阅读说明：本技术 单片式混合集成声波谐振器阵列及其制备方法 (Monolithic hybrid integrated acoustic resonator array and preparation method thereof ) 是由 欧欣 周鸿燕 张师斌 郑鹏程 黄凯 游天桂 于 2020-07-03 设计创作，主要内容包括：本申请涉及一种单片式混合集成声波谐振器阵列及其制备方法,声波谐振器阵列包括支撑衬底；位于支撑衬底上表面的压电层；压电层包括多个厚度不相同的区域；压电层与支撑衬底接触的一面平整或压电层远离支撑衬底的一面平整；位于压电层上表面的叉指电极阵列；叉指电极阵列中几何特征相同的多个叉指电极与多个厚度不相同的区域一一对应；叉指电极阵列中几何特征不同的多个叉指电极在压电层上的对应区域的厚度相同；且几何特征不同的多个叉指电极对应的多个目标声波模式不同。本申请中声波谐振器阵列的工作频率可以同时覆盖低频、中频和高频频段,如此,可以解决实际应用中需要将分立声波谐振器进行系统级集成导致的工艺、设计复杂等问题。(The application relates to a monolithic hybrid integrated acoustic resonator array and a preparation method thereof, wherein the acoustic resonator array comprises a supporting substrate; a piezoelectric layer on the upper surface of the support substrate; the piezoelectric layer includes a plurality of regions of differing thickness; the surface of the piezoelectric layer, which is in contact with the support substrate, is flat or the surface of the piezoelectric layer, which is far away from the support substrate, is flat; an array of interdigitated electrodes on the upper surface of the piezoelectric layer; a plurality of interdigital electrodes with the same geometric characteristics in the interdigital electrode array correspond to a plurality of regions with different thicknesses one by one; the thicknesses of corresponding areas of a plurality of interdigital electrodes with different geometrical characteristics on the piezoelectric layer in the interdigital electrode array are the same; and a plurality of target acoustic wave modes corresponding to a plurality of interdigital electrodes with different geometrical characteristics are different. The working frequency of the acoustic wave resonator array can simultaneously cover low frequency, medium frequency and high frequency bands, so that the problems of complex process and design and the like caused by system-level integration of discrete acoustic wave resonators in practical application can be solved.)

单片式混合集成声波谐振器阵列及其制备方法

技术领域

本申请涉及半导体技术领域，特别涉及一种单片式混合集成声波谐振器阵列及其制备方法。

背景技术

滤波器具有选频功能，即允许所需频率的信号通过，而抑制不需要的频率的信号通过，是微波通信领域里极为重要的元件，被广泛应用于移动通信、卫星通信、雷达及其它微波通信领域。滤波器通常由多个谐振器通过电极互联的方式组成。

第五代移动通信技术(5th-Generation，5G)的来临对滤波器行业的影响巨大。5G网络包括两段频率：FR1频段和FR2频段，其中FR1频段为目前主频段，频率范围是450MHz-6GHz，这对滤波器的工作频段范围提出了更高的要求；同时，对滤波器的性能(如高频、低损耗等)的要求也不断提高。

声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)滤波器广泛应用于2G接收机前端以及双工器和接收滤波器。SAW滤波器集低***损耗和良好的抑制性能于一身，且带宽大、体积小；但由于其声表面波声速以及电极制备上的局限性，一般只适用于2GHz以下的应用。高于2GHz时，体声波(Bulk Acoustic Wave，BAW)滤波器则更具性能优势。

因此，当前移动终端的通信通常会采用SAW滤波器和BAW滤波器协同满足不同频段需求，这将导致工艺成本提高、设计和制备工艺复杂等问题。

发明内容

本申请实施例提供了一种单片式混合集成声波谐振器阵列及其制备方法，可以实现多频段滤波器的单片集成，从而解决了实际需求中需要声表面波滤波器、体声波滤波器等协同工作带来的工艺复杂、设计复杂以及成本高的问题。

一方面，一种单片式混合集成声波谐振器阵列，包括：

支撑衬底；

位于支撑衬底上表面的压电层；压电层包括多个厚度不相同的区域；压电层与支撑衬底接触的一面平整；压电层的声阻抗小于支撑衬底的声阻抗；

位于压电层上表面的叉指电极阵列；叉指电极阵列中几何特征相同的多个叉指电极与多个厚度不相同的区域一一对应；叉指电极阵列中几何特征不同的多个叉指电极在压电层上的对应区域的厚度相同；且几何特征不同的多个叉指电极对应的多个目标声波模式不同。

可选的，多个厚度不相同的区域对应的多个叉指电极的周期均相同。

可选的，叉指电极阵列中几何特征相同但周期不同的多个叉指电极在压电层上的对应区域的厚度相同。

可选的，多个厚度不相同的区域对应的多个叉指电极中至少包括两个周期不相同的叉指电极。

可选的，多个厚度不相同的区域中每个区域的厚度与对应的目标声波波长的比值大于等于0.05且小于等于0.5。

可选的，支撑衬底是单层结构；

或；

支撑衬底是多层结构；多层结构包括衬底层和至少一层材料层。

可选的，支撑衬底的材料包括硅、氧化硅、碳化硅、蓝宝石、金刚石、砷化镓、石英、铌酸锂、钽酸锂、氮化铝、氮化镓、氧化镓和氧化锌中的任一种。

可选的，材料层的材料包括硅、氧化硅、碳化硅、蓝宝石、金刚石、砷化镓、石英、铌酸锂、钽酸锂、氮化铝、氮化镓、氧化镓、氧化锌、苯并环丁烯、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷和聚苯乙烯中的任一种。

可选的，压电层的材料包括铌酸锂、铌酸钾、钽酸锂、氮化铝、石英和氧化锌中的任一种。

可选的，多个目标声波模式包括瑞利波模式、剪切波模式、对称兰姆波模式和反对称兰姆波模式中的至少两种。

可选的，压电层是X切铌酸锂薄膜；压电层中激发的目标声波模式包括剪切波模式和对称型兰姆波模式；

剪切波模式对应的叉指电极的传播方向与声波谐振器阵列的Y轴之间的夹角小于等于20度；

对称型兰姆波模式对应的叉指电极的传播方向与声波谐振器阵列的Y轴之间的夹角小于等于60度。

可选的，还包括底电极；

底电极位于支撑衬底与压电层之间。

可选的，支撑衬底具有空腔结构，空腔结构用于使压电层处于悬空状态。

另一方面，本申请实施例提供了一种单片式混合集成声波谐振器阵列，包括：

支撑衬底；

位于支撑衬底上表面的填充层；

位于填充层上表面的压电层；压电层包括多个厚度不相同的区域；压电层远离支撑衬底的一面平整；压电层的声阻抗小于支撑衬底的声阻抗；

位于压电层上表面的叉指电极阵列；叉指电极阵列中几何特征相同的多个叉指电极与多个厚度不相同的区域一一对应；叉指电极阵列中几何特征不同的多个叉指电极在压电层上的对应区域的厚度相同；且几何特征不同的多个叉指电极对应的多个目标声波模式不同。

另一方面，本申请实施例提供了一种单片式混合集成声波谐振器阵列的制备方法，包括：

获取支撑衬底；

在支撑衬底上形成压电层；

对压电层进行减薄，形成多个厚度不相同的区域；压电层与支撑衬底接触的一面平整；压电层的声阻抗小于支撑衬底的声阻抗；

在减薄后的压电层上沉积叉指电极阵列；叉指电极阵列中几何特征相同的多个叉指电极与多个厚度不相同的区域一一对应；叉指电极阵列中几何特征不同的多个叉指电极在压电层上的对应区域的厚度相同；且几何特征不同的多个叉指电极对应的多个目标声波模式不同。

可选的，获取支撑衬底，包括：

获取衬底层；

在衬底层上形成至少一层材料层，得到支撑衬底。

另一方面，本申请实施例提供了在支撑衬底上形成压电层，包括：

通过离子束剥离法和键合法在支撑衬底上形成压电层；

或；通过沉积法在支撑衬底上形成压电层；

或；通过外延法中在支撑衬底上形成压电层；

或；通过键合和研磨在支撑衬底上形成压电层。

可选的，对压电层进行减薄，包括：

通过低能离子辐照法、感应耦合等离子体刻蚀法和反应离子刻蚀法中的任一种对压电层进行分区减薄。

可选的，通过低能离子辐照法、感应耦合等离子体刻蚀法、反应离子刻蚀法中的任一种对压电层进行分区减薄，包括：

在压电层的上表面覆盖当次减薄区域对应的掩膜版。

可选的，通过低能离子辐照法、感应耦合等离子体刻蚀法、反应离子刻蚀法中的任一种对压电层进行减薄，包括：

在离子源处添加图案化光栅，以调节不同区域出射离子的方向与能量。

可选的，在支撑衬底上形成压电层之后，对压电层进行减薄之前，还包括：

对压电层的表面进行光刻，以形成图案化。

可选的，叉指电极阵列中每个叉指电极的厚度小于等于多个厚度不相同的区域中的最大厚度。

可选的，获取支撑衬底之后，在支撑衬底上形成压电层之前，还包括：

在支撑衬底上形成底电极。

可选的，压电层的XRD谱图的半高宽小于0.5度。

可选的，获取支撑衬底之后，在支撑衬底上形成压电层之前，还包括：

对支撑衬底进行刻蚀，以形成空腔结构。

另一方面，本申请实施例提供了一种单片式混合集成声波谐振器阵列的制备方法，包括：

获取离子注入后的压电材料；

对压电材料进行区域化减薄，形成多个厚度不相同的区域；

在减薄后的压电材料上沉积填充层；

对填充层进行抛平，以使表面平整，得到拋平后的填充层和压电材料；

将拋平后的填充层和压电材料转移到获取的支撑衬底上；

对转移后的压电材料进行剥离，得到上表面平整的压电层；压电层的声阻抗小于支撑衬底的声阻抗；

在压电层的上表面沉积叉指电极阵列；叉指电极阵列中几何特征相同的多个叉指电极与多个厚度不相同的区域一一对应；叉指电极阵列中几何特征不同的多个叉指电极在压电层上的对应区域的厚度相同；且几何特征不同的多个叉指电极对应的多个目标声波模式不同。

可选的，填充层采用温度补偿材料；

填充层的声阻抗大于支撑衬底的声阻抗；填充层的导热性强于支撑衬底的导热性。

本申请实施例提供的一种单片式混合集成声波谐振器阵列及其制备方法具有如下有益效果：

单片式混合集成声波谐振器阵列包括支撑衬底；位于支撑衬底上表面的压电层；压电层包括多个厚度不相同的区域；压电层与支撑衬底接触的一面平整或压电层远离支撑衬底的一面平整；压电层的声阻抗小于支撑衬底的声阻抗；位于压电层上表面的叉指电极阵列；叉指电极阵列中几何特征相同的多个叉指电极与多个厚度不相同的区域一一对应；叉指电极阵列中几何特征不同的多个叉指电极在压电层上的对应区域的厚度相同；且几何特征不同的多个叉指电极对应的多个目标声波模式不同。本申请中，考虑到声波谐振器的工作频率同目标声波模式的声速、叉指电极的周期、压电层厚度与目标声波波长的比值(h/λ)紧密相关，对于压电层厚度相同的区域，通过设计不同的叉指电极的几何特征，在压电层激发不同的目标声波模式，来调控对应的声波谐振器的工作频率；对于压电层厚度和叉指电极的几何特征相同(即目标声波模式相同)的区域，通过调整叉指电极的周期，从而调控对应的声波谐振器的谐振频率；对于目标声波模式和叉指电极周期相同的声波谐振器，通过调整对应的压电层上的区域的厚度，以改变h/λ的值，从而调控对应的声波谐振器的谐振频率；此外，在确定叉指电极的几何特征确定的情况下(即目标声波模式选定)，通过调整叉指电极周期来调控对应的声波谐振器的谐振频率时，也可同时调整对应的压电层上的区域的厚度，从而有目的性地获得较大的机电耦合系数。上述通过选择目标声波模式，调整叉指电极周期和调整压电层对应区域的厚度这三种方式单一或组合使用均可以调控声波谐振器的工作频率。如此，可以于整片压电层上实现覆盖低频到高频频段的单片式混合集成声波谐振器阵列，可以实现多频段声学滤波器的单片集成，解决实际需求中需要SAW谐振器、BAW谐振器等协同工作带来的工艺复杂、设计复杂以及成本高等问题。

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一种单片式混合集成声波谐振器阵列的结构示意图；

图2是本申请实施例提供的一种单片式混合集成谐振器阵列的俯视图；

图3是本申请实施例提供的一种现有技术中声波谐振器SH0 mode的导纳曲线的示意图；

图4是本申请实施例提供的一种单片式混合集成声波谐振器阵列SH0mode的导纳曲线的示意图；

图5是本申请实施例提供的一种声速随h/λ的变化曲线的示意图；

图6是本申请实施例提供的一种单片式混合集成声波谐振器阵列SH0mode的导纳曲线的示意图；

图7是本申请实施例提供的一种单片式混合集成声波谐振器阵列S0mode的导纳曲线的示意图；

图8是本申请实施例提供的另一种单片式混合集成声波谐振器阵列的结构示意图；

图9是本申请实施例提供的一种单片式混合集成声波谐振器阵列的制备方法的流程示意图；

图10是本申请实施例提供的另一种单片式混合集成声波谐振器阵列的制备方法的流程示意图；

图11是本申请实施例提供的一种单片式混合集成声波谐振器阵列的制备过程的示意图。

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做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。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“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。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或服务器不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例1：

为了实现将不同工作频段的声波谐振器进行整合，达到模块化、集成化的效果，本申请实施例提供了一种单片式混合集成声波谐振器阵列。请参阅图1，图1是本申请实施例提供的一种单片式混合集成声波谐振器阵列的结构示意图，包括：

支撑衬底110；

位于支撑衬底110上表面的压电层120；压电层120包括多个厚度不相同的区域；压电层120与支撑衬底110接触的一面平整；压电层120的声阻抗小于支撑衬底110的声阻抗；

位于压电层120上表面的叉指电极阵列130；叉指电极阵列130中几何特征相同的多个叉指电极与多个厚度不相同的区域一一对应；叉指电极阵列130中几何特征不同的多个叉指电极在压电层120上的对应区域的厚度相同；且几何特征不同的多个叉指电极对应的多个目标声波模式不同。

本申请实施例中，声波谐振器的谐振频率可以根据公式(1)确定：

f_r＝V/2P_i……(1)

其中，f_r表示谐振频率；V表示压电层激发的目标声波模式的声速；P_i表示叉指电极的周期。

本申请实施例中，设定叉指电极的指条占空比为0.5，此时P_i是叉指电极线宽的2倍，是目标声波模式波长λ的0.5倍。考虑到声波谐振器的工作频率同目标声波模式的声速、叉指电极的周期、压电层厚度与目标声波波长的比值(h/λ)紧密相关，且考虑到压电层120中激发的目标声波模式的声速随压电层120厚度与目标声波声速波长比值(h/λ)变换而变化的非线性关系，如图1所示，两个叉指电极(Interdigital Transducers，IDT)中心之间的距离表示叉指电极周期Pi，长度为λ/2。对于压电层厚度相同的区域，通过设计不同的叉指电极的几何特征，在压电层激发不同的目标声波模式，来调控对应的声波谐振器的工作频率；对于压电层厚度和叉指电极的几何特征相同(即目标声波模式相同)的区域，通过调整叉指电极的周期Pi，从而调控对应的声波谐振器的谐振频率；对于目标声波模式和叉指电极周期Pi相同的声波谐振器，通过调整对应的压电层上的区域的厚度，以改变h/λ的值，从而调控对应的声波谐振器的谐振频率；当叉指电极周期Pi已经较小时，继续缩小电极周期Pi来提高器件工作频率会带来的器件性能严重退化，本申请通过对压电层120进行局部减薄，减小h/λ的值，提高该区域激发的声波声速，从而有效提高单片式混合集成声波谐振器阵列的工作频率。此外，在确定叉指电极的几何特征确定的情况下(即目标声波模式选定)，通过调整叉指电极周期Pi来调控对应的声波谐振器的谐振频率时，也可同时调整对应的压电层上的区域的厚度，以获得较合适的h/λ，从而有目的性地在宽频范围内获得较大的机电耦合系数。另外，压电层120激发的目标声波模式的声阻抗小于支撑衬底110的声阻抗，以抑制或减弱压电层120激发的目标声波模式的能量向支撑衬底110的泄露，从而可以提高声波谐振器的Q值。

本申请实施例提供的一种单片式混合集成声波谐振器阵列中，单片式指的是不同工作频率的声波谐振器集成在同一晶圆上，即采用同一支撑衬底110；混合集成指的是，不同声波模式的声波谐振器混合集成，例如，声波谐振器阵列中声波谐振器A激发瑞利(Rayleigh)模式作为目标声波模式、声波谐振器B激发零阶横向剪切(SH0)模式作为目标声波模式、声学谐振器C激发零阶对称型兰姆波(S0)模式作为目标声波模式。不同声波模式声速差异较大且在压电层120内的传输特性不同。

因此，本申请实施例提供的一种单片式混合集成声波谐振器阵列，如图1所示，叉指电极阵列130中几何特征相同的多个叉指电极1301与多个厚度不相同的区域一一对应，即在多个叉指电极1301对应的目标声波模式相同的情况下，可以通过调整对应的压电层区域的厚度，改变h/λ的值，如此，多个叉指电极1301对应的声波谐振器工作在不同的频率，例如，多个叉指电极1301中的一个叉指电极1301对应的声波谐振器能够覆盖低频(<1.5GHz)且能够保持较大的机电耦合系数，多个叉指电极1301中的另一个叉指电极1301对应的声波谐振器能够覆盖高频(>3.0GHz)频段；叉指电极阵列130中几何特征不同的多个叉指电极1302在压电层120上的对应区域的厚度相同，即对于多个几何特征不同的叉指电极1302，由于其对应的压电层区域能够激发不同的目标声波模式，从而使得对应的声波谐振器能够覆盖不同的工作频段，例如中频(1.5～3.0GHz)，因此，多个几何特征不同的叉指电极1302在压电层120上的对应区域的厚度可以是相同的。综上，本申请实施例提供的一种单片式混合集成声波谐振器阵列，通过选择目标声波模式、调整叉指电极周期、调整对应的压电层区域的厚度这三种方式单一或者组合使用，以实现对声波谐振器的工作频率的调控。声波谐振器阵列的工作频率能够同时覆盖低频(<1.5GHz)、中频(1.5～3.0GHz)和高频(>3.0GHz)频段，如此，可以解决实际应用中需要将基于不同压电材料且结构不同的分立声波谐振器进行复杂系统级集成，以满足各频段应用需求的难题，例如可以实现多频段滤波器的单片集成，解决SAW滤波器无法应用于高频场景，并解决SAW滤波器和BAW滤波器协同工作带来的工艺复杂、设计复杂以及成本高的问题。

一种可选的实施方式中，多个厚度不相同的区域对应的多个叉指电极的周期均相同。

另一种可选的实施方式中，多个厚度不相同的区域对应的所述多个叉指电极中至少包括两个周期不相同的叉指电极。

一种可选的实施方式中，叉指电极阵列中几何特征相同但周期不同的多个叉指电极在所述压电层上的对应区域的厚度相同。

一种可选的实施方式中，压电层120多个厚度不相同的区域中每个区域的厚度与对应的目标声波波长的比值(h/λ)大于等于0.05且小于等于0.5。

一种可选的实施方式中，支撑衬底110是单层结构。

一种可选的实施方式中，支撑衬底110的材料包括硅、氧化硅、碳化硅、蓝宝石、金刚石、砷化镓、石英、铌酸锂、钽酸锂、氮化铝、氮化镓、氧化镓和氧化锌中的任一种。

一种可选的实施方式中，压电层120的材料包括铌酸锂、铌酸钾、钽酸锂、氮化铝、石英和氧化锌中的任一种。

一种可选的实施方式中，多个目标声波模式包括瑞利波模式、剪切波模式、对称兰姆波模式和反对称兰姆波模式中的至少两种。

一种可选的实施方式中，压电层是X切铌酸锂薄膜；压电层中激发的目标声波模式包括剪切波模式和对称型兰姆波模式；

剪切波模式对应的叉指电极的传播方向与声波谐振器阵列的Y轴之间的夹角小于等于20度；

对称型兰姆波模式对应的叉指电极的传播方向与声波谐振器阵列的Y轴之间的夹角小于等于60度。

具体的，请参阅图2，图2是本申请实施例提供的一种单片式混合集成声波谐振器阵列的俯视图，其支撑衬底110可以是碳化硅(图中未示出)，声波谐振器阵列的坐标系XYZ仅为参考，实际根据晶体定向来确定；压电层120为单晶铌酸锂，X切单晶铌酸锂层，其XRD半高宽小于0.5°；当谐振器所需要工作频率为2GHz以下和3.5GHz以上，此时，分别利用压电层中的剪切波和对称兰姆波；对于剪切波，将叉指电极的传播方向与声波谐振器阵列的+Y轴之间的夹角设置为-15度；对于对称兰姆波，将叉指电极的传播方向与声波谐振器阵列的+Y轴之间的夹角设置为+40度；如此，在单片式混合集成声波谐振器阵列上实现了覆盖低频到高频频率。

另一种可选的实施方式中，支撑衬底是多层结构；多层结构包括衬底层和至少一层材料层。

对应的，一种可选的实施方式中，材料层的材料包括硅、氧化硅、碳化硅、蓝宝石、金刚石、砷化镓、石英、铌酸锂、钽酸锂、氮化铝、氮化镓、氧化镓、氧化锌、苯并环丁烯、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷和聚苯乙烯中的任一种。

一种可选的实施方式中，还包括底电极；底电极位于支撑衬底与压电层之间。

一种可选的实施方式中，支撑衬底具有空腔结构，空腔结构用于使压电层处于悬空状态。

下面通过一个具体的例子对本申请实施例提供的单片式混合集成声波谐振器阵列的性能进行说明。

在该例子中，单片式混合集成声波谐振器阵列的支撑衬底110为硅(Si)衬底，压电层120为铌酸锂LiNbO₃(LN)层，LN层在进行多次局部减薄后，形成多个厚度不相同的区域；LN层上表面有叉指电极阵列130。

以LN层中激发的声波模式为剪切波模式(SH0 mode)继续说明，由于叉指电极的线宽决定波长λ，当波长λ为1.4微米以上时，此时叉指电极的线宽较大；同时作为参考，现有技术中基于LiNbO₃/Si结构的声波谐振器，其LN层的厚度是均匀不变的。请参阅图3和图4，图3是本申请实施例提供的一种现有技术中声波谐振器SH0 mode的导纳曲线的示意图，图4是本申请实施例提供的一种单片式混合集成声波谐振器阵列SH0 mode的导纳曲线的示意图。

首先，从图3可以看出，当利用离子束剥离与键合转移技术于衬底表面形成的LN层厚度为560纳米时，如本申请中所述，选定SH0模式为目标声波模式，此时保持LN层厚度不变，改变λ可以实现谐振器的不同工作频率。然而，随着λ的增大(从左至右)，机电耦合系数(K²)快速减小。如需宽频范围内保持较大的K²，此时也可以同时对压电膜厚度进行调整，此时如图4可以看出，同时调整压电膜的厚度和叉指电极周期，保持该区域的厚度与波长比不变(如图4中h/λ＝0.3)，如此，既能实现工作频率调整，同时能保持较大的机电耦合系数。由图4可知，器件波长为1.4um至4.8um时，单片式混合集成声波谐振器阵列频率覆盖750MHz到2.7GHz，且相对于现有技术来说，能够维持较大的机电耦合系数。

其次，由现有技术可以得知，通过缩小叉指电极的线宽的手段可以提高器件工作频率，然而，在2.5GHz以上时，电极宽度若再缩小，会导致器件的电阻急剧增大，从而导致器件性能的急速退化，且极窄的电极指条满足不了高功率条件下的长期稳定工作。请参阅图5，图5是本申请实施例提供的一种声速随h/λ的变化曲线的示意图，由图5可知，声速(Vp)会随着h/λ的减小而增大，即保持器件波长λ不变时，减小LN层的厚度将有效提高SH0 mode的声速。因此，本申请实施例中，为了得到更高频的高性能器件，将波长固定为1.4um不再缩小，然后通过调整压电层的局部厚度，改变h/λ的值来提高弹性波声速，从而提高器件工作频率。请参阅图6，图6是本申请实施例提供的一种单片式混合集成声波谐振器阵列SH0mode的导纳曲线的示意图，本申请实施例提供的改进后的单片式混合集成声波谐振器阵列中，压电层可以包括厚度分别为560纳米、504纳米、420纳米、294纳米、196纳米和140纳米的6个区域，其h/λ分别为0.4、0.36、0.3、0.21、0.14和0.1，由图6可知，通过逐渐减薄压电层的厚度，单片式混合集成声波谐振器阵列的SH0 mode声速可以由3709m/s提高至4928m/s，工作频率可由2.7GHz提高至3.5GHz。

由上述实施例可知，本申请实施例提供的一种单片式混合集成声波谐振器阵列，可以在单片LN层上覆盖750MHz到3.5GHz，且具备较好的机电耦合系数。

由于上述实施例中硅衬底无法有效激发高声速的对称兰姆波模式(S0mode)，当单片式混合集成声波谐振器阵列需要覆盖3.5GHz以上频段时，可利用LiNbO₃/SiC材料平台，即支撑衬底采用SiC材料。此时，3.5GHz频段以下激发对应的压电层区域中的SH0 mode，(与上述实施例同理)；3.5GHz以上激发压电层中对应区域的S0 mode声波，请参阅图7，图7是本申请实施例提供的一种单片式混合集成声波谐振器阵列S0 mode的导纳曲线的示意图，波长为1.4微米时，调整压电层的局部厚度，保持h/λ的值为0.25，即可实现高至5GHz的频段覆盖，且机电耦合系数较高。需要说明的是，叉指电极的传播方向可以根据实际需求进行设置，图中的位置仅为示意。

实施例2：

请参阅图图8，图8是本申请实施例提供的另一种单片式混合集成声波谐振器阵列的结构示意图，单片式混合集成声波谐振器阵列包括：

支撑衬底810；

位于支撑衬底810上表面的填充层820；

位于填充层820上表面的压电层830；压电层830包括多个厚度不相同的区域；压电层830远离支撑衬底的一面平整；压电层830的声阻抗小于支撑衬底的声阻抗；

位于压电层830上表面的叉指电极阵列840；叉指电极阵列840中几何特征相同的多个叉指电极与多个厚度不相同的区域一一对应；叉指电极阵列840中几何特征不同的多个叉指电极在压电层上的对应区域的厚度相同；且几何特征不同的多个叉指电极对应的多个目标声波模式不同。

与实施例1中单片式混合集成声波谐振器阵列的结构不同的是，该实施例中，支撑衬底810与压电层830之间包括填充层820，且压电层830远离支撑衬底的一面平整；由于压电层830包括多个厚度不相同的区域，其表面是凹凸不平的，该实施例中，为了将压电层830不平整的一面设置于靠近支撑衬底810的位置，需要预先在压电层830不平整的表面设置填充层，并对填充层进行抛平，将抛平后的填充层820与压电层830转移到支撑衬底810上。同样地，参考实施例1，叉指电极阵列840中几何特征相同的多个叉指电极8401与多个厚度不相同的区域一一对应，即多个叉指电极8401中的一个叉指电极对应的声波谐振器能够覆盖低频(<1.5GHz)且能够保持较大的机电耦合系数，多个叉指电极8401中的另一个叉指电极对应的声波谐振器能够覆盖高频(>3.0GHz)频段；叉指电极阵列840中几何特征不同的多个叉指电极8402在压电层上的对应区域的厚度相同，即对于多个几何特征不同的叉指电极8402，由于其对应的压电层区域能够激发不同的目标声波模式，从而使得对应的声波谐振器能够覆盖不同的工作频段，例如中频(1.5～3.0GHz)，因此，多个几何特征不同的叉指电极8402在压电层830上的对应区域的厚度可以是相同的。如此，与实施例1相同，实施例2中声波谐振器阵列的工作频率也能够同时覆盖低频(<1.5GHz)、中频(1.5～3.0GHz)和高频(>3.0GHz)频段，且能够保持较高的机电耦合系数。

综上，本申请基于压电层中激发的声波声速随压电层厚度与目标声波声速波长比值(h/λ)变换而变化的非线性关系，对压电层相同的区域，通过选择不同声速的声波模式，即器件面内角度朝向，可以实现不同工作频率；对于压电膜厚度和声波模式相同的区域，通过调整叉指电极周期也可以调控工作频率；当叉指电极周期已经较小时，继续缩小电极周期来提高器件工作频率会带来的器件性能严重退化，因此，此时通过对压电层进行局部减薄，减小h/λ的值，提高该区域激发的声波声速，从而有效提高声波谐振器的工作频率。此外，在声波模式选定，调整电极周期时，也可同时调整压电膜的厚度，以获得较合适的h/λ，便可以在宽频范围内保证声波谐振器的机电耦合系数较大，因此，本申请实施例基于上述理念提供了实施例1和实施例2两种结构的单片式混合集成声波谐振器阵列，相较于现有技术中的声波谐振器，提升了频段覆盖范围；可以实现多频段滤波器的单片集成，解决SAW滤波器无法应用于高频场景，并解决SAW滤波器和BAW滤波器协同工作带来的工艺复杂、设计复杂以及成本高的问题。

实施例3：

本申请实施例还提供了一种单片式混合集成声波谐振器阵列的制备方法，基于该实施例的制备方法可以获得实施例1中的单片式混合集成声波谐振器阵列。请参阅图9，图9是本申请实施例提供的一种单片式混合集成声波谐振器阵列的制备方法的流程示意图，包括：

S901：获取支撑衬底。

S903：在支撑衬底上形成压电层。

S905：对压电层进行减薄，形成多个厚度不相同的区域；压电层与支撑衬底接触的一面平整；压电层的声阻抗小于支撑衬底的声阻抗。

S907：在减薄后的压电层上沉积叉指电极阵列；叉指电极阵列中几何特征相同的多个叉指电极与多个厚度不相同的区域一一对应；叉指电极阵列中几何特征不同的多个叉指电极在压电层上的对应区域的厚度相同；且几何特征不同的多个叉指电极对应的多个目标声波模式不同。

本申请实施例中，在执行步骤S901-S907的过程中，通过调整叉指电极的几何特征，以选择性激发声速合适的目标声波模式、调整叉指电极周期、调整压电层各区域厚度这三种方式单一或者组合使用，如此，在同一片晶圆上制备得到得到在所需频段工作的单片式混合集成声波谐振器阵列。依靠调整叉指电极周期可以有效调控工作频率；另外，在叉指电极周期已经较窄时，通过调整压电膜的厚度，有效提高目标声波模式的声速，从而调控器件的工作频率，如此，可以解决现有技术中依靠缩小叉指电极周期提高工作频率可能带来的器件性能严重退化等问题。进一步地，可以实现多频段声学滤波器的单片集成，解决实际需求中需要SAW谐振器、BAW谐振器等协同工作带来的工艺复杂、设计复杂以及成本高等问题。

本申请实施例中，对压电层进行梯度减薄的步骤可以按照实际频段需求执行，包括单次或多次减薄。

一种可选的获取支撑衬底的实施方式中，包括：获取衬底层；在衬底层上形成至少一层材料层，得到支撑衬底。

一种可选的在支撑衬底上形成压电层的实施方式中，包括：通过离子束剥离法和键合法在支撑衬底上形成压电层。

另一种可选的在支撑衬底上形成压电层的实施方式中，包括：通过沉积法在支撑衬底上形成压电层。

另一种可选的在支撑衬底上形成压电层的实施方式中，包括：通过外延法中在支撑衬底上形成压电层。

另一种可选的在支撑衬底上形成压电层的实施方式中，包括：通过键合和研磨在支撑衬底上形成压电层。

具体的，如图4所示，当波长为4.8微米时，需要通过局部调整LN层的厚度来保持h/λ＝0.3不变，因此，需要得到对应的LN层的厚度为1.44微米，然而通过离子束剥离法得到的压电材料无法达到1.44微米的厚度；因此，可以采用本申请中上述可选的实施方式，即先将压电材料与支撑衬底进行键合，然后进行研磨，从而可以得到较厚的压电层。

一种可选的对压电层进行减薄的实施方式中，包括：通过低能离子(Ar⁺)辐照法、感应耦合等离子体刻蚀法(ICP)和反应离子刻蚀法(RIE)中的任一种对压电层进行减薄。具体的，直接利用离子束定点定位刻蚀。

一种可选的通过低能离子辐照法、感应耦合等离子体刻蚀法、反应离子刻蚀法中的任一种对压电层进行减薄的实施方式中，包括：在压电层的上表面覆盖掩膜版，从而对压电层进行减薄步骤，可利用多重掩膜版多次减薄。

一种可选的通过低能离子辐照法、感应耦合等离子体刻蚀法、反应离子刻蚀法中的任一种对压电层进行减薄的实施方式中，包括：在离子源处添加光栅，以调节出射离子的方向与能量。做到图案化且厚度各异的减薄效果。

一种可选的实施方式中，在支撑衬底上形成压电层之后，对压电层进行减薄之前，还包括：对压电层的表面进行光刻，以形成图案化。可多次进行，即重复步骤光刻-刻蚀。

一种可选的实施方式中，多个叉指电极中每个叉指电极的厚度小于等于多个厚度不相同的区域中的最大厚度。

一种可选的实施方式中，获取支撑衬底之后，在支撑衬底上形成压电层之前，还包括：

在支撑衬底上形成底电极。

一种可选的实施方式中，压电层的XRD谱图的半高宽小于0.5度。

一种可选的实施方式中，获取支撑衬底之后，在支撑衬底上形成压电层之前，还包括：对支撑衬底进行刻蚀，以形成空腔结构。具体的，直接刻蚀支撑衬底形成空腔结构；或；预先制作牺牲层，后除去牺牲层，于支撑衬底处形成空腔结构。

实施例4：

本申请实施例还提供了另一种单片式混合集成声波谐振器阵列的制备方法，基于该实施例的制备方法可以获得实施例2中的单片式混合集成声波谐振器阵列。请参阅图10和图11，图10是本申请实施例提供的另一种单片式混合集成声波谐振器阵列的制备方法的流程示意图，图11是本申请实施例提供的一种单片式混合集成声波谐振器阵列的制备过程的示意图，包括：

S1001：如图11(a)所示，获取离子注入后的压电材料1110。

S1003：如图11(b)所示，对压电材料1110进行区域化减薄，形成多个厚度不相同的区域。

S1005：如图11(c)所示，在减薄后的压电材料1110上沉积填充层1120。

S1007：如图11(d)所示，对填充层1120进行抛平，以使表面平整，得到拋平后的填充层1120和压电材料1110。

S1009：如图11(e)所示，将拋平后的填充层1120和压电材料1110转移到获取的支撑衬底1130上。

S1011：如图11(f)所示，对转移后的压电材料1110进行剥离，得到上表面平整的压电层1110；压电层1110的声阻抗小于支撑衬底1130的声阻抗。

S1013：如图11(g)所示，在压电层1110的上表面沉积叉指电极阵列1140；叉指电极阵列1140中几何特征相同的多个叉指电极与多个厚度不相同的区域一一对应；叉指电极阵列1140中几何特征不同的多个叉指电极在压电层上的对应区域的厚度相同；且几何特征不同的多个叉指电极对应的多个目标声波模式不同。

可选的，填充层1120采用温度补偿材料；填充层1120的声阻抗大于支撑衬底1130的声阻抗；填充层1120的导热性强于支撑衬底1130的导热性。

本申请实施例中的制备方法与单片式混合集成声波谐振器阵列实施例基于同样地申请构思。

需要说明的是：上述本申请实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

以上所述仅为本申请的较佳实施例，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。