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一种SAW-BAW混合谐振器
申请号	CN202110184341.9	申请日	2021-02-08	公开(公告)号	CN112953436B	公开(公告)日	2024-04-30
申请人	上海师范大学;			发明人	张巧珍; 刘会灵; 赵祥永; 陈正林;
摘要	本发明公开了一种SAW‑BAW混合谐振器，包括依次排列的第一电极层、第一压电薄膜层、第二压电薄膜层、第二电极层以及衬底层；第一电极层与第一压电薄膜层在衬底层上的正投影重合，第二压电薄膜层与第二电极层在衬底层上的正投影重合；第一电极层与第一压电薄膜层组成的整体周期性且等间隔的布置在第二压电薄膜层上；第二压电薄膜层的压电耦合常数比第一压电薄膜层的更低且其声阻抗比第一压电薄膜层的更高。本发明的SAW‑BAW混合谐振器，利用西沙瓦波模式，可以兼具高频、高K2和高Q值等优良特性；不仅能有效抑制瑞利波和体波引起的杂波响应，且结构简单、降低了器件的制作难度和生产成本，极具应用前景。
权利要求	1.一种SAW‑BAW混合谐振器，其特征在于，包括依次排列的第一电极层、第一压电薄膜层、第二压电薄膜层、第二电极层以及衬底层；所述第一电极层与第一压电薄膜层在衬底层上的正投影重合，第二压电薄膜层与第二电极层在衬底层上的正投影重合；所述第一电极层与第一压电薄膜层组成的整体周期性且等间隔的布置在所述第二压电薄膜层上；所述第二压电薄膜层的压电耦合常数比第一压电薄膜层的更低且其声阻抗比第一压电薄膜层的更高；所述第一压电薄膜层为掺钪氮化铝薄膜，掺钪氮化铝薄膜中钪的掺杂摩尔百分比为 10％～40％；所述第二压电薄膜层为氮化铝薄膜；所述第一压电薄膜层的薄膜标准化厚度d及第一压电薄膜层和第二压电薄膜层的标准化厚度之和h满足如下关系： 0≤d≤0.9λ；0.1λ≤h≤0.9λ； 0≤ratio≤1，ratio＝d/h；其中，λ为声表面波波长。 2.根据权利要求1所述的一种SAW‑BAW混合谐振器，其特征在于，所述第一电极层和第二电极层的材质相同或不同，其为Pt、Au、Mo、W、Al、Cu金属单质或金属合金，或者上述材料的任意组合；所述第一电极层在衬底层上的正投影位于第二电极层在衬底层上的正投影内。 3.根据权利要求2所述的一种SAW‑BAW混合谐振器，其特征在于，所述第一电极层和第二电极层的标准化电极厚度he均满足：0.02λ≤he≤0.2λ，λ为声表面波波长。 4.根据权利要求1所述的一种SAW‑BAW混合谐振器，其特征在于，还包括位于第二电极层与衬底层之间的声学反射层；所述声学反射层包括低声阻抗层和高声阻抗层；所述低声阻抗层的声速小于高声阻抗层的声速，低声阻抗层相比于高声阻抗层更靠近第二电极层。 5.根据权利要求4所述的一种SAW‑BAW混合谐振器，其特征在于，所述低声阻抗层为SiO2膜、SiON膜或Ta2O5膜；所述高声阻抗层为AlN膜、Sapphire膜、SiN膜、Mo膜或Pt膜。 6.根据权利要求5所述的一种SAW‑BAW混合谐振器，其特征在于，所述低声阻抗层为SiO2膜，所述SiO2膜的标准化厚度hSiO2满足如下关系：0.1λ≤hSiO2≤λ，λ为声表面波波长。 7.根据权利要求4所述的一种SAW‑BAW混合谐振器，其特征在于，所述高声阻抗层为AlN膜，所述AlN膜的标准化厚度hAlN满足如下关系：0.1λ≤hAlN≤λ，λ为声表面波波长。 8.根据权利要求1所述的一种SAW‑BAW混合谐振器，其特征在于，所述衬底层的材质为硅、蓝宝石或石英。
说明书全文	一种SAW‑BAW混合谐振器技术领域 [0001] 本发明属于压电微声器件技术领域，涉及一种SAW‑BAW混合谐振器(声表面波和体声波微声混合器件)，特别涉及适用于移动通讯射频前端高频宽带微声滤波器的SAW‑BAW混合谐振器。背景技术 [0002] 随着移动通信系统的快速发展，压电微声器件作为滤波器的核心元件已经广泛应用于移动通讯设备中。为使当前的智能终端设备能够工作在不同国家，需要支持超过40多个频段的移动通信标准(UMTS、HSPA、LTE等)。尤其是第五代移动通信技术(5th‑ Generation，5G)时代的到来，推动终端射频系统的全面升级，基于基站天线通道数量的成倍增长，为添加新频段的通信功能，滤波器的需求量也大幅增加。这对移动通信射频前段用滤波器提出了更严格的要求，具体来讲，为实现高频、大带宽的应用，用于滤波器的声波谐振器应该具有更高的工作频率和更大的机电耦合系数。 [0003] 目前，声表面波(SAW：Surface Acoustic Wave)器件和体声波(BAW：Bulk Acoustic Wave)器件凭借其优良的频率选择性、高品质因数(Q值)、低插入损耗等优势成为移动射频前端滤波器的主流选择。SAW器件制备工艺简单、成本低，其压电基底常用的材料主要是铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)和二氧化硅SiO2，但由于这些材料的声速较低，SAW滤波器不适合2.5GHz以上的工作频率，另外频率越高IDT 电极之间间距越小，很小的间距 (高频率)下电流密度太大(高功率)会导致电迁移。相较于SAW器件，BAW器件的声波在压电薄膜体内传播，更适合于高频率，理论上可以满足20GHz以内的通讯要求，其尺寸也随着频率增加而减少。另外，BAW滤波器的Q值高，插入损耗小，带外衰减大等优点。因此，BAW器件在高频应用中更具优势。但是由于其所需的制造工艺步骤是SAW的10倍，BAW器件的制造成本比SAW器件高。SAW/BAW器件各有优势，而开发一种能够兼具SAW‑BAW两者优势的器件极具应用前景。 [0004] 文献“Dual‑Mode Hybrid Quasi‑SAW/BAW Resonators With High Effective Coupling Coefficient(2020IEEE Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control)”中公开了一种基于Mo/ScAlN/Mo/6H‑SiC结构的SAW/BAW混合谐振器， 2 其具有大机电耦合系数(K～14.55％)和高声速(V～7500m/s以上)，这使得这种SAW/BAW混合谐振器在宽带和高频应用中具有很大的潜力。但由于器件的Q值，另外所使用高声速衬底 6H‑SiC，其制备成本高且难以大尺寸制造，因此限制了它们在工业应用中的批量生产。同时也可看出，SAW/BAW混合器件兼具高频和高机电耦合系数的优良特性，具有良好的应用前景。 [0005] 因此，开发一种成本低廉且性能优异(Q值)的SAW‑BAW混合谐振器极具现实意义。发明内容 [0006] 本发明的目的在于克服现有的SAW/BAW混合谐振器成本过高的缺陷，提供一种成本低廉且性能优异(高频、高声速、高Q值)的SAW‑BAW混合谐振器。 [0007] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案： [0008] 一种SAW‑BAW混合谐振器，包括依次排列的第一电极层、第一压电薄膜层、第二压电薄膜层、第二电极层以及衬底层； [0009] 所述第一电极层与第一压电薄膜层在衬底层上的正投影重合，第二压电薄膜层与第二电极层在衬底层上的正投影重合； [0010] 所述第一电极层与第一压电薄膜层组成的整体周期性且等间隔的布置在所述第二压电薄膜层上； [0011] 所述第二压电薄膜层的压电耦合常数比第一压电薄膜层的更低且其声阻抗比第一压电薄膜层的更高。 [0012] 以上的第一电极层、第一压电薄膜层(第一电极层与第一压电薄膜层整体在第二压电薄膜层呈柱状结构)、第二压电薄膜层及第二电极层构成体声波(Bulk acoustic wave,BAW)谐振器，体声波谐振器以及衬底层即构成声表面波(Surface acoustic wave, SAW)谐振器。 [0013] 第一电极层及第一压电薄膜层是用来替代现有技术的声表面波谐振器中的叉指换能器的，这是由于在一定条件下第一压电薄膜层上特殊的周期性排列的柱状结构内激发的体声波的波长对应于衬底层的声表面波的波长，其中相同频率的声表面波和体声波的波长能够导致体声波在衬底表面有效地转变为声表面波，形成的SAW‑BAW混合谐振器可以看作一个SAW器件。 [0014] 作为优选的技术方案： [0015] 如上所述的一种SAW‑BAW混合谐振器，所述第一电极层和第二电极层的材质相同或不同，其为Pt、Au、Mo、W、Al、Cu金属单质或金属合金，或者上述材料的任意组合； [0016] 所述第一电极层在衬底层上的正投影位于第二电极层在衬底层上的正投影内。 [0017] 如上所述的一种SAW‑BAW混合谐振器，所述第一电极层和第二电极层的标准化电极厚度he均满足：0.02λ≤he≤0.2λ，λ为声表面波波长。 [0018] 如上所述的一种SAW‑BAW混合谐振器，所述第一压电薄膜层为掺钪氮化铝(ScAlN)薄膜，掺钪氮化铝薄膜中钪的掺杂摩尔百分比为10％～40％，这能保证ScAlN薄膜具有较好的c轴取向性与压电性能，由于掺钪氮化铝压电薄膜不同掺杂摩尔百分比具有不同的压电性能，因此可以根据实际需要优选不同的掺杂摩尔百分比的掺钪氮化铝薄膜，压电性增大导致机电耦合系数提高； [0019] 所述第二压电薄膜层为氮化铝(AlN)薄膜，其兼具高声速阻抗层的作用，保证该结构上激励的SAW具备较高的声速。第一压电薄膜层和第二压电薄膜层采用不同材料制成，在保证了较高声速的同时确保了压电层(第一压电薄膜层+第二压电薄膜层)仍然具有较高的机电耦合系数。 [0020] 如上所述的一种SAW‑BAW混合谐振器，所述第一压电薄膜层的薄膜标准化厚度d及第一压电薄膜层和第二压电薄膜层的标准化厚度之和h满足如下关系： [0021] 0≤d≤0.9λ； [0022] 0.1λ≤h≤0.9λ； [0023] 0≤ratio≤1，ratio＝d/h； [0024] 其中，λ为声表面波波长。 [0025] 第一压电薄膜层和第二压电薄膜层激发的目标声波模式包括瑞利波和西沙瓦波以及更高阶波模式。 [0026] 如上所述的一种SAW‑BAW混合谐振器，还包括位于第二电极层与衬底层之间的声学反射层； [0027] 所述声学反射层包括低声阻抗层和高声阻抗层； [0028] 所述低声阻抗层的声速小于高声阻抗层的声速，低声阻抗层相比于高声阻抗层更靠近第二电极层。本发明的声学反射层主要解决SAW 能量泄露的技术问题，同时能够提高机电耦合系数。 [0029] 如上所述的一种SAW‑BAW混合谐振器，所述低声阻抗层为SiO2膜、SiON膜或Ta2O5膜；所述高声阻抗层为AlN膜、Sapphire膜、SiN膜、Mo膜或Pt膜。本发明的保护范围并不仅限于此，此处仅列举部分可行的技术方案而已，本领域技术人员可根据实际需求选择合适的材料。 [0030] 如上所述的一种SAW‑BAW混合谐振器，所述低声阻抗层为SiO2膜，所述SiO2膜的标准化厚度hSiO2满足如下关系：0.1λ≤hSiO2≤λ，λ为声表面波波长，SiO2膜的厚度过厚或过薄2 会导致K下降。 [0031] 如上所述的一种SAW‑BAW混合谐振器，所述高声阻抗层为AlN膜，所述AlN膜的标准化厚度hAlN满足如下关系：0.1λ≤hAlN≤λ，λ为声表面波波长。因为AlN层对SAW能量传播具有微小的调谐作用，因此AlN膜的厚度本领域技术人员可根据实际需求在一定范围内调整但调整幅度不宜过大。 [0032] 如上所述的一种SAW‑BAW混合谐振器，所述衬底层的材质为硅(Si)、蓝宝石(Sapphire)、石英(Quartz)等衬底材料。本发明仅给出一种可行的技术方案而已，本发明的保护范围并不仅限于此，本领域技术人员可根据实际需求选择合适的材料 [0033] 有益效果： [0034] (1)本发明的SAW‑BAW混合谐振器，结构简单，通过有效的结构优化设计能够有效地抑制瑞利波和体波引起的杂波响应，非常有利于高频、宽带滤波器的应用； [0035] (2)本发明的SAW‑BAW混合谐振器，其利用西沙瓦波模式，能够同时获得高频、高K2和高Q值，其性能优良，同时避免了BAW器件的复杂工艺步骤，降低了器件的制作难度和生产成本，极具应用前景。附图说明 [0036] 图1和2分别为实施例1的SAW‑BAW混合谐振器的俯视图及截面示意图； [0037] 图3为实施例2的SAW‑BAW混合谐振器的截面示意图； [0038] 图4为实施例3的SAW‑BAW混合谐振器的截面示意图； [0039] 图5为实施例1的SAW‑BAW混合谐振器在特征频率下典型输入导纳随频率的变化曲线； [0040] 图6为实施例1的SAW‑BAW混合谐振器不同压电薄膜层薄膜(第一压电薄膜层+第二2 压电薄膜层)厚度下传播的西沙瓦波的机电耦合系数(K )随压电薄膜层薄膜厚度之比 (ratio)的变化曲线图； [0041] 图7为实施例1的SAW‑BAW混合谐振器不同压电薄膜层薄膜(第一压电薄膜层+第二压电薄膜层)厚度下传播的西沙瓦波的相速度(V)随压电薄膜层薄膜厚度之比(ratio)的变化曲线图； [0042] 图8为实施例1及实施例2的SAW‑BAW混合谐振器不同压电薄膜层薄膜(第一压电薄2 膜层+第二压电薄膜层)厚度下传播的西沙瓦波的机电耦合系数(K)随压电薄膜层薄膜厚度之比(ratio)的变化曲线图； [0043] 图9为实施例1及实施例2的SAW‑BAW混合谐振器不同压电薄膜层薄膜(第一压电薄膜层+第二压电薄膜层)厚度下传播的西沙瓦波的相速度(V)随压电薄膜层薄膜厚度之比 (ratio)的变化曲线图； [0044] 图10为实施例2的SAW‑BAW混合谐振器上传播的西沙瓦波的机电耦合系数(K2)随二氧化硅薄膜厚度变化曲线图； [0045] 图11为实施例2的SAW‑BAW混合谐振器上传播的西沙瓦波的相速度(V)随二氧化硅薄膜厚度变化曲线图； [0046] 图12为实施例3的SAW‑BAW混合谐振器上传播的西沙瓦波的机电耦合系数(K2)随氮化铝薄膜厚度变化曲线图； [0047] 图13为实施例3的SAW‑BAW混合谐振器上传播的西沙瓦波的相速度(V)随氮化铝薄膜厚度变化曲线图； [0048] 其中，1‑第一电极层，2‑第一压电薄膜层，3‑第二压电薄膜层，4‑第二电极层，5‑声学反射层，51‑低声阻抗层，52‑高声阻抗层，6‑衬底层。具体实施方式 [0049] 下面结合附图，对本发明的具体实施方式做进一步阐述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。 [0050] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”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发明和简化描述，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发明的限制。 [0051] 实施例1 [0052] 一种SAW‑BAW混合谐振器，如图1和2所示，包括依次排列的第一电极层1、第一压电薄膜层2、第二压电薄膜层3、第二电极层4以及衬底层6； [0053] 第一电极层1与第一压电薄膜层2在衬底层6上的正投影重合，第二压电薄膜层3与第二电极层4在衬底层6上的正投影重合，第一电极层1在衬底层6上的正投影位于第二电极层4在衬底层6上的正投影内，第一电极层1与第一压电薄膜层2组成的整体周期性且等间隔的布置在第二压电薄膜层3上； [0054] 第一电极层1和第二电极层4的材质为Pt，第一电极层和第二电极层的标准化电极厚度he均设置为0.04λ，λ为声表面波波长，衬底层6为硅(Si)衬底层，第一压电薄膜层2为掺钪氮化铝薄膜，掺钪氮化铝薄膜中钪的掺杂摩尔百分比为40％，第二压电薄膜层3为氮化铝薄膜，第一压电薄膜层的薄膜标准化厚度d及第一压电薄膜层和第二压电薄膜层的标准化厚度之和h满足如下关系： [0055] 0≤d≤0.9λ； [0056] 0.1λ≤h≤0.9λ； [0057] 0≤ratio≤1，ratio＝d/h。 [0058] 实施例2 [0059] 一种SAW‑BAW混合谐振器，如图3所示，其结构与实施例1基本相同，不同在于，还包括位于第二电极层4与衬底层6之间的低声阻抗层51，低声阻抗层51为SiO2膜，SiO2膜的标准化厚度hSiO2满足如下关系：0.1λ≤hSiO2≤λ。 [0060] 实施例3 [0061] 一种SAW‑BAW混合谐振器，如图4所示，其结构与实施例1基本相同，不同在于，还包括位于第二电极层4与衬底层6之间的声学反射层5； [0062] 声学反射层5包括低声阻抗层51和高声阻抗层52(低声阻抗层的声速小于高声阻抗层的声速)，低声阻抗层51相比于高声阻抗层52更靠近第二电极层4； [0063] 低声阻抗层51为SiO2膜，SiO2膜的标准化厚度hSiO2满足如下关系：0.1λ≤hSiO2≤λ； [0064] 高声阻抗层52为AlN膜，AlN膜的标准化厚度hAlN满足如下关系：0.1λ≤hAlN≤λ。 [0065] 以上实施例的相关测试结果： [0066] 图5为实施例1的SAW‑BAW混合谐振器在特征频率下典型输入导纳随频率的变化曲线，由图5可见，SAW‑BAW混合谐振器会激发出包括瑞利波及高阶西沙瓦波在内的多种SAW模式，此外，通过优化压电叠层薄膜(第一压电薄膜层+第二压电薄膜层)厚度，西沙瓦波表现出相对优良的SAW特性。此处以西沙瓦波作为主要工作模式进行举例说明。 [0067] 图6和图7分别为实施例1的SAW‑BAW混合谐振器在不同压电叠层薄膜(第一压电薄2 膜层+第二压电薄膜层)厚度下传播的西沙瓦波的机电耦合系数(K)和相速度(V)随压电叠层薄膜厚度之比(ratio)的变化曲线图，从图6可知，在给定不同压电叠层薄膜(第一压电薄膜层+第二压电薄膜层)厚度下，随着压电叠层薄膜(第一压电薄膜层+第二压电薄膜层)厚度比的改变，西沙瓦波表现出相对优良的声表面波特性。此外，由图7可知在h为0.3λ～0.9λ 2 时，且ratio为0.4～0.9范围内西沙瓦波的机电耦合系数K相对较高(＞5％)，在掺钪氮化 2 铝膜(第一压电薄膜层)厚为0.5λ时，K 达到最大值10％。西沙瓦波的相速度随着压电叠层薄膜(第一压电薄膜层+第二压电薄膜层)厚度之比的增加而减小。其中西沙瓦波的相速度约为3200～5500m/s。 [0068] 将实施例1和实施例2中的压电叠层薄膜(第一压电薄膜层+第二压电薄膜层)厚度h设定为0.4λ，同时将实施例2中的二氧化硅薄膜(低声阻抗层)厚度设置为0.3λ，而后进行测试，图8和图9分别为实施例1及实施例2的SAW‑BAW混合谐振器上传播的西沙瓦波的机电 2 耦合系数(K)和相速度(V)随压电叠层薄膜厚度之比(ratio)的变化曲线图。从图8可知，与未添加二氧化硅薄膜的情况相比，在压电叠层薄膜厚度之比(ratio)为0.5～0.9范围内添 2 加二氧化硅薄膜的西沙瓦波的机电耦合系数K相对较高(＞15％)，在压电叠层薄膜厚度之 2 比(ratio)为0.8时，K达到最大值27％。由图9可知，西沙瓦波的相速度随着压电叠层薄膜厚度之比的增加而减小。其中西沙瓦波的相速度约为4500～5600m/s。 [0069] 将实施例2中的压电叠层薄膜(第一压电薄膜层+第二压电薄膜层)厚度h设定为0.4λ，压电叠层薄膜厚度之比(ratio)为0.6，而后进行测试，图10和图11分别为实施例2的 2 SAW‑BAW谐振器上传播的西沙瓦波的机电耦合系数(K)和相速度(V)随二氧化硅薄膜厚度 2 的变化曲线图。从图10可知，随着二氧化硅膜厚变厚，西沙瓦波的机电耦合系数K呈现先增高后变小的变化情况。由图10可知在二氧化硅膜厚为0.1λ～0.5λ范围内西沙瓦波的机电耦 2 2 合系数K相对较高(＞15％)，在二氧化硅膜厚为0.2λ时，K达到最大值24％。由图11可知，西沙瓦波的相速度随着压电叠层薄膜厚度之比的增加而减小。其中西沙瓦波的相速度约为 4000～5500m/s。由于二氧化硅薄膜层的添加会稍微降低SAW的传播速度。 [0070] 将实施例3中的压电叠层薄膜(第一压电薄膜层+第二压电薄膜层)厚度h设定为0.4λ，压电叠层薄膜厚度之比(ratio)为0.6，二氧化硅薄膜(低声阻抗层)厚度为0.2λ，而后进行测试，图12和图13分别为实施例3的SAW‑BAW谐振器上传播的西沙瓦波的机电耦合系数 2 (K)和相速度(V)随二氧化硅薄膜厚度的变化曲线图。从图12可知，随着氮化铝膜(高声阻 2 抗层)厚的增加，西沙瓦波的机电耦合系数K呈现先减小后增大的变化情况。由图12可知， 2 氮化铝膜厚在0.1λ～0.7λ的范围内变化时，西沙瓦波的机电耦合系数K 呈现显著变化，约 2 在(20％～24％)，氮化铝膜厚为0.7λ以上时，K基本维持不变，对SAW能量传播具有微小的调谐作用。由图13可知，氮化铝膜厚为0.7λ以上时，西沙瓦波的相速度随着氮化铝膜厚缓慢增加。其中西沙瓦波的相速度维持在5000m/s左右。 [0071] 通过以上测试可以发现，本发明的SAW‑BAW混合谐振器，在波长设置为5μm时对相关参数进行调整可以实现混合谐振器工作频率高至1GHz左右的频段覆盖，保证高的相速度的情况下，机电耦合系数可以达到非常高。此外，在声表面波模式选定，调整电极的周期时，也可同时调整压电叠层薄膜的厚度，以获得较合适的压电叠层的局部厚度比，便可以在宽频范围内即可实现高至5GHz以上的频段覆盖，并保证声波谐振器的机电耦合系数非常高兼具较高的相速度。 [0072] 经验证，本发明的SAW‑BAW混合谐振器，结构简单，通过有效的结构优化设计能够有效地抑制瑞利波和体波引起的杂波响应，非常有利于高频、宽带滤波器的应用；其利用西2 沙瓦波模式，能够同时获得高频、高K和高Q值，其性能优良，同时避免了BAW器件的复杂工艺步骤，降低了器件的制作难度和生产成本，极具应用前景。 [0073] 虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应该理解，这些仅是举例说明，在不违背本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改。

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