TWI757518B - 用於改良聲波濾波器之替代氮化鋁 - Google Patents

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Abstract

一種壓電材料包括摻雜有一或多個元素之陽離子的AlN，該一或多個元素係選自由以下各項組成之群組： Sb、Ta、Nb或Ge中之一者；Cr與B、Sc、Y、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm或Yb中之一或多者之組合；Nb及Ta中之一者與Li、Mg、Ca、Ni、Co及Zn中之一者之組合；Ca與Si、Ge、Ti、Zr及Hf中之一者之組合；Mg與Si、Ge及Ti中之一者之組合；及Co、Sb、Ta、Nb、Si或Ge中之一或多者與Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm或Yb中之一或多者之組合。該等陽離子至少部分地替代該壓電材料之晶體結構中的Al。

Description

用於改良聲波濾波器之替代氮化鋁
氮化鋁(AlN)係已在體聲波(BAW)及薄膜體聲學共振器(FBAR)濾波器(其在1 GHz至5 GHz範圍中操作)中使用之一壓電材料。較大IIIA族氮化物(例如，GaN及InN)展示沿著該系列向下而顯著減小之一壓電係數。可藉助鋁之替代物(諸如鈧)修改AlN之性質。然而，仍需要此等材料之經改良機電耦合、較高介電常數、較大聲速及較佳溫度穩定性，此可引起BAW濾波器之經改良性質。如本文中所使用，術語「BAW濾波器」包含FBAR濾波器。
可在聲波濾波器中使用之壓電材料中之合意性質包含以下各項： • 高聲速，舉例而言，大於12,000 m/sec • 良好耦合常數，舉例而言，大於5% • 用以減小裝置大小之高介電常數 • 用於沈積及整合之穩定材料系統及晶體結構 • 寬能隙，其提供將係具有低洩漏之一良好絕緣體之材料
BAW濾波器之各種參數與在此等濾波器中利用之壓電材料之材料性質之間的關係包含以下各項： • 經增加頻寬=經增加耦合因數k2 • 濾波器之陡峭邊緣=經增加品質因數Q • 濾波器厚度小型化=經增加聲速v= (c33 /ρ)1/2 ；c33 =彈性模數，ρ =材料密度。 • x-y平面中之濾波器小型化=經增加介電常數 • 低洩漏電流，較佳絕緣體=寬能隙 • 濾波器溫度穩定性=壓電回應之溫度穩定性
當在聲波濾波器中使用時壓電材料之材料性質(與其效能相關)包含以下各項： • kt 2 = e33 2 /(cD 33 ɛ33 s ) = d33 2 /(cE 33 ɛ33 T ) = π2 /4(1-(fs /fp )) = K2 /(1+K2 ) : K = e33 2 ɛR ɛ0 cE 33 (kt 2 係耦合係數，e33 及d33 係壓電係數，cD 33 及cE 33 係彈性模數，ɛ33 係介電常數，且ɛR 係相對介電常數。fs 及fp 分別係串聯共振頻率及並聯共振頻率。) • 信雜比(SNR) = e31 2 /(ɛ0 ɛ33 tanδ)1/2 • fs, m (GHz) =最小阻抗點之頻率，其接近於且理論上等於串聯共振頻率 • fp (GHz) =並聯共振頻率 • 縱向聲速vl = (c33 /ρ)1/2 • FOM (優值) = k2 eff, m ×Q
在圖1中圖解說明一聲波濾波器之一實例的阻抗對比頻率之一圖表，其展示串聯共振頻率及並聯共振頻率之位置。
在微波頻率下，一材料之介電常數由離子極化率支配。在圖2中圖解說明對各種三價陽離子之介電極化率對比晶體半徑進行圖解說明之一圖表。介電常數之克勞修斯-莫塞蒂(Clausius-Mossetti)關係係如下： –αD = 3/4π [(Vm )(ɛ’-1)/(ɛ’+2)] • αD =總離子極化率 • Vm =莫耳體積 • ɛ’ =材料之介電常數 – αD = Σ αi • αi 指示個別離子極化率。 – ɛ’ = (3Vm +8παD )/(3Vm - 4παD )
共價效應「模糊」離子模型。經摻雜AlN可取決於所使用之摻雜劑而展示離子鍵結及共價鍵結兩者之特性。
基於AlN之共振器展示在-25 ppm/ ℃至-30 ppm/ ℃之範圍中之一頻率溫度係數(TCF)漂移。為了比較，GaN之TCF係大約-18 ppm/ ℃。共振頻率之TCF漂移由彈性模數之熱漂移支配。共振頻率之過多熱漂移係有問題的，此乃因一個二氧化矽(SiO2 ) 層可需要沈積在共振器上以補償共振頻率之TCF漂移，從而導致一經減小耦合因數(k2 )及虛共振。用諸如鈧(Sc)之一材料摻雜AlN幾乎不能調整TCF。
根據以下方程式，一材料之聲速與材料之體模數及密度有關： v=(K/ρ)1/2 • K =材料體模數 • ρ =密度
可由以下公式計算一材料之縱向聲速： vl = (c33 /ρ)1/2
在圖3之表中圖解說明各種機電材料之聲速及其他選定材料參數。4H類型六角堆疊式碳化矽(SiC) (纖鋅礦)具有一極高聲速(13,100 m/s)。然而，AlN與SiC之一固溶體係不可行的。
包含AlN、氮化鎵(GaN)及氮化銦(InN)之各種氮化物全部採用具有空間群c4 6v 之纖鋅礦結晶結構。空間群係指以一週期性點陣展示之3維對稱性特徵。在圖4中展示對此結構之一圖解說明。纖鋅礦結構包含在一AB類型六角結構中之四面體配位之陽離子及陰離子。纖鋅礦結構展現與自發極化相容之可能最高之對稱性。纖鋅礦晶體結構之關鍵結晶參數包含六角c、六角a及鍵長u。在圖4中圖解說明此等參數。在AlN中，c軸鍵相對於其他係拉長的。在下文之表1中展示AlN、GaN及InN之此等結晶參數： 表1
Figure 107122965-A0304-0001
 在上文之表中，u係鍵長。其通常係無因次的且經表達為因次c參數之一分率。以Å為單位之鍵長可由(c/a)乘以u判定。
纖鋅礦結構化氮化物更像II-VI材料(ZnO)而非其他III-V材料。纖鋅礦結構化氮化物具有相同正負號之壓電係數及高玻恩(Born)有效電荷(象似性)。自GaN -＞ InN -＞ AlN，鍵長(u)愈來愈長且c/a愈來愈小。在圖5A之表中圖解說明各種III-V纖鋅礦氮化物AlN、GaN及InN以及II-VI纖鋅礦氧化物之各種材料參數，包含自發極化、波恩有效電荷及壓電常數。在圖5B之表中圖解說明AlN、GaN及InN之額外性質。
ZnO可被視為諸如AlN或GaN之纖鋅礦結構化III-V氮化物之一模型。ZnO具有比AlN或GaN大之壓電係數、比GaN高之一有效電荷及比GaN大的對應變之一極化回應。已觀察到替代ZnO中之Zn2+ 之較小陽離子之經增強壓電回應。在不束縛於一特定理論之情況下，相信ZnO中之壓電回應由於非共線鍵在c軸周圍旋轉而發生。較小高度帶電離子替代ZnO中之Zn會增強此旋轉(例如，用V5+ 替代Zn2+ )。並非很多離子小於AlN中之Al (舉例而言，Si4+ )，儘管此機制可增強GaN中之壓電性。可能用鋁空位進行電荷補償之V5+ 或Ta5+ 上之高電荷可增強AlN中之此旋轉效應。在不束縛於一特定理論之情況下，亦相信，缺陷可在增強經摻雜ZnO及AlN中之壓電性中發揮作用，此乃因缺陷之存在違反電荷平衡及Grimm-Summerfeld概念。可藉由經摻雜AlN中之反位缺陷(NAl )、氟間隙(Ni )或Al空位完成電荷補償。
AlN展現使其對於在聲波共振器及濾波器中用作一壓電材料具吸引力之各種性質。此等性質包含： • 寬能隙(6.2 eV) • 高熱導率(2 W/cm-K) • 高電阻率(1×1016 Ω-cm) • 高崩潰電壓(5×105 V/cm) • 高品質因數(針對BAW在2 GHz下係3,000) • 中等耦合係數(針對BAW係6.5%) • 中等壓電係數(e33 = 1.55 C/m2) • 高縱向聲速(針對BAW係11,300 m/s) • 低傳播損失 • 容易製備c軸定向之薄膜 • 化學穩定的 • 與IC技術程序相容
除BN以外，亦已執行極少工作來表徵IIIA氮化物(AlN固溶體)之壓電性質。在圖6A及圖6B中圖解說明Alx Ga1-x N固溶體之晶格常數及能量間隙之檢查結果。Alx Ga1-x N展現一連續固溶體。
比較SiC、GaN、InN、ZnO及CdSe之性質之額外工作已展示：減小菲利普斯電離度導致更大彈性常數及更大聲速，如圖7A及圖7B中所圖解說明。
已研究摻雜有Sc之AlN之性質。ScN具有一岩鹽結構。AlN之纖鋅礦結構中之c/a比隨Sc添加而減小(AlN之c/a係1.601；Al.88 Sc.12 N之c/a係1.575)。模型化預測：中間六角結晶結構可存在於摻Sc之AlN中。在圖8A及圖8B中圖解說明結晶結構之改變對比Sc0.5 Al0.5 N之c/a比。圖8A及圖8B最終指示相同c/a比且展示在偏離最佳c/a比中付出之能量損耗。u參數在Sc位點周圍較大。在c方向上存在一淺能量井。Sc降低經摻雜AlN之共價性且增加壓電性。密度泛函理論揭露：用Sc替代Al導致纖鋅礦相之軟化。此歸因於Al3+ 及Sc3+ 關於氮配位之一競爭。Al3+ 偏好四面體配位，然而Sc3+ 偏好5或6重配位。此導致一失意系統。當用Sc替代AlN中之Al時，離子之電位井變得不太深且離子位移變得更大。隨著Sc之濃度增加，e33 壓電係數增加同時c33 彈性常數減小。更大、更具正電性離子(如Y3+ 、Yb3+ )等亦可展現此效應。在圖8C中圖解說明AlN與Al.88 Sc.12 N之各種性質之間的一比較且在圖8D至圖8H中圖解說明AlN與摻雜有其他濃度之Sc之AlN之性質之間的比較。
已在某種程度上經研究之另一經摻雜AlN材料係Yx Al1-x N。釔具有一較大離子半徑，係更具正電性的，且不如鈧昂貴。基於密度泛函理論之全始計算指示Yx Al1-x N (x = 0.75)之纖鋅礦結構之高相穩定性。儘管如此，但已在Yx Al1-x N薄膜中觀察到不良結晶度。Yx Al1-x N展現對氧及水(YOOH基團)之一大親和力。在x=0.22時，Yx Al1-x N之能隙自6.2 eV (AlN)減小至4.5 eV。與在摻Sc之AlN中相比較，在Yx Al1-x N中觀察到彈性係數之一較大減小以及d33 及e33 之一較大增加。Yx Al1-x N之所觀察到之介電係數增加類似於摻Sc之材料。在圖9A至圖9C中圖解說明對ɛr 、e33 、e31 、d33 及d31 隨Yx Al1-x N中之不同Y摻雜劑量而改變進行圖解說明之圖表。
已執行研究AlN (具有用於Al的Mg與Zr、Mg與Ti或Mg與Hf之經耦合替代物)之性質之某些工作。此等材料展現相對於AlN之經改良壓電係數，但展現較低彈性係數(及可能聲速及Q)。在圖10A及圖10B中相對於Scx Al1-x N之壓電係數及彈性係數圖解說明針對不同摻雜劑濃度對AlN (具有用於Al的Mg與Zr、Mg與Ti及Mg與Hf之經耦合替代物)之壓電係數及彈性係數進行圖解說明之圖表。在圖10C中將(Mg.5 Zr.5 )0.13 Al0.87 N及(Mg.5 Hf.5 )0.13 Al0.87 N之各種性質對比AlN之彼等性質製成表格。
已對纖鋅礦Bx Al1-x Ny (0.001 ＜ x ＜ 0.70，0.85 ＜ y ＜ 1.05)執行眾多研究。已成功地合成具有高達8% B之薄膜。全始結果指示：經增加共價性指示彈性常數c33 及聲速隨著B增加而增加。經減小電離度導致e33 及k2 隨著硼濃度增加而減小。預期介電常數隨著硼濃度增加而減小。與未經摻雜AlN薄膜相比較，硼添加至AlN導致更大硬度、更高聲速及一更寬能隙。觀察到由結構失序及經增加c/a比引起之峰值加寬。合成薄膜之晶格常數比魏加氏(Vegard)定律所預測的減小更多。在圖11A至圖11F之圖表中圖解說明具有不同量之B之Bx Al1-x Ny 之所計算及所觀察材料性質。
AlN (其中用Cr或Mn替代AlN中之Al)已經研究以用作稀釋磁性半導體。經濺鍍薄膜展示良好的c軸定向。在圖12A中圖解說明Al.93 Cr.07 N及Al.91 Mn.09 N之電阻率對比溫度。在圖12B及圖12C中圖解說明摻Cr之AlN之額外材料性質。摻Mn之材料展示比摻Cr之材料高之一電阻率。具體而言，關於摻Cr之材料，沒有3d過渡金屬展示像Cr3+ 一樣明顯之對八面體配位之一偏好。因此，迫使Cr進入AlN將可能導致變形，從而可能增強k2 。CrN與ScN係同構的(石鹽結構)。XPS結合能指示Cr作為Cr3+ 存在於摻Cr之AlN中。非允許1s至3d過渡之XANES峰值指示Cr存在於低對稱性(四面體)位點中。Cr引發晶格應變且使AlN纖鋅礦結構變形。Al.937 Cr.063 N之聲速(11,490 m/s)大於未經摻雜AlN之聲速。已觀察到Al.937 Cr.063 N展現低於AlN (7.9%)之一k2 (5.6%)、較高TCF值(-39 ppm/℃)及較高ɛ’ (電容) 91 pF/m對比經替代AlN之82 pF/m，此係出乎意料的，此乃因減小耦合因數之大多數其他替代物亦減小介電常數(及因此電容)。已觀察到反相疇(相反極性之區域)。已在摻Cr3+ 之AlN中觀察到鐵磁性。
亦可用Ti來替代AlN中之Al。在此等材料中，Ti之氧化狀態係未知的，儘管經推測係Ti3+ 。當Ti含量小於16%時，Al-Ti-N薄膜形成一單相纖鋅礦結構。大Ti原子導致x射線繞射峰值之2θ值之一移位。晶體晶格參數隨Ti之濃度增加而增加。當添加額外Ti時，壓縮應變減小結晶度。已觀察到Ti-Al偏析高於4% Ti。聲速及k2 隨Ti含量增加而減小。介電常數隨Ti含量而增加。摻Ti之AlN的TCF稍微低於AlN的TCF。圖13圖解說明Al(0.5-x) Tix N0.5 之機電耦合因數、縱向速度及介電常數隨x而變。
可替代AlN中之Al之額外元素包含鉭(Ta)及釩(V)。當替代AlN中之Al時，此等元素之氧化狀態係假定為Ta3+ 及V3+ 。結晶c參數在AlN摻雜有V時減小，但在AlN摻雜有Ta時增加。當AlN摻雜有多於大約7% V時，破壞材料之結晶度。一VN相開始以6.4% V出現。對於Ta，當以3.2%或更多將Ta摻雜至AlN中時，觀察到偏析。聲速及k2 隨著V含量增加而下降，但ɛ’增加。分別在圖14A及圖14B中圖解說明對摻雜有變化量之V及Ta之AlN之聲速及介電常數之改變進行圖解說明的圖表。
AlN中被Ta替代之Al的極限似乎係5.1原子百分比。可在具有卓越c軸定向之情況下，用Ta替代AlN中之Al。與Sc3+ 一樣，Ta5+ 大於Al3+ 。然而，與Sc3+ 替代不同，c/a比在用Ta5+ 替代AlN中之Al3+ 的情況下不減小。替代地，c及a晶格常數兩者皆增加。圖14C圖解說明AlN中之c及a晶格常數如何隨不同Ta摻雜量而改變。Raman、TEM及XPS建議，沒有第二相或成分上不均質的區域在用Ta替代AlN中之Al的情況下出現。Ta-Al-N晶體晶格內之彈性損失可歸因於由缺陷引起之失序。Ta5+ 不如Sc3+ 具正電性，然而在摻Ta之AlN中觀察到d33 之一大增加。(參見圖14D。) 已假設，在摻Ta之AlN中觀察到之d33 的增加可歸因於鍵彎曲的容易。小離子促進鍵旋轉。可在一施加電場下，容易地使小離子移動(例如，ZnO中之V5+ )。一類似效應可由於大晶格膨脹而適用於AlN中之Ta5+ 。不期望Ta5+ 比Al3+ 小太多，因此為什麼存在d33 壓電係數之一增加係不確定的。此可能與電荷補償缺陷相關聯。
在某些實例中，AlN可摻雜有氧。舉例而言，氧可存在於在沈積基於AlN之薄膜期間使用之濺鍍氣體中。儘管氧之電離度增加，摻氧之AlN之壓電係數之量值不增加。在不束縛於一特定理論之情況下，可藉由鋁空位(□Al )補償AlN中之氧缺陷係可能的。此外，氧存在於AlN中可導致第二相Al2 O3 形成。因此，可難以控制陰離子化學計量。因此，在經摻雜AlN中，避免陰離子混合而非在一陽離子基礎上進行所有調整可係較佳的。
將摻雜劑添加至AlN中可導致若干個類型之結晶缺陷中之一或多者。一種類型之缺陷涉及電子替代物。舉例而言，替代AlN中之Al之Si可充當可減小材料之電導率之一深位準供體(320 meV)，而替代AlN中之Al之C可充當一深位準受體(500 meV)。點缺陷包含空位、間隙及反位缺陷。在AlN中，空位比間隙或反位缺陷積極有利。對於Al空位，觀察到遠離空位之原子位移。對於N空位，觀察到朝向空位之原子位移。AlN中之疊積缺層包含{1120}疊積缺層組態。疊積缺層可係替代離子或Al空位之一較佳區域。系統空位可因由某些元素替代AlN中之Al而導致。舉例而言，將由諸如Al空位(VAl 或□Al )之本徵缺陷對AlN之Ta5+ 及Zr4+ 摻雜進行補償。比Al3+ 或Ta5+ 小之離子可與2□Al 至3TaAl 形成經彈性驅動之缺陷偶。□Al 及TaAl 空位或替代物可使最近鄰之N四面體膨脹。Si4+ 可使最近鄰之N四面體收縮，從而與VAl 形成缺陷偶。
根據一第一態樣，提供一種壓電材料。該壓電材料包括摻雜有一或多個元素之陽離子之AlN，該一或多個元素選自由以下各項組成之群組： Sb、Ta、Nb或Ge中之一者；Cr與B、Sc、Y、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm或Yb中之一或多者組合；Nb及Ta中之一者與Li、Mg、Ca、Ni、Co及Zn中之一者之組合；Ca與Si、Ge、Ti、Zr及Hf中之一者之組合；Mg與Si、Ge及Ti中之一者之組合；及Co、Sb、Ta、Nb、Si或Ge中之一或多者與Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm或Yb中之一或多者之組合。該等陽離子至少部分地替代該壓電材料之晶體結構中之Al。
在某些實施例中，該壓電材料具有式Al1-x Ge3/4x □1/4x N或Al1-5/3x Ta5+ x □2/3x N中之一者，□表示該壓電材料之該晶體結構中之一Al位點中之一空位，0 ＜ x ＜ 0.25。
在某些實施例中，該壓電材料具有式Al1-2x Bx Crx N，0＜x＜0.15。
在某些實施例中，該壓電材料具有式Al1-5/3x-3y Mg2y Tax+y □2/3x N，□表示該壓電材料之該晶體結構中之一Al位點中之一空位，1 ＞ 5/3x + 3y，0 ＜ x ＜ 0.3，0 ＜ y ＜ 0.25。
在某些實施例中，該壓電材料具有式Al1-2x Mgx Six N，0＜x＜0.15。
在某些實施例中，該壓電材料具有式Al1-x-y Cr3+ x MIII y N，MIII = Sc3+ 、Y3+ 、Sm3+ …Yb3+ 、Sm3+ …Yb3+ =具有自62至70之原子數之鑭系元素中之任何一或多者。
該壓電材料可具有一纖鋅礦晶體結構。
在某些實施例中，一聲波共振器包含該壓電材料。該聲波共振器可組態為一固態安裝型共振器。該聲波共振器可組態為一薄膜體聲學共振器。
在某些實施例中，一濾波器包含該聲波共振器。該濾波器可具有在無線電頻帶中之一通帶。
在某些實施例中，一電子裝置模組包含該濾波器。
在某些實施例中，一電子裝置包含該電子裝置模組。該電子裝置模組可係一射頻電子裝置模組。
相關申請案交叉參考 本申請案依據35 U.S.C. §119(e)主張2017年7月7日提出申請之標題為「SUBSTITUTED ALUMINUM NITRIDE FOR IMPROVED ACOUSTIC WAVE FILTERS」之第62/529,742號美國臨時專利申請案的優先權，該美國臨時專利申請案出於所有目的係以全文引用的方式併入本文中。
先前工作中對晶體化學系統學之分析已提供對氮化鋁(AlN)中之鋁(Al)之特定化學取代基如何影響材料之各種所關注性質之洞察。在本文中揭示可用於形成一壓電材料以供在諸如體聲波(BAW)及薄膜體聲學共振器 (FBAR)濾波器之聲波濾波器中使用之AlN之新化學取代基組合。本文中所揭示之解決方案優於先前解決方案之優點係：可同時最佳化多個材料性質(舉例而言，機電耦合及聲速)。基於對晶體化學及先前工作之知曉，似乎存在由對基於AlN之壓電材料中之Al進行摻雜引起的一系列相互排斥之性質組合。舉例而言，與氮形成比鋁更離子之一鍵之替代物(諸如鈧)將改良耦合及介電常數，然而與氮形成比鋁更共價之一鍵之替代物(諸如硼)將改良聲速且降低黏彈性損失。在本文中揭示基於AlN之壓電材料，其可展現多個性質之改良或可展現特定個別性質(例如，介電常數)之極端增強。
AlN之最頻繁引用之添加劑係鈧(Sc)。鈧比Al更具正電性。Sc3+ 相對於Al3+ 之經增加電離度會增加摻Sc之AlN之壓電耦合(與未經摻雜AlN相比較)。Sc3+ 亦大於Al3+ 。AlN之晶體晶格由於存在替代Al3+ 之Sc3+ 而變形會增加摻Sc之AlN之壓電係數(與未經摻雜AlN相比較)。然而，由於存在替代Al3+ 之Sc3+ 而發生之共價損失增加黏彈性損失。
Y、Yb及其他小鑭系元素係大於Sc3+ 之離子且比Sc更具正電性。用此等元素之離子替代AlN中之Al3+ 可增強壓電效應及黏彈性損失兩者。諸如Yb3+ 之較重可極化原子應比諸如Sc3+ 及Y3+ 之較輕原子使經摻雜AlN之介電常數改良的更多。亦可使用多個等價替代物(AlN:B、Sc或AlN:B、Yb)。
與Sc、Y及Yb相比較，硼(B)形成比Al小得多之一離子且不如Al具正電性。硼將與N形成比Al更共價之一鍵。可預期壓電耦合隨AlN中之Al之B替代物稍微減少，但黏彈性損失同樣應減少。B-N鍵相對於Al-N鍵之經增加共價性應增加摻B之AlN之體模數(與未經摻雜AlN相比較)。替代Al之輕B原子亦應減小摻B之AlN之密度(與未經摻雜AlN相比較)。兩種效應應組合以給出更大聲速(v=(K/ρ)1/2 ，K =材料體模數；ρ =密度)。
用於AlN中之Al之摻雜劑(其增強材料之Q、彈性模數及聲速)似乎對經改良耦合係數及較高介電常數不利。此係示意性地表示於圖15中。不同摻雜劑之同時添加及/或摻雜AlN以促進3d電子相互作用或形成經排序空晶格位點可提供與具高度正電性摻雜劑及具微弱正電性摻雜劑兩者相關聯的益處。
在過渡金屬中，d電子歧管極大地使鍵合複雜化。離子可取決於d電子計數而具有對八面體或四面體配位之偏好。舉例而言，Cr3+ 具有對八面體配位之極其強烈的偏好。若被迫使進入一個四面體位點，則此可形成強烈晶格變形，從而增強壓電性(即使Cr3+ 離子並不與Sc一樣具正電性)。B與Cr之經耦合替代物可產生晶格變形，從而在不具有黏彈性損失之情況下增強壓電性。諸如V3+ 、Mn3+ 及Co3+ 之其他離子可用作摻雜劑以改良AlN之性質。此等離子可調整至不同氧化狀態(其中Co3+ 每氧化狀態具有數個自旋態)，且因此可展現多個不同離子半徑。
在某些實施例中，空晶格位點(0個電子)亦可被併入至Grimm-Summerfeld規則之四面體框架中。一實例係γ-Ga2 S3 ，其係一32 063 類型。AlN中之鋁空位可被視為四面體結構中之非鍵合軌域(孤電子對)之一四元組。AlN中之鋁空位可在不增加電離度之情況下增加黏彈性損失(尤其在行動之情況下)或增強壓電變形。
可用於與AlN混合以形成一經摻雜AlN材料之其他化合物包含43 054 化合物，諸如Si3 N4 及Ge3 N4 。Ge3 N4 在其中陽離子空位經排序之一含缺陷纖鋅礦結構中結晶。增加非鍵合軌域中之p軌域特性導致鍵合軌域之sp2 (平面)混成之趨勢，此可使晶體晶格變形。諸如Al1-x Ge3/4x □1/4x N及Al1-x Si3/4x □1/4x N之固溶體亦受關注，其中□表示壓電材料之晶體結構之一Al位點中之一空位。
在具有GaN及InN之AlN之固溶體中，預期k2 及聲速下降。因此，材料之介電常數可由於性質之所採用線性關係而相對於未經摻雜AlN連同c/a比一起稍微增加。
在圖16中，將各種摻雜劑對AlN之各種材料性質之預期效應製成表格。
在下文之表2中，呈現可展現供在聲波共振器或濾波器中使用之合意性質之不同基於AlN之壓電材料以及摻雜劑對基底AlN材料之預期效應之一覽表： 表2
Figure AA2
Figure AA2-1
Figure AA2-2
Figure AA2-3
如上文所論述，本文中所揭示之各種材料可用作BAW共振器中之壓電材料。在某些實施方案中，本文中所揭示之各種材料亦可用作表面聲波(SAW)共振器或濾波器中之壓電材料。一種類型之BAW共振器係一固態安裝型共振器(SMR)。在圖17中一般以100圖解說明一SMR BAW之一項實例。SMR BAW形成於一基板105 (舉例而言，一矽基板)上。一壓電材料層110安置於基板105上在一上部電極115與一下部電極120之間。壓電材料層110可包含本文中所揭示之材料中之任何材料或由該等材料組成。壓電材料層110具有λ/2之一厚度，其中λ係SMR BAW 100之共振頻率。包含高阻抗材料130 (舉例而言，SiO2 )與低阻抗材料135 (舉例而言，Mo或W)之交替層之一布拉格(Bragg)反射器或聲學鏡125安置於下部電極120下面且幫助將聲學能量拘限至壓電材料110而非穿過基板105洩漏。每一材料層120、135可具有λ/4之一厚度。
在圖18中一般以200圖解說明一FBAR BAW之一實例。FBAR BAW 200包含安置於一基板205 (舉例而言，一矽基板)上在一上部電極215與一下部電極220之間的一壓電材料薄膜210。一腔225形成於壓電材料薄膜210下面(且視情況下部電極220下面)及基板205之上表面上面以允許壓電材料薄膜210振動。壓電材料薄膜210可包含本文中所揭示之材料中之任何材料或由該等材料組成。
SMR BAW及/或FBAR BAW共振器(包含本文中所揭示之材料中之任何材料作為其壓電元件)之實例可組合在一起以形成一濾波器。可用於對射頻(RF)範圍中之信號進行濾波之一濾波器配置之一項實例可係如圖19中示意性地圖解說明之一梯形濾波器300。梯形濾波器300包含串聯連接於一輸入埠305與一輸出埠310之間的複數個串聯共振器R1、R2、R3、R4、R5、R6及使第一側電連接於一對串聯共振器之間且使第二側電連接至一參考電壓(舉例而言，接地)之複數個並聯共振器R7、R8及R9。共振器R1至R9之共振頻率及抗共振頻率可經選擇使得梯形濾波器300使在一所要通帶內之RF能量自輸入埠305至輸出埠310通過同時使在通帶以外之頻率下之RF能量衰減。應瞭解，包含於梯形濾波器中之串聯及/或並聯共振器之數目及配置可基於濾波器之所要頻率回應而變化。
參考圖20，圖解說明可在諸如一無線通信裝置(例如，一行動電話)之一電子裝置中使用之一前端模組400之一項實例之一方塊圖，舉例而言。前端模組400包含具有一共同節點412、一輸入節點414及一輸出節點416之一天線雙工器410。一天線510連接至共同節點412。前端模組400進一步包含連接至雙工器410之輸入節點414之一傳輸器電路432及連接至雙工器410之輸出節點416之一接收器電路434。傳輸器電路432可產生用於經由天線510傳輸之信號，且接收器電路434可接收且處理經由天線510接收之信號。在某些實施例中，接收器及傳輸器電路實施為單獨組件，如圖20中所展示；然而在其他實施例中，此等組件可整合至一共同收發器電路或模組中。如熟習此項技術者將瞭解，前端模組400可包含圖20中未圖解說明之其他組件，包含但不限於開關、電磁耦合器、放大器、處理器及諸如此類。
天線雙工器410可包含連接於輸入節點414與共同節點412之間的一或多個傳輸濾波器422，及連接於共同節點412與輸出節點416之間的一或多個接收濾波器424。傳輸濾波器之通帶不同於接收濾波器之通帶。傳輸濾波器422及接收濾波器424中之每一者可包含一或多個共振器，其包含如本文中所揭示之壓電材料之一或多個實施例。一電感器或其他匹配組件440可連接在共同節點412處。
在特定實例中，在傳輸濾波器422或接收濾波器424中使用之聲波元件中之每一者包含相同壓電材料。此結構降低溫度改變對各別濾波器之頻率回應之效應，特定而言減少由溫度改變引起之通過或衰減特性降級，此乃因每一聲波元件回應於周圍溫度之改變而類似地改變。
圖21係包含圖20中所展示之天線雙工器410之一無線裝置500之一項實例之一方塊圖。無線裝置500可係一蜂巢式電話、智慧型電話、平板電腦、數據機、通信網路或者經組態以用於語音或資料通信之任何其他可攜式或非可攜式裝置。無線裝置500可接收且傳輸來自天線510之信號。該無線裝置包含與上文參考圖20所論述之前端模組類似之一前端模組400’之一實施例。前端模組400’包含雙工器410，如上文所論述。在圖21中所展示之實例中，前端模組400’進一步包含可經組態以在不同頻帶或模式(諸如傳輸模式及接收模式)之間切換之一天線開關450，舉例而言。在圖21中所圖解說明之實例中，天線開關450定位於雙工器410與天線510之間；然而，在其他實例中，雙工器410可定位於天線開關450與天線510之間。在其他實例中，天線開關450及雙工器410可整合至一單個組件中。
前端模組400’包含經組態以產生用於傳輸之信號或處理所接收信號之一收發器430。收發器430可包含可連接至雙工器410之輸入節點414之傳輸器電路432及可連接至雙工器410之輸出節點416之接收器電路434，如圖20之實例中所展示。
經產生以由傳輸器電路432傳輸之信號由一功率放大器(PA)模組460接收，功率放大器(PA)模組460放大來自收發器430之所產生信號。功率放大器模組460可包含一或多個功率放大器。功率放大器模組460可用於放大各種RF或其他頻帶傳輸信號。舉例而言，功率放大器模組460可接收一啟用信號，該啟用信號可用於將功率放大器之輸出加脈衝以輔助傳輸一無線區域網路(WLAN)信號或任何其他適合脈衝信號。功率放大器模組460可經組態以放大各種類型之信號中之任一者，包含(舉例而言)一全球行動通信(GSM)信號、一碼分多重存取 (CDMA)信號、一W-CDMA信號、一長期演進(LTE)信號或一EDGE信號。在特定實施例中，可在砷化鎵(GaAs)基板上使用(舉例而言)高電子遷移率電晶體(pHEMT)或絕緣閘雙極電晶體(BiFET)或在一矽基板上使用互補金屬氧化物半導體(CMOS)場效應電晶體製作功率放大器模組460及包含開關及諸如此類之相關聯組件。
仍參考圖21，前端模組400’可進一步包含一低雜訊放大器模組470，低雜訊放大器模組470放大來自天線510之所接收信號且將經放大信號提供至收發器430之接收器電路434。
圖21之無線裝置500進一步包含一功率管理子系統520，功率管理子系統520連接至收發器430且管理用於操作無線裝置500之電力。功率管理系統520亦可控制無線裝置500之一基頻子系統530及各種其他組件之操作。功率管理系統520可包含或可連接至為無線裝置500之各種組件供應電力之一電池(未展示)。功率管理系統520可進一步包含可控制信號傳輸之一或多個處理器或控制器，舉例而言。在一項實施例中，基頻子系統530連接至一使用者介面540以促進提供至使用者且自使用者接收之語音及/或資料之各種輸入及輸出。基頻子系統530亦可連接至記憶體550，記憶體550經組態以儲存資料及/或指令來促進無線裝置之操作，及/或提供用於使用者之資訊之儲存。
上文已闡述至少一項實施例之數個態樣後，應瞭解，熟習此項技術者將易於想到各種更改、修改及改良。此等更改、修改及改良意欲為本發明之一部分且意欲在本發明之範疇內。應瞭解，本文中所論述之方法及設備之實施例在應用中不限於前文說明中所陳述或附圖中所圖解說明之組件之構造及配置之細節。該等方法及設備能夠在其他實施例中實施且能夠以各種方式實踐或實施。特定實施方案之實例在本文中僅出於說明性目的而提供且不意欲為限制性。本文中所揭示之任一實施例之一或多個特徵可經添加或替代任一其他實施例之任何一或多個特徵。而且，本文中所使用之片語及術語係出於說明目的且不應視為具限制性。本文中使用「包含(including)」、「包括(comprising)」、「具有(having)」、「含有(containing)」、「涉及(involving)」及其變化形式意指囊括其後所列示之項目及其等效物以及額外項目。對「或」之提及可解釋為包含性的，使得使用「或」所闡述之任何術語可指示一單個、一個以上及所有所闡述術語中之任一者。對前及後、左及右、頂部及底部以及上部及下部之任何提及意欲為了方便說明，而不意欲將本發明系統及方法或其組件限制於任何一個位置及空間定向。因此，前文說明及圖式係僅藉由實例之方式。
100‧‧‧固態安裝型共振器體聲波105‧‧‧基板110‧‧‧壓電材料層/壓電材料115‧‧‧上部電極120‧‧‧下部電極/材料層125‧‧‧布拉格反射器/聲學鏡130‧‧‧高阻抗材料135‧‧‧低阻抗材料/材料層200‧‧‧固態安裝型共振器體聲波205‧‧‧基板210‧‧‧壓電材料薄膜215‧‧‧上部電極220‧‧‧下部電極225‧‧‧腔300‧‧‧梯形濾波器305‧‧‧輸入埠310‧‧‧輸出埠400‧‧‧前端模組400’‧‧‧前端模組410‧‧‧天線雙工器/雙工器412‧‧‧共同節點414‧‧‧輸入節點416‧‧‧輸出節點422‧‧‧傳輸濾波器424‧‧‧接收濾波器430‧‧‧收發器432‧‧‧傳輸器電路434‧‧‧接收器電路440‧‧‧匹配組件450‧‧‧天線開關460‧‧‧功率放大器模組470‧‧‧低雜訊放大器模組500‧‧‧無線裝置510‧‧‧天線520‧‧‧功率關係子系統/功率管理系統530‧‧‧基頻子系統540‧‧‧使用者介面550‧‧‧記憶體a‧‧‧晶格常數/晶體晶格參數c‧‧‧晶格常數/晶體晶格參數c33‧‧‧彈性模數d33‧‧‧壓電係數e33‧‧‧壓電係數fp‧‧‧並聯共振頻率fs‧‧‧串聯共振頻率k2‧‧‧耦合因數kt 2‧‧‧耦合係數R1‧‧‧共振器R2‧‧‧共振器R3‧‧‧共振器R4‧‧‧共振器R5‧‧‧共振器R6‧‧‧共振器R7‧‧‧共振器R8‧‧‧共振器R9‧‧‧共振器u‧‧‧鍵長ɛr‧‧‧相對介電常數
圖1係一聲波濾波器之一實例之阻抗對比頻率之一圖表； 圖2係圖解說明各種三價陽離子之介電極化率對比晶體半徑之一圖表； 圖3係各種機電材料之選定材料參數之一表； 圖4圖解說明纖鋅礦結晶結構； 圖5A係各種III-V纖鋅礦氮化物及II-VI纖鋅礦氧化物之選定材料參數之一表； 圖5B係AlN、GaN及InN之選定材料參數之一表； 圖6A係晶格常數對比Alx Ga1-x N中之x之一圖表； 圖6B係能量間隙對比Alx Ga1-x N中之x之一圖表； 圖7A係選定化合物之彈性常數對比菲利普斯電離度之一圖表； 圖7B係選定化合物之聲速對比菲利普斯電離度之一圖表； 圖8A係圖解說明結晶結構之改變對比Sc0.5 Al0.5 N中之c/a比之一圖表； 圖8B係圖解說明結晶結構之改變對比Sc0.5 Al0.5 N中之c/a比之另一圖表； 圖8C係AlN及Al.88 Sc.12 N之選定材料性質之一表； 圖8D係摻雜有各種濃度之Sc之AlN及AlN之選定材料性質之一表； 圖8E係摻雜有各種濃度之Sc之AlN之k2 及Q因數之一圖表； 圖8F係摻雜有各種濃度之Sc之AlN之ɛr 及tan δ之一圖表； 圖8G係摻雜有各種濃度之Sc之AlN之FOM之一圖表； 圖8H係摻雜有各種濃度之Sc之AlN之TCF之一圖表； 圖9A係摻雜有各種濃度之Y之AlN之ɛr 之一圖表； 圖9B係摻雜有各種濃度之Y之AlN之e33 及e31 之一圖表； 圖9C係摻雜有各種濃度之Y之AlN之d33 及d31 之一圖表； 圖10A係AlN之e33 對比摻雜劑濃度之一圖表，AlN摻雜有Sc且具有用於Al的Mg與Zr、Mg與Ti及Mg與Hf之經耦合替代物； 圖10B係AlN之c33 對比摻雜劑濃度之一圖表，AlN摻雜有Sc且具有用於Al的Mg與Zr、Mg與Ti及Mg與Hf之經耦合替代物； 圖10C係AlN、(Mg.5 Zr.5 )0.13 Al0.87 N及(Mg.5 Hf.5 )0.13 Al0.87 N之選定材料性質之一表； 圖11A係c33 對比摻硼之AlN中之硼濃度之一圖表； 圖11B係e33 對比摻硼之AlN中之硼濃度之一圖表； 圖11C係晶體晶格參數c對比摻硼之AlN中之硼濃度之一圖表 ； 圖11D係k2 對比摻硼之AlN中之硼濃度之一圖表； 圖11E係晶體單位單元體積對比摻硼之AlN中之硼濃度之一圖表； 圖11F係晶體晶格參數c及a對比摻硼之AlN中之硼濃度之一圖表； 圖12A係Al.93 Cr.07 N及Al.91 Mn.09 N之材料電阻率對比溫度之一圖表； 圖12B係晶格常數對比摻Cr之AlN中之Cr濃度之一圖表； 圖12C係有效d33 對比摻Cr之AlN中之Cr濃度之一圖表； 圖13係k2 、vs 及介電常數對比摻Ti之AlN中之Ti濃度之一圖表； 圖14A係聲速及介電常數對比摻V之AlN中之V含量之一圖表； 圖14B係聲速及介電常數對比摻Ta之AlN中之Ta含量之一圖表； 圖14C係晶格常數對比摻Ta之AlN中之Ta含量之一圖表； 圖14D係壓電係數d33 對比摻Ta之AlN中之Ta含量之一圖表； 圖15圖解說明AlN中之不同摻雜劑之材料性質之衝突折衷； 圖16係指示各種摻雜劑對經摻雜AlN之選定材料性質之預期效應之一表； 圖17係一固態安裝型共振器(SMR) BAW之一實例之一剖面圖； 圖18係一FBAR BAW之一實例之一剖面圖；及 圖19係可包含SMR BAW及/或FBAR BAW裝置之一濾波器之一示意圖； 圖20係其中可實施圖19之濾波器之一前端模組之一方塊圖；及 圖21係其中可實施圖19之濾波器之一無線裝置之一方塊圖。
a‧‧‧晶格常數/晶體晶格參數
c‧‧‧晶格常數/晶體晶格參數
u‧‧‧鍵長

Claims (20)

  1. 一種壓電(piezoelectric)材料，其包括：摻雜有一或多個元素之陽離子(cations)的AlN，該一或多個元素係選自由以下各項組成之群組：a)Sb或Nb中之一者；b)Cr與B、Sc、Y、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm或Yb中之一或多者之組合；c)Nb及Ta中之一者與Li、Ca、Ni或Co中之一者之組合；或d)Co、Sb、Ta、Nb、Si或Ge中之一或多者與Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm或Yb中之一或多者之組合；該等陽離子至少部分地替代(substituting)該壓電材料之一晶體結構中的Al。
  2. 如請求項1之壓電材料，其具有一纖鋅礦(Wurtzite)晶體結構。
  3. 一種壓電材料，其具有式Al1-5/3xTa5+ x□2/3xN，0<x<0.25，□表示該壓電材料之該晶體結構中之一Al位點中之一空位。
  4. 一種壓電材料，其包括摻雜有與B組合之Cr的陽離子的AlN且具有式Al1-2xBxCrxN，0<x<0.15，該等陽離子至少部分地替代該壓電材料之一晶體結構中的Al。
  5. 一種壓電材料，其包括摻雜有與Sc、Y、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm或Yb中之一或多者組合之Cr的陽離子的AlN且具有式Al1-x-yCr3+ xMIII yN，其中MIII=Sc3+、Y3+、或Sm3+…Yb3+、且其中Sm3+…Yb3+=自62至70之原子數之鑭系元素(Lanthanides)中之任何一或多者，該等陽離子至少部分地替代該壓電材料之一晶體結構中的Al。
  6. 一種包含如請求項1之壓電材料之聲波共振器。
  7. 如請求項6之聲波共振器，其經組態為一固態安裝型共振器。
  8. 如請求項6之聲波共振器，其經組態為一薄膜體聲學共振器。
  9. 一種包含如請求項6之聲波共振器之濾波器。
  10. 如請求項9之濾波器，其具有在無線電頻帶中之一通帶。
  11. 一種包含如請求項9之濾波器之電子裝置模組。
  12. 一種包含如請求項11之電子裝置模組之電子裝置。
  13. 如請求項12之電子裝置，其中該電子裝置模組係一射頻電子裝置模組。
  14. 一種包含如請求項4之壓電材料之聲波共振器。
  15. 一種包含如請求項14之聲波共振器之濾波器。
  16. 一種包含如請求項15之濾波器之電子裝置模組。
  17. 一種包含如請求項16之電子裝置模組之電子裝置。
  18. 一種包含如請求項5之壓電材料之聲波共振器。
  19. 一種包含如請求項18之聲波共振器之濾波器。
  20. 一種包含如請求項19之濾波器之電子裝置模組。
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