一种声波谐振器、滤波器及通信器件

技术领域

本发明涉及微电子器件技术领域，特别涉及一种声波谐振器、滤波器及通信器件。

背景技术

现代无线通信系统对信号质量的要求越来越高，低损耗、宽带宽、可调谐以及温度稳定性已经成为通讯行业的普遍追求目标。体声波(Bulk Acoustic Wave，BAW)谐振器的目标模式工作频率与压电薄膜的厚度成反比，通过减小压电薄膜的厚度可以提高工作频率。但对于薄膜悬空型的BAW谐振器来说，过薄的压电薄膜存在机械稳定性的问题，为避免这一缺陷，可以采用固态装配型的BAW谐振器，但固态装配型的BAW谐振器中的布拉格反射层的加工十分困难，且布拉格反射层会导致新的寄生效应。现有基于压电异质衬底的声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)谐振器在Q值、体积、温度稳定性以及功率容量方面均有较大的优势。目前常用的声表面波模式声速受限于支撑衬底的声速，因此工作频率受限于叉指电极的线宽。随着工作频率的升高，电极宽度的下降会导致欧姆损耗的上升，以及功率容量的下降。此外，无论采用BAW还是SAW结构，均会因为压电材料存在的多个不为零的压电系数导致寄生模式的产生，从而导致滤波器带外抑制水平的下降。因此，在不缩小电极线宽的前提下，提高目标模式的工作频率，并且避免各类型的寄生模式，是实现高性能的高频大带宽滤波器的关键。

发明内容

为解决上述技术问题，本申请于一方面公开了一种声波谐振器，其包括由下至上依次设置的支撑衬底、底电极、压电层和顶电极；

压电层包括沿第一方向交替排列的多个第一压电区和多个第二压电区；第一压电区的欧拉角与第二压电区的欧拉角不相等；第一方向为支撑衬底的长度方向；

多个第一压电区中的相邻第一压电区的中心之间的距离等于多个第二压电区中的相邻第二压电区的中心之间的距离；相邻第一压电区的中心之间的距离与声波谐振器的目标模式的频率之积小于支撑衬底的声速；目标模式为纵向电场作用下激发的声波模式。

在一些可选的实施例中，目标模式在第一压电区中对应的压电系数与在第二压电区中对应的压电系数为相反数。

在一些可选的实施例中，压电层包括沿第二方向依次排列设置的多个子压电层，每个子压电层包括沿第一方向交替排列的多个第一压电区和多个第二压电区；目标模式在多个子压电层中沿第二方向的相邻压电区分别对应的压电系数为相反数；第二方向为支撑衬底的高度方向。

在一些可选的实施例中，压电层包括沿第三方向依次排列设置的多个子压电层，每个子压电层包括沿第一方向交替排列的多个第一压电区和多个第二压电区；第三方向为支撑衬底的宽度方向；目标模式在多个子压电层中沿第三方向的相邻压电区分别对应的压电系数相同。

在一些可选的实施例中，多个子压电层之间设有金属层、介质层和键合层中的一种或者多种。

在一些可选的实施例中，压电层包括沿第二方向交错排列的多个第一子压电层和多个第二子压电层；

第一子压电层中的第一压电区的欧拉角与第二子压电层中的第一压电区的欧拉角不相等，和/或，第一子压电层中的第二压电区的欧拉角与第二子压电层中的第二压电区的欧拉角不相等。

在一些可选的实施例中，底电极为面电极、悬浮电极和异形电极中的一种；

顶电极为面电极、叉指电极、悬浮电极和异形电极中的一种。

在一些可选的实施例中，在顶电极和底电极至少覆盖一组相邻的第一压电区和第二压电区。

在一些可选的实施例中，目标模式为纵向泄露的声表面波、水平剪切波、瑞利模式以及它们的高阶模式中的一种。

在一些可选的实施例中，支撑衬底与底电极之间设有介质层。

在一些可选的实施例中，声波谐振器存在至少一个寄生模式，至少一个寄生模式在第一压电区中对应的压电系数与在第二压电区中对应的压电系数相同。

本申请于另一方面公开了一种滤波器，其包括上述的声波谐振器。

本申请于另一方面公开了一种通信器件，其包括上述的声波谐振器；

通信器件包括滤波器、双工器以及多工器中的至少一种。

采用上述技术方案，本申请提供的声波谐振器具有如下有益效果：

声波谐振器包括由下至上依次设置的支撑衬底、底电极、压电层和顶电极；压电层包括沿第一方向交替排列的多个第一压电区和多个第二压电区；第一压电区的欧拉角与第二压电区的欧拉角不相等；第一方向为支撑衬底的长度方向；多个第一压电区中的相邻第一压电区的中心之间的距离等于多个第二压电区中的相邻第二压电区的中心之间的距离；相邻第一压电区的中心之间的距离与声波谐振器的目标模式的频率之积小于支撑衬底的声速；目标模式为纵向电场作用下激发的声波模式。与现有技术谐振器的压电层为单层结构相比，本申请所提供的这种将压电层设置成周期排列的结构，从而可以在不减小电极线宽的前提下减小目标模式的波长，实现更高的频率，降低欧姆损耗和提高功率容量；通过合适欧拉角的旋转，还可以抑制寄生模式。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的第一种声波谐振器的截面图；

图2是本申请实施例提供的一种对比例1的结构示意图；

图3是本申请实施例提供的一种对比例2的结构示意图；

图4是本申请实施例提供的一种包含对比例1和对比例2的仿真结果图；

图5是本申请实施例提供的图4中对比例1对应的振型图；

图6是本申请实施例提供的图4中对比例2对应的振型图；

图7是本申请实施例提供的一种包含结构一和结构二的仿真结果图；

图8是本申请实施例提供的图7中的结构一中寄生模式对应的振型图；

图9是本申请实施例提供的图7中的结构一和结构二中目标模式对应的振型图；

图10是本申请实施例提供的一种对比例3的结构示意图；

图11是本申请实施例提供的一种包含对比例3和结构二的仿真结果图；

图12是本申请实施例提供的图11中的对比例3中目标模式对应的振型图；

图13是本申请实施例提供的图11中的对比例3中寄生模式对应的振型图；

图14是本申请实施例提供的第二种声波谐振器对应的仿真结果图；

图15是本申请实施例提供的第三种声波谐振器的截面图；

图16是本申请实施例提供的图15所示结构对应的导纳曲线；

图17是本申请实施例提供的第四种声波谐振器的截面图；

图18是本申请实施例提供的图17所示结构对应的导纳曲线；

图19是本申请实施例提供的图17所示结构对应的振型图；

图20是本申请实施例提供的第四种声波谐振器的截面图；

图21是本申请实施例提供的第五种声波谐振器的截面图；

图22是本申请实施例提供的第六种声波谐振器的截面图；

图23是本申请实施例提供的第七种声波谐振器的截面图；

图24是本申请实施例提供的第八种声波谐振器的俯视图；

图25是本申请实施例提供的第九种声波谐振器的俯视图；

图26是本申请实施例提供的第十种声波谐振器的俯视图；

图27是本申请实施例提供的第十一种声波谐振器的俯视图；

图28是本申请实施例提供的第十二种声波谐振器的俯视图。

以下对附图作补充说明：

1-支撑衬底；2-底电极；3-压电层；301-第一压电区；302-第二压电区；303-子压电层；304-第一子压电层；305-第二子压电层；4-顶电极；5-中间层。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本申请至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

当本文中公开一个数值范围时，上述范围视为连续，且包括该范围的最小值及最大值，以及这种最小值与最大值之间的每一个值。进一步地，当范围是指整数时，包括该范围的最小值与最大值之间的每一个整数。此外，当提供多个范围描述特征或特性时，可以合并该范围。换言之，除非另有指明，否则本文中所公开之所有范围应理解为包括其中所归入的任何及所有的子范围。例如，从“1至10”的指定范围应视为包括最小值1与最大值10之间的任何及所有的子范围。范围1至10的示例性子范围包括但不限于1至6.1、3.5至7.8、5.5至10等。

现有方案中的一种是目标模式纵向电场激发的体声波模式，采用悬浮底电极和顶部叉指电极的形式，谐振频率由压电薄膜厚度决定。由于是通过薄膜悬空来避免声波能量的泄露，因此金属电极的线宽不受限制。然而随着频率的升高，压电薄膜逐渐变薄，其机械稳定性面临挑战。现有另一种方案是采用高声速支撑衬底对其进行约束，目标模式为高声速的纵向泄露声表面波(LL-SAW)模式，但是其工作频率的上限由支撑衬底的声速和叉指电极的周期决定，也就是截止频率。随着频率的提高，叉指电极的宽度逐渐变窄，不仅对光刻精度提出了更严苛的要求，与此同时，欧姆损耗增加，功率容量下降。而且叉指电极结构会导致横纵向电场同时存在，因此还会激发相关的寄生模式。

为此，本方案提出利用纵向电场激发的声波模式作为目标模式、并采用周期排列的压电区来定义目标模式在水平方向上的波长，通过减小压电薄膜的周期而不是电极宽度来提高目标模式的工作频率。该结构在提高谐振频率的同时并未突破支撑衬底的截止频率，因此目标模式仍被很好地约束在衬底表面。结构简单、稳定、且散热性较好。且由于未缩小电极的宽度，确保了较低的欧姆损耗以及较高的功率容量。此外，该结构还具有设计的灵活性，通过选择合适的相邻压电薄膜的欧拉角，还可以进一步抑制各类型寄生模式。

请参阅图1，其所示为本申请实施例提供的第一种声波谐振器的截面图，声波谐振器包括由下至上依次设置的支撑衬底1、底电极2、压电层3和顶电极4；压电层3包括沿第一方向交替排列的多个第一压电区301和多个第二压电区302；第一压电区301的欧拉角与第二压电区302的欧拉角不相等；第一方向为支撑衬底1的长度方向；多个第一压电区301中的相邻第一压电区301的中心之间的距离等于多个第二压电区302中的相邻第二压电区302的中心之间的距离；相邻第一压电区301的中心之间的距离与声波谐振器的目标模式的频率之积小于支撑衬底1的声速；目标模式为纵向电场作用下激发的声波模式。所以本方案通过利用纵向电场激发的声波模式作为目标模式、并采用周期排列的压电区来定义目标模式在水平方向上的波长，通过减小压电区的周期而不是电极宽度来提高目标模式的工作频率，从而可以在不减小电极线宽的前提下减小目标模式的波长，实现更高的频率，降低欧姆损耗和提高功率容量；通过合适欧拉角的旋转，还可以抑制寄生模式。

本公开实施例中，上述第一方向可以是如图1所示的x方向，下文中的第二方向可以是指图1中的z方向，第三方向可以是指图1中的y方向。

在一些可选的实施例中，目标模式在第一压电区301中对应的压电系数与在第二压电区302中对应的压电系数为相反数。

在一些可选的实施例中，目标模式为纵向泄露的声表面波、水平剪切波、瑞利模式以及它们的高阶模式中的一种。

在一些可选的实施例中，支撑衬底1与底电极2之间设有介质层。可选的，所述介质层为单层结构或者复合结构，包含键和层、温度补偿层、低声速层、高声速层等。可选的，支撑衬底1为易成型加工的材料；支撑衬底1的材料包含石英、硅、蓝宝石、尖晶石、钇铝石榴石中的任一种；高声速层的材料为不同晶型及不同切型的碳化硅、金刚石、类金刚石、氧化铝、氮化铝、氮化硼、碳化硼和氮化硅中的任一种。

可选的，支撑衬底1为不同晶型及不同切型的碳化硅、金刚石、类金刚石、蓝宝石、氮化铝、氮化硼、碳化硼和氮化硅中的一种或多种的组合。

可选的，压电层3的材料为钽酸锂、铌酸锂、铌酸钾、锆钛酸铅或铌镁酸铅－钛酸铅中的一种或多种的组合；

可选的，顶电极4的材料包括铜、铝、金、银、钨、铂、镍、铬、钼、钛、石墨烯、铜铝合金、铝硅合金中的一种或多种的组合；底电极2的材料包括铜、铝、金、银、钨、铂、镍、铬、钼、钛、石墨烯、铜铝合金、铝硅合金、掺杂的硅、碳化硅、氮化镓的一种或多种的组合。

请参阅图2和3，其所示分别为对比例1和对比例2的结构示意图。对比例1与本申请图2所示的结构相比，区别在于对比例1的压电层3为单层结构；对比例2与对比例1的区别在于，对比例2的顶电极4为叉指电极，对比例1的顶电极4为面电极；具体的，上述对比例1和对比例2的结构中，支撑衬底1的材料为4H-SiC，底电极2为80nm钨，压电层3的欧拉角为(0°，99°，0°)的铌酸锂，厚度为200nm；顶电极4为80nm铝，其中叉指电极的周期为1.2μm(即相邻电极指的中心之间的距离为1.2μm)，通过上述对比例1和对比例2的结构进行仿真测试，可以得到如图4所示的仿真结果，可以看出，对比例1的面电极结构激发的TSM体声波泄露到支撑衬底1中，因此，谐振器的导纳比非常低。在采用叉指电极后，TSM转换为SH1模式，其工作频率与叉指电极周期的乘积小于支撑衬底1的声速，因此，声波能量被很好地约束在支撑衬底1表面。但是叉指电极导致了横纵向电场同时存在，压电薄膜中与主模无关的压电系数分量导致了大量寄生模式(如SHO,瑞利，LL-SAW)的存在。进一步通过比较图5和图6可以看出，对比例1的TSM体声波几乎全部泄露到支撑衬底1中。由此可以说明，顶电极4无论是面电极还是叉指电极，只要其的压电层3为单层结构，会存在声波向衬底泄漏或产生寄生模式的问题。

进一步的，基于图1所示的结构构建结构一和结构二，其的目标模式均为SH1模式，目标模式对应的压电系数为e34。其中，结构一和结构二中的第一压电区301均为欧拉角为(0°，99°，0°)的铌酸锂，压电系数均为e34为-3.89C/m

请参阅图10，其所示为本申请实施例提供的一种对比例3的结构示意图。与结构二对应的结构相比，对比例3不具有支撑衬底1。通过对比例3和结构二进行仿真测试，可以得到如图11所示的仿真结果，可以看出，由于TEM体声波模式对应的压电系数为e33，第一压电区301的e33为1.28C/m

请继续参阅图1，具体的，其的支撑衬底1材料为4H-SiC，底电极2为20nm铝，压电层3的材料为铌酸锂，厚度为80nm，顶电极4为20nm铝。目标模式为LL-SAW，对应的压电系数为e31和e33。第一压电区301和第二压电区302的欧拉角分别为(0°，54°，0°)、(180°，234°，0°)，e31分别为-1.94C/m2和1.94C/m

请参阅图15，其所示为本申请实施例提供的第三种声波谐振器的截面图。与图1所示结构相比，图15所示结构的支撑衬底1与底电极2之间设有中间层5，具体的，支撑衬底1的材料为金刚石，中间层5具体可以是一种介质层，且为40nm氧化硅，底电极2为20nm铝，压电层3的材料为铌酸锂，厚度为180nm，顶电极4为20nm铝，压电层3的周期P为1μm，第一压电区301和第二压电区302的宽度为500nm。第一压电区301和第二压电区302的欧拉角以及目标模式与结构二相同。通过图16可以看出，当采用高声速的金刚石衬底时，目标模式谐振频率在压电层3的周期P为1μm就能达到10GHz以上。

在一些可选的实施例中，请参阅图17，压电层3包括沿第二方向依次排列设置的多个子压电层303，每个子压电层303包括沿第一方向交替排列的多个第一压电区301和多个第二压电区302；目标模式在多个子压电层303中沿第二方向的相邻压电区分别对应的压电系数为相反数；第二方向为支撑衬底1的高度方向。可选的，沿第二方向上相邻的压电区的欧拉角可以不相等，具体的，支撑衬底1的材料为金刚石，底电极2为20nm钨，压电层3的材料为铌酸锂，子压电层303的厚度为85nm，顶电极4为20nm铝，压电层3的周期P为0.5μm，第一压电区301和第二压电区302的宽度为250nm。第一压电区301和第二压电区302的欧拉角与结构二相同，目标模式为SH2模式(即二阶水平剪切模式)，对应的压电系数为e34。从图18可以看出，此时目标模式的谐振频率达到20GHz左右，压电层3的总厚度是170nm，与图16对应结构相当。因此，通过在第三方向上增加压电层3的子压电层303的层数，可以在相同的总厚度下提高谐振器的谐振频率。进一步通过图19可以看出，图17所示的结构可以通过选择合适的不同子压电层303的欧拉角，可以在相同总厚度下激发更高阶的声波模式，提高谐振频率。

在另一些可选的实施例中，请参阅图20，相比于图15，还包括高声速层。可选的，请参阅图21，压电层3包括沿第二方向交错排列的多个第一子压电层304和多个第二子压电层305；第一子压电层304中的第一压电区301的欧拉角与第二子压电层305中的第一压电区301的欧拉角不相等，第一子压电层304中的第二压电区302的欧拉角与第二子压电层305中的第二压电区302的欧拉角不相等，即第一子压电层304包括两种不同欧拉角的压电区，第二子压电层305包括两种不同欧拉角的压电区。可选的，还可以是第一子压电层304中的第一压电区301的欧拉角与第二子压电层305中的第二压电区302的欧拉角相等，第一子压电层304中的第二压电区302的欧拉角与第二子压电层305中的第一压电区301的欧拉角相等，同一子压电层的第一压电区301与第二压电区302的欧拉角不相等。可选的，还可以是四个压电区的欧拉角均不相等。

在另一些可选的实施例中，多个子压电层303之间设有中间层5，中间层5可以是金属层、介质层和键合层中的一种或者多种。如可以是如图22所示的在子压电层303之间设置金属层，可以是如如图23所示的在子压电层303之间设置介质层。

在另一些可选的实施例中，底电极2为面电极、悬浮电极和异形电极中的一种；顶电极4为面电极、叉指电极、悬浮电极和异形电极中的一种。可选的，在顶电极4和底电极2至少覆盖一组相邻的第一压电区301和第二压电区302。可选的，请参阅图24，可以是顶电极4和底电极2均为面电极，且重叠区域为矩形。可选的，请参阅图25，可以是底电极2为悬浮电极，顶电极4由两个电极组成，每个电极覆盖多个周期的压电层3，一个周期的压电层3可以是指包括一组相邻的第一压电区301和第二压电区302。可选的，请参阅图26，可以是底电极2为悬浮电极，顶电极4由叉指电极组成，叉指电极中的每个电极指覆盖多个周期的压电层3。此外，还可以是所述上电极和下电极均由至少两个电极组成，且每个电极至少覆盖一个周期的压电薄膜。可选的，请参阅图27，顶电极4与底电极2还可以是异形结构，使得其与压电层3的重叠区域为多边形。

在另一些可选的实施例中，请参阅图28，压电层3包括沿第三方向(即y方向)依次排列设置的多个子压电层303，每个子压电层303包括沿第一方向交替排列的多个第一压电区301和多个第二压电区302；第三方向为支撑衬底1的宽度方向；目标模式在多个子压电层303中沿第三方向的相邻压电区分别对应的压电系数相同。可选的，沿第三方向的多个子压电层303的欧拉角可以是相同的，也可以是不同的，如可以是压电层3包括沿第三方向交错排列的多个第一子压电层304和多个第二子压电层305，第一子压电层304和第二子压电层305均包括第一方向交替排列的多个第一压电区301和多个第二压电区302，第一子压电层304与第二子压电层305中的第一压电区301的欧拉角可以不相同，或者，第一子压电层304与第二子压电层305中的第二压电区302的欧拉角可以不相同，或者，第一子压电层304与第二子压电层305中的第一压电区301和第二压电区302的欧拉角均不相等。可选的，沿第三方向交错排列的子压电层303的种类可以不限于图28所示的两种(即第一子压电层304与第二子压电层305)，也可以包括3种、4种等。

本公开实施例中，当声波谐振器存在至少一个寄生模式时，至少一个寄生模式满足以下中至少一个条件，在第一压电区301中对应的压电系数与在第二压电区302中对应的压电系数相同；在第一方向和第二方向上均存在多个压电区时，第二方向上相邻压电区中的符号相同；在第一方向和第三方向上均存在多个压电区时，第一方向和第三方向上相邻压压电区中的符号均相同或均相反。

本申请实施例提供的一种声波谐振器，通过周期排列的压电层3，在传播方向上，选择合适的相邻压电区的欧拉角，使得目标模式在相邻压电区中的压电系数符号相反，此时目标模式在水平方向上的波长由压电薄膜的周期决定，而不是叉指电极的周期。具体可以通过在第一方向上，通过选择合适的相邻压电区的欧拉角，使得寄生模式在相邻压电区中的压电系数符号相同。等效地增加了寄生模式在水平方向上的波长，使得寄生模式具有极小的谐振频率，或者由于厚度与波长之比非常小从而向支撑衬底1泄露。若进一步在第二方向上采用多层压电区的形式，使得目标模式在厚度方向上相邻压电区中的压电系数符号相反，还可以在相同的总压电薄膜厚度下提高目标模式的频率。此外，通过缩小压电薄膜的周期P可以提高支撑衬底1的截止频率以及目标模式的工作频率。与此同时，电极的线宽并未缩小，确保了较低的欧姆损耗以及较高的功率容量。

本申请于另一方面公开了一种滤波器，其包括上述的声波谐振器。

本申请于另一方面公开了一种通信器件，其包括上述的声波谐振器；通信器件包括滤波器、双工器以及多工器中的至少一种。

以上所述仅为本申请可选实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。