusten ist bereitgestellt. Der BAW-Resonator weist einen ersten Spalt auf, der zwischen dem piezoelektrischen Material und einer ersten Elektrode, die aus der unteren Elektrode und der oberen Elektrode des Resonators ausgewählt ist, angeordnet ist.A BAW resonator with reduced losses is provided. The BAW resonator has a first gap which is arranged between the piezoelectric material and a first electrode selected from the lower electrode and the upper electrode of the resonator.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen BAW-Resonator mit reduzierten Verlusten und ein entsprechendes HF-Filter, einen Multiplexer und ein Herstellungsverfahren.The present invention relates to a BAW resonator with reduced losses and a corresponding RF filter, a multiplexer and a manufacturing method.

HF-Filter können in Drahtloskommunikationsvorrichtungen verwendet werden, um gewollte HF-Signale von nichtgewollten HF-Signalen zu separieren. HF-Filter sind Teile von Multiplexern eines Frontend-Schaltkreises, z. B. einer Mobilkommunikationsvorrichtung. Parameter, wie etwa Einfügedämpfung, bandexterne Unterdrückung, Roll-Off, Isolation, Linearität, Lebensdauer usw., bestimmen die Qualität eines HF-Filters. Der Filtereinfügedämpfungsparameter wird direkt durch die Verluste der einzelnen Komponenten beeinfluss, die zum Konstruieren des Filters kaskadiert sind. Solche Komponenten in einem HF-Filter sind Resonatoren, wobei manche hinsichtlich anderen verstimmt sind, um eine Gesamtbandpass- oder -bandsperrfilterfunktion zu bilden, nachdem sie kaskadiert wurden. Daher ist der Resonatorgütefaktor ein typischer Schlüsselleistungsfähigkeitsindikator für die Filterleistungsfähigkeit.RF filters can be used in wireless communication devices to separate wanted RF signals from unwanted RF signals. RF filters are parts of multiplexers in a front-end circuit, e.g. B. a mobile communication device. Parameters such as insertion loss, out-of-band suppression, roll-off, isolation, linearity, service life, etc. determine the quality of an RF filter. The filter insertion loss parameter is directly influenced by the losses of the individual components that are cascaded to construct the filter. Such components in an RF filter are resonators, with some being detuned with respect to others to form an overall bandpass or bandstop filter function after they have been cascaded. Therefore, the resonator quality factor is a typical key performance indicator of filter performance.

Resonatoren, die in HF-Filtern verwendet werden, können elektroakustische sein, die akustische Wellen einsetzen und ein piezoelektrisches Material umfassen. Aufgrund des piezoelektrischen Effekts wandelt ein Wandler in einem Resonator zwischen elektromagnetischen und akustischen HF-Signalen um. Zu diesem Zweck umfasst ein BAW-Resonator (BAW: Bulk Acoustic Wave - akustische Volumenwelle) typischerweise ein piezoelektrisches Material, das zwischen einer unteren Elektrode und einer oberen Elektrode angeordnet ist, die sich in direktem mechanischen Kontakt mit dem Piezodielektrikum befinden. Die gesamten Leitfähigkeitsverluste des Resonators werden durch die Leitfähigkeit des oberen und unteren Elektrodenmaterials und die Dicke bestimmt. Man kann nicht einfach die Elektrodendicke erhöhen und erwarten, dass die akustische Leistungsfähigkeit gleich bleibt. In der Praxis gibt es einen Kompromiss - man kann die effektive Elektrodenleitfähigkeit auf Kosten des akustischen Gütefaktors, des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten (in Zusammenhang mit Pol-/Nullstellenabstand und erreichbarer Filterbandbreite) und dem Störmodenanteil/-niveau verbessern. Mit zunehmender Filterdurchlassbandfrequenz wird dieser Kompromiss immer mehr zu einem Problem, da die Elektrodendicke aus akustischen Gründe verkleinert werden solle, um ähnliche akustische Eigenschaften wie eine Vorrichtung mit niedriger Frequenz zu haben, während, um eine ähnliche effektive Leitfähigkeit wie eine Vorrichtung mit niedrigerer Frequenz zu haben, die Elektrodenfilmdicke etwa die gleiche sein sollte.Resonators used in RF filters can be electroacoustic using acoustic waves and comprising a piezoelectric material. Due to the piezoelectric effect, a transducer in a resonator converts between electromagnetic and acoustic RF signals. For this purpose, a BAW resonator (BAW: Bulk Acoustic Wave) typically comprises a piezoelectric material which is arranged between a lower electrode and an upper electrode, which are in direct mechanical contact with the piezoelectric dielectric. The total conductivity losses of the resonator are determined by the conductivity of the upper and lower electrode material and the thickness. You can't just increase the electrode thickness and expect the acoustic performance to stay the same. In practice there is a compromise - the effective electrode conductivity can be improved at the expense of the acoustic quality factor, the electromechanical coupling coefficient (in connection with the pole / zero point spacing and the achievable filter bandwidth) and the interference mode component / level. As the filter passband frequency increases, this trade-off becomes more of a problem, as the electrode thickness should be reduced for acoustic reasons in order to have similar acoustic properties as a device with a low frequency, while in order to have a similar effective conductivity as a device with a lower frequency , the electrode film thickness should be about the same.

Ein Verfahren zum Entkoppeln dieses Kompromisses aus Leitfähigkeit/akustischer Leistungsfähigkeit wird bereitgestellt, das eine gleichzeitige Verbesserung der akustischen Leistungsfähigkeit und der effektiven elektrischen Leitfähigkeit des Resonators und der gesamten Filterleistungsfähigkeit erlaubt. Ein BAW-Resonator und ein Verfahren zum Herstellen eines BAW-Resonators gemäß den unabhängigen Ansprüchen sind bereitgestellt. Abhängige Ansprüche stellen bevorzugte Ausführungsformen bereit.A method of decoupling this conductivity / acoustic performance tradeoff is provided which allows a simultaneous improvement in the acoustic performance and the effective electrical conductivity of the resonator and the overall filter performance. A BAW resonator and a method for producing a BAW resonator according to the independent claims are provided. Dependent claims provide preferred embodiments.

Der BAW-Resonator mit reduzierten Verlusten umfasst ein piezoelektrisches Material. Das piezoelektrische Material ist in einer piezoelektrischen Schicht angeordnet. Ferner umfasst der Resonator eine untere Elektrode, die in einer unteren Elektrodenschicht angeordnet und strukturiert ist. Ferner umfasst der BAW-Resonator eine obere Elektrode, die in einer oberen Elektrodenschicht strukturiert und angeordnet ist. Die piezoelektrische Schicht ist auf oder oberhalb der unteren Elektrodenschicht angeordnet. Die obere Elektrodenschicht ist auf oder oberhalb der piezoelektrischen Schicht angeordnet. Ein erster Spalt ist zwischen dem piezoelektrischen Material und einer ersten Elektrode angeordnet. Die erste Elektrode ist aus der unteren Elektrode und der oberen Elektrode ausgewählt.The BAW resonator with reduced losses comprises a piezoelectric material. The piezoelectric material is arranged in a piezoelectric layer. The resonator furthermore comprises a lower electrode which is arranged and structured in a lower electrode layer. The BAW resonator further comprises an upper electrode which is structured and arranged in an upper electrode layer. The piezoelectric layer is arranged on or above the lower electrode layer. The upper electrode layer is arranged on or above the piezoelectric layer. A first gap is arranged between the piezoelectric material and a first electrode. The first electrode is selected from the lower electrode and the upper electrode.

Dementsprechend ist ein BAW-Resonator bereitgestellt, der eine gestapelte Schichtstruktur aufweist, die von der Sandwichstruktur herkömmlicher BAW-Resonatoren verschieden ist, wobei das piezoelektrische Material sandwichartig zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode dazwischenliegt. Insbesondere ermöglicht der erste Spalt, der zwischen dem piezoelektrischen Material und der ersten Elektrode (die die untere Elektrode oder die obere Elektrode sein kann) angeordnet ist, eine signifikante Reduzierung von Verlusten, da eine Leitfähigkeit durch eine erhöhte Dicke verbessert werden kann, ohne die akustische Belastung des piezoelektrischen Materials mit hoher Qualität (niedrigem akustischen Verlust) zu beeinflussen.Accordingly, a BAW resonator is provided which has a stacked layer structure which is different from the sandwich structure of conventional BAW resonators, wherein the piezoelectric material is sandwiched between the lower electrode and the upper electrode. In particular, the first gap, which is arranged between the piezoelectric material and the first electrode (which can be the lower electrode or the upper electrode), enables a significant reduction in losses, since conductivity can be improved by an increased thickness without the acoustic To influence loading of the piezoelectric material with high quality (low acoustic loss).

Eine Reduzierung von Verlusten kann erhalten werden, weil ohmsche Verluste und akustische Verluste reduziert werden können. Der erste Spalt kann akustische Verluste reduzieren, weil die Begrenzung akustischer Energie auf den Resonatorbereich, der das piezoelektrische Material umfasst, verbessert wird, weil keine akustische Energie über den Spalt abgeleitet werden kann.A reduction in losses can be obtained because ohmic losses and acoustic losses can be reduced. The first gap can reduce acoustic losses because the confinement of acoustic energy to the resonator area comprising the piezoelectric material is improved because no acoustic energy can be dissipated via the gap.

Ferner kann das HF-Signal über die erste Elektrode und über den Spalt in das piezoelektrische Material über einen breiten Bereich eingekoppelt werden, so dass Ströme, Wirbelströme und ohmsche Verluste reduziert werden.Furthermore, the RF signal can be coupled into the piezoelectric material over a wide range via the first electrode and via the gap, so that currents, eddy currents and ohmic losses are reduced.

Ferner reduziert die akustische Entkopplung des piezoelektrischen Materials von der ersten Elektrode die Anzahl möglicher Störmoden. Dementsprechend wird die Anzahl akustischer Kanäle, die akustische Energie aus dem Resonator ableiten, weiter reduziert.Furthermore, the acoustic decoupling of the piezoelectric material from the first electrode reduces the number of possible interference modes. Accordingly, the number of acoustic channels that derive acoustic energy from the resonator is further reduced.

Dementsprechend weist der bereitgestellte BAW-Resonator signifikant reduzierte Verluste und daher einen höheren Gütefaktor auf. Ein solcher BAW-Resonator ermöglicht HF-Filter mit reduzierten Verlusten und entsprechende HF-Filterkomponenten, wie etwa Multiplexer mit reduzierten Verlusten und mit verbesserten elektrischen Eigenschaften.The BAW resonator provided accordingly has significantly reduced losses and therefore a higher quality factor. Such a BAW resonator enables HF filters with reduced losses and corresponding HF filter components, such as multiplexers with reduced losses and with improved electrical properties.

Die reduzierte Einfügedämpfung des entsprechenden HF-Filters, z. B. eines Bandpassfilters, entspricht einem verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis und benötigt eine geringere Signalverstärkung, was zu einer insgesamt längeren Batterielebensdauer der entsprechenden Kommunikationsvorrichtung aufgrund der gleichzeitigen Verbesserung akustischer und elektrischer Eigenschaften des Resonators führt.The reduced insertion loss of the corresponding RF filter, e.g. B. a bandpass filter, corresponds to an improved signal-to-noise ratio and requires a lower signal amplification, which leads to an overall longer battery life of the corresponding communication device due to the simultaneous improvement of the acoustic and electrical properties of the resonator.

Die untere Elektrode und/oder die obere Elektrode kann herkömmliche Elektrodenmaterialien für BAW-Resonatoren, z. B. Gold, Molybdän, Silber, Wolfram, Kupfer, Aluminium oder Legierungen davon, umfassen oder daraus bestehen.The lower electrode and / or the upper electrode can be conventional electrode materials for BAW resonators, e.g. B. gold, molybdenum, silver, tungsten, copper, aluminum or alloys thereof, comprise or consist thereof.

Das piezoelektrische Material in der piezoelektrischen Schicht kann herkömmliche piezoelektrische Materialien umfassen, die für elektroakustisch aktive Vorrichtungen elektroakustischer Filterkomponenten verwendet werden. Dementsprechend kann das piezoelektrische Material Lithiumtantalat, Lithiumniobat, Aluminiumnitrid, scandiumdotiertes Aluminiumnitrid, Quarz oder Kombinationen davon umfassen oder daraus bestehen.The piezoelectric material in the piezoelectric layer can comprise conventional piezoelectric materials used for electroacoustic active devices of electroacoustic filter components. Accordingly, the piezoelectric material can comprise or consist of lithium tantalate, lithium niobate, aluminum nitride, scandium-doped aluminum nitride, quartz or combinations thereof.

Der erste Spalt ist ein vertikaler Spalt zwischen einem Material unterhalb und einem Material oberhalb des Spalts. Dementsprechend weist der Spalt eine Ausdehnung in horizontalen (x, y) Richtungen auf und ist im Wesentlichen orthogonal zu der vertikalen (z) Richtung. Der Spalt weist eine Dicke in der vertikalen Richtung auf, die 10 nm oder größer und 100 nm oder kleiner sein kann.The first gap is a vertical gap between a material below and a material above the gap. Accordingly, the gap has an extension in horizontal (x, y) directions and is substantially orthogonal to the vertical (z) direction. The gap has a thickness in the vertical direction that can be 10 nm or larger and 100 nm or smaller.

Die untere Elektrode und/oder die obere Elektrode kann Abmessungen in horizontalen Richtungen aufweisen, die in der Größenordnung von 100 µm sind. Der Spalt weist dementsprechend auch horizontale Ausdehnungen auf. Dementsprechend weist der Spalt ein sehr großes Aspektverhältnis von näherungsweise 100000 x 10 bis 100000 x 100 auf.The lower electrode and / or the upper electrode may have dimensions in horizontal directions that are on the order of 100 μm. The gap accordingly also has horizontal dimensions. Accordingly, the gap has a very large aspect ratio of approximately 100,000 × 10 to 100,000 × 100.

Um einen solchen Spalt auf eine solche Weise zu erhalten, dass die Akustik des piezoelektrischen Materials ungestört durch die erste Elektrode ist, müssen spezielle Bedingungen während der Herstellung befolgt werden. Dementsprechend müssen eine Wölbung oder andere Störungen, die die vertikale Dicke des Spalts lokal reduzieren, vermieden werden.In order to obtain such a gap in such a way that the acoustics of the piezoelectric material are undisturbed by the first electrode, special conditions must be followed during manufacture. Accordingly, buckling or other disturbances that locally reduce the vertical thickness of the gap must be avoided.

Die Schritte während der Herstellung des entsprechenden Schichtenstapels müssen mit hoher Präzision gesteuert werden.The steps during the production of the corresponding stack of layers must be controlled with high precision.

Dann ist eine Grenzfläche frei von mechanischer Spannung und optional frei von Ladungen auf einer oder beiden Seiten des piezoelektrischen Materials möglich, die zu den oben erwähnten Vorteilen des bereitgestellten BAW-Resonators führt.Then an interface free from mechanical stress and optionally free from charges is possible on one or both sides of the piezoelectric material, which leads to the above-mentioned advantages of the BAW resonator provided.

Es ist nicht nur möglich, einen Spalt zwischen dem piezoelektrischen Material und der ersten Elektrode bereitzustellen. Es ist auch möglich, einen entsprechenden zweiten Spalt auf der jeweiligen anderen Seite des piezoelektrischen Materials zwischen dem piezoelektrischen Material und der entsprechenden anderen Elektrode, die aus der unteren Elektrode und der oberen Elektrode ausgewählt ist, bereitzustellen, so dass das piezoelektrische Material über einen entsprechenden Spalt von beiden Elektroden isoliert ist. Das piezoelektrische Material ist über den ersten Spalt von der erste Elektrode und über den zweiten Spalt von der zweiten Elektrode separiert.It is not only possible to provide a gap between the piezoelectric material and the first electrode. It is also possible to provide a corresponding second gap on the respective other side of the piezoelectric material between the piezoelectric material and the corresponding other electrode, which is selected from the lower electrode and the upper electrode, so that the piezoelectric material has a corresponding gap is isolated from both electrodes. The piezoelectric material is separated from the first electrode via the first gap and from the second electrode via the second gap.

Entsprechend können auch alle technischen Merkmale, die mit Bezug auf diesen ersten Spalt beschrieben sind, auch - mutatis mutandis - auf den zweiten Spalt angewandt werden, falls dieser vorhanden ist.Accordingly, all technical features that are described with reference to this first gap can also - mutatis mutandis - be applied to the second gap, if this is present.

Insbesondere können, mit Bezug auf die Anordnung des piezoelektrischen Materials und der Spalte, die Strukturen in der Nähe des piezoelektrischen Materials - wenigstens mit Bezug auf die Schichtkonstruktion - eine Spiegelsymmetrie aufweisen, wobei die Ausdehnung des piezoelektrischen Materials in den horizontalen Richtungen eine Spiegelebene einrichtet.In particular, with regard to the arrangement of the piezoelectric material and the gaps, the structures in the vicinity of the piezoelectric material - at least with regard to the layer construction - can have a mirror symmetry, the expansion of the piezoelectric material in the horizontal directions establishing a mirror plane.

Es ist möglich, dass der Spalt (z. B. der erste Spalt und/oder der zweite Spalt) das piezoelektrische Material mechanisch und/oder elektrisch von der ersten (und/oder zweiten) Elektrode isoliert.It is possible for the gap (e.g. the first gap and / or the second gap) to mechanically and / or electrically isolate the piezoelectric material from the first (and / or second) electrode.

Die mechanische Isolation verbessert die Akustik des Wandlers, weil Energieverlustkanäle entfernt werden und die Möglichkeiten für die Anregung von Störmoden - aufgrund der vereinfachten Geometrie und der Symmetrie der Wandlerstruktur - reduziert wird.The mechanical isolation improves the acoustics of the transducer, because energy loss channels are removed and the possibilities for the excitation of interference modes - due to the simplified geometry and the symmetry of the transducer structure - are reduced.

Die elektrische Isolation reduziert die Möglichkeiten ohmscher Verluste, da ihre Dicke erhöht werden kann, ohne die Akustik zu beeinflussen. Das HF-Signal kann kapazitiv von der entsprechenden Elektrode über den Spalt in das piezoelektrische Material gekoppelt werden. Ein Ladungstransfer von dem piezoelektrischen Material zu der entsprechenden ersten (und/oder zweiten) Elektrode oder umgekehrt wird verhindert, so dass die gesamten ohmschen Verluste des BAW-Resonators reduziert werden.The electrical insulation reduces the possibilities of ohmic losses as its thickness increases without affecting the acoustics. The RF signal can be capacitively coupled into the piezoelectric material from the corresponding electrode via the gap. A charge transfer from the piezoelectric material to the corresponding first (and / or second) electrode or vice versa is prevented, so that the total ohmic losses of the BAW resonator are reduced.

Entsprechend ist es möglich, dass der erste Spalt zum kapazitiven Koppeln der ersten Elektrode mit dem piezoelektrischen Material bereitgestellt und geeignet ist. Dementsprechend sind auch die erste Elektrode und das piezoelektrische Material zum kapazitiven Koppeln der Wandlerstruktur, die das piezoelektrische Material umfasst, mit einem Signalpfad, der elektrisch mit dem BAW-Resonator gekoppelt ist, bereitgestellt und geeignet.Accordingly, it is possible for the first gap to be provided and suitable for capacitive coupling of the first electrode to the piezoelectric material. Accordingly, the first electrode and the piezoelectric material are also provided and suitable for capacitive coupling of the transducer structure, which comprises the piezoelectric material, with a signal path that is electrically coupled to the BAW resonator.

Es ist möglich, dass die erste Elektrode (und/oder die zweite Elektrode), der erste Spalt (und/oder der zweite Spalt, falls dieser vorhanden ist) und die entsprechende Grenzfläche zwischen dem Spalt und dem piezoelektrischen Material ein Reihenkapazitätselement einrichten.It is possible that the first electrode (and / or the second electrode), the first gap (and / or the second gap, if this is present) and the corresponding interface between the gap and the piezoelectric material establish a series capacitance element.

Die Bereitstellung des Reihenkapazitätselements richtet einen zusätzlichen Freiheitsgrad des Anpassens der elektroakustischen Kopplung ein, die dem Kopplungskoeffizienten K2 des BAW-Resonators entspricht.The provision of the series capacitance element establishes an additional degree of freedom for adapting the electroacoustic coupling, which corresponds to the coupling coefficient K 2 of the BAW resonator.

Entsprechend ist, wenn zwei Spalte vorhanden sind, dann die Wandlerstruktur, die das piezoelektrische Material umfasst, elektrisch zwischen den zwei Reihenkapazitätselementen, die über die Spalte eingerichtet werden, in Reihe verbunden.Similarly, if there are two gaps, then the transducer structure comprising the piezoelectric material is electrically connected in series between the two series capacitance elements established across the gaps.

Es ist möglich, dass der BAW-Resonator eine erste (und/oder zweite) Kopplungsschicht zwischen dem piezoelektrischen Material und dem ersten (und/oder zweiten) Spalt umfasst.It is possible that the BAW resonator comprises a first (and / or second) coupling layer between the piezoelectric material and the first (and / or second) gap.

Insbesondere kann die erste (und/oder zweite) Kopplungsschicht auf der oberen oder unteren Oberfläche des piezoelektrischen Materials angeordnet sein.In particular, the first (and / or second) coupling layer can be arranged on the upper or lower surface of the piezoelectric material.

Die erste und/oder zweite Kopplungsschicht kann ein leitfähiges oder dielektrisches Material umfassen. Die entsprechende erste und/oder zweite Kopplungsschicht verbessert die kapazitive Kopplung des HF-Signals in den und aus dem Wandler, der das piezoelektrische Material umfasst. The first and / or second coupling layer can comprise a conductive or dielectric material. The corresponding first and / or second coupling layer improves the capacitive coupling of the RF signal into and out of the transducer, which comprises the piezoelectric material.

Die kapazitive Kopplung kann im Wesentlichen eine quasielektrostatische Kopplung sein.The capacitive coupling can essentially be a quasi-electrostatic coupling.

Ferner kann das Material der Kopplungsschicht während der Herstellung dazu verwendet werden, als eine Ätzstoppschicht zu wirken, z. B. wenn der Spalt unter Nutzung eines Opfermaterials bereitgestellt wird, das während der Herstellung entfernt wird.Furthermore, the material of the coupling layer can be used during manufacture to act as an etch stop layer, e.g. B. when the gap is provided using a sacrificial material that is removed during manufacture.

Wie oben angegeben, ist es möglich, dass der BAW-Resonator zusätzlich zu dem ersten Spalt einen zweiten Spalt umfasst. Der zweite Spalt ist zwischen dem piezoelektrischen Material und einer zweiten Elektrode angeordnet. Die zweite Elektrode ist aus der unteren Elektrode und der oberen Elektrode ausgewählt und die zweite Elektrode ist die jeweilige andere Elektrode der unteren Elektrode und der oberen Elektrode im Vergleich zu der ersten Elektrode. Dementsprechend ist, wenn die erste Elektrode die untere Elektrode ist, die zweite Elektrode dann die obere Elektrode. Wenn die erste Elektrode die obere Elektrode ist, ist die zweite Elektrode dann die untere Elektrode.As stated above, it is possible for the BAW resonator to include a second gap in addition to the first gap. The second gap is arranged between the piezoelectric material and a second electrode. The second electrode is selected from the lower electrode and the upper electrode, and the second electrode is the respective other electrode of the lower electrode and the upper electrode compared to the first electrode. Accordingly, if the first electrode is the lower electrode, then the second electrode is the upper electrode. If the first electrode is the top electrode, then the second electrode is the bottom electrode.

Es ist möglich, dass der BAW-Resonator eine zweite Kopplungsschicht zwischen dem piezoelektrischen Material und dem zweiten Spalt umfasst.It is possible that the BAW resonator comprises a second coupling layer between the piezoelectric material and the second gap.

Es ist möglich, dass der BAW-Resonator eine horizontale akustische Reflexionsstruktur umfasst, die auf der oberen Seite und/oder der unteren Seite des piezoelektrischen Materials angeordnet ist.It is possible that the BAW resonator comprises a horizontal acoustic reflection structure which is arranged on the upper side and / or the lower side of the piezoelectric material.

Die horizontale akustische Reflexionsstruktur reflektiert akustische Energie, die ansonsten aus dem Wandlerbereich entlang einer lateralen, d.h. horizontalen Richtung, abgeleitet werden würde. Die horizontale akustische Reflexionsstruktur ist von einer vertikalen Bragg-Spiegel-Struktur, die die Ableitung akustischer Energie in einer vertikalen Richtung verhindert, wie von SMR-Typ-BAW-Resonatoren (SMR: Solidly Mounted Resonator - fest montierter Resonator) bekannt, verschieden und kann zusätzlich zu dieser bereitgestellt werden.The horizontal acoustic reflection structure reflects acoustic energy that would otherwise emit from the transducer area along a lateral, i. horizontal direction, would be derived. The horizontal acoustic reflection structure is different from a vertical Bragg mirror structure that prevents acoustic energy from being dissipated in a vertical direction, as known, and can, from SMR-type BAW resonators (SMR: Solidly Mounted Resonator) in addition to this.

Es ist möglich, dass die horizontale akustische Reflexionsstruktur eine vertikale Grenzfläche zwischen Bereichen unterschiedlicher akustischer Impedanzen umfasst.It is possible that the horizontal acoustic reflection structure comprises a vertical interface between areas of different acoustic impedances.

Akustische Energie wird an einer Grenzfläche zwischen Materialien unterschiedlicher akustischer Impedanz reflektiert. Die akustische Impedanz eines Materials hängt von den Steifigkeitsparametern des Materials und der Dichte des Materials ab. Wenn einige solche Grenzflächen iterativ in einer horizontalen Richtung angeordnet sind, insbesondere wenn der horizontale Abstand ein ganzzahliges Vielfaches von λ/2 (wobei λ die akustische Wellenlänge ist) ist, dann kann eine Bragg-Spiegel-Struktur erhalten werden, die einen großen Anteil der akustischen Energie reflektiert.Acoustic energy is reflected at an interface between materials of different acoustic impedance. The acoustic impedance of a material depends on the stiffness parameters of the material and the density of the material. If some such interfaces are iteratively arranged in a horizontal direction, especially if the horizontal distance is an integral multiple of λ / 2 (where λ is the acoustic wavelength), then a Bragg mirror structure can be obtained which has a large proportion of the reflecting acoustic energy.

Eine solche horizontale Reflexionsstruktur kann Strukturen auf der oberen Seite des piezoelektrischen Materials und Strukturen auf der unteren Seite des piezoelektrischen Materials aufweisen.Such a horizontal reflection structure can have structures on the upper side of the piezoelectric material and structures on the lower side of the piezoelectric material.

Es ist möglich, dass die horizontale akustische Reflexionsstruktur eine oder mehrere Vertiefungen in dem piezoelektrischen Material umfasst. Zusätzlich oder als eine Alternative ist es möglich, dass die horizontale akustische Reflexionsstruktur eine oder mehrere Stellen eines zusätzlichen Materials umfasst, die auf einer oberen oder bei einer unteren Seite des piezoelektrischen Materials angeordnet sind.It is possible that the horizontal acoustic reflection structure comprises one or more depressions in the piezoelectric material. Additionally or as an alternative, it is possible that the horizontal acoustic reflection structure comprises one or more locations of an additional material, which are arranged on an upper or at a lower side of the piezoelectric material.

Zusätzlich zu der horizontalen akustischen Reflexionsstruktur kann der BAW-Resonator einen Bragg-Reflektor umfassen, der unterhalb oder oberhalb des piezoelektrischen Materials angeordnet ist. Der Bragg-Reflektor kann akustisch mit dem piezoelektrischen Material gekoppelt sein.In addition to the horizontal acoustic reflection structure, the BAW resonator can comprise a Bragg reflector which is arranged below or above the piezoelectric material. The Bragg reflector can be acoustically coupled to the piezoelectric material.

Dann ist der BAW-Resonator ein Resonator des SMR-Typs (SMR: fest montierter Resonator).Then the BAW resonator is a resonator of the SMR type (SMR: permanently mounted resonator).

Der Bragg-Reflektor kann zwei oder mehr iterativ gestapelte Schichten aus Materialien unterschiedlicher akustischer Impedanzen umfassen.The Bragg reflector can comprise two or more iteratively stacked layers made of materials of different acoustic impedances.

Ein herkömmliches SMR-Typ-BAW-Resonator-Spiegelmaterial, wie etwa Wolfram für eine hohe akustische Impedanz und Siliciumoxid für eine niedrige akustische Impedanz, sind möglich.A conventional SMR-type BAW resonator mirror material, such as tungsten for high acoustic impedance and silicon oxide for low acoustic impedance, are possible.

Ferner kann der BAW-Resonator auch ein Resonator des TF-BAR-Typs sein. Ein TF-BAR (Thin-Film-Bulk Acoustic Resonator - akustischer Dünnfilmvolumenresonator) weist einen Hohlraum auf, der oberhalb oder unterhalb des piezoelektrischen Materials angeordnet ist, um die akustische Energie auf den Wandlerbereich zu begrenzen.Furthermore, the BAW resonator can also be a resonator of the TF-BAR type. A TF-BAR (Thin-Film-Bulk Acoustic Resonator) has a cavity which is arranged above or below the piezoelectric material in order to limit the acoustic energy to the transducer area.

Der wie oben beschriebene BAW-Resonator weist wenigstens einen Spalt zwischen einer Elektrode und dem piezoelektrischen Material auf, welcher eine akustische Isolation einrichtet und welcher akustische Energie eingrenzt, indem er die Ableitung akustischer Energie verhindert. Wenn der BAW-Resonator einen zweiten Spalt auf der jeweiligen anderen Seite aufweist, dann ist eine gute Isolation bereits enthalten.The BAW resonator as described above has at least one gap between an electrode and the piezoelectric material, which creates acoustic insulation and which limits acoustic energy by preventing the discharge of acoustic energy. If the BAW resonator has a second gap on the other side, good insulation is already included.

Falls jedoch der BAW-Resonator nur einen Spalt, wie oben beschrieben, aufweist, dann kann die jeweilige andere Seite des piezoelektrischen Materials akustisch von seiner Umgebung unter Nutzung des Bragg-Spiegels eines SMR-Typ-Resonators oder unter Nutzung eines Hohlraums eines TF-BAR isoliert werden.However, if the BAW resonator has only one gap, as described above, then the respective other side of the piezoelectric material can be acoustically different from its surroundings using the Bragg mirror of an SMR-type resonator or using a cavity of a TF-BAR to be isolated.

Es ist ferner möglich, dass der BAW-Resonator eine erste und/oder eine zweite zusätzliche Schicht umfasst. Die erste und/oder zweite zusätzliche Schicht ist aus einer Trägermaterialschicht und einer Kappenmaterialschicht ausgewählt. Die Trägermaterialschicht kann unterhalb des piezoelektrischen Materials angeordnet sein. Die Kappenmaterialschicht kann oberhalb des piezoelektrischen Materials angeordnet sein. Die erste zusätzliche Schicht oder die zweite zusätzliche Schicht oder die erste und die zweite zusätzliche Schicht können eine Durchkontaktierung enthalten.It is also possible that the BAW resonator comprises a first and / or a second additional layer. The first and / or second additional layer is selected from a carrier material layer and a cap material layer. The carrier material layer can be arranged below the piezoelectric material. The cap material layer can be arranged above the piezoelectric material. The first additional layer or the second additional layer or the first and the second additional layer may contain a via.

Dann kann die Trägermaterialschicht eine Schicht des Trägermaterials einrichten, auf der die gestapelte Schichtkonstruktion des BAW-Resonators angeordnet ist. Das Trägermaterial richtet einen physischen Träger ein und stellt einen Schutz des empfindlichen elektroakustischen Wandlers bei der unteren Seite des BAW-Resonators bereit.The carrier material layer can then establish a layer of the carrier material on which the stacked layer structure of the BAW resonator is arranged. The carrier material establishes a physical carrier and provides protection for the sensitive electroacoustic transducer at the bottom of the BAW resonator.

Die Kappenmaterialschicht richtet eine Kappe ein, die den empfindlichen Wandler vor schädlichen Einflüssen auf der oberen Seite des BAW-Resonators schützt. Insbesondere kann die Kappenmaterialschicht eine Kappe einrichten, die einen Hohlraum bedeckt, in dem das piezoelektrische Material und der erste und/oder Spalt angeordnet sind, so dass die Wandlerstruktur, die das piezoelektrische Material umfasst, hermetisch von seiner Umgebung versiegelt ist.The cap material layer establishes a cap that protects the sensitive transducer from harmful influences on the upper side of the BAW resonator. In particular, the cap material layer can set up a cap which covers a cavity in which the piezoelectric material and the first and / or gap are arranged, so that the transducer structure, which comprises the piezoelectric material, is hermetically sealed from its surroundings.

Abstandshalterelemente können verwendet werden, um die Trägermaterialschicht und/oder die Kappenmaterialschicht mechanisch von dem piezoelektrischen Material zu separieren.Spacer elements can be used to mechanically separate the carrier material layer and / or the cap material layer from the piezoelectric material.

Die Durchkontaktierung durch die Trägermmaterialschicht und/oder durch die Kappenmaterialschicht ermöglicht einen elektrischen Kontakt der entsprechenden unteren oder oberen Elektrode, um die Wandlerstruktur elektrisch mit einem Signalpfad des entsprechenden HF-Filters zu koppeln. Der Querschnitt der Durchkontaktierung kann in der Größenordnung der unteren oder der oberen Elektrode sein, so dass ohmsche Verluste - aufgrund des großen Querschnitts des Leiters - reduziert werden. Entsprechend nutzt die Durchkontaktierung ein Material mit einer hohen Leitfähigkeit, wie etwa Silber, Gold, Aluminium, Kupfer oder ähnliche Metalle oder Legierungen.The plated-through hole through the carrier material layer and / or through the cap material layer enables electrical contact to be made with the corresponding lower or upper electrode in order to electrically couple the converter structure to a signal path of the corresponding HF filter. The cross section of the via can be of the order of magnitude of the lower or the upper electrode, so that ohmic losses - due to the large cross section of the conductor - are reduced. Correspondingly, the through-hole plating uses a material with a high conductivity, such as silver, gold, aluminum, copper or similar metals or alloys.

Entsprechend ist es möglich, dass ein HF-Filter einen BAW-Resonator, wie oben beschrieben, umfasst.Correspondingly, it is possible for an HF filter to include a BAW resonator, as described above.

Das HF-Filter kann eine Abzweigtypschaltkreistopologie oder eine Kreuzgliedtypschaltkreistopologie aufweisen.The RF filter may have a branch-type circuit topology or a cross-link-type circuit topology.

Bei einer Abzweigtypartschaltkreistopologie sind Reihenresonatoren elektrisch zwischen einem ersten Port und einem zweiten Port in Reihe verbunden. Parallelresonatoren können in einem oder mehreren Shunt-Pfaden angeordnet sein, die den Signalpfad elektrisch mit Masse verbinden.In a branch type circuit topology, series resonators are electrically connected in series between a first port and a second port. Parallel resonators can be arranged in one or more shunt paths that electrically connect the signal path to ground.

In einer Kreuzgliedtopologie sind elektroakustische Resonatoren elektrisch zwischen einem ersten Port, der zwei Verbindungen umfasst, und einem zweiten Port, der zwei Verbindungen umfasst, verbunden. Wenigstens ein Schaltkreiselement ist zwischen einer ersten Verbindung des ersten Ports und einer ersten Verbindung des zweiten Ports verbunden und ein Schaltkreiselement ist elektrisch zwischen einer Verbindung des ersten Ports und der entsprechenden anderen Verbindung des zweiten Ports verbunden, so dass eine Kreuzverbindung zwischen Verbindungen der zwei Ports erhalten wird.In a crosslink topology, electroacoustic resonators are electrically connected between a first port that includes two connections and a second port that includes two connections. At least one circuit element is connected between a first connection of the first port and a first connection of the second port and one circuit element is electrically connected between one connection of the first port and the corresponding other connection of the second port so that a cross connection is obtained between connections of the two ports becomes.

Natürlich ist es möglich, dass zwei oder mehr oder alle der Resonatoren des HF-Filters oben beschriebene technische Merkmale aufweisen.It is of course possible for two or more or all of the resonators of the RF filter to have the technical features described above.

Ferner ist es möglich, dass ein Multiplexer ein HF-Filter, wie oben beschrieben, umfasst.It is also possible for a multiplexer to include an RF filter, as described above.

Der Multiplexer kann ein Duplexer, ein Triplexer, ein Quadplexer oder einen Multiplexer einer höheren Ordnung sein. Insbesondere kann der Multiplexer zum Arbeiten in einem Trägeraggregationsbetriebsmodus bereitgestellt sein.The multiplexer can be a duplexer, a triplexer, a quadplexer or a multiplexer of a higher order. In particular, the multiplexer can be provided for working in a carrier aggregation operating mode.

Ein Verfahren zum Herstellen eines BAW-Resonators umfasst den Schritt des Anordnens eines ersten Spalts zwischen einem piezoelektrischen Material und einer ersten Elektrode. Das piezoelektrische Material kann das piezoelektrische Material wie oben beschrieben sein und die erste Elektrode kann eine der ersten Elektroden wie oben beschrieben sein.A method for producing a BAW resonator comprises the step of arranging a first gap between a piezoelectric material and a first electrode. The piezoelectric material can be the piezoelectric material as described above and the first electrode can be one of the first electrodes as described above.

Die Bereitstellung des piezoelektrischen Materials kann Schritte von Dünnfilmschichtabscheidungstechniken, z. B. Sputtern, umfassen. Die Bereitstellung des piezoelektrischen Materials unter Verwendung von Dünnfilmschichtabscheidungstechniken ist insbesondere möglich, wenn Aluminiumnitrid oder scandiumdotiertes Aluminiumnitrid als das piezoelektrische Material verwendet wird.The provision of the piezoelectric material may include steps from thin film layer deposition techniques, e.g. B. sputtering. The provision of the piezoelectric material using thin film layer deposition techniques is particularly possible when aluminum nitride or scandium-doped aluminum nitride is used as the piezoelectric material.

Wenn das piezoelektrische Material Lithiumniobat oder Lithiumtantalat ist, dann sind Techniken, wie etwa Smart Cut™ oder ähnliche Techniken möglich. Die Trägermaterialschicht kann über einen Trägerwafer bereitgestellt werden und die Kappenmaterialschicht kann über einen Kappenwafer bereitgestellt werden. Waferbondverfahren zum Verbinden des Kappenwafers und/oder des Trägerwafers miteinander oder mit dem piezoelektrischen Material, z. B. über Abstandshalterelemente, sind möglich.If the piezoelectric material is lithium niobate or lithium tantalate, then techniques such as Smart Cut ™ or similar techniques are possible. The carrier material layer can be provided via a carrier wafer and the cap material layer can be provided via a cap wafer. Wafer bonding process for connecting the cap wafer and / or the carrier wafer to one another or to the piezoelectric material, e.g. B. via spacer elements are possible.

Die Kopplungsschichten können verwendet werden, um die lateralen Wellendispersionseigenschaften des piezoelektrischen Materials zu steuern. Insbesondere wird durch Platzieren eines elektrisch kurzschließenden Films oben auf dem Piezoelektrikum die Lateralmodengrenzfrequenz reduziert und können Störmodenanteile um die Vorrichtungsresonanzfrequenz herum reduziert werden - insbesondere für die Typ-II-Dispersion, bei der Moden Gebiete mit negativer Gruppengeschwindigkeit aufzeigen (typischerweise gerade unterhalb der Grenzfrequenz).The coupling layers can be used to control the lateral wave dispersion properties of the piezoelectric material. In particular, placing an electrically short-circuiting film on top of the piezoelectric reduces the lateral mode cutoff frequency and can reduce spurious mode components around the device resonance frequency - especially for Type II dispersion, where modes show areas of negative group velocity (typically just below the cutoff frequency).

Die Kopplungsschichten können Aluminium, Molybdän oder Wolfram oder andere Materialien, die einen geringen akustischen Verlust aufweisen und elektrisch leitfähig sind, umfassen oder daraus bestehen. Die Dicke in einer vertikalen Richtung der Kopplungsschichten kann 20 nm oder größer und 500 nm oder kleiner sein.The coupling layers can comprise or consist of aluminum, molybdenum or tungsten or other materials that have a low acoustic loss and are electrically conductive. The thickness in a vertical direction of the coupling layers may be 20 nm or more and 500 nm or less.

Das piezoelektrische Material kann aus einem Einkristallmaterial bestehen oder mehrere Körner und Domänen umfassen. Jedoch wird es bevorzugt, dass das piezoelektrische Material im Wesentlichen eine piezoelektrische Achse aufweist, die parallel zu der vertikalen Richtung orientiert ist.The piezoelectric material can consist of a single crystal material or comprise multiple grains and domains. However, it is preferred that the piezoelectric material has substantially a piezoelectric axis that is oriented parallel to the vertical direction.

Zentrale Aspekte und Funktionsprinzipien des BAW-Resonators und Einzelheiten bevorzugter Ausführungsformen sind durch die begleitenden schematischen Figuren gezeigt.Central aspects and functional principles of the BAW resonator and details of preferred embodiments are shown by the accompanying schematic figures.

In den Figuren gilt:

  • 1 bis 3 zeigen Konstruktionsmöglichkeiten grundlegender Resonatorstrukturen;
  • 4 zeigt einen Resonator mit zwei Spalten und mit einem Träger und einer Kappe;
  • 5 zeigt die Verwendung eines Hohlraums unterhalb des piezoelektrischen Materials;
  • 6 zeigt die Verwendung eines Bragg-Spiegels unterhalb des piezoelektrischen Materials;
  • 7 zeigt die Verwendung eines leitenden Bragg-Spiegels unterhalb des piezoelektrischen Materials;
  • 8 zeigt mögliche Strukturen horizontaler akustischer Reflexionsstrukturen;
  • 9 zeigt zusätzliche oder alternative mögliche Einzelheiten horizontaler akustischer Reflexionsstrukturen.
  • 10 und 11 zeigen mögliche Einzelheiten horizontaler akustischer Reflexionsstrukturen; und
  • 12 veranschaulicht eine mögliche Schaltkreistopologie eines Duplexers.
In the figures:
  • 1 to 3 show construction possibilities of basic resonator structures;
  • 4th shows a resonator with two columns and with a carrier and a cap;
  • 5 Figure 3 shows the use of a cavity beneath the piezoelectric material;
  • 6th shows the use of a Bragg mirror beneath the piezoelectric material;
  • 7th Figure 3 shows the use of a conductive Bragg mirror beneath the piezoelectric material;
  • 8th shows possible structures of horizontal acoustic reflection structures;
  • 9 shows additional or alternative possible details of horizontal acoustic reflection structures.
  • 10 and 11 show possible details of horizontal acoustic reflection structures; and
  • 12th illustrates one possible circuit topology of a duplexer.

1 veranschaulicht eine Möglichkeit des Bereitstellens eines BAW-Resonators BAWR mit einem ersten Spalt G1 zwischen dem piezoelektrischen Material PM und der ersten Elektrode EL1. Insbesondere weist der BAW-Resonator mit reduzierten Verlusten ein piezoelektrisches Material PM in einer piezoelektrischen Schicht PL auf. Ferner weist der Resonator eine obere Elektrode TE in einer oberen Elektrodenschicht TEL auf. Eine untere Elektrode BE ist in einer unteren Elektrodenschicht BEL angeordnet und strukturiert. 1 illustrates one way of providing a BAW resonator BAWR with a first crack G1 between the piezoelectric material PM and the first electrode EL1 . In particular, the BAW resonator has a piezoelectric material with reduced losses PM in a piezoelectric layer PL on. The resonator also has an upper electrode TE in an upper electrode layer TEL on. A lower electrode BE is in a lower electrode layer BEL arranged and structured.

Das piezoelektrische Material PM ist zwischen der unteren Elektrode BE und der oberen Elektrode TE angeordnet. Der erste Spalt G1 ist zwischen dem piezoelektrischen Material PM und der oberen Elektrode TE als die erste Elektrode EL1 angeordnet. Dementsprechend ist eine kapazitive Kopplung eines HF-Signals zu dem piezoelektrischen Material von der oberen Seite des piezoelektrischen Materials PM bereitgestellt. Die Bereitstellung des ersten Spalts G1 zwischen der ersten Elektrode EL1 und dem piezoelektrischen Material erlaubt eine Reduzierung ohmscher Verluste (durch verdickte Elektroden), ohne die akustische Leistungsfähigkeit zu stören.The piezoelectric material PM is between the lower electrode BE and the top electrode TE arranged. The first crack G1 is between the piezoelectric material PM and the top electrode TE than the first electrode EL1 arranged. Accordingly, there is capacitive coupling of an RF signal to the piezoelectric material from the top of the piezoelectric material PM provided. The provision of the first gap G1 between the first electrode EL1 and the piezoelectric material allows a reduction in ohmic losses (through thickened electrodes) without impairing the acoustic performance.

2 veranschaulicht die Möglichkeit des Anordnens des ersten Spalts G1 unterhalb des piezoelektrischen Materials. Dementsprechend sind die erste Elektrode EL1 und das piezoelektrische Material PM, zwischen denen der erste Spalt angeordnet ist, die untere Elektrode BE. 2 illustrates the possibility of arranging the first gap G1 below the piezoelectric material. The first electrode is accordingly EL1 and the piezoelectric material PM , between which the first gap is arranged, the lower electrode BE .

3 veranschaulicht die Möglichkeit des Bereitstellens eines Spalts oberhalb und eines Spalts unterhalb des piezoelektrischen Materials PM. Die obere Elektrode TE richtet die erste Elektrode EL1 ein. Die untere Elektrode BE richtet die zweite Elektrode EL2 ein. Der erste Spalt G1 ist zwischen dem piezoelektrischen Material PM und der oberen Elektrode TE angeordnet. Der zweite Spalt G1 ist zwischen dem piezoelektrischen Material und der unteren Elektrode BE angeordnet. 3 illustrates the possibility of providing a gap above and a gap below the piezoelectric material PM . The top electrode TE aligns the first electrode EL1 one. The lower electrode BE aligns the second electrode EL2 one. The first crack G1 is between the piezoelectric material PM and the top electrode TE arranged. The second gap G1 is between the piezoelectric material and the lower electrode BE arranged.

In 1 richtet der erste Spalt in Kombination mit der oberen Elektrode und dem piezoelektrischen Material PM ein kapazitives Element ein, das elektrisch zwischen der oberen Seite des BAW-Resonators BAWR und dem piezoelektrischen Material in Reihe verbunden ist.In 1 aligns the first gap in combination with the top electrode and the piezoelectric material PM a capacitive element that is electrically between the top of the BAW resonator BAWR and the piezoelectric material is connected in series.

In 2 richtet der erste Spalt G1 in Kombination mit der ersten Elektrode EL1 und dem piezoelektrischen Material PM ein Kapazitätselement ein, das auf der unteren Seite des Resonators BAWR angeordnet ist.In 2 straighten the first gap G1 in combination with the first electrode EL1 and the piezoelectric material PM a capacitance element on the lower side of the resonator BAWR is arranged.

In 3 richtet der erste Spalt in Kombination mit der oberen Elektrode und dem piezoelektrischen Material ein erstes Reihenkapazitätselement ein. Der zweite Spalt G2 richtet - in Kombination mit der unteren Elektrode und dem piezoelektrischen Material - ein zweites Kapazitätselement ein, so dass der elektroakustische Wandler, der das piezoelektrische Material PM umfasst, elektrisch zwischen den zwei Kapazitätselementen in Reihe verbunden ist.In 3 the first gap in combination with the top electrode and the piezoelectric material establishes a first series capacitance element. The second gap G2 sets up - in combination with the lower electrode and the piezoelectric material - a second capacitance element, so that the electroacoustic transducer, the piezoelectric material PM is electrically connected in series between the two capacitance elements.

Die Kopplung des HF-Signals von einer externen Schaltkreisumgebung, z. B. einem HF-Filter, in das piezoelektrische Material PM erfolgt über den ersten Spalt G1 und/oder über den ersten und den zweiten Spalt G1, G2.The coupling of the RF signal from an external circuit environment, e.g. B. an RF filter, in the piezoelectric material PM takes place over the first gap G1 and / or over the first and the second gap G1 , G2 .

4 veranschaulicht die Verwendung von Kopplungsschichten CL1, CL2, um eine Abstimmung der Lateralmodendispersionseigenschaften des aktiven Bereichs sowie eine Resonatorfrequenzverstimmung zu ermöglichen. Insbesondere ist eine erste Kopplungsschicht CL1 auf der oberen Seite des piezoelektrischen Materials angeordnet. Die zweite Kopplungsschicht CL2 ist auf der unteren Seite des piezoelektrischen Materials angeordnet. Die erste Kopplungsschicht CL1 verstärkt die Kopplung über den ersten Spalt G1. Die zweite Kopplungsschicht CL2 verstärkt die Kopplung über den zweiten Spalt G2. 4th illustrates the use of coupling layers CL1, CL2 in order to enable a tuning of the lateral mode dispersion properties of the active region as well as a resonator frequency tuning. In particular, a first coupling layer CL1 is arranged on the upper side of the piezoelectric material. The second coupling layer CL2 is arranged on the lower side of the piezoelectric material. The first coupling layer CL1 reinforces the coupling across the first gap G1 . The second coupling layer CL2 reinforces the coupling across the second gap G2 .

Ferner veranschaulicht der schematisch in 4 gezeigte BAW-Resonator BAWR die Verwendung von Abstandshalterelementen SP, die das elektroakustisch aktive Wandlergebiet umgeben und die notwendigen Spalte G1, G2 zwischen dem piezoelektrischen Material und der Umgebung aufrechterhalten, um die akustische Energie auf das piezoelektrische Material und die Kopplungsschicht CL1, CL2 zu begrenzen. Der Resonator BAWR weist eine Kappenmaterialschicht CPML und eine Trägermaterialschicht CRML auf. Das Kappenmaterial CPML richtet eine Kappe ein und die Trägermaterialschicht CRML richtet ein Trägersubstrat ein, so dass die Wandlerstruktur in einem abgeschlossenem Volumen hermetisch versiegelt sein kann, so dass die empfindliche Wandlerstruktur vor schädigenden Einflüssen der Umgebung des BAW-Resonators BAWR geschützt ist.Furthermore, schematically illustrates in 4th BAW resonator shown BAWR the use of spacer elements SP surrounding the electroacoustic transducer area and the necessary gaps G1 , G2 maintained between the piezoelectric material and the environment in order to limit the acoustic energy to the piezoelectric material and the coupling layer CL1, CL2. The resonator BAWR has a cap material layer CPML and a substrate layer CRML on. The cap material CPML sets up a cap and the substrate layer CRML sets up a carrier substrate so that the transducer structure can be hermetically sealed in a closed volume, so that the sensitive transducer structure is protected from damaging influences from the environment of the BAW resonator BAWR is protected.

Elektrische Verbindungen sind unter Nutzung von Durchkontaktierungen TC durch die Kappenmaterialschicht CPML und durch die Trägermaterialschicht CRML bereitgestellt. Über die Durchkontaktierungen TC ist der Wandler, der das piezoelektrische Material PM umfasst, elektrisch mit Signalleitungen SL gekoppelt, die den BAW-Resonator BAWR elektrisch mit einer externen Schaltkreisumgebung, z. B. mit anderen Schaltkreiselementen oder Resonatoren eines HF-Filters, verbinden.Electrical connections are made using vias TC through the cap material layer CPML and through the carrier material layer CRML provided. About the vias TC is the transducer that makes the piezoelectric material PM includes, electrically with signal lines SL coupled to the BAW resonator BAWR electrical with an external circuit environment, z. B. with other circuit elements or resonators of an RF filter connect.

5 veranschaulicht die Verwendung eines Hohlraums CAV, der unterhalb des piezoelektrischen Materials PM angeordnet ist. Insbesondere ist der Hohlraum CAV unterhalb der unteren Elektrode BE angeordnet, die direkt mechanisch mit dem piezoelektrischen Material PM verbunden sein kann. Der Hohlraum CAV stellt eine verbesserte Entkopplung des piezoelektrischen Materials PM von seiner Umgebung bereit, so dass akustische Energie auf den Wandlerbereich begrenzt ist, um Verluste weiter zu reduzieren. Dementsprechend zeigt 5 einen BAW-Resonator des TF-BAR-Typs. 5 illustrates the use of a cavity CAV that is below the piezoelectric material PM is arranged. In particular, the cavity CAV below the lower electrode BE arranged directly mechanically with the piezoelectric material PM can be connected. The cavity CAV provides an improved decoupling of the piezoelectric material PM from its surroundings so that acoustic energy is limited to the transducer area in order to further reduce losses. Accordingly shows 5 a BAW resonator of the TF-BAR type.

Im Gegensatz dazu veranschaulicht 6 einen BAW-Resonator des SMR-Typs mit einem Bragg-Spiegel BM, der unterhalb des piezoelektrischen Materials PM angeordnet ist, um akustische Energie auf die Resonatorstruktur zu begrenzen. Das piezoelektrische Material auf seiner unteren Seite kann direkt mit der unteren Elektrode BE verbunden sein. Dann können nichtleitende Materialien in dem Bragg-Spiegel BM verwendet werden.In contrast, illustrated 6th a BAW resonator of the SMR type with a Bragg mirror BM that is below the piezoelectric material PM is arranged to confine acoustic energy to the resonator structure. The piezoelectric material on its lower side can connect directly to the lower electrode BE be connected. Then non-conductive materials can be in the Bragg mirror BM be used.

Der Bragg-Spiegel BM umfasst iterativ angeordnete Schichten mit unterschiedlicher akustischer Impedanz, um einen hohen Grad einer Energiereflexion zurück in das piezoelektrische Material beizubehalten.The Bragg mirror BM comprises iteratively arranged layers of different acoustic impedance to maintain a high degree of energy reflection back into the piezoelectric material.

Im Gegensatz zeigt 7 die Verwendung eines Bragg-Spiegels BM, der einen Teil der unteren Elektrode BE einrichtet. Dies ist möglich, falls jede der Schichten des Bragg-Spiegels BM ein leitfähiges Material umfasst.In contrast shows 7th the use of a Bragg mirror BM that is part of the lower electrode BE set up. This is possible if each of the layers of the Bragg mirror BM comprises a conductive material.

8 zeigt - in einer Querschnittsansicht, die 1 bis 11 entspricht - Strukturen einer horizontalen akustischen Reflexionsstruktur HARS. Die horizontale akustische Reflexionsstruktur umfasst Strukturen auf der oberen Seite des piezoelektrischen Materials. Jedoch können die Strukturen auch auf die untere Seite des piezoelektrischen Materials PM gespiegelt werden. Die Struktur HARS umfasst vertikale Grenzflächen zwischen Bereichen unterschiedlicher akustischer Impedanzen. Insbesondere basieren die in 8 gezeigten Ausführungsformen auf zwei Vertiefungen. Eine erste Vertiefung R1 ist in das piezoelektrische Material strukturiert. Eine zusätzliche zweite Vertiefung R2 einer kleineren lateralen Abmessung ist zusätzlich in die obere Seite des piezoelektrischen Materials strukturiert, so dass die vertikalen Grenzflächen zwischen Luft oder Vakuum und dem piezoelektrischen Material bei den lateralen Positionen LP2 und LP3 erhalten werden. Die laterale Position LP1 ist durch das laterale Ende der Elektrode und/oder der Kopplungsschicht CL1 definiert. Die zweite laterale Position LP2 ist durch den vertikalen Abschnitt definiert, der der zweiten Vertiefung entspricht. Die dritte laterale Position LP3 in dem in 8 gezeigten Querschnitt ist durch die vertikale Grenzfläche definiert, die dem Perimeter der ersten Vertiefung R1 entspricht. Die vierte laterale Position LP4 ist durch das laterale Ende des piezoelektrischen Materials PM definiert. Es kann bevorzugt werden, dass der Abstand zwischen der zweiten lateralen Position LP2 und der dritten lateralen Position LP3 und/oder der Abstand zwischen der dritten lateralen Position LP3 und der vierten lateralen Position LP4 ein ganzzahliges Vielfaches von A/4 ist, wobei λ die entsprechende akustische Wellenlänge ist, so dass eine Bragg-Spiegel-artige Struktur erhalten wird, die akustische Energie zurück zu der aktiven Wandlerstruktur reflektiert. Dementsprechend richtet die horizontale akustische Reflexionsstruktur HRAS einen horizontalen akustischen Spiegel HAM ein. 8th shows - in a cross-sectional view that 1 to 11 corresponds to - structures of a horizontal acoustic reflection structure HARS . The horizontal acoustic reflection structure includes structures on the top of the piezoelectric material. However, the structures can also be on the lower side of the piezoelectric material PM be mirrored. The structure HARS includes vertical interfaces between areas of different acoustic impedances. In particular, the in 8th Embodiments shown on two wells. A first deepening R1 is structured in the piezoelectric material. An additional second recess R2 a smaller lateral dimension is additionally structured into the upper side of the piezoelectric material, so that the vertical interfaces between air or vacuum and the piezoelectric material at the lateral positions LP2 and LP3 can be obtained. The lateral position LP1 is defined by the lateral end of the electrode and / or the coupling layer CL1. The second lateral position LP2 is defined by the vertical section corresponding to the second recess. The third lateral position LP3 in the in 8th The cross section shown is defined by the vertical interface which is the perimeter of the first recess R1 corresponds. The fourth lateral position LP4 is through the lateral end of the piezoelectric material PM Are defined. It can be preferred that the distance between the second lateral position LP2 and the third lateral position LP3 and / or the distance between the third lateral position LP3 and the fourth lateral position LP4 is an integer multiple of A / 4, where λ is the corresponding acoustic wavelength, so that a Bragg mirror-like structure is obtained which reflects acoustic energy back to the active transducer structure. Correspondingly, the horizontal acoustic reflection structure HRAS directs a horizontal acoustic mirror HAM one.

Ferner sind die Tiefe der ersten und der zweiten Vertiefung R1, R2 durch die Höhenunterscheide der ersten, zweiten und dritten vertikalen Position bereitgestellt. Insbesondere ist die Tiefe der ersten Vertiefung R1 durch den Höhenunterschied der dritten vertikalen Position VP3 und der zweiten vertikalen Position VP2 definiert. Die Tiefe der zweiten Vertiefung R2 ist durch den Höhenunterschied zwischen der ersten vertikalen Position VP1 und der zweiten vertikalen Position VP2 definiert.Furthermore, the depth of the first and the second recess R1 , R2 provided by the height differences of the first, second and third vertical positions. In particular, it is the depth of the first depression R1 by the height difference of the third vertical position VP3 and the second vertical position VP2 Are defined. The depth of the second recess R2 is by the difference in height between the first vertical position VP1 and the second vertical position VP2 Are defined.

9 veranschaulicht eine mögliche Alternative zu der in 8 gezeigten Struktur, die auf Vertiefungen basiert. Im Gegensatz zu der in 8 gezeigten Ausführungsform basieren die Strukturen HARS aus 9 auf der Bereitstellung von zusätzlichem Material in den entsprechenden Abschnitten zwischen der zweiten, dritten und vierten lateralen Position LP2, LP3, LP4. Insbesondere kann das Material, das in der Schicht der ersten Kopplungsschicht CL1 angeordnet ist, eine andere akustische Impedanz im Vergleich zu jener der ersten Kopplungsschicht CL1 zwischen der zweiten und der dritten lateralen Position aufweisen. Eine zusätzliche Stufe der akustischen Impedanz kann bei der dritten lateralen Position, d.h. zwischen dem Material zwischen der zweiten und der dritten lateralen Position und dem Material, das zwischen der dritten und der vierten lateralen Position LP3, LP4 angeordnet ist, angeordnet werden, so dass ein horizontaler akustischer Spiegel erhalten wird, der akustische Energie zurück in einer horizontalen Richtung zu der Wandlerstruktur reflektiert. 9 illustrates a possible alternative to the one in 8th shown structure, which is based on wells. In contrast to the in 8th The structures shown are based on the embodiment shown HARS out 9 on the provision of additional material in the corresponding sections between the second, third and fourth lateral positions LP2 , LP3 , LP4 . In particular, the material which is arranged in the layer of the first coupling layer CL1 can have a different acoustic impedance compared to that of the first coupling layer CL1 between the second and the third lateral position. An additional level of acoustic impedance can be applied at the third lateral position, ie between the material between the second and third lateral positions and the material between the third and fourth lateral positions LP3 , LP4 is arranged, so that a horizontal acoustic mirror is obtained which reflects acoustic energy back in a horizontal direction towards the transducer structure.

10 veranschaulicht die Möglichkeit des Bereitstellens einer fünften lateralen Position LP5, bei der sich die Dicke des Materials zwischen der dritten und der vierten lateralen Position LP3, LP4 mit Bezug auf die laterale Richtung ändert. 10 illustrates the possibility of providing a fifth lateral position LP5 where the thickness of the material is between the third and fourth lateral positions LP3 , LP4 changes with respect to the lateral direction.

11 zeigt die Möglichkeit des Hinzufügens einer sechsten lateralen Position LP6, bei der eine Dicke des Materials in dem Abschnitt zwischen der zweiten lateralen Position LP2 und der dritten lateralen Position LP3 eine Stufe zum Verbessern der Reflexion akustischer Energie zurück zu der aktiven Wandlerstruktur bereitstellt. 11 shows the possibility of adding a sixth lateral position LP6 at which a thickness of the material in the section between the second lateral position LP2 and the third lateral position LP3 provides a stage for improving the reflection of acoustic energy back to the active transducer structure.

12 zeigt eine mögliche Implementierung des BAW-Resonators als ein Reihenresonator SR und/oder als ein Parallelresonator PR eines Multiplexers MUL, wie durch den in 12 gezeigten Duplexer angegeben ist. Der Duplexer umfasst ein Übertragungsfilter TXF, das zwischen einem Eingangsport und einem gemeinsamen Port CP angeordnet ist, und ein Empfangsfilter RXF, das zwischen dem gemeinsamen Port CP und einem Ausgangsport angeordnet ist. Das Übertragungsfilter TXF und das Empfangsfilter RXF weisen eine abzweigtypartige Schaltkreistopologie mit Reihenresonatoren SR, die elektrisch in dem Signalpfad zwischen den Ports in Reihe verbunden sind, auf. Parallelresonatoren PR sind in Parallelpfaden angeordnet, die den Signalpfad elektrisch mit Masse verbinden. Zwischen dem gemeinsamen Port CP und dem Empfangsfilter RXF ist ein Impedanzanpassungsschaltkreis IMC bereitgestellt, um die frequenzabhängigen Impedanzen der Ports des Übertragungsfilters TXF und des Empfangsfilters RXF aneinander anzupassen. Eine Antenne AN kann elektrisch mit dem gemeinsamen Port CP verbunden sein. 12th shows a possible implementation of the BAW resonator as a series resonator SR and / or as a parallel resonator PR a multiplexer MUL as indicated by the in 12th duplexer shown is specified. The duplexer includes a transmission filter TXF that is between an input port and a common port CP is arranged, and a reception filter RXF that is between the common port CP and an output port is arranged. The transmission filter TXF and the receive filter RXF have a branch-type circuit topology with series resonators SR that are electrically connected in series in the signal path between the ports. Parallel resonators PR are arranged in parallel paths that electrically connect the signal path to ground. Between the common port CP and the receive filter RXF is an impedance matching circuit IMC provided to the frequency-dependent impedances of the ports of the transmission filter TXF and the reception filter RXF adapt to each other. One antenna AT can be electrical with the common port CP be connected.

Der BAW-Resonator, das HF-Filter, der Multiplexer und das Verfahren zum Herstellen eines BAW-Resonators sind nicht auf die technischen Einzelheiten, die oben beschrieben oder in den Figuren gezeigt sind, beschränkt. Der Resonator kann ferner akustische und/oder elektrische Mittel zur Optimierung umfassen.The BAW resonator, the HF filter, the multiplexer and the method for producing a BAW resonator are not limited to the technical details that are described above or shown in the figures. The resonator can also comprise acoustic and / or electrical means for optimization.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

AN:AT:
Antenneantenna
BAWR:BAWR:
BAW-ResonatorBAW resonator
BE:BE:
untere Elektrodelower electrode
BEL:BEL:
untere Elektrodenschichtlower electrode layer
BM:BM:
Bragg-SpiegelBragg mirror
CAV:CAV:
Hohlraumcavity
CP:CP:
gemeinsamer Portcommon port
CPML:CPML:
KappenmaterialschichtCap material layer
CRML:CRML:
TrägermaterialschichtCarrier material layer
EL1, EL2:EL1, EL2:
erste, zweite Elektrodefirst, second electrode
G1, G2:G1, G2:
erster, zweiter Spaltfirst, second gap
HAM:HAM:
horizontaler akustischer Spiegelhorizontal acoustic mirror
HARS:HARS:
horizontale akustische Reflexionsstrukturhorizontal acoustic reflection structure
IMC:IMC:
ImpedanzanpassungsschaltkreisImpedance matching circuit
LP1, LP2, LP3,LP1, LP2, LP3,
erste, zweite, ..., sechste lateralefirst, second, ..., sixth lateral
LP4, LP5, LP6:LP4, LP5, LP6:
Positionposition
MUL:MUL:
Multiplexermultiplexer
PL:PL:
piezoelektrische Schichtpiezoelectric layer
PM:PM:
piezoelektrisches Materialpiezoelectric material
PR:PR:
ParallelresonatorParallel resonator
R1, R2:R1, R2:
erste, zweite Vertiefungfirst, second recess
RXF:RXF:
EmpfangsfilterReceive filter
SL:SL:
SignalleitungSignal line
SP:SP:
AbstandshalterelementSpacer element
SR:SR:
ReihenresonatorSeries resonator
TC:TC:
DurchkontaktierungVia
TE:TE:
obere Elektrodeupper electrode
TEL:TEL:
obere Elektrodenschichtupper electrode layer
TXF:TXF:
ÜbertragungsfilterTransmission filter
VP1, VP2, VP3:VP1, VP2, VP3:
erste, zweite, dritte vertikale Positionfirst, second, third vertical position

Claims (17)

BAW-Resonator mit reduzierten Verlusten, der Folgendes umfasst: - ein piezoelektrische Material in einer piezoelektrischen Schicht, - eine untere Elektrode in einer unteren Elektrodenschicht, - eine obere Elektrode in einer oberen Elektrodenschicht, wobei - die piezoelektrische Schicht auf oder oberhalb der unteren Elektrodenschicht angeordnet ist, - die obere Elektrodenschicht auf oder oberhalb der piezoelektrischen Schicht angeordnet ist, - ein erster Spalt zwischen dem piezoelektrischen Material und einer ersten Elektrode angeordnet ist, - die erste Elektrode aus der unteren Elektrode und der oberen Elektrode ausgewählt ist.BAW resonator with reduced losses, which includes: - a piezoelectric material in a piezoelectric layer, - a lower electrode in a lower electrode layer, - an upper electrode in an upper electrode layer, wherein - the piezoelectric layer is arranged on or above the lower electrode layer, - the upper electrode layer is arranged on or above the piezoelectric layer, - A first gap is arranged between the piezoelectric material and a first electrode, - the first electrode is selected from the lower electrode and the upper electrode. BAW-Resonator nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der erste Spalt das piezoelektrische Material mechanisch und/oder elektrisch von der ersten Elektrode isoliert.BAW resonator according to the preceding claim, wherein the first gap mechanically and / or electrically isolates the piezoelectric material from the first electrode. BAW-Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Spalt zum kapazitiven Koppeln der ersten Elektrode mit dem piezoelektrischen Material bereitgestellt und geeignet ist.BAW resonator according to one of the preceding claims, wherein the first gap is provided and suitable for capacitive coupling of the first electrode to the piezoelectric material. BAW-Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Elektrode, der erste Spalt und die Grenzfläche zwischen dem ersten Spalt und dem piezoelektrischen Material ein Reihenkapazitätselement einrichten.BAW resonator according to one of the preceding claims, wherein the first electrode, the first gap and the interface between the first gap and the piezoelectric material establish a series capacitance element. BAW-Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner eine erste Kopplungsschicht zwischen dem piezoelektrischen Material und dem ersten Spalt umfasst.BAW resonator according to one of the preceding claims, which further comprises a first coupling layer between the piezoelectric material and the first gap. BAW-Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner einen zweiten Spalt umfasst, der zwischen dem piezoelektrischen Material und einer zweiten Elektrode angeordnet ist, wobei die zweite Elektrode die jeweils andere Elektrode ist, die aus der unteren Elektrode und der oberen Elektrode ausgewählt ist.BAW resonator according to one of the preceding claims, further comprising a second gap which is arranged between the piezoelectric material and a second electrode, the second electrode being the respective other electrode selected from the lower electrode and the upper electrode. BAW-Resonator nach dem vorhergehenden Anspruch, der ferner eine zweite Kopplungsschicht zwischen dem piezoelektrischen Material und dem zweiten Spalt umfasst.BAW resonator according to the preceding claim, which further comprises a second coupling layer between the piezoelectric material and the second gap. BAW-Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der eine horizontale akustische Reflexionsstruktur umfasst, die auf der oberen Seite und/oder der unteren Seite des piezoelektrischen Materials angeordnet ist.BAW resonator according to one of the preceding claims, which comprises a horizontal acoustic reflection structure which is arranged on the upper side and / or the lower side of the piezoelectric material. BAW-Resonator nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die horizontale akustische Reflexionsstruktur eine vertikale Grenzfläche zwischen Bereichen unterschiedlicher akustischer Impedanzen umfasst.BAW resonator according to the preceding claim, wherein the horizontal acoustic reflection structure comprises a vertical interface between regions of different acoustic impedances. BAW-Resonator nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, wobei die horizontale akustische Reflexionsstruktur Folgendes umfasst: - eine oder mehrere Vertiefung in dem piezoelektrischen Material und/oder - eine oder mehrere Stellen eines zusätzlichen Materials, das auf der oberen Seite und/oder bei der unteren Seite des piezoelektrischen Materials angeordnet ist.BAW resonator according to one of the two preceding claims, wherein the horizontal acoustic reflection structure comprises: - One or more indentations in the piezoelectric material and / or one or more locations of an additional material which is arranged on the upper side and / or at the lower side of the piezoelectric material. BAW-Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner einen Bragg-Reflektor unterhalb oder oberhalb des piezoelektrischen Materials und akustisch mit dem piezoelektrischen Material gekoppelt umfasst.BAW resonator according to one of the preceding claims, which further comprises a Bragg reflector below or above the piezoelectric material and acoustically coupled to the piezoelectric material. BAW-Resonator nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Bragg-Reflektor leitfähige Schichten unterschiedlicher akustischer Impedanzen umfasst.BAW resonator according to the preceding claim, wherein the Bragg reflector comprises conductive layers of different acoustic impedances. BAW-Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der einen Hohlraum oberhalb oder unterhalb des piezoelektrischen Materials umfasst.BAW resonator according to one of the preceding claims, which comprises a cavity above or below the piezoelectric material. BAW-Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner Folgendes umfasst: - eine erste und/oder eine zweite zusätzliche Schicht, die aus einer Trägermaterialschicht unterhalb des piezoelektrischen Materials und einer Kappenmaterialschicht oberhalb des piezoelektrischen Materials ausgewählt ist, wobei - die erste und/oder zweite zusätzliche Schicht eine Durchkontaktierung enthält.BAW resonator according to one of the preceding claims, further comprising: - A first and / or a second additional layer which is selected from a carrier material layer below the piezoelectric material and a cap material layer above the piezoelectric material, wherein - The first and / or second additional layer contains a via. HF-Filter, das einen BAW-Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.HF filter comprising a BAW resonator according to one of the preceding claims. Multiplexer, der ein HF-Filter nach dem vorhergehenden Anspruch umfasst.Multiplexer comprising an RF filter according to the preceding claim. Verfahren zum Herstellen eines BAW-Resonators, das den Schritt des Anordnens eines ersten Spalts zwischen einem piezoelektrischen Material und einer ersten Elektrode umfasst.A method of manufacturing a BAW resonator comprising the step of arranging a first gap between a piezoelectric material and a first electrode.
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