技术领域
[0001] 本
发明涉及
半导体领域，尤其涉及一种
体声波谐振器、一种滤波器，以及一种具有该谐振器或该滤波器的电子设备。
背景技术
[0002] 电子器件作为电子设备的基本元素，已经被广泛应用，其应用范围包括
移动电话、
汽车、家电设备等。此外，未来即将改变世界的
人工智能、
物联网、5G通讯等技术仍然需要依靠电子器件作为
基础。
[0003]
薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，简称FBAR，又称为体声波谐振器，也称BAW)作为压电器件的重要成员正在通信领域发挥着重要作用，特别是FBAR滤波器在射频滤波器领域市场占有份额越来越大，FBAR具有尺寸小、谐振
频率高、品质因数高、功率容量大、滚降效应好等优良特性，其滤波器正在逐步取代传统的声表面波(SAW)滤波器和陶瓷滤波器，在无线通信射频领域发挥巨大作用，其高灵敏度的优势也能应用到
生物、物理、医学等传感领域。
[0004] 目前无线电子产品对能耗要求越来越高，而无线收发在
能量消耗中占据很大的比例。设备厂商对滤波器产品的插损不断提出更高的要求。为了实现滤波器更低的插损，需要进一步提升谐振器Q值。
发明内容
[0005] 为提高体声波谐振器Q值，提出本发明。
[0006] 根据本发明的
实施例的一个方面，提出了一种体声波谐振器，包括：
[0007] 基底；
[0008] 底电极；
[0009] 顶电极；
[0010] 压电层，设置在底电极与顶电极之间，
[0011] 其中：
[0012] 所述底电极包括下底电极与上底电极，下底电极远离压电层且呈下凹形状，上底电极朝向压电层凸出而呈上凸形状，下底电极与上底电极之间形成空隙层，所述空隙层形成所述谐振器的声学镜，下底电极与上底电极在底电极的引脚端与非引脚端均彼此电连接。
[0013] 本发明的实施例还涉及一种滤波器，包括上述的体声波谐振器。
[0014] 本发明的实施例也涉及一种电子设备，包括上述的滤波器或者上述的谐振器。
附图说明
[0015] 以下描述与附图可以更好地帮助理解本发明所公布的各种实施例中的这些和其他特点、优点，图中相同的附图标记始终表示相同的部件，其中：
[0016] 图1为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的剖面示意图；
[0017] 图2为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的剖面示意图，其在图1的结构的基础上，在顶电极设置了悬翼结构与桥结构；
[0018] 图3为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的剖面示意图，其在图2的结构的基础上，在顶电极设置了凸起和/或凹陷结构；
[0019] 图4为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的剖面示意图，其中，上底电极与压电层之间设置了间隙层；
[0020] 图5为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的剖面示意图，其中，压电层中设置了间隙层；
[0021] 图6为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的剖面示意图，其中，上底电极与压电层之间设置有间隙层，且顶电极设置有悬翼结构和桥结构；
[0022] 图7为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的剖面示意图，其中，下底电极包括第一下底电极和第二下底电极，两者同时下凹且彼此贴合；
[0023] 图8为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的剖面示意图，其中，下底电极包括第一下底电极和第二下底电极，两者同时下凹且彼此之间存在空隙；
[0024] 图9为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的剖面示意图，其中，下底电极包括第一下底电极和第二下底电极，第一下底电极下凹且第二下底电极为平层设置。
具体实施方式
[0025] 下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在
说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。
[0026] 图1为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的剖面示意图，图1中，各附图标记如下：
[0027] 101：基底，可选材料为单晶
硅、砷化镓、蓝
宝石、
石英等。
[0028] 102：下声学镜(分界以图中虚线表示)或下声学空腔，在本实施例中为截面为梯形空腔形式，所述空腔下底面与界面(虚线表示，在本实施例中，对应于底电极的上底电极与下底电极之间的界面)之间的距离为h2,空腔的倾斜
侧壁与所述界面夹
角为θ2，范围15-75度。
[0029] 103：底电极(电极引脚)，材料可选钼、钌、金、
铝、镁、钨、
铜，
钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其
合金等。
[0030] 104：压电薄膜层或压电层，可选氮化铝，
氧化锌，PZT等材料并包含上述材料的一定
原子比的稀土元素掺杂材料。
[0031] 105：顶电极(电极引脚)，材料可选钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金等。
[0032] 106：顶电极表面的
钝化层，材料可为氮化铝，
二氧化硅，氮化硅，
碳化硅，或金属氧化物或氮化物等。
[0033] 107：上声学镜(分界以图中虚线表示)或上梯形空腔，在本实施例中为截面为梯形空腔形式，所述空腔上顶面与该界面(虚线表示，在本实施例中，对应于底电极的上底电极与下底电极之间的界面)之间的距离为h1,空腔倾斜侧壁与该界面的夹角为θ1，范围15-75度。
[0034] 108：高晶向
种子层，材料可选AlN等。
[0035] 110A，上底电极(电极引脚)，材料可选钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金等。
[0036] 110B，下底电极(电极引脚)，材料可选钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金等。
[0038] 在图1所示的实施例中，下底电极110B为远离压电层104且呈下凹形状，上底电极110A朝向压电层104凸出而呈上凸形状，下底电极110B与上底电极之间110A形成空隙层(图
1中由梯形空腔107和梯形空腔102构成)，所述空隙层形成所述谐振器的声学镜。如图1所示，下底电极110B与上底电极110A在底电极的引脚端与非引脚端均彼此电连接。
[0039] 在本发明的一个实施例中，种子层108以及111也可以不设置。
[0040] 基于上底电极与下底
电极形成上凸下凹的间隙电极的形状，而且两者在引脚端与非引脚端均彼此电连接，可以提高谐振器的Q值。
[0041] 当谐振器工作时，交变
电场通过电极施加在压电层104上，由于声
电能量耦合并相互转化，电极中会有
电流通过，由于本实施例的底电极具有双层电极并联结构，因此可以有效减小谐振器的电学损耗。在交变电场的激励下，压电层产生声波，当声波向下方传导至位于底电极中的空隙层和上底电极110A的界面时声波能量会被反射回压电层104(因为空气和电极的声阻抗不匹配程度极大)，并不会进入下底电极110B。本发明中含有空隙层的电极结构一方面可显著降低谐振器的电学损耗(表现为提升
串联谐振频率处及其附近Q值的提高)；另一方面，空气间隙对下底电极110B起到了声学隔离作用，从而可以基本避免下底电极110B对谐振器性能造成的负面影响。
[0042] 因为空隙层为上凸下凸的“饱满型”空隙，空隙高度可以容易的高于谐振器的典型振幅(约10nm)，这有利于谐振器在大功率工作时下底电极110B与
谐振腔(此实施例为顶电极105、压电层104、上底电极110A组成的复合结构)的声学能量解耦。
[0043] 在本发明的一个实施例中，h1与h2之和大于1um，进一步的大于1.8um。
[0044] 此外，在上述结构中，上梯形空腔107的下底边界位于下梯形空腔102的上底边界之外或外侧；顶电极105的非引脚端位于上梯形空腔107的上底边界以内或内侧，且所述非引脚端面与所述上底边界距离为d1。换言之，由顶电极确定的谐振器的有效区域的边界(在图1中例如为顶电极的非引脚端的边缘)在谐振器的横向方向上与上倾斜面间隔开或者在谐振器的横向方向上位于上倾斜面的内侧。这里的倾斜侧壁对应于空隙层在上凸形状的边缘的上倾斜面，更具体的，对应于上梯形空腔107的上下底之间的腰部。
[0045] 此外，上梯形空腔107的倾斜侧壁或上倾斜面(图2中的左腰部)可以与悬翼结构产生耦合谐振，从而能够相互作用以增强谐振器的性能。图1具有倾斜侧壁或上倾斜面的上梯形空腔107的左侧实际上为谐振器增加了一段斜向
悬臂梁，增加了斜向悬臂梁与横向悬臂梁(对应于上梯形空腔的上底的d1区间部分)之间的反射界面，使得声波在所述反射界面产生反射和折射，并最终使得横向悬臂梁部分与斜向悬臂梁部分在特定尺寸处产生谐振，使得从有效区域泄露到悬臂梁部分的非对称弯曲模态(flexural mode)的能量能够有效反射回谐振器主模态中。
[0046] 如图1所示，上空隙部分(即上梯形空腔107)的在所述第一界面处的边界A1(图1中的左侧和右侧)在下空隙部分(即下梯形空腔102)在所述第一界面处的边界B1的外侧。明显的，在图1所示的具体示例中，上空隙部分与下空隙部分在通过底电极的引脚端的纵截面中分别为上空隙梯形和下空隙梯形，所述第一界面构成两个梯形的底边。
[0047] 在本发明的一个实施例中，可以选择d1的值，以获得更大的谐振器Q值。
[0048] 图2为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的剖面示意图。如图2所示，其在图1的结构的基础上，在顶电极105设置了悬翼结构与桥结构。如图2所示，桥结构位于压电层
水平表面的起点位于上梯形空腔107上底边界以内，且所述起点距离所述边界的距离为d2。
[0049] 上梯形空腔107的倾斜侧壁(图2中的右侧)可以与桥结构限定的空隙109产生耦合谐振，从而能够相互作用以增强谐振器的性能。图2具有倾斜侧壁或上倾斜面的上梯形空腔107的右侧实际上为谐振器增加了一段斜向悬臂梁，增加了斜向悬臂梁与横向悬臂梁(对应于上梯形空腔的上底的d2区间部分)之间的反射界面，使得声波在所述反射界面产生反射和折射，并最终使得横向悬臂梁部分与斜向悬臂梁部分在特定尺寸处产生谐振，使得从有效区域泄露到悬臂梁部分的非对称弯曲模态(flexural mode)的能量能够有效反射回谐振器主模态中。
[0050] 图3为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的剖面示意图，其在图2的结构的基础上，在顶电极设置了凸起结构112和凹陷结构113。需要指出的是，凸起结构和凹陷结构也可以设置在图1所示的结构中。
[0051] 图4为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的剖面示意图，其中，上底电极110A与压电层104之间设置了间隙层109。借助所述间隙层109，使位于其上部的压电层和顶电极层形成悬翼及桥结构。在进一步的实施例中，可选的，非引脚端的顶电极端面在间隙层109的起点的外侧。
[0052] 在本发明中，起点表示间隙或空隙最靠近谐振器中心的点。
[0053] 图5为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的剖面示意图，其中，压电层中设置了间隙层。在图5中，压电层包括第一压电层104A和第二压电层104B。借助间隙层109，使位于其上部的压电层和顶电极层形成悬翼及桥结构。
[0054] 图6为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的剖面示意图，其中，上底电极110A与压电层104之间设置有间隙层109B，且顶电极设置有悬翼结构和桥结构，桥结构与悬翼结构形成空隙109A。借助所述间隙层109B，使位于其上部的压电层形成悬翼及桥结构。在进一步的实施例中，可选的，空隙109A的起点与间隙层109B的起点在横向方向上间隔开。
[0055] 图7为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的剖面示意图，其中，下底电极包括第一下底电极110B和第二下底电极110C，两者同时下凹且彼此贴合，这有助于进一步减小下底电极的
电阻。如图7所示，第二底电极110C的引脚端与非引脚端均延伸过基底凹部而位于基底凹部的外侧。
[0056] 图8为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的剖面示意图，其中，第一下底电极110B和第二下底电极110C两者同时下凹且彼此之间存在空隙。如图8所示，第二底电极110C的引脚端与非引脚端均延伸过基底凹部而位于基底凹部的外侧。
[0057] 图9为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的剖面示意图，其中，第一下底电极110B下凹且第二下底电极110C为平层设置。这可以最大幅度减小第二下底电极110C的长度，从而减小其电阻。
[0058] 如图7-9中所示，顶电极设置有悬翼结构和桥结构，桥结构与悬翼结构限定了空隙109。
[0059] 此外，如图7-9所示，所述空隙层在上凸形状在横向方向上的边缘均具有上倾斜面，上凸形状在上倾斜面之间为上底电极的顶面；间隙层设置在所述压电层的顶面与所述上底电极之间，所述间隙层为不导
电介质层，所述间隙层包括彼此相接的斜向段与横向段，在谐振器的厚度方向的投影中，所述斜向段与所述上倾斜面的至少一部分重叠且所述横向段与上底电极的顶面的至少一部分重叠。
[0060] 在本发明中，内侧表示在谐振器的横向方向上靠近谐振器的中心的一侧，而外侧表示在谐振器的横向方向上远离谐振器的中心的一侧；朝向内侧或向内的方向即朝向谐振器的中心的方向上，朝向外侧或向外的方向即远离谐振器的中心的方向。
[0061] 如本领域技术人员能够理解的，根据本发明的体声波谐振器可以用于形成滤波器。
[0062] 基于以上，本发明提出了如下技术方案：
[0063] 1、一种体声波谐振器，包括：
[0064] 基底；
[0065] 底电极；
[0066] 顶电极；
[0067] 压电层，设置在底电极与顶电极之间，
[0068] 其中：
[0069] 所述底电极包括下底电极与上底电极，下底电极远离压电层且呈下凹形状，上底电极朝向压电层凸出而呈上凸形状，下底电极与上底电极之间形成空隙层，所述空隙层形成所述谐振器的声学镜，下底电极与上底电极在底电极的引脚端与非引脚端均彼此电连接。
[0070] 2、根据1所述的谐振器，其中：
[0071] 所述空隙层在上凸形状的边缘具有上倾斜面；且
[0072] 由顶电极确定的谐振器的有效区域的边界在谐振器的横向方向上与上倾斜面间隔开或者在谐振器的横向方向上位于上倾斜面的内侧。
[0073] 3、根据2所述的谐振器，其中：
[0074] 下底电极与上底电极在底电极的引脚端与非引脚端均在第一界面处彼此电连接，所述第一界面将所述空隙层分为上空隙部分与下空隙部分。
[0075] 4、根据3所述的谐振器，其中：
[0076] 上空隙部分的在所述第一界面处的边界在下空隙部分在所述第一界面处的边界的外侧。
[0077] 5、根据4所述的谐振器，其中：
[0078] 所述上空隙部分与下空隙部分在通过底电极的引脚端的纵截面中分别为上空隙梯形和下空隙梯形，所述第一边界构成两个梯形的底边，上空隙梯形的腰部对应所述上倾斜面。
[0079] 6、根据5所述的谐振器，其中：
[0080] 在底电极的引脚端，上空隙梯形的底角在15°-75°的范围内；和/或
[0081] 在底电极的引脚端，下空隙梯形的底角在15°-75°的范围内。
[0082] 7、根据5或6所述的谐振器，其中：
[0083] 上空隙梯形与下空隙梯形的高度之和大于1μm。
[0084] 8、根据7所述的谐振器，其中：
[0085] 上空隙梯形与下空隙梯形的高度之和大于1.8μm。
[0086] 9、根据2-8中任一项所述的谐振器，其中：
[0087] 顶电极的非引脚端在谐振器的横向方向上位于对应上倾斜面的内侧，且顶电极的非引脚端与对应上倾斜面在横向方向上存在距离。
[0088] 10、根据9所述的谐振器，其中：
[0089] 所述顶电极的非引脚端设置有悬翼结构，所述悬翼结构在谐振器的横向方向上位于非引脚端与对应上倾斜面之间；和/或
[0090] 所述顶电极的引脚端设置有桥结构，所述桥结构的起点在谐振器的横向方向上与对应上倾斜面之间存在距离。
[0091] 11、根据10所述的谐振器，其中：
[0092] 顶电极在谐振器的有效区域的边缘还设置有凸起和/或凹陷结构。
[0093] 12、根据1-10中任一项所述的谐振器，其中：
[0094] 所述空隙层在上凸形状的横向方向上的边缘分别具有上倾斜面，所述上凸形状在上倾斜面之间为上底电极的顶面；
[0095] 所述压电层的顶面与所述上底电极之间还设置有间隙层，所述间隙层为不导电介质层，所述间隙层包括彼此相接的斜向段与横向段，在谐振器的厚度方向的投影中，所述斜向段与所述上倾斜面的至少一部分重叠且所述横向段与上底电极的顶面的至少一部分重叠。
[0096] 13、根据12所述的谐振器，其中：
[0097] 所述间隙层设置在上底电极与压电层之间，所述斜向段
覆盖所述上倾斜面的至少一部分且所述横向段覆盖上底电极的顶面的至少一部分；或者
[0098] 所述间隙层设置在压电层之间。
[0099] 14、根据12或13所述的谐振器，其中：
[0100] 所述顶电极的非引脚端与压电层的顶面贴合；且
[0101] 所述顶电极的非引脚端的端面在谐振器的厚度方向上的投影落入间隙层的范围内。
[0102] 15、根据12或13所述的谐振器，其中：
[0103] 所述顶电极还设置有翼结构和/或桥结构；
[0104] 在谐振器的横向方向上，所述间隙层的起点在对应的翼结构或桥结构的起点的内侧；或者所述间隙层的起点在对应的翼结构或桥结构的起点的外侧。
[0105] 16、根据1-10中任一项所述的谐振器，其中：
[0106] 所述基底的上表面设置有基底凹部；
[0107] 所述下底电极包括第一下底电极和第二底电极，所述第二下底电极在第一下底电极上方，且第一下底电极与第二下底电极在底电极引脚端与非引脚端均彼此电连接，所述第二底电极的引脚端与非引脚端均延伸过基底凹部而位于基底凹部的外侧。
[0108] 17、根据16所述的谐振器，其中：
[0109] 所述第一底电极与第二底电极彼此贴合设置；或者
[0110] 第一底电极与第二底电极之间存在空隙。
[0111] 18、根据17所述的谐振器，其中：
[0112] 第一底电极与第二底电极均具有下凹形状；或
[0113] 第一底电极具有下凹形状，第二底电极为平坦形状。
[0114] 19、根据16-18中任一项所述的谐振器，其中：
[0115] 所述顶电极还设置有翼结构和/或桥结构。
[0116] 20、根据1-19中任一项所述的谐振器，其中：
[0117] 所述基底的上表面设置有基底凹部，所述基底凹部在通过底电极的引脚端的纵截面中具有大体梯形的截面形状；
[0118] 所述下底电极覆盖所述基底凹部且与贴附或者覆盖所述基底凹部的整个表面。
[0119] 21、一种滤波器，包括根据1-20中任一项所述的体声波谐振器。
[0120] 22、一种电子设备，包括根据21所述的滤波器或者根据1-20中任一项所述的体声波谐振器。
[0121] 这里的电子设备，包括但不限于射频前端、滤波放大模
块等中间产品，以及手机、WIFI、无人机等终端产品。
[0122] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化，本发明的范围由所附
权利要求及其等同物限定。
