CN112737543A - 一种基于poi结构的高性能声表面波谐振器及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于POI结构的高性能声表面波谐振器及制造方法。该声表面波谐振器，包括：由高声速材料的衬底层和形成在所述衬底层上的低声速材料层构成的至少一层布拉格反射层，所述衬底层厚度5λ，所述低声速材料为欧拉角(90°,90°,0°)厚度为0.1λ的LGS；形成在所述低声速材料层之上的单晶36°YX LiTaO₃的厚度为0.5λ的压电层；以及设在所述压电层上的电极，电极占空比为0.5－0.6，其中，λ是所述电极激发的声波波长。本发明的声表面波谐振器高频低插损高FOM值且无杂散，TCF值接近零。

Description

一种基于POI结构的高性能声表面波谐振器及制造方法

技术领域

本发明涉及声波谐振器/滤波器，尤其涉及手机射频前端中的一种基于POI结构的高性能声表面波谐振器及制造方法。

背景技术

随着无线通讯应用的发展，人们对于数据传输速度的要求也越来越高。相对应的是频谱资源的高利用率以及通讯协议的复杂化。为了在有限的带宽内支持足够的数据传输率，对于射频系统的各种性能提出了严格的要求。

在射频前端模块中，滤波器起着至关重要的作用。滤波器领域目前有三大主流类型，分别是声表面波(SAW)、体声波(BAW)、以及薄膜体声波(FBAR)滤波器。而其中，SAW是低频和中频段的主流，在1.5GHz以下使用非常合适，频率上限为2.5～3GHz。

SAW滤波器主要是利用压电效应，当对晶体施以电压时，晶体将发生机械形变，将电能转换为机械能。其技术从Normal-SAW、TC-SAW，更进一步演进到IHP-SAW，以及未来的XBAR技术。

现有的IHP-SAW技术采用类似于SAW器件+SMR-BAW器件的多层反射栅结构的混合技术。这种混合结构技术，既赋予其SAW器件单面加工工艺简单的特性，又赋予其SMR-BAW器件的低能量泄露的特性。

IHP-SAW滤波器以其优异的温度补偿性能、较低的插入损耗，可比拟甚至超越部分BAW、FBAR滤波器，而成为现阶段SAW滤波器产业的一大发展趋势。

现有IHP-SAW滤波器具有以下三大优点：

1、高Q值，IHP-SAW滤波器，采用SMR-BAW的多层反射栅结构可使更多的声表面波能量聚焦在衬底层表面，从而降低声波在传播过程中的损耗，提高器件的Q值。高Q特性(其Qmax～3000，传统SAW Qmax～1000)使其具有高的带外抑制、陡峭的通带边缘滚降、以及高的隔离度。

2、低频率温度系数TCF(Temperature Coefficient of Frequency)，IHP-SAW的TCF可以达到≤-20ppm/℃，进一步优化设计可以达到0ppm/℃，铌酸锂作为压电层的TC-SAW的TCF为-20至-25ppm/℃。

3、良好的散热性。

IHP-SAW滤波器的SMR-BAW多层反射栅结构采用高声阻抗和低声阻抗交替堆叠的方式实现。其低声阻抗材料多采用TCF为正温度系数的材料，如二氧化硅；高声阻抗层常用低温度系数的材料，如SiN、W等。

然而，现有IHP-SAW滤波器存在如下的问题：

一、IHP-SAW工作频率为3.5GHz左右，远达不到5G通信高频要求(一般需要大于5G)；

二、IHP-SAW的品质因数Q最高为3000左右，不满足5G通信低插损的要求；

三、IHP-SAW的TCF可以达到≤-20ppm/℃，频率温度系数依然较大，不满足5G通信低频率温度系数(≤-10ppm/℃)的要求。

因此，需要提高声表面波谐振器的工作频率和综合性能。

发明内容

提供本发明内容以便以简化形式介绍将在以下详细描述中进一步描述的一些概念。本发明内容并不旨在标识出所要求保护的主题的关键特征或必要特征；也不旨在用于确定或限制所要求保护的主题的范围。

本发明利用异质集成技术，将LiTaO₃单晶压电层与碳化硅单晶基片的高声速高导热衬底层结合，插入其间的单晶LGS(硅酸镓镧)作为温度补偿层及低声速层，与碳化硅衬底层形成POI结构及布拉格反射层，进一步提高射频声表面波滤波器的工作频率和综合性能。

本发明的一种声表面波谐振器，包括：

由高声速材料的衬底层和形成在衬底层上的低声速材料层构成的至少一层厚度5λ的布拉格反射层，衬底层的高声速材料选自AlN、Al₂O₃、SiC、金刚石、W中的至少一种，衬底层的声速是低声速材料层的声速的三倍以上，低声速材料LGS的欧拉角为(90°,90°,0°)，厚度为0.1λ；

形成在低声速材料层之上的单晶36°YX LiTaO₃厚度为0.5λ的压电层；以及

设在压电层上的占空比为0.5－0.6的电极，电极是Ti、Mo、Al的层叠体。

其中，λ是电极激发的声波波长。

本发明的一种声表面波谐振器进一步可以包括多层布拉格反射层，布拉格反射层的层数n最多可以为10，n层衬底层和n层低声速材料层交替层叠通过将低声速LGS材料用PECVD、CVD、PVD、MOCVD、MBE之一的方式镀在衬底层上形成，压电层形成在最上层布拉格反射层的低声速材料层之上。

本发明的一种声表面波谐振器中的电极可以完全埋入压电层，也可以不埋入压电层。电极厚度为180nm，电极沿孔径长度10λ，电极指对数为1000对。

本发明的一种用于制造声表面波谐振器的方法，包括：

提供厚度5λ的高声速材料的衬底层，高声速材料选自AlN、Al₂O₃、SiC、金刚石、W中的至少一种；

在衬底层上通过采用PECVD、CVD、PVD、MOCVD、MBE之一的方式镀厚度为0.1λ欧拉角(90°,90°,0°)的低声速材料LGS，形成低声速LGS材料层，衬底层的声速是低声速材料层的声速的三倍以上；

在低声速LGS材料层之上形成单晶36°YX LiTaO₃的厚度为0.5λ的高声速材料的压电层；

在压电层上的形成IDT电极，IDT电极由Ti、Mo、Al依次层叠构成，电极可以完全埋入压电层，也可以不埋入压电层，电极厚度为180nm，电极沿孔径长度10λ，电极指对数为1000对。其中，λ是IDT电极激发的声波波长。

通过阅读下面的详细描述并参考相关联的附图，这些及其他特点和优点将变得显而易见。应该理解，前面的概括说明和下面的详细描述只是说明性的，不会对所要求保护的各方面形成限制。

附图说明

以下将通过参考附图中示出的具体实施例来对本发明进行更具体描述。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。部分附图仅为示意，其尺寸比例不构成对实际尺寸比例的限制。

图1是根据本发明的谐振器的示意图；

图2是根据本发明的布拉格反射层的示意图；

图3是根据本发明的布拉格反射层为n层的谐振器的结构示意图；

图4是根据本发明的谐振器的标注了参数的结构模型图；

图5是LGS的常温下TCF值随欧拉角变化示意图；

图6是LGS的常温下K_t ²随欧拉角变化示意图；

图7是1层布拉格反射层的谐振器导纳图；

图8是2层布拉格反射层的谐振器导纳图；

图9是3层布拉格反射层的谐振器导纳图；

图10是本发明的基于POI结构的高性能声表面波谐振器的制造过程流程图。

具体实施方式

以下将通过参考附图中示出的具体实施例来对本发明进行更具体描述。通过阅读下文具体实施方式的详细描述，本发明的各种优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的各实施方式所限制。提供以下实施方式是为了能够更透彻地理解本发明。除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域技术人员所理解的通常意义。“正面、背面、上、下”等措辞仅用于表达相对位置而无其它限制之含意。

图1是根据本发明的具有一层布拉格反射层的谐振器的示意图，图2是一层布拉格反射层的示意图，图4是具有一层布拉格反射层的谐振器相应的标注了参数的结构模型图。首先结合图1、2和图4一起对其进行阐释。

本发明的谐振器包括高声速材料的衬底层101、低声速LGS层102、压电层103和电极104。

衬底层101使用的材料为高声速材料，具有高声阻抗，可以选自AlN、Al₂O₃、SiC、金刚石、W。衬底层厚度为5λ(λ是电极指激发的声波波长，λ＝1μm)。

在高声速衬底层101之上是低声速LGS层102。LGS的欧拉角取(90°，90°，0°)，采用PECVD、CVD、PVD、MOCVD、MBE等方式在高声速材料的衬底层101上镀一层单晶LGS(硅酸镓镧)来作为温度补偿层及低声速层，其声速为2450m/s，具有弱压电特性。LGS层102的厚度为0.1λ。高声速材料的衬底层的声速是低声速LGS层声速的3倍以上

如图2所示，低声速LGS层102与高声速衬底层101共同形成布拉格反射层，防止声波从衬底方向泄露，可以提高器件Q值。

压电层103的材料为单晶36°YX LiTaO₃，厚度0.5λ。

压电层103上设有叉指换能器(IDT)电极104，IDT电极由Ti、Mo、Al层叠构成，底层为Ti，顶层为Al，中间层为Mo。机电耦合系数k²＝(π²/8)(fp²-fs²)/fs²，其中fs为谐振频率，fp为反谐振频率。电极的占空比，可以是选自0.5－0.6。图4中示出的电极宽度和电极之间的间距相同，均为0.25λ，电极优选完全埋入压电层。电极也可以不埋入压电层(图中未示出)，电极厚度为180nm，电极沿孔径长度len＝10λ，电极指对数为1000对。

图1和图4仅示出了一层高声速材料的衬底层和一层低声速LGS层。然而，这可以是多层的。图3是多层(n层)布拉格反射层的谐振器的结构示意图，n可以为2－10层，由高声速材料的衬底层和低声速LGS层交替叠加，本领域技术人员可以根据设计需要选择相应层数。

图5是LGS的常温下TCF值随欧拉角变化示意图。

在常温下(T＝25℃)，LGS的TCF值随X切方向欧拉角(90°,90°,Φ)变化示意图，从图可知，LGS的TCF值随着晶体切向不同而不一样，随着Φ增大，LGS的TCF值在68ppm/℃至-15ppm/℃之间变化，当Φ＝40时，TCF＝68ppm/℃，为正频率温度系数最大值；当Φ＝140时，TCF＝-15ppm/℃，TCF值不会随着Φ值线性变化。本发明取Φ＝0，TCF＝45ppm/℃。

图6是LGS的常温下K_t ²随欧拉角变化示意图。

LGS的k_t ²随Y切方向欧拉角(90°,90°,Φ)变化示意图，从图可知，LGS的k_t ²随着晶体切向不同而不一样，随着Φ增大，LGS的k_t ²在0.01％至0.39％之间变化，当Φ＝80-100时，k_t ²＝0.01％，为k_t ²最小值，此时LGS压电性最小；当Φ＝180时，k_t ²＝0.39％，为k_t ²最大值，此时LGS压电性最大。本发明取LGS欧拉角(90°,90°,0)，此时LGS压电性最小，引入的杂散也最小。

图7是布拉格发射层层数为1时的谐振器的导纳图。

从图中可知，fs＝4.616GHz,fp＝4.848GHz,f₀＝4.732GHz，k²＝12.7％，相对带宽为5％，Q＝5401,具有高Q值，且无杂散。FOM＝k²*Q,FOM为谐振器综合指标，一般SAW和TC-SAW的FOM值小于100，IHP SAW和FBAR的FOM值均小于200，FOM值大于200的谐振器是非常少见的，本发明的该实施例中FOM＝686，频率温度系数TCF(TCD)＝2.89ppm/℃。

图8是2层布拉格反射层的谐振器导纳图。

从图中可知，fs＝4.611GHz,fp＝4.836GHz,f₀＝4.7235GHz，k²＝12.32％，相对带宽为4.9％，Q＝5282,具有高Q值，且无杂散，本发明的该实施例FOM＝651,频率温度系数TCF(TCD)＝2.89ppm/℃。

图9是3层布拉格反射层的谐振器导纳图。

从图中可知，fs＝4.613GHz,fp＝4.843GHz,f₀＝4.728GHz，k²＝12.6％，相对带宽为5％，Q＝5427,具有高Q值，且无杂散，本发明的该实施例FOM＝684,频率温度系数TCF(TCD)＝2.89ppm/℃。

图10是本发明的基于POI结构的高性能声表面波谐振器的制造过程流程图，包括以下步骤：

在步骤1001，提供高声速材料衬底层。

具有高声阻抗的高声速材料，可以为AlN、Al₂O₃、SiC、金刚石、W之一，衬底层厚度为5λ(λ是电极指激发的声波波长，λ＝1μm)。

在步骤1002，采用PECVD、CVD、MOCVD、MBE等方式在高声速材料衬底层上镀LGS低声速材料层。

LGS低声速材料层的欧拉角为(90°,90°,0°)；LGS层的厚度为0.1λ。

前述步骤中形成的一层高声速材料衬底层和一层LGS低声速材料层共同构成一层布拉格反射层，高声速衬材料底层的声速是LGS低声速材料层的声速的3倍以上。本领域技术人员可以根据设计需要选择多层布拉格反射层(优选可以为2－10层)。当层数n为两层以上时，可在结束步骤1002后返回步骤1001，以形成又一层布拉格反射层。该过程循环进行，直到形成n层布拉格反射层。

在步骤1003，在最上层的LGS低声速材料层之上形成具有单晶36°YX LiTaO₃高声速材料压电层，压电层厚度为0.5λ。

在步骤1004，在压电层上的形成IDT电极。IDT电极由Ti、Mo、Al层叠构成。电极占空比为0.5－0.6，电极可以完全埋入压电层，电极也可以不埋入压电层，电极厚度为180nm，电极沿孔径长度len＝10λ，电极指对数为1000对。

本发明利用异质集成技术，将LiTaO₃单晶压电薄膜与高声速、高导热衬底结合，采用碳化硅单晶基片作为衬底，其具有高声速，采用特殊切向单晶LGS(硅酸镓镧)作为温度补偿层及低声速层，与碳化硅形成POI结构及布拉格反射层，调节电极厚度、宽度、占空比、孔径长度，利用LGS的压电特性随切向变化特性，可以获得高频低插损高FOM值且无杂散的声表面波谐振器

利用LGS的频率温度系数随切向变化特性，调节LiNbO₃压电层和LGS层厚度，可以使得本谐振器TCF值接近零。

以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本申请的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种声表面波谐振器，包括：

由高声速材料的衬底层和形成在所述衬底层上的低声速材料层构成的至少一层布拉格反射层，所述衬底层厚度5λ，所述低声速材料为欧拉角(90°,90°,0°)厚度为0.1λ的LGS，所述衬底层的声速是所述低声速材料层的声速的三倍以上；

形成在所述低声速材料层之上的单晶36°YX LiTaO₃的厚度为0.5λ的压电层；以及

设在所述压电层上的电极，电极占空比为0.5－0.6，

其中，λ是所述电极激发的声波波长。

2.如权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于，所述布拉格反射层的层数n为1－10，为n层衬底层和n层低声速材料层交替层叠而成，所述压电层形成在最上层布拉格反射层的低声速材料层之上。

3.如权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于，所述衬底层的高声速材料选自AlN、Al₂O₃、SiC、金刚石、W中的至少一种，所述低声速材料层通过采用PECVD、CVD、PVD、MOCVD、MBE之一的方式镀在所述衬底层上。

4.如权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于，所述电极为IDT电极，是Ti、Mo、Al的层叠体，其中底层为Ti、中间层为Mo、顶层为Al。

5.如权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于，所述电极完全埋入压电层。

6.如权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于，所述电极不埋入压电层。

7.如权利要求4所述的声表面波谐振器，其特征在于，所述电极厚度为180nm，电极沿孔径长度10λ，电极指对数为1000对。

8.一种用于制造声表面波谐振器的方法，包括：

提供厚度5λ的高声速材料的衬底层；

在所述衬底层上镀厚度为0.1λ欧拉角(90°,90°,0°)的低声速材料LGS，形成低声速材料层；

在所述低声速材料层之上形成单晶36°YX LiTaO₃的厚度为0.5λ的高声速材料的压电层；以及

在所述压电层上的形成IDT电极，

其中，λ是所述IDT电极激发的声波波长。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述衬底层上镀LGS是采用PECVD、CVD、MOCVD、MBE之一的方式实现的，提供衬底层并镀LGS的步骤重复进行多次，以形成n层衬底层和n层交替叠加，n不超过10。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述IDT电极由Ti、Mo、Al依次层叠构成，其中底层为Ti、中间层为Mo、顶层为Al。

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